Special Theme
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E2M 전기 전자와 첨단 소재 •
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www.kieeme.or.kr• October 2018 Vol. 31, No. 5
유전박막을 이용한
금속/반도체 계면 특성 및 결함 연구
1. 서론
기존 Si 기반의 CMOS (complementary metal oxide semiconductor) 소자의 한계를 극복하는 방안으로 전자의 이동도가 높은 Ge, 또는 III-V 화합물 반도체 등이 채널 물질로서 각광을 받 고 있다 [1,2]. 특히 고성능 소자를 얻기 위해서 는 접촉저항이 낮은 오믹 컨택(ohmic contact) 을 얻는 것이 아주 중요하다. 금속/반도체 계 면의 특성은 반도체 표면의 상태, 결정 방향, 도핑량, 표면 처리 방법, 산화막 유무 및 사용 하는 금속의 종류 등에 따라 달라질 수 있다.
이론적으로 n형 반도체에서 에너지장벽(bar- rier height)은 금속의 일함수와 반도체의 전자 친화도(electron affinity)의 차이로 주어지나 계 면준위(interface state), 결함(defect) 등이 많 을 때 에너지장벽은 금속의 일함수와 거의 무 관하게 되는 페르미준위 고정(Fermi level pin- ning; FLP)이 일어난다. 이로 인해 저항이 낮
은 양질의 오믹 컨택을 얻기가 어렵다. 이러한 점들은 소자로서의 재현성 및 안정성에 문제 가 되기도 한다.
유전박막을 이용하여 에너지장벽을 조절하 려는 시도가 지금까지 많이 연구되어 왔다. 특 히 유전상수가 크고 얇게 증착이 가능한 물 질들 (예를 들면: Al2O3, HfO2, TiO2)을 중심으 로 그 연구가 이루어져 왔다 [3-5]. 이 물질들은 주로 원자층 증착법 (atomic layer deposition;
ALD)을 이용하여 증착되는 데, 이 방법을 사용 할 경우 나노단위로 두께를 제어할 수 있으며, 넓은 면적에 균일한 두께를 얻을 수 있고 또한 증착 온도가 비교적 낮아 기판에 비교적 제한 이 덜한 장점이 있다. 이 방법은 앞에서 기술하 였듯이 집적도가 높아짐에 따라 Si에 비해 우수 한 성능을 보이는 Ge 반도체에 대한 연구가 다 시 시작되면서 주목을 받았는데, 에너지장벽 을 줄임으로써 소자에서 발생하는 저항을 줄일 수 있어 소자 성능 향상을 위해 사용되고 있다.
III-V 화합물 반도체는 전자 소자 뿐만 아니 라 LED, 태양전지, 레이저 다이오드 등 광전소 자로도 응용이 된다. 유전박막을 삽입하는 기 술은 이러한 광전소자의 특성 향상에도 응용 이 될 수 있다. InP, GaN, SiC, ZnO 등의 반도 체에 유전박막을 삽입하여 에너지장벽 및 다 이오드의 특성을 변화시키는 연구 결과가 발 표되었다 [6-9]. 본 논문에서는 III-V 반도체에 유전박막을 이용한 연구를 중심으로 그 결과 및 동향에 대해 알아보고자 한다.
2. 금속/반도체 계면에서의 에너지장벽
2.1 페르미준위 고정(Fermi level pinnng) 금속과 n형 반도체를 접합하게 되면 계면 근 처에서 페르미준위가 같아지면서 반도체에 있 는 전자가 계면 쪽으로 이동하고 반도체에 (+) 를 띄는 공간전하(space charge)를 남기게 된다.
이로 인해 내부 전기장이 발생하고 이로부 터 에너지 밴드가 그림 1처럼 형성된다. 여기 서 전자가 계면에서 움직일 때 느끼는 장벽 을 쇼트키 에너지장벽 (
한국전기전자재료학회 『E2M – 전기전자와 첨단소재』
체에 (+)를 띄는 공간전하(space charge)를 남기게 된다. 이로 인해 내부 전기장이 발 생하고 이로부터 에너지 밴드가 그림 1처럼 형성된다. 여기서 전자가 계면에서 움직일 때 느끼는 장벽을 쇼트키 에너지장벽 (: Schottky barrier height)이라고 한다. 이론 값은 금속의 일함수()와 반도체의 전자친 화도()의 차이인 로 주어진다.
그러나 실제의 소자는 이론값과는 다른 값 을 보이며 금속의 일함수와는 거의 무관한 페르미준위 고정을 겪는다.
페르미준위 고정을 설명하기 위한 모델의 하나인 금속유도 갭준위(metal-induced gap states: MIGS)에 의하면 계면준위는 금속으 로부터 오며, 금속과 반도체 사이에 양자 터널링에 의해 갭준위가 유도되거나 변형된 다고 설명한다 [10]. 이 결함은 가전자대 (valence band)에 가까운 경우 주개처럼 (donor-like), 전도대(conduction band)에 가 까운 경우 받개(acceptor-like)처럼 행동한 다. 이때 전하중성준위(charge neutrality level: ECNL)은 갭준위가 주개에서 받개로 바 뀔 때 일어난다. 금속/반도체 계면에서 금속 의 파동함수에 의한 이러한 갭준위의 충전 (charging)은 쌍극자(dipole)를 발생시켜 계 면에서의 페르미준위(EF)가 ECNL으로 움직이 게 한다. EF와 ECNL의 차이는 실험적으로 얻 어지는 고정지수(pinning factor: S)와 관계 있다. 이때 유효 에너지장벽은 다음의 식으
로 주어진다 [11].
