KR100349368B1 - 초고주파 반도체 소자 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 누설전류를 최소화함과 더불어 순방향 전압의 동작범위를 증가시킬 수 있는 초고주파 반도체 소자 및 그의 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명의 초고주파 반도체 소자는 GaAs 반절연기판과, 상기 기판 상에 형성된 도핑되지 않은 GaAs 버퍼층과, 상기 버퍼층 상에 형성된 N형 GaAs층 또는 도핑되지 않은-GaAs/AlGaAs 초격자층, 도핑되지 않은 InGaAs 채널층, 도핑되지 않은 AlGaAs층 및 N형 AlGaAs층이 순차 적층된 구조의 액티브층과, 상기 액티브층 상에 형성된 게이트와, 상기 게이트 양측의 액티브층 부분 상에 상기 게이트와 소정 간격 이격해서 각각 형성된 N＋GaAs 소오스 및 드레인 영역과, 상기 게이트와 액티브층 사이에 개재되면서 상기 소오스 영역 및 드레인 영역의 각 측면과 오버랩하도록 형성된 유전체박막을 포함한다.
Description
본 발명은 초고주파 반도체 소자 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히 유전계면게이트(Dielectric Interface Gate; DIG)를 구비한 초고주파 반도체 소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
통신 기술이 발달함에 따라, 1GHz부터 100GHz의 주파수 대역의 고주파 영역은 현재의 통신 시스템에서 점점 더 그 중요성이 커지고 있다. 일반적인 초고주파용 반도체 소자로서는 GaAs를 기초로 하는 금속-반도체 FET(Metal-Semiconductor Field Effect Transistor ; MESFET)이 사용된다. GaAs는 전자 이동도가 Si 보다 높고 천이 시간이 짧아 고주파 능력이 크고, 높은 온도에서 잘 견딘다. 또한, GaAs는 에너지 갭이 크기 때문에, 상온에서 동작하는 저전력 GaAs 증폭소자는 열생성량이 매우 작고 누설 전류도 낮으므로, 잡음에 강한 특성을 갖는다.
또한, 상기 MESFET을 개선한 변조 도핑된 FET(Modulation Doped FET; MODFET)이라고도 하는 이종 접합을 이용한 HEMT(High Electron Mobility Transistor)는 도핑되지 않은 GaAs를 채널영역으로 사용하여, 불순물의 산란을 없애고 이동도를 증가시킴으로써, 상기 MESFET과 더불어 초고주파 집적회로 장치의제조에 사용된다.
도 1은 종래의 초고주파 반도체 소자를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, GaAs 반절연기판(semi-insulating substrate; 10) 상에 도핑되지 않은 GaAs(U-GaAs; 11) 버퍼층(11)이 형성된다. 버퍼층(11) 상에 도핑되지 않은 GaAs/AlGaAs(U-GaAs/AlGaAs) 초격자층(12A), 되핑되지 않은 InGaAs(U-InGaAs) 채널층(12B), 도핑되지 않은 AlGaAs층(U-AlGaAs; 12C) 및 N형 AlGaAs층(N-AlGaAs; 12D)으로 이루어진 액티브층(12)이 형성된다. 액티브층(12) 상에는 금속층으로 이루어진 게이트(14)가 형성되고, 게이트(14) 양측의 액티브층(12) 상에는 게이트(14)와 소정간격 이격되어 N＋-GaAs 소오스/드레인 영역(13A, 13B)이 형성된다. 또한, 소오스/드레인 영역(13A, 13B) 상에는 소오스/드레인 전극(15A, 15B)이 형성되고, 기판 전면에는 소오스 전극(15A)의 일부를 노출시키는 콘택홀을 구비한 층간절연막(16)이 형성된다. 층간절연막(16) 상에는 소오스 전극(15A)과 콘택하는 배선(17)이 형성된다.
그러나, 상기한 바와 같은 종래의 초고주파 반도체 소자는, 도 1에 도시된 바와 같이, 반도체로 이루어진 액티브층(12)과 금속의 게이트(14)가 직접 숏키 (schottky) 접촉을 이루기 때문에, 역방향 전압의 인가시, 누설전류가 발생되어 소자 특성이 열화될 뿐만 아니라 순방향 전압의 동작범위가 매우 작아지는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 누설전류를 최소화함과 더불어 순방향 전압의 동작범위를 증가시킬 수 있는 초고주파 반도체 소자 및 그의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 초고주파 반도체 소자를 나타낸 단면도.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 초고주파 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도.
도 3은 도 2d의 Ⅲ-Ⅲ'선에 따른 밴드 다이어그램을 나타낸 단면도.
도 4 및 도 5는 본 발명(A)과 종래(B)의 게이트 누설전류를 나타낸 그래프.
