KR101334164B1 - High electron mobility transistors device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고-전자 이동도 트랜지스터 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 게이트 전극 하단부에 국소적으로 2DEG층을 공핍시켜 노멀리 오프 특성을 구현할 수 있는 고-전자 이동도 트랜지스터 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a high-electron mobility transistor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a high-electron mobility transistor device capable of realizing a normally off characteristic by depleting a 2DEG layer locally at a lower end of a gate electrode, and a method of manufacturing the same. It relates to a manufacturing method.
최근 전자산업의 눈부신 발전과 무선 정보통신기술의 발전은 개인 휴대용 단말기에서부터 상업용, 군사용 밀리미터파 집적소자에 이르기까지 그 수요가 점점 증가하고 있으며 이에 따라 대용량의 정보를 빠르게 처리하는 고도의 정보처리 기술이 가능한 고출력/고주파 소자가 절실히 요구되고 있다.Recently, the remarkable development of the electronics industry and the development of wireless information communication technology are increasing in demand from personal handheld terminals to commercial and military millimeter wave integrated devices. There is an urgent need for possible high power / high frequency devices.
일반적으로, 질화갈륨(GaN)계 물질은 다른 반도체 재료에 비하여 높은 밴드갭 에너지와 큰 전자포화 속도 및 우수한 열전도도 등으로 인해 차세대 고출력/ 고주파 특성이 요구되는 차세대 무선통신 및 위성 통신 시스템, 고온 및 내열성이 요구되는 엔진 제어시스템 등 기존의 반도체 재료로는 한계를 갖는 분야로 응용 범위가 확대되고 있다.In general, gallium nitride (GaN) -based materials have high band gap energy, high electron saturation rate, and excellent thermal conductivity compared to other semiconductor materials. The application range is expanding to the field which has limitation with existing semiconductor materials, such as an engine control system which requires heat resistance.
질화갈륨계 물질을 이용한 전력 소자의 종류로는, MESFET, HFET, HEMT, MOS-HFET, BJT 등이 있으며, 그 중 GaN/AlGaN 물질을 이용하는 고-전자 이동도 트랜지스터(High Electron Mobility Transistors, HEMT)는 높은 전자밀도, 높은 항복전압, 넓은 밴드갭, 큰 전도대 오프셋(off-set), 높은 전자이동도의 특징을 보이고 있다. Examples of power devices using gallium nitride-based materials include MESFETs, HFETs, HEMTs, MOS-HFETs, and BJTs, among which high-electron mobility transistors (HEMTs) using GaN / AlGaN materials. Is characterized by high electron density, high breakdown voltage, wide bandgap, large conduction band offset, and high electron mobility.
상기 HEMT 소자는 격자크기와 밴드갭 에너지가 서로 다른 AlGaN와 GaN 물질의 이종 결합으로 인한 압전효과(piezoelectric effect)에 의해서 형성되는 2차원 전자가스(Dimensional Electron Gas, 2DEG)층을 이용하고 있다. 상기 2DEG층은 드레인 전극과 소스 전극 사이의 전류통로로서 이용되며, 이 전류통로를 흐르는 전류는 게이트 전극에 인가되는 바이어스 전압에 의해 제어된다.The HEMT device uses a 2D Dimensional Electron Gas (2DEG) layer formed by a piezoelectric effect due to heterogeneous bonding of AlGaN and GaN materials having different lattice sizes and band gap energies. The 2DEG layer is used as a current path between the drain electrode and the source electrode, and the current flowing through the current path is controlled by a bias voltage applied to the gate electrode.
그러나, 전형적인 구조의 HEMT 소자는 노멀리 온(normally on) 특성을 갖는다. 노멀리 온 특성의 HEMT 소자를 오프(off) 상태로 하기 위해서는 게이트 전극을 음 전위로 하기 위한 마이너스 전원이 필요하게 되어 전기회로가 고가가 된다. 또한, 노멀리 온 특성의 HEMT는 구조의 특성상 2DEG층이 항상 존재하여 소자가 항상 켜져 있는 노멀리 온 상태를 유지하기 때문에 소자를 쓰기 위해서는 항상 전압을 가해주어야 하므로 대기 상태의 전력소모가 커서 스위치로 사용하기 어려운 점이 존재한다. However, a typical HEMT device has a normally on characteristic. In order to turn off the normally-on HEMT element, a negative power source for bringing the gate electrode to a negative potential is required, and the electric circuit becomes expensive. In addition, since the HEMT of the normally on characteristic has a 2DEG layer, the device always maintains the normally on state where the device is always on. Therefore, voltage must be applied to the device so that the power consumption in the standby state is large. It is difficult to use.
그래서, 종래의 기술에서는 노멀리 오프(normally off) 특성을 갖는 HEMT 소자에 대한 기술들이 제안되고 있으며, 그 중 한국공개특허 제10-2009-0029897호와 같이 HEMT 소자의 노멀리 오프 특성을 확보하기 위하여 게이트 하부면에 형성된 AlGaN층을 제거하는 리세스 구조의 HEMT 소자에 관한 방법 또는 한국공개특허 제10-2005-0087871호 같이 불소 플라즈마 처리 공정으로 2DEG층의 밀도를 최소화하는 것으로 HEMT 소자의 노멀리 오프 특성을 얻을 수 있는 방법들이 제시되고 있다. Therefore, in the prior art, techniques for HEMT devices having a normally off characteristic have been proposed, and among them, as shown in Korean Patent Publication No. 10-2009-0029897, to secure the normally off characteristics of an HEMT device. In order to minimize the density of the 2DEG layer by the method of the HEMT device of the recess structure to remove the AlGaN layer formed on the lower surface of the gate or the fluorine plasma treatment process, such as Korea Patent Publication No. 10-2005-0087871 Ways to achieve off characteristics have been proposed.
