1.서 론
쇼트키 배리어 다이오드(schottky barrier diode, SBD) 란 다이오드의 한 종류로 N형 반도체와 금속을 접합 시 켰을 때 발생하는 쇼트키 배리어(schottky barrier)의 성 질을 이용한 다이오드이다.1,2) SBD는 전류를 한 방향으 로만 흐르게 하고, 그 역방향으로 흐르지 못하게 하는 성질을 가진 반도체로서 그 특성은 PN 접합 다이오드 와 유사하다. 하지만 SBD는 PN 접합 다이오드에 비 해 순방향 전압강하가 작고, 스위칭 속도가 빠른 장점 이 있다.
SBD가 처음 개발되었을 때는 금속과 반도체를 접촉시 켰을 때 발생하는 불가피한 문제, 즉 반도체 표면에 생 성되는 얇은 산화막 불순물 등에 의해 SBD 소자로서의 재현성 및 안정성의 문제 때문에 실용화 되지 않았다. 하지만 반도체 Fab 기술의 증대에 따라서 에피택시 성장 (epitaxy growth), 산화 공정(oxidation), 포토리소그래피 (photolithography), 식각(etching), 물리기상증착법(physical vapor deposition) 및 화학기상증착법(chemical vapor deposition)과 같은 증착 기술의 발전, 특히 쇼트키 배리 어를 형성하는 금속과 실리콘 웨이퍼의 접합에 대한 신 뢰성이 대폭 증대되었기 때문에 SBD는 Ti, Mo, V 등 을 배리어 금속으로 이용하여 현재까지 많은 회사에서 개발/양산되고 있는 제품이다.3-6) Mo, Ti 배리어 금속을 이용한 standard SBD (Ti-SBD), V 배리어 금속을 이용 한 Low VF SBD, Ti 배리어 금속을 이용한 Low IR SBD 등 다양한 종류의 소자가 있다. 이러한 제품들을 양산하는 과정에서 만약 배리어 층이 제대로 형성되지 않았을 경우 barrier lowering, pre-breakdown avalanche, tunneling 등 다양한 reverse current 불량 현상이 발생 할 수 있다. 특히 배리어 층 형성 후 금속 배선으로 사 용하는 Al이 웨이퍼 계면으로 확산하게 되면 SBD 특 성의 저하를 야기시키기 때문에 이를 방지하기 위한 다 양한 연구가 수행되어 왔다.7-9)
본 연구진은 standard SBD의 한 종류인 Ti-SBD를 제 조하는 과정에서 Ti-실리사이드(silicide) 배리어 층 형성 후 잔존하는 Ti층의 존재가 Al의 확산에 미치는 영향을 조사하였다. 일부 존재하는 Ti층을 제거하기 위하여 SC- 1 (Standard Clean-1) 세정을 적용하였다. SC-1 세정은 반도체 기판을 세정하기 위해 일반적으로 사용되고 있 는 습식 세정법인 RCA 공정이다.10) RCA 공정은 SC-1 과 SC-2가 있으며 SC-1은 표면 유기물질들 제거 및 금 속 불순물들을 제거하는 공정이다. Ti-실리사이드와 Si 웨 이퍼 계면에서 Al 원소의 존재를 확인하기 위해 오제이 전자분광분석기(auger electron spectroscopy)를 이용하여 Ti-SBD의 depth profile을 분석하였다. 이를 통해 SC-1 세정을 통해 RTA 후 실리사이드를 형성하지 않은 Ti 층 을 제거하였을 때 Al 확산 방지가 효과적인 것으로 확 인하였다.
