KR20230000816A - Structure of GaN power device consisting of self-aligned n-p junction gate and its fabrication method - Google Patents

Structure of GaN power device consisting of self-aligned n-p junction gate and its fabrication method Download PDF

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KR20230000816A
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최상식
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조덕호
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주식회사 시지트로닉스
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Abstract

The present invention relates to a power semiconductor element and a manufacturing method thereof. The power semiconductor element includes: an active layer (3) having a part in which a 2DEG layer (7) is formed; a spacer layer (4) located in an upper part of the active layer (3); a gate located on a portion of an upper part of the spacer layer (4) and having a p-GaN epi layer (5) and an n-GaN epi layer (6) stacked therein; an n-type source (10) formed on the spacer layer (4) in a lower part of one side of the gate; an n-type drain (9) located on a side opposite to the source (10) with respect to the gate, while located in a part of the spacer layer (4) spaced apart from the gate; an SPF thin film (8) deposited on the front surface of the gate and the spacer layer (4); and metal electrodes (13, 14) coming in ohmic contact with the drain (9) and the source (10) through a window formed on the SPF thin film (8), respectively. Therefore, the present invention is capable of increasing thermal stability, reliability and efficiency.

Description

자기정렬된 n-p 접합 게이트로 구성된 GaN 전력반도체 소자 및 그 제조방법 {Structure of GaN power device consisting of self-aligned n-p junction gate and its fabrication method}GaN power semiconductor device consisting of self-aligned n-p junction gate and its fabrication method {Structure of GaN power device consisting of self-aligned n-p junction gate and its fabrication method}

본 발명은 GaN 전력반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 와이드 밴드갭 반도체의 HEMT 에피 구조를 이용한 고성능 전력 반도체에 관한 것이다.The present invention relates to a GaN power semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a high-performance power semiconductor using a HEMT epitaxial structure of a wide bandgap semiconductor.

이제까지는 가격이 저렴하고 신뢰성과 안정도가 장기간 확보된 Si 반도체를 이용해 대부분의 전력반도체 소자가 개발되고 사용되어 왔다. 그런데 최근에는 환경과 에너지 효율에 대한 중요도가 높아지고 전기차, 드론, 로봇산업이 성장하고 있다. Until now, most power semiconductor devices have been developed and used using Si semiconductors, which are inexpensive and have long-term reliability and stability. Recently, however, the importance of environment and energy efficiency has increased, and the electric vehicle, drone, and robot industries are growing.

이와 같이 이동성이 심한 응용과 시스템에는 더욱 효율이 높고, 작고, 가벼운 전력반도체가 필요하게 되었다. 따라서 SiC, GaN, Ga2O3와 같은 WBG(Wide Band Gap) 반도체 물질을 이용하는 전력반도체를 개발하여 응용하려는 시도가 활발하다. These highly mobile applications and systems require more efficient, smaller and lighter power semiconductors. Therefore, attempts to develop and apply power semiconductors using WBG (Wide Band Gap) semiconductor materials such as SiC, GaN, and Ga 2 O 3 are active.

미국공개특허 US2010/0019279A1(공개일 2010. 1. 28)에는 오믹과 쇼트키가 연결된 애노드로 정류기(rectifier)를 만들고, 동시에 동일한 쇼트키를 게이트로 제작하는 GaN HEMT 소자를 제시하였다. U.S. Patent Publication US2010/0019279A1 (published on Jan. 28, 2010) proposed a GaN HEMT device in which a rectifier is made with an anode connected to an ohmic and a schottky, and at the same time the same schottky is made as a gate.

인헨스먼트 모드(Enhancement mode(Normally-off)) 구동을 위해 F- 이온을 쇼트키 하단부에 이온주입하여 임계전압을 제어하는 방식을 이용한다. 그러나 이 소자의 문제는 F- 이온으로 형성된 쇼트키 게이트가 임계전압을 일부 양(+)의 값으로 이동하게 제어해 주지만 이로 인해 트랜스컨덕턴스(transconductance)가 감소하거나 소자동작의 신뢰성이 충분히 확보할 수 없는 문제가 잔류한다.To drive the enhancement mode (normally-off), a method of controlling the threshold voltage by implanting F - ions into the lower Schottky area is used. However, the problem with this device is that the Schottky gate formed of F - ions controls the threshold voltage to move to some positive (+) value, but this reduces the transconductance or sufficiently secures the reliability of device operation. No problems remain.

또한, 유럽공개특허 EP01965433A3(공개일 2009. 7. 29)에는 게이트를 형성하는데 있어서, 연속하는 1차, 2차, 3차의 필드 플레이트(filed plate)를 적용한 소자구조를 제시하여, 동작전압을 600V에서 900V까지 5~6.6mΩ-cm2 저저항으로 구동하는 성능을 보이는 고전압 GaN 트랜지스터에 대하여 기재되어 있다. 다만 게이트의 임계전압을 조절하기 위하여 트랜치 에치(trench etch)를 적용하였는데, 이 방식은 재현성과 균일성을 확보하는데 매우 불리하다.In addition, European Patent Publication EP01965433A3 (published on July 29, 2009) suggests a device structure in which successive primary, secondary, and tertiary field plates are applied to form a gate, A high-voltage GaN transistor exhibiting performance of driving from 600V to 900V with a low resistance of 5 to 6.6 mΩ-cm 2 is described. However, trench etch is applied to adjust the threshold voltage of the gate, but this method is very disadvantageous in securing reproducibility and uniformity.

다른 선행기술로서, 미국공개특허 US2009/0267078A1(공개일 2009. 10. 29)에는 통상적인 AlGaN/GaN 에피의 상부에 Si가 도핑된 AlXN(X= Ga or In)층을 성장하고, 게이트를 트렌치 식각하고, 절연체 박막을 이용한 MIS 형태의 게이트를 제작하는 다소 복잡한 구조를 제시하였다. As another prior art, US Patent Publication US2009/0267078A1 (published on October 29, 2009) grows an AlXN (X = Ga or In) layer doped with Si on top of a conventional AlGaN / GaN epitaxial, and trenches the gate Etching and a rather complex structure for fabricating a MIS-type gate using an insulator thin film were presented.

임계전압을 높여서 인헨스먼트 구동을 가능하게 하고 채널의 온저항도 낮추는 장점을 제공한다. 다만 게이트 절연막이 하단부의 채널(2DEG 유도되는 층)에 접촉하여 운반자의 이동도를 감소시키거나 또는 그 절연막이 형성되는 위치가 매우 정밀해야 하는데 이를 조절하는 재현성이 부족한 문제를 지니게 된다.It provides the advantage of enabling enhancement driving by increasing the threshold voltage and lowering the on-resistance of the channel. However, the gate insulating film contacts the lower channel (2DEG-derived layer) to reduce the mobility of the carrier or the position where the insulating film is formed must be very precise, but there is a problem of insufficient reproducibility to adjust it.

또한, Recessed-gate structure approach toward normally off high-voltage AlGaN/GaN HEMT for power electronic applications(S. Saito, Y. Takada, I. Omura, IEEE Trans. on Electronic Devices. 2006)에는 종래에 사용된 리세스 게이트(recessed gate) 구조로 제작된 소자에 대한 것이다. 트렌치 식각과 마찬가지로 리세스 식각도 재현성과 균일성에 문제가 있으며, 더욱이 리세스된 면적이 커서 소스-게이트 저항과 게이트-드레인 저항이 증가하여 소자의 성능이 감소하는 문제가 있다.In addition, the recessed-gate structure approach toward normally off high-voltage AlGaN / GaN HEMT for power electronic applications (S. Saito, Y. Takada, I. Omura, IEEE Trans. on Electronic Devices. 2006) It relates to a device fabricated with a recessed gate structure. Similar to trench etching, recess etching also has problems in reproducibility and uniformity, and furthermore, since the recessed area is large, source-gate resistance and gate-drain resistance increase, thereby reducing device performance.

