KR100625215B1 - 갈륨나이트라이드 소자에 대한 엑시머 레이저 펄스를이용한 후처리 어닐링 방법 - Google Patents

갈륨나이트라이드 소자에 대한 엑시머 레이저 펄스를이용한 후처리 어닐링 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 후처리 어닐링 (post annealing) 기술에 관한 것으로, GaN 소자의 드레인 전류 증가, 트랜스 컨덕턴스(transconductance) 증가, 누설 전류 감소 및 항복 전압 (breakdown voltage) 증가를 위하여 GaN 소자가 제작된 뒤 소자에 엑시머 레이저 펄스 (excimer laser pulse)를 가하는 것이다. 본 발명에 따른 엑시머 레이저 펄스를 이용한 후처리 어닐링 방법은 공정이 용이하며 쇼트키 게이트 (Schottky gate)의 열화 없이 GaN 소자의 전기적 특성을 개선할 수 있다.
후처리 어닐링, 엑시머 레이저, GaN, 높은 전자이동도 트랜지스터

Description

갈륨나이트라이드 소자에 대한 엑시머 레이저 펄스를 이용한 후처리 어닐링 방법{POST ANNEALING METHOD OF GAN DEVICES BY EMPLOYING EXCIMER LASER PULSES}
도 1은 엑시머 레이저 펄스를 이용하여 AlGaN/GaN 헤테로 구조의 높은 전자이동도 트랜지스터에 대한 후처리 어닐링 방법을 설명하기 위한 도면,
도 2는 레이저 펄스의 에너지에 따른 GaN의 투과율을 나타낸 도면,
도 3은 엑시머 레이저 펄스가 AlGaN/GaN 헤테로 구조의 높은 전자이동도 트랜지스터에 조사 시 소자 내 열 흐름을 개략적으로 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 엑시머 레이저 펄스의 에너지에 따른 AlGaN/GaN 헤테로 구조의 높은 전자이동도 트랜지스터의 최대 트랜스 컨덕턴스 변화를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따라, 가해진 엑시머 레이저 펄스 횟수에 따른 AlGaN/GaN 헤테로 구조의 높은 전자이동도 트랜지스터의 전달 특성을 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따라, 가해진 엑시머 레이저 펄스 횟수에 따른 AlGaN/GaN 헤테로 구조의 높은 전자이동도 트랜지스터의 드레인 전류 및 최대 트랜스 컨덕턴스를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명에 따른 AlGaN/GaN 헤테로 구조의 높은 전자이동도 트랜지스 터의 누설 전류 및 항복 전압을 나타낸 도면.
본 발명은 화합물 반도체 소자의 후처리 어닐링 기술에 관한 것으로, 특히 GaN 소자에 대한 엑시머 레이저 펄스(excimer laser pulses)를 이용한 후처리 어닐링 방법(post annealing method)에 관한 것이다.
와이드 밴드갭(wide bandgap) 물질인 GaN(Eg = 3.4 eV)는 높은 임계 전계 (3.4x1016V/cm)과 높은 이동도 (1500 cm2/Vs) 및 높은 전자 포화 속도(1.5x107 cm/s)를 가져 고주파(microwave), 고전력 및 고온 분야의 반도체 소자에 널리 이용되고 있다. AlGaN/GaN 헤테로 구조는 AlGaN과 GaN 사이의 전도대역(conduction band)의 큰 불연속성에 의하여 생기는 높은 이차원 전자가스(2DEG, Two-Dimensional Electron Gas) 농도를 가지는 장점을 가진다. 최근 AlGaN/GaN 헤테로 구조의 고 전자 이동도 트랜지스터(High Electron Mobility Transistor: 이하 HEMT라 칭함)는 채널 내 높은 이차원 전자가스 농도(1013 cm-2) 및 높은 임계 전계(3.4x106V/cm)를 가져 고전압 스위치 분야에서 널리 연구되고 있다.
통상, 고전압 스위치 소자는 전력 손실을 줄이기 위해 온(on) 상태에서 낮은 전압 강하 (on-state voltage drop)를 가져야 하며, 오프(off) 상태에서 높은 항복 전압 (breakdown voltage)을 가져야 한다.