2. 실험 방법
2.1 Ti-SBD 제조를 위한 Ti-실리사이드 및 금속 층 형성
n-type epitaxy 층이 형성된 Si 웨이퍼(n-type)에 스퍼 터링(sputtering) 공정을 이용하여 Ti 층을 180 nm 증착 하였다. 이 때 웨이퍼 온도는 300 °C로 유지하였다. Ti 층 증착 후 실리사이드(silicide)를 형성하기 위하여 800 °C에서 30초 동안 rapid thermal annealing (RTA)를 실 시하였다. 실리사이드를 형성하지 않은 잔존하는 Ti층을 제거하기 위하여 SC-1 (standard clean-1) 세정을 수행하 였다. SC-1 세정 액의 조성은 암모니아(NH4OH), 과산 화수소(H2O2), 증류수(H2O)를 1:1:5의 비율로 혼합하여 80 °C의 온도에서 20분 동안 실시하였다. Ti 실리사이드 형성 후 Al 층은 스퍼터를 이용하여 4 μm 두께로 증착 하였다. 이 때 웨이퍼 온도는 400 °C로 유지하였다. 증 착된 Al층은 포토리소그래피(photolithography) 및 금속 층의 식각(etching) 공정을 통해 패터닝을 실시하였다. 마 지막으로 수소(H2) 분위기에서 400 °C의 온도로 20분 동 안 소결 공정을 실시하였다. 상기 과정을 통해 형성된 Ti-SBD의 단면 구조는 Fig. 1(a)에 나타냈다
2.2 특성 분석
제조된 Ti-SBD의 단면 구조를 분석하기 위하여 전계 방사형 주사전자현미경(field emission scanning electron microscopy, FE-SEM, JEOL, JSM-6500F)을 사용하였다. 오제이전자분광분석기(auger electron spectroscopy, AES) 를 이용하여 깊이 방향으로 원소 분포를 분석(depth profile) 하였다. Depth profile 분석을 수행하기 위하여 4 μm 두 께의 Al 층을 1 μm 미만이 될 때까지 dry etching을 통 해 전처리 공정을 실시하였다. 1 um 미만 두께의 Al이 남아있는 Ti-SBD는 이온 건(ion gun)의 조건은 3 kV의 에너지로 하였으며 0.3 nm/s의 속도로 스퍼터링을 실시 하였다.
3. 결과 및 고찰
제조된 Ti-SBD (SC-1 세정, Al 증착 후 400 °C에서 20분 동안 소결) 표면 및 단면 구조는 Fig. 1(b)와 Fig. 2의 SEM 이미지를 통해 확인할 수 있다. Al 금속 층 은 균일하게 증착되었으며 결정립의 크기는 1 ~ 10 μm로 나타났다[Fig. 1(b)]. Fig. 2에서 확인할 수 있듯이 Ti-실 리사이드 층의 두께는 약 230 nm로 측정되었다. 본 연 구에서 제조한 Ti-SBD의 Ti 층은 180 nm의 두께로 증 착 하였다. RTA 후 Ti층의 두께가 약 50 nm 증가한 230 nm로 측정된 것으로 보아 Ti와 Si이 반응하여 실리 사이드를 형성한 것이라고 할 수 있다. 두께 1 nm의 Ti 가 TiSi2 실리사이드를 형성하기 위하여 약 2.3 nm의 Si 을 소비하게 되며, 이러한 이유로 Ti-실리사이드 두께는 증착된 Ti 보다 50 nm 증가한 것으로 판단된다.
Fig. 3(a)는 RTP 후 SC-1 처리를 수행 하지 않은 Ti- SBD (RTA 후 SC-1 세정을 하지 않고 Al 증착 후 400 °C에서 20분간 소결)의 AES depth profile 분석 결과이 다. Al 층과 Ti-실리사이드 층 계면에 8 %의 산소가 확 인되었다. 깊이 약 750 ~ 770 nm에서 Al, Ti만 확인되는 것으로 보아 실리사이드를 형성하지 않은Ti가 얇게 존재 하는 것으로 사료된다. SC-1 세정을 하지 않았을 경우 깊이 약 1,200 nm 위치에서 약 4 %의 Al이 검출되었다. 이를 통해 Ti-실리사이드 층과 Si 계면 사이에 Al이 확 산된 것을 확인하였다.
Fig. 3(b)는 SC-1 세정을 실시한 Ti-SBD (SC-1 세정, Al 증착 후 400 °C에서 20분 동안 소결)의 AES depth profile 분석 결과이다. Al 층의 두께가 다른 이유는 SC- 1세정을 하지 않은 Ti-SBD와 동일하게 Al층과 Ti-실리 사이드 계면에서 산소가 존재하는 것이 확인되었다. SC- 1 세정을 하지 않았을 때 보다 3 % 적은 5 %로 확인되 었으나 단순한 SC-1 세정으로는 산소의 확산 방지은 어 려운 것을 확인할 수 있다. 깊이 약 1,200 ~ 1,300 nm 위치를 확인하면 SC-1 세정을 수행하지 않았을 때[Fig. 3(a)]와 달리 Ti와 Si가 동시에 검출되고 있다. 이러한 분 석 결과를 통해 SC-1 세정 후 Ti-실리사이드를 형성하 지 않은 얇은 Ti 층이 제거되었을 것으로 판단된다. 흥 미롭게도 Ti 층이 제거된 SBD의 경우 Al의 확산이 이 루어지지 않았다.
