KR20010015194A - 쇼트키 배리어 다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 쇼트키 배리어 다이오드에 있어서, 배리어 높이(φb)의 정밀한 제어를 행하여, 순방향 특성 및 역방향 특성을 조정하는 것을 과제로 한다.
반도체에 대하여 상이한 쇼트키 배리어 높이를 보이고, 금속간 화합물을 형성하지 않는 조합의 2종류 이상의 금속 재료의 합금으로 이루어지는 쇼트키 전극을 형성한다.
Description
본 발명은 금속과 반도체의 계면에 생기는 쇼트키 배리어를 이용한 반도체 정류 소자인 쇼트키 배리어 다이오드(Schottky barrier diode)(이하 SBD라 약칭한다)에 관한 것이다.
금속과 반도체의 계면에 생기는 쇼트키 배리어를 이용한 SBD는 순방향 특성과 역방향 특성 사이에 트레이드 오프(trade-off)의 관계가 있기 때문에, 쇼트키 배리어 높이(이후, φb라고 표기한다)를 조정할 필요가 있다[S. M. Sze. "Physics of Semiconductor Devices" p. 378 참조].
반도체 기판으로서 실리콘 웨이퍼를 이용하는 경우, φb를 조정하는 방법에는 주로 다음의 두가지 방법이 있다.
(1) 배리어 금속의 선택[이 경우, 계면은 금속/실리콘 계면이 된다. 예컨대 전술한 "Physics of Semiconductor Devices" 참조]
(2) 실리사이드층(silicide layer)의 제어[이 경우, 계면은 금속 실리사이드/실리콘 계면이 된다. 예컨대, 오도마리, 하라, 치쿄(大泊, 原, 知京), 응용 물리, vol. 56, (1987), pp.311-331, "전자적 척도로 본 실리사이드/실리콘 계면의 구조" 참조]
(1)의 방법에서는, 일반적으로 φb는 기판의 일 함수(work function)와 금속의 전자 친화력의 차이로 결정된다. 일 함수와 전자 친화력은 재료 고유의 값이기 때문에, 금속 재료를 선택함으로써, φb를 어느 정도의 범위에서 제어할 수 있지만, 미세한 조정은 할 수 없다.
(2)의 방법은 열처리에 의해 금속/실리콘 계면이 아니라, 금속 실리사이드/실리콘 계면에 쇼트키 배리어를 형성하는 방법이다. 금속 실리사이드의 조성은 열처리 온도에 따라 변하기 때문에, 열처리 온도에 따라 φb를 변화시킬 수 있다. 그러나, (2)의 방법은 취급의 용이성 문제나 재료가 한정되는 문제로 인해 만능의 방법이 아니다.
상기한 방법에서는 금속 단일체 또는 금속 실리사이드 고유의 일 함수로 결정되기 때문에, 임의의 φb를 얻을 수 없었다.
본 발명의 목적은 배리어 높이(φb)를 정밀하게 제어함으로써, 순방향 특성 및 역방향 특성을 조정할 수 있는 SBD를 제공하는 것이다.
도 1은 Ti-Y 합금 배리어를 이용한 SBD의 조성과 φb의 관계를 나타내는 특성도이다.
도 2는 Ti-Y 합금 배리어를 이용한 SBD의 단면도이다.
도 3은 Ti-Y계의 상태도이다.
도 4는 Zr-Ta 합금 배리어를 이용한 SBD의 조성과 φb의 관계를 나타내는 특성도이다.
도 5는 Zr-Ta계의 상태도이다.
도 6은 Mn-Y 합금 배리어를 이용한 SBD의 조성과 φb의 관계를 나타내는 특성도이다.
도 7은 Mn-Y계의 상태도이다.
도 8은 Zr-V계의 상태도이다.
도 9는 배리어 금속 재료 후보의 일람도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 실리콘 기판
2 : 배리어 금속
3 : Al 전극
4 : 오믹 전극
5 : p 가드링
6 : 산화막
상기한 과제 해결을 위해, 본 발명의 SBD는 반도체에 대하여 상이한 φb를 나타내고, 금속간 화합물을 형성하지 않는 조합의 2종류 이상의 금속 재료 합금으로 이루어지는 배리어 금속을 포함하는 것을 특징으로 한다.
