KR101376221B1 - Nitride Semiconductor and Fabricating Method Thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화물 반도체 소자 및 그 소자의 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 소자는 서로 다른 전기적 특성을 갖는 적어도 둘 이상의 질화물계 전극 접합층과, 두 개의 상기 전극 접합층 사이에 배치되는 장벽층을 포함하는 반도체층; 서로 다른 전기적 특성의 상기 전극 접합층에 각각 접촉하는 제1 전극 및 제2 전극; 상기 장벽층에 접촉하여 형성되는 절연층; 및 상기 절연층상에 형성된 제3 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a nitride semiconductor device and a method for manufacturing the device, the nitride semiconductor device according to an embodiment of the present invention between at least two or more nitride-based electrode bonding layer having different electrical characteristics, and between the two electrode bonding layer A semiconductor layer comprising a barrier layer disposed on the semiconductor layer; First and second electrodes respectively contacting the electrode bonding layers having different electrical characteristics; An insulating layer formed in contact with the barrier layer; And a third electrode formed on the insulating layer.
Description
본 발명은 질화물 반도체 소자 및 그 소자의 제조 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 예컨대 터널링 효과를 이용한 질화물 트랜지스터로서 가전자대(valence band) 내의 전자를 이용하여 소자의 특성을 개선하고 장벽층을 통해 누설(off-leakage) 전류를 감소시킬 수 있는 질화물 반도체 소자 및 그 소자의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
터널링 전계효과 트랜지스터(TFET)는 일본의 히타치와 영국의 캠브리지 대학에서 그 개념이 최초로 제안되었으나, 1990년대에는 기존의 MOSFET 축소화가 무리없이 진행되었고 에너지 문제도 심각하지 않은 상황이었으므로 터널링 트랜지스터는 그다지 널리 연구되지는 못하였다. 그러나, 2000년대에 들어서면서 MOSFET의 축소화에 한계가 임박하게 되고, 에너지 문제도 심각해지면서, 이에 대한 해법의 하나로 터널링 트랜지스터 연구는 다시 각광을 받게 되었다. 이는 반도체 소자의 크기가 작아지고 성능이 향상되는 반대 급부로 전력의 소모가 증가하면서, 기존의 MOSFET을 대체하거나 보완할 소자 개발의 필요성이 대두하였기 때문이다.Tunneling field effect transistors (TFETs) were first proposed by Hitachi in Japan and Cambridge University in England, but in the 1990s, conventional MOSFET miniaturization was unreasonable and energy problems were not serious, It was not possible. However, in the 2000s, as the limitations of the miniaturization of MOSFETs became imminent and the energy problem became serious, tunneling transistor research became popular again as a solution to this problem. This is due to the necessity of developing devices that replace or complement the existing MOSFETs, as power consumption is increased as semiconductor devices are reduced in size and performance is improved.
기존의 MOSFET은 문턱전압 이하 기울기(Subthreshold Swing: SS)가 상온에서 60mV/dec 이하로 낮아질 수 없는 물리적 한계가 있어, 구동전압이 낮아지면 상당한 성능 저하가 발생하는 근본적인 문제점이 있어 왔다.Conventional MOSFETs have a physical limitation that the subthreshold swing (SS) cannot be lowered to 60mV / dec at room temperature, and there is a fundamental problem that a significant performance degradation occurs when the driving voltage is lowered.
하지만 터널링 전계효과 트랜지스터는 기존 MOSFET의 열전자 방출 (thermionic emission)과는 상이한 터널링 방식으로 전자나 홀의 흐름을 제어하므로 구동전압의 미세한 변화가 출력전류의 큰 변화로 이어질 수 있게 된다. 이는 ON/OFF 상태의 변화가 게이트 전압의 변화에 따라 매우 급격하게 일어남을 시사하며, 낮은 문턱전압 이하 기울기(SS)가 가능함을 의미한다.However, the tunneling field effect transistor controls the flow of electrons or holes in a tunneling scheme different from that of conventional MOSFETs, so that a small change in driving voltage can lead to a large change in output current. This suggests that the change of ON / OFF state occurs very rapidly according to the change of the gate voltage, and it means that the SS below the low threshold voltage is possible.
따라서, 터널링 전계효과 트랜지스터는 1V 이하의 매우 낮은 구동전압 조건에서도 정상적인 동작이 가능할 것으로 예상하고 있으므로, 터널링 트랜지스터를 이용하면 전력을 적게 소모하면서 기존의 MOSFET과 유사한 성능을 얻을 수 있게 되어 고에너지 효율의 반도체 소자를 구현할 수 있을 것으로 기대되고 있다.Therefore, the tunneling field effect transistor is expected to be able to operate normally even at a very low driving voltage of 1V or less. Therefore, the tunneling transistor can achieve similar performance to that of a conventional MOSFET while consuming less power. It is expected that semiconductor devices can be implemented.