(1)S의 값은 0에서 1의 범위가 되는 데, 1일 때는 이론값을 나타내고 0일 때는 EF와 ECNL
이 같을 때이다. 산화막이나 유전물질에 비 해 반도체가 더 작은 S를 가진다. 즉, 페르 미레벨 고정은 금속/산화막 계면엔 잘 나타 나지 않는다 [12]. 그림 2는 여러 반도체에 서의 ECNL의 위치와 n형 및 p형일 때 얻어 지는 에너지장벽의 값들이 어느 정도인지를 보여준다.
2.2 유전박막 삽입에 의한 페르미준위 고 정 완화
금속/반도체 계면에 유전박막을 삽입하는 기술은 금속/Si에 질화규소(silicon nitride)를 사용하여 처음 시도되었다 [13]. 그림 3(a)처 럼 MIGS 이론에 의하면 유전박막은 물리적 으로 금속과 반도체를 분리시켜 금속의 파 동함수가 박막 내에서 그 세기가 감소하도 록 하여 반도체까지 침투하지 못하게 한다.
결국 페르미준위가 ECNL근처로 움직이게 할 갭준위의 생성이 저하되어 페르미준위 고정
그림 2. Band diagram information (EC : conduction band), EV: valence band, and ECNL: charge neutrality level) for several semiconductors. Numbers near EC
and EV represent typical n- and p-type barrier heights, respectively. Reprinted with permission from ref. [12].
그림 1. Schematic band diagram near the metal/n-type semiconductor interface. MIGS means metal-induced gap states.
: Schottky barrier height)이라고 한다. 이론값은 금속의 일함 수(
한국전기전자재료학회 『E2M – 전기전자와 첨단소재』
체에 (+)를 띄는 공간전하(space charge)를 남기게 된다. 이로 인해 내부 전기장이 발 생하고 이로부터 에너지 밴드가 그림 1처럼 형성된다. 여기서 전자가 계면에서 움직일 때 느끼는 장벽을 쇼트키 에너지장벽 (: Schottky barrier height)이라고 한다. 이론 값은 금속의 일함수()와 반도체의 전자친 화도()의 차이인 로 주어진다.
그러나 실제의 소자는 이론값과는 다른 값 을 보이며 금속의 일함수와는 거의 무관한 페르미준위 고정을 겪는다.
페르미준위 고정을 설명하기 위한 모델의 하나인 금속유도 갭준위(metal-induced gap states: MIGS)에 의하면 계면준위는 금속으 로부터 오며, 금속과 반도체 사이에 양자 터널링에 의해 갭준위가 유도되거나 변형된 다고 설명한다 [10]. 이 결함은 가전자대 (valence band)에 가까운 경우 주개처럼 (donor-like), 전도대(conduction band)에 가 까운 경우 받개(acceptor-like)처럼 행동한 다. 이때 전하중성준위(charge neutrality level: ECNL)은 갭준위가 주개에서 받개로 바 뀔 때 일어난다. 금속/반도체 계면에서 금속 의 파동함수에 의한 이러한 갭준위의 충전 (charging)은 쌍극자(dipole)를 발생시켜 계 면에서의 페르미준위(EF)가 ECNL으로 움직이 게 한다. EF와 ECNL의 차이는 실험적으로 얻 어지는 고정지수(pinning factor: S)와 관계 있다. 이때 유효 에너지장벽은 다음의 식으
로 주어진다 [11].
(1)S의 값은 0에서 1의 범위가 되는 데, 1일 때는 이론값을 나타내고 0일 때는 EF와 ECNL
이 같을 때이다. 산화막이나 유전물질에 비 해 반도체가 더 작은 S를 가진다. 즉, 페르 미레벨 고정은 금속/산화막 계면엔 잘 나타 나지 않는다 [12]. 그림 2는 여러 반도체에 서의 ECNL의 위치와 n형 및 p형일 때 얻어 지는 에너지장벽의 값들이 어느 정도인지를 보여준다.
2.2 유전박막 삽입에 의한 페르미준위 고 정 완화
금속/반도체 계면에 유전박막을 삽입하는 기술은 금속/Si에 질화규소(silicon nitride)를 사용하여 처음 시도되었다 [13]. 그림 3(a)처 럼 MIGS 이론에 의하면 유전박막은 물리적 으로 금속과 반도체를 분리시켜 금속의 파 동함수가 박막 내에서 그 세기가 감소하도 록 하여 반도체까지 침투하지 못하게 한다.
결국 페르미준위가 ECNL근처로 움직이게 할 갭준위의 생성이 저하되어 페르미준위 고정
그림 2. Band diagram information (EC : conduction band), EV: valence band, and ECNL: charge neutrality level) for several semiconductors. Numbers near EC
and EV represent typical n- and p-type barrier heights, respectively. Reprinted with permission from ref. [12].
그림 1. Schematic band diagram near the metal/n-type semiconductor interface. MIGS means metal-induced gap states.
)와 반도체의 전자친화도(
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체에 (+)를 띄는 공간전하(space charge)를 남기게 된다. 이로 인해 내부 전기장이 발 생하고 이로부터 에너지 밴드가 그림 1처럼 형성된다. 여기서 전자가 계면에서 움직일 때 느끼는 장벽을 쇼트키 에너지장벽 (: Schottky barrier height)이라고 한다. 이론 값은 금속의 일함수()와 반도체의 전자친 화도()의 차이인 로 주어진다.