그러나, 상기의 한국공개특허 제10-2009-0029897호와 같이, HEMT 소자의 노멀리 오프 특성을 얻기 위하여 게이트 하단부의 AlGaN층을 식각하여 2DEG층을 제거하는 게이트 리세스 공정 기술은 미세한 AlGaN층의 식각이 요구되기 때문에 식각에 대한 어려움이 따르게 되고, 또한, 식각된 AlGaN층의 표면에 식각 데미지가 동반됨으로 표면 상태 밀도를 강화시키는 문제점이 따른다.However, as in the above-mentioned Korean Patent Publication No. 10-2009-0029897, the gate recess process technology of removing the 2DEG layer by etching the AlGaN layer at the lower end of the gate in order to obtain the normally off characteristic of the HEMT device is performed using a fine AlGaN layer. Since etching is required, there is a difficulty in etching, and there is also a problem that the surface state density is enhanced by etching damage accompanying the surface of the etched AlGaN layer.
또한, 상기의 한국공개특허 제10-2005-0087871호와 같이, 불소 플라즈마 처리 공정으로 2DEG층의 농도를 감소시키는 기술은 이온주입된 불소 이온의 확산으로 인한 2DEG층의 농도 조절에 어려움이 있게 되어 결과적으로 소자의 신뢰성, 재현성에서 문제점이 발생하게 된다. In addition, as described in Korean Patent Laid-Open No. 10-2005-0087871, the technique of reducing the concentration of the 2DEG layer by the fluorine plasma treatment process has difficulty in controlling the concentration of the 2DEG layer due to the diffusion of ion implanted fluorine ions. As a result, problems arise in the reliability and reproducibility of the device.
따라서, 당 기술분야에서는 상기와 같은 문제점이 발생하지 않으면서 HEMT 소자의 노멀리 오프 특성을 확보할 수 있는 새로운 방안이 요구되고 있다.
Therefore, there is a need in the art for a new way to secure the normally off characteristics of HEMT devices without the above problems.
본 발명은 게이트 전극을 식각 마스크로 이용하여 상기 게이트 전극의 하단 영역에 자기-정렬된 형태의 캡핑층을 형성하여 국소적으로 2DEG층을 공핍시킬 수 있는 노멀리 오프 특성의 고-전자 이동도 트랜지스터 소자 및 그 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention uses a gate electrode as an etch mask to form a self-aligned capping layer in a lower region of the gate electrode, thereby allowing a high-electron mobility transistor having a normally off characteristic to deplete a 2DEG layer locally. An object thereof is to provide a device and a method of manufacturing the same.
또한, 본 발명은 HEMT 소자의 노멀리 오프 특성을 구현하기 위한 캡핑층 형성시 AlGaN층 표면에 발생되는 표면 식각 데미지를 완화시킬 수 있는 노멀리 오프 특성의 고-전자 이동도 트랜지스터 소자 및 그 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
In addition, the present invention provides a high-electron mobility transistor device having a normally-off characteristic that can alleviate surface etching damage occurring on the surface of an AlGaN layer when forming a capping layer for implementing a normally-off characteristic of an HEMT device. The purpose is to provide.
본 발명은 기판; 상기 기판 상에 순차적으로 적층된 하부 반도체층과 상부 반도체층; 상기 상부 반도체층 상부에 형성된 캡핑층; 상기 캡핑층 상부에 형성된 게이트 전극; 및 상기 게이트 전극 양측에 형성된 소오스 전극과 드레인 전극;을 포함하며, 상기 캡핑층은 상기 게이트 전극을 식각 마스크로 이용하여 자기-정렬된 형태로 형성된 고-전자 이동도 트랜지스터 소자를 제공한다. The present invention relates to a substrate; A lower semiconductor layer and an upper semiconductor layer sequentially stacked on the substrate; A capping layer formed on the upper semiconductor layer; A gate electrode formed on the capping layer; And a source electrode and a drain electrode formed at both sides of the gate electrode, wherein the capping layer provides a high-electron mobility transistor device formed in a self-aligned form using the gate electrode as an etching mask.
상기 기판과 상기 하부 반도체층 사이에 버퍼층이 더 포함되고, A buffer layer is further included between the substrate and the lower semiconductor layer.
상기 하부 반도체층은 i형 질화갈륨계 반도체층으로 형성되고, 상기 상부 반도체층은 알루미늄을 포함하는 i형 질화갈륨계 반도체층으로 형성되고, The lower semiconductor layer is formed of an i-type gallium nitride-based semiconductor layer, the upper semiconductor layer is formed of an i-type gallium nitride-based semiconductor layer containing aluminum,
상기 상부 반도체층의 표면에 표면 손상 회복 영역이 구비되고, Surface damage recovery region is provided on the surface of the upper semiconductor layer,
상기 표면 손상 회복 영역은 전자빔 조사 방법으로 이루어지고, The surface damage recovery region is made of an electron beam irradiation method,
상기 캡핑층은 상기 게이트 전극의 하부 영역에만 형성되고, The capping layer is formed only in the lower region of the gate electrode,
상기 캡핑층은 p형 반도체층으로 형성되고, The capping layer is formed of a p-type semiconductor layer,
상기 p형 반도체층은 p형 질화갈륨계 반도체층으로 형성되고, The p-type semiconductor layer is formed of a p-type gallium nitride-based semiconductor layer,
상기 게이트 전극은 Ni, Pt, W, Pd, Cr, Cu, Au 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질 또는 이를 포함하는 혼합물로 이루어진다. The gate electrode is made of at least one material selected from Ni, Pt, W, Pd, Cr, Cu, Au, or a mixture containing the same.