도 1은 종래기술에 따른 터널링 전계효과 트랜지스터의 구조를 보여주는 단면도이고, 도 2는 도 1의 n 채널 TFET 구조에서 터널링 전류의 발생을 보여주는 에너지 밴드다이어그램이다.1 is a cross-sectional view showing a structure of a tunneling field effect transistor according to the prior art, and FIG. 2 is an energy band diagram showing generation of a tunneling current in the n-channel TFET structure of FIG. 1.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 터널링 전계효과 트랜지스터는 기본적으로 통상의 MOSFET과 달리 채널영역(110)의 양측으로 서로 반대 극성을 갖는 불순물로 소스(120) 및 드레인(130)을 형성하는 구조를 갖는다.As shown in FIG. 1, the tunneling field effect transistor according to the related art basically forms a
예컨대, n 채널 TFET인 경우, 매몰산화막(100) 상의 P형, N형 혹은 진성 SOI 기판에 채널영역(110)의 양측으로 소스(120)는 P+ 영역, 드레인(130)은 N+ 영역으로 형성된다. 여기서, P+ 영역은 P형 불순물의 고농도 도핑층을, N+ 영역은 N형 불순물의 고농도 도핑층을 각각 말한다.For example, in the case of an n-channel TFET, a
상기와 같은 구조에서, 게이트절연막(140) 상의 게이트(150)에 정극성(+)의 구동전압이 인가되고, 소스(120) 및 드레인(130)에 역바이어스 전압이 각각 인가되면, 도 2에서와 같이 채널영역(110)과 소스(120) 사이에 에너지 밴드 경사를 갖는 접합(junction)이 형성되어 양자역학적 터널링에 의한 구동전류(Ion)가 흐른다.In the above structure, when a positive driving voltage is applied to the
그러나, 이러한 종래의 터널링 전계효과 트랜지스터는 게이트 전압의 증가에 따라 채널영역에 형성되는 반전층(inversion layer) 혹은 축적층(accumulation layer)이 각각 P+ 혹은 N+ 영역의 경계면(junction plane)과 수직하게 접촉하는 방식으로 터널링 접합이 형성되어, 터널링이 발생되는 터널링 접합의 면적이 협소하고, 밴드간 터널링 장벽의 두께가 pn 접합의 공핍영역의 점진적 변화에 의존하므로, 기존 MOSFET의 구동전류에 비하여 낮은 전류값을 갖는 문제점이 있다.However, such a conventional tunneling field effect transistor has an inversion layer or an accumulation layer formed in the channel region in contact with the junction plane of the P + or N + region, respectively, as the gate voltage increases. The tunneling junction is formed in such a way that the area of the tunneling junction where the tunneling occurs is narrow, and the thickness of the band-to-band tunneling barrier depends on the gradual change in the depletion region of the pn junction, so that the current value is lower than that of the conventional MOSFET. There is a problem with.
본 발명의 실시예는 소자의 구조 개선 등을 통해 고주파, 고온, 고출력 파워소로서 유용하게 사용될 수 있는 질화물 반도체 소자 및 그 소자의 제조 방법을 제공함에 목적이 있다.An embodiment of the present invention is to provide a nitride semiconductor device and a method for manufacturing the device that can be usefully used as a high frequency, high temperature, high output power source through the improvement of the structure of the device.
본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 소자는 서로 다른 전기적 특성을 갖는 적어도 둘 이상의 질화물계 전극 접합층과, 두 개의 상기 전극 접합층 사이에 배치되는 장벽층을 포함하는 반도체층; 서로 다른 전기적 특성의 상기 전극 접합층에 각각 접촉하는 제1 전극 및 제2 전극; 상기 장벽층에 접촉하여 형성되는 절연층; 및 상기 절연층상에 형성된 제3 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.A nitride semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes a semiconductor layer including at least two or more nitride-based electrode bonding layers having different electrical characteristics, and a barrier layer disposed between the two electrode bonding layers; First and second electrodes respectively contacting the electrode bonding layers having different electrical characteristics; An insulating layer formed in contact with the barrier layer; And a third electrode formed on the insulating layer.
여기서 상기 장벽층은 서로 다른 밴드갭(band gap) 에너지를 갖는 제1 장벽층 및 제2 장벽층을 포함하는 것을 특징으로 한다.The barrier layer may include a first barrier layer and a second barrier layer having different band gap energies.
상기 제1 장벽층은 상기 제2 전극과 접촉하는 상기 제2 전극 접합층상에 형성되며, 상기 제2 장벽층보다 밴드갭 에너지가 작은 것을 특징으로 한다.The first barrier layer is formed on the second electrode bonding layer in contact with the second electrode, and characterized in that a bandgap energy is smaller than that of the second barrier layer.
상기 제1 장벽층은 인듐갈륨나이트라이드(InGaN) 또는 상기 InGaN과 밴드갭 대역이 유사한 물질로 형성되고, 상기 제2 장벽층은 알루미늄나이트라이드(AlN) 또는 상기 AlN과 밴드갭 대역이 유사한 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다.The first barrier layer is formed of indium gallium nitride (InGaN) or a material having a similar bandgap band to the InGaN, and the second barrier layer is formed of aluminum nitride (AlN) or a material having a similar band gap band to the AlN. It is characterized by being formed.
상기 InGaN과 밴드갭 대역이 유사한 물질은 비소(As) 또는 인(P) 계열의 화합물인 것을 특징으로 한다.The material having a similar bandgap band to InGaN may be an arsenic (As) or phosphorus (P) -based compound.
상기 반도체층은 상기 제1 전극이 형성되는 제1 영역과 상기 제2 전극이 형성되는 제2 영역으로 구분되며, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 서로 다른 높이의 단차를 형성하는 것을 특징으로 한다.The semiconductor layer is divided into a first region in which the first electrode is formed and a second region in which the second electrode is formed, and the first region and the second region form a step having a different height. do.
상기 제3 전극은 상기 단차를 이루는 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 경계 부위에 형성되는 것을 특징으로 한다.The third electrode may be formed at a boundary between the first region and the second region forming the step.