그러나 실제의 소자는 이론값과는 다른 값 을 보이며 금속의 일함수와는 거의 무관한 페르미준위 고정을 겪는다.
페르미준위 고정을 설명하기 위한 모델의 하나인 금속유도 갭준위(metal-induced gap states: MIGS)에 의하면 계면준위는 금속으 로부터 오며, 금속과 반도체 사이에 양자 터널링에 의해 갭준위가 유도되거나 변형된 다고 설명한다 [10]. 이 결함은 가전자대 (valence band)에 가까운 경우 주개처럼 (donor-like), 전도대(conduction band)에 가 까운 경우 받개(acceptor-like)처럼 행동한 다. 이때 전하중성준위(charge neutrality level: ECNL)은 갭준위가 주개에서 받개로 바 뀔 때 일어난다. 금속/반도체 계면에서 금속 의 파동함수에 의한 이러한 갭준위의 충전 (charging)은 쌍극자(dipole)를 발생시켜 계 면에서의 페르미준위(EF)가 ECNL으로 움직이 게 한다. EF와 ECNL의 차이는 실험적으로 얻 어지는 고정지수(pinning factor: S)와 관계 있다. 이때 유효 에너지장벽은 다음의 식으
로 주어진다 [11].
(1)S의 값은 0에서 1의 범위가 되는 데, 1일 때는 이론값을 나타내고 0일 때는 EF와 ECNL
이 같을 때이다. 산화막이나 유전물질에 비 해 반도체가 더 작은 S를 가진다. 즉, 페르 미레벨 고정은 금속/산화막 계면엔 잘 나타 나지 않는다 [12]. 그림 2는 여러 반도체에 서의 ECNL의 위치와 n형 및 p형일 때 얻어 지는 에너지장벽의 값들이 어느 정도인지를 보여준다.
2.2 유전박막 삽입에 의한 페르미준위 고 정 완화
금속/반도체 계면에 유전박막을 삽입하는 기술은 금속/Si에 질화규소(silicon nitride)를 사용하여 처음 시도되었다 [13]. 그림 3(a)처 럼 MIGS 이론에 의하면 유전박막은 물리적 으로 금속과 반도체를 분리시켜 금속의 파 동함수가 박막 내에서 그 세기가 감소하도 록 하여 반도체까지 침투하지 못하게 한다.
결국 페르미준위가 ECNL근처로 움직이게 할 갭준위의 생성이 저하되어 페르미준위 고정
그림 2. Band diagram information (EC : conduction band), EV: valence band, and ECNL: charge neutrality level) for several semiconductors. Numbers near EC
and EV represent typical n- and p-type barrier heights, respectively. Reprinted with permission from ref. [12].
그림 1. Schematic band diagram near the metal/n-type semiconductor interface. MIGS means metal-induced gap states.
)의 차이인
한국전기전자재료학회 『E2M – 전기전자와 첨단소재』
체에 (+)를 띄는 공간전하(space charge)를 남기게 된다. 이로 인해 내부 전기장이 발 생하고 이로부터 에너지 밴드가 그림 1처럼 형성된다. 여기서 전자가 계면에서 움직일 때 느끼는 장벽을 쇼트키 에너지장벽 (: Schottky barrier height)이라고 한다. 이론 값은 금속의 일함수()와 반도체의 전자친 화도()의 차이인 로 주어진다.
그러나 실제의 소자는 이론값과는 다른 값 을 보이며 금속의 일함수와는 거의 무관한 페르미준위 고정을 겪는다.
페르미준위 고정을 설명하기 위한 모델의 하나인 금속유도 갭준위(metal-induced gap states: MIGS)에 의하면 계면준위는 금속으 로부터 오며, 금속과 반도체 사이에 양자 터널링에 의해 갭준위가 유도되거나 변형된 다고 설명한다 [10]. 이 결함은 가전자대 (valence band)에 가까운 경우 주개처럼 (donor-like), 전도대(conduction band)에 가 까운 경우 받개(acceptor-like)처럼 행동한 다. 이때 전하중성준위(charge neutrality level: ECNL)은 갭준위가 주개에서 받개로 바 뀔 때 일어난다. 금속/반도체 계면에서 금속 의 파동함수에 의한 이러한 갭준위의 충전 (charging)은 쌍극자(dipole)를 발생시켜 계 면에서의 페르미준위(EF)가 ECNL으로 움직이 게 한다. EF와 ECNL의 차이는 실험적으로 얻 어지는 고정지수(pinning factor: S)와 관계 있다. 이때 유효 에너지장벽은 다음의 식으
로 주어진다 [11].
(1)S의 값은 0에서 1의 범위가 되는 데, 1일 때는 이론값을 나타내고 0일 때는 EF와 ECNL
이 같을 때이다. 산화막이나 유전물질에 비 해 반도체가 더 작은 S를 가진다. 즉, 페르 미레벨 고정은 금속/산화막 계면엔 잘 나타 나지 않는다 [12]. 그림 2는 여러 반도체에 서의 ECNL의 위치와 n형 및 p형일 때 얻어 지는 에너지장벽의 값들이 어느 정도인지를 보여준다.
2.2 유전박막 삽입에 의한 페르미준위 고 정 완화
금속/반도체 계면에 유전박막을 삽입하는 기술은 금속/Si에 질화규소(silicon nitride)를 사용하여 처음 시도되었다 [13]. 그림 3(a)처 럼 MIGS 이론에 의하면 유전박막은 물리적 으로 금속과 반도체를 분리시켜 금속의 파 동함수가 박막 내에서 그 세기가 감소하도 록 하여 반도체까지 침투하지 못하게 한다.
