KR101439281B1 - 이종접합 전계효과 트랜지스터 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이종접합 전계효과 트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본 발명은 기판, 상기 기판 상에 형성되는 제1 내지 제2 질화갈륨계 반도체층의 적층구조로 이루어진 활성영역 및 활성영역 상에 게이트 전극, 소스 전극, 드레인 전극이 위치하며, 각각의 전극 상에는 제1 층간 절연체층이 형성되고 제1 층간 절연체층 내부에는 제1 층간 배선부를 형성하며, 제1 층간 배선부 상에 는 콘택 패드를 형성하는 이종접합 전계효과 트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 트랜지스터 소자 내부에 제1 내지 제2 층간 절연체층 형성으로 소자에 고전압 및 고내압 인가시 발생하는 누설전류를 차단할 수 있으며, 유기절연체층을 형성하며 탄성을 갖는 물질을 사용함으로써 외부로부터 받는 충격을 완화시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 제1 층간 배선부를 활성영역 상에 형성함으로써, 게이트, 소스, 드레인 전극 각각과 콘택 패드와 연결되는 접촉면이 증가하게 되어 열 방출 효과의 개선 및 고출력 특성을 갖는 이종접합 전계효과 트랜지스터를 얻을 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 제1 층간 배선부를 활성영역 상에 형성함으로써, 게이트, 소스, 드레인 전극 각각과 콘택 패드와 연결되는 접촉면이 증가하게 되어 열 방출 효과의 개선 및 고출력 특성을 갖는 이종접합 전계효과 트랜지스터를 얻을 수 있게 된다.
Description
본 발명은 이종접합 전계효과 트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 트랜지스터 소자 내부에서 발생하는 누설전류 제어 및 열 방출 효과를 개선시킬 수 있는 이종접합 전계효과 트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 이종접합 전계효과 트랜지스터(HFET, Heterojunction field effect transistor)는 AlGaN/GaN 화합물 반도체층 또는 AlGaAs/GaAs 화합물 반도체층과 같은 서로 다른 재료가 접합하여 적층구조로 형성되는 이종접합 구조 트랜지스터이다. 넓은 밴드갭(Bandgap)을 가진 화합물을 이용한 이종접합구조 트랜지스터는 고온, 고출력 그리고 고주파수 전자소자 응용을 위한 매우 훌륭한 소자로써 그에 대한 연구는 활발히 진행되고 있다. 이는 이종접합구조 트랜지스터가 높은 항복전압(Breakdown voltage)을 가지는 넓은 밴드갭과 높은 전자포화속도(Electron saturation velocity) 그리고 이종접합 계면에서 생기는 큰 전도대 오프셋 (Conduction band offset)과 분극에 의한 높은 전하밀도(Charge density)를 가지는 질화물반도체이기 때문이다. 오늘날 휴대전화와 같은 무선통신과 제 3세대 그리고 제 4세대 무선망의 확대는 RF(Radio frequency)와 마이크로파 영역의 파워증폭기에 대한 관심과 필요성 증가에 따라 질화물 반도체를 이용한 이종접합구조 트랜지스터의 필요성을 더욱 증대시키고 있다. 또한, 자동차, 항공 시스템에서 요구하는 고출력, 고온의 소자에 대한 필요성의 증가 또한 질화물반도체를 이용한 이종접합구조 트랜지스터의 발전을 촉진시키고 있다.
상기 이종접합구조 트랜지스터는 격자크기와 밴드갭 에너지가 서로 다른 AlGaN/GaN 의 이종접합으로 인한 압전효과에 의해 형성되는 2차원 전자층(2DEG : 2 Dimensional Electro Gas)을 이용하고 있다. AlGaN/GaN의 이종접합구조 압전효과는 AlGaAs/GaAs에 비하여 4~5배 이상 강하며 동시에 AlGaN층의 강한 자기 분극으로 인한 전계의 도움으로 접합 계면에서의 고농도 2차원 전자층을 유기시킨다. 2DEG층은 소스전극과 드레인 전극 사이의 전류통로로서 이용되며, 이 전류통로를 흐르는 전류는 게이트 전극에 전압이 인가됨에 따라 제어된다. 상기 기술은 공개특허 제10-2010-0034921호, 공개특허 제10-2008-0011264호 등과 같은 여러 특허에 이미 기술되어 있다.
