KR100757738B1 - Method for removing metal/gaas schottky contact interface impurities - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명에 따라 제조된 쇼트키 다이오드의 N-형 GaAs 기판과 기판 후면에 증착된 오믹 접합의 금속전극을 나타낸 단면도,1 is a cross-sectional view showing an N-type GaAs substrate of a Schottky diode manufactured according to the present invention and a metal electrode of an ohmic junction deposited on the back of the substrate;
도 2는 본 발명에 따라 유황화 처리된 GaAs 기판의 유황 보호막을 나타낸 단면도,2 is a cross-sectional view showing a sulfur protective film of a sulfurized GaAs substrate according to the present invention,
도 3은 본 발명에 따라 유황화 처리된 GaAs 기판 위에 증착된 금속전극 층을 나타낸 단면도,3 is a cross-sectional view showing a metal electrode layer deposited on a sulfurized GaAs substrate according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따라 유황화 및 수소화 처리를 거친 Pd/GaAs 쇼트키 다이오드의 구조도,4 is a structural diagram of a Pd / GaAs Schottky diode subjected to sulfurization and hydrogenation according to the present invention;
도 5는 본 발명에 따른 유황화 처리와 진공 및 수소 열처리에 의한 Pd/GaAs 쇼트키 접합의 에너지 장벽 높이(A) 및 역전압(-1.0V)에 따른 누설전류값(B)을 나타낸 도면,5 is a diagram showing a leakage current value (B) according to an energy barrier height (A) and a reverse voltage (-1.0 V) of a Pd / GaAs Schottky junction by sulfurization and vacuum and hydrogen heat treatment according to the present invention;
도 6은 본 발명에 따른 Pd/GaAs 계면의 X-선 광전자 분광 스펙트럼으로서, HCl 세정된 시료(A), 유황 처리된 시료(B), 그리고 유황화/수소화 처리된 시료(C)를 나타낸 도면,FIG. 6 is an X-ray photoelectron spectroscopic spectrum of a Pd / GaAs interface according to the present invention, showing an HCl cleaned sample (A), a sulfur treated sample (B), and a sulfurized / hydrogenated sample (C). ,
도 7은 본 발명에 따른 유황화 처리와 진공 및 수소 열처리에 의한 GaAs MESFET 소자의 게이트 누설전류 특성(A) 및 -0.8V의 게이트 전압에서 드레인 전류-전압 특성(B)을 나타낸 도면,7 is a view showing a gate leakage current characteristic (A) and a drain current-voltage characteristic (B) at a gate voltage of -0.8 V of a GaAs MESFET device by sulfurization and vacuum and hydrogen heat treatment according to the present invention;
도 8은 본 발명에 따른 유황화 및 수소 열처리 공정을 적용하여 제조한 0.7㎛ 게이트 길이의 GaAs MESFET 소자를 나타낸 도면.FIG. 8 is a diagram illustrating a GaAs MESFET device having a 0.7 μm gate length manufactured by applying a sulfidation process and a hydrogen heat treatment process according to the present invention. FIG.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>
1 : 오믹(ohmic) 접촉 합금층1: ohmic contact alloy layer
2 : GaAs 기판 2: GaAs substrate
3 : 유황(sulfur) 보호막3: sulfur protective film
4 : 금속층 4: metal layer
5 : 금속층 증착에 의한 계면 반응부산물층5: interfacial reaction by-product layer by metal layer deposition
본 발명은 금속/GaAs 쇼트키 접합 계면 불순물 제거 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 소자 특성을 개선하기 위해 게이트(gate)와 같은 쇼트키 접합(Schottky contact)부의 금속/GaAs 계면 부산물을 완벽히 제거하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for removing metal / GaAs Schottky junction interface impurities, and more particularly, to completely remove metal / GaAs interface by-products of Schottky contacts such as gates in order to improve device characteristics. It is about a method.
주지된 바와 같이, GaAs계 화합물 반도체는 실리콘 반도체와는 달리 게이트 구동에 있어서 금속/반도체의 쇼트키 접합 특성을 이용하게 된다.As is well known, GaAs-based compound semiconductors, unlike silicon semiconductors, utilize Schottky junction characteristics of metal / semiconductors in gate driving.
최근 반도체의 고집적화와 초고속/고주파 특성을 향상시키기 위하여 게이트 라인의 폭이 점점 좁아지고 있고, 채널깊이가 점점 작아지고 있는 추세이다. Recently, gate lines have become narrower and channel depths have become smaller in order to improve integration of semiconductors and improve high-speed / high frequency characteristics.
이에 따라 점차 요구되는 게이트 영역부의 금속/GaAs 반도체 계면의 특성은 원자적 단위로 제어해야만 고속/고주파 동작의 신뢰성 및 재현성, 제품의 높은 수율(yield)을 보장할 수 있다.Accordingly, the characteristics of the metal / GaAs semiconductor interface, which are gradually required, must be controlled on an atomic basis to ensure the reliability and reproducibility of the high speed / high frequency operation and the high yield of the product.
GaAs 화합물 반도체 소자를 제조하는 과정에서, 게이트와 같은 금속전극을 GaAs 기판에 형성할 때, 종래에는, GaAs 기판 표면에 쇼트키 전극을 증착하기 전에, HCl, NH4OH 등과 같은 산화물 제거 세정용액을 이용해 GaAs 기판 표면을 세정하여 표면의 자연 산화막을 최대한 제거한 뒤 금속전극을 증착하는 공정 기술이 이용되어 왔다.In the process of manufacturing a GaAs compound semiconductor device, when forming a metal electrode such as a gate on a GaAs substrate, an oxide removal cleaning solution such as HCl, NH 4 OH, or the like is conventionally used before depositing a Schottky electrode on the GaAs substrate surface. Process technology has been used to clean the GaAs substrate surface to remove the natural oxide film on the surface as much as possible and then deposit metal electrodes.