상기 제1 전극이 접촉하는 전극 접합층은 P형 갈륨나이트라이드(P-GaN), N형 갈륨나이트라이드(N-GaN) 및 도핑되지 않은 갈륨나이트라이드(U-GaN) 중 어느 하나로 형성되고, 상기 제2 전극이 접촉하는 전극 접합층은 N형 갈륨나이트라이드(N-GaN) 및 N(+)형 갈륨나이트라이드(N+-GaN) 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 한다.The electrode bonding layer contacted with the first electrode is formed of any one of P-type gallium nitride (P-GaN), N-type gallium nitride (N-GaN), and undoped gallium nitride (U-GaN), The electrode bonding layer contacted with the second electrode may be formed of any one of an N-type gallium nitride (N-GaN) and an N (+)-type gallium nitride (N + -GaN).
상기 제1 전극 및 제2 전극은 동일 금속 물질로 형성되고, 상기 제3 전극은 상기 제1 및 제2 전극과 서로 다른 금속 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다.The first electrode and the second electrode may be formed of the same metal material, and the third electrode may be formed of a metal material different from the first and second electrodes.
또한 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 소자의 제조 방법은 서로 다른 전기적 특성을 갖는 질화물계의 제1 및 제2 전극 접합층과, 상기 제1 및 제2 전극 접합층 사이에 장벽층을 게재시켜 반도체층을 형성하는 단계; 상기 반도체층의 일부를 제거하여 상기 장벽층을 노출시키는 단계; 노출된 상기 장벽층을 포함하여 상기 반도체층상에 절연층을 형성하고, 상기 제1 및 제2 전극 접합층에 형성된 절연층의 일부를 제거하여 컨택홀을 각각 형성하는 단계; 상기 컨택홀을 통해 상기 제1 및 제2 전극 접합층에 접촉하는 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 위치하도록 상기 장벽층이 노출된 부위의 상기 절연층상에 제3 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, a method of manufacturing a nitride semiconductor device according to an embodiment of the present invention by placing a barrier layer between the first and second electrode bonding layer of the nitride-based having a different electrical characteristics and the first and second electrode bonding layer Forming a semiconductor layer; Removing a portion of the semiconductor layer to expose the barrier layer; Forming an insulating layer on the semiconductor layer, including the exposed barrier layer, and removing contact portions formed in the first and second electrode bonding layers to form contact holes, respectively; Forming a first electrode and a second electrode contacting the first and second electrode bonding layers through the contact hole; And forming a third electrode on the insulating layer in a portion where the barrier layer is exposed so as to be positioned between the first electrode and the second electrode.
상기 장벽층을 노출시키는 단계는, 상기 제2 전극 접합층이 형성되는 상기 반도체층의 제2 영역을 식각하여 상기 장벽층을 노출시키는 것을 특징으로 한다.The exposing the barrier layer may expose the barrier layer by etching the second region of the semiconductor layer on which the second electrode bonding layer is formed.
상기 장벽층을 노출시키는 단계는, 상기 식각에 의해 상기 제2 전극 접합층을 더 노출시키는 것을 특징으로 한다.The exposing the barrier layer may further expose the second electrode bonding layer by etching.
상기 장벽층은 서로 다른 밴드갭(band gap) 에너지를 갖는 제1 장벽층 및 제2 장벽층을 포함하는 것을 특징으로 한다.The barrier layer is characterized in that it comprises a first barrier layer and a second barrier layer having different band gap energy.
상기 제1 장벽층은 인듐갈륨나이트라이드(InGaN) 또는 상기 InGaN과 밴드갭 대역이 유사한 물질로 형성하고, 상기 제2 장벽층은 알루미늄나이트라이드(AlN) 또는 상기 AlN과 밴드갭 대역이 유사한 물질로 형성하는 것을 특징으로 한다.The first barrier layer is formed of indium gallium nitride (InGaN) or a material having a similar bandgap band to InGaN, and the second barrier layer is formed of aluminum nitride (AlN) or a material having a similar band gap band to AlN. It is characterized by forming.
상기 InGaN과 밴드갭 대역이 유사한 물질은 비소(As) 또는 인(P) 계열의 화합물인 것을 특징으로 한다.The material having a similar bandgap band to InGaN may be an arsenic (As) or phosphorus (P) -based compound.
본 발명의 실시예에 따르면, 소자의 구조 개선을 통해 소자의 특성을 개선함으로써 고주파, 고온 및 고출력 파워 소자 등에 유용하게 사용할 수 있을 것이다.According to the embodiment of the present invention, by improving the characteristics of the device through the improvement of the structure of the device may be usefully used in high frequency, high temperature and high output power devices.
도 1은 종래기술에 따른 터널링 전계효과 트랜지스터의 단면 구조를 보여주는 도면,
도 2는 도 1의 n 채널 TFET 구조에서 터널링 전류의 발생을 보여주는 에너지 밴드다이어그램,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에피택셜(epitaxial) 구조를 예시한 도면,
도 4는 도 3의 구조에 따른 에너지 밴드다이어그램을 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 소자의 단면 구조를 예시한 도면,
도 6은 도 5의 질화물 반도체 소자의 제조 과정을 나타내는 도면이다.1 is a view showing a cross-sectional structure of a tunneling field effect transistor according to the prior art,
FIG. 2 is an energy band diagram showing generation of tunneling current in the n-channel TFET structure of FIG.
3 is a diagram illustrating an epitaxial structure according to an embodiment of the present invention;
4 is a view showing an energy band diagram according to the structure of FIG.
5 illustrates a cross-sectional structure of a nitride semiconductor device according to an embodiment of the present invention;
6 is a view illustrating a manufacturing process of the nitride semiconductor device of FIG. 5.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에피택셜(epitaxial) 구조를 예시한 도면이고, 도 4는 도 3의 구조에 따른 에너지 밴드다이어그램을 나타내는 도면이다.3 is a diagram illustrating an epitaxial structure according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is a diagram showing an energy band diagram according to the structure of FIG.
