KR100466543B1 - 반도체 소자의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체인 GaN를 기반으로 하는 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)와 표면 탄성파 필터(SAW)의 집적화하는 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 사파이어를 포함하는 다양한 반도체 기판 상부에 고저항을 가지는 반절연성 GaN층 및 AlxGa1-xN층을 적층하여 2차원 전자가스(2 Dimensional Electron Gas)를 형성하여 HEMT를 구성하고, AlxGa1-xN층의 소정 영역을 식각한 이후 반절연성 GaN 표면 상부 또는 식각된 부분에 반절연성 GaN층을 형성하여 표면을 평탄하게 하여 SAW 필터를 제작함으로써 증폭기와 필터를 단일 기판 위에 집적회로(IC)의 형태로 구현할 수 있는 반도체 소자의 제조 방법이 제시된다.
Description
본 발명은 갈륨(Gallium; Ga), 알루미늄(Aluminum; Al), 인듐(Indium; In)등의 Ⅲ족 원소와 질소를 포함하는 Ⅲ-Nitride 반도체를 이용하여 고전자 이동도 트랜지스터(High Electron Mobility Transistor: 이하 "HEMT"라 함)와 표면 탄성파 필터(Surface Acoustic Wave Filter: 이하 "SAW 필터"라 함)를 집적화하는 화합물 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 누설 전류의 방지 및 소자간 분리에 사용되는 고저항의 반절연성 GaN(Semi-Insulating GaN: 이하 "SI-GaN"라 함)층을 이용하여 SAW 필터를 제조함으로써 단일 기판 상부에 증폭기와 필터를 동시에 구현하는 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
GaN계 화합물 반도체는 높은 열적ㆍ화학적 안정성, 높은 전자 이동도 및 포화 전자속도, 큰 에너지 밴드갭 등 기존의 GaAs 및 InP계 화합물 반도체에 비하여 뛰어난 물성을 가지고 있어서 고출력 및 고주파 특성이 요구되는 차세대 무선통신 및 위성통신 시스템, 고온 및 내열적 특성이 요구되는 엔진 제어 시스템 등 기존의 화합물 반도체로는 한계성을 가지는 분야로 응용범위가 확대되고 있다. 또한 단결정내에 (0001)방향의 결정성 및 원자간 결합특성에 의한 강한 분극성을 지닌 GaN 반도체는 통신기기 분야에 널리 사용되는 SAW 필터를 GHz 대역 이상에서 구현할 수 있다. 특히 HEMT의 구조에 사용되는 SI-GaN층을 이용하여 SAW 필터를 구현함으로써 차세대 통신기기에 응용될 예정인 RF IC에서 GHz 이상에서 사용되는 증폭기와 필터를 단일 기판 위에 집적화 할 수 있게 된다.
현재 GHz 대역의 SAW 필터를 구현하기 위하여 높은 SAW 전파속도(Propagation Velocity)를 갖는 재료, 서브마이크론(submicron) 이하의 전극패턴을 구현하는 소자 공정기술, 그리고 고조파 모드를 이용하는 SAW 필터의 제작 방법 등이 연구되고 있다. 그러나 이러한 SAW 필터들은 RF IC에서 사용되는 HEMT, HBT 등의 증폭기와는 서로 다른 반도체 재료를 사용하는 관계로 하이브리드(Hybride) 방식외에는 집적회로를 구현할 방법이 없다. 따라서 단일칩으로 구현하기 어려우며, 제작공정이 복잡해지는 단점을 가지고 있다.
본 발명의 목적은 HEMT를 구성하는 SI-GaN층을 이용하여 SAW 필터를 구현하여 증폭기와 필터를 단일 웨이퍼 상에 집적화 할 수 있는 구조를 형성함으로써 증폭기와 필터를 따로 제작해서 집적회로를 구현하는 하이브리드 방식보다 우수한 성능의 RF IC를 제작할 수 있는 반도체 소자의 제조 방법을 제공하는데 있다.
도 1(a) 내지 도 1(d)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반절연성 GaN층과 AlxGa1-xN층의 이종접합을 이용한 HEMT 소자와 반절연성 GaN층을 이용한 SAW 필터 소자를 집적시킨 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 소자의 단면도.