그러나, 종래와 같은 습식 세정 후 금속전극, 즉 게이트 전극을 형성하는 경우에는 다음과 같은 피할 수 없는 공정상의 두 가지 문제점이 있게 된다. However, in the case of forming the metal electrode, that is, the gate electrode after the conventional wet cleaning, there are two problems in the following unavoidable processes.
첫째, 게이트 라인의 세정 후에 전극 증착 챔버로 이동하는 동안 GaAs 표면은 그대로 대기중에 노출된다.First, the GaAs surface is exposed to the atmosphere as it is while moving to the electrode deposition chamber after cleaning the gate line.
이와 같이 GaAs 표면이 대기중에 노출됨에 따라 GaAs 표면에서 산화물 성장이 이루어지게 되며, 이때 발생한 계면 산화물은 금속 증착 공정 후에도 계속해서 금속/GaAs 계면에 존재하게 되는 문제점이 있다. As the surface of GaAs is exposed to the air, oxide growth occurs on the surface of GaAs. In this case, the interfacial oxide is continuously present at the metal / GaAs interface even after the metal deposition process.
둘째, GaAs 표면에 게이트 전극을 상온에서 증착하는 동안 GaAs와 금속 간의 반응에 의하여 원하지 않는 미량의 반응부산물이 계면부에 계속해서 축적되게 되는 문제가 있다.Second, during deposition of the gate electrode on the GaAs surface at room temperature, there is a problem in that unwanted reaction by-products accumulate continuously at the interface due to the reaction between the GaAs and the metal.
이와 같이 종래에는 GaAs계 화합물 반도체 소자를 제조하는 과정에서 금속/GaAs 쇼트키 접합 계면에 산화물과 반응부산물이 존재하게 되며, 이러한 물질들이 다양한 계면 결함준위를 형성하게 되면서 이상적인 쇼트키 접합 특성을 나타내지 못하게 된다. As such, in the process of manufacturing a GaAs-based compound semiconductor device, oxides and reaction by-products exist at the metal / GaAs Schottky junction interface, and these materials form various interface defect levels so that they do not exhibit ideal Schottky junction characteristics. do.
이러한 현상을 통상 페르미 준위 고정(Fermi-level pinning) 현상이라 하며, 일반적으로 쇼트키 접합부의 에너지 장벽을 낮추어 게이트의 누설전류의 증가 및 항복전압을 낮추는 인자로 알려져 왔다.This phenomenon is commonly referred to as a Fermi-level pinning phenomenon, and is generally known as a factor for lowering the energy barrier of the Schottky junction and increasing the leakage current of the gate and lowering the breakdown voltage.
이상에서 설명한 바와 같이, GaAs계 화합물 반도체 소자는 대부분 금속/GaAs 쇼트키 접합부가 존재하며, 이 쇼트키 접합부의 전기적 특성은 소자의 구동에 있어서 핵심 역할을 하게 된다.As described above, most GaAs-based compound semiconductor devices have a metal / GaAs Schottky junction, and the electrical characteristics of the Schottky junction play a key role in driving the device.
접합부의 전기적 특성은 계면부 원자적 단위의 물질에 의존하게 되는데, 종래의 습식 세정에 의한 표면 산화물 제거 공정과 금속전극 증착 공정에 따르면 계면부에 산화물 및 반응부산물이 계속해서 남아있을 수밖에 없다.The electrical properties of the junction are dependent on the material of the interface unit atomic units. According to the conventional wet oxide cleaning process and the metal electrode deposition process, the oxide and the reaction byproduct remain in the interface unit.
이러한 원치 않는 물질의 존재는 쇼트키 접합부의 이론적 특성 값보다 낮은 수준의 데이터를 제공하게 되는 주원인이 되고 있으며, 공정적으로 제어가 쉽지 않기 때문에 소자의 재현성 및 신뢰성에 많은 문제를 야기하고 있다. The presence of these unwanted materials is a major reason for providing data at a level lower than the theoretical characteristic value of the Schottky junction, and it causes many problems in the reproducibility and reliability of the device because it is not easily controlled.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 금속/GaAs 계면에 존재하는 계면 부산물을 효과적으로 제거하여 쇼트키 접합부의 누설전류를 줄이고 항복전압을 높일 수 있는 금속/GaAs 쇼트키 접합 계면 불순물 제거 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been invented to solve the above problems, the metal / GaAs Schottky junction that can effectively remove the interface by-products present in the metal / GaAs interface to reduce the leakage current of the Schottky junction and increase the breakdown voltage Its purpose is to provide a method for removing interfacial impurities.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 금속/GaAs 쇼트키 접합 계면 형성시에, 후면에 오믹 접촉 합금층이 형성된 GaAs 기판을 (NH4)2S 용액으로 표면 유황화 처리하여 GaAs 표면에 유황 보호막을 형성한 후 금속층을 증착하여 금속전극을 형성하고, 이어 금속전극을 형성한 GaAs 기판을 수소 분위기에서 열처리하는 수소화 처리를 실시하여 금속/GaAs 쇼트키 접합 계면에 생성된 불순물을 수소의 열적 확산을 이용하여 제거하는 것을 특징으로 하는 금속/GaAs 쇼트키 접합 계면 불순물 제거 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, when forming a metal / GaAs Schottky junction interface, the GaAs substrate with an ohmic contact alloy layer formed on the back surface of the GaAs substrate with (NH 4 ) 2 S solution to the surface of the GaAs surface After forming a sulfur protective film, a metal layer is deposited to form a metal electrode, and then a hydrogenation process is performed to heat-treat the GaAs substrate on which the metal electrode is formed in a hydrogen atmosphere, thereby thermally depositing impurities generated at the metal / GaAs Schottky junction interface. A metal / GaAs Schottky junction interface impurity removal method is provided by removing by diffusion.