이를 위해 소자가 완전히 제작된 뒤 후처리 어닐링을 하는 방법(post annealing method)은 고전압 스위치 소자의 전력 손실을 줄이기 위한 좋은 방법 중 하나이다. 최근 GaN 소자에 RTA(Rapid Thermal Annealing)를 이용하여 소자의 누설 전류를 감소시키고 항복 전압을 증가시키는 열 후처리 어닐링 방법 (thermal post annealing method)이 제안되었다. 열 후처리 어닐링 방법은 다음의 국제 저널 논문 (Jaesun Lee, Dongmin Liu, Hyeongnam Kim, Wu Lu, "Post-annealing effects on device performance of AlGaN/GaN HFETs", Solid-State Electronics, vol. 48, pp. 1855-1859, 2004)에 자세히 기술되어 있다.
그러나 열 후처리 어닐링 방법은 AlGaN/GaN의 쇼트키(Schottky) 게이트 전극이 AlGaN 층 및 GaN 층으로 확산되어 소자의 문턱 전압 (threshold voltage)이 이동하며 드레인 전류 및 채널 내 이차원 전자가스 농도가 감소하는 단점을 가진다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 쇼트키(Schottky) 게이트 전극의 열화나 제작 공정의 어려움 없이 GaN 소자가 낮은 순방향 전압 강하와 낮은 누설 전류 및 높은 항복 전압을 가지도록 엑시머 레이저 펄스를 이용한 후처리 어닐링 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 GaN층 위에 게이트 전극이 형성된 구조를 포함하는 반도체 소자의 전기적 특성 개선방법에 있어서, 상기 게이트 전극 형성 후 엑시머 레이저 펄스를 이용하여 후처리 어닐링함을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 반도체 소자는 높은 전자이동도 트랜지스터(high electron mobility transistor: HEMT)임을 특징으로 한다.
삭제
바람직하게는, 상기 반도체 소자의 전기적 특성은 상기 레이저 펄스의 파장, 밀도, 횟수, 스폿 사이즈, 펄스의 지속시간 또는 펄스의 조사각도 등에 따라 조절할 수 있음을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 GaN 소자에 대한 레이저 펄스를 이용한 제안된 레이저 후처리 어닐링 방법을 설명하기 위한 도면이다. 본 실시예는 GaN 소자 중에서 고주파 응용 분야의 증폭기 (microwave amplifier)나 고전압 스위치에 널리 사용되는 AlGaN/GaN HEMT를 XeCl 엑시머 레이저 펄스를 이용하여 후처리 어닐링 하는 경우이다.
우선, 본 발명의 실시예에 이용된 AlGaN/GaN HEMT(100)의 제작 공정은 다음과 같다.
도 1을 참조하면, C-평면(plane) 사파이어 기판(101) 위에 메탈유기화학기상증착(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD) 방법으로 AlN(102), 비의도적 도핑(unintentionally doped, UID)된 GaN층(103), 도핑된 Al0.3Ga0.7N층(104)과 도핑된 GaN 캡층(cap layer, 105)을 성장시킨다. AlGaN/GaN 헤테로 구조는 3㎛ 두께의 비의도적 도핑(unintentionally doped, UID)된 GaN층(103)과 22nm 두께의 도핑된 Al0.3Ga0.7N층(104)과 3nm 두께의 도핑된 GaN 캡층(cap layer, 105)으로 구성한다.
3000Å 두께의 메사 구조는 소자 분리를 위하여 인덕티브 커플드 플라즈마 반응성 이온식각(Inductive Coupled Plasma Reactive Ion Etch, ICP RIE) 방법을 이용하여 형성한다.
소스(106) 및 드레인(107) 오믹콘택은 전자 빔 증착(e-beam evaporation) 방법을 통해 Ti/Al/Ni/Au를 각각 200Å/800Å/200Å/1000Å 두께로 형성하며, 낮은 오믹콘택 저항을 얻기 위하여 RTA를 이용하여 850°C에서 30초 동안 어닐링한다.
쇼트키(Schottky) 게이트(108)는 리프트-오프(lift-off) 방법을 이용하여Ni/Au를 각각 100Å/3000Å 두께로 형성한다. 본 실시예에서 AlGaN/GaN HEMT는 SiO2 또는 Si3N4 같은 유전체 물질로 패시베이션(passivation) 하지 않는다.
상기 AlGaN/GaN 헤테로 구조(100)의 상온에서 측정된 면 전자 농도는 9× 1012 cm-2이며, 전자 이동도는 1500 cm2/Vs이다. 게이트와 드레인 사이의 거리(Lgd)와 게이트와 소스 사이의 거리(Lgs)는 각각 3㎛ 다. 게이트 길이(Lg)는 2㎛ 와 3㎛ 로 설계된다.