또한, 본 발명은 기판 상에 순차적으로 하부 반도체층과 상부 반도체층을 형성하는 단계; 상기 상부 반도체층 상에 캡핑층 형성 물질을 증착하는 단계; 상기 캡핑층 형성 물질 상에 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극을 식각 마스크로 이용해서 상기 캡핑층 형성 물질을 식각하여 상기 상부 반도체층 상에 자기-정렬된 캡핑층을 형성하는 단계; 및 상기 자기-정렬된 캡핑층 양측의 상부 반도체층 상뷰에 소오스 전극과 드레인 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고-전자 이동도 트랜지스터 소자 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of sequentially forming a lower semiconductor layer and an upper semiconductor layer on a substrate; Depositing a capping layer forming material on the upper semiconductor layer; Forming a gate electrode on the capping layer forming material; Etching the capping layer forming material using the gate electrode as an etch mask to form a self-aligned capping layer on the upper semiconductor layer; And forming a source electrode and a drain electrode in an upper view of the upper semiconductor layer on both sides of the self-aligned capping layer.
상기 기판과 상기 하부 반도체층 사이에 버퍼층을 더 형성하고, A buffer layer is further formed between the substrate and the lower semiconductor layer,
상기 하부 반도체층은 i형 질화갈륨계 반도체층으로 형성하고, 상기 상부 반도체층은 알루미늄을 포함하는 i형 질화갈륨계 반도체층으로 형성하고, The lower semiconductor layer is formed of an i-type gallium nitride-based semiconductor layer, the upper semiconductor layer is formed of an i-type gallium nitride-based semiconductor layer containing aluminum,
상기 캡핑층은 상기 게이트 전극의 하부 영역에만 형성하고, The capping layer is formed only in the lower region of the gate electrode,
상기 캡핑층은 p형 반도체층으로 형성하고, The capping layer is formed of a p-type semiconductor layer,
상기 p형 반도체층은 p형 질화갈륨계 반도체층으로 형성하고, The p-type semiconductor layer is formed of a p-type gallium nitride-based semiconductor layer,
상기 게이트 전극은 Ni, Pt, W, Pd, Cr, Cu, Au 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질, 또는 이를 포함하는 혼합물로 형성하고, The gate electrode is formed of at least one material selected from Ni, Pt, W, Pd, Cr, Cu, Au, or a mixture containing the same,
상기 소오스 전극과 드레인 전극을 형성하는 단계 후, 상기 소오스 전극 및 드레인 전극이 형성된 전체 구조물에 전자빔을 조사하는 단계;를 더 포함한다. And after the forming of the source electrode and the drain electrode, irradiating an electron beam to the entire structure in which the source electrode and the drain electrode are formed.
상기 전자빔 조사는 50 내지 250W의 RF 파워와 50 내지 1500Ⅴ의 DC 파워를 인가하여 수행한다.
The electron beam irradiation is performed by applying RF power of 50 to 250 GHz and DC power of 50 to 1500 V.
본 발명은 게이트 전극 하단부에 자기-정렬된 형태의 캡핑층을 삽입하여 국소적으로 2DEG층을 공핍 시킴으로써, 게이트 전극에 바이어스 전압을 가하지 않은 상태에 있어서 소오스-드레인 전극 사이가 오프 상태가 되어 고-전자 이동도 트랜지스터를 노멀리 오프 상태로 구현할 수 있는 효과를 가진다. The present invention inserts a self-aligned capping layer at the bottom of the gate electrode to locally deplete the 2DEG layer, so that the source-drain electrode is turned off without applying a bias voltage to the gate electrode. The electron mobility transistor has an effect that can be implemented in the normally off state.
또한, 본 발명은 HEMT 소자의 노멀리 오프 특성을 얻기 위하여 게이트 전극 하단부에 캡핑층을 형성시키는 공정시, 게이트 전극의 하단 영역에만 형성될 수 있도록 상기 게이트 전극을 식각 마스크로 이용하여 자기-정렬된 형태의 캡핑층을 형성하기 때문에 추가적인 복잡한 공정을 거치지 않고 간단하게 캡핑층을 형성할 수 있게 되어, 이로 인해 소자의 제작 공정 단순화 및 공정 비용의 절감 효과를 얻을 수 있게 된다. In addition, the present invention is self-aligned using the gate electrode as an etch mask to be formed only in the lower region of the gate electrode in the process of forming a capping layer on the lower end of the gate electrode in order to obtain the normally off characteristics of the HEMT device Since the capping layer is formed, the capping layer can be simply formed without an additional complicated process, thereby simplifying the manufacturing process of the device and reducing the process cost.
게다가, 본 발명은 캡핑층이 형성된 HEMT 소자에 대해 전자빔 조사를 수행하여 상기 캡핑층이 형성된 상부 반도체층의 표면에 표면 손상 회복 영역이 형성되도록 함으로써, 게이트 전극을 식각 마스크로 이용하여 캡핑층을 형성하기 위한 식각 공정시에 발생될 수 있는 표면 식각 데미지를 상기 표면 손상 회복 영역을 통해 그 영향을 최소화시킬 수 있으므로, 이로 인해 상기 캡핑층을 형성하기 위한 식각 공정에 의해 발생될 수 있는 문제점들을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있게 된다.
In addition, according to the present invention, the surface damage recovery region is formed on the surface of the upper semiconductor layer on which the capping layer is formed by performing electron beam irradiation on the HEMT device on which the capping layer is formed, thereby forming the capping layer using the gate electrode as an etching mask. Since the surface etch damage that may occur during the etching process to minimize the effect through the surface damage recovery region, thereby avoiding problems that may be caused by the etching process for forming the capping layer The effect can be obtained.
도 1은 본 발명에 따른 HEMT 소자를 나타낸 도면.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 HEMT 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면. 1 shows a HEMT device in accordance with the present invention.
2A to 2E are views for explaining a method for manufacturing a HEMT device according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 고-전자 이동도 트랜지스터(HEMT) 소자 및 그 제조 방법에 대한 바람직한 실시의 예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of a high-electron mobility transistor (HEMT) device and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 전력 전자 소자에 관한 것으로, 바람직하게는 GaN층과 AlGaN층이 순차 적층되어 헤테로 구조(hetero-structure)를 이루는 HEMT 소자에 관한 것으로, 게이트 전극 하부에 자기-정렬(self-aligned)된 형태의 캡핑층을 삽입하여 소자의 채널로 사용되는 2DEG층의 일부를 공핍시키는 노멀리-오프(normally-off) HEMT 소자를 제공한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power electronic device. Preferably, the present invention relates to a HEMT device in which a GaN layer and an AlGaN layer are sequentially stacked to form a hetero-structure, and is self-aligned under a gate electrode. Provided is a normally-off HEMT device that inserts a capping layer in the form to deplete a portion of a 2DEG layer used as a channel of the device.