여기서, 상기 유황화 처리 공정은 GaAs 기판을 (NH4)2S 용액에 10 ~ 50분간 담가둠으로써 GaAs 표면에 유황 보호막을 형성하는 것을 특징으로 한다.The sulfurization process is characterized in that a sulfur protective film is formed on the surface of GaAs by immersing the GaAs substrate in a (NH 4 ) 2 S solution for 10 to 50 minutes.
또한 상기 수소화 처리 공정은 금속전극을 형성한 GaAs 기판을 300 ~ 700 mTorr 수소 분위기 하에서 150 ~ 500℃의 온도범위로 10 ~ 30분간 열처리하는 것을 특징으로 한다.In addition, the hydrogenation process is characterized in that the GaAs substrate on which the metal electrode is formed is heat-treated for 10 to 30 minutes in a temperature range of 150 ~ 500 ℃ under 300 ~ 700 mTorr hydrogen atmosphere.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 초고속 광전자 소자 등으로 활용되고 있는 GaAs계 화합물 반도체 소자, 예컨대 GaAs 기판을 사용하는 MESFET 소자를 제조하는 과정에서 적용될 수 있는 기술로서, 게이트와 같은 금속전극과 GaAs 기판 간의 접합부, 즉 쇼트키 접합부의 계면 불순물을 효과적으로 제공할 수 있는 방법을 제공한다.The present invention is a technique that can be applied in the process of manufacturing a GaAs-based compound semiconductor device, such as a MESFET device using a GaAs substrate, which is utilized as a high-speed optoelectronic device, such as a junction between a metal electrode such as a gate and a GaAs substrate, that is, a Schottky Provided is a method capable of effectively providing interfacial impurities in a junction.
특히, 본 발명은 유황화 처리와 계면 수소화 처리를 통하여 금속/GaAs 쇼트키 접합부의 계면 산화물 및 계면 반응부산물을 완벽히 제거함으로써 소자 특성을 향상시킬 수 있는 방법을 제공한다. In particular, the present invention provides a method for improving device characteristics by completely removing the interfacial oxides and interfacial reaction by-products of the metal / GaAs Schottky junction through sulfurization and interfacial hydrogenation.
본 발명에 따르면, 계면 산화물 발생 억제를 위한 유황화 처리 및 계면 반응부산물 제거를 위한 수소화 처리를 복합적으로 적용함으로써 종래의 HCl 용액으로 표면 처리(습식 세정)한 후 제조되는 소자에 비해 월등한 특성을 가지는 소자를 제조할 수 있게 된다. According to the present invention, a combination of sulfurization treatment for suppressing interfacial oxide generation and hydrogenation treatment for removing interfacial reaction by-products can be used to provide superior characteristics compared to devices manufactured after surface treatment (wet cleaning) with a conventional HCl solution. The branch can be manufactured.
이하, 본 발명에 따른 금속/GaAs 쇼트키 접합 계면 불순물 제거 방법에 대해 구체적으로 설명하기로 하며, 본 발명에 따른 불순물 제거 방법이 소자 제조 과정에 적용되는 것이므로, 소자 제조 과정을 설명하면서 함께 설명하기로 한다. Hereinafter, a metal / GaAs Schottky junction interface impurity removal method according to the present invention will be described in detail. Since the impurity removal method according to the present invention is applied to a device fabrication process, the device fabrication process will be described together. Shall be.
본 발명에서는, 제조된 화합물 반도체 소자의 금속/GaAs 쇼트키 접합 계면에 불순물들(산화물 및 반응부산물)이 존재하지 않도록, 소자 제조 과정 중, GaAs 표면의 세정 후에 금속전극 증착까지 GaAs 표면의 산화를 억제하는 공정과, 이후 금속전극 증착시에 발생된 게면 반응부산물을 제거하는 공정을 복합적으로 적용한다.In the present invention, in order to prevent impurities (oxides and reaction by-products) from being present at the metal / GaAs Schottky junction interface of the manufactured compound semiconductor device, the GaAs surface is oxidized until the metal electrode deposition after cleaning the GaAs surface during the device manufacturing process. The process of suppressing and the process of removing the crab reaction by-products generated during the deposition of the metal electrode are then applied in combination.
첨부한 도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 유황화 처리 및 수소화 처리를 통한 금속/GaAs 쇼트키 접합 계면 불순물 제거 방법을 설명하기 위한 단면도로서, 도 1은 본 발명에 따라 제조된 쇼트키 다이오드의 N-형 GaAs 기판과 기판 후면에 증착된 오믹(ohmic) 접합의 금속전극을 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따라 유황화 처리된 GaAs 기판의 유황 보호막을 나타낸 단면도이다.1 to 4 are cross-sectional views illustrating a method for removing metal / GaAs Schottky junction interface impurities through sulfurization and hydrogenation according to the present invention. FIG. 1 is a cross-sectional view of a Schottky diode manufactured according to the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a metal electrode of an ohmic junction deposited on an N-type GaAs substrate and a back surface of the substrate, and FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a sulfur protective film of a sulfurized GaAs substrate according to the present invention.
또한 도 3은 본 발명에 따라 유황화 처리된 GaAs 기판 위에 증착되어 금속전극을 형성하는 금속층을 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따라 유황화 및 수소화 처리를 거친 금속/GaAs 쇼트키 다이오드의 구조도로서, 이는 금속층 증착에 의한 계면 반응부산물층이 형성된 상태를 나타낸 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing a metal layer deposited on a sulfurized GaAs substrate according to the present invention to form a metal electrode, and FIG. 4 is a structural diagram of a metal / GaAs Schottky diode subjected to sulfurization and hydrogenation according to the present invention. This is a cross-sectional view showing a state in which an interfacial reaction byproduct layer is formed by metal layer deposition.