상기 공개특허 제10-2010-0034921호에는 AlGaN/GaN의 이종접합 적층구조 상에 2DEG 채널을 포함한 트랜지스터를 제작하는 기술을 제시하고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 이종접합구조 트랜지스터를 설명하기 위한 사시도이다. 종래의 이종접합구조 트랜지스터는 기판(10)과 질화갈륨계 반도체층의 적층구조로 이루어진 활성영역(11), 활성영역 양측에 형성된 콘택 패드(12)를 포함하는 측면(lateral)구조로 제작된다.
상기와 같이 종래 기술에 따른 측면(lateral)구조의 이종접합구조 트랜지스터를 제조시, 활성영역 양측에 콘택 패드를 형성함으로써 활성영역과 패드 모두를 포함할 수 있는 기판을 사용해야되므로 상대적으로 트랜지스터 소자의 면적이 넓어지게 된다. 이러한 측면구조로 인하여 소자의 상단부는 트랜지스터 소자의 패키징 시에 외부로부터 인가되는 열과 압력으로 인해 취약해지기 쉽다.
또한, 활성영역 내에 형성된 층간 배선부는 소자에서 발생하는 열 방출이 어렵고, 누설전류의 증가로 인하여 항복전압이 감소하게 된다.
본 발명의 기술적 과제는, 트랜지스터 소자 내부의 열 방출을 용이하게 하고, 누설전류를 감소시킬 수 있는 이종접합 전계효과 트랜지스터 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 기술적 과제는, 트랜지스터 소자 내부에서 콘택 패드를 활성영역 상단에 형성함으로써, 트랜지스터 소자의 면적을 감소시킬 수 있는 이종접합 전계효과 트랜지스터 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터는 기판; 상기 기판 상에 형성되는 제1 내지 제2 질화갈륨계 반도체층의 적층구조로 이루어진 활성영역; 상기 활성영역 상에 형성되는 게이트 전극, 소스 전극, 드레인 전극; 상기 게이트 전극, 소스 전극, 드레인 전극 상에 형성되는 제1 층간 절연체층(Inter metal dielectric layer); 상기 게이트, 소스, 드레인 전극 각각과 연결되고 제1 층간 절연체층 내부에 형성되는 제1 층간 배선부(interconnetcor); 및 상기 제1 층간 배선부 상에 형성되는 콘택 패드;를 포함한다.
상기 제1 반도체층은 알루미늄을 포함하는 질화갈륨계 반도체층으로 형성하고, 상기 제2 반도체층은 질화갈륨계 반도체층으로 형성되며,
상기 소스 전극 및 드레인 전극 각각은 연결부 및 상기 연결부로부터 연장되는 복수의 가지부를 가지고, 상기 소스 전극 및 드레인 전극 각각의 복수의 가지부들은 서로 삽입되어 맞물리도록 배열되고,
상기 게이트 전극은 상기 소스 전극 및 드레인 전극 각각에 복수의 가지부들 사이 공간을 따라 형성되고,
상기 콘택 패드 상에 형성되는 제2 층간 절연체층, 본딩 패드 및 상기 콘택 패드와 본딩 패드를 연결하는 제2 층간 배선부를 더 포함하고,
상기 제1 내지 제2 층간 절연체층은 무기절연체층과 유기절연체층의 적층구조로 형성되고, 무기절연체층의 두께는 상기 유기절연체층의 두께보다 얇으며,
상기 무기절연체층은 실리카(SiO2), 이산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄 (Al2O3), 산화탄탈륨(Ta2O5) 중에서 어느 하나를 포함하고,
상기 유기절연체층은 폴리이미드(Polyimide), 폴리카보네이트 (Polycarbonate), 폴리아미드(Polyamide), 폴리에틸렌테트라프탈레이트 (Polyehtylene tetraphtalate), PVP(Poly-4-vinylphenol), PES(Polyethersulfone)중에서 어느 하나를 포함하고,
상기 제1 층간 배선부는 상기 소스 전극 또는 드레인 전극 각각의 상기 연결부 및 가지부에 연결되도록 형성되고,