도 1은 본 발명에 따른 HEMT 소자를 나타낸 도면이다.1 is a view showing an HEMT device according to the present invention.
도 1을 참조하면, 상기 HEMT 소자는 기판(100) 상에 순차적으로 적층된 버퍼층(110), 하부 반도체층(120) 및 상부 반도체층(130)을 포함하며, 쇼트키 전극으로 게이트 전극(150G), 오믹 전극으로 소오스 전극(150S) 및 드레인 전극(150D)이 형성되고, 상기 게이트 전극(150G)의 하부 영역에 상기 게이트 전극(150G)을 식각 마스크로 이용하여 자기-정렬된 형태의 캡핑층(capping layer,140C)이 형성된다. Referring to FIG. 1, the HEMT device includes a
그리고, 상기 상부 반도체층(130)의 표면에는 표면 손상 회복 영역(160)이 더 구비될 수 있으며, 상기 표면 손상 회복 영역(160)은 50 내지 250W의 RF 파워와 50 내지 1500Ⅴ의 DC 파워를 사용하는 전자빔 조사(E-beam irradiation) 방법으로 이루어지도록 한다. In addition, a surface
상기 하부 반도체층(120)은 i형(intrinsic-type) 질화갈륨계 반도체층으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는, 고저항성 i형 GaN층으로 형성될 수 있다. 상기 상부 반도체층(130)은 상기 하부 반도체층(120)과 격자 상수가 다른 알루미늄을 포함하는 i형 질화갈륨계 반도체층으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는, i형 AlGaN층으로 형성될 수 있다. 상기 하부 반도체층(120) 및 상부 반도체층(130)은 하부 반도체층 및 상부 반도체층 사이에 2DEG층을 생성할 수 있음 정도의 격자상수 차를 갖는 것이면, 상기 예시한 화합물 반도체층 외에 다른 화합물 반도체층이나 다른 물질층으로 형성될 수 있다.The
상기 하부 반도체층(120) 및 상부 반도체층(130) 사이의 격자상수 차이에 따라 하부 반도체층 및 상부 반도체층이 형성되는 과정에서 하부 반도체층(130)과 접촉되는 상부 반도체층(140)의 계면에 분극장(polarization)이 생성된다. 이러한 분극장에 의해 하부 반도체층(130)의 계면에 높은 전자 이동도와 높은 캐리어 농도를 가지는 2DEG층(미도시)이 형성된다. 상기 2DEG층은 소오스 전극(150S)과 드레인 전극(150D) 사이에서 전류가 흐를 수 있도록 하는 채널로서 작용하게 된다. An interface of the
그러나, 상기 2DEG층이 형성되는 구조의 전형적인 HEMT 소자는 노멀리 온(normally on) 특성이 있기 때문에 소자를 쓰기 위해서는 항상 전압을 가해주어야 하므로 대기 상태의 전력소모가 커서 스위치로 사용하기 어려운 점이 존재하게 되면서, 종래에서는 채널층으로 사용되는 2DEG층의 일부를 제거하는 것으로 HEMT 소자의 노멀리-오프(normally-off) 특성을 얻도록 하는 기술들이 제안되고 있다. However, since a typical HEMT device having a 2DEG layer is formed on a normally on characteristic, a voltage must always be applied in order to use the device, so that power consumption in a standby state is difficult to use as a switch. In the related art, techniques for obtaining a normally-off characteristic of a HEMT device have been proposed by removing a part of a 2DEG layer used as a channel layer.
그래서, 본 발명은 상기 게이트 전극(150G) 하부에 자기-정렬된 형태의 캡핑층(140C)을 형성하여 2DEG층을 공핍 시키는 것으로 HEMT 소자의 노멀리 오프 특성을 구현하도록 하였다.Thus, the present invention is to form a self-aligned
상기 자기-정렬된 형태로 형성된 캡핑층(140C)은 상기 게이트 전극(150G) 아래에 존재하면서 문턱 전압을 효과적으로 증가시키기 때문에 상기 캡핑층(140C) 하단 영역에 형성된 2DEG층을 완전히 제거하거나 상기 2DEG층의 전자 농도를 감소시켜서 국소적으로 2DEG층을 공핍 상태로 만들 수 있게 된다. Since the
이처럼, 본 발명은 상기 게이트 전극(150G)의 하부 영역에 형성된 캡핑층(140C)을 통해서 전자가 이동하는 채널통로인 2DEG층을 적어도 부분적(상기 게이트 전극 하단부에 형성된 2DEG층 영역)으로 불연속하게 만들 수 있는 것이다. As such, the present invention makes the 2DEG layer, which is a channel passage through which electrons move through the
따라서, 소오스 전극(150S)과 드레인 전극(150D) 사이의 전류가 흐르는 채널 역할을 하는 2DEG층이 게이트 전극 하부에서는 끊어지게 되어 소오스 전극과 드레인 전극 사이에 전류가 흐를 수 없게 되고, 이 때문에 게이트 전극에 바이어스 전압을 가하지 않은 상태에 있어서 소오스-드레인 전극 사이가 오프(off) 상태가 되어, 고-전자 이동도 트랜지스터가 노멀리 오프 상태로 동작하게 되는 것이다.Therefore, the 2DEG layer, which serves as a channel through which the current flows between the
또한, 본 발명은 상기 소오스 전극(150S) 및 드레인 전극(150D) 영역에는 여전히 고농도의 2DEG층을 유지할 수 있어 저항을 최소화할 수 있게 되므로, 고출력 전자 소자를 형성시킬 수 있다.In addition, the present invention can maintain a high concentration of 2DEG layer in the
아울러, 본 발명은 HEMT 소자의 노멀리 오프 특성을 얻기 위하여 게이트 전극 하단부에 캡핑층을 형성시키는 공정시, 게이트 전극의 하단 영역에만 형성될 수 있도록 상기 게이트 전극을 식각 마스크로 이용하여 자기-정렬된 형태의 캡핑층을 형성하기 때문에, 추가적인 복잡한 공정을 거치지 않고 간단하게 캡핑층을 형성할 수 있게 되어, 이로 인해 소자의 제작 공정 단순화 및 공정 시간을 단축 시킬 수 있게 된다. In addition, in the process of forming a capping layer on the lower end of the gate electrode in order to obtain the normally off characteristics of the HEMT device, the self-aligned by using the gate electrode as an etching mask to be formed only in the lower region of the gate electrode Since the capping layer is formed, the capping layer can be simply formed without additional complicated processes, thereby simplifying the manufacturing process of the device and shortening the process time.
