KR20130053193A - 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로 특히, 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 제 1드레인 전극; 상기 제 1드레인 전극 상에 위치하는 제 1전도성 반도체층; 상기 제 1전도성 반도체층 상에 위치하며 2DEG층을 포함하는 채널층; 상기 채널층 상에 위치하는 장벽층; 상기 장벽층 상에 위치하는 소스 및 제 2드레인 전극; 상기 제 1전도성 반도체층과 채널층 사이에 위치하며, 적어도 상기 제 2드레인 전극 측의 위치에서 개구된 전류장벽층; 및 상기 소스 및 제 2드레인 전극 사이에 위치하는 게이트 전극을 포함하여 구성된다.

Description

질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자 및 그 제조방법 {Nitride-based heterojunction semiconductor device and method for the same}
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로 특히, 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
질화물 반도체는 광대역 밴드갭 화합물 반도체로, 가시광선 범위와 넓게는 자외선 범위까지 광을 방출하는 것이 가능하다. 청자색 레이저 다이오드 및 청색 발광 다이오드는 이미 개발이 완료되어 광픽업 장치, 신호등, 퍼블릭 디스플레이, 액정의 백라이트, 조명까지 넓은 분야에서 사용되고 있다. 최근에는 실리콘에 비해 높은 임계전계, 낮은 온 저항 특성이 주목되어, 차세대 반도체 소자의 재료로 선행 연구되고 있다.
고출력 전력 소자에는 최근에 주류로, 크게 MOSFET와 IGBT가 경쟁을 하고 있고, 이러한 질화물 반도체를 이용한 HEMT, MOSFET 등의 소자들이 연구되고 있다. 이 중에서 HEMT는 높은 전자의 이동도를 이용하여 고주파 특성의 통신소자 등에 이용되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 소자 내의 전계를 완화시면서 전극의 면적을 극대화하여 전류량을 증가시킬 수 있고, 고내압의 특성 중 어느 하나 이상의 특성을 만족하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제 1관점으로서, 본 발명은, 제 1드레인 전극; 상기 제 1드레인 전극 상에 위치하는 제 1전도성 반도체층; 상기 제 1전도성 반도체층 상에 위치하며 2DEG층을 포함하는 채널층; 상기 채널층 상에 위치하는 장벽층; 상기 장벽층 상에 위치하는 소스 및 제 2드레인 전극; 상기 제 1전도성 반도체층과 채널층 사이에 위치하며, 적어도 상기 제 2드레인 전극 측의 위치에서 개구된 전류장벽층; 및 상기 소스 및 제 2드레인 전극 사이에 위치하는 게이트 전극을 포함하여 구성된다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제 2관점으로서, 본 발명은, 기판 상에 제 1전도성 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제 1전도성 반도체층의 적어도 일부분에 전류장벽층을 형성하는 단계; 상기 제 1전도성 반도체층 및 전류장벽층 상에 채널층을 형성하는 단계; 상기 채널층 상에 장벽층을 형성하는 단계; 상기 장벽층 상에 소스 전극, 제 1드레인 전극, 및 게이트 전극을 형성하는 단계; 및 상기 제 1전도성 반도체층 상에 제 2드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.
첫째, 드레인 전극의 면적을 넓힘과 동시에, 소자 내에서의 전계를 완화시킬 수 있다.
둘째, 전류가 소스에서 드레인으로 수평방향으로 흐를 뿐 아니라 하측의 전극으로도 흐를 수 있어, 게이트 전극에 집중되어 있는 전계를 완화시켜 항복전압을 증가시키는 효과도 가져오게 된다.
셋째, 같은 면적을 가지는 경우, 고압에 더 크게 견딜 수 있는 소자를 구현할 수 있는 것이다. 그리고 전극의 면적은 전류의 양과 관계가 있으므로, 전체 소자의 면적에 비하여 고전류를 갖는 소자의 제작이 가능한 효과가 있는 것이다.
도 1은 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 2 내지 도 6은 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자의 제조 과정의 일례를 나타내는 도면으로서,
도 2는 기판 상에 n-형 반도체층을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 3은 전류장벽층을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 4는 전류장벽층이 형성된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 5는 채널층 및 장벽층을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 6은 전극을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
도 1에서 도시하는 바와 같이, 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자는, 제 1전도성 반도체층(10) 상의 일부 영역에 전류장벽층(80)이 위치한다. 여기서, 제 1전도성 반도체층(10)은 그 일례로서 n-형 반도체층일 수 있으며, 질화 갈륨(GaN)을 포함하는 질화물계 반도체로 이루어질 수 있다. 이하, 제 1전도성 반도체층(10)은 n-형 반도체층(10)인 것을 예로서 설명한다.