결국 페르미준위가 ECNL근처로 움직이게 할 갭준위의 생성이 저하되어 페르미준위 고정
그림 2. Band diagram information (EC : conduction band), EV: valence band, and ECNL: charge neutrality level) for several semiconductors. Numbers near EC
and EV represent typical n- and p-type barrier heights, respectively. Reprinted with permission from ref. [12].
그림 1. Schematic band diagram near the metal/n-type semiconductor interface. MIGS means metal-induced gap states.
로 주어진다. 그러나 실제의 소 자는 이론값과는 다른 값을 보이며 금속의 일 함수와는 거의 무관한 페르미준위 고정을 겪 는다.
페르미준위 고정을 설명하기 위한 모델의 하나인 금속유도 갭준위(metal-induced gap states: MIGS)에 의하면 계면준위는 금속으 로부터 오며, 금속과 반도체 사이에 양자 터 널링에 의해 갭준위가 유도되거나 변형된다 고 설명한다 [10]. 이 결함은 가전자대(valence band)에 가까운 경우 주개처럼(donor-like), 전 도대(conduction band)에 가까운 경우 받개 (acceptor-like)처럼 행동한다. 이때 전하중성 준위(charge neutrality level: ECNL)은 갭준위가 주개에서 받개로 바뀔 때 일어난다. 금속/반도 체 계면에서 금속의 파동함수에 의한 이러한 갭준위의 충전(charging)은 쌍극자(dipole)를 발생시켜 계면에서의 페르미준위(EF)가 ECNL으 로 움직이게 한다. EF와 ECNL의 차이는 실험적 으로 얻어지는 고정지수(pinning factor: S)와 관계있다. 이때 유효 에너지장벽은 다음의 식 으로 주어진다 [11].
한국전기전자재료학회 『E2M – 전기전자와 첨단소재』
체에 (+)를 띄는 공간전하(space charge)를 남기게 된다. 이로 인해 내부 전기장이 발 생하고 이로부터 에너지 밴드가 그림 1처럼 형성된다. 여기서 전자가 계면에서 움직일 때 느끼는 장벽을 쇼트키 에너지장벽 (: Schottky barrier height)이라고 한다. 이론 값은 금속의 일함수()와 반도체의 전자친 화도()의 차이인 로 주어진다.
그러나 실제의 소자는 이론값과는 다른 값 을 보이며 금속의 일함수와는 거의 무관한 페르미준위 고정을 겪는다.
페르미준위 고정을 설명하기 위한 모델의 하나인 금속유도 갭준위(metal-induced gap states: MIGS)에 의하면 계면준위는 금속으 로부터 오며, 금속과 반도체 사이에 양자 터널링에 의해 갭준위가 유도되거나 변형된 다고 설명한다 [10]. 이 결함은 가전자대 (valence band)에 가까운 경우 주개처럼 (donor-like), 전도대(conduction band)에 가 까운 경우 받개(acceptor-like)처럼 행동한 다. 이때 전하중성준위(charge neutrality level: ECNL)은 갭준위가 주개에서 받개로 바 뀔 때 일어난다. 금속/반도체 계면에서 금속 의 파동함수에 의한 이러한 갭준위의 충전 (charging)은 쌍극자(dipole)를 발생시켜 계 면에서의 페르미준위(EF)가 ECNL으로 움직이 게 한다. EF와 ECNL의 차이는 실험적으로 얻 어지는 고정지수(pinning factor: S)와 관계 있다. 이때 유효 에너지장벽은 다음의 식으
로 주어진다 [11].
(1)S의 값은 0에서 1의 범위가 되는 데, 1일 때는 이론값을 나타내고 0일 때는 EF와 ECNL
이 같을 때이다. 산화막이나 유전물질에 비 해 반도체가 더 작은 S를 가진다. 즉, 페르 미레벨 고정은 금속/산화막 계면엔 잘 나타 나지 않는다 [12]. 그림 2는 여러 반도체에 서의 ECNL의 위치와 n형 및 p형일 때 얻어 지는 에너지장벽의 값들이 어느 정도인지를 보여준다.
2.2 유전박막 삽입에 의한 페르미준위 고 정 완화
금속/반도체 계면에 유전박막을 삽입하는 기술은 금속/Si에 질화규소(silicon nitride)를 사용하여 처음 시도되었다 [13]. 그림 3(a)처 럼 MIGS 이론에 의하면 유전박막은 물리적 으로 금속과 반도체를 분리시켜 금속의 파 동함수가 박막 내에서 그 세기가 감소하도 록 하여 반도체까지 침투하지 못하게 한다.
결국 페르미준위가 ECNL근처로 움직이게 할 갭준위의 생성이 저하되어 페르미준위 고정
그림 2. Band diagram information (EC : conduction band), EV: valence band, and ECNL: charge neutrality level) for several semiconductors. Numbers near EC
and EV represent typical n- and p-type barrier heights, respectively. Reprinted with permission from ref. [12].
그림 1. Schematic band diagram near the metal/n-type semiconductor interface. MIGS means metal-induced gap states.
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Special Theme 반도체 결함 분석 기술
글_ 김 호 경 교수 | 서울과학기술대학교 안경광학과
그림 1 ▶ Schematic band diagram near the metal/n-type semiconductor interface. MIGS means metal- induced gap states.