그리고 High-performance normally off p-GaN gateHEMT with composite AlN/Al0.17Ga0.83N/Al0.3Ga0.7N barrier layersdesign(H.C. Chiu, Y.S. Chang, B.H. Li, H.C. Wang, H.L. Kao, A.R. Xuan, J. of Electron Devices Society Vol. 6, p. 201(Dec. 2018))에는 AlGaN과 p-GaN 사이에 1nm 두께의 AlN 에피층을 삽입하여 게이트 식각을 정밀하게 할 수 있는 개량된 재현성을 보였고, 게이트 누설전류를 감소시키는 효과를 제시하였다. 이와 동일한 소자구조에 대해 많은 연구결과가 논문에 발표되어 왔는데, 이 논문의 경우 임계전압이 2.1V에서 1.7V로 감소하는 문제를 내포함을 보였다.And High-performance normally off p-GaN gateHEMT with composite AlN/Al 0.17 Ga 0.83 N/Al 0.3 Ga 0.7 N barrier layersdesign (HC Chiu, YS Chang, BH Li, HC Wang, HL Kao, AR Xuan, J. of Electron Devices Society Vol. The reducing effect was presented. Many research results have been published on the same device structure, and in this paper, the problem of reducing the threshold voltage from 2.1V to 1.7V was shown.

상술한 바와 같이, 종래의 기술은 다양한 형태로 진화하고 있다. 이종접합 HEMT 구조의 WBG 반도체를 이용하고 수평형, 수직형, 금속-반도체 접합, 필드 ㅍ프플레이트를 적용하는 시도를 하였다. 그러나 아직도 고주파 및 고전력 신호를 고효율로 동작하는 GaN FET 전력반도체 소자에 대해서는 아직도 많은 기술개발에 의한 성능개선이 필요하다.As described above, the conventional technology is evolving in various forms. An attempt was made to apply a horizontal type, vertical type, metal-semiconductor junction, and field amplifier plate using a heterojunction HEMT structure WBG semiconductor. However, GaN FET power semiconductor devices that operate high-frequency and high-power signals with high efficiency still require performance improvement through many technological developments.

상술된 바와 같이 종래기술에 의한 기존의 소자는 동작속도가 낮고 온도의 변화에 따른 특성 변동폭이 커서 고성능의 소자를 제작하는데 한계가 있다.As described above, the conventional device according to the prior art has a low operating speed and a large characteristic fluctuation range according to a change in temperature, so there is a limit to manufacturing a high-performance device.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 동작속도가 높고, 온도의 변화에 따른 특성 변동을 최소화할 수 있는 전력반도체 소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.A technical problem to be solved by the present invention is to provide a power semiconductor device capable of high operating speed and minimizing variation in characteristics due to temperature changes and a manufacturing method thereof.

구체적으로 본 발명의 목적은, 구동전압과 구동전류를 높일 수 있는 전력반도체 소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.Specifically, an object of the present invention is to provide a power semiconductor device capable of increasing driving voltage and driving current and a manufacturing method thereof.

아울러 본 발명의 다른 목적은, 열적으로 안정적이며, 선형 동작 특성을 나타내는 전력반도체 소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a power semiconductor device that is thermally stable and exhibits linear operating characteristics and a manufacturing method thereof.

또한, 본 발명은 열의 발생이 적으며 신뢰성과 효율을 높일 수 있는 전력반도체 소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.In addition, the present invention is to provide a power semiconductor device capable of generating less heat and increasing reliability and efficiency, and a manufacturing method thereof.

신뢰성과 효율의 측면에서 구체적으로 본 발명은 임계전압(Vth)과 게이트 구동전압(VG)을 Si CMOS 회로와 호환성을 지니는 3 내지 5V 또는 3 내지 10V의 사양을 나타내는 전력반도체 소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.Specifically, in terms of reliability and efficiency, the present invention provides a threshold voltage (V th ) and a gate driving voltage (V G ) of 3 to 5V or 3 to 10V compatible with Si CMOS circuits. A power semiconductor device and its manufacture in providing a way.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 전력반도체 소자는, 2DEG층(7)이 일부에 형성되는 액티브층(3)과, 상기 액티브층(3)의 상부에 위치하는 스페이서층(4)과, 상기 스페이서층(4)의 상부 일부에 위치하며, p-GaN 에피층(5)과 n-GaN 에피층(6)이 적층된 게이트와, 상기 게이트의 일측면 하부의 상기 스페이서층(4)에 형성된 n형의 소스(10)와, 상기 게이트를 중심으로 소스(10)와는 반대편측에 위치하되, 상기 게이트와는 이격된 상기 스페이서층(4)의 일부에 위치하는 n형의 드레인(9)과, 상기 게이트 및 스페이서층(4)의 전면에 증착된 SPF 박막(8)과, 상기 SPF 박막(8)에 형성된 윈도우를 통해 상기 드레인(9)과 상기 소스(10)에 각각에 오믹 접촉되는 금속전극들(13, 14)을 포함할 수 있다.A power semiconductor device according to one aspect of the present invention for solving the above problems includes an active layer 3 in which a 2DEG layer 7 is partially formed, and a spacer layer located on top of the active layer 3 (4), a gate located on an upper portion of the spacer layer (4), on which the p-GaN epitaxial layer (5) and the n-GaN epitaxial layer (6) are stacked, and the spacer under one side of the gate An n-type source 10 formed on the layer 4, and an n-type source 10 located on the opposite side of the gate to the source 10, but located on a part of the spacer layer 4 spaced apart from the gate. of the drain 9, the SPF thin film 8 deposited on the entire surface of the gate and spacer layer 4, and the drain 9 and the source 10 through a window formed in the SPF thin film 8 It may include metal electrodes 13 and 14 in ohmic contact with each other.

본 발명의 실시예에서, 상기 n-GaN 에피층(6)의 일부에 형성된 n형의 게이트 이온주입층(11)을 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, an n-type gate ion implantation layer 11 formed on a portion of the n-GaN epitaxial layer 6 may be further included.

본 발명의 실시예에서, 상기 게이트 이온주입층에 오믹 접촉되는 금속전극(15)을 더 포함하되, 상기 금속전극(15)은 상기 드레인에 접속되는 상기 금속전극(13) 측으로 연장되어 필드 플레이트를 형성할 수 있다.In an embodiment of the present invention, a metal electrode 15 in ohmic contact with the gate ion implantation layer is further included, wherein the metal electrode 15 extends toward the metal electrode 13 connected to the drain to form a field plate. can form

본 발명의 실시예에서, 상기 p-GaN 에피층(5)은 p-형 불순물이 1017~1019cm-3으로 도핑된 것이고, 상기 n-GaN 에피층(6)은 n-형 불순물이 1016~1018cm-3으로 도핑된 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the p-GaN epitaxial layer 5 is doped with p-type impurities in a range of 10 17 to 10 19 cm -3 , and the n-GaN epitaxial layer 6 is doped with n-type impurities. It may be doped with 10 16 to 10 18 cm -3 .