이와 같이, n-형 반도체층(10)을 이용하는 이유 중 하나는 원활한 전류 흐름을 위하여 저항이 낮은 것이 유리하며, 그 하측에 전극(제 2드레인 전극(70))이 위치할 수 있기 때문이다.
이러한 n-형 반도체층(10)과 전류장벽층(80) 상에는, 그 상부에 2DEG(2-dimensional electron gas) 층(21)을 포함하는 채널층(20)이 위치한다.
그리고, 채널층(20) 상에는 장벽층(30)이 위치한다. 이 채널층(20)은 질화 갈륨(GaN) 반도체를 포함할 수 있고, 장벽층(30)은 알루미늄 질화 갈륨(AlGaN) 물질을 포함하여 이루어질 수 있다. 이때, AlGaN의 알루미늄(Al) 조성은 갈륨(Ga) 대비 10% 내지 50%(AlxGa1 - xN(0.1 ≤ x ≤ 0.5))일 수 있다.
2DEG 층(21)은 채널층(20)의 장벽층(30)과 접하는 부분에 위치하는 매우 얇은 부분으로서, 이 부분의 두께는 대략 1 nm 정도일 수 있다.
이와 같은 장벽층(30) 상에는 소스 전극(40) 및 제 1드레인 전극(50)이 위치한다. 이러한 소스 전극(40) 및 제 1드레인 전극(50)은 장벽층(30) 상에서 서로 대향하는 위치, 즉 서로 반대되는 단부측 위치에 위치할 수 있다. 이러한 소스 전극(40) 및 제 1드레인 전극(50)은 장벽층(30)과 오믹 접촉(ohmic contact)을 이룰 수 있다.
소스 전극(40) 및 제 1드레인 전극(50)은, Ti, Al, Au 중 적어도 어느 하나를 포함하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, Ti/Al/Ti/Au와 같은 다층 구조를 이룰 수 있다. 그리고 이들의 두께는 각각 30 nm/100 nm/20 nm/200 nm의 두께를 가질 수 있다.
이러한 소스 전극(40) 및 제 1드레인 전극(50) 사이에는 게이트 전극(60)이 위치한다. 그리고 n-형 반도체층(10)의 하측에는 제 2드레인 전극(70)이 위치할 수 있다.
도시하는 바와 같이, n-형 반도체층(10)의 하측에 위치하는 제 2드레인 전극(70)의 면적은, n-형 반도체층(10)의 면적과 동일할 수 있다. 경우에 따라 n-형 반도체층(10)의 면적보다 작을 수도 있음은 물론이다.
이러한 제 2드레인 전극(70)은 소스 전극(40)으로부터의 전류가 n-형 반도체층(10)을 거쳐 소자의 하측으로 흐를 수 있도록 하는 수직형 반도체 소자 구조를 이룰 수 있게 할 수 있다.
한편, 위에서 설명한 바와 같이, n-형 반도체층(10)과 장벽층(20) 사이의 적어도 일부에는 고저항 물질로 이루어지는 전류장벽층(80)이 위치할 수 있다.
이러한 전류장벽층(80)은 n-형 반도체층(10)에서 누설전류가 발생하여 소자를 오프시키기 어렵지 않도록 할 수 있다.
이와 같은 전류장벽층(80)은 적어도 게이트 전극(60)의 하측에 위치할 수 있다. 이와 같은 전류장벽층(80)은 적어도 "A" 지점의 하측에 위치하도록 할 수 있다.
이때, 전류장벽층(80)은 전류가 게이트 전극(60) 측에 집중되지 않고 고르게 퍼지도록 할 수 있으며, 소스 전극(40)의 하측부터 게이트 전극(60)의 하측까지 연장되어 위치하는 것이 보다 유리하다.
이러한 전류장벽층(80)이 없는 경우에, 전류는 게이트 전극(60)의 일측, 즉, 주로 "A" 지점에 집중될 수 있으나, 도시하는 바와 같이, 게이트 전극(60)의 하부는 모두 가릴 수 있도록 위치함으로써, 소스 전극(40)으로부터의 전류가 게이트 전극(60)에 집중되지 않고 n-형 반도체층(10)을 거쳐 제 1드레인 전극(50) 및 제 2드레인 전극(70)으로 흐를 수 있도록 할 수 있다.
이 전류장벽층(80)은 절연층이 이용될 수 있으며, 그 일례로서 고저항 질화갈륨 반도체층이 이용될 수 있다. 즉, n-형 반도체층(10)이 절연화된 층이 이용될 수 있다.
이상과 같은 반도체 소자는 높은 전자 이동도, 높은 임계 전계 등의 특성을 가지며, 특히, 고전압에 견딜 수 있는 고내압 소자로 이용될 수 있다.