본 발명에 따른 XeCl 엑시머 레이저 펄스를 이용한 AlGaN/GaN HEMT의 후처리 어닐링(post annealing) 공정은 쇼트키(Schottky) 게이트 전극 공정 후에 실시된다. XeCl 엑시머 레이저 펄스의 파장은 308nm이며, 스폿 사이즈(spot size)는 5.5 mm x 5.5 mm이며, 레이저 펄스의 지속 시간(duration time)은 30 ns이다. 레이저 펄스의 에너지 밀도와 레이저 펄스 횟수는 각각 50 mJ/cm2 ~ 250 mJ/cm2와 1 펄스 ~ 600 펄스로 한다.
이와 같이 XeCl 엑시머 레이저 펄스로 후처리 어닐링 공정을 실시하면, GaN의 에너지 밴드 갭은 3.4 eV로 파장이 308 nm인 엑시머 레이저의 빛 에너지인 4.025 eV보다 적기 때문에 GaN는 레이저를 흡수해야 하나, GaN의 파장이 308 nm인 엑시머 레이저에 대한 흡수 계수(α=1.3x105 cm-1)를 고려하면 레이저 펄스는 3nm 두께의 도핑된 GaN 캡층(105)에 흡수되지 않고 3㎛ 두께의 비의도적 도핑된 (unintentionally doped, UID) GaN층(103)에 흡수된다. 도핑된 Al0.3Ga0.7N층(104)은 에너지 밴드 갭은 4.0eV ~ 4.1eV이며 두께도 22nm로 얇으므로 GaN 보다 레이저를 덜 흡수한다. 엑시머 레이저 펄스가 소자에 가해지는 동안 소자의 표면 온도는 UID GaN층(103)에 흡수된 열의 수평 확산 (lateral heat diffusion)과 GaN나 AlGaN에 비해 사파이어 기판(101)의 낮은 열전도도 (thermal conductivity)에 의해 급격히 상승한다.
도 2는 레이저 펄스의 에너지에 따른 GaN의 투과율을 나타낸 도면으로, 가로축은 빛의 광자에너지를 나타내며, 세로축은 레이저 빛이 투과되는 확률을 나타낸 것이다. 참고로, 도 2는 국제 저널 논문(J. F. Muth, J. H. Lee, I. K. Shmagin, R. M. Kolbas, H. C. Casey Jr., B. P. Keller, U. K. Mishra, and S. P. DenBaars, "Absorption coefficient, energy gap, exciton binding energy, and recombination lifetime of GaN obtained from transmission measurements", Applied Physics Letters, vol. 71, no. 18, pp. 2572-2574, November, 1997)에서 발췌된 것이다.
레이저 빛의 파장(λ)과 광자 에너지(photon energy: E)의 상관 관계식은 다음과 같다.
광자 에너지, E = h x c / λ = 1.2397 x 103 / (λ[nm])(eV)
상기 식에서 XeCl 엑시머 레이저의 파장, 308nm를 넣고 XeCl 엑시머 레이저 빛의 광자 에너지를 계산하면 4.025eV이다. 가로축이 4.025eV일 때의 세로축의 투과율은 0%에 근접함을 알 수 있다.
도면에서, 360nm보다 큰 파장의 빛은 GaN은 80%의 투과율을 보이지만, 360nm보다 적은 파장의 빛은 GaN은 0%에 근접한 투과율을 보인다. 즉, 파장이 360nm 이하의 빛은 GaN에 흡수된다. 따라서 본 실시예에 적용된 XeCl 엑시머 레이저의 파장 은 308nm로써 레이저 빛은 GaN에 흡수됨을 알 수 있다.
도 3은 레이저 펄스가 소자에 가해졌을 때의 열 흐름을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 레이저 펄스의 에너지 밀도는 소자의 표면 온도를 결정한다. 레이저 펄스에 의해 생성된 열의 측방향 확산에 의해서 쇼트키 게이트 전극 아래 영역은 어닐링이 되며, 쇼트키 게이트 전극과 GaN 사이의 경계결함(interface defect)은 감소하게 된다. 그러므로 Schottky 게이트에 영향을 많이 받는 AlGaN/GaN HEMT의 전달 특성 (transfer characteristics)과 항복 전압 (breakdown voltage)은 개선된다. 반면, 기존의 열 후처리 어닐링 방법은 400°C 이상의 온도에서 가해지는 지속적인 열에 의해 AlGaN/GaN HEMT의 쇼트키 게이트 전극은 AlGaN 층 및 GaN 층으로 확산되어 AlGaN 층의 스트레인(strain) 및 표면 상태(surface state)를 변화시켜 채널 내의 이차원 전자가스 농도가 감소된다. 결국, 열 후처리 어닐링된 AlGaN/GaN HEMT의 문턱전압은 변하게 되며 드레인 전류는 감소하게 된다.