본 발명의 실시예에서, SPF 박막(8)은 30~200nm 두께의 SiO2 유전체 박막일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the SPF thin film 8 may be a SiO 2 dielectric thin film with a thickness of 30 to 200 nm.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 전력반도체 소자 제조방법은, a) 비도핑 GaN층인 액티브층(3)의 상부에 AlGaN인 스페이서층(4)과, p-형 불순물이 도핑된 p-GaN 에피층(5)과 n-형 불순물이 도핑된 n-GaN 에피층(6)을 순차 성장시키고, 패터닝하여 스페이서층(4)의 상부 일부에 위치하는 p-GaN 에피층(5)과 n-GaN 에피층(6)의 적층구조로 이루어지는 게이트를 형성하는 단계와, b) 상기 스페이서층(4)에 n형 불순물 이온을 주입하고 활성화하여 소스(10) 및 드레인(9)을 형성하는 단계와, c) 상기 c) 단계의 결과물에 SPF 박막(8)을 증착하고, 상기 SPF 박막의 일부를 제거하여 상기 소스(10), 드레인(9) 및 게이트를 노출시킨 후, 소스(10), 드레인(9) 및 게이트 각각에 오믹접촉되는 금속전극(14, 13, 15)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, a power semiconductor device manufacturing method according to another aspect of the present invention, a) an AlGaN spacer layer 4 on top of an active layer 3, which is an undoped GaN layer, and a p-GaN epitaxial doped with p-type impurities A layer 5 and an n-GaN epitaxial layer 6 doped with n-type impurities are sequentially grown and patterned to form a p-GaN epitaxial layer 5 and n-GaN positioned on a part of the upper part of the spacer layer 4 forming a gate having a stacked structure of epitaxial layers 6; b) implanting and activating n-type impurity ions into the spacer layer 4 to form a source 10 and a drain 9; c) Depositing an SPF thin film 8 on the product of step c), removing a portion of the SPF thin film to expose the source 10, drain 9, and gate, and then forming the source 10, drain ( 9) and forming metal electrodes 14, 13, and 15 in ohmic contact with each gate.

본 발명의 실시예에서, 상기 b) 단계는, 상기 n-GaN 에피층(6)에도 n형 불순물 이온을 주입하고 활성화하여, 게이트 이온주입층(11)을 형성하여, 상기 금속전극(15)이 상기 게이트 이온주입층(11)에 오믹 접촉되도록 할 수 있다.In the embodiment of the present invention, in step b), n-type impurity ions are also implanted and activated into the n-GaN epitaxial layer 6 to form a gate ion implantation layer 11, thereby forming the metal electrode 15 This may make ohmic contact with the gate ion implantation layer 11 .

본 발명의 실시예에서, 상기 금속전극(15)을 상기 드레인(9)에 오믹 접촉되는 금속전극(13) 측으로 연장되도록 형성하여 필드 플레이트를 형성할 수 있다.In an exemplary embodiment of the present invention, the metal electrode 15 may be formed to extend toward the metal electrode 13 making ohmic contact with the drain 9 to form a field plate.

본 발명의 실시예에서, 상기 a)단계는, p-형 불순물이 1017~1019cm-3으로 도핑된 GaN을 성장시켜, 상기 p-GaN 에피층(5)을 형성하고, n-형 불순물이 1016~1018cm-3으로 도핑된 GaN을 성장시켜 상기 n-GaN 에피층(6)을 형성할 수 있다.In an embodiment of the present invention, in step a), the p-GaN epitaxial layer 5 is formed by growing GaN doped with a p-type impurity of 10 17 to 10 19 cm -3 , and n-type The n-GaN epitaxial layer 6 may be formed by growing GaN doped with an impurity of 10 16 to 10 18 cm −3 .

본 발명의 실시예에서, 상기 c) 단계는, 30~200nm 두께의 SiO2 유전체 박막을 증착하여 SPF 박막(8)을 형성할 수 있다.In an embodiment of the present invention, in step c), the SPF thin film 8 may be formed by depositing a SiO 2 dielectric thin film having a thickness of 30 to 200 nm.

본 발명은 종래기술에 대하여 상대적으로 동작속도가 높고, 구동전압 및 전류가 높으며, 열적 안정성과 신뢰성 및 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.The present invention has a relatively high operating speed, a high driving voltage and a high current, and an effect of increasing thermal stability, reliability, and efficiency compared to the prior art.

특히 Si 씨모스(CMOS) 회로와 호환성을 가지도록 설계함으로써, 다양한 기술분야에 적용 가능한 효과가 있다.In particular, by designing to have compatibility with the Si CMOS circuit, there is an effect applicable to various technical fields.

도 1 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력반도체 소자 제조공정 수순 단면도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력반도체 소자의 일부 단면 구성도이다.
도 10은 도 9의 저항 성분을 표시한 단면도이다.
도 11은 p-GaN 에피층을 게이트로 사용하는 종래 전력반도체 소자와 n-GaN 및 p-GaN 에피층을 게이트로 사용하는 본 발명 전력반도체 소자의 밴드갭 특성을 비교도이다.
도 12는 본 발명 전력반도체 소자와 종래 전력반도체 소자의 I-V 특성 그래프이다.
도 13은 본 발명과 종래기술의 전류 구동특성 비교 그래프이다.
도 14는 본 발명과 종래기술의 콘덕턴스 V 특성을 비교한 그래프이다.
1 to 8 are cross-sectional views of power semiconductor device manufacturing processes according to a preferred embodiment of the present invention.
9 is a partial cross-sectional view of a power semiconductor device according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the resistance component of FIG. 9 .
11 is a comparison diagram of bandgap characteristics of a conventional power semiconductor device using a p-GaN epitaxial layer as a gate and a power semiconductor device of the present invention using n-GaN and p-GaN epitaxial layers as a gate.
12 is a graph of IV characteristics of the power semiconductor device of the present invention and the conventional power semiconductor device.
13 is a graph comparing current driving characteristics between the present invention and the prior art.
14 is a graph comparing conductance V characteristics of the present invention and the prior art.

이하, 본 발명 전력반도체 소자 및 그 제조방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a power semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시 예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이며, 아래에 설명되는 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시 예는 본 발명을 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art, and the embodiments described below may be modified in many different forms, and the embodiments of the present invention The scope is not limited to the examples below. Rather, these embodiments are provided so that this invention will be thorough and complete, and will fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시 예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는"포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. Terms used in this specification are used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. As used herein, the singular form may include the plural form unless the context clearly indicates otherwise. Also, when used herein, "comprise" and/or "comprising" specifies the presence of the recited shapes, numbers, steps, operations, elements, elements, and/or groups thereof. and does not exclude the presence or addition of one or more other shapes, numbers, operations, elements, elements and/or groups. As used herein, the term "and/or" includes any one and all combinations of one or more of the listed items.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 영역 및/또는 부위들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부위들은 이들 용어에 의해 한정되지 않음은 자명하다. 이들 용어는 특정 순서나 상하, 또는 우열을 의미하지 않으며, 하나의 부재, 영역 또는 부위를 다른 부재, 영역 또는 부위와 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 영역 또는 부위는 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 영역 또는 부위를 지칭할 수 있다.Although terms such as first and second are used in this specification to describe various members, regions, and/or regions, it is obvious that these members, parts, regions, layers, and/or regions are not limited by these terms. . These terms do not imply any particular order, top or bottom, or superiority or inferiority, and are used only to distinguish one element, region or region from another element, region or region. Thus, a first element, region or region described in detail below may refer to a second element, region or region without departing from the teachings of the present invention.

이하, 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 실시 예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to drawings schematically illustrating embodiments of the present invention. In the drawings, variations of the depicted shape may be expected, depending, for example, on manufacturing techniques and/or tolerances. Therefore, the embodiments of the present invention should not be construed as being limited to the specific shape of the region shown in this specification, but should include, for example, a change in shape caused by manufacturing.