Special Theme
06
E2M 전기 전자와 첨단 소재 •
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www.kieeme.or.kr• October 2018 Vol. 31, No. 5
유전박막을 이용한
금속/반도체 계면 특성 및 결함 연구
1. 서론
기존 Si 기반의 CMOS (complementary metal oxide semiconductor) 소자의 한계를 극복하는 방안으로 전자의 이동도가 높은 Ge, 또는 III-V 화합물 반도체 등이 채널 물질로서 각광을 받 고 있다 [1,2]. 특히 고성능 소자를 얻기 위해서 는 접촉저항이 낮은 오믹 컨택(ohmic contact) 을 얻는 것이 아주 중요하다. 금속/반도체 계 면의 특성은 반도체 표면의 상태, 결정 방향, 도핑량, 표면 처리 방법, 산화막 유무 및 사용 하는 금속의 종류 등에 따라 달라질 수 있다.
이론적으로 n형 반도체에서 에너지장벽(bar- rier height)은 금속의 일함수와 반도체의 전자 친화도(electron affinity)의 차이로 주어지나 계 면준위(interface state), 결함(defect) 등이 많 을 때 에너지장벽은 금속의 일함수와 거의 무 관하게 되는 페르미준위 고정(Fermi level pin- ning; FLP)이 일어난다. 이로 인해 저항이 낮
은 양질의 오믹 컨택을 얻기가 어렵다. 이러한 점들은 소자로서의 재현성 및 안정성에 문제 가 되기도 한다.
유전박막을 이용하여 에너지장벽을 조절하 려는 시도가 지금까지 많이 연구되어 왔다. 특 히 유전상수가 크고 얇게 증착이 가능한 물 질들 (예를 들면: Al2O3, HfO2, TiO2)을 중심으 로 그 연구가 이루어져 왔다 [3-5]. 이 물질들은 주로 원자층 증착법 (atomic layer deposition;
ALD)을 이용하여 증착되는 데, 이 방법을 사용 할 경우 나노단위로 두께를 제어할 수 있으며, 넓은 면적에 균일한 두께를 얻을 수 있고 또한 증착 온도가 비교적 낮아 기판에 비교적 제한 이 덜한 장점이 있다. 이 방법은 앞에서 기술하 였듯이 집적도가 높아짐에 따라 Si에 비해 우수 한 성능을 보이는 Ge 반도체에 대한 연구가 다 시 시작되면서 주목을 받았는데, 에너지장벽 을 줄임으로써 소자에서 발생하는 저항을 줄일 수 있어 소자 성능 향상을 위해 사용되고 있다.
III-V 화합물 반도체는 전자 소자 뿐만 아니 라 LED, 태양전지, 레이저 다이오드 등 광전소 자로도 응용이 된다. 유전박막을 삽입하는 기 술은 이러한 광전소자의 특성 향상에도 응용 이 될 수 있다. InP, GaN, SiC, ZnO 등의 반도 체에 유전박막을 삽입하여 에너지장벽 및 다 이오드의 특성을 변화시키는 연구 결과가 발 표되었다 [6-9]. 본 논문에서는 III-V 반도체에 유전박막을 이용한 연구를 중심으로 그 결과 및 동향에 대해 알아보고자 한다.
2. 금속/반도체 계면에서의 에너지장벽
2.1 페르미준위 고정(Fermi level pinnng) 금속과 n형 반도체를 접합하게 되면 계면 근 처에서 페르미준위가 같아지면서 반도체에 있 는 전자가 계면 쪽으로 이동하고 반도체에 (+) 를 띄는 공간전하(space charge)를 남기게 된다.
이로 인해 내부 전기장이 발생하고 이로부 터 에너지 밴드가 그림 1처럼 형성된다. 여기 서 전자가 계면에서 움직일 때 느끼는 장벽 을 쇼트키 에너지장벽 (
한국전기전자재료학회 『E2M – 전기전자와 첨단소재』
체에 (+)를 띄는 공간전하(space charge)를 남기게 된다. 이로 인해 내부 전기장이 발 생하고 이로부터 에너지 밴드가 그림 1처럼 형성된다. 여기서 전자가 계면에서 움직일 때 느끼는 장벽을 쇼트키 에너지장벽 (: Schottky barrier height)이라고 한다. 이론 값은 금속의 일함수()와 반도체의 전자친 화도()의 차이인 로 주어진다.
그러나 실제의 소자는 이론값과는 다른 값 을 보이며 금속의 일함수와는 거의 무관한 페르미준위 고정을 겪는다.
페르미준위 고정을 설명하기 위한 모델의 하나인 금속유도 갭준위(metal-induced gap states: MIGS)에 의하면 계면준위는 금속으 로부터 오며, 금속과 반도체 사이에 양자 터널링에 의해 갭준위가 유도되거나 변형된 다고 설명한다 [10]. 이 결함은 가전자대 (valence band)에 가까운 경우 주개처럼 (donor-like), 전도대(conduction band)에 가 까운 경우 받개(acceptor-like)처럼 행동한 다. 이때 전하중성준위(charge neutrality level: ECNL)은 갭준위가 주개에서 받개로 바 뀔 때 일어난다. 금속/반도체 계면에서 금속 의 파동함수에 의한 이러한 갭준위의 충전 (charging)은 쌍극자(dipole)를 발생시켜 계 면에서의 페르미준위(EF)가 ECNL으로 움직이 게 한다. EF와 ECNL의 차이는 실험적으로 얻 어지는 고정지수(pinning factor: S)와 관계 있다. 이때 유효 에너지장벽은 다음의 식으
로 주어진다 [11].