또한, 본 발명은 3100Å 두께의 쇼트키 게이트 전극이 레이저를 반사하므로 쇼트키 게이트 전극이 열화되지 않는 장점을 가진다. 또한 본 발명은 레이저 펄스가 순간적으로 열을 소자에 전달하므로 쇼트키 게이트 전극이 AlGaN 층 및 GaN 층으로 확산되지 않는다. 레이저 펄스가 꺼지면 UID GaN 층의 열 확산에 의해서 소자의 표면 온도는 급격히 감소된다. 따라서 엑시머 레이저 펄스로 후처리 어닐링 한 뒤에도 AlGaN/GaN HEMT의 쇼트키 게이트 전극이 열화 되지 않아 채널 내의 이차원 전자가스 농도나 드레인 전류가 감소하거나 문턱 전압(threshold voltage, Vth)이 변하지 않는다.
도 4는 레이저 펄스의 에너지 밀도에 따른 측정된 최대 트랜스컨덕턴스 (peak extrinsic transconductance, gm.max)를 나타낸 도면으로, 레이저 어닐링 전 및 후의 AlGaN/GaN HEMT의 전기적 특성을 알 수 있다. 도 4는 에너지 밀도가 50 mJ/cm2, 100 mJ/cm2, 250 mJ/cm2인 1개의 레이저 펄스로 AlGaN/GaN HEMT를 어닐링 한 경우이다.
측정결과, 1개의 레이저 펄스 동안 급속한 측방향 열 확산으로 인하여 쇼트키 게이트 전극과 GaN 층 사이의 경계결함이 감소되며, 이에 따라 소자의 최대 트랜스컨덕턴스는 증가된다. 도 4에서, 100 mJ/cm2 의 레이저 펄스 에너지는 50 mJ/cm2보다 더 효과적임을 알 수 있다. 도시하지는 않았으나, 250 mJ/cm2의 레이저 펄스 에너지가 소자에 가해졌을 때 소자의 전기적 특성은 상실된다. 이는 최적 에너지 밀도 이상의 레이저 펄스가 소자에 가해질 경우, 소자의 높은 표면 온도로 인하여 쇼트키 게이트 전극 손상 혹은 번-아웃(burn-out)이 발생하기 때문이다.
도 5는 가해진 레이저 펄스의 횟수에 따른 소자의 전달 특성을 나타낸 것이고, 도 6은 전달 특성에서 추출된 드레인 전류 및 최대 트랜스컨덕턴스를 나타낸 것이다. 레이저 펄스 에너지 밀도는 100 mJ/cm2이며, 게이트 길이(Lg), 게이트 너비(Wg) 및 드레인-소스 전압(VDS)은 각각 3 ㎛ , 50 ㎛ 및 5 V이다. 소자의 문턱전압 은 -4.9 V로 레이저 펄스가 가해지기 전과 후가 동일하다.
도 5 및 도 6를 참조하면, 소자에 가해진 레이저 펄스의 횟수가 10이 될 때까지 소자의 드레인 전류와 최대 트랜스컨덕턴스는 증가한다. 레이저 펄스가 가해지기 전 소자(virgin device)와 1개의 레이저 펄스가 가해진 소자 사이에 드레인 전류나 최대 트랜스컨덕턴스의 증가 폭이 가장 크다. 레이저 펄스가 가해지기 전 소자(Virgin device)와 1개의 레이저 펄스로 어닐링 된 소자의 게이트 전압이 0 V일 때 드레인 전류와 최대 트랜스컨덕턴스는 각각 434 mA/mm, 113 mS/mm와 479 mA/mm, 129 mS/mm이다. 10개의 레이저 펄스로 어닐링 된 소자의 드레인 전류와 최대 트랜스컨덕턴스는 각각 496 mA/mm 및 134 mS/mm로 더욱 개선된다. 10 개보다 많은 레이저 펄스가 가해진 경우 소자의 드레인 전류와 최대 트랜스컨덕턴스는 더 이상 개선되지 않는다.
또한, 게이트 전압 (Vg)이 -6 V이고 드레인-소스 전압 (VDS)이 5 V일 때, 소자의 누설 전류를 측정한 결과, 레이저 펄스가 가해지기 전 소자의 누설 전류는 1.95 mA/mm이다. 반면에 10개와 600 개의 레이저 펄스로 어닐링 된 소자는 쇼트키 게이트 전극과 GaN층 사이의 경계결함이 감소되어 각각 1.73 mA/mm 및 1.53 mA/mm로 감소된 누설 전류를 가진다. 누설 전류는 3개 이상의 레이저 펄스가 가해졌을 때부터 감소된다. 이는 누설 전류 개선은 전달 특성 개선보다 더 많은 레이저 펄스를 요구하는 것을 의미한다.