상기 콘택 패드는 상기 활성영역을 이루는 면적 내부의 상부에 위치할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터 제조방법은 기판 상에 형성되는 제1 내지 제2 질화갈륨계 반도체층의 적층구조로 이루어진 활성영역을 형성하는 단계; 상기 활성영역 상에 게이트 전극, 소스 전극, 드레인 전극을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극, 소스 전극, 드레인 전극 상에 제1 층간 절연체층을 형성하는 단계; 상기 게이트, 소스, 드레인 전극 각각과 대응되는 위치의 제1 층간 절연체층 내부에 제1 비아 홀(via hole)을 형성하는 단계; 상기 제1 비아 홀에 금속물질을 채워서 제1 층간 배선부를 형성하는 단계; 및 상기 제1 층간 배선부 상에 콘택 패드를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제1 반도체층은 알루미늄을 포함하는 질화갈륨계 반도체층으로 형성되고, 상기 제2 반도체층은 질화갈륨계 반도체층으로 형성되고,
상기 소스 전극 및 드레인 전극 각각은 연결부 및 상기 연결부로부터 연장되는 복수의 가지부를 가지고, 상기 소스 전극 및 드레인 전극 각각의 복수의 가지부들은 서로 삽입되어 맞물리도록 배열되고,
상기 게이트 전극은 상기 소스 전극 및 드레인 전극 각각에 복수의 가지부들 사이 공간을 따라 형성되고,
상기 콘택 패드 상에 제2 층간 절연체층을 형성하는 단계; 상기 제2 층간 절연체층 내부에 제2 층간 배선부를 형성하는 단계; 및 상기 제2 층간 배선부 상에 본딩 패드를 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있고, 상기 제1 내지 제2 층간 절연체층은 무기절연체층과 유기절연체층의 적층구조로 형성되고,
상기 무기절연체층의 두께는 상기 유기절연체층의 두께보다 얇은 층으로 형성되고,
상기 제1 층간 배선부는 상기 소스 전극 또는 드레인 전극 각각의 상기 연결부 및 가지부에 연결되도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 활성영역 상에 층간 절연체층을 게재하여 패드를 형성하면 이종접합 전계효과 트랜지스터 소자의 면적을 감소할 수 있다.
그리고, 종래의 일반구조와 동일한 기판 면적에서 활성영역 상의 게이트, 소스, 드레인 전극 각각과 패드가 연결되는 접촉면적을 늘이는 것이 가능하여 열방출의 효과를 개선시킬 수 있게 된다.
또한, 트랜지스터 소자에 고전압 인가시 발생하는 누설전류를 층간 절연체층의 유기절연체층과 무기절연체층에서 효과적으로 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 내구성, 연성 및 탄성을 갖는 유기절연체층을 층간 절연체층으로 사용함으로써 트랜지스터 소자 패키징 시의 스트레스를 효과적으로 완화할 수 있어서 패키징 신뢰성을 향상할 수 있다.
아울러 본 발명의 실시형태에 따르면, 소스 전극 및 드레인 전극 각각의 복수의 가지부들이 서로 삽입되어 맞물리도록 배치되어 있고 그 사이 공간을 게이트 전극이 형성되어 있어서 전류의 양을 증가시킬 수 있다.
도 1a 내지 도1b는 종래기술과 본 발명의 일 실시예에 따른 이종접합구조 트랜지스터 구성을 설명하기 위한 사시도.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터의 세부 구조와 그 제조방법을 설명하기 위한 사시도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터의 층간 절연체층 구조 변화에 의한 누설전류 특성을 나타낸 그래프.
도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터의 게이트, 소스, 드레인 전극 각각의 구조를 설명하기 위한 평면도.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터의 세부 구조와 그 제조방법을 설명하기 위한 사시도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터의 층간 절연체층 구조 변화에 의한 누설전류 특성을 나타낸 그래프.
도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터의 게이트, 소스, 드레인 전극 각각의 구조를 설명하기 위한 평면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 이종접합 전계효과 트랜지스터 및 그 제조방법에 대한 실시의 예를 상세히 설명하도록 한다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터 구성을 설명하기 위한 사시도이다.