도 2(a) 내지 도 2(e)는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반절연성 GaN층과 AlxGa1-xN층의 이종접합을 이용한 HEMT 소자와 반절연성 GaN층을 이용한 SAW 필터 소자를 집적시킨 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 소자의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11 및 21 : 반도체 기판 12 및 22 : 반절연성 GaN층
13 및 23 : AlxGa1-xN층 14a 및 14b : FET 전극
15 및 26 : SAW 필터 전극 16 및 27 : 트렌치
24 : GaN층 25a 및 25b : FET 전극
본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 반도체 기판 상부에 반절연성 GaN층 및 AlxGa1-xN층을 적층하여 HEMT 소자를 제작하는 단계와, 상기 AlxGa1-xN층의 소정 영역을 식각한 후 상기 AlxGa1-xN층 상부의 소정 영역에 전극을 형성하여 FET 소자를 제작하는 단계와, 상기 AlxGa1-xN층의 소정 영역을 식각하여 노출된 반절연성 GaN층 상부의 소정 영역에 전극을 형성하여 SAW 필터를 제작하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 반도체 기판 상부에 반절연성 GaN층 및 AlxGa1-xN층을 적층하여 HEMT 소자를 제작하는 단계와, 상기 AlxGa1-xN층의 소정 영역을 식각한 후 상기 AlxGa1-xN층이 식각된 부분에 GaN층을 형성하여 표면을 평탄화시키는 단계와, 상기 AlxGa1-xN층 상부의 소정 영역에 전극을 형성하여 FET 소자를 제작하는 단계와, 상기 GaN층 상부의 소정 영역에 전극을 형성하여 SAW 필터를 제작하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또다른 실시 예에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 반도체 기판 상부에 제 1 반절연성 GaN층 및 AlxGa1-xN층을 적층하여 HEMT 소자를 제작하는 단계와, 상기 AlxGa1-xN층의 소정 영역을 식각한 후 상기 AlxGa1-xN층이 식각된 부분에 제 2 반절연성 GaN층을 형성하여 표면을 평탄화시키는 단계와, 상기 AlxGa1-xN 상부의 소정 영역에 전극을 형성하여 FET 소자를 제작하는 단계와, 상기 제 2 반절연성 GaN층 상부의 소정 영역에 전극을 형성하여 SAW 필터를 제작하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한, 도면상에서 동일 부호는 동일 요소를 지칭한다.
도 1(a) 내지 도 1(d)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 SI-GaN층과 AlxGa1-xN층의 이종접합을 이용한 HEMT 소자와 SI-GaN층을 이용하여 SAW 필터를 집적한 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 소자의 단면도이다.
도 1(a)를 참조하면, 반도체 기판(11) 상부에 SI-GaN층(12)을 형성한 후 AlxGa1-xN층(13)을 형성한다. 이에 의해 2차원 전자가스(2 Dimensional Electron Gas)가 형성되어 HEMT가 구성된다. 여기서, 반도체 기판(11)은 사파이어 기판, 실리콘 기판, 산화 아연(ZnC) 기판 및 SiC 기판을 포함한다. 그리고, SI-GaN층(12) 및 AlxGa1-xN층(13)은 MOCVD 방법, MBE 방법 또는 HVPE 방법을 이용하여 형성한다.
도 1(b)는 AlxGa1-xN층(13)의 소정 영역을 식각한 후 그 상부의 소정 영역에 제 1 및 제 2 전극(14a 및 14b)을 형성하여 FET 소자를 제작한 상태의 단면도이다. 이때, 과도 식각을 실시하여 SI-GaN층(12)의 일부가 식각되도록 한다. 그리고, FET 소자의 제 1 전극(14a) 및 제 2 전극(14b)은 각각 다른 금속을 이용하여 형성한다.
도 1(c)는 SI-GaN층(12)의 상부의 소정 영역에 전극(15)을 형성하여 SAW 필터를 제작한 상태의 단면도이다.
도 1(d)는 FET와 필터의 분리를 위하여 SI-GaN층(12)을 식각하여 트렌치(16)를 형성한 상태의 단면도이다.
도 2(a) 내지 도 2(e)는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 SI-GaN층과 AlxGa1-xN층의 이종접합을 이용한 HEMT 소자와 GaN 또는 SI-GaN층을 재성장한 후 SAW 필터를 제작하여 집적하는 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 소자의 단면도이다.