도 7은 역방향 게이트-드레인 바이어스 상태일 때 레이저 펄스로 어닐링 된 AlGaN/GaN HEMT의 항복 전압(two-terminal breakdown voltage) 특성을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 소자의 항복 전압 특성에 대한 레이저 펄스를 이용한 어닐링 효과는 소자의 게이트 길이(Lg)가 3㎛ 에 비해 2㎛ 일 때 더 크다. 이는 상대적으로 게이트 길이가 짧을수록 레이저 펄스에 의해 생성된 열이 게이트 하단 영역에 보다 많이 전달될 수 있기 때문이다. 600개의 레이저 펄스가 가해진 후 높은 역방향 게이트-드레인 바이어스에서 소자의 누설 전류는 레이저 펄스가 가해지기 전 소자에 비해 50 % 이상 감소한다. 레이저 펄스 어닐링 후 감소된 누설 전류 특성으로 인하여 AlGaN/GaN HEMT의 항복 전압은 증가한다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 예를 들면, 본 실시예의 설명에서는 레이저 펄스의 쏘는 각도는 90°이고, 레이저 펄스의 파장은 308nm인 경우에 대해 설명하였으나, 레이저 펄스를 쏘는 각도는 필요에 따라 조절할 수 있다. 레이저 펄스를 쏘는 각도는 레이저 펄스의 에너지나 레이저 펄스의 횟수와 밀접한 관계가 있다. 또한 레이저 펄스를 쏘는 각도는 레이저 빔을 받는 거울을 회전시킴으로써 쉽게 구현할 수 있다. 이와 같이 레이저 펄스를 이용한 어닐링에 영향을 미치는 인자는 레이저 펄스의 에너지, 레이저 펄스의 횟수, 레이저 펄스를 쏘는 각도, 레이저 펄스의 파장, 레이저 펄스의 스폿 사이즈 또는 레이저 펄스의 지속시간 등 여러 요소가 있으며, 이들을 조절하여 소자의 전 기적 특성을 달리할 수 있음은 물론이다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 엑시머 레이저 펄스를 이용하여 후처리 어닐링 함으로써 GaN에 흡수된 레이저에 의해 생성된 열이 쇼트키 게이트 하단에 확산되어 GaN 소자의 드레인 전류, 트랜스컨덕턴스, 누설 전류 및 항복 전압이 개선된다.
또한 본 발명은 일정 두께 이상을 가지는 쇼트키 게이트 전극이 레이저를 반사하는 특성과 열이 순간적으로 확산되는 특성에 의해 종래의 열 후처리 어닐링 방법에 비하여 쇼트키 게이트 전극이 열화 되지 않는다.
또한, 본 발명은 문턱 전압이 변하거나 채널 내 이차원 전자가스 농도가 감소하지 않는 장점을 가진다.
또한, 본 발명의 공정은 제작이 완료된 GaN 소자에 간단히 엑시머 레이저 펄스를 조사하는 방법으로 간단히 진행할 수 있다. 따라서 본 발명은 마이크로 증폭기나 고전압 스위치로 쓰이는 GaN 소자의 전기적 특성 개선에 유용하게 응용될 수 있다.

Claims (3)

  1. 삭제
  2. GaN층 위에 게이트 전극이 형성된 구조를 포함하는 반도체 소자의 전기적 특성 개선방법에 있어서,
    상기 반도체 소자는 높은 전자이동도 트랜지스터(high electron mobility transistor: HEMT)이며, 상기 게이트 전극 형성 후 엑시머 레이저 펄스를 이용하여 후처리 어닐링함을 특징으로 하는 GaN 소자에 대한 엑시머 레이저 펄스를 이용한 후처리 어닐링 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 높은 전자이동도 트랜지스터의 전기적 특성은
    상기 레이저 펄스의 에너지, 레이저 펄스의 횟수, 레이저 펄스를 쏘는 각도, 레이저 펄스의 파장, 레이저 펄스의 스폿 사이즈 또는 레이저 펄스의 지속시간 등에 따라 조절할 수 있음을 특징으로 하는 GaN 소자에 대한 엑시머 레이저 펄스를 이용한 후처리 어닐링 방법.
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