(1)S의 값은 0에서 1의 범위가 되는 데, 1일 때는 이론값을 나타내고 0일 때는 EF와 ECNL
이 같을 때이다. 산화막이나 유전물질에 비 해 반도체가 더 작은 S를 가진다. 즉, 페르 미레벨 고정은 금속/산화막 계면엔 잘 나타 나지 않는다 [12]. 그림 2는 여러 반도체에 서의 ECNL의 위치와 n형 및 p형일 때 얻어 지는 에너지장벽의 값들이 어느 정도인지를 보여준다.
2.2 유전박막 삽입에 의한 페르미준위 고 정 완화
금속/반도체 계면에 유전박막을 삽입하는 기술은 금속/Si에 질화규소(silicon nitride)를 사용하여 처음 시도되었다 [13]. 그림 3(a)처 럼 MIGS 이론에 의하면 유전박막은 물리적 으로 금속과 반도체를 분리시켜 금속의 파 동함수가 박막 내에서 그 세기가 감소하도 록 하여 반도체까지 침투하지 못하게 한다.
결국 페르미준위가 ECNL근처로 움직이게 할 갭준위의 생성이 저하되어 페르미준위 고정
그림 2. Band diagram information (EC : conduction band), EV: valence band, and ECNL: charge neutrality level) for several semiconductors. Numbers near EC
and EV represent typical n- and p-type barrier heights, respectively. Reprinted with permission from ref. [12].
그림 1. Schematic band diagram near the metal/n-type semiconductor interface. MIGS means metal-induced gap states.
: Schottky barrier height)이라고 한다. 이론값은 금속의 일함 수(
한국전기전자재료학회 『E2M – 전기전자와 첨단소재』
체에 (+)를 띄는 공간전하(space charge)를 남기게 된다. 이로 인해 내부 전기장이 발 생하고 이로부터 에너지 밴드가 그림 1처럼 형성된다. 여기서 전자가 계면에서 움직일 때 느끼는 장벽을 쇼트키 에너지장벽 (: Schottky barrier height)이라고 한다. 이론 값은 금속의 일함수()와 반도체의 전자친 화도()의 차이인 로 주어진다.
그러나 실제의 소자는 이론값과는 다른 값 을 보이며 금속의 일함수와는 거의 무관한 페르미준위 고정을 겪는다.
페르미준위 고정을 설명하기 위한 모델의 하나인 금속유도 갭준위(metal-induced gap states: MIGS)에 의하면 계면준위는 금속으 로부터 오며, 금속과 반도체 사이에 양자 터널링에 의해 갭준위가 유도되거나 변형된 다고 설명한다 [10]. 이 결함은 가전자대 (valence band)에 가까운 경우 주개처럼 (donor-like), 전도대(conduction band)에 가 까운 경우 받개(acceptor-like)처럼 행동한 다. 이때 전하중성준위(charge neutrality level: ECNL)은 갭준위가 주개에서 받개로 바 뀔 때 일어난다. 금속/반도체 계면에서 금속 의 파동함수에 의한 이러한 갭준위의 충전 (charging)은 쌍극자(dipole)를 발생시켜 계 면에서의 페르미준위(EF)가 ECNL으로 움직이 게 한다. EF와 ECNL의 차이는 실험적으로 얻 어지는 고정지수(pinning factor: S)와 관계 있다. 이때 유효 에너지장벽은 다음의 식으
로 주어진다 [11].
(1)S의 값은 0에서 1의 범위가 되는 데, 1일 때는 이론값을 나타내고 0일 때는 EF와 ECNL
이 같을 때이다. 산화막이나 유전물질에 비 해 반도체가 더 작은 S를 가진다. 즉, 페르 미레벨 고정은 금속/산화막 계면엔 잘 나타 나지 않는다 [12]. 그림 2는 여러 반도체에 서의 ECNL의 위치와 n형 및 p형일 때 얻어 지는 에너지장벽의 값들이 어느 정도인지를 보여준다.
2.2 유전박막 삽입에 의한 페르미준위 고 정 완화
금속/반도체 계면에 유전박막을 삽입하는 기술은 금속/Si에 질화규소(silicon nitride)를 사용하여 처음 시도되었다 [13]. 그림 3(a)처 럼 MIGS 이론에 의하면 유전박막은 물리적 으로 금속과 반도체를 분리시켜 금속의 파 동함수가 박막 내에서 그 세기가 감소하도 록 하여 반도체까지 침투하지 못하게 한다.
결국 페르미준위가 ECNL근처로 움직이게 할 갭준위의 생성이 저하되어 페르미준위 고정
그림 2. Band diagram information (EC : conduction band), EV: valence band, and ECNL: charge neutrality level) for several semiconductors. Numbers near EC
and EV represent typical n- and p-type barrier heights, respectively. Reprinted with permission from ref. [12].
그림 1. Schematic band diagram near the metal/n-type semiconductor interface. MIGS means metal-induced gap states.
)와 반도체의 전자친화도(
한국전기전자재료학회 『E2M – 전기전자와 첨단소재』
체에 (+)를 띄는 공간전하(space charge)를 남기게 된다. 이로 인해 내부 전기장이 발 생하고 이로부터 에너지 밴드가 그림 1처럼 형성된다. 여기서 전자가 계면에서 움직일 때 느끼는 장벽을 쇼트키 에너지장벽 (: Schottky barrier height)이라고 한다. 이론 값은 금속의 일함수()와 반도체의 전자친 화도()의 차이인 로 주어진다.