도 1 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력반도체 소자의 제조공정 수순 단면도이다.1 to 8 are cross-sectional views of a manufacturing process of a power semiconductor device according to a preferred embodiment of the present invention.

먼저, 도 1에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(1)의 상부에 완충층(2), 액티브층(3), 스페이서층(4), p-GaN 에피층(5), n-GaN 에피층(6)을 순차적으로 형성한다.First, as shown in FIG. 1, a buffer layer 2, an active layer 3, a spacer layer 4, a p-GaN epitaxial layer 5, and an n-GaN epitaxial layer ( 6) are formed sequentially.

반도체 기판(1)으로는 Si, sapphire, SiC, AlN 등의 알려진 기판을 사용할 수 있다.As the semiconductor substrate 1, known substrates such as Si, sapphire, SiC, and AlN can be used.

본 발명은 AlGaN/GaN HEMT 에피구조를 성장시키는 것으로, 위에 나열한 반도체 기판의 종류에 따라 격자상수의 차이와 열팽창계수의 차이에 의해 응력이 기판과 에피층 사이에 발생하게 된다. The present invention is to grow an AlGaN/GaN HEMT epitaxial structure, and stress is generated between the substrate and the epitaxial layer due to differences in lattice constants and thermal expansion coefficients according to the types of semiconductor substrates listed above.

이러한 응력에 의해 전체적으로 기판까지 휘어지고 심한 경우 크랙이 발생하게 되므로 이를 에피성장의 과정에서 반도체 기판(1)의 상부에 완충층(2)을 성장시켜, 소자의 손상을 방지한다.Since the entire substrate is bent by this stress and cracks occur in severe cases, a buffer layer 2 is grown on the semiconductor substrate 1 in the process of epitaxial growth to prevent damage to the device.

상기 완충층(2)은 저온 GaN, AlyGa1-yN, GaN/AlyGa1-yN 초격자층을 성장시킨 것일 수 있으며, 이들이 복합된 다층 구조일 수 있다.The buffer layer 2 may be formed by growing a low-temperature GaN, Al y Ga 1-y N, or GaN/Al y Ga 1-y N superlattice layer, and may have a multilayer structure in which these are combined.

그 다음, 도핑되지 않은(undoped) GaN층인 액티브층(3)을 완충층(2)의 상부에 형성한다. 액티브층(3)의 상부에는 AlxGa1-xN 에피층인 스페이서층(4)을 성장시킨다.Then, an active layer 3, which is an undoped GaN layer, is formed on top of the buffer layer 2. A spacer layer 4, which is an Al x Ga 1-x N epitaxial layer, is grown on the active layer 3.

여기에서 Al의 함량인 x에 의해 조절되는 AlxGa1-xN는 간략화하여 AlGaN으로 표기할 수 있다. Al의 함량(x)은 0.1~0.4 사이에서 제어하고 두께는 10~40nm로 조절하여 운반자의 채널층 인 2DEG의 밀도와 이동도를 조절한다.Here, Al x Ga 1-x N controlled by x, the Al content, can be simplified and expressed as AlGaN. The Al content (x) is controlled between 0.1 and 0.4 and the thickness is controlled between 10 and 40 nm to control the density and mobility of 2DEG, the channel layer of the carrier.

본 발명에서 2DEG층 전자의 밀도는 9x1012cm-2 내지 1x1014cm-2, 이동도는 1900 내지 2100cm2/Vsec의 수준이 된다. In the present invention, the density of electrons in the 2DEG layer is 9x10 12 cm -2 to 1x10 14 cm -2 , and the mobility is 1900 to 2100 cm 2 /Vsec.

AlGaN 스페이서층(4)의 상부에는 p-형 불순물이 1017~1019cm-3으로 도핑된 p-GaN 에피층(5)층을 성장시키고, 이어서 그 상부에 n-형 불순물이 1016~1018cm-3으로 도핑된 n-GaN 에피층(6)을 성장시킨다.A p-GaN epitaxial layer 5 doped with 10 17 to 10 19 cm -3 of p-type impurities is grown on top of the AlGaN spacer layer 4 , and then n-type impurities are grown on top of it. An n-GaN epitaxial layer 6 doped with 10 18 cm −3 is grown.

이와 같은 구조에 의하여 GaN 액티브층(3)과 AlxGa1-xN 스페이서층(4) 사이를 경계로 액티브층(3) 측으로 2DEG가 형성되어 소자제작을 위한 HEMT 에피구조가 완성된다. According to this structure, a 2DEG is formed toward the active layer 3 between the GaN active layer 3 and the Al x Ga 1-x N spacer layer 4 as a boundary, thereby completing the HEMT epitaxial structure for device fabrication.

그 다음, 도 2에 도시한 바와 같이 광사진전사로 PR(Photoresist) 패턴을 형성하고, 이 PR 패턴을 이용하여 n-GaN 에피층(6)과 p-GaN 에피층(5)을 차례로 식각하여 n-p 접합 게이트를 형성한다. Then, as shown in FIG. 2, a photoresist (PR) pattern is formed by phototransfer, and the n-GaN epitaxial layer 6 and the p-GaN epitaxial layer 5 are sequentially etched using the PR pattern, Form an n-p junction gate.

따라서 n-p 접합 게이트를 형성하는 p-GaN 에피층(5)의 하부측 n-type 채널인 2DEG층(7)까지 포함하면 n-p-n 접합의 구조가 형성된다. Therefore, when the 2DEG layer 7, which is an n-type channel on the lower side of the p-GaN epitaxial layer 5 forming the n-p junction gate, is included, an n-p-n junction structure is formed.

여기에서 식각 마스크로 사용하는 패턴으로 포토레지스트는 광사진전사라는 반도체 공정에서 통상적으로 사용하는 공정을 사용한다. 그리고 이하 제조공정 공정단계에서도 동일하게 광사진전사를 이용하며 본 발명에 특이하게 한정되는 기술이 아니고 통상적인 기술의 한 종류이므로 광사진전사와 관련해서는 이하 전 제조공정에서 상세한 설명을 하지 않기로 한다.As a pattern used as an etching mask here, photoresist uses a process commonly used in the semiconductor process called photophototransfer. In addition, optical photo-transfer is also used in the following manufacturing process steps, and since it is not a technique specifically limited to the present invention and is one of conventional techniques, detailed description will not be given in relation to optical photo-transfer in the entire manufacturing process below.

도 2에는 반도체 기판(1)과 완충층(2)이 생략된 상태를 도시하였다.2 shows a state in which the semiconductor substrate 1 and the buffer layer 2 are omitted.

그 다음, 도 3에 도시한 바와 같이 상기 n-GaN 에피층(6), p-GaN 에피층(5)으로 이루어지는 게이트의 상면 및 측면 전체와 노출된 스페이서층(4)의 상부 전면에 SPF 박막(surface passivation film: oxide, nitride, 8)를 증착한다. Then, as shown in FIG. 3, an SPF thin film is formed on the entire top and side surfaces of the gate made of the n-GaN epitaxial layer 6 and the p-GaN epitaxial layer 5 and the entire upper surface of the exposed spacer layer 4 (surface passivation film: oxide, nitride, 8) is deposited.

여기에서 SPF 박막(8)은 SiO2 유전체 박막을 사용할 수 있으며 두께는 30~200nm 수준으로 조절한다. SPF 박막(8)은 표면을 안정화하여 전류 붕괴(current collapse) 현상을 해소시키고, 쇼트키(Schottky) 접촉의 특성을 일정하게 유지한다. Here, the SPF thin film 8 may use a SiO 2 dielectric thin film, and the thickness is adjusted to a level of 30 to 200 nm. The SPF thin film 8 stabilizes the surface to eliminate current collapse, and maintains Schottky contact characteristics.