게다가, 본 발명은 상기 자기-정렬된 형태의 캡핑층이 형성되는 상부 반도체층의 표면에 전자빔의 에너지가 상부 반도체층(130)의 표면으로 에너지 전달이 이루어져서 상부 반도체층 구성 성분들의 확산이 가능하게 되고, 또한 상부 반도체층의 표면에 존재하는 수소 결함들이 보상되는 것에 의해서 회복되거나 완화되어 표면 손상 회복 영역이 형성되기 때문에 상기 표면 손상 회복 영역(160)을 통해 상부 반도체층인 AlGaN층에서 발생할 수 있는 표면 식각 데미지 현상을 회복할 수 있어, 이로 인해 식각 데미지에 인한 표면 상태 밀도 강화의 문제점을 방지할 수 있게 된다.In addition, the present invention is the energy transfer of the electron beam to the surface of the
통상적으로, HEMT 소자의 노멀리 오프 특성을 얻기 위하여 게이트 전극 하단부에 캡핑층을 형성시키는 공정시, p형 GaN층 또는 p형 AlGaN층으로 이루어진 캡핑층에 대한 식각 프로세스로 건식 식각을 수행하게 되는데, 이때, 상기 건식 식각 공정시 AlGaN층의 표면에 식각 데미지로 인한 표면 상태 밀도 강화의 문제점이 발생할 수 있다. Typically, during the process of forming the capping layer at the lower end of the gate electrode in order to obtain a normally off characteristic of the HEMT device, dry etching is performed by an etching process on a capping layer made of a p-type GaN layer or a p-type AlGaN layer. In this case, the dry etching process may cause a problem of surface state density enhancement due to etching damage on the surface of the AlGaN layer.
그러나, 본 발명에서는 상기 캡핑층이 형성된 HEMT 소자에 대해 전자빔 조사를 수행하여 상기 캡핑층이 형성된 상부 반도체층의 표면에 표면 손상 회복 영역이 형성되도록 하였다. 따라서, 상기 캡핑층을 형성하기 위한 식각 공정시 AlGaN층에서 발생될 수 있는 표면 식각 데미지는 상기 표면 손상 회복 영역을 통해 그 영향이 최소화 될 수 있으므로, 이로 인해 상기 캡핑층을 형성하기 위한 식각 공정에 의해 발생될 수 있는 문제점, 즉, 식각 데미지로 인한 표면 상태 밀도 강화의 문제점을 방지할 수 있게 된다.However, in the present invention, the surface damage recovery region is formed on the surface of the upper semiconductor layer on which the capping layer is formed by performing electron beam irradiation on the HEMT device on which the capping layer is formed. Therefore, since the surface etching damage that may be generated in the AlGaN layer during the etching process for forming the capping layer may be minimized through the surface damage recovery region, the etching process for forming the capping layer is thereby performed. It is possible to prevent a problem that may be caused by, namely, a problem of strengthening the surface state density due to etching damage.
그리고, 상기 캡핑층(140C)은 p형 반도체층으로 형성될 수 있고, 바람직하게는 p형 질화갈륨계 반도체층으로 형성될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 소자의 문턱 전압을 효과적으로 증가시켜 국소적으로 2DEG층을 공핍 시킬 수 있는 p형 GaN층 또는 p형 AlGaN층으로 형성될 수 있다. In addition, the
또한, 상기 캡핍층(140C)은 상기 게이트 전극(150G)의 하부 영역에만 형성되도록 하여 그 면적이 동일하거나 유사하도록 한다. 만약, 상기 캡핑층(140C)이 상기 게이트 전극의 면적 보다 큰 면적으로 형성되는 경우라면 소자의 채널층 전체에 공핍 상태가 이루어지게 되면서 이로 인하여 소자의 온 커런트(on-current) 하향 현상이 나타날 수 있게 되고, 상기 캡핑층이 상기 게이트 전극의 면적 보다 너무 작은 면적으로 형성되는 경우에는 원하는 영역에서 2DEG층의 공핍 상태를 얻을 수 없게 되므로 이로 인하여 HEMT 소자의 노멀리 오프 특성 구현이 어렵게 될 수 있다.
In addition, the
도 2a 내지 도 2e를 참조하여 본 발명에 따른 HEMT 소자의 제조 방법에 대해 자세히 설명하도록 한다. A method of manufacturing an HEMT device according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2A to 2E.
