쉬운 반도체공학 #01 Ohmic contact과 Schottky Contact

본격적으로 반도체공학에서 다뤘던 내용들을 다루겠습니다!

 

옴 접촉은 금속과 heavily 도핑된 반도체가 만났을 때 일어나는 특성입니다. 낮은 저항을 가지고 있는 것이 특징입니다. 모스펫에서 금속 배선이 heavily 도핑된 N-well과 만났을 때 일어나는 것이 옴 접촉입니다. 소자 전반적으로 굉장히 많이 쓰이는 특성입니다. 

 

쇼트키 접촉은 금속과 lightly 도핑된 반도체가 만났을 때 일어납니다. PN junction의 I-V특성과 흡사한 것이 특징입니다. 특별한 경우에 쓰이거나 혹은 원치 않는 특성으로 나타나기도 합니다.

 

옴 접촉과 쇼트키 접촉을 이해하기 위해서는 에너지 밴드에 대한 이해가 필요합니다.

 

반도체인 Si의 경우 1.1eV 정도의 밴드갭 에너지를 가지고 있습니다. 이에 반해 부도체는 이보다 훨씬 더 큰 에너지 밴드갭을 가지면서 전자가 전도대로 이동하기 힘듭니다. 반면에 금속과 같은 도체는 가전자대와 전도대가 중첩되어 있습니다. 외부에 에너지가 없어도 이미 자유전자가 존재하여 전류가 흐를 수 있다는 뜻이죠.

 

에너지 밴드 다이어그램에서 추가적으로 알아야할 용어들이 있습니다. 진공준위, 일함수, 전자친화도 입니다. 진공 준위까지 전자가 이동하면 전자는 물질과 완전히 떼어졌다라고 볼 수 있습니다. 이 진공함수와 페르미 준위와의 차이가 일함수 입니다! 전도대와 진공준위와의 차이를 전자친화도라고 합니다. 그렇다면 쇼트키 접촉에 대해 알아보겠습니다!

 

금속의 일함수는 일반적으로 n-type의 Si보다 큽니다. 그리고 가전자대와 전도대가 겹쳐져 있기 때문에 실리콘과 달리 페르미 준위만 보이게 되죠. 이 둘이 접촉하는 순간 Fermi level이 allign되는 성질에 의해 Si의 전자가 metal로 이동하게 됩니다. Si쪽의 전자가 줄면 페르미 레벨이 낮아지면서 금속과 allign 될 수 있는 것이죠. 우측 그림처럼 밴드가 휘게 되면 PN접합 처럼 공핍층이 생기면서 contact potential이 발생합니다. 이 전압에 의해 배리어가 생기게 되는 것이죠. 그리고 이 배리어는 전자의 이동을 제한하게 됩니다.

 

반대로 페르미 레벨이 아래 쪽에 위치해 있는 p-type 반도체와 금속이 만나게 되면 위와 같은 모양이 됩니다. 전자가 기준이 아니라 정공을 기준으로 위의  프로세스를 거치게 되는 것이죠.

 

쇼트키 접촉에서 bias가 없다면 양 방향으로 전류는 거의 흐르지 않고 Io의 전류만 흐릅니다. (b)를 보면 금속 부분에 foward bias를 가한 모습입니다. PN접합과 마찬가지로 배리어가 낮아지면서 Si에서 금속으로 전자가 흐르는 것을 볼 수 있습니다. PN접합 처럼 bias에 exponential하게 전류가 흐릅니다. 반면 금속에서 Si으로 흐르는 전류는 배리어가 변하지 않았으므로 -Io의 전류만 흐릅니다.

 

 

reverse bias를 가한 상황입니다. 배리어는 양 쪽에서 높아졌기 때문에 전류는 양방향으로 거의 흐르지 않습니다. 사실 이러한 쇼트키 접촉은 전력 반도체인 쇼트키 다이오드에서 많이 쓰입니다. 하지만 저항을 높이기 때문에 대부분의 반도체 공정에서 원하지 않는 조건입니다. 따라서 Si과 금속의 직접적인 접촉을 피하기 위해 Sillicide 공정이 필요합니다. Si위에 금속을 증착 시킨 뒤 열 처리 공정으로 Si과 금속 화합물을 만들어내는 공정입니다. 비용도 싸고 낮은 저항을 가지고 있고 열변형도 없기 때문에 많이 쓰입니다. Sillicide의 단점은 금속을 사용하기 때문에 trap이 발생할 확률이 높고 이로 인한 누설 전류가 발생한다는 점입니다.

 

 

 

 

그렇다면 옴 접촉은 어떤 원리일까요? 쇼트키 접촉과 다른 점은 Si이 heavily doping 됐다는 점입니다. 밴드 다이어그램으로 보면 별 차이가 없지만 이전의 경우와 다르게 Si의 페르미 준위가 더 전도대와 가깝습니다. 따라서 금속과 페르미 레벨이 allign될 때 더 날카롭게 배리어가 형성됩니다. 더 많은 전자가 이동하면서 allign 되기 때문입니다.

 

이러한 모습입니다. 익숙한 모양이지 않나요? 저번 포스팅에서 나왔던 터널링 효과로 인해 양방향으로 캐리어가 이동하게 되면서 전류가 0이됩니다.

 

마찬가지로 금속에 foward bias를 가하게 되면 전도대가 더 상승하면서 위와 같은 모양이 됩니다. Si에서 금속으로 가는 캐리어는 더욱 활발해지고, 금속에서 Si으로 가는 캐리어의 수는 줄어들게 됩니다. 즉 전압을 가하면 전류가 통하고 전압이 상승할수록 전류가 커지는 특성이라는 것입니다.

 

즉 위 그림처럼 선형적인 I-V특성을 가지게 됩니다.