표면 안정화를 위한 SPF 박막(8)은 WBG 반도체 표면의 불안정한 상태는 전기적인 특성이 동작하는 가운데 변화하게 함으로 계면 및 표면에 대한 패시베이션(passivation)과 박막증착에 의한 패시베이션은 안정한 소자를 제작하는데 매우 중요하다. 반도체 표면에 존재하는 원자결합이나 트랩(trap)들은 반도체에 인가되는 전압에 따라 운반자를 포획하거나 방출하는 형상을 일으키게 되고, 그로 인하여 소자에 흐르는 전류밀도가 변화하게 된다. The SPF thin film (8) for surface stabilization changes the unstable state of the WBG semiconductor surface while the electrical properties are in operation, so passivation on the interface and surface and passivation by thin film deposition are very important in manufacturing stable devices Do. Atomic bonds or traps present on the surface of the semiconductor cause a shape in which carriers are captured or released according to the voltage applied to the semiconductor, thereby changing the current density flowing through the device.

그 다음, 도 4에 도시한 바와 같이 상기 AlGaN 스페이서층(4)과 n-GaN 에피층(6)의 각각의 일부에 n-type 불순물인 Si+을 10~30keV의 낮은 에너지 조건으로 이온주입하여, 이온주입층(9, 10, 11)을 형성한다.Then, as shown in FIG. 4, Si + , an n-type impurity, is ion-implanted into each part of the AlGaN spacer layer 4 and the n-GaN epitaxial layer 6 under a low energy condition of 10 to 30 keV. , ion implantation layers 9, 10 and 11 are formed.

그 다음, 도 5에 도시한 바와 같이 상기 SPF 박막(8)의 상부 전면에 실리콘질화막(Si3N4, 12)을 증착하고, 실리콘질화막(12)를 패시베이션(passivation)으로 사용하여 900~1200℃의 고온에서 1~5 분 동안 열처리하여 이온주입된 상기 이온주입층(9, 10, 11)들을 활성화시킨다.Then, as shown in FIG. 5, a silicon nitride film (Si 3 N 4 , 12) is deposited on the entire surface of the upper surface of the SPF thin film 8, and the silicon nitride film 12 is used as a passivation at 900 to 1200 The ion implanted layers 9, 10 and 11 are activated by heat treatment at a high temperature of °C for 1 to 5 minutes.

이때, 이온주입층(9, 10, 11)은 각각 드레인(9), 소스(10), 게이트 이온주입층(11)으로 활성화된다. 실질적으로 이온주입층(9, 10, 11)를 기능적으로 드레인(9), 소스(10), 게이트 이온주입층(11)으로 명명한 것으로 동일 구성에 대한 동일부호의 기재로 본다.At this time, the ion implantation layers 9, 10, and 11 are activated as the drain 9, the source 10, and the gate ion implantation layer 11, respectively. Substantially, the ion-implanted layers 9, 10, and 11 are functionally named as the drain 9, the source 10, and the gate ion-implanted layer 11, and are regarded as descriptions of the same reference numerals for the same configuration.

그 다음, 도 6에 도시한 바와 같이 실리콘질화막(12)을 제거한 후, 소자의 오믹접합 형성을 위해 오믹 접합부를 한정하는 패턴을 광사진전사로 형성하고, 상기 SPF 박막(8)의 일부를 건식식각 하여, 오믹접합 윈도우를 형성한다.Then, as shown in FIG. 6, after the silicon nitride film 12 is removed, a pattern defining the ohmic junction is formed by photo-transfer to form an ohmic junction, and a part of the SPF thin film 8 is dry-processed. Etching to form an ohmic junction window.

오믹접합 윈도우는 상기 드레인(9), 소스(10), 게이트 이온주입층(11)의 상부 일부 또는 전부를 노출시킨다.The ohmic junction window exposes part or all of the upper portion of the drain 9 , the source 10 , and the gate ion implantation layer 11 .

이때, 오믹접촉되는 영역에 플라즈마에 의한 결함이 생성되는 문제를 해소하기 위하여 ICP(Inductive Coupled Plasma) 건식식각과 습식식각을 조합하여 식각한다.At this time, in order to solve the problem of plasma-induced defects in the ohmic contact area, ICP (Inductive Coupled Plasma) dry etching and wet etching are combined and etched.

그 다음, 도 7에 도시한 바와 같이 오믹접합을 위해 금속박막을 증착하고, 광사전전사 및 식각공정으로 오믹접합을 이루는 금속전극(13, 14, 15)을 형성한다.Then, as shown in FIG. 7, a metal thin film is deposited for an ohmic junction, and metal electrodes 13, 14, and 15 forming an ohmic junction are formed through an optical pre-transfer and etching process.

이때, 금속전극(13)은 드레인(9), 금속전극(14)은 소스(10), 금속전극(15)은 게이트 이온주입층(11)에 접속된다. 특히 게이트 이온주입층(11)에 접속된 금속전극(15)은 드레인(9)에 접속된 금속전극(13) 측으로 연장되어 필드 플레이트를 이룬다. At this time, the metal electrode 13 is connected to the drain 9, the metal electrode 14 is connected to the source 10, and the metal electrode 15 is connected to the gate ion implantation layer 11. In particular, the metal electrode 15 connected to the gate ion implantation layer 11 extends toward the metal electrode 13 connected to the drain 9 to form a field plate.

상기 금속전극(13, 14, 15)은 Ti, Ni, Al, Pt, Pd, Mo, Ta 등의 금속을 단일층 내지는 Ti/TiN, Ti/Ni/Ti/Al과 같이 2개 이상의 복합층을 사용할 수 있다. 상기 금속전극(13, 14, 15)은 800℃ 이상의 고온에서 1~5분 동안 급속 열처리하여 저항이 낮은 오믹접촉을 형성한다.The metal electrodes 13, 14, and 15 include a single layer of metal such as Ti, Ni, Al, Pt, Pd, Mo, or Ta or two or more composite layers such as Ti/TiN or Ti/Ni/Ti/Al. can be used The metal electrodes 13, 14, and 15 are subjected to rapid heat treatment at a high temperature of 800° C. or higher for 1 to 5 minutes to form an ohmic contact with low resistance.

Au를 금속전극(13, 14, 15)로 사용하기 위해서는 리프트 오프(lift-off) 공정을 사용할 수 있다. 리프트 오프용 PR 패턴을 형성하기 위한 리소그래피를 해야 하고, Au를 증착하고, 솔벤트 용액으로 리프트 오프시킬 수 있다.In order to use Au as the metal electrodes 13, 14, and 15, a lift-off process may be used. Lithography for forming a PR pattern for lift-off is required, Au is deposited, and lift-off may be performed with a solvent solution.

오믹접합에 의한 금속전극(13, 14, 15)의 형성에 의하여, 정전류가 흐를 때 발생하는 열을 최소화기 위한 접촉저항을 줄일 수 있다.By forming the metal electrodes 13, 14, and 15 by ohmic contact, contact resistance for minimizing heat generated when constant current flows can be reduced.

또한, 전기적인 충격과 열적인 충격으로부터 소자가 안정한 동작을 하기 위해서 우선적으로 접촉저항이 낮고 물리적으로 안정한 일렉트로 마이그레이션(electro-migration)에 강한 구조를 제공할 수 있다.In addition, in order for the device to operate stably from electric shock and thermal shock, it is possible to provide a structure with low contact resistance and a physically stable electro-migration resistant structure.