통상의 수평형 소자는 소스 전극, 드레인 전극, 및 게이트 전극이 모두 한 면에만 구비되어 전극의 크기가 곧 소자의 크기를 결정할 수 있다. 그러나 고내압 소자의 구현을 위해서는 전극 사이의 거리가 확보되어야 하고 면적을 줄이기 위해서는 비교적 넓은 면적을 차지하는 소스 전극과 드레인 전극의 면적을 줄일 수 있다.
그러나 위에서 설명한 바와 같은 구조는 수직형 소자의 이점을 가질 수 있어, 드레인 전극(50, 70)의 면적을 넓힐 수 있는 장점을 가지는 것과 동시에 전계를 완화시킬 수 있는 것이다.
즉, 전류가 2DEG 층(21)을 통하여 소스 전극(40)에서 제 1드레인 전극(50)으로 수평 방향으로 흐를 뿐 아니라, 도 1의 화살표로 도시된 바와 같이, n-형 반도체층(10)을 통하여 하측의 제 2드레인 전극(70) 쪽으로도 흐를 수 있어, 전류의 증가로 인하여 전체 소자 면적의 감소가 가능하다.
더욱이, 이러한 전류의 흐름과 전류장벽층(80)의 구성에 의하여, 게이트 전극(60)에 집중될 수 있는 전계를 n-형 반도체층(10) 쪽으로 완화시켜서 항복 전압을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 같은 면적을 가지는 경우, 고압에 더 크게 견딜 수 있는 소자를 구현할 수 있는 것이다. 그리고 전극의 면적은 전류의 양과 관계가 있으므로, 전체 소자의 면적에 비하여 고전류를 갖는 소자의 제작이 가능한 것이다.
이하, 도 2 내지 도 6을 참고하여 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자의 제조 과정을 설명한다.
우선, 도 2에서와 같이, n-형 반도체층(10)을 성장하기 위한 기판(90)을 준비한다. 이 기판(90)은 사파이어, 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), 또는 질화 갈륨(GaN) 기판 중 어느 하나가 이용될 수도 있다.
n-형 반도체층(10)은 질화 갈륨(GaN) 반도체를 이용할 수 있으며, GaN은 MOCVD 법으로 불리는 유기 금속기상 성장법으로 제작할 수 있다. MOCVD 법을 이용하는 성장은, Ga의 원료인 TMGa, N의 원료인 NH3를 반응로(reactor) 안에서 고온으로 합성시켜 박막 성장을 하게 된다.
경우에 따라 이러한 n-형 반도체층(10)을 형성하기 위하여 기판(90) 상에 별도의 버퍼층(도시되지 않음)이 먼저 형성될 수도 있다.
n-형 반도체층(10)의 성장에 있어서, n-형 전도성을 가지도록 하기 위하여 n-형 도펀트가 추가될 수 있는데, n-형 도펀트로는 Si가 이용될 수 있으며, 이를 위하여 SiH4, SiH6와 같은 원료가 이용될 수 있다.
이후, n-형 반도체층(10) 상에 마스크층(91)을 형성한다. 이러한 마스크층(91)은 전류장벽층(80)을 형성할 영역 이외의 부분에 형성될 수 있다. 이러한 전류장벽층(80)의 위치는 위에서 설명한 바와 같다.
이러한 마스크층(91)으로는 포토 레지스트 또는 SiO2 및 SiN와 같은 절연막이 이용될 수 있다.
다음에 이온 주입 과정을 통하여 n-형 반도체층(10)을 절연시켜 고저항층으로 형성함으로써 전류장벽층(80)을 형성할 수 있다.
이러한 이온 주입 과정은 n-형 GaN 반도체를 절연시킬 수 있는 Mg, N, B, P, 또는 Ar과 같은 이온을 이용할 수 있다.
이후, 세정이나 식각 과정을 이용하여 마스크층(91)을 제거하면 도 4와 같은 상태로 마스크층(91)이 형성되지 않은 부분에 전류장벽층(80)이 형성된 상태가 된다.
다음에, 도 5에서와 같이, 이러한 전류장벽층(80)과 n-형 반도체층(10) 상에 2DEG 층(21)가 형성되는 채널층(20)을 형성하고, 이후, 채널층(20) 상에 장벽층(30)을 형성한다.
채널층(20)의 두께는 0.01 내지 0.05 ㎛를 이룰 수 있으며, 보다 유리하게는 0.05 내지 0.2 ㎛ 정도 성장시킬 수 있다.
장벽층(30)은 알루미늄 질화 갈륨(AlGaN) 반도체로 이루어질 수 있다. 이때, AlGaN의 알루미늄(Al) 조성은 갈륨(Ga) 대비 1% 내지 100%를 가질 수 있으며, 10% 내지 50%(AlxGa1 - xN(0.1 ≤ x ≤ 0.5) 정도인 것이 유리하다.