도 3의 에피택셜 구조는 실질적으로 전계효과 트랜지스터(FET), 바이폴라 트랜지스터와 같은 반도체 소자의 반도체층을 나타내는 것이라 볼 수 있다.The epitaxial structure of FIG. 3 can be regarded as substantially representing a semiconductor layer of a semiconductor device such as a field effect transistor (FET) and a bipolar transistor.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 반도체층은 복층 구조를 형성하며, 각 층은 질화물계의 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유리기판, 석영기판, 웨이퍼 또는 사파이어 기판상에 N(+)형 갈륨나이트라이드(N+-GaN)(301), 인듐갈륨나이트라이드(InxGa1 - xN)(303a), 알루미늄나이트라이드(AlN)(303b) 및 P형 갈륨나이트라이드(P-GaN) 층(305)을 순차적으로 적층함으로써 반도체층을 형성할 수 있을 것이다. 여기서, InxGa1 - xN 층(303a) 및 AlN 층(303b)은 장벽층(303)으로 동작할 수 있으며, 이때 장벽층(303)은 주변 층보다 밴드갭 에너지가 높아 에너지 밴드다이어그램상에서 볼 때 장벽을 형성할 수 있다는 의미에서 명명된 것이다. 또한 P-GaN은 본 발명의 실시예에 따라 N형 갈륨나이트라이드(N-GaN) 또는 도핑되지 않는 갈륨나이트라이드(U-GaN)로 대체되어도 무관하다. As shown in FIG. 3, the semiconductor layer forms a multilayer structure according to an embodiment of the present invention, and each layer may include a nitride-based material. For example, an N (+) type gallium nitride (N + -GaN) 301 and an indium gallium nitride (In x Ga 1 - x N) 303a on a glass substrate, a quartz substrate, a wafer, or a sapphire substrate. The semiconductor layer may be formed by sequentially stacking the aluminum nitride (AlN) 303b and the P-type gallium nitride (P-GaN)
물론 반도체층을 형성하는 이러한 복층 구조는 다양하게 변형될 수 있을 것이다. 본 발명의 기술 사상, 가령 밴드갭 에너지를 높게 형성하려는 등의 기술적 특징을 벗어나지 않는다면 장벽층(303)을 이루는 InxGa1 - xN(이하, InGaN이라 함), AlN 층(303a, 303b)은 하나의 층을 이루도록 형성됨으로써 반도체층을 3개의 적층 구조로 형성할 수도 있을 것이다. 또한 AlN 박막과 InGaN 박막 대신 밴드갭 에너지가 비슷한 박막을 이용해도 위와 같은 구조를 구현할 수 있다. 예컨대 InGaN 박막 대신 비슷한 밴드갭 대역을 가지는 비소(As) 또는 인(P) 계열의 화합물 반도체 박막을 이용할 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 반도체층의 적층 구조 및 특정 물질에 대하여 특별히 한정하지는 않을 것이다.Of course, such a multilayer structure forming the semiconductor layer may be variously modified. In x Ga 1 - x N (hereinafter referred to as InGaN) and AlN
도 3 및 도 4를 함께 참조하면, 반도체층은 도 3의 에피택셜 구조에 따라 도 4에서와 같은 에너지 밴드다이어그램을 보이게 된다. 좀더 살펴보면, 도 4에서 볼 때, 페르미 준위를 기준으로 두 그래프 사이는 금지대(forbidden band), 아래 그래프의 하단은 가전자대(valence band), 위쪽 그래프의 상단은 전도대(conduction band)를 각각 나타낸다.Referring to FIGS. 3 and 4 together, the semiconductor layer shows an energy band diagram as shown in FIG. 4 according to the epitaxial structure of FIG. 3. In more detail, as shown in FIG. 4, forbidden band is shown between the two graphs based on the Fermi level, the lower band of the lower graph shows the valence band, and the upper graph of the upper graph shows the conduction band, respectively. .
본 발명의 실시예에 따라, 반도체 소자는 가령 AlN, InxGa1 - xN에 의한 장벽층을 형성함으로써 터널링 효과를 이용할 수 있다. 다시 말해, 장벽층(303)의 AlN 및 InGaN 박막에 바이어스 전압이 인가되면, 이 부분의 전도대가 아래로 내려오면서 도 4에서 볼 때 점선으로 표기한 ○ 부분의 가전자대와 전도대 사이의 거리가 가까워지면서 가전자대 내의 많은 전자들이 전도대 쪽으로 터널링되어 공급된다.According to an embodiment of the present invention, the semiconductor device may utilize the tunneling effect by forming a barrier layer by, for example, AlN, In x Ga 1 - x N. In other words, when a bias voltage is applied to the AlN and InGaN thin films of the