도 2a를 참조하면, Si, SiC 등과 같은 기판(100) 상에 계면 스트레스를 낮추기 위한 완충층으로 버퍼층(110)을 형성한 후, 상기 버퍼층(110) 상에 하부 반도체층(120) 및 상부 반도체층(130)을 적층으로 형성한다. Referring to FIG. 2A, after forming a
상기 하부 반도체층(120)과 상부 반도체층(130)은 분극율이 다르고 밴드갭이 다른 반도체층으로 형성할 수 있다. 바람직하게, 상기 하부 반도체층(120)은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 재료 중에서 고저항성의 i형 GaN층으로 형성하고, 상기 상부 반도체층(130)은 알루미늄을 포함하는 질화갈륨계 반도체 물질인 i형 AlGaN층으로 형성하도록 한다. 상기 상부 반도체층(130)은 상기 하부 반도체층(120)과 밴드갭이 서로 다른 물질로 형성되어 헤테로 접합을 이루게 되고, 상기 상이한 밴드갭을 갖는 두 반도체 물질의 헤테로 접합에 의해 상기 하부 반도체층 부분에 2DEG층이 형성하게 된다. The
이어서, 상기 상부 반도체층(130) 상에 캡핑층 형성 물질(140)을 증착한다. 상기 캡핑층 형성 물질(140)은 p형 반도체 물질을 사용하여 증착하고, 바람직하게는 p형 질화갈륨계 반도체 물질을 사용하여 증착하고, 더욱 바람직하게는 소자의 문턱 전압을 효과적으로 증가시켜 국소적으로 2DEG층을 공핍 시킬 수 있는 p형 GaN 물질 또는 p형 AlGaN 물질을 사용하여 증착하도록 한다.
Subsequently, a capping
도 2b를 참조하면, 상기 캡핑층 형성 물질(140) 상에 게이트 형성 영역을 노출시키는 PR 마스크(photoresist mask)를 형성한 후, 상기 PR 마스크를 포함하여 상기 캡핑층 형성 물질 상에 게이트 전극 형성 물질을 증착한다. 상기 게이트 전극 형성 물질로서는 반도체 물질과 쇼트키(Schottky) 접촉을 이룰 수 있는 물질, 예를 들어, Ni, Pt, W, Pd, Cr, Cu, Au 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질 또는 이룰 포함하는 혼합물이 사용될 수 있다. Referring to FIG. 2B, after forming a photoresist mask exposing a gate formation region on the capping
이어서, 상기 PR 마스크에 대해 리프트-오프(lift-off) 공정을 수행하여 상기 PR 마스크 및 상기 PR 마스크 상에 형성된 게이트 형성 물질을 제거함으로써, 상기 캡핑층 형성 물질의 게이트 형성 영역 상에 게이트 전극을 형성한다.Subsequently, a gate electrode is formed on the gate forming region of the capping layer forming material by performing a lift-off process on the PR mask to remove the PR mask and the gate forming material formed on the PR mask. Form.
본 발명에서는 상기 리프트-오프 공정을 통해 상기 게이트 전극을 형성함에 따라 게이트 형성 물질에 대하여 별도의 패터닝 공정을 수행하지 않고도 게이트 전극을 형성할 수 있게 되므로, 이러한 공정에 의해 공정의 단순화를 얻을 수 있게 된다.In the present invention, as the gate electrode is formed through the lift-off process, the gate electrode can be formed without performing a separate patterning process for the gate forming material, thereby simplifying the process. do.
한편, 상기 게이트 전극을 형성하는 제조 공정이 상기 리프트-오프 공정에 한정되는 것은 아니고, PR 마스크 및 하드 마스크(Hard mask)를 사용하는 패터닝 공정으로 수행하는 것도 가능하다. 즉, 상기 게이트 형성 물질 상에 하드 마스크 및 PR 마스크를 형성하고, 상기 마스크들을 이용하여 게이트 전극 형성 물질을 식각하는 방법을 통해 게이트 전극을 형성할 수도 있다.
On the other hand, the manufacturing process for forming the gate electrode is not limited to the lift-off process, it is also possible to perform a patterning process using a PR mask and a hard mask (Hard mask). That is, the gate electrode may be formed by forming a hard mask and a PR mask on the gate forming material and etching the gate electrode forming material using the masks.
도 2c를 참조하면, 상기 게이트 전극(150G)을 식각 마스크로 사용하여 상기 캡핑층 형성 물질을 자기-정렬 방식으로 식각해서 상기 상부 반도체층(130) 상에 자기-정렬된 형태로 형성된 캡핑층(140C)을 형성한다. Referring to FIG. 2C, the capping layer forming material may be etched in a self-aligned manner using the
여기서, 본 발명은 HEMT 소자의 노멀리 오프 특성을 얻기 위하여 게이트 전극 하단부에 소자의 문턱 전압을 효과적으로 증가시켜 국소적으로 2DEG층을 공핍 시킬 수 있는 p형 반도체층으로 이루어진 자기-정렬된 형태의 캡핑층을 형성하도록 하였다.Here, the present invention provides a self-aligned cap made of a p-type semiconductor layer capable of locally depleting the 2DEG layer by effectively increasing the threshold voltage of the device at the bottom of the gate electrode in order to obtain the normally off characteristic of the HEMT device. An ping layer was formed.
상기 캡핑층(140C)의 형성으로 상기 하부 반도체층(120)과 상부 반도체층(130) 사이의 격자 상수 차이가 감소하게 되고 압전 효과가 사라지게 되면서 캡핑층(140C) 하부 영역에만 국소적으로 2DEG층이 공핍 상태가 되고, 이러한 국소적인 2DEG층의 공핍에 의하여 2DEG층이 끊어지게 되어 소오스 전극과 드레인 전극 사이에 전류가 흐를 수 없게 된다. 이 때문에 게이트 전극에 바이어스 전압을 가하지 않은 상태에 있어서 소오스-드레인 전극 사이는 오프(off) 상태가 되어 HEMT 소자는 노멀리 오프 상태를 구현할 수 있게 된다.The formation of the
또한, 본 발명은 HEMT 소자의 노멀리 오프 특성을 얻기 위하여 게이트 전극 하단부에 캡핑층을 형성시키는 공정시, 캡핑층 형성 물질 상에 게이트 전극을 형성한 후에 상기 게이트 전극을 식각 마스크로 이용하여 자기-정렬된 형태의 캡핑층을 형성하기 때문에 상기 캡핑층을 식각하기 위한 추가적인 마스크 공정 및 패터닝 공정이 필요하지 않게 되므로, 추가적인 복잡한 공정을 거치지 않고 캡핑층이 게이트 전극의 하부 영역에만 자동적으로 형성 및 정렬되어 간단하게 캡핑층을 형성할 수 있게 된다.In addition, in the process of forming the capping layer on the lower end of the gate electrode in order to obtain the normally off characteristics of the HEMT device, after forming the gate electrode on the capping layer forming material using the gate electrode as an etching mask The formation of an aligned capping layer eliminates the need for additional masking and patterning processes to etch the capping layer, thereby automatically forming and aligning the capping layer only in the lower region of the gate electrode without additional complicated processes. The capping layer can be formed simply.
