Ni/Al ('/' denotes deposition sequence) contacts were deposited on Al-implanted 4H-SiC for ohmic contact formation, and the conduction properties were characterized and compared with those of Ni-only contacts. The thicknesses of the Ni and Al thin film were 30 nm and 300 nm, respectively, and the fi...
Ni/Al ('/' denotes deposition sequence) contacts were deposited on Al-implanted 4H-SiC for ohmic contact formation, and the conduction properties were characterized and compared with those of Ni-only contacts. The thicknesses of the Ni and Al thin film were 30 nm and 300 nm, respectively, and the films were sequentially deposited bye-beam evaporation without vacuum breaking. Rapid thermal anneal (RTA) temperature was varied as follows : $840^{\circ}C$, $890^{\circ}C$, and $940^{\circ}C$. The specific contact resistivity of the Ni contact was about $^{\sim}2\;{\pm}\;10^{-2}\;{\Omega}{\cdot}cm^2$, However, with the addition of Al overlayer, the specific contact resistivity decreased to about $^{\sim}2\;{\pm}\;10^{-4}\;{\Omega}{\cdot}cm^2$, almost irrespective of RTA temperature. X-ray diffraction (XRD) analysis of the Ni contact confirmed the existence of various Ni silicide phases, while the results of Ni/Al contact samples revealed that Al-contaning phases such as $Al_3Ni$, $Al_3Ni_2$, $Al_4Ni_3$, and $Ab_{3.21}Si_{0.47}$ were additionally formed as well as the Ni silicide phases. Energy dispersive spectroscopy (EDS) spectrum showed interfacial reaction zone mainly consisting of Al and Si at the contact interface, and it was also shown that considerable amounts of Si and C have diffused toward the surface. This indicates that contact resistance lowering of the Ni/Al contacts is related with the formation of the formation of interfacial reaction zone containing Al and Si. From these results, possible mechanisms of contact resistance lowering by the addition of Al were discussed.
Ni/Al ('/' denotes deposition sequence) contacts were deposited on Al-implanted 4H-SiC for ohmic contact formation, and the conduction properties were characterized and compared with those of Ni-only contacts. The thicknesses of the Ni and Al thin film were 30 nm and 300 nm, respectively, and the films were sequentially deposited bye-beam evaporation without vacuum breaking. Rapid thermal anneal (RTA) temperature was varied as follows : $840^{\circ}C$, $890^{\circ}C$, and $940^{\circ}C$. The specific contact resistivity of the Ni contact was about $^{\sim}2\;{\pm}\;10^{-2}\;{\Omega}{\cdot}cm^2$, However, with the addition of Al overlayer, the specific contact resistivity decreased to about $^{\sim}2\;{\pm}\;10^{-4}\;{\Omega}{\cdot}cm^2$, almost irrespective of RTA temperature. X-ray diffraction (XRD) analysis of the Ni contact confirmed the existence of various Ni silicide phases, while the results of Ni/Al contact samples revealed that Al-contaning phases such as $Al_3Ni$, $Al_3Ni_2$, $Al_4Ni_3$, and $Ab_{3.21}Si_{0.47}$ were additionally formed as well as the Ni silicide phases. Energy dispersive spectroscopy (EDS) spectrum showed interfacial reaction zone mainly consisting of Al and Si at the contact interface, and it was also shown that considerable amounts of Si and C have diffused toward the surface. This indicates that contact resistance lowering of the Ni/Al contacts is related with the formation of the formation of interfacial reaction zone containing Al and Si. From these results, possible mechanisms of contact resistance lowering by the addition of Al were discussed.
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문제 정의
본 논문에서는 Ni/Al 전극재료의 적용성을 평가하기 위하여, A1 이 이온주입된 通 4H-SiC 에 Ni/Al 이중막을 증착하여 급속열처리(Rapid thermal anneal : RTA) 온도에 대한 접촉저항값의 변화를 분석하고 저온.저저항 p형 오믹접합 형성의 가능성을 타진하였다.
저온.저저항 p형 오믹접합 형성의 가능성을 타진하였다. 또한 X선 회절법(X-Ray diffraction : XRD) 및 energy dispersive spectroscopy (EDS) 분석법을 이용하여 Ni/Al contact sample을 분석하고, Al 첨가에 의해 오믹접촉이 형성되는 원인을 모색하고자 하였다.
제안 방법
A1 이온주입된 p형 4H-SiC에 Ni, Ni/Al을 접촉 금속으로 사용하여 온도를 달리하며 RTA를 실시한 후 I-V 특성을 조사하였다. Ni/Al을 전극용 금속으로 사용한 경우 Ni 접촉에 비해 I-V 특성의 선형성이 개선되었으며, 접촉비저항이 약 2 order 감소하였다.
RTA 후 상분석 (phase analys询을 위하여 Cu Ka 특성 X선을 이용하여 가속전압 40 kV, 전류 30 mA로 고정하고 X선 회절분석을 실시하였으며, 금속막과 SiC의 계면분석을 위해 단면 투과전자현미경 (Transmission electron spectrosopy : TEM) 과 in situ EDS 분석을 진행하였다.
