1. 서 론

다이오드(Diode)는 전류를 한 방향으로 흐르게 하고, 그 반대 방향으로는 흐르지 못하게 하는 특성을 가진 반도체 물질을 기반으로 제작된 전자 소자다. 다이오드의 역방향 특성을 이용하여 회로에 적용하는 제너 다이오드도 있으나, Fig. 1에서와 같이 순방향 전압과 전류 성질을 이용하는 다이오드에는 PN(P-type and N-type) 접합 다이오드와 쇼트키 다이오드(Schottky diode) 두 가지가 있다.

그림 1. (a) 상용화된 샤트키 다이오드(모델: 1N5818)과 PN 다이오드의 실물 이미지

Fig. 1. Images of (a) Schottky Diode(Model: 1N5818) and (b) PN Diode(Model: 1N4002)

PN 접합 다이오드는 정공이 많은 P형(P-type), 자유전자가 많은 N형(N-type) 반도체가 접합되어 이루어진 다이오드 소자로 P-type에 양 전압, N-type에 음 전압을 인가하면 전류가 흐르는 순방향 바이어스 특성이 나타나고, 그 반대 방향으로 전압을 인가한 경우에는 전류가 거의 흐르지 않는다. 사용된 웨이퍼의 금지 대 폭이 클수록 문턱 전압이 높고 역방향 전류는 낮은 값을 가진다^[1]. 쇼트키 다이오드(Schottky diode)는 반도체와 금속의 결합으로 이루어진 고속 스위칭 소자로 PN 접합 다이오드보다 문턱 전압이 낮지만, 역방향 전류는 높은 2단자 소자이다. 금속과 반도체의 접촉에서 P형 실리콘(Si: Silicon) 웨이퍼를 사용할 때 일함수(Work function)가 Si보다 낮은 물질을 사용할 경우 두 소재 사이는 Schottky diode가 형성된다. 그리고 Si보다 높은 물질을 사용할 경우 저항성 접촉(Ohmic contact)이 나타나며, 반면 N형 Si 웨이퍼를 사용할 때 일함수(Work function)가 Si보다 낮은 물질을 사용할 경우 두 소재 사이는 저항성 접촉(Ohmic contact)이 나타나며, Si보다 높은 물질을 사용할 경우 Schottky diode가 형성된다^[2]. 따라서, Ag(Silver), Si, Ni(Nickel)의 일함수는 각각 4.26eV, 4.91eV, 5.15eV이므로, Ag와 P형 웨이퍼를 접합시켰을 때 Schottky diode가, Ni과 P형 웨이퍼를 접촉시켰을 때 저항성 특성이 나타난다^[3][4].

Fig. 2는 앞에서 설명한 실리콘 기반의 PN 접합 다이오드(1N4002)와 Shottky diode(1N5818)를 연구진이 보유하고 있는 Probe station 장비를 이용하여 전압(Voltage: V로 표시)에 따른 전류(Current: I로 표시), 즉 전기적인 특성을 측정한 결과이다. 언급한 바와 같이 역방향 바이어스에서는 두 다이오드 모두 낮은 전류 특성을 보이지만, 순방향에서는 PN 다이오드의 Turn-on 전압은 약 0.7V이며, Schottky 다이오드는 약 0.3V를 보였다. 쇼트키 다이오드는 반도체와 금속의 접합에 의한 일함수 차이와 다수 캐리어 흐름으로 Turn-on 전압이 결정되므로, 일반적으로 PN 접합 다이오드보다 낮다고 알려져 있다.