이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자는 가전자대 내에 존재하는 매우 많은 전자를 이용하여 소자 동작을 가능하게 하여 우수한 소자 특성을 나타낼 수 있고, 뿐만 아니라 전압이 가해지지 않은 상태에서 AlN 박막과 InGaN 박막에 의해 장벽이 형성되어 있으므로 가령 소스 또는 드레인 쪽으로 전류가 누설되는 것도 막을 수 있게 된다. 나아가 높은 밴드갭 에너지 등을 갖는 질화물 반도체의 우수한 물질적 특성으로 인해 고주파, 고온 및 고출력 전력소자 등에 유용할 수 있다.Accordingly, the semiconductor device according to the embodiment of the present invention enables the device operation by using a very large number of electrons present in the valence band, thereby exhibiting excellent device characteristics, as well as the AlN thin film and InGaN in the absence of voltage. Since the barrier is formed by the thin film, current leakage to the source or drain can be prevented. Furthermore, due to the excellent material properties of the nitride semiconductor having a high bandgap energy and the like, it may be useful for high frequency, high temperature and high output power devices.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 소자의 단면 구조를 예시한 도면이다.5 is a diagram illustrating a cross-sectional structure of a nitride semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 소자는 반도체층(500), 절연층(510), 제1 전극 및 제2 전극(521, 523), 그리고 제3 전극(525)의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다.As illustrated in FIG. 5, the nitride semiconductor device according to the embodiment of the present invention may include a
여기서 반도체층(500)은 앞서 살펴본 바와 같이 질화물계의 N+-GaN, InxGa1 -xN, AlN 및 P-GaN 등의 물질을 포함하며, 기판상에 제1 및 제2 영역으로 구분되어 형성될 수 있다. 여기서, P-GaN은 N-GaN 또는 U-GaN으로 대체되어도 무관하며, 제1 및 제2 영역은 서로 다른 높이의 단차, 즉 단의 차이를 형성하며, 단차가 높은 영역은 복수의 적층 구조를 이루는 것이 바람직하다. As described above, the
도 5에 도시된 바와 같이, 예컨대 제1 영역은 N+-GaN, InxGa1 - xN, AlN 및 P-GaN 층을 순차적으로 적층하여 형성하며, 제2 영역은 N+-GaN 층만으로 형성될 수 있다. 이때, 제1 영역의 N+-GaN 층은 제2 영역의 N+-GaN 층보다 단차가 높게 형성될 수 있다. 상기의 형성에 따라 가령 기판상에 형성된 반도체층(500)은 'L'자 형상을 이룰 수 있을 것이다.As shown in FIG. 5, for example, the first region is formed by sequentially stacking N + -GaN, In x Ga 1 - x N, AlN, and P-GaN layers, and the second region is formed by only the N + -GaN layer. Can be formed. At this time, N + -GaN layer of the first region may be formed a step higher than the N + -GaN layer of the second region. According to the formation, for example, the
물론 도 5에서와 같은 구조는 반도체층(500)의 제1 및 제2 영역의 경계 부위를 통해 InxGa1 - xN, AlN 층으로 바이어스 전압을 용이하게 인가하기 위한 구조를 예시한 것이다. 따라서, InxGa1 - xN, AlN 층으로 전압 인가 전극, 가령 제3 전극(525)을 통해 바이어스 전압을 인가할 수 있다면 반도체층(500)을 어떠한 구조로 형성하여도 무관할 것이다. 예를 들어, 해당 영역, 즉 InxGa1 - xN, AlN 층이 외부로 노출되도록 홈을 형성한 후 전압 인가 전극을 형성하는 것도 얼마든지 가능할 수 있다.Of course, the structure shown in FIG. 5 illustrates a structure for easily applying a bias voltage to the In x Ga 1 - x N, AlN layer through the boundary portions of the first and second regions of the
또한 반도체층(500)상에는 절연층(510)이 형성되어 있다. 이와 같은 절연층(510)은 게이트 절연막이라 지칭될 수도 있다. 반도체층(500)의 제1 영역과 제2 영역상의 절연층(510)에는 컨택홀(contact hole)이 형성되어 있으며, 제1 영역의 컨택홀은 제1 전극(521)을 반도체층(500), 더 정확하게는 P-GaN 층과 전기적으로 접촉시키기 위한 것이며, 제2 영역의 컨택홀은 제2 전극(523)을 반도체층(500), 더 정확하게는 N+-GaN 층과 접촉시키기 위해 형성된다. 이에 따라 본 발명의 실시예에서는 P-GaN 층 및 N+-GaN 층을 전극 접합층이라 지칭할 수 있을 것이다.In addition, an insulating
그리고 절연층(510)상에 형성된 컨택홀의 부위에는 제1 전극(521) 및 제2 전극(523)이 형성되며, 제1 전극(521)과 제2 전극(523) 사이의 절연층(510)상에는 제3 전극(525)이 형성된다. 이때, 제3 전극(525)은 반도체층(500)의 제1 영역 및 제2 영역이 서로 단차를 띠는 경계 부위에 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 단차가 형성된 부위의 제3 전극(525)을 통해 AlN 층과 InGaN 층으로 바이어스 전압을 인가할 수 있게 된다.The
여기서, 제1 전극 내지 제3 전극(521, 523, 525)은 본 발명의 실시예에 따라 각각 소스, 드레인 및 게이트 전극을 의미할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자는 전계효과 트랜지스터(FET)가 아닌 바이폴라 트랜지스터인 경우에도 충분히 적용될 수 있으므로 이미터, 컬렉터 및 베이스 전극을 각각 의미할 수도 있다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 그러한 전극이 어떠한 전극을 의미하는 지에 대하여 특별히 한정하지는 않을 것이다.Here, the first to
도 6은 도 5의 질화물 반도체 소자의 제조 과정을 나타내는 도면이다.6 is a view illustrating a manufacturing process of the nitride semiconductor device of FIG. 5.