그러나 실제의 소자는 이론값과는 다른 값 을 보이며 금속의 일함수와는 거의 무관한 페르미준위 고정을 겪는다.
페르미준위 고정을 설명하기 위한 모델의 하나인 금속유도 갭준위(metal-induced gap states: MIGS)에 의하면 계면준위는 금속으 로부터 오며, 금속과 반도체 사이에 양자 터널링에 의해 갭준위가 유도되거나 변형된 다고 설명한다 [10]. 이 결함은 가전자대 (valence band)에 가까운 경우 주개처럼 (donor-like), 전도대(conduction band)에 가 까운 경우 받개(acceptor-like)처럼 행동한 다. 이때 전하중성준위(charge neutrality level: ECNL)은 갭준위가 주개에서 받개로 바 뀔 때 일어난다. 금속/반도체 계면에서 금속 의 파동함수에 의한 이러한 갭준위의 충전 (charging)은 쌍극자(dipole)를 발생시켜 계 면에서의 페르미준위(EF)가 ECNL으로 움직이 게 한다. EF와 ECNL의 차이는 실험적으로 얻 어지는 고정지수(pinning factor: S)와 관계 있다. 이때 유효 에너지장벽은 다음의 식으
로 주어진다 [11].
(1)S의 값은 0에서 1의 범위가 되는 데, 1일 때는 이론값을 나타내고 0일 때는 EF와 ECNL
이 같을 때이다. 산화막이나 유전물질에 비 해 반도체가 더 작은 S를 가진다. 즉, 페르 미레벨 고정은 금속/산화막 계면엔 잘 나타 나지 않는다 [12]. 그림 2는 여러 반도체에 서의 ECNL의 위치와 n형 및 p형일 때 얻어 지는 에너지장벽의 값들이 어느 정도인지를 보여준다.
2.2 유전박막 삽입에 의한 페르미준위 고 정 완화
금속/반도체 계면에 유전박막을 삽입하는 기술은 금속/Si에 질화규소(silicon nitride)를 사용하여 처음 시도되었다 [13]. 그림 3(a)처 럼 MIGS 이론에 의하면 유전박막은 물리적 으로 금속과 반도체를 분리시켜 금속의 파 동함수가 박막 내에서 그 세기가 감소하도 록 하여 반도체까지 침투하지 못하게 한다.
결국 페르미준위가 ECNL근처로 움직이게 할 갭준위의 생성이 저하되어 페르미준위 고정
그림 2. Band diagram information (EC : conduction band), EV: valence band, and ECNL: charge neutrality level) for several semiconductors. Numbers near EC
and EV represent typical n- and p-type barrier heights, respectively. Reprinted with permission from ref. [12].
그림 1. Schematic band diagram near the metal/n-type semiconductor interface. MIGS means metal-induced gap states.
)의 차이인
한국전기전자재료학회 『E2M – 전기전자와 첨단소재』
체에 (+)를 띄는 공간전하(space charge)를 남기게 된다. 이로 인해 내부 전기장이 발 생하고 이로부터 에너지 밴드가 그림 1처럼 형성된다. 여기서 전자가 계면에서 움직일 때 느끼는 장벽을 쇼트키 에너지장벽 (: Schottky barrier height)이라고 한다. 이론 값은 금속의 일함수()와 반도체의 전자친 화도()의 차이인 로 주어진다.
그러나 실제의 소자는 이론값과는 다른 값 을 보이며 금속의 일함수와는 거의 무관한 페르미준위 고정을 겪는다.
페르미준위 고정을 설명하기 위한 모델의 하나인 금속유도 갭준위(metal-induced gap states: MIGS)에 의하면 계면준위는 금속으 로부터 오며, 금속과 반도체 사이에 양자 터널링에 의해 갭준위가 유도되거나 변형된 다고 설명한다 [10]. 이 결함은 가전자대 (valence band)에 가까운 경우 주개처럼 (donor-like), 전도대(conduction band)에 가 까운 경우 받개(acceptor-like)처럼 행동한 다. 이때 전하중성준위(charge neutrality level: ECNL)은 갭준위가 주개에서 받개로 바 뀔 때 일어난다. 금속/반도체 계면에서 금속 의 파동함수에 의한 이러한 갭준위의 충전 (charging)은 쌍극자(dipole)를 발생시켜 계 면에서의 페르미준위(EF)가 ECNL으로 움직이 게 한다. EF와 ECNL의 차이는 실험적으로 얻 어지는 고정지수(pinning factor: S)와 관계 있다. 이때 유효 에너지장벽은 다음의 식으
로 주어진다 [11].
(1)S의 값은 0에서 1의 범위가 되는 데, 1일 때는 이론값을 나타내고 0일 때는 EF와 ECNL
이 같을 때이다. 산화막이나 유전물질에 비 해 반도체가 더 작은 S를 가진다. 즉, 페르 미레벨 고정은 금속/산화막 계면엔 잘 나타 나지 않는다 [12]. 그림 2는 여러 반도체에 서의 ECNL의 위치와 n형 및 p형일 때 얻어 지는 에너지장벽의 값들이 어느 정도인지를 보여준다.
2.2 유전박막 삽입에 의한 페르미준위 고 정 완화
금속/반도체 계면에 유전박막을 삽입하는 기술은 금속/Si에 질화규소(silicon nitride)를 사용하여 처음 시도되었다 [13]. 그림 3(a)처 럼 MIGS 이론에 의하면 유전박막은 물리적 으로 금속과 반도체를 분리시켜 금속의 파 동함수가 박막 내에서 그 세기가 감소하도 록 하여 반도체까지 침투하지 못하게 한다.