도 1b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터는 기판(10); 상기 기판 상에 형성되는 제1 내지 제2 질화갈륨계 반도체층의 적층구조로 이루어진 활성영역(11); 상기 활성영역 상에 형성되는 게이트 전극, 소스 전극, 드레인 전극; 상기 게이트 전극, 소스 전극, 드레인 전극 상에 형성되는 제1 층간 젤연체층(Inter metal dielectric layer, 30); 상기 게이트, 소스, 드레인 전극 각각과 연결되고 제1 층간 절연체층 내부에 형성되는 제1 층간 배선부(Interconnector, 36); 및 상기 제1 층간 배선부 상에 형성되는 콘택 패드(12);를 포함한다.
도 1a에서와 같이, 종래의 이종접합구조 트랜지스터는 상기 활성영역(11) 측면으로 콘택 패드(12)가 위치하는 측면(lateral) 구조인데 반해, 본 발명의 실시예에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터는 활성영역(11) 상에 콘택 패드(12)를 형성하는 3D 구조를 나타낸다. 이때, 상기 콘택 패드(12)는 상기 활성영역(11)을 이루는 면적 내부의 상부에 위치하도록 형성될 수 있다.
상기 기판 상에 활성영역과 본딩 패드 형성시 종래기술의 방법으로 수행하게 되면 활성영역과 본딩 패드 모두를 포함할 수 있는 면적의 기판을 사용해야 하고, 본 발명에서 실시한 방법으로 수행하게 되면 활성영역 상에 패드가 위치하는 구조이기 때문에 기판의 크기는 활성영역의 면적을 포함할 수 있으면 된다. 이는 종래보다 크기가 작은 기판을 사용하게 됨으로써 소자의 면적을 감소시킬 수 있게 된다.
또한, 도 1b에 도시된 바와 같이, 제1 층간 절연체층을 이용하여 이종접합 전계효과 트랜지스터를 형성함으로써 누설전류를 효과적으로 억제할 수 있고, 아울러 제1 층간 배선부를 이용하여 활성영역과 콘택 패드의 접촉면적을 늘림으로써 이종접합 전계효과 트랜지스터 소자의 활성영역에서 발생되는 열을 효율적으로 방출할 수 있다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 실시예에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터 의 세부구조와 그 제조방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터를 제조하기 위해서는 우선 기판 상에 형성되는 제1 내지 제2 질화갈륨계 반도체층의 적층구조로 이루어진 활성영역(20)을 형성하고, 상기 활성영역(20) 상에 게이트 전극(21), 소스 전극(22), 드레인 전극(23)을 형성한다.
상기 기판은 실리콘 카바이드(SiC)기판, 사파이어 기판, 실리콘 기판(Si) 중에서 선택된 어느 하나를 선택할 수 있다.
상기 활성영역(20)은 제1 내지 제2 질화갈륨계 반도체층의 적층구조로 이루어질 수 있으며, 상기 제1 반도체층은 알루미늄을 포함하는 질화갈륨계 반도체층으로 형성될 수 있고, 상기 제2 반도체층은 질화갈륨계 반도체층으로 형성될 수 있다.
상기 제1 반도체층은 상기 제2 반도체층 보다 큰 밴드갭 에너지를 가지며, 이 두 반도체층을 적층시켰을 때 에너지 밴드갭에 있어서의 불연속성으로 인하여 보다 큰 밴드갭으로부터 보다 작은 밴드갭 물질로 자유전자가 이동하게 된다.
이러한 전자는 이들 층 사이의 계면에 축적되어 소스 전극 및 드레인 전극 사이에서 전류가 흐를 수 있도록 채널영역에 형성될 수 있고, 알루미늄의 함유량이 많아질수록 채널영역은 더 고농도로 형성될 수 있다.
상기 게이트 전극(21)은 질화물계 반도체층과 쇼트키 접촉을 이룰 수 있는 물질, 예를 들어 니켈(Ni), 백금(Pt), 텅스텐(W), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr), 구리(Cu), 금(Au) 등의 금속 및 이들의 합금을 사용할 수 있다. 한편, 소스 전극 (22) 및 드레인 전극(23) 물질로는 티타늄(Ti), 알루미늄 (Al), 니켈(Ni), 금(Au) 중에서 선택된 적어도 하나의 금속물질을 포함할 수 있고, 상기 소스전극 및 드레인 전극 물질을 선택하는데 있어서 특별히 이들 재료에 한정될 필요는 없다.