도 6을 도 5와 함께 참조하면, 먼저 기판상에 반도체층(500)의 구조를 성장한다(S601). 예를 들어, 도 5에서와 같이 N+-GaN, InxGa1 - xN, AlN 및 P-GaN 층을 순차적으로 적층할 수 있을 것이다.Referring to FIG. 6 together with FIG. 5, first, a structure of the
이어, 반도체층(500)의 제1 영역과 제2 영역이 서로 다른 단차를 이루도록 제1 포토리소그래피 공정을 진행하여 제2 영역을 식각한다(S603). 여기서, 제2 영역의 식각은 반도체층(500)의 제1층을 형성하는 N+-GaN 층이 외부로 노출되도록 하되, 더 정확하게는 제1 영역의 N+-GaN 층과 제2 영역의 N+-GaN 층은 또한 서로 단차를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다. 이는 경계 부위를 통해 노출되는 InxGa1 - xN, AlN의 단면으로 제3 전극(525)을 통해 바이어스 전압이 충분히 인가될 수 있도록 하고, 공정을 감안하여 형성된 것이라 볼 수 있다.Subsequently, a first photolithography process is performed to etch the second region so that the first region and the second region of the
실질적으로 제2 영역의 N+-GaN 층이 외부로 노출되도록 하기 위한 포토리소그래피 공정은 S601 단계에서 P-GaN 층까지 적층한 상태에서 감광막(PR)을 P-GaN층상에 도포하고, 마스크(mask)를 적용하여 식각할 제2 영역을 노광한 후, 제2 영역을 현상 및 습식 식각(wet etching) 등의 세부 공정으로 진행할 수 있을 것이다.The photolithography process for substantially exposing the N + -GaN layer in the second region to the outside is applied to the P-GaN layer by applying a photoresist film PR on the P-GaN layer in a state of stacking up to the P-GaN layer in step S601. After exposing the second region to be etched by applying), the second region may be subjected to detailed processes such as development and wet etching.
또한 단차를 형성한 반도체층(500)의 제1 영역 및 제2 영역에는 절연막을 증착하여 절연층(510)을 형성한다(S605). 여기서, 절연막은 APCVD법으로 성장시킨 옥사이드실리콘(SiOx)이나 PECVD법으로 성장시킨 질화실리콘(SiNx), ALD 법으로 성장시킨 산화알루미늄(AlxOy) 등으로 형성될 수 있을 것이다.In addition, an insulating layer is deposited on the first region and the second region of the
이어 제2 포토리소그래피 공정, 더 나아가서는 식각 공정을 추가로 진행하여 제1 및 제2 전극(521, 523)을 형성하기 위한 컨택홀을 형성한다(S607, S609). 다시 말해, 제1 전극(521)을 형성하기 위한 컨택홀은 제1 영역에 형성되어 반도체층(500)의 P-GaN 층을 외부로 노출시키며, 제2 전극(523)을 위한 컨택홀은 제2 영역에 형성되어 반도체층(500)의 N+-GaN 층을 외부로 노출시키게 된다. 여기서, 제1 영역의 컨택홀은 제1 컨택홀, 제2 영역의 컨택홀은 제2 컨택홀로 지칭될 수 있을 것이다.Subsequently, a second photolithography process, and further an etching process, is further performed to form contact holes for forming the first and
컨택홀의 형성이 완료되면, 컨택홀의 부위에 제1 전극(521) 및 제2 전극(523)을 형성한다(S611). 이를 위하여 본 발명의 실시예에서는 컨택홀이 외부로 노출된 영역을 포함하여 절연층(510)상에 감광막을 다시 도포한 후, 컨택홀의 부위가 노출되도록 감광막을 노광하여 현상한 후, 제1 및 제2 전극(521, 523)을 이루는 금속 물질을 도포하게 된다. 이어 컨택홀의 부위에 형성된 제1 및 제2 전극(521, 523)을 제외한 나머지의 감광막들을 리프트 오프(lift off) 공정을 통해 모두 제거하게 된다. 이의 결과, 제1 전극(521)은 P-GaN 층에 접촉하게 되고, 제2 전극(523)은 N+-GaN 층에 접촉하게 된다. 여기서, 제1 전극(521) 및 제2 전극(523)은 프린팅 방식으로 형성될 수도 있으므로 본 발명의 실시예에서는 전극을 형성하는 방법에 대해 특별히 한정하지는 않을 것이다.When the formation of the contact hole is completed, the
이어 제3 전극(525), 가령 게이트 전극을 형성하기 위한 포토리소그래피 공정을 수행한다(S613). 다시 말해, 제1 및 제2 전극(521, 523)이 형성된 절연층(510)상에 감광막을 도포한 후, 마스크를 적용하여 제3 전극(525)이 형성될 부위를 노광 및 현상하게 된다. 이의 S613 단계는 실질적으로 제3 전극(525)이 제1 및 제2 전극(521, 523)과 서로 다른 금속 물질인 경우에 수행될 수 있을 것이다. 가령 제1 및 제2 전극(521, 523)이 Al, Al 합금, 크롬(Cr) 및 티탄(Ti) 중 하나로 형성된다면, 제3 전극(525)은 몰리브덴 텅스텐(MoW), 니켈(Ni) 및 티타늄나이트라이드(TiN) 등으로 형성될 수 있을 것이다.Subsequently, a photolithography process for forming the
이후, 감광막이 제거된 영역, 즉 제3 전극(525)이 형성될 영역에 금속 물질을 도포하고, 주변 영역의 감광막은 리프트오프 공정을 통해 제거함으로써 제3 전극(525)을 형성할 수 있게 된다(S615).Subsequently, the
지금까지 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 소자 및 그 소자의 제조 방법을 살펴보았다. 그러나, 그러한 소자의 장벽층을 형성하는 방법은 다양할 수 있음을 앞서 언급한 바 있다. 예컨대, 게이트 전극으로부터 AlN 층 및 InxGa1 - xN 층으로 바이어스 전압을 인가하기 위하여 반도체층(500)의 가운데 영역을 제2 영역으로 하여 해당 영역을 식각하여 AlN 층 및 InxGa1 - xN 층을 외부로 노출시키고 절연층(510)과 게이트 전극을 형성할 수 있을 것이다. 또는 도 5에서 볼 때, 'L'자 형상의 외곽으로 절연층(510)을 형성한 후 게이트 전극을 형성할 수도 있는 것이다. 이에 따라 제조 공정도 얼마든지 달라질 수 있을 것이다.Until now, the nitride semiconductor device and the method of manufacturing the device according to the embodiment of the present invention have been described. However, it has been mentioned above that the method of forming the barrier layer of such a device may vary. For example, in order to apply a bias voltage from the gate electrode to the AlN layer and the In x Ga 1 - x N layer, the corresponding region is etched using the center region of the
뿐만 아니라, 본 발명의 실시예에서는 질화물 반도체 소자의 제1 및 제2 전극(521, 523)이 제3 전극(525)과 서로 다른 재질의 금속 물질로 이루어지는 것을 상정하여 제조 방법을 설명하였다. 그러나, 제1 내지 제3 전극(521, 523, 525)은 동일 재질의 금속 물질로 이루어질 수도 있는 것이므로, 이의 경우에는 제1 내지 제3 전극(521, 523, 525)을 형성하기 위한 금속 물질을 프린팅 기술 등을 이용해 동시에 형성할 수도 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 그러한 소자의 구조, 물질 및 제조 방법에 특별히 한정하지는 않을 것이다.In addition, in the embodiment of the present invention, the manufacturing method was described assuming that the first and