A 금속과 B 금속의 2종류의 금속 합금이 예컨대 공정(共晶) 합금인 경우, 조직은 A 금속과 B 금속이 매우 미세하게 혼합된 조직이 된다. 따라서, 그와 같은 합금으로 이루어지는 배리어 금속을 포함하는 SBD는 각각의 금속 단독의 SBD의 배리어 높이(φb)의 중간의 φb를 지니므로, 합금 조성을 조정함으로써, SBD가 단일 금속으로는 달성할 수 없었던 φb를 갖도록 할 수 있어, 전기적 특성을 정밀하게 제어할 수 있다.
배리어 금속을 구성하는 합금 중, 2종류의 금속 조합으로는, 스칸듐과, 에르븀, 이트륨(이하 Y로 표기함), 티탄(이하 Ti로 표기함), 망간(이하 Mn으로 표기함), 지르코늄(이하 Zr이라 표기함), 바나듐(이하 V로 표기함), 크롬(이하 Cr로 표기함), 탄탈(이하 Ta라 표기함), 몰리브덴(이하 Mo라 표기함), 백금(이하 Pt라 표기함) 중 어느 것과의 조합, 에르븀과, Y, Ti, Zr, V, Ta, Mo 중 어느 것과의 조합, Y과, Ti, Zr, V, Ta, Mo 중 어느 것과의 조합, Ti과, Zr, V, Cr, 니켈(이하 Ni라고 표기함), Ta, Mo 중 어느 것과의 조합, Mn과, V, 코발트, Ta 중 어느 것과의 조합, Zr과 Ta의 조합, V과, Cr, Ta, Mo 중 어느 것과의 조합, Cr과, Ni, Mo 중 어느 것과의 조합, Ni과 Pt의 조합, Ta과 Mo의 조합 중 어느 것으로 한다.
이들 조합은 실리콘에 대하여 상이한 φb를 나타내고, 금속간 화합물을 형성하지 않는 조합이다.
2종류 이상의 금속 재료의 합금이 금속간 화합물을 만드는 조합인 경우는, 조직은 한쪽의 A 금속, 또는 B 금속과 금속간 화합물이 미세하게 혼합된 조직이 된다.
따라서, 그와 같은 합금으로 이루어지는 배리어 금속을 갖는 SBD는 A 금속과 금속간 화합물의 중간의 φb를 갖는다고 생각되지만, 금속간 화합물의 φb는 반드시 A 금속과, B 금속과의 φb의 사이의 값을 취하는 것은 아니다. 따라서, 단일 금속의 φb로부터 합금의 φb를 알 수가 없어, 합금의 φb를 제어할 수 없다. 또는 금속간 화합물이 다수 있는 경우에는 금속간 화합물과 금속간 화합물이 미세하게 혼합된 조직이 될지도 모르며, 이러한 경우도 마찬가지이다.
[실시예 1]
금속간 화합물을 만들지 않는 금속 조합으로서 우선 Ti과 Y의 조합을 선택하여, 그 합금으로 이루어지는 배리어 금속을 포함하는 SBD를 시작(試作)했다.
도 3은 Ti-Y계의 상태도이다[Dr. William G. Moffatt, "THE HANDBOOK OF BINARY PHASE DIAGRAMS" 외]. 이 도면으로부터, Ti-Y계에서는 금속간 화합물을 형성하지 않는다는 것을 알 수 있다.
도 2는 배리어 금속에 Ti과 Y의 합금을 이용한 SBD의 단면도이다.
n형 실리콘 기판(1)의 표면에 Ti-Y 합금의 배리어 금속(2)이 접촉하고, 그 위를 Al 전극(3)이 덮고 있다. 도면 부호 4는 이면(裏面)의 오믹 전극(ohmic electrode)이다. 도면 부호 5는 실리콘 기판(1)의 표면층에 형성된 p 가드링(guard ring)이며, 그 외측의 실리콘 기판(1)의 표면에는 산화막(6)이 형성되어 있다.
Ti-Y 합금막은 다음과 같이 형성하였다. Ti과 Y의 2개의 증발원을 이용한 동시 증착에 의해, Ti-Y 합금의 배리어 금속을 형성한다. Ti-Y 합금의 조성 제어는 성막(成膜) 속도로 제어하여, Ti:Y=2:8, 4:6, 8:2의 3종류 조성비의 합금 시료를 시작했다. 그 후, 이면의 오믹 전극(4)으로서 Ti/Ni/Au 3층막을 형성하였다.
도 1은 시작한 SBD의 전류-전압 특성으로부터 산출한 φb의 Ti-Y 합금 조성 의존성을 나타내는 특성도이다. 비교를 위해, 각각 Ti 단일체 및 Y 단일체를 배리어 금속에 이용한 SBD에 관해서도 함께 도시했다.