이후 SiC 웨이퍼를 RCA 세정법으로 세척하고, 절연 및 표면 보호를 위해 1150°C에서 건식산화공정으로 약 20 nm 의 산화막을 성장시켰다. lift-off 공정을 이용하여 Ni 30 nm / Al 300 nm 이중막을 패터닝함으로써 SiC 표면에 그림 1(a)와같이 원형과 선형 transfer length method (TLM) 패턴을 형성하였으며, Ni/Al 금속막은 e-beam evaporator 장비에서 진공을 깨뜨리지 않고 연속적으로 증착하였다. 접촉저항 및 전류-전압 특성의 비교를 위하여 A1 없이 Ni 50 nm 만을 증착한 기준 시편도 동일한 방법으로 준비하였다.
공정이 완료된 후, TLM 패턴의 간격에 대한 총저항값의 그래프로부터 선형회귀법(linear regression) 으로 직선의 기울기와 X축, Y축 절편을 구하여 이로부터 일련의 계산을 거쳐 transfer length와 접촉 비저항(specific contact resistance)을 추출하였다 [17], TLM법으로 접촉비저항을 구하는 방법을 간략하게 설명하면, 그림 1
깊이 방향에 대한 원소분포를 조사하기 위해, RTA 처리된 Ni/Al 시편의 단면 TEM 시편을 제작하고 in situ EDSt- 이용하여 금속/SiC 계면 분석을 시도하였다. 그림 6(a)는 890°C에서 RTA된 Ni/Al 오믹접촉 시편의 단면 TEM 사진이다.
저저항 p형 오믹접합 형성의 가능성을 타진하였다. 또한 X선 회절법(X-Ray diffraction : XRD) 및 energy dispersive spectroscopy (EDS) 분석법을 이용하여 Ni/Al contact sample을 분석하고, Al 첨가에 의해 오믹접촉이 형성되는 원인을 모색하고자 하였다.
03 £2 - cm 이하의 비저항을 갖는 n형 SiC 기판 위에 약 4 X 1015 cmT의 도핑농도를 갖는 약 12 皿1의 n형 SiC 에피층이 성장되어 있는 상용제품이었다. 여기에 4 X 1019 cm「3의 box형 농도분포와 약 600 nm의 접합 깊이를 갖도록 A1 이온을 주입한 후, Ar 분위기 (650 Torr)에서 1700°C, 30분 고온 열처리하여 A1 을 활성화함으로써 p형 SiC 도핑영역을 형성하였다. 이후 SiC 웨이퍼를 RCA 세정법으로 세척하고, 절연 및 표면 보호를 위해 1150°C에서 건식산화공정으로 약 20 nm 의 산화막을 성장시켰다.
접촉저항 및 전류-전압 특성의 비교를 위하여 A1 없이 Ni 50 nm 만을 증착한 기준 시편도 동일한 방법으로 준비하였다. 이어 840°C, 890°C, 940°C로 온도를 변화시키면서 200 mTorr의 Ar 분위기에서 90초간 급속열처리(Rapid thermal anneal : RTA)를 실시하여 오믹접촉을 형성하였다. 이상의 실험내용을 표 1에 요약하였다.
5 X 10-4 Q - cm2 로 전기 전도성 이 우수한 Ni/Al 오믹접촉이 형성됨을 확인하였다. 이와 같이 Al overlayer 첨가에 의해 접촉비 저항이 크게 낮아지는 원인을 규명하기 위해 XRD, EDS 등의 분석을 실시하였다. Ni/Al 접촉에서는 Si와 C 의 외부확산에 의해 Al, Si, C의 계면 반응층이 금속 막/SiC 계면에 형성되어 있음을 확인하였으며, XRD 분석으로부터 이 계면층이 Al3.
이와 같이 접촉비저항이 낮아지는 원인을 파악하기 위해 각각의 시편에 대해 XRD 분석을 실시하였다. 그림 4는 Ni 접촉에 대한 XRD 스펙트럼이다.
그림 4는 Ni 접촉에 대한 XRD 스펙트럼이다. 증착된 Ni의 두께가 50 nm로 얇은 점을 고려하여, 박막으로부터의 검출신호를 극대화하기 위해 X선의 입사각을 2° 로 낮추어 스펙트럼을 얻었다. 그림 4를 보면 Ni 과 SiC 의 반응으로부터 NizSi, Ni3Si 등 니켈 실리사이드가 형성되었음을 알 수 있다.
대상 데이터
실험에 사용한 SiC 웨이퍼는 0.03 £2 - cm 이하의 비저항을 갖는 n형 SiC 기판 위에 약 4 X 1015 cmT의 도핑농도를 갖는 약 12 皿1의 n형 SiC 에피층이 성장되어 있는 상용제품이었다. 여기에 4 X 1019 cm「3의 box형 농도분포와 약 600 nm의 접합 깊이를 갖도록 A1 이온을 주입한 후, Ar 분위기 (650 Torr)에서 1700°C, 30분 고온 열처리하여 A1 을 활성화함으로써 p형 SiC 도핑영역을 형성하였다.