또한, 이러한 장벽층(30)의 두께는 100 nm 이하, 보다 유리하게는 0 내지 10 nm 정도로 성장시킬 수 있다.
다음에, 도 6에서와 같이, 소스 전극(40), 제 1드레인 전극(50), 게이트 전극(60) 및 제 2드레인 전극(70)을 형성한다.
이때, 소스 전극(40)과 제 1드레인 전극(50)을 장벽층(30) 상의 서로 대척되는 위치에 제작하고, 이 소스 전극(40)과 제 1드레인 전극(50) 사이에 게이트 전극(60)을 제작할 수 있다.
도 6에서는 n-형 반도체층(10)이 형성된 성장 기판(90)의 하측에 제 2드레인 전극(70)을 형성한 구조를 도시하고 있다. 성장 기판(90)이 전도성 기판인 경우에는 이와 같이, 기판(90) 하면에 제 2드레인 전극(70)을 형성할 수 있다.
또한, 경우에 따라, 기판(90)을 제거하고 제 2드레인 전극(70)을 형성할 수도 있으며, 이러한 경우에는 도 1과 같은 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 기판(90)이 사파이어와 같은 절연성 기판이거나 전도성이 충분하지 않을 경우에는 기판(90)을 제거하고 제 2드레인 전극(70)을 형성할 수 있음은 물론이다.
위에서 설명한 바와 같이, 소스 전극(40), 제 1드레인 전극(50) 및 제 2드레인 전극(70)은, Ti, Al, Au 중 적어도 어느 하나를 이용하여 오믹 접촉을 이루도록 형성할 수 있다.
즉, Ti/Al/Ti/Au와 같은 다층 구조를 가지도록 E-beam 증착기를 이용하여 증착하고 리프트 오프 공정으로 패턴을 형성할 수 있다. 또한 이들의 두께는 각각 30 nm/100 nm/20 nm/200 nm의 두께를 가질 수 있다.
게이트 전극(60)은, Ti, Al, Ni 등 일함수가 높은 전극 물질 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 제작할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10: 제 1전도성 반도체층 20: 채널층
30: 장벽층 40: 소스 전극
50: 제 1드레인 전극 60: 게이트 전극
70: 제 2드레인 전극 80: 전류장벽층
90: 기판

Claims (12)

  1. 제 1드레인 전극;
    상기 제 1드레인 전극 상에 위치하는 제 1전도성 반도체층;
    상기 제 1전도성 반도체층 상에 위치하며 2DEG 층을 포함하는 채널층;
    상기 채널층 상에 위치하는 장벽층;
    상기 장벽층 상에 위치하는 소스 및 제 2드레인 전극;
    상기 제 1전도성 반도체층과 채널층 사이에 위치하며, 적어도 상기 제 2드레인 전극 측의 위치에서 개구된 전류장벽층; 및
    상기 소스 및 제 2드레인 전극 사이에 위치하는 게이트 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전류장벽층은, 적어도 상기 게이트 전극의 하측에 위치하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 전류장벽층은, 상기 소스 전극의 하측부터 상기 게이트 전극의 하측까지 위치하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 1전도성 반도체층은, n-형 질화갈륨인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제 1드레인 전극의 면적은, 상기 제 1전도성 반도체층의 면적과 동일한 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 전류장벽층은, 고저항 질화갈륨인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 장벽층은, AlxGa1 - xN(0.1 ≤ x ≤ 0.5)을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 소스 전극, 제 1 및 제 2드레인 전극은, Ti, Al, Au 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자.
  9. 기판 상에 제 1전도성 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제 1전도성 반도체층의 적어도 일부분에 전류장벽층을 형성하는 단계;
    상기 제 1전도성 반도체층 및 전류장벽층 상에 채널층을 형성하는 단계;
    상기 채널층 상에 장벽층을 형성하는 단계;
    상기 장벽층 상에 소스 전극, 제 1드레인 전극, 및 게이트 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제 1전도성 반도체층 상에 제 2드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자의 제조방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 전류장벽층을 형성하는 단계는,
    상기 제 1전도성 반도체층 상에 마스크층을 형성하는 단계; 및
    상기 제 1전도성 반도체층 상에 제 1전도성 반도체층을 절연시킬 수 있는 이온을 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자의 제조방법.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 전류장벽층은, 상기 소스 전극의 하측부터 상기 게이트 전극의 하측까지 위치하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자의 제조방법.
  12. 제 9항에 있어서, 상기 제 2드레인 전극을 형성하는 단계 이전에, 상기 기판을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 이종접합 반도체 소자의 제조방법.
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