그 다음, 도 8을 참고하면, 도 7의 구성에 SiO2 등의 층간절연막(16)을 증착하여 형성하고, 광사진전사로 패턴을 형성하고, 식각하여 상기 소스(10)와 드레인(9)에 접속되는 금속전극(14, 13)의 상부일부를 노출시키는 패턴을 형성한다.Then, referring to FIG. 8, an interlayer insulating film 16 such as SiO 2 is deposited and formed in the configuration of FIG. A pattern exposing upper portions of the metal electrodes 14 and 13 connected to is formed.

그 다음, 플러그(17, 18)를 상기 층간절연막(16)의 식각부분에 형성하기 위하여 텅스텐을 증착하고, CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정으로 연마하여 형성한다.Next, to form the plugs 17 and 18 on the etched portion of the interlayer insulating film 16, tungsten is deposited and polished through a chemical mechanical polishing (CMP) process.

그 다음, 두께가 2~6um인 금속박막을 증착하여 패턴을 만들고 식각하여 상기 플러그(17, 18)에 각각 연결되는 금속패드(19)를 형성한다. Then, a metal thin film having a thickness of 2 to 6 μm is deposited to form a pattern and etched to form metal pads 19 connected to the plugs 17 and 18, respectively.

이때, 금속박막은 Ai, Ti/Al, Ni/Au, Ti/Al/Ni/Au 등의 다양한 금속 소재를 단일층 내지는 다층으로 조합하여 이용할 수 있다.At this time, the metal thin film may be used by combining various metal materials such as Ai, Ti/Al, Ni/Au, Ti/Al/Ni/Au in a single layer or multiple layers.

이때도 리프트 오프 공정을 사용할 수 있다.A lift-off process can also be used at this time.

이와 같이 제조된 본 발명 전력반도체 소자의 구조 및 작용에 대하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.The structure and operation of the power semiconductor device of the present invention manufactured as described above will be described in more detail below.

도 9는 본 발명 전력반도체 소자의 주요부분 단면도이다.9 is a cross-sectional view of main parts of the power semiconductor device of the present invention.

도 9를 참조하면, 본 발명 전력반도체 소자는, 2DEG층(7)이 일부에 형성되는 액티브층(3)과, 상기 액티브층(3)의 상부에 위치하는 스페이서층(4)과, 상기 스페이서층(4)의 상부 일부에 위치하며, p-GaN 에피층(5)과 n-GaN 에피층(6)이 적층된 게이트와, 상기 게이트의 일측면 하부의 상기 스페이서층(4)에 형성된 소스(10)와, 상기 게이트를 중심으로 소스(10)와는 반대편측에 위치하되, 상기 게이트와는 이격된 상기 스페이서층(4)의 일부에 위치하는 드레인(9)과, 상기 n-GaN 에피층(6)의 일부에 형성된 게이트 이온주입층(11)과, 상기 게이트 및 스페이서층(4)의 전면에 증착된 SPF 박막(8)과, 상기 SPF 박막(8)에 형성된 윈도우를 통해 상기 드레인(9), 소스(10), 게이트 이온주입층(11) 각각에 오믹 접촉되는 금속전극들(13, 14, 15)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 9, the power semiconductor device of the present invention includes an active layer 3 on which a 2DEG layer 7 is partially formed, a spacer layer 4 located on top of the active layer 3, and the spacer A gate located on a part of the upper portion of the layer 4, in which the p-GaN epitaxial layer 5 and the n-GaN epitaxial layer 6 are stacked, and a source formed on the spacer layer 4 below one side of the gate (10), a drain (9) located on the opposite side of the source (10) around the gate, but located in a part of the spacer layer (4) spaced apart from the gate, and the n-GaN epitaxial layer The drain ( 9), the source 10, and the gate ion implantation layer 11 are configured to include metal electrodes 13, 14, and 15 in ohmic contact, respectively.

도 10은 도 9의 구성에서 각 요소들 간의 저항 성분을 표시한 단면도이다.FIG. 10 is a cross-sectional view showing resistance components between elements in the configuration of FIG. 9 .

이와 같은 본 발명 전력반도체 소자의 특징은 상기 게이트를 p-GaN 에피층(5)과 n-GaN 에피층(6)의 이중층으로 구성되어 n-p-n 접합구조를 이룬다. The characteristic of the power semiconductor device of the present invention is that the gate is composed of a double layer of a p-GaN epitaxial layer 5 and an n-GaN epitaxial layer 6 to form an n-p-n junction structure.

n-p-n 접합구조에 의하여 운반자는 역방향 전압이 인가된 p-n 접합에서 확산 및 재결합(recombination)으로 전류가 흐르게 되며, 따라서 게이트에 전압이 인가되어도 대부분 전계는 n-p-n 접합에 존재하게 되며, 오믹 접합된 금속전극들과 소스, 드레인, 게이트 이온주입층의 접합 계면에서는 고에너지 전자에 의한 충돌이 무시될 정도로 작아지게 된다.According to the n-p-n junction structure, current flows through diffusion and recombination at the p-n junction to which reverse voltage is applied, and therefore, even when voltage is applied to the gate, most of the electric field exists at the n-p-n junction, and ohmic junction metal electrodes At the junction interface between the and the source, drain, and gate ion implantation layers, collisions by high-energy electrons are negligibly small.

따라서 반도체 금속 계면에서 고에너지 운반자의 충돌에 의한 신뢰성 저하문제가 발생하지 않는다.Therefore, the problem of reliability deterioration due to the collision of high-energy carriers does not occur at the semiconductor-metal interface.

도 11은 p-GaN 에피층을 게이트로 사용하는 종래 전력반도체 소자와 n-GaN 및 p-GaN 에피층을 게이트로 사용하는 본 발명 전력반도체 소자의 밴드갭 특성을 비교도이다.11 is a comparison diagram of bandgap characteristics of a conventional power semiconductor device using a p-GaN epitaxial layer as a gate and a power semiconductor device of the present invention using n-GaN and p-GaN epitaxial layers as a gate.

도 11의 (a)와 (c)는 게이트에 바이어스가 인가되지 않은 상태와 인가된 상태의 종래 밴드갭을 나타내며, 도 11의 (b)와 (d)는 본 발명의 게이트에 바이어스가 인가되지 않은 상태와 인가된 상태의 밴드갭을 각각 나타낸다.Figures 11 (a) and (c) show the conventional bandgap between a state in which no bias is applied to the gate and a state in which a bias is applied to the gate, and (b) and (d) of Fig. 11 show no bias applied to the gate of the present invention. The band gaps of the unapplied state and the applied state are respectively shown.

이에 도시한 바와 같이, 종래의 구조에서 여기의 쇼트키 접합상태인 게이트에 전압이 인가되면 p-GaN 밴드구조가 공핍(deplete)되면서 반도체-금속계면에 높은 전계가 존재하게 된다. As shown, when a voltage is applied to the gate, which is in the Schottky junction state in the conventional structure, the p-GaN band structure is depleted and a high electric field exists at the semiconductor-metal interface.

운반자의 전송에는 TE(Thermal emission)과 QT(Quantum Tunneling)가 금속-반도체의 계면에서 증가하면서 전류가 흐르게 된다. 이 경우 채널에서 p-GaN으로 전자가 흐르면서 가속되어 금속-반도체의 계면에서 물리적 충돌이 심하게 발생하게 되며, 이로 인해 손상을 받게 되고, 이는 소자의 신뢰성을 감소시키게 된다. During the transmission of the carrier, current flows while TE (Thermal emission) and QT (Quantum Tunneling) increase at the metal-semiconductor interface. In this case, electrons are accelerated while flowing from the channel to p-GaN, and severe physical collision occurs at the metal-semiconductor interface, resulting in damage, which reduces the reliability of the device.