그림 2. 상용화된 샤트키 다이오드(1N5818)와 PN 다이오드(1N4002)의 전압과 전류에 따른 특성

Fig. 2. Voltage-dependent current characteristics of a Schottky diode (1N5818) and a PN diode (1N4002)

Boron으로 도핑된 P형 실리콘 웨이퍼에 쇼트키 다이오드를 형성하여 증착율을 향상시키는 어닐링 공정에 대한 연구가 진행되었다^[5]. 보다 자세하게는 Ag (은) paste를 이용하여 전극을 형성한 후 어닐링 공정을 진행하면, Ag와 실리콘 반도체 사이에 AgOx가 형성되어 쇼트키 다이오드 동작이 가능함을 설명하고 있다. 또한, 실리콘 표면에 자연적으로 형성되는 자연 산화막(Native oxide)은 소자를 제작하기 위해서는 제거해야 하는 이러한 방법으로는 플라즈마를 이용한 건식 식각^[6], 용액 기반의 습식 식각^[7] 등이 적용되고 있다. 건식 식각은 생성된 이온의 충돌로 인하여 표면 손상이 발생할 수 있으며, 진공 공정이기 때문에 공정시간이 늘어날 수 있으며, 습식 식각은 강산성이나 염기 용액을 사용하기 때문에 용액의 관리 및 사용 후 처리에 대한 문제가 발생한다.

일반적으로는 Schottky diode를 제작하기 위하여 nm 두께의 실리콘 산화막을 건식이나 습식 방법으로 제거한 후, 스퍼터(Sputter), E-beam(Electron beam), Thermal evaporator와 같은 금속 증착 장비를 이용한다^[8]. 본 연구에서는 쇼트키 접합을 형성하기 위해 Ag paste를 사용하였으며 저항성 접촉을 형성하기 위해 Ni paste를 이용하였으며, 포토 공정을 이용한 패터닝이 아닌 캡톤 테이프를 이용하여 Ag와 Ni이 형성될 영역을 구현하였다. 또한, 자연 산화막을 쉽고 빠르게 제거하는 신개념의 공정을 적용하여 쇼트키 다이오드 소자를 구현하여 그 소자의 전기적인 특성을 분석하였다.

2. 실험 방법

본 연구로 제작되는 쇼트키 다이오드 공정 순서는 Fig. 3에 나타내었다. 먼저, P-type Si(100) 웨이퍼 표면에 자연적으로 형성된 약 20Å 두께의 산화막을 제거하여 후속 공정에 의해 형성되는 Ag와의 쇼트키 접촉을 위해 5,000 Grid의 사포로 실리콘 웨이퍼 표면(fig. 4(a))을 Sanding 처리하였으며, 그 결과 이미지를 fig. 4(b)에 나타내었다. 사포로 인해 표면이 매우 거칠어졌음을 확인할 수 있으며, 저항을 측정할 수 있는 Portable multimeter로 산화막 제거 전·후 저항값의 차이로 산화막이 사라졌음을 알 수 있었다. 즉, 산화막은 부도체이기 때문에 제거 전에는 저항이 매우 큰 무한대값이 측정되지만, 제거 후에는 도핑된 실리콘 표면이 노출되기 때문에 약 수백 ㏀ 정도의 값을 나타내었다. 이러한 방법은 표면에 존재하는 유기막이나 파티클을 없애는 클리닝 공정과 산화막 식각 공정을 동시에 수행할 수 있는 신개념의 공정이다. 따라서, 사포 공정 전후의 표면 분석을 할 수 있는 접촉각 측정으로 그 변화를 Fig. 5에서와 같이 관찰하였다. 사포 처리 전의 웨이퍼 표면은 유기막에 의하여 75도의 접촉각을 나타냈지만, 사포에 의하여 유기막과 산화막이 없어진 표면은 약 35도의 접촉각이 확인되었다. 75도는 표면이 완벽한 소수성을 나타낸다는 것을 의미하며, 이러한 값은 보이지 않는 매우 얇은 유기막에 의한 것이다^[9]. 일반적으로 표면이 친수성을 나타내면 접촉각은 20도 이하의 값을 나타내는데 35도의 높은 각도가 관찰되었다. 이러한 이유는 fig. 4(b)처럼 표면이 거칠기 때문에 접촉각 측정을 위해 떨어뜨리는 물방울과 거친 표면과의 상호 작용에 의한 표면 장력때문이다. 보다 자세하게는, 거칠기가 매우 작은 표면과 물방울과의 상호 작용은 거친 형상과의 작용과는 다를 것이다. 뿐만 아니라, 물방울과 소수성 표면, 또는 친수성 표면, 거칠기가 매우 큰 친수성 표면에서 물방울의 형상은 중요한 연구 분야로 판단된다. 이를 위해서는 FDTD(Finite Differential Time Domain) 프로그램과 같은 컴퓨터 시뮬레이션이 필요하며, 또한, 물방울의 형태를 이미지화 할 수 있는 단면 분석도 진행되어야 한다. 현재 저자들의 지식으로는 이러한 분석은 어려운 것으로 알고 있지만, 분석을 진행할 수 있는 방안을 연구중이다. 추가적으로, 현재 표면 거칠기에 따른 형상과 다이오드 소자 사이의 특성에 대한 관계를 연구하고 있으며, 보다 자세한 내용 및 결과는 문헌으로 발표할 예정이다.