우선, GaAs 화합물 반도체 소자를 제조하기 위하여, 도 1에 나타낸 바와 같이 GaAs 기판(2)의 후면에 오믹 접합의 금속전극을 구성하는 오믹 접촉 합금층(1)을 적층 형성한다.First, in order to manufacture a GaAs compound semiconductor element, as shown in FIG. 1, the ohmic
이때, 오믹 접촉 합금층(1)은 Pd, Ge, Ti 및 Au을 소정 두께의 박막 형태로 증착하여 형성하며, 예컨대 Pd, Ge, Ti 및 Au의 순으로 연속 증착하여 형성하되, 박막의 두께를 각각 50nm, 100nm, 40nm, 100nm로 할 수 있다.At this time, the ohmic
이와 같이 오믹 다층 박막을 형성한 후, 최종적으로 200 ~ 600℃의 고순도 질소 분위기 하에서 10 ~ 60초간 열처리하여 오믹 접촉 합금층(1)을 형성한다.After forming the ohmic multilayer thin film as described above, the ohmic
다음으로, 대기중 노출로 인해 발생할 수 있는 GaAs 표면의 산화를 억제하기 위하여, 종래와 마찬가지로 HCl 용액으로 세정한 후, 이렇게 표면 세정된 GaAs 기 판(2)을 (NH4)2S 용액에 10 ~ 50분간 담가둠으로써 깨끗한 GaAs 표면 위에 도 2에 나타낸 바와 같이 유황 보호막(3)을 형성한다.Next, in order to suppress oxidation of the GaAs surface which may occur due to exposure to the atmosphere, after cleaning with HCl solution as in the prior art, the surface-cleaned
여기서, 상기 유황 보호막(3)은 GaAs 표면을 차폐하여 GaAs 표면이 대기중에 직접 노출되는 것을 막게 되는 바, 이에 GaAs 표면이 대기중에 노출됨에 따라 발생되었던 GaAs 표면의 산화를 효과적으로 막을 수 있게 되고, 산화물 형성을 방지할 수 있게 된다. Here, the sulfur
상기와 같이 유황 보호막(3)을 형성함에 있어서, 상기 GaAs 기판(2)을 (NH4)2S 용액에 10분 미만으로 처리하는 경우 표면 보호를 위한 충분한 유황 보호막을 형성하기가 어려우며, 50분을 초과하여 처리할 경우에는 유황 보호막 처리 후 고순도 질소 가스를 이용한 건조 공정에서 기판 표면에서 (NH4)2S 용액의 완벽한 제거가 이루어지지 않아 수 모노레이어(monolayer)의 유황 보호막 형성에 어려움이 있다. In forming the sulfur
다음으로, 게이트 전극으로서 쇼트키 금속전극을 형성하기 위하여 금속층을 증착한다.Next, a metal layer is deposited to form a Schottky metal electrode as the gate electrode.
상기 금속층(4)은 도 3에 나타낸 바와 같이 GaAs 기판(2) 위에 형성된 유황 보호막(3) 상측에 증착하여 형성하며, 쇼트키 금속으로는 Pd, Au, Pt, Ti, Al, Cu, Ni 및 Ag 중에 선택된 어느 하나의 물질을 사용할 수 있다.The metal layer 4 is formed by depositing on top of the sulfur
이러한 쇼트키 금속을 사용하여 GaAs 기판(2)의 유황 보호막(3) 상측에 진공 증착 장비, 예를 들면 5×10-7 Torr로 유지되는 고진공 전자선 증착기(E-beam evaporator)에서 소정 폭으로 금속층(4)을 증착하여 금속전극을 형성한다(예, Pd 전극을 50nm 폭으로 증착하여 게이트 형성). Using such a Schottky metal, a metal layer with a predetermined width in a vacuum deposition apparatus, for example, an E-beam evaporator maintained at 5 × 10 −7 Torr, above the sulfur
다음으로, 도 4에 나타낸 바와 같이 금속층(4) 증착시에 발생된 계면 반응부산물(5)을 제거하기 위하여 기판을 열처리 챔버에 장입한 후 금속/GaAs 계면 처리 공정을 실시한다.Next, in order to remove the interfacial reaction by-
상기 금속/GaAs 계면 처리 공정은 수소화 처리 공정으로, 이는 수소 분위기 하에서 열처리를 실시함으로써 수소의 열적 확산을 이용하여 금속/GaAs 계면 불순물을 제거하는 공정이다.The metal / GaAs interfacial process is a hydrogenation process, which is a process of removing metal / GaAs interfacial impurities by thermal diffusion of hydrogen by performing heat treatment in a hydrogen atmosphere.
이러한 계면 수소화 처리는 상기 금속층을 증착한 기판을 열처리 챔버 내에 장입한 후, 터보펌프를 이용하여 5×10-7 Torr의 진공상태를 조성하고, 이어 MFC(Mass Flow Controller) 가스 유랑 조절기를 이용하여 수소 가스를 주입한 후, 300 ~ 700 mTorr의 수소 분위기 하에서 150 ~ 500℃의 온도로 10 ~ 30분간 열처리를 수행한다.In this interfacial hydrogenation process, the substrate on which the metal layer is deposited is charged into a heat treatment chamber, and then, a turbo pump is used to form a vacuum state of 5 × 10 -7 Torr, followed by a mass flow controller (MFC) gas flow controller. After injecting hydrogen gas, heat treatment is performed for 10 to 30 minutes at a temperature of 150 to 500 ° C. under a hydrogen atmosphere of 300 to 700 mTorr.
여기서, 발열체로는 그라파이트(graphite) 발열체가 이용될 수 있다.Here, a graphite heating element may be used as the heating element.