이러한 공정에 의하여 본 발명은 소자의 제작 공정 간소화 및 공정 시간의 단축 등의 장점을 가지면서 HEMT 소자의 노멀이 오프 특성을 구현할 수 있게 된다. By this process, the present invention can realize the off-characteristics of the HEMT device while having advantages such as simplifying the device manufacturing process and shortening the process time.
그리고, 상기 캡핑층(140C)은 상기 게이트 전극의 하부 영역에만 형성되도록 하여 그 면적이 동일하거나 유사하도록 한다. 만약, 상기 캡핑층(140C)이 상기 게이트 전극의 면적 보다 큰 면적으로 형성되는 경우라면 소자의 채널층 전체에 공핍 상태가 이루어지게 되면서 이로 인하여 소자의 온 커런트(on-current) 하향 현상이 나타날 수 있게 되고, 상기 캡핍층이 상기 게이트 전극의 면적 보다 너무 작은 면적으로 형성되는 경우에는 원하는 영역에서 2DEG층의 공핍 상태를 얻을 수 없게 되므로 이로 인하여 HEMT 소자의 노멀리 오프 특성 구현이 어렵게 될 수 있다.
In addition, the
도 2d를 참조하면, 상기 캡핑층(140C)과 게이트 전극(150G)이 적층으로 형성된 상기 상부 반도체층(130) 상에 주어진 간격으로 이격된 오믹 전극인 소오스 전극(150S) 및 드레인 전극(150D)을 형성하여 본 발명에 따른 HEMT 소자를 제조한다. 상기 소오스 전극(150S) 및 드레인 전극(150D)은 Ta/Ti/Al/Ni/Au 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 금속을 사용하여 단층 또는 적층 구조로 형성할 수 있다.
Referring to FIG. 2D, a
도 2e를 참조하면, 상기 소오스 전극(150S)과 드레인 전극(150D)이 형성된 전체 구조물에 전자빔 조사(E-beam irradiation)를 수행한다. 상기 전자빔 조사는 50 내지 250W의 RF 파워와 50 내지 1500Ⅴ의 DC 파워를 인가하여 수행하는 것이 바람직하다. 상기 RF 파워는 전자빔의 density를 조절하고, DC 파워는 전자빔을 가속시키는 기능을 수행하는데, RF 파워와 DC 파워를 둘다 사용하거나, 둘 중에 어느 하나를 선택적으로 사용하는 것이 가능하다. 이때, 상기 전자빔 조사에 의해서 상기 상부 반도체층인 AlGaN층 표면에 존재하는 수소 결함(hydrogen defect)들이 감소하게 되면서 상기 상부 반도체층(130)의 표면에 표면 손상 회복 영역(160)이 형성하게 된다. Referring to FIG. 2E, E-beam irradiation is performed on the entire structure in which the
즉, 식각 과정에서 발생되는 상부 반도체층(130)의 표면 손상은 낮은 에너지의 전자빔을 조사함으로써, 전자빔의 에너지가 상부 반도체층(130)의 표면으로 에너지 전달이 이루어져서 상부 반도체층 구성 성분들의 확산이 가능하게 되고, 또한 상부 반도체층의 표면에 존재하는 전자결함들이 보상되는 것에 의해서 회복되거나 완화되어 표면 손상 회복 영역(160)이 생성된다.That is, the surface damage of the
본 발명은 상기 캡핑층(140C)이 형성된 HEMT 소자에 대해 RF 파워와 DC 파워를 사용하는 전자빔 조사를 수행하여 상기 캡핑층(140C)이 형성된 상부 반도체층(130)의 표면에 표면 손상 회복 영역(160)을 형성함으로써, 상기 게이트 전극(150G)을 식각 마스크로 이용하여 캡핑층(140C)을 형성하기 위한 식각 공정시 상부 반도체층(130)인 AlGaN층의 표면에서 발생될 수 있는 표면 식각 데미지는 상기 표면 손상 회복 영역(160)을 통해 회복 및 제거되므로, 이로 인해 상기 캡핑층(140C)을 형성하기 위한 식각 공정에 의해 발생될 수 있는 문제점들을 방지할 수 있게 되어 HEMT 소자의 광학적 특성 및 전기적 특성을 향상시켜 소자의 안정성과 효율을 증대시킬 수 있다.
According to an exemplary embodiment of the present invention, an electron beam irradiation using RF power and DC power is performed on an HEMT device on which the
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but many variations and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. The scope of which is set forth in the appended claims.
100: 기판 110: 버퍼층
120: 하부 반도체층 130: 상부 반도체층
140C: 캡핑층 140: 캡핑층 형성 물질
150S: 소오스 전극 150D: 드레인 전극
150G: 게이트 전극
160: 표면 손상 회복 영역100: substrate 110: buffer layer
120: lower semiconductor layer 130: upper semiconductor layer
140C: capping layer 140: capping layer forming material
150S:
150G: gate electrode
160: surface damage recovery area
Claims (18)
상기 기판 상에 순차적으로 적층된 하부 반도체층과 상부 반도체층;
상기 상부 반도체층 상부에 형성된 캡핑층;
상기 캡핑층 상부에 형성된 게이트 전극; 및
상기 게이트 전극 양측에 형성된 소오스 전극과 드레인 전극;을 포함하며,
상기 캡핑층은 상기 게이트 전극을 식각 마스크로 이용하여 자기-정렬된 형태로 형성되고,
상기 상부 반도체층의 표면에는 전자빔 조사 방법으로 형성된 표면 손상 회복 영역이 구비된 고-전자 이동도 트랜지스터 소자.