다음으로 Sanding 처리된 웨이퍼 표면의 원하는 영역에 Ag 전극을 형성하기 위하여 Kapton tape로 4mm × 4mm 크기의 패턴을 형성한다. 이후 형성된 틀 위에 스포이드를 사용하여 Ag paste(ELCOAT P-100)를 충분히 도포하고 균일한 은막 형성을 위하여 Ag paste를 유리면으로 밀면, Tape가 없는 영역에 용액에 포함된 은이 쌓인다. 이후 틀 형성을 위한 Kapton Tape를 제거하면, Ag 전극이 완성된다. Ag 전극에 남아있는 용매를 증발시키고, 금속과 실리콘 웨이퍼 사이의 Schottky 계면을 구현하기 위하여 상온(RT : Room temperature)과 800˚C의 고온 열처리 방법을 각각 적용하여 2개의 샘플을 제작하였다. 연구에서 사용된 Ag paste(ELCOAT P-100)는 안정적인 도전막이 형성되기 위해서는 RT에서는 코팅 후 12시간 동안 두어야한다. 800˚C 온도는 1000˚C 까지 온도를 제어할 수 있는 Muffle Furnace (SH-FU-3MGE)로 1시간 동안 상압에서 열처리를 진행하였다. Fig. 4는 광학 현미경으로 RT와 800˚C에서 열처리된 Ag의 외각 접합부를 비교한 이미지이다. 800˚C, 상압 분위기에서 열처리를 진행하였기 때문에 Furnace 장비 안에 있던 공기 중의 산소와 실리콘 웨이퍼 표면이 반응하여 그림 6(b) 샘플에서 측면 그을림이 나타난 것을 확인할 수 있다.

이후 두 샘플 모두 Ag 전극에서 15mm 떨어져 있는 위치에 사포로 Sanding 처리하여 자연 산화막을 추가로 제거하여 Nipaste(PELCO High Performance Nickel Paste)를 바르고 paste안의 용매를 증발할 목적으로 샘플을 10분 동안 상온에 두면 다이오드 소자가 완성되며, 그 단면 이미지는 Fig. 7과 같다. 소자의 Ag 전극이 형성된 면은 약 40mm × 400mm, Ni 금속은 약 15mm x 40mm 면적으로 코팅되어 있다. 이러한 소자는 10-7A 정도의 전류를 측정할 수 있는 Source Measure Unit(SMU: Keysight, B2912A)가 장착된 probe station을 이용하여 소자의 전압에 따른 전류 변화를 측정하였다. 전기적 특성은 -10V부터 10V까지의 전압을 0.1 step으로 증가시키면서 전류값의 추이를 관찰하였다.