상기한 수소화 처리 공정에서, 열처리 온도를 150℃ 미만으로 하는 경우 쇼트키 다이오드의 역 전압 누설전류의 감소가 나타나지 않으며, 500℃를 초과하는 경우 금속/GaAs 계면 반응에 따른 금속-Ga, 금속-As 상형성이 계면부에 결함 형성을 유도하여 쇼트키 다이오드 특성이 퇴화되면서 오믹 특성을 나타내는 문제가 있어, 바람직하지 않다.In the above hydrogenation process, when the heat treatment temperature is lower than 150 ° C., there is no decrease in the reverse voltage leakage current of the Schottky diode. When the heat treatment temperature is higher than 500 ° C., the metal-Ga and metal-As reactions due to the metal / GaAs interfacial reaction occur. As the image formation leads to defect formation at the interface portion and the Schottky diode characteristic is degraded, there is a problem of showing ohmic characteristics, which is not preferable.
또한 열처리 시간을 10분 미만으로 하는 경우 열적 확산에 의해 계면에 침투 되는데 충분한 시간이 확보되지 못하여 수소화 처리특성이 나타나지 않는 문제가 있고, 30분을 초과하여 실시하는 경우 긴 열처리 시간으로 인하여 금속/GaAs 계면반응을 촉진하는 문제가 있어, 바람직하지 않다.In addition, when the heat treatment time is less than 10 minutes, there is a problem that the hydrogenation characteristics do not appear because sufficient time is not secured to penetrate the interface by thermal diffusion, and when the heat treatment time is exceeded 30 minutes, the metal / GaAs There is a problem of promoting an interfacial reaction, which is not preferable.
상기와 같이 수소 분위기 하의 열처리를 실시함으로써 계면 불순물을 효과적으로 제거할 수 있게 되며, 이후 통상의 후속 공정을 거쳐 최종적인 소자의 구조를 완성하게 된다.By performing the heat treatment under a hydrogen atmosphere as described above, it is possible to effectively remove the interfacial impurities, and then complete the final device structure through the usual subsequent steps.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 소자 제조 과정에 유황화 처리 및 수소화 처리를 복합적으로 적용하여, GaAs 표면 세정 후 금속전극 증착시까지 발생될 수 있는 GaAs 표면의 산화물 및 이후 금속전극 증착시에 발생되는 계면 반응부산물 등, 금속/GaAs 쇼트키 접합 계면의 불순물을 완벽히 제거할 수 있게 되고, 이러한 소자 제조 과정에 의하여 종래에 비해 월등한 특성을 가지는 소자를 제조할 수 있게 된다.In this way, in the present invention, by using a combination of the sulfidation treatment and hydrogenation treatment in the device manufacturing process, the oxide on the GaAs surface that can be generated after the GaAs surface cleaning and the metal electrode deposition, and the interface generated during the subsequent metal electrode deposition Impurities in the metal / GaAs Schottky junction interface, such as a reaction byproduct, can be completely removed, and a device having superior characteristics can be manufactured by the device manufacturing process.
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 보다 구체적으로 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited by the following Examples.
실시예Example
본 발명을 적용하여 소자를 제조하였으며, 그 과정은 다음과 같다.The device was manufactured by applying the present invention, and the process was as follows.
우선, 오믹 접촉 합금층은 Pd, Ge, Ti 및 Au 순으로 연속 증착하여 형성하였으며, 이때 박막의 두께는 각각 50nm, 100nm, 40nm, 100nm로 하였다.First, the ohmic contact alloy layer was formed by continuous deposition in the order of Pd, Ge, Ti, and Au, and the thicknesses of the thin films were 50 nm, 100 nm, 40 nm, and 100 nm, respectively.
이와 같이 GaAs 후면에 오믹 다층 박막을 증착한 후, 350℃의 고순도 질소 분위기 하에서 30초간 열처리하여 GaAs 후면에 오믹 접촉 합금층을 형성하였다. As described above, after the ohmic multilayer thin film was deposited on the back surface of GaAs, an ohmic contact alloy layer was formed on the back surface of GaAs by heat treatment for 30 seconds under a high purity nitrogen atmosphere at 350 ° C.
다음으로, GaAs 표면의 대기중 산화 억제를 위해서 HCl 용액으로 표면 세정된 GaAs 기판을 (NH4)2S 용액에 10분간 담가둠으로써 깨끗한 GaAs 표면 위에 단원자단위의 유황보호막을 형성하였다.Subsequently, a GaAs substrate surface-cleaned with HCl solution was immersed in (NH 4 ) 2 S solution for 10 minutes to inhibit oxidation of the GaAs surface in the air to form a monoatomic sulfur protective film on the clean GaAs surface.
다음으로, 상기 GaAs 기판 위에 형성된 유황 보호막 상부에 5×10-7 Torr로 유지되는 고진공 전자선 증착기(E-beam evaporator)에서 Pd 전극을 폭 50nm로 증착하였다. Next, a Pd electrode was deposited to a width of 50 nm in a high vacuum electron beam evaporator maintained at 5 × 10 −7 Torr on the sulfur protective layer formed on the GaAs substrate.
이후, Pd 금속 증착시에 발생된 계면 반응부산물을 제거하기 위하여 Pd/GaAs 계면이 형성된 기판을 열처리 챔버에 장입한 후, 터보펌프를 이용하여 5×10-7 Torr의 진공 분위기를 유지하고, MFC(Mass Flow Controller) 가스 유량 조절기를 이용하여 수소 가스를 주입하여 500 mTorr 수소 분위기를 유지하였다.Subsequently, in order to remove the interfacial reaction by-products generated during the deposition of Pd metal, a substrate having a Pd / GaAs interface was charged into a heat treatment chamber, and then maintained in a vacuum atmosphere of 5 × 10 -7 Torr using a turbopump. (Mass Flow Controller) Hydrogen gas was injected using a gas flow controller to maintain a 500 mTorr hydrogen atmosphere.