도 6 및 도 7은 -2 내지 2V의 게이트 전압에서 본 발명의 드레인 전류-드레인 전압(ID-VD) 특성 및 gm(transconductance) 특성을 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명(A)과 종래(B)의 이득(Ga, asso)과 노이즈 특성(Fmin)을 나타낸 그래프.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
20 : GaAs 반절연기판 21 : U-GaAs 버퍼층
22 : 액티브층 22A : U-GaAs/AlGaAs 초격자층
22B : U-InGaAs 채널층 22C : U-AlGaAs층
22D : N-AlGaAs층 23A, 23B : 소오스/드레인 영역
24 : 포토레지스트 패턴 25 : 유전체박막
26 : 금속막 100 : 유전계면게이트
27A, 27B : 소오스/드레인 전극
28 : 층간절연막 29 : 배선
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초고주파 반도체 소자는 GaAs 반절연기판과, 상기 기판 상에 형성된 도핑되지 않은 GaAs 버퍼층과, 상기 버퍼층 상에 형성된 N형 GaAs층 또는 도핑되지 않은-GaAs/AlGaAs 초격자층, 도핑되지 않은 InGaAs 채널층, 도핑되지 않은 AlGaAs층 및 N형 AlGaAs층이 순차 적층된 구조의 액티브층과, 상기 액티브층 상에 형성된 게이트와, 상기 게이트 양측의 액티브층 부분 상에 상기 게이트와 소정 간격 이격해서 각각 형성된 N＋GaAs 소오스 및 드레인 영역과, 상기 게이트와 액티브층 사이에 개재되면서 상기 소오스 영역 및 드레인 영역의 각 측면과 오버랩하도록 형성된 유전체박막을 포함한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초고주파 반도체 소자의 제조방법은 다음과 같다. GaAs 반절연기판 상에 도핑되지 않은 GaAs 버퍼층을 형성하고, 상기 버퍼층 상에 N형 GaAs층 또는 도핑되지 않은 GaAs/AlGaAs 초격자층, 도핑되지 않은 InGaAs 채널층, 도핑되지 않은 AlGaAs층 및 N형 AlGaAs층이 순차 적층된 구조의 액티브층을 형성한다. 그런다음, 상기 액티브층 상에 그의 소정 부분을 노출시키면서 소정 간격으로 이격되게 N＋GaAs 소오스 영역과 드레인 영역을 형성하고, 상기 소오스 영역과 드레인 영역 상에 포토레지스트 패턴을 형성한다. 그리고나서, 상기 노출된 액티브층 부분 및 포토레지스트 패턴 상에 유전체박막을 형성하고, 상기 유전체박막 상에 게이트용 금속막을 형성한 후, 상기 포토레지스트 패턴 상의 유전체박막 및 금속막과 상기 포토레지스트 패턴을 제거하여, 상기 소오스 및 드레인 영역의 각 측면과 오버랩하는 유전계면게이트를 형성한다.
여기서, 상기 유전체박막은 플라즈마 보조 화학기상증착으로 형성하고, 상기 금속막은 전자빔증착으로 형성한다. 또한, 포토레지스트 패턴, 유전체박막 및 금속막은 리프트 오프(lift off) 방식으로 제거한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 초고주파 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a를 참조하면, GaAs 반절연기판(20) 상에 U-GaAs 버퍼층(21)을 형성한다. 그런 다음, U-GaAs 버퍼층(21) 상에 액티브층(22)을 형성한다. 바람직하게, 액티브층(22)은 N-GaAs층(미도시)으로 형성하거나, 도 2a에 도시된 바와 같이, U-GaAs/AlGaAs 초격자층(22A), U-InGaAs 채널층(22B), U-AlGaAs층(22C) 및 N-AlGaAs층(22D)를 순차적으로 적층하여 형성한다. 그리고 나서, 액티브층(22) 상에 N＋GaAs층을 증착하고 게이트 영역이 노출되도록 패터닝하여 소오스/드레인 영역(23A, 23B)을 형성하고, 공지된 포토리소그라피로 소오스/드레인 영역(23A, 23B) 상에 포토레지스트 패턴(24)을 형성한다.
그런 다음, 비교적 저온에서, 바람직하게 포토레지스트 패턴(24)이 견딜 수 있는 온도에서 플라즈마보조 화학기상증착(plasma enhanced chemical vapordeposition; PECVD)으로 기판 전면에 유전체박막(25)을 형성한다. 이때, 유전체박막(25)은 포토레지스트 패턴(24)의 상면 및 노출된 액티브 영역(22)에서 소오스/드레인 영역(23A, 23B)의 측면과 오버랩되어 형성된다. 또한, 유전체박막(25)을 PECVD로 형성하기 때문에, 표면 스테이트 (surface state) 발생으로 인한 문턱전압 시프트(threshold voltage shift) 현상이 최소화된다.
도 2b를 참조하면, 유전체박막(25) 상에 전자빔증착(E-bean evaporation)으로 게이트용 금속막(26)을 형성한다. 그런 다음, 포토레지스트 패턴(24) 상의 유전체박막(25)과 금속막(26) 및 상기 포토레지스트 패턴(24)을 리프트 오프 방식으로 제거하여, 도 2c에 도시된 바와 같이, 유전계면게이트(dielectric interface gate; DIG, 100)를 형성한다.