Ti와 Y의 증착 속도(조성)를 변화시킨 합금의 SBD의 φb는 Ti 100%(Y: 0%)의 φb에서부터 Y 100%(Ti: 0%)의 φb를 잇는 직선[φb(TixY1-X)=xφb(Ti)+(1-x)φb(Y), 0≤x≤1] 상에 거의 놓여 있다.
따라서, Ti-Y 합금의 성막 속도(조성)를 변화시킴으로써 φb를 제어할 수 있는 것이 확인되었다.
[실시예 2]
실시예 1의 n형 실리콘 웨이퍼 대신에 p형 실리콘 웨이퍼를 이용한 SBD를 시작했다.
배리어 금속은 실시예 1과 같은 식으로 Ti-Y 합금을 증착하여 형성했다. 그 결과, 도 1과 같은 경향을 보이고, p형 실리콘 웨이퍼에 있어서도 Ti-Y 조성을 변화시킴으로써 φb를 제어할 수 있음이 확인되었다.
[실시예 3]
다음에, 금속간 화합물을 형성하지 않는 금속의 조합으로서, Zr과 Ta을 선택하여, 그 합금을 배리어 금속으로 하는 SBD를 시작했다.
Zr과 Ta은 모두 증기압이 매우 낮은 재료이기 때문에, 증착법으로 배리어 금속을 퇴적시키는 것은 어렵다. 따라서, 스퍼터법에 의해 Zr-Ta 합금을 형성하였다. Ta 타겟과 그 위에 첨가한 칩 형상의 Zr 타겟의 면적을 바꾸어, 합금 조성을 변화시켰다.
도 4는 시작한 SBD의 전류-전압 특성으로부터 산출한 φb의 Zr-Ta 합금 조성 의존성을 나타내는 특성도이다. 비교를 위해, 각각 Zr 단일체 및 Ta 단일체를 배리어 금속에 이용한 SBD에 관해서도 함께 도시했다.
결과는 도 1과 같은 경향을 보이고, Zr와 Ta의 증착 속도(조성)를 변화시킨 합금의 SBD의 φb는 Zr 100%(Ta: 0%)의 φb에서부터 Ta 100%(Zr: 0%)의 φb를 잇는 직선[φb(ZrxTa1-X)=xφb(Zr)+(1-x)φb(Ta), 0≤x≤1] 상에 거의 놓여 있다. 따라서, Zr-Ta 합금의 성막 속도(조성)를 변화시킴으로써 φb를 제어할 수 있음이 확인되었다.
도 5는 Zr-Ta계의 상태도이다[전술한 "THE HANDBOOK OF BINARY PHASE DIAGRAMS"]. 이 도면으로부터, Zr-Ta계에서는 금속간 화합물을 발생하지 않음을 알 수 있다.
[비교예 1]
다음에, 금속간 화합물을 만드는 금속의 조합으로서, Mn과 Y의 조합을 선택하여, 그것을 배리어 금속으로 하는 SBD를 시작했다.
도 7은 Mn-Y계 상태도이다[Francis A. Shunk, "Constitution of Binary Alloys, Second Supplement"].
Mn과 Y은 YMn12나 Y6Mn23등의 여러 가지 금속간 화합물을 형성하는 것을 알 수 있다.
실시예 1과 같은 식으로, 배리어 금속의 합금 조성비를 증착 속도에 의해 제어하고, 각 샘플의 성막 속도도 실시예 1의 TiY의 비와 동일하게 했다.
도 6은 시작한 SBD의 전류-전압 특성으로부터 산출한 φb의 Mn-Y 합금 조성 의존성을 나타내는 특성도이다. 비교를 위해, 각각 Mn 단일체 및 Y 단일체를 배리어 금속에 이용한 SBD에 관해서도 함께 도시했다.
Mn과 Y와의 증착 속도(조성)를 변화시켰음에도 불구하고, 합금의 SBD의 φb는 Mn/Y의 비에 의존하지 않고, Mn 100%(Y: 0%)의 φb와 같은 정도의 값을 보였다. 즉 합금의 SBD의 φb는 Mn의 SBD의 φb와 Y의 SBD의 φb의 사이에는 들어가지 않고 있다. 따라서, 합금 조성에 의한 φb의 제어는 가능하지 않게 된다.
[비교예 2]
금속간 화합물을 형성하는 금속의 조합으로서, Zr와 V의 조합을 선택하여, 그것을 배리어 금속으로 하는 SBD를 시작했다.