이후, 그라파이트 발열체를 이용하여 10분간 열처리함으로써 수소화 처리를 실시하되, 동일한 조건으로 제조한 여러 시료에 대해 수소화 처리 과정에서 열처리 온도를 0 ~ 500℃ 내에서 각각 달리한 뒤 전류-전압(I-V)특성을 확인하였다. Subsequently, the hydrogenation treatment is performed by heat treatment using a graphite heating element for 10 minutes, but the current-voltage (IV) characteristics after varying the heat treatment temperature within 0 to 500 ° C. during the hydrogenation process for various samples prepared under the same conditions. It was confirmed.
여기서, Pd/GaAs 쇼트키 계면의 에너지 장벽 높이(Schottky barrier height) 및 역전압 누설전류값을 측정하여 그 측정값을 도 5의 A와 B 그래프로 각각 나타내었다.Here, the Schottky barrier height and the reverse voltage leakage current of the Pd / GaAs Schottky interface were measured and the measured values are shown in the A and B graphs of FIG. 5, respectively.
우선, 도 5의 A 그래프를 살펴보면, 열처리 전 Pd/GaAs 다이오드의 쇼트키 장벽 높이에 비해 열처리를 하는 경우에 상대적으로 높은 장벽 높이 값을 나타내었으며, 특히 200℃의 열처리부터 진공 열처리(Vacuum anneal)와 수소 열처리(H2-anneal)의 장벽 높이에 차이가 발생하였는 바, 동일한 열처리 조건에서 수소 열처리의 경우에 상대적으로 높은 값을 나타내었다. First, referring to the A graph of FIG. 5, the barrier height value is relatively high when the heat treatment is performed compared to the Schottky barrier height of the Pd / GaAs diode before heat treatment. The difference in the barrier height between H 2 -anneal and H 2 -anneal resulted in a relatively high value for hydrogen heat treatment under the same heat treatment conditions.
표면 유황 보호막 처리된 다이오드 경우(S-passivated)에 모든 열처리 온도에서 HCl 처리(HCl-treated)에 비해 상대적으로 높은 값을 나타내었으며, 400℃ 열처리시에 HCl 처리된 다이오드와 표면 유황 보호막 처리된 다이오드는 전기적 특성의 차이를 보였다. In the case of surface-sulfur-protected diodes (S-passivated), all of the heat-treatment temperatures were relatively higher than HCl-treated (HCl-treated diodes). Showed differences in electrical properties.
즉, HCl 처리된 다이오드의 경우 특성 퇴화가 관찰되는 반면, 표면 유황 보호막 처리된 다이오드는 일정한 쇼트키 장벽 높이를 유지하고 있다. In other words, in the case of HCl-treated diodes, characteristic degradation is observed, while surface-sulfur-protected diodes maintain a constant Schottky barrier height.
이는 계면의 유황 보호막이 열적 안정성을 제공하고 있기 때문이다.This is because the sulfur protective film at the interface provides thermal stability.
이후 500℃ 열처리 후 모든 쇼트키 다이오드는 오믹 특성을 보여 주고 있으나, 표면 유황 보호막 처리된 다이오드의 경우에는 더욱 낮은 쇼트키 장벽 높이를 보여주고 있다. After the heat treatment at 500 ° C, all Schottky diodes showed ohmic characteristics, but lower surface Schottky barrier heights were observed for the surface-sulfur-protected diodes.
이것은 계면의 유황 보호막이 붕괴되어지면서 GaAs 기판으로 확산해 들어가 고농도의 도우너 상태를 유도하기 때문이다. This is because the sulfur protective film at the interface collapses and diffuses into the GaAs substrate to induce a high concentration of donor state.
다음으로, 도 5의 B 그래프를 살펴보면, 역전압 누설전류는 장벽 높이의 변화와 거의 유사한 거동을 보여 주고 있으며, 따라서 유황 보호막 처리와 수소 열처리가 각각의 반응 기구에 의해 쇼트키 장벽 높이의 증가 및 역전압 누설전류의 감 소를 유도함을 확인하였다.Next, referring to the B graph of FIG. 5, the reverse voltage leakage current shows a behavior almost similar to the change of the barrier height, so that the sulfur protective film treatment and the hydrogen heat treatment increase the Schottky barrier height by the respective reaction mechanisms. It was confirmed that the reduction of reverse voltage leakage current was induced.
한편, 수소 열처리시에 발생되는 수소의 효과를 정확히 확인하기 위해서 동일한 조건으로 제조한 시료들에 대해서 진공 열처리와 수소 열처리의 효과를 비교하였다. On the other hand, in order to confirm the effect of hydrogen generated during the hydrogen heat treatment accurately, the effects of vacuum heat treatment and hydrogen heat treatment were compared for the samples prepared under the same conditions.
각 시료는 200℃에서 10분간 유지하여 열처리하였다. Each sample was maintained at 200 ° C. for 10 minutes and heat treated.
도 6의 A는 HCl 세정 후 제조된 Pd/GaAs 계면을, 도 6의 B는 유황화 처리된 계면을, 도 6의 C는 유황화 및 수소화 처리된 계면의 화학적 결합상태를 X-선 광전자 분광기를 이용하여 비파괴적으로 각각 측정한 결과이다.FIG. 6A is a Pd / GaAs interface prepared after HCl cleaning, FIG. 6B is a sulfur-treated interface, and FIG. 6C is a chemical bonding state of a sulfurized and hydrogenated interface. The results are measured nondestructively using the.