한편, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자들은 FET에 한정되는 것이 아니라 BJT(Bipolar Junction Transistor), IGBT(Insulatied Gate Bipolar Transistor), JFET(Junction gate FET) 중 하나를 의미할 수 있다. 그러므로, FET 계열 소자의 게이트 또는 BJT, IGBT 계열 소자의 베이스는 구동단 또는 전압 인가 단자(혹은 구동단 또는 전압 인가단자 전극)로 통칭하여 사용될 수 있다. 또한, FET 계열 소자의 드레인 또는 BJT, IGBT 계열 소자의 컬렉터는 반도체 소자의 전류 인입단(혹은 전류 인입단 전극)이라 지칭될 수 있으며, FET 계열 소자의 소스 및 BJT, IGBT 계열 소자의 이미터는 전류 인출단(혹은 전류 인출단 전극)이라 지칭될 수 있다.Meanwhile, the semiconductor devices according to the exemplary embodiment of the present invention are not limited to the FET but may mean one of a Bipolar Junction Transistor (BJT), an Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), and a Junction Gate FET (JFET). Therefore, the gate of the FET series element, or the base of the BJT or IGBT series element can be collectively referred to as a drive terminal or a voltage application terminal (or a drive terminal or a voltage application terminal electrode). Also, the drain of the FET-type device, the collector of the BJT, and the IGBT-type device can be referred to as the current input terminal (or the current input terminal electrode) of the semiconductor device, and the source of the FET-type device and the emitter of the BJT and IGBT- May be referred to as a lead-out terminal (or current lead-out terminal).
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.While the invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention.
100: 매몰산화막 110: 채널영역
120: 소스 130: 드레인
140: 게이트절연막 150: 게이트
500: 반도체층 510: 절연층
521: 제1 전극 523: 제2 전극
525: 제3 전극100: investment oxide 110: channel region
120: source 130: drain
140: gate insulating film 150: gate
500: semiconductor layer 510: insulating layer
521: first electrode 523: second electrode
525: third electrode
Claims (15)
서로 다른 도전형의 상기 소스/드레인층에 각각 접촉하는 제1 전극 및 제2 전극;
상기 장벽층에 접촉하여 형성되는 절연층; 및
상기 절연층상에 형성된 게이트 전극; 을 포함하고,
상기 장벽층은 서로 다른 밴드갭(band gap) 에너지를 갖는 제1 장벽층 및 제2 장벽층을 포함하고,
상기 제1 장벽층은 상기 제2 전극과 접촉하는 상기 제2 소스/드레인층상에 형성되며, 상기 제2 장벽층보다 밴드갭 에너지가 작으며,
상기 반도체층은 상기 제1 전극이 형성되는 제1 영역과 상기 제2 전극이 형성되는 제2 영역으로 구분되며, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 서로 다른 높이의 단차를 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 터널링 전계효과트랜지스터.A semiconductor layer comprising at least two nitride-based source / drain layers having different conductivity types and a barrier layer disposed between the two source / drain layers;
First and second electrodes respectively contacting the source / drain layers of different conductivity types;
An insulating layer formed in contact with the barrier layer; And
A gate electrode formed on the insulating layer; / RTI >
The barrier layer includes a first barrier layer and a second barrier layer having different band gap energies,
The first barrier layer is formed on the second source / drain layer in contact with the second electrode, and has a lower bandgap energy than the second barrier layer,
The semiconductor layer is divided into a first region in which the first electrode is formed and a second region in which the second electrode is formed, and the first region and the second region form a step having a different height. Nitride semiconductor tunneling field effect transistor.
상기 제1 장벽층은 인듐갈륨나이트라이드(InxGa1-xN)(여기서, x는 양의 정수) 로 형성되고,
상기 제2 장벽층은 알루미늄나이트라이드(AlN)로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 터널링 전계효과트랜지스터.The method of claim 1,
The first barrier layer is formed of indium gallium nitride (In x Ga 1-x N), where x is a positive integer,
The second barrier layer is formed of aluminum nitride (AlN) nitride semiconductor tunneling field effect transistor.
상기 제1 장벽층 및 상기 제2 장벽층 중 적어도 하나는 비소(As) 또는 인(P) 계열인 5족 계열의 화합물인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 터널링 전계효과트랜지스터.The method of claim 1,
At least one of the first barrier layer and the second barrier layer is a nitride semiconductor tunneling field effect transistor, characterized in that the arsenic (As) or phosphorus (P) -based compound of the Group 5 series.