그 결과, 합금 조성에 의한 φb의 제어는 할 수 없었다.
도 8은 Zr-V계 상태도이다[전술한 "Constitution of Binary Alloys, Second Supplement"'].
Zr와 V는 V2Zr의 금속간 화합물을 형성하는 것을 알 수 있다.
도 9는 배리어 금속으로 된 합금의 금속 원소의 조합도이다. 도면 중의표시는 금속간 화합물을 형성하지 않은 재료를 나타내고, × 표시는 금속간 화합물을 형성하는 재료를 나타낸다.
금속간 화합물을 만들지 않는 조합(표시)에서는 합금을 배리어 금속으로 하여 시작한 SBD에 있어서의 φb의 조성 의존성이 선형이며, 조성에 의한 φb의 제어가 가능했다.
한편, 금속간 화합물을 형성하는 조합(× 표시)의 합금을 배리어 금속으로 하여 시작한 SBD에서는 합금 조성을 바꾸더라도 φb에 거의 변화가 없거나, φb의 선형성(線形性)이 나쁘거나 하여, 조성에 의한 φb의 제어는 할 수 없었다.
[실시예 4]
합금을 만드는 2종류 금속의 각각을 단독으로 배리어 금속으로 한 SBD에 있어서 φb의 차가 큰 경우, 합금 조성의 작은 차이에 의해 φb가 급격히 변화되어 버린다.
그와 같은 경우, 큰 φb와 작은 φb의 중간치를 보이는 재료를 첨가하여, 3원 합금으로 함으로써, φb의 제어성을 높여 정밀한 제어를 할 수 있다.
실제로, Y, V 및 Mo의 3종류의 금속으로 이루어지는 합금을 배리어 금속으로 하는 SBD를 시작했다. 배리어 금속의 형성 방법은 실시예 1과 마찬가지로 증착법으로 행했다. V 및 Mo의 증착 속도를 일정하게 하고, Y의 증착 속도를 변화시켜, 합금 조성을 변화시켰다.
그 결과, 도 1과 같은 식으로 조성비에 의존〔φb(YmVnMo1-m-n)=mφb(Y)+nφb(V)+(1-m-n)φb(Mo), 0≤m≤1, 0≤n≤1, 0≤m+n≤1〕하는 경향을 보이고, Y-V-Mo 3원 합금에 있어서도 φb를 제어할 수 있음이 확인되었다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 금속간 화합물을 형성하지 않는 2종류의 금속을 배리어 금속으로서 이용하여, 그 배리어 금속의 조성비를 변화시킴으로써, 반도체와의 계면에 형성되는 φb를 임의로 제어할 수 있다. 이 방법을 취함으로써, 단독의 금속을 배리어 금속으로서 이용한 SBD에서는 얻을 수 없었던 순방향 특성과 역방향 특성을 갖는 SBD를 얻을 수 있게 되었다.
Claims (2)
- 금속과 반도체의 계면에 생기는 쇼트키 배리어를 이용한 쇼트키 배리어 다이오드에 있어서, 반도체에 대하여 상이한 쇼트키 배리어 높이를 나타내고 금속간 화합물을 형성하지 않는 조합의 2 종류 이상의 금속 재료 합금으로 이루어지는 배리어 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 쇼트키 배리어 다이오드.
- 청구항 1에 있어서, 상기 배리어 금속을 구성하는 금속 원소 중 2 종류의 금속 조합은 스칸듐과, 에르븀, 이트륨, 티탄, 망간, 지르코늄, 바나듐, 크롬, 탄탈, 몰리브덴, 백금 중 어느 것과의 조합, 에르븀과, 이트륨, 티탄, 지르코늄, 바나듐, 탄탈, 몰리브덴 중 어느 것과의 조합, 이트륨과, 티탄, 지르코늄, 바나듐, 탄탈, 몰리브덴 중 어느 것과의 조합, 티탄과, 지르코늄, 바나듐, 크롬, 니켈, 탄탈, 몰리브덴 중 어느 것과의 조합, 망간과, 바나듐, 코발트, 탄탈 중 어느 것과의 조합, 지르코늄과 탄탈의 조합, 바나듐과, 크롬, 탄탈, 몰리브덴 중 어느 것과의 조합, 크롬과, 니켈, 몰리브덴 중 어느 것과의 조합, 니켈과 백금의 조합, 탄탈과 몰리브덴의 조합 중 어느 것임을 특징으로 하는 쇼트키 배리어 다이오드.
Applications Claiming Priority (2)
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