종래의 세정 방법을 이용한 경우, 대기중 노출에 의한 계면 산화막과 전극 증착시에 발생된 계면 반응부산물, 즉 과잉의 As(As-Pd 결합)가 계면에 축적되어 있는 것을 확인할 수 있었다(도 6의 A 참조). In the case of using the conventional cleaning method, it was confirmed that the interfacial reaction by-product generated during the deposition of the electrode and the interfacial oxide film due to exposure to the atmosphere, that is, excess As (As-Pd bond) was accumulated at the interface (Fig. 6). A).
이러한 계면 산화막은 유황 처리에 의해 완전히 제거될 수 있음을 확인하였으며(도 6의 B 참조), 또한 계면 반응부산물인 과잉의 As 화학종은 전극 증착 이후 수소 열처리에 의해 완전히 제거될 수 있음을 도 6의 C에서 확인할 수 있었다. It was confirmed that such an interfacial oxide film can be completely removed by sulfur treatment (see B of FIG. 6). Also, as a byproduct of an interfacial reaction by-product, excess As species can be completely removed by hydrogen heat treatment after electrode deposition. Was found in C.
따라서, 유황화 및 수소화 처리된 계면의 상태는 도 6의 C에서도 잘 나타나듯이 미량의 Ga-S 결합화학종 만이 존재함을 알 수 있다. Therefore, the sulfurized and hydrogenated interface state can be seen that only a trace amount of Ga-S binding species is present, as shown in Figure 6C.
일반적으로 계면 산화막과 과잉의 As 화학종은 GaAs 밴드갭 내에 결함준위를 형성하여 계면을 퇴화시키는 반면, Ga-S 결합화학종은 비결함준위로 작용하는 것으로 보고되어 있으며, 따라서 본 발명에 의한 공정으로 쇼트키 접합 계면 형성시에는 계면에 결함준위로 작용하는 화학종이 전혀 없게 됨을 알 수 있다.In general, the interfacial oxide film and the excess As species form defects in the GaAs bandgap to degrade the interface, while the Ga-S bonding species are reported to act as non-defective levels, and thus the process according to the present invention. As a result, when the Schottky junction interface is formed, no chemical species acting as a defect level at the interface can be seen.
이러한 Pd/GaAs 계면의 수소화 처리에 따른 계면의 과잉 As의 제거는 촉매 고체로 작용하는 Pd에 의한 수소분자의 분해, 분해된 수소의 계면부에서 과잉 As와의 원활한 반응 및 휘발성이 매우 뛰어난 As-H 화학종의 열역학적 제거로 이해될 수 있다.The removal of excess As at the interface due to the hydrogenation of the Pd / GaAs interface results in the decomposition of hydrogen molecules by Pd acting as a catalyst solid, the smooth reaction with excess As at the interface of the decomposed hydrogen, and As-H having excellent volatility. It can be understood as the thermodynamic removal of species.
한편, 도 7은 본 발명에 따른 유황화 처리와 진공 및 수소 열처리에 의한 GaAs MESFET 소자의 게이트 누설전류 특성(A) 및 -0.8V의 게이트 전압에서 드레인 전류-전압 특성(B)을 나타낸 도면이다.7 is a view showing the gate leakage current characteristics (A) and the drain current-voltage characteristics (B) at a gate voltage of -0.8 V of the GaAs MESFET device by sulfurization and vacuum and hydrogen heat treatment according to the present invention. .
도 7의 A는 게이트에 -0.8V를 가해 핀치-오프(pinch-off)시킨 후 드레인 전압에 따른 게이트 누설전류 특성을 나타낸 결과도이다. FIG. 7A is a result diagram showing gate leakage current characteristics according to drain voltage after pinch-off by applying -0.8V to a gate.
HCl 세정된 시료의 경우 약 2.6V 드레인 전압에서 애벌런취 항복(avalanche breakdown)이 일어나고 있음을 확인할 수 있으며, 표면 유황화 처리된 시료는 3V까지 더 낮은 누설전류 값을 유지하고 있음을 알 수 있다. In the case of HCl-cleaned samples, it can be seen that avalanche breakdown occurs at about 2.6V drain voltage, and the surface-sulfurized samples maintain lower leakage current values up to 3V.
특히, 수소 열처리의 경우 가장 낮은 게이트 누설전류 값을 나타내고 있다.In particular, the hydrogen heat treatment shows the lowest gate leakage current value.
따라서, 게이트 누설전류는 표면 유황화 처리 및 계면 수소화 처리에 의해 향상될 수 있음을 알 수 있는 것이다.Thus, it can be seen that the gate leakage current can be improved by the surface sulfuration treatment and the interfacial hydrogenation treatment.
또한 -0.8V의 게이트 전압에서 전류-전압(I-V) 특성을 비교하여 보면, 도 7의 B에 나타낸 바와 같이 표면 유황화 처리 및 계면 수소화 처리에 의한 시료의 드레인 전압이 가장 높게 나타나 표면 유황화 처리 및 계면 수소화 처리에 의한 소자 성능 향상이 있음을 알 수 있다.In addition, when comparing the current-voltage (IV) characteristics at a gate voltage of -0.8 V, as shown in FIG. 7B, the drain voltage of the sample by the surface sulfurization treatment and the surface hydrogenation treatment was the highest, resulting in surface sulfidation treatment. And it can be seen that there is an improvement in device performance by the interfacial hydrogenation treatment.
그리고, 도 8은 상기 조건과 동일한 표면 처리 과정을 거쳐 제작한 0.7㎛ 게 이트 길이(gate length)를 가지는 GaAs MESFET소자를 나타낸 것이며, 하측 도면은 상측의 소자(우측 사진)에서 표시된 구간의 단면도이다. 8 shows a GaAs MESFET device having a gate length of 0.7 μm fabricated through the same surface treatment process as the above conditions, and the lower figure is a cross-sectional view of a section shown in the upper device (right picture). .