도 2d를 참조하면, 소오스/드레인 영역(23A, 23B) 상에 소오스/드레인 전극(27A, 27B)을 형성하고, 기판 전면에 층간절연막(28)을 형성한다. 그런 다음, 소오스 전극(27A)의 일부가 노출되도록 층간절연막(28)을 식각하여 콘택홀을 형성하고, 상기 콘택홀에 매립되도록 배선용 금속막을 증착한 후 패터닝하여 배선(29)을 형성한다.
도 3은 도 2d의 Ⅲ-Ⅲ' 선에 따른 밴드 다이어그램(band diagram)을 나타낸 단면도로서, 도 3에 도시된 바와 같이, DIG(100) 형성에 의해 금속막(25)과 액티브층(22) 사이에 유전체박막(25)의 전위장벽(potential barrier; PB)이 형성됨을 알 수 있다. 이에 따라, 역방향전압의 인가시, 누설전류가 감소되고 순방향 전압 동작범위가 증가된다.
즉, 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 게이트 누설전류를 비교해보면, 본 발명(A)에서의 누설전류는 종래(B) 보다 약 100배 정도 감소됨을 알 수 있다.또한, 도 6 및 도 7은 -2 내지 2V의 게이트 전압에서 본 발명의 전류-드레인 전압(ID-VD) 특성 및 gm(transconductance) 특성을 나타낸 그래프로서, 게이트 전압이 2V인 경우에도 정상적인 동작이 이루어짐을 알 수 있다.게다가, 도 8에 나타낸 바와 같이, 이득(Ga, asso)과 노이즈 특성(Fmin)을 비교해보면, 본 발명(A)이 종래(B) 보다 우수한 특성을 갖음을 알 수 있다.
상기한 본 발명에 의하면, 게이트 금속층과 반도체층 사이에 유전체박막을 개재하여 DIG를 형성함으로써, 누설전류가 최소화되고 순방향전압 동작범위가 증가된다. 또한, 노이즈가 최소화되고 이득이 높아짐에 따라, 고출력 및 저잡음 특성의 소자구현이 가능해진다.
또한, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변형시켜 실시할 수 있다.
Claims (13)
- 반절연기판과,상기 반절연기판 상에 형성된 버퍼층과,상기 버퍼층 상에 형성된 액티브층과,상기 액티브층 상에 형성된 게이트와,상기 게이트 양측의 액티브층 부분 상에 상기 게이트와 소정 간격 이격해서 각각 형성된 소오스 및 드레인 영역과,상기 게이트와 액티브층 사이에 개재되면서 상기 소오스 영역 및 드레인 영역의 각 측면과 오버랩하도록 형성된 유전체박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주파 반도체 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 GaAs층으로 이루어지고, 상기 버퍼층은 도핑되지 않은 GaAs층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 초고주파 반도체 소자.
- 제 2 항에 있어서, 상기 액티브층은 N형 GaAs층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 초고주파 반도체 소자.
- 제 2 항에 있어서, 상기 액티브층은 도핑되지 않은 GaAs/AlGaAs 초격자층, 도핑되지 않은 InGaAs 채널층, 도핑되지 않은 AlGaAs층 및 N형 AlGaAs층이 순차적으로 적층된 막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 초고주파 반도체 소자.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 소오스 및 드레인 영역은 N＋GaAs층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 초고주파 반도체 소자.
- 반절연기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계;상기 버퍼층 상에 액티브층을 형성하는 단계;상기 액티브층 상에 그의 소정 부분을 노출시키면서 소정 간격으로 이격되게 소오스 영역과 드레인 영역을 형성하는 단계;상기 소오스 및 드레인 영역 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;상기 노출된 액티브층 부분 및 포토레지스트 패턴 상에 유전체박막을 형성하는 단계;상기 유전체박막 상에 게이트용 금속막을 형성하는 단계; 및상기 포토레지스트 패턴 상의 유전체박막 및 금속막과 상기 포토레지스트 패턴을 제거하여, 상기 소오스 영역 및 드레인 영역의 각 측면과 오버랩하는 유전계면게이트를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주파 반도체 소자의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 유전체박막은 플라즈마 보조 화학기상증착으로 형성하는 것을 특징으로 하는 초고주파 반도체 소자의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 금속막은 전자빔증착으로 형성하는 것을 특징으로 하는 초고주파 반도체 소자의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 포토레지스트 패턴, 유전체박막 및 금속막은 리프트 오프 방식으로 제거하는 것을 특징으로 하는 초고주파 반도체 소자의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 기판은 GaAs층으로 형성하고, 상기 버퍼층은 도핑되지 않은 GaAs층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 초고주파 반도체 소자의 제조방법.
- 제 10 항에 있어서, 상기 액티브층은 N형 GaAs층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 초고주파 반도체 소자의 제조방법.
- 제 10 항에 있어서, 상기 액티브층은 도핑되지 않은 GaAs/AlGaAs 초격자층, 도핑되지 않은 InGaAs 채널층, 도핑되지 않은 AlGaAs층 및 N형 AlGaAs층이 순차적으로 적층하여 형성하는 것을 특징으로 하는 초고주파 반도체 소자의 제조방법.
- 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 소오스 및 드레인 영역은 N＋GaAs층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 초고주파 반도체 소자의 제조방법.
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