성능/효과
있다. Ni 접촉에 비해 Ni/Al 접촉의 전류-전압 특성의 선형성이 개선되었으며, 직선의 기울기로부터 오믹접촉의 저항값도 또한 크게 감소한 것을 알 수 있다. 이것은 Al overlayer를 첨가하여 금속-SiC 접합의 오믹접족 특성이 현저하게 개선되었음을 뜻한다.
이와 같이 Al overlayer 첨가에 의해 접촉비 저항이 크게 낮아지는 원인을 규명하기 위해 XRD, EDS 등의 분석을 실시하였다. Ni/Al 접촉에서는 Si와 C 의 외부확산에 의해 Al, Si, C의 계면 반응층이 금속 막/SiC 계면에 형성되어 있음을 확인하였으며, XRD 분석으로부터 이 계면층이 Al3.21Sio.47 및 AI4C3 등으로 구성되어 있음을 알았다. 이상의 결과로부터 A1 첨가에 의해 접촉비저항이 개선되는 원인에 대해 추론 가능한 가설 들을 제시하였으며, 향후 이를 규명하기 위한 실험이 진행될 예정이다.
후 I-V 특성을 조사하였다. Ni/Al을 전극용 금속으로 사용한 경우 Ni 접촉에 비해 I-V 특성의 선형성이 개선되었으며, 접촉비저항이 약 2 order 감소하였다. 또한 840°C의 낮은 온도에서 RTA 처리 후에도 ~ 1.
Ni 접촉의 접촉비저항값이 약 〜2 X 10-2 Q - cm2 임에 비해, Ni/Al 접촉의 접촉비저항값은 〜2 X 10-4 Q - cm2 로 약 1/100로 감소했음을 알 수 있다. RTA 온도에 대해 접촉비저항값의 변화는 의존성이 미약했으며, 특히 Ni/Al 접촉은 840 °C의 낮은 RTA 온도에 도 불구하고 ~ L5 X XL Q - cm2 로우수한 전도성을 보였다. 이것은 최근 세계적으로 p-type 오믹접촉 물질로 많이 연구되고 있는 Ti/Al 시스템이 1000 °C 이상의 고온열처리를 요구함에 비해 [3, 12] 상대적으로 매우 낮은 온도에서 우수한 접촉비저항값을 보인 결과라고 할 수 있다.
즉, 그림 6(b)의 결과로 보면, zone HI는 Al과 Si 이주요 구성원소이며, C도 일부 포함되었을 가능성이 있다. 따라서 XRD 분석결과에서 검출된 A13.2iSio.47이 zone m의 주요 구성물질인 것으로 판단되며, XRD 스펙트럼에서 검출된 AI4C3도 zone HI에 일부 존재할 것으로 생각된다.
Ni/Al을 전극용 금속으로 사용한 경우 Ni 접촉에 비해 I-V 특성의 선형성이 개선되었으며, 접촉비저항이 약 2 order 감소하였다. 또한 840°C의 낮은 온도에서 RTA 처리 후에도 ~ 1.5 X 10-4 Q - cm2 로 전기 전도성 이 우수한 Ni/Al 오믹접촉이 형성됨을 확인하였다. 이와 같이 Al overlayer 첨가에 의해 접촉비 저항이 크게 낮아지는 원인을 규명하기 위해 XRD, EDS 등의 분석을 실시하였다.
이상의 결과로부터 Ni/Al 금속막을 증착하여 열처리했을 경우 SiC와 금속막의 계면에 A1 과 Si으로 구성된 계면 반응층이 형성됨을 알았다. 이 계면 반응층의 정확한 역할을 규명하기 위해서는 추가적인 연구가 필요하며, 현재로서는 Ni/Al 오믹접촉의 형성 원인을 다음에 열거한 가설들 중 하나일 것으로 예상하고 있다.
후속연구
구성된 계면 반응층이 형성됨을 알았다. 이 계면 반응층의 정확한 역할을 규명하기 위해서는 추가적인 연구가 필요하며, 현재로서는 Ni/Al 오믹접촉의 형성 원인을 다음에 열거한 가설들 중 하나일 것으로 예상하고 있다. 먼저 생각해 볼 수 있는 가능성은, 계면 반응층이 작은 밴드갭을 가지고 있어서 p형 SiC과 접촉 형성시 기존의 타 금속재료를 사용했을 때에 비해 낮은 쇼트키 장벽을 형성할 경우이다.
47 및 AI4C3 등으로 구성되어 있음을 알았다. 이상의 결과로부터 A1 첨가에 의해 접촉비저항이 개선되는 원인에 대해 추론 가능한 가설 들을 제시하였으며, 향후 이를 규명하기 위한 실험이 진행될 예정이다.
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