American crystal technology(AXT) 사의 (100) 배향된 4 인치 GaAs 기판 위에 GCA 사의 i-line stepper를 이용하여 게이트 길이(gate length)가 0.7㎛이고 게이트 폭 (gate width)이 50㎛인 GaAs MESFET을 제작하였으며, 소자의 제작 공정은 다음과 같다. A GaAs MESFET with a gate length of 0.7 μm and a gate width of 50 μm was fabricated using a GCA i-line stepper on a (100) oriented 4 inch GaAs substrate from American crystal technology (AXT). The manufacturing process of the device is as follows.
반절연(Semi-Insulating, S.I.) GaAs 기판을 공정에 투입하기 전에 μ-asher를 이용하여 표면에 존재할 수 있는 유기물을 제거하였다. Semi-Insulating (S.I.) GaAs substrates were removed using a μ-asher to remove organic materials that may be present on the surface before the process.
소스와 드레인에 금속과 GaAs의 낮은 비접촉저항을 위하여 소스와 드레인 영역에 Si을 고농도로 주입하였으며, n-형 채널 형성을 위해 약 1×1017㎤ 농도의 Si을 이온 주입 장비를 이용하여 도핑하였다. In order to reduce the specific contact resistance of the metal and GaAs in the source and drain, Si was implanted at high concentration in the source and drain regions, and Si of about 1 × 10 17
소스와 드레인 사이에 형성되어 있는 채널 깊이는 약 200Å이다. The channel depth formed between the source and the drain is about 200 Hz.
이후, 소스와 드레인의 오믹 접촉은 Au-Ge-Ni 합금을 350℃ 열처리함으로써 형성하였다. Thereafter, ohmic contact between the source and the drain was formed by heat treating the Au-Ge-Ni alloy at 350 ° C.
게이트 길이는 0.7㎛, 게이트와 드레인 및 게이트와 소스 사이의 간격은 각각 1㎛, 그리고 게이트 폭은 50㎛로 드러나도록 PR 패턴을 형성하였다. The PR pattern was formed such that the gate length was 0.7 mu m, the gate and drain and the gap between the gate and source were 1 mu m, and the gate width was 50 mu m, respectively.
게이트 접촉 위에 노출된 GaAs 표면에 각각의 표면 처리 공정을 수행한 후, 게이트 전극을 전자선 증착 장비를 이용하여 형성하였다. After each surface treatment process was performed on the GaAs surface exposed on the gate contact, a gate electrode was formed using an electron beam deposition apparatus.
마지막으로 PR은 아세톤에 10분, IPA에 3분, 그리고 탈이온수에 3분간 세척 함으로써 완전하게 제거하였다. Finally, PR was completely removed by washing for 10 minutes in acetone, 3 minutes in IPA, and 3 minutes in deionized water.
상기의 유황화 및 수소화 처리를 게이트 형성 공정에 도입하여 최종 제작된 소자의 누설전류 및 항복전압 특성을 하기 표 1에 나타내었다. Table 1 shows the leakage current and breakdown voltage characteristics of the final fabricated device by introducing the sulfurization and hydrogenation processes into the gate forming process.
표 1에 나타낸 바와 같이, 유황화 및 수소화 처리를 한 Pd/GaAs 소자(S-passivated/hydrogenated)의 경우에서 누설전류 및 항복전압 특성이 가장 우수함을 확인하였으며, 이로써 Pd/GaAs 계면 불순물이 본 발명에 따른 유황화 및 수소화 처리를 통해 효과적으로 제거될 수 있음을 확인하였다.As shown in Table 1, in the case of sulfurized and hydrogenated Pd / GaAs devices (S-passivated / hydrogenated), the leakage current and breakdown voltage characteristics were found to be the best, whereby the Pd / GaAs interface impurities were present. It was confirmed that it can be effectively removed through the sulfurization and hydrogenation treatment according to.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 금속/GaAs 쇼트키 접합 계면 불순물 제거 방법에 의하면, 계면 산화물 발생 억제를 위한 유황화 처리 및 계면 반 응부산물 제거를 위한 수소화 처리를 복합적으로 적용함으로써, 종래의 HCl 용액으로 표면 처리(습식 세정)하는 경우에 비해 계면 불순물(산화물 및 반응부산물)을 효과적으로 제거할 수 있으며, 계면 불순물을 완전히 제거할 수 있게 됨에 따라 종래에 비해 특성이 우수한 소자를 제조할 수 있게 된다.As described above, according to the metal / GaAs Schottky junction interface impurity removal method according to the present invention, by applying the sulfurization treatment for suppressing the generation of interfacial oxide and the hydrogenation treatment for removing the interface reaction by-products, Compared to the case of surface treatment (wet cleaning) with HCl solution, the interface impurities (oxides and reaction by-products) can be removed more effectively, and the interface impurities can be removed completely. do.
또한 본 발명에 의하면, 원자 단위로 제어된 안정된 금속/GaAs 쇼트키 접합 형성으로 소자의 고속/고주파 동작의 신뢰성 및 재현성이 향상될 수 있고, 제품의 높은 수율을 보장할 수 있게 된다.In addition, according to the present invention, the formation of atomically controlled stable metal / GaAs Schottky junctions can improve the reliability and reproducibility of the high speed / high frequency operation of the device, and ensure high yield of the product.
이러한 본 발명의 불순물 제거 방법은 GaAs MESFET 소자 제조 공정에 효과적으로 적용될 수 있으며, 통신 소자, 초고속 논리회로 산업에 널리 적용 가능하다. The impurity removal method of the present invention can be effectively applied to the GaAs MESFET device manufacturing process, widely applicable to the communication device, ultra-fast logic circuit industry.
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