Board;
A lower semiconductor layer and an upper semiconductor layer sequentially stacked on the substrate;
A capping layer formed on the upper semiconductor layer;
A gate electrode formed on the capping layer; And
And a source electrode and a drain electrode formed at both sides of the gate electrode.
The capping layer is formed in a self-aligned form using the gate electrode as an etching mask,
And a surface damage recovery region formed on the surface of the upper semiconductor layer by an electron beam irradiation method.
상기 기판과 상기 하부 반도체층 사이에 버퍼층이 더 포함된 고-전자 이동도 트랜지스터 소자.
The method of claim 1,
The high electron mobility transistor device further comprises a buffer layer between the substrate and the lower semiconductor layer.
상기 하부 반도체층은 i형 질화갈륨계 반도체층으로 형성되고, 상기 상부 반도체층은 알루미늄을 포함하는 i형 질화갈륨계 반도체층으로 형성된 고-전자 이동도 트랜지스터 소자.
The method of claim 1,
And the lower semiconductor layer is formed of an i-type gallium nitride based semiconductor layer, and the upper semiconductor layer is formed of an i-type gallium nitride based semiconductor layer including aluminum.
상기 캡핑층은 상기 게이트 전극의 하부 영역에만 형성된 고-전자 이동도 트랜지스터 소자.
The method of claim 1,
And the capping layer is formed only in a lower region of the gate electrode.
상기 캡핑층은 p형 반도체층으로 형성된 고-전자 이동도 트랜지스터 소자.
The method according to any one of claims 1 to 3 or 6,
The capping layer is a high-electron mobility transistor device formed of a p-type semiconductor layer.
상기 p형 반도체층은 p형 질화갈륨계 반도체층으로 형성된 고-전자 이동도 트랜지스터 소자.
The method of claim 7, wherein
The p-type semiconductor layer is a high-electron mobility transistor device formed of a p-type gallium nitride-based semiconductor layer.
상기 게이트 전극은 Ni, Pt, W, Pd, Cr, Cu, Au 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질 또는 이를 포함하는 혼합물로 이루어진 고-전자 이동도 트랜지스터 소자.
The method of claim 1,
The gate electrode is a high-electron mobility transistor device consisting of at least one material selected from Ni, Pt, W, Pd, Cr, Cu, Au or a mixture containing the same.
상기 상부 반도체층 상에 캡핑층 형성 물질을 증착하는 단계;
상기 캡핑층 형성 물질 상에 게이트 전극을 형성하는 단계;
상기 게이트 전극을 식각 마스크로 이용해서 상기 캡핑층 형성 물질을 식각하여 상기 상부 반도체층 상에 자기-정렬된 캡핑층을 형성하는 단계; 및
상기 자기-정렬된 캡핑층 양측의 상부 반도체층 상부에 소오스 전극과 드레인 전극을 형성하는 단계; 및
상기 소오스 전극 및 드레인 전극이 형성된 전체 구조물에 전자빔을 조사하는 단계;를 포함하는 것을 고-전자 이동도 트랜지스터 소자 제조 방법.
Sequentially forming a lower semiconductor layer and an upper semiconductor layer on the substrate;
Depositing a capping layer forming material on the upper semiconductor layer;
Forming a gate electrode on the capping layer forming material;
Etching the capping layer forming material using the gate electrode as an etch mask to form a self-aligned capping layer on the upper semiconductor layer; And
Forming a source electrode and a drain electrode over the upper semiconductor layer on both sides of the self-aligned capping layer; And
And irradiating an electron beam to the entire structure in which the source electrode and the drain electrode are formed.
상기 기판과 상기 하부 반도체층 사이에 버퍼층을 더 형성하는 고-전자 이동도 트랜지스터 소자 제조 방법.
11. The method of claim 10,
And forming a buffer layer between the substrate and the lower semiconductor layer.
상기 하부 반도체층은 i형 질화갈륨계 반도체층으로 형성하고, 상기 상부 반도체층은 알루미늄을 포함하는 i형 질화갈륨계 반도체층으로 형성하는 고-전자 이동도 트랜지스터 소자 제조 방법.
11. The method of claim 10,
The lower semiconductor layer is formed of an i-type gallium nitride-based semiconductor layer, and the upper semiconductor layer is formed of an i-type gallium nitride-based semiconductor layer containing aluminum.
상기 캡핑층은 상기 게이트 전극의 하부 영역에만 형성하는 고-전자 이동도 트랜지스터 소자 제조 방법.
11. The method of claim 10,
And the capping layer is formed only in a lower region of the gate electrode.
상기 캡핑층은 p형 반도체층으로 형성하는 고-전자 이동도 트랜지스터 소자 제조 방법.
The method according to any one of claims 10 to 13,
And the capping layer is formed of a p-type semiconductor layer.
상기 p형 반도체층은 p형 질화갈륨계 반도체층으로 형성하는 고-전자 이동도 트랜지스터 소자 제조 방법.
15. The method of claim 14,
And the p-type semiconductor layer is formed of a p-type gallium nitride-based semiconductor layer.
상기 게이트 전극은 Ni, Pt, W, Pd, Cr, Cu, Au 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질, 또는 이를 포함하는 혼합물로 형성하는 고-전자 이동도 트랜지스터 소자 제조 방법.
11. The method of claim 10,
The gate electrode is formed of at least one material selected from Ni, Pt, W, Pd, Cr, Cu, Au, or a mixture comprising the same.
상기 전자빔 조사는 50 내지 250W의 RF 파워와 50 내지 1500Ⅴ의 DC 파워를 인가하여 수행하는 고-전자 이동도 트랜지스터 소자 제조 방법.11. The method of claim 10,
The electron beam irradiation is a method of manufacturing a high-electron mobility transistor device is performed by applying a RF power of 50 to 250 GHz and a DC power of 50 to 1500V.
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