이는 p-GaN 게이트를 이용하는 종래의 소자구조에서 존재하는 높은 게이트전류와 금속-반도체 계면의 불안정성이 신뢰성을 악화시킴을 적시한다.This indicates that the high gate current and the instability of the metal-semiconductor interface in the conventional device structure using the p-GaN gate deteriorate the reliability.

그러나 앞서 살펴본 바와 같이 게이트와 액티브 영역은 n-p-n 접합을 형성하며, 즉, n-형 게이트와 n-형 채널 사이에 p-GaN이 존재하여 n-p-n 접합이 형성된다. 이 경우 운반자는 역방향 전압이 인가된 p-n 접합에서 확산 및 재결합(recombination)으로 전류가 흐르게 된다. 따라서 게이트에 전압이 인가되어도 대부분 전계는 n-p-n 접합에 존재하게 되고, 오믹 접합된 금속-반도체 접합에는 고에너지 전자에 의한 충돌이 무시될 정도이므로 반도체-금속 계면에서 고에너지 운반자의 충돌에 의한 신뢰성 저하의 문제가 없다.However, as described above, the gate and the active region form an n-p-n junction, that is, p-GaN exists between the n-type gate and the n-type channel to form an n-p-n junction. In this case, current flows through diffusion and recombination at the p-n junction to which the reverse voltage is applied. Therefore, even when a voltage is applied to the gate, most of the electric field exists at the n-p-n junction, and collisions by high-energy electrons are negligible in the ohmic junction metal-semiconductor junction. there is no problem with

도 12는 본 발명 전력반도체 소자와 종래 전력반도체 소자의 I-V 특성 그래프이다.12 is an I-V characteristic graph of the power semiconductor device of the present invention and the conventional power semiconductor device.

도 12 (a)에 도시한 바와 같이 종래 전력반도체 소자는 임계전압이 낮으며, 게이트 누설전류가 크고, 게이트 구동전압도 대략 6V 이하의 낮은 전압으로 구동해야 한다.As shown in FIG. 12 (a), the conventional power semiconductor device has a low threshold voltage, a large gate leakage current, and a gate driving voltage of about 6V or less.

즉, 종래에는 게이트를 p-GaN 에피층을 단독으로 사용하여 2DEG층과 단순 p-n접합을 이루며, 문턱 전압은 2.0V 이하로 한정되며, 게이트 구동전압도 5~7V로 제한된다. 따라서 이러한 종래 GaN 전력반도체 소자를 구동하기 위해서는 특별하게 설계된 구동회로칩이 필요하게 된다.That is, in the prior art, a simple p-n junction is formed with the 2DEG layer by using the p-GaN epitaxial layer alone as a gate, the threshold voltage is limited to 2.0V or less, and the gate driving voltage is also limited to 5 to 7V. Therefore, a specially designed driving circuit chip is required to drive such a conventional GaN power semiconductor device.

이는 기존의 CMOS를 이용한 게이트 드라이버를 사용하지 못하기 때문에 호환성이 저하된다는 문제점이 있었다.This has a problem in that compatibility is lowered because a gate driver using an existing CMOS cannot be used.

이에 반하여 도 12의 (b)에 도시한 본 발명의 I-V 특성은 n-p-n 접합이 형성되어 전압이 인가되는 양방향 모두에 대하여 전류의 흐름을 상당히 높은 전압까지 저지하며, 동시에 임계전압을 2.0V 이상으로 높이게 된다. 게이트에 높은 전압이 인가되어도 전류의 흐름은 작으므로 10V 이상의 높은 전압을 게이트에 인가할 수 있으며, 따라서 기존의 CMOS 구동회로를 공통으로 사용할 수 있는 특징이 있다.On the other hand, the I-V characteristic of the present invention shown in (b) of FIG. 12 is formed with an n-p-n junction to block the flow of current to a considerably high voltage in both directions to which voltage is applied, and at the same time raise the threshold voltage to 2.0V or more. do. Even if a high voltage is applied to the gate, the flow of current is small, so a high voltage of 10V or more can be applied to the gate, and thus the existing CMOS driving circuit can be used in common.

도 13은 본 발명과 종래기술의 전류 구동특성 비교 그래프이다.13 is a graph comparing current driving characteristics between the present invention and the prior art.

도 13을 참조하면 본 발명은 저항 오믹접합과 RSG 성분을 최소화하여 전류구동력을 높여 순방향 동작에서 작은 온저항(Ron)으로 소자의 효율을 극대화 할 수 있다. 이와 같이 소자의 전류구동 능력은 100 mA/mm 이상으로 온저항(Ron)을 5 mΩcm2 이하로 제어한다. Referring to FIG. 13, the present invention can maximize the efficiency of the device with a small on-resistance (R on ) in forward operation by increasing the current driving force by minimizing the resistive ohmic junction and the R SG component. As such, the current driving capability of the device is 100 mA/mm or more, and the on-resistance (R on ) is controlled to 5 mΩcm 2 or less.

이러한 온저항의 감소는 소스-게이트 사이의 이온주입에 의한 자기정렬에 의해 저항이 최소화 되는 현상에 기인한다. This decrease in on-resistance is due to a phenomenon in which the resistance is minimized by self-alignment by ion implantation between the source and the gate.

도 14는 본 발명과 종래기술의 콘덕턴스 V 특성을 비교한 그래프이다.14 is a graph comparing conductance V characteristics of the present invention and the prior art.

종래의 기술에 비해 본 발명은 높은 임계전압(Vth)과 트랜스콘덕턴스(transconductance (Gm))의 특성을 보인다. 이러한 임계전압은 n-p-n 구조로 동작하는 게이트-채널 사이의 접합구조에 의해 가능한 것이다. Compared to the prior art, the present invention exhibits characteristics of high threshold voltage (V th ) and transconductance (Gm). This threshold voltage is made possible by the gate-channel junction structure operating in an npn structure.

또한 게이트에 전압을 높여도 게이트 전류가 낮으므로 게이트 구동전압을 10V까지 높일 수 있다.In addition, since the gate current is low even if the gate voltage is increased, the gate driving voltage can be increased up to 10V.

위에서 설명된 바와 같이 본 발명에서는 HEMT 구조의 2DEG의 높은 이동도의 운반자에 의해 고주파 및 고전압에서 높은 콘덕션(conduction)으로 소자의 동작에 대한 원인을 제공한다. 이는 동급의 회로에 있어서 효율을 높이고 수동소자의 크기를 축소시키므로 고출력 시스템의 부피를 최소화 할 수 있게 한다. 본 발명의 소자는 성능과 장점은 고속으로 동작하는 고주파-고전력의 무선회로에 필수적이라 할 수 있다.As described above, in the present invention, the high-mobility carrier of the 2DEG of the HEMT structure provides a cause for the operation of the device with high conduction at high frequency and high voltage. This increases the efficiency and reduces the size of the passive element in the circuit of the same class, thereby minimizing the volume of the high-power system. The performance and advantages of the device of the present invention can be said to be essential for high frequency-high power wireless circuits operating at high speed.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정, 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.It is obvious to those skilled in the art that the present invention is not limited to the above embodiments and can be variously modified or modified and implemented within the scope of the technical gist of the present invention. will be.