그림 3. 샤트키 다이오드 제작 공정도

Fig. 3. Schottky Diode Manufacturing Process

그림 4. (a) 자연 산화막이 형성된 P형 Si 웨이퍼와 (b) 사포로 샌딩된 P형 Si 웨이퍼 표면의 현미경 이미지

Fig. 4. Microscope images of (a) P-type Si wafer on which a natural oxide film is formed and (b) P-type Si wafer surface sanded with sandpaper

그림 5. 사포를 이용하여 산화막이 형성된 웨이퍼 표면을 처리하였을 (a) 전과 (b) 후의 접촉각 이미지

Fig. 5. Contact angle images (a) before and (b) after the sanding process using sandpaper on the surface of the wafer on which the oxide film was formed

그림 6. (a) 상온 및 (b) 800˚C에서 어닐링된 Ag 전극의 외부 접합부의 광학 현미경 이미지

Fig. 6. Optical microscope images of the outer junctions of Ag electrodes annealed at (a) room temperature and (b) 800˚C

그림 7. 제작된 쇼트키 다이오드의 (a) 표면 및 (b) 단면 모식도

Fig. 7. Schematic diagram of the (a) surface and (b) cross section of the fabricated Schottky diode

3. 이론 고찰

3.1 자연 산화막에 따른 쇼트키 다이오드의 전기적인 특성

제작된 소자들의 전기적인 특성 결과를 비교하기 위하여 측정된 전류를 Ag 전극의 면적으로 나눈 전류밀도로 환산하였다. 먼저 자연 산화막이 소자에 미치는 영향을 분석하기 위하여 모든 공정을 동일하게 하며, 단지 사포 처리 유무에 따른 샘플을 제작(Ag pater 형성 후 어닐링은 800도에서 진행)하여 그 특성 결과를 Fig. 8에 나타내었다.

그림 8. Ag 페이스트 코팅 후 800도에서 열처리하여 제조된 Schottky 다이오드의 사포 처리 유무에 따른 저항성 동작 범위에서의 전기적 특성

Fig. 8. Electrical characteristics in the resistive operating range with and without sandpaper treatment of Schottky diodes manufactured by heat treatment at 800 degrees after Ag paste coating

저항성 특성을 관찰하기 위하여 두 소자가 저항성 영역에서 동작하는 범위인 전압 7V에서 10V까지 측정하여 기울기를 관찰하였다. X축이 전압이며, Y축은 전류 밀도이므로 기울기의 역수는 저항이다. 웨이퍼에 형성되어 있는 SiO2 산화막을 사포(5000 grid)로 제거한 S(sanding)와 제거하지 않은 O(original)로 구분하여 측정된 S와 O의 저항은 약 2.40kΩ/mm2의 차이를 보였다. 산화막을 제거하지 않은 O로 명명된 샘플은 구조적으로 Ag/자연산화막/P형 실리콘/Ni이므로 자연 산화막에 의해 절연이 되어 있기 때문에 전류가 흐르지 않아야 한다. 하지만, 이 산화막은 20Å 정도로 매우 얇기 때문에 캐리어들의 터널링(Tunneling)에 의하여 전류가 흐를 수 있다. 하지만, 산화막을 제거한 다이오드보다 2.40kΩ/mm2 크기 때문에 동일한 전압에서 낮은 전류 특성을 나타낸다. 따라서, 이 산화막은 전기적인 특성 향상을 위해서는 없애야 한다.

3.2 공정 온도에 따른 쇼트키 다이오드의 전기적인 특성

fig. 9(a)는 Ag 전극과 P형 반도체가 접합했을 때의 에너지밴드를 보여준다. EFm, EC, EV, EFs, eØB는 금속 Ag의 페르미에너지, 반도체의 전도대 대역 에너지, 가전자대 에너지, 쇼트키 배리어 높이를 의미한다. 열전자에 의한 다이오드에서의 순방향에서의 전류는 식 (1)처럼 표현할 수 있다^[10][11][12].