SC-1 세정에 의하여 Al이 확산되지 않은 이유는 아래 와 같이 생각해 볼 수 있다. 먼저 Ti와 Ti-실리사이드의 열팽창계수는 각각 8.5 × 10−6/°C, Ti-실리사이드 (반도체 에서 대표적으로 사용되는 TiSi2의 경우 10.5 × 10−6/°C) 로 두 물질 간 2의 차이가 있다.11) SC-1세정을 수행하지 않았을 경우 Al 증착 및 소결을 위해 웨이퍼는 400 °C 까지 가열 및 냉각을 하게된다. 이러한 과정에서 Ti와 Ti-실리사이드의 열팽창계수 차이에 의해 그 계면에서 열 응력(thermal stress)이 발생하며, Ti 층에는 인장 응력 (tensile strength) 및 Ti-실리사이드에는 압축 응력(compressive stress)이 발생하게 된다. Ti-SBD를 제조하기 위 해 위 과정은 두 차례 반복되며 이러한 과정들을 통해 Ti-실리사이드 층이 영향을 받게 되어 Al의 확산이 이 루어졌을 것이다.
마지막으로 Al의 확산 방지를 위한 SC-1 세정 효과 를 더 확인하기 위하여 소결 시간을 20분에서 30분으로 증가시킨 후(SC-1 세정, Al 증착 후 400 °C에서 30분 동안 소결) AES depth profile 분석을 수행하였고 그 결 과를 Fig. 4에 나타냈다. 깊이 약 1,000 nm 위치에서 약 8 %의 산소가 Al 층과 Ti-실리사이드 층 사이에서 확인 되었다. AES 분석 결과 SC-1 세정 유·무에 관계 없이 Al과 Ti-실리사이드 층 사이에서 산소가 존재하는 것으 로 확인되었다. 이러한 이유는 Ti 증착 및 RTA를 수행 하는 과정에서 웨이퍼 표면이 대기중에 노출되었기 때 문일 것이라고 사료된다. SC-1 세정 공정은 표면에 존 재하는 산소의 제거와는 관계 없는 것으로 생각된다. 1,600 ~ 1,800 nm 위치를 확인하면 소결을 20분 실시한 Ti-SBD와 달리 30분 동안 실시했을 경우 Ti-실리사이드 와 Si 계면에서 Ti와 Si의 반응이 일어나고 있는 것을 알 수 있다. 소결 시간을 20분에서 30분까지 증가시켰 음에도 불구하고 Ti-실리사이드와 Si 웨이퍼 계면에서 Al 이 검출되지 않았다. 더 많은 시간 열처리를 수행했음 에도 불구하고 Al의 확산은 일어나지 않은 것을 알 수 있다. 이러한 결과를 통해 SC-1 세정은 Ti-실리사이드 층 을 통한 웨이퍼로의 Al 확산을 충분히 방지하는 효과가 있는 것으로 판단된다.
4.결 론
본 연구에서는 Ti-SBD에서 Ti-실리사이드 형성 후 SC- 1 세정 공정을 통해 잔존하는 Ti 층을 제거함으로써 Al 의 확산이 방지되는 것을 확인하였다. AES depth profile 분석을 통해 SC-1 세정과 관계 없이 모든 조건에서 Ti- 실리사이드와 Al 층 계면에서 산소가 존재하는 것이 확 인되었다. AES 분석을 통해 SC-1 세정 전 Ti 층의 존 재가 확인되었으며, 이 때 Ti-실리사이드와 Si 웨이퍼 계 면에서 4 %의 Al이 존재하는 것으로 조사되었다. 흥미 롭게도 SC-1 세정 후 Ti-실리사이드와 Si 웨이퍼 계면 사이로 Al의 확산은 이루어지지 않았다. Ti 층이 존재 할 경우 Al 증착 및 소결을 실시하는 과정에서 Ti와 Ti- 실리사이드의 열팽창 계수 차이로 인한 열충격에 의해 Ti-실리사이드 층이 영향을 받게 되어 Al의 확산이 이 루어졌을 것으로 사료된다. 마지막으로 소결 시간을 20 분에서 30분으로 증가시켰음에도 불구하고 Al의 확산이 이루어지지 않은 것을 확인하였다. 이러한 결과는 SC- 1 세정을 통한 Ti 층의 제거는 Al의 확산을 방지하는 결 과를 지지하게 된다. 결과적으로 Ti-실리사이드 형성 후 SC-1 세정을 통해 잔존하는 Ti 층을 제거하는 것은 Al 의 Ti-실리사이드와 Si 웨이퍼 계면 사이로의 확산을 방 지할 수 있으며, Ti 층의 두께 조절, RTA 온도 및 시간 변화, Al 증착 및 소결 조건 등 더 많은 실험을 통해 조건 최적화를 실시한다면 Ti-SBD의 제조 공정에 안정 성을 증가시킬 수 있을 것으로 사료된다.