1:반도체 기판 2:완충층
3:액티브층 4:스페이서층
5:p-GaN 에피층 6:n-GaN 에피층
7:2DEG층 8:SPF 박막
9:드레인 10:소스
11:게이트 이온주입층 12:실리콘질화막
13, 14, 15:금속전극
1: semiconductor substrate 2: buffer layer
3: active layer 4: spacer layer
5: p-GaN epitaxial layer 6: n-GaN epitaxial layer
7: 2DEG layer 8: SPF thin film
9: Drain 10: Source
11: gate ion implantation layer 12: silicon nitride film
13, 14, 15: metal electrode

Claims (10)

2DEG층(7)이 일부에 형성되는 액티브층(3);
상기 액티브층(3)의 상부에 위치하는 스페이서층(4);
상기 스페이서층(4)의 상부 일부에 위치하며, p-GaN 에피층(5)과 n-GaN 에피층(6)이 적층된 게이트;
상기 게이트의 일측면 하부의 상기 스페이서층(4)에 형성된 n형의 소스(10);
상기 게이트를 중심으로 소스(10)와는 반대편측에 위치하되, 상기 게이트와는 이격된 상기 스페이서층(4)의 일부에 위치하는 n형의 드레인(9);
상기 게이트 및 스페이서층(4)의 전면에 증착된 SPF 박막(8); 및
상기 SPF 박막(8)에 형성된 윈도우를 통해 상기 드레인(9)과 상기 소스(10)에 각각에 오믹 접촉되는 두 금속전극(13, 14)을 포함하는 전력반도체 소자.
an active layer 3 in which the 2DEG layer 7 is partially formed;
a spacer layer 4 located on top of the active layer 3;
a gate located on a part of the upper portion of the spacer layer 4 and having a p-GaN epitaxial layer 5 and an n-GaN epitaxial layer 6 stacked thereon;
an n-type source 10 formed on the spacer layer 4 below one side of the gate;
an n-type drain 9 positioned on the opposite side of the gate to the source 10 and positioned on a part of the spacer layer 4 spaced apart from the gate;
an SPF thin film (8) deposited on the entire surface of the gate and spacer layer (4); and
A power semiconductor device including two metal electrodes (13, 14) in ohmic contact with the drain (9) and the source (10) through a window formed in the SPF thin film (8).
제1항에 있어서,
상기 n-GaN 에피층(6)의 일부에 형성된 n형의 게이트 이온주입층(11)을 더 포함하는 전력반도체 소자.
According to claim 1,
The power semiconductor device further comprises an n-type gate ion implantation layer (11) formed on a part of the n-GaN epitaxial layer (6).
제2항에 있어서,
상기 게이트 이온주입층에 오믹 접촉되는 금속전극(15)을 더 포함하되,
상기 금속전극(15)은 상기 드레인에 접속되는 상기 금속전극(13) 측으로 연장되어 필드 플레이트를 형성하는 전력반도체 소자.
According to claim 2,
Further comprising a metal electrode 15 in ohmic contact with the gate ion implantation layer,
The metal electrode (15) extends toward the metal electrode (13) connected to the drain to form a field plate.
제1항에 있어서,
상기 p-GaN 에피층(5)은 p-형 불순물이 1017~1019cm-3으로 도핑된 것이고,
상기 n-GaN 에피층(6)은 n-형 불순물이 1016~1018cm-3으로 도핑된 것을 특징으로 하는 전력반도체 소자.
According to claim 1,
The p-GaN epitaxial layer 5 is doped with a p-type impurity of 10 17 to 10 19 cm -3 ,
The n-GaN epitaxial layer 6 is doped with n-type impurities in a range of 10 16 to 10 18 cm −3 .
제1항에 있어서,
SPF 박막(8)은 30~200nm 두께의 SiO2 유전체 박막인 것을 특징으로 하는 전력반도체 소자.
According to claim 1,
The SPF thin film 8 is a power semiconductor device, characterized in that a SiO 2 dielectric thin film having a thickness of 30 to 200 nm.
a) 비도핑 GaN층인 액티브층(3)의 상부에 AlGaN인 스페이서층(4)과, p-형 불순물이 도핑된 p-GaN 에피층(5)과 n-형 불순물이 도핑된 n-GaN 에피층(6)을 순차 성장시키고, 패터닝하여 스페이서층(4)의 상부 일부에 위치하는 p-GaN 에피층(5)과 n-GaN 에피층(6)의 적층구조로 이루어지는 게이트를 형성하는 단계;
b) 상기 스페이서층(4)에 n형 불순물 이온을 주입하고 활성화하여 소스(10) 및 드레인(9)을 형성하는 단계; 및
c) 상기 c) 단계의 결과물에 SPF 박막(8)을 증착하고, 상기 SPF 박막의 일부를 제거하여 상기 소스(10), 드레인(9) 및 게이트를 노출시킨 후, 소스(10), 드레인(9) 및 게이트 각각에 오믹접촉되는 금속전극(14, 13, 15)을 형성하는 단계를 포함하는 전력반도체 소자 제조방법.
a) an AlGaN spacer layer 4 on top of the active layer 3, which is an undoped GaN layer, a p-GaN epitaxial layer 5 doped with p-type impurities, and an n-GaN epitaxial layer doped with n-type impurities Step of sequentially growing and patterning the layer 6 to form a gate composed of a stacked structure of a p-GaN epitaxial layer 5 and an n-GaN epitaxial layer 6 located on a portion of the upper portion of the spacer layer 4;
b) forming a source 10 and a drain 9 by implanting and activating n-type impurity ions into the spacer layer 4; and
c) Depositing an SPF thin film 8 on the product of step c), removing a portion of the SPF thin film to expose the source 10, drain 9, and gate, and then forming the source 10, drain ( 9) and forming metal electrodes (14, 13, 15) in ohmic contact with each of the gates.
제6항에 있어서,
상기 b) 단계는,
상기 n-GaN 에피층(6)에도 n형 불순물 이온을 주입하고 활성화하여, 게이트 이온주입층(11)을 형성하여,
상기 금속전극(15)이 상기 게이트 이온주입층(11)에 오믹 접촉되도록 하는 것을 특징으로 하는 전력반도체 소자 제조방법.
According to claim 6,
In step b),
The n-GaN epitaxial layer 6 is also implanted with n-type impurity ions and activated to form a gate ion implantation layer 11,
The method of manufacturing a power semiconductor device, characterized in that the metal electrode (15) is in ohmic contact with the gate ion implantation layer (11).
제7항에 있어서,
상기 금속전극(15)은 상기 드레인(9)에 오믹 접촉되는 금속전극(13) 측으로 연장되어 필드 플레이트를 형성하는 것을 특징으로 하는 전력반도체 소자 제조방법.
According to claim 7,
The method of manufacturing a power semiconductor device, characterized in that the metal electrode (15) extends toward the metal electrode (13) in ohmic contact with the drain (9) to form a field plate.
제6항에 있어서,
상기 a)단계는,
p-형 불순물이 1017~1019cm-3으로 도핑된 GaN을 성장시켜, 상기 p-GaN 에피층(5)을 형성하고,
n-형 불순물이 1016~1018cm-3으로 도핑된 GaN을 성장시켜 상기 n-GaN 에피층(6)을 형성하는 것을 특징으로 하는 전력반도체 소자 제조방법.
According to claim 6,
In step a),
The p-GaN epitaxial layer 5 is formed by growing GaN doped with a p-type impurity of 10 17 to 10 19 cm −3 ,
A method of manufacturing a power semiconductor device, characterized in that the n-GaN epitaxial layer 6 is formed by growing GaN doped with n-type impurities in a range of 10 16 to 10 18 cm −3 .
제6항에 있어서,
상기 c) 단계는,
30~200nm 두께의 SiO2 유전체 박막을 증착하여 SPF 박막(8)을 형성하는 것을 특징으로 하는 전력반도체 소자 제조방법.
According to claim 6,
In step c),
A method for manufacturing a power semiconductor device, characterized in that the SPF thin film (8) is formed by depositing a SiO 2 dielectric thin film having a thickness of 30 to 200 nm.
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