도 2(a)를 참조하면, 반도체 기판(21) 상부에 SI-GaN층(22)을 형성한 후 AlxGa1-xN층(23)을 형성한다. 이에 의해 2차원 전자가스(2 Dimensional Electron Gas)가 형성되어 HEMT가 구성된다. 여기서, 반도체 기판(11)은 사파이어 기판, 실리콘 기판, 산화 아연(ZnC) 기판 및 SiC 기판을 포함한다. 그리고, SI-GaN층(22) 및 AlGaN층(23)은 MOCVD 방법, MBE 방법 또는 HVPE 방법을 이용하여 형성한다.
도 2(b)는 AlxGa1-xN층(23)의 소정 영역을 식각한 후 식각된 AlxGa1-xN층(23)의 부분에 GaN층(24)을 형성하여 표면을 평탄화시킨다. 여기서, AlxGa1-xN층(23)은 과도 식각을 실시하여 SI-GaN층(22)의 일부가 식각되도록 한다. 그리고, GaN층(24) 대신에 SI-GaN층을 형성할 수도 있는데, GaN층(24) 또는 SI-GaN층은 MOCVD 방법으로 형성한다.
도 2(c)는 AlxGa1-xN층(23) 상부의 소정 영역에 제 1 및 제 2 전극(25a 및 25b)을 형성하여 FET 소자를 제작한 상태의 단면도이다. 여기서, FET 소자의 제 1 전극(25a) 및 제 2 전극(25b)은 각각 다른 금속을 이용하여 형성한다.
도 2(d)는 GaN층(24) 상부의 소정 영역에 전극(26)을 형성하여 SAW 필터를 제작한 상태의 단면도이다.
도 2(e)는 FET와 필터의 분리를 위하여 SI-GaN층(22)을 식각하여 트렌치(27)를 형성한 상태의 단면도이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 FET와 SAW 필터의 집적화는 SI-GaN층과 AlxGa1-xN이 적층된 FET 구조에서 필수적인 SI-GaN층을 이용하여 SAW 필터를 구현함으로써 단일 웨이퍼 상에 증폭기와 필터를 동시에 집적화 할 수 있어 RF IC를 구현할 수 있다.
Claims (8)
- 반도체 기판 상에 반절연성 GaN층 및 AlxGa1-xN층을 순차적으로 적층하여 HEMT 구조를 형성하는 단계;상기 AlxGa1-xN층 및 상기 GaN층의 일부 두께를 식각한 후 잔류된 상기 AlxGa1-xN층 상에 전극들을 형성하여 FET 소자를 형성하는 단계; 및식각된 부분의 상기 반절연성 GaN층 상에 전극들을 형성하여 SAW 필터를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
- 반도체 기판 상에 반절연성 GaN층 및 AlGaN층을 순차적으로 적층하여 HEMT 구조를 형성하는 단계;상기 AlxGa1-xN층 및 상기 GaN층의 일부 두께를 식각한 후 상기 AlxGa1-xN층의 식각된 부분에 GaN층을 형성하여 표면을 평탄화시키는 단계;잔류된 상기 AlxGa1-xN층 상에 전극들을 형성하여 FET 소자를 형성하는 단계; 및상기 GaN층 상에 전극들을 형성하여 SAW 필터를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 반도체 기판은 사파이어 기판, 실리콘 기판, 산화 아연(ZnC) 기판 또는 SiC 기판 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 반절연성 GaN층 및 AlxGa1-xN층은 MOCVD 방법, MBE 방법 또는 HVPE 방법 중 어느 하나를 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 반절연성 GaN층의 소정 영역에 트렌치를 형성하여 상기 FET와 SAW 필터의 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 GaN층은 MOCVD 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 GaN층의 소정 영역에 트렌치를 형성하여 상기 FET와 SAW 필터의 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
- 반도체 기판 상에 제 1 반절연성 GaN층 및 AlxGa1-xN층을 순차적으로 적층하여 HEMT 구조를 형성하는 단계;상기 AlxGa1-xN층 및 상기 제 1 반절연성 GaN층의 일부 두께를 식각한 후 상기 AlxGa1-xN층의 식각된 부분에 제 2 반절연성 GaN층을 형성하여 표면을 평탄화시키는 단계;잔류된 상기 AlxGa1-xN층 상에 전극들을 형성하여 FET 소자를 형성하는 단계; 및상기 제 2 반절연성 GaN층 상에 전극들을 형성하여 SAW 필터를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
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