(1)

$I=A^{*}AT^{2}\exp(-\beta /\phi_{B})[\exp(\beta /n)(V-Ir_{s})-1] \\ \beta =q/k T$

A*, A, T, n, rs는 Rechardson 상수, 다이오드의 면적, 절대온도, ideality factor, series 저항을 뜻한다. 또한, q, k는 전자의 전하량, Boltzmann 상수다. 금속에서 반도체 실험 방법에서 언급하였듯이, Ag를 형성하기 위하여 RT와 800도의 온도로 열처리를 진행하여 쇼트키 다이오드를 제작하였으며, 전압에 따른 전류 결과를 Fig. 10에 보였다. 상온에서 제작된 소자는 양의 전압과 음의 전압에서 측정된 전류값의 절대값은 거의 같다. 이러한 결과는 Ag와 P형 실리콘은 저항성 접촉을 했다는 것을 의미하며, 직선으로 전압에 따른 전류 변화가 나타나는 알려진 이론과는 다른 결과를 보여준다. 이와 같은 이유는 다음과 같다. 사용된 Ag paste에는 Ag와 함께 용매도 포함되어 있어 상온에서의 어닐링은 Ag paste에 포함된 다른 성분들이 Ag와 함께 남아있음을 의미한다. 이로인해 Ag와 반도체는 서로 다른 계면으로 이 두 물질 사이에는 접촉 저항이 나타나며, 특히 –1V에서 1V사이는 전류가 거의 흐르지 않는다. 접촉 저항이 매우 커서 나타나는 현상으로 이 값보다 전압이 증가하면, 전압에 따른 전류 변화가 명확하다. 하지만, 전압에 따라 전류가 저항성 접촉처럼 직선적으로 변하지 않는데, 이는 Ag와 p형 실리콘은 그림 9(a)처럼 쇼트키 접합 특성이 영향을 미치기 때문이다.

800도에서 제작된 소자의 경우 순방향 전압에서는 일정 전압 약 4V까지는 전류가 흐르지 않다가 4.7V에서 급격하게 전류가 증가하는 경향을 관찰할 수 있다. 이러한 현상이 다이오드의 대표적인 전기적인 특성이며, 4.7V를 턴온 전압(Turn-on voltage)라 부른다. 상용화된 쇼트키 다이오드의 측정 결과인 Fig. 2에서의 Turn-on voltage는 0.5V보다 작은 값이다. 본 연구진이 800도 열처리를 통해 제작한 소자보다 매우 작은 턴온 전압값을 나타낸다. 이러한 큰 차이는 2가지에 의한 영향으로 설명할 수 있다. 첫 번째는 Ag 전극과 반도체와 접합의 차이다. 800도에서의 열처리를 통해 Ag paste로부터 Ag 전극을 구현하였지만, 언급한 것처럼 Ag paste 구성하는 원소 중에서 고온에서도 증발하지 않고 Ag 전극에 남아있는 원소들이 존재하게 된다. 이러한 원소들은 소자에 불순물 및 저항으로 작용하여 전기적인 동작을 열화시키며, 식 (1)의 rs의 값을 증가시키는 또 다른 원인이 된다. 보다 순도가 높은 Ag paste를 이용한다면 순방향 전압에 따른 전류 특성을 향상시킬 수 있다. 두 번째는 저항성 전극으로 용한 Ni과 반도체와의 접합에 의한 것이다. Ni 전극도 Ni paste를 이용하여 반도체와의 저항성 접촉을 구현하였으며, 상온에서 용매를 증발시켰기 때문에 Ni 원소뿐만 아니라 다른 원소들도 있을 것이다. 이러한 원소들은 접촉 저항을 증가시켜 소자의 전압-전류 측정에서 rs에 추가적으로 영향을 준다. 뿐만아니라, 0V보다 작은 영역인 역방향에서도 작지만 전압의 절대값의 크기가 증가함에 따라 전류도 증가한다. 특히, -7V이하에서는 전압에 따른 전류 변화가 크며, 이는 저항값이 작아졌음을 의미하는데 fig. 9(b)에서와 같이 큰 역방향 전압에 의하여 반도체에서 금속으로의 정공의 터널링 및 금속에서 반도체로의 전자의 터널링이 가능해지기 때문에 큰 전류가 흐르게 된다. 이러한 터널링 현상은 반도체의 도핑 농도를 줄이거나 Ag 전극내의 남아있는 불순물 원소를 줄이면 역방향 전류를 줄일 수 있다.

