MoO3 박막의 금속 상전이를 이용한 화학 기상 증착 기반 금속-실리콘 접촉 공정
저자
발행사항
청주 : 충북대학교, 2023
학위논문사항
학위논문(석사)-- 충북대학교 : 물리학과 연구장비개발전공 2023. 2
발행연도
2023
작성언어
한국어
주제어
KDC
420.1 판사항(5)
발행국(도시)
충청북도
기타서명
Metal-silicon contact process using metallic phase transition of MoO3 thin films via chemical vapor deposition
형태사항
viii, 44 p. : 삽화, 표 ; 26 cm
일반주기명
충북대학교 논문은 저작권에 의해 보호됩니다
지도교수:이현석
참고문헌 : p.41-44
UCI식별코드
I804:43009-000000058394
소장기관
최근 대량의 데이터를 고속으로 처리하기 위해 실리콘 기반 트랜지스터가 고집적화되면서 금속-실리콘 접합 사이에서 발생하는 접촉저항(contact resistance) 문제가 부각 되고 있다. 실리사이드(silicide) 공정은 현재의 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 공정에서 접촉저항 감소를 위해 가장 널리 채택되고 있지만, 필연적으로 기판의 실리콘을 소모하여 집적도 증가 및 동작 특성 향상 측면에서 치명적인 한계를 가진다. 또한, 복잡한 공정 과정과 정밀한 상 제어가 필요하고, 핵 형성 메커니즘을 가진 일부 실리사이드의 경우에는 좁은 contact hole에 적용이 어렵다는 측면 등에서도 여러 가지 문제가 있다. 따라서, 차세대 고집적 회로 설계에는 이러한 단점들을 해결할 수 있는 새로운 접촉 공정이 필요한 실정이다.
본 연구에서는 금속-실리콘 접합 사이에 몰리브데넘 질화물(molybdenum nitride) 삽입층 공정을 도입해 실리콘 소모 없이 접촉저항을 감소시키는 공정을 제안한다. 몰리브데넘 질화물 박막은 화학 기상 증착(chemical vapor deposition) 방법을 통해 실리콘 기판에 사전 증착된 MoO3 박막을 질화하여 금속-실리콘 접합 계면에 형성되며, 해당 박막은 금속상의 낮은 비저항(약 1×10-3 Ω∙cm)을 나타냈다.
결과적으로 Mo(100 nm)/TiOxNy(20 nm) 전극과 실리콘 기판 사이에 몰리브데넘 질화물 삽입층 공정을 도입했을 때, 도입하지 않은 경우에 비해 접촉저항이 약 39배 감소하는 효과를 얻었다. 이는 실리콘 접합 계면에 형성된 얇은 산화막 층이 페르미 준위 고정 현상을 억제하여 금속-실리콘 접합 사이의 쇼트키 장벽(Schottky barrier)을 감소시킴으로써 달성된 것이라고 판단된다. 금속-실리콘 접합 사이의 산화막 층은 오제 전자 분광법(Auger electron spectroscopy), X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy) 분석과 투과전자 현미경(Transmission electron microscope)을 통해 검출되었으며, 온도 의존적 전기적 특성 분석을 통해 쇼트키 장벽의 높이가 감소함을 확인하였다. 이러한 결과는 기존의 금속 실리사이드 공정이 가진 한계를 극복하고, 현행 CMOS 공정에 적용할 수 있는 금속-실리콘 접합 공정의 새로운 가능성을 제시한다.
Recently, as Si-based transistors are highly integrated for massive data process, a problem of contact resistance at metal-silicon junctions is prominently highlighted. Although metal silicide processes are most widely used in the modern complementary metal-oxide-semiconductor process (CMOS), they inevitably consume Si element of substrates, causing problems at a smaller contact size. Also, complicated silicidation processes with nucleation and growth mechanism are challenging to apply to narrow contact holes. Therefore, advanced contact process is required for highly integrated semiconductor circuits.
In this study, we proposed a contact process without consuming Si by introducing a molybdenum nitride interlayer process between the metal-silicon junction. A molybdenum nitride thin film is formed at the metal-silicon junction interface by nitriding a pre-deposited MoO3 thin film on a Si substrate using chemical vapor deposition (CVD). The synthesized MoN thin film exhibited metallic resistivity (~10-3 Ω∙cm).
When the MoN process was introduced between the Mo (100 nm)/TiOxNy (20 nm) electrode and the Si substrate, the contact resistance was reduced by approximately 39 times compared to the case without the MoN process. These result were achieved by reducing the Schottky barrier height between the metal-Si junction. The remained thin oxides layer formed on Si interface during phase transition process of MoO3 suppresses the Fermi level pinning effect and lowers Schottky barrier height. The oxides layer between the metal-Si junction was detected by Auger electron spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and a transmission electron microscope. Also, Schottky barrier height was investigated by temperature dependent electrical properties. These results are expected to overcome the limitations of the metal-silicide process and present new approach applicable to the modern CMOS process.
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