상기 게이트 전극은 상기 단차를 이루는 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 경계 부위에 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 터널링 전계효과트랜지스터.The method of claim 1,
The gate electrode is formed in the boundary portion of the first region and the second region forming the step difference nitride tunneling field effect transistor.
상기 제1 전극이 접촉하는 소스/드레인층은 P형 갈륨나이트라이드(P-GaN), N형 갈륨나이트라이드(N-GaN) 및 도핑되지 않은 갈륨나이트라이드(U-GaN) 중 어느 하나로 형성되고,
상기 제2 전극이 접촉하는 소스/드레인층은 N형 갈륨나이트라이드(N-GaN) 및N(+)형 갈륨나이트라이드(N+-GaN) 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 터널링 전계효과트랜지스터.The method of claim 1,
The source / drain layer that the first electrode contacts is formed of any one of P-type gallium nitride (P-GaN), N-type gallium nitride (N-GaN), and undoped gallium nitride (U-GaN). ,
The source / drain layer in contact with the second electrode is formed of one of N-type gallium nitride (N-GaN) and N (+) type gallium nitride (N + -GaN) nitride semiconductor tunneling electric field Effect transistor.
상기 제1 전극 및 제2 전극은 동일 금속 물질로 형성되고,
상기 게이트 전극은 상기 제1 및 제2 전극과 서로 다른 금속 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 터널링 전계효과트랜지스터.The method of claim 1,
The first electrode and the second electrode is formed of the same metal material,
The gate electrode is a nitride semiconductor tunneling field effect transistor, characterized in that the gate electrode is formed of a different metal material than the first and second electrodes.
상기 반도체층의 일부를 제거하여 상기 장벽층을 노출시키는 단계;
노출된 상기 장벽층을 포함하여 상기 반도체층상에 절연층을 형성하고, 상기 제1 및 제2 소스/드레인층에 형성된 절연층의 일부를 제거하여 컨택홀을 각각 형성하는 단계;
상기 컨택홀을 통해 상기 제1 및 제2 소스/드레인층에 접촉하는 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계; 및
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 위치하도록 상기 장벽층이 노출된 부위의 상기 절연층상에 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 장벽층은 서로 다른 밴드갭(band gap) 에너지를 갖는 제1 장벽층 및 제2 장벽층을 포함하고,
상기 제1 장벽층은 상기 제2 전극과 접촉하는 상기 제2 소스/드레인층상에 형성되며, 상기 제2 장벽층보다 밴드갭 에너지가 작으며,
상기 반도체층을 형성하는 단계는,
상기 제1 전극이 형성되는 상기 반도체층의 제1 영역과 상기 제2 전극이 형성되는 상기 반도체층의 제2 영역 간에 서로 다른 높이의 단차를 갖도록 상기 반도체층을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 터널링 전계효과트랜지스터의 제조 방법.Forming a semiconductor layer by disposing a barrier layer between the first and second source / drain layers of a nitride-based nitride having a different conductivity type and the first and second source / drain layers;
Removing a portion of the semiconductor layer to expose the barrier layer;
Forming an insulating layer on the semiconductor layer, including the exposed barrier layer, and removing contact portions formed in the first and second source / drain layers to form contact holes, respectively;
Forming a first electrode and a second electrode contacting the first and second source / drain layers through the contact hole; And
Forming a gate electrode on the insulating layer in a portion where the barrier layer is exposed so as to be positioned between the first electrode and the second electrode,
The barrier layer includes a first barrier layer and a second barrier layer having different band gap energies,
The first barrier layer is formed on the second source / drain layer in contact with the second electrode, and has a lower bandgap energy than the second barrier layer,
Wherein forming the semiconductor layer comprises:
Nitride semiconductor tunneling, wherein the semiconductor layer is formed to have a step height having a different height between a first region of the semiconductor layer where the first electrode is formed and a second region of the semiconductor layer where the second electrode is formed Method of manufacturing field effect transistor.
상기 장벽층을 노출시키는 단계는, 상기 제2 소스/드레인층이 형성되는 상기 반도체층의 제2 영역을 식각하여 상기 장벽층을 노출시키는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 터널링 전계효과트랜지스터의 제조 방법.11. The method of claim 10,
The exposing of the barrier layer may include etching the second region of the semiconductor layer where the second source / drain layer is formed to expose the barrier layer.
상기 장벽층을 노출시키는 단계는, 상기 식각에 의해 상기 제2 소스/드레인층을 더 노출시키는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 터널링 전계효과트랜지스터의 제조 방법.12. The method of claim 11,
The exposing the barrier layer may further expose the second source / drain layer by etching.
상기 제1 장벽층은 인듐갈륨나이트라이드(InxGa1-xN)로 형성하고,
상기 제2 장벽층은 알루미늄나이트라이드(AlN)로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 터널링 전계효과트랜지스터의 제조 방법.11. The method of claim 10,
The first barrier layer is formed of indium gallium nitride (In x Ga 1-x N),
The second barrier layer is formed of aluminum nitride (AlN), characterized in that the nitride semiconductor tunneling field effect transistor manufacturing method.
상기 제1 장벽층 및 상기 제2 장벽층 중 적어도 하나는 비소(As) 또는 인(P) 계열인 5족 계열의 화합물인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 터널링 전계효과트랜지스터의 제조 방법.15. The method of claim 14,
At least one of the first barrier layer and the second barrier layer is a method of manufacturing a nitride semiconductor tunneling field effect transistor, characterized in that the arsenic (As) or phosphorus (P) -based compound of the Group 5 series.
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