그림 9. (a) Ag 전극과 P형 반도체가 접촉했을 때와 (b) 역방향 전압에서의 에너지 밴드 다이어그램

Fig. 9. (a) Energy band diagrams when the Ag electrode and the P-type semiconductor are in contact and (b) at the reverse voltage

그림 10. 사포 처리, Ag 페이스트 코팅 후 상온 및 800°C에서 열처리하여 제작된 Schottky 다이오드들의 전압에 따른 전류 특성

Fig. 10. Current change according to voltage of the Schottky diode manufactured by heat treatment at room temperature and 800°C after sandpaper treatment and Ag paste coating

4. 결 론

일반적으로 쇼트키 다이오드를 제작하기 위해서는 P형 웨이퍼 표면의 자연 산화막을 습식이나 건식 식각을 이용하여 제거한 후 금속막을 코팅하기 위해서 진공 장비를 이용한다. 이러한 금속막을 원하는 곳에 형성하기 위해서는 추가적으로 사진 공정 및 식각 공정이 필요하다. 본 연구에서는 간단한 방법으로 다이오드를 구현하는 방법에 대해 설명하였다. 구체적으로는 자연 산화막을 사포를 이용한 sanding 방법으로 제거하였고, 캡톤 테이프로 패터닝을 하여 Ag paste와 Ni paste를 도포하는 방법으로 쇼트키 접촉과 저항성 접촉을 형성시켰다. 특히, Ag paste를 이용하여 전극을 제작할 때는 상온과 800도에서의 소자의 전압-전류 관계를 측정하였다.

사포로 웨이퍼 표면을 sanding 하여 자연 산화막과 클리닝을 동시에 수행하여 표면 접촉저항을 75도에서 35도로 낮추어 표면을 친수성으로 변화시켰다. 하지만, 친수성으로 판단하기에는 높은 접촉각을 나타낸다. 이러한 현상은 사포로 표면을 물리적으로 연마하여 표면 상태가 거칠어졌기 때문에 접촉각 측정을 위해 떨어뜨리는 물방울과 웨이퍼 표면의 상호 작용으로 인한 것으로 판단되며, 이와 관련된 연구는 현재 수행 중이다.

상온에서 제작된 소자의 전기적인 특성은 순방향이나 역방향 전압에서 거의 동일한 전류값이 확인되었으며, 이는 Ag 전극이 P형 반도체와 저항성 접촉을 형성하였다는 것을 의미한다. 이러한 원인으로는 Ag paste 내의 성분 일부가 전극에 남아있어 Ag와 P형 실리콘 접합에 영향을 주었기 때문이며, 자세하게는 Ag와 반도체는 서로 다른 계면으로 이 두 물질 사이에는 접촉 저항이 나타나며, 작은 전압에서는 전류가 거의 흐르지 않는다. 접촉 저항이 매우 커서 나타나는 현상으로 전압이 증가하면, 전압에 따른 전류 변화가 명확하다. 하지만, 전압에 따라 전류가 저항성 접촉처럼 직선적으로 변하지 않는데, 이는 Ag와 p형 실리콘 사이의 쇼트키 접합 특성이 영향을 미치기 때문이다.

800도 고온으로 전극을 제작한 다이오드 소자도 상용화된 것보다 순방향에서 높은 턴온 전압을 관찰하였는데 이러한 원인으로 Ag와 Ni paste의 성분 중 접촉에 영향을 미치는 원소들이 남아있기 때문으로 판단된다. 역방향 전압에서는 –7V 이상에서 전압에 따른 전류값이 급격하게 변화 원인은 터널링 현상 때문이다. 결론적으로 paste 내의 Ag와 Ni의 함량이 높은 paste를 이용하고, P형 반도체 도핑을 낮춘다면 보다 향상된 전기적인 특성을 가지는 소자를 구현할 수 있을 것이다.

향후 표면 거칠기에 따른 다이오드 소자 특성과의 상관 관계에 대한 연구를 진행할 예정이다.