결국 페르미준위가 ECNL근처로 움직이게 할 갭준위의 생성이 저하되어 페르미준위 고정
그림 2. Band diagram information (EC : conduction band), EV: valence band, and ECNL: charge neutrality level) for several semiconductors. Numbers near EC
and EV represent typical n- and p-type barrier heights, respectively. Reprinted with permission from ref. [12].
그림 1. Schematic band diagram near the metal/n-type semiconductor interface. MIGS means metal-induced gap states.
로 주어진다. 그러나 실제의 소 자는 이론값과는 다른 값을 보이며 금속의 일 함수와는 거의 무관한 페르미준위 고정을 겪 는다.
페르미준위 고정을 설명하기 위한 모델의 하나인 금속유도 갭준위(metal-induced gap states: MIGS)에 의하면 계면준위는 금속으 로부터 오며, 금속과 반도체 사이에 양자 터 널링에 의해 갭준위가 유도되거나 변형된다 고 설명한다 [10]. 이 결함은 가전자대(valence band)에 가까운 경우 주개처럼(donor-like), 전 도대(conduction band)에 가까운 경우 받개 (acceptor-like)처럼 행동한다. 이때 전하중성 준위(charge neutrality level: ECNL)은 갭준위가 주개에서 받개로 바뀔 때 일어난다. 금속/반도 체 계면에서 금속의 파동함수에 의한 이러한 갭준위의 충전(charging)은 쌍극자(dipole)를 발생시켜 계면에서의 페르미준위(EF)가 ECNL으 로 움직이게 한다. EF와 ECNL의 차이는 실험적 으로 얻어지는 고정지수(pinning factor: S)와 관계있다. 이때 유효 에너지장벽은 다음의 식 으로 주어진다 [11].
한국전기전자재료학회 『E2M – 전기전자와 첨단소재』
체에 (+)를 띄는 공간전하(space charge)를 남기게 된다. 이로 인해 내부 전기장이 발 생하고 이로부터 에너지 밴드가 그림 1처럼 형성된다. 여기서 전자가 계면에서 움직일 때 느끼는 장벽을 쇼트키 에너지장벽 (: Schottky barrier height)이라고 한다. 이론 값은 금속의 일함수()와 반도체의 전자친 화도()의 차이인 로 주어진다.
그러나 실제의 소자는 이론값과는 다른 값 을 보이며 금속의 일함수와는 거의 무관한 페르미준위 고정을 겪는다.
페르미준위 고정을 설명하기 위한 모델의 하나인 금속유도 갭준위(metal-induced gap states: MIGS)에 의하면 계면준위는 금속으 로부터 오며, 금속과 반도체 사이에 양자 터널링에 의해 갭준위가 유도되거나 변형된 다고 설명한다 [10]. 이 결함은 가전자대 (valence band)에 가까운 경우 주개처럼 (donor-like), 전도대(conduction band)에 가 까운 경우 받개(acceptor-like)처럼 행동한 다. 이때 전하중성준위(charge neutrality level: ECNL)은 갭준위가 주개에서 받개로 바 뀔 때 일어난다. 금속/반도체 계면에서 금속 의 파동함수에 의한 이러한 갭준위의 충전 (charging)은 쌍극자(dipole)를 발생시켜 계 면에서의 페르미준위(EF)가 ECNL으로 움직이 게 한다. EF와 ECNL의 차이는 실험적으로 얻 어지는 고정지수(pinning factor: S)와 관계 있다. 이때 유효 에너지장벽은 다음의 식으
로 주어진다 [11].
(1)S의 값은 0에서 1의 범위가 되는 데, 1일 때는 이론값을 나타내고 0일 때는 EF와 ECNL
이 같을 때이다. 산화막이나 유전물질에 비 해 반도체가 더 작은 S를 가진다. 즉, 페르 미레벨 고정은 금속/산화막 계면엔 잘 나타 나지 않는다 [12]. 그림 2는 여러 반도체에 서의 ECNL의 위치와 n형 및 p형일 때 얻어 지는 에너지장벽의 값들이 어느 정도인지를 보여준다.
2.2 유전박막 삽입에 의한 페르미준위 고 정 완화
금속/반도체 계면에 유전박막을 삽입하는 기술은 금속/Si에 질화규소(silicon nitride)를 사용하여 처음 시도되었다 [13]. 그림 3(a)처 럼 MIGS 이론에 의하면 유전박막은 물리적 으로 금속과 반도체를 분리시켜 금속의 파 동함수가 박막 내에서 그 세기가 감소하도 록 하여 반도체까지 침투하지 못하게 한다.
결국 페르미준위가 ECNL근처로 움직이게 할 갭준위의 생성이 저하되어 페르미준위 고정
그림 2. Band diagram information (EC : conduction band), EV: valence band, and ECNL: charge neutrality level) for several semiconductors. Numbers near EC
and EV represent typical n- and p-type barrier heights, respectively. Reprinted with permission from ref. [12].
그림 1. Schematic band diagram near the metal/n-type semiconductor interface. MIGS means metal-induced gap states.
(1)
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Special Theme 반도체 결함 분석 기술
글_ 김 호 경 교수 | 서울과학기술대학교 안경광학과
그림 1 ▶ Schematic band diagram near the metal/n-type semiconductor interface. MIGS means metal- induced gap states.