상기 소스 전극(22) 및 드레인 전극(23) 각각은 연결부 및 상기 연결부로부터 연장되는 복수의 가지부를 가지고, 상기 소스 전극(22) 및 드레인 전극(23) 각각의 복수의 가지부들은 서로 삽입되어 맞물리도록 배치될 수 있다.
상기 게이트 전극(21)은 상기 소스 전극(22) 및 드레인 전극(23) 각각에 복수의 가지부들 사이 공간을 따라 형성될 수 있다.
이후에 상기 게이트 전극, 소스 전극, 드레인 전극 상에 제1 층간 절연체층(30)을 형성한다(도 2b를 참조).
상기 제1 층간 절연체층(30)은 절연특성, 열적 및 화학적 안정성, 내구성 및 연성 등이 요구되는데, 내구성 및 연성이 우수하고, 절연특성 또한 우수하며, 두꺼운 박막의 제조가 가능한 유기절연체층을 포함할 수 있다. 유기절연체층을 형성하는 유기물질로는 폴리이미드(Polyimide), 폴리카보네이트(Poly carbonate), 폴리아미드(Polyamide), 폴리에틸렌테트라프탈레이트(Polyethylenetetraphtalate), PVP(Poly-4- vinylphenol), PES(Polyethersulfone) 중에서 어느 하나를 선택할 수 있는데, 예를 들어 폴리이미드의 경우는 1×1016 내지 2×1016Ω·㎝ 의 절연특성을갖고 있어서 이종접합 전계효과 트랜지스터의 누설전류 차단에 효과적일 뿐만 아니라, 탄성률이 3 내지 4GPa로서 트랜지스터 소자를 패키징하거나 트랜지스터에 고전압을 인가하는 경우에 발생하는 열과 압력에 의한 스트레스를 해소할 수 있는 스트레스 버퍼층(stress buffer layer)의 역할을 효과적으로 수행할 수 있다.
그리고, 상기 제1 층간 절연체층(30)은 유기절연체층의 단일층으로 형성될 수 있을 뿐만 아니라, 무기절연체층과 유기절연체층의 적층구조로 형성될 수 있다. 즉, 무기절연체층과 유기절연체층의 적층구조로 형성된 경우에는 고전압의 인가시에 유기절연체층에 의하여 1차적으로 절연이 이루어지고, 상기 유기절연체층에서 누설된 낮은 정도의 전류는 상기 유기절연체층보다 더욱 치밀한 무기절연체층으로 2차 절연을 하여 누설전류를 획기적으로 낮출 수 있다.
한편, 상기 무기절연체층의 두께는 상기 유기절연체층의 두께보다 얇은 층으로 형성될 수 있다. 무기절연체층 및 유기절연체층은 공통적으로 두께를 두껍게 하면 누설전류를 억제하는 효과는 향상되나, 무기절연체층의 경우 트랜지스터 소자의 패키징시에 발생되는 스트레스를 완충하기 위해서 요구되는 내구성, 연성, 탄성 등의 특성이 유기절연체층에 비하여 부족하므로, 무기절연체층은 누설전류를 2차적으로 낮추어주는 정도의 두께면 족하고, 유기절연체층의 두께를 두껍게 형성할 수 있다. 또한, 트랜지스터 소자의 패키징시에 열과 압력에 의한 스트레스는 트랜지스터 소자의 상부로부터 인가되는 것이 일반적이므로 유기절연체층을 적층구조의 상단부에 형성하여 상부로부터 인가되는 스트레스를 효과적으로 완화시켜줄 수 있다. 그리고, 높은 누설전류 특성과 스트레스 완화를 위하여 유기절연체층의 두께를 너무 높게 형성하면 고밀도 층간 배선부 형성 및 본딩 메탈 스텝 커버리지 확보 등의 공정상 어려움이 따르기 때문에 유기절연체층의 두께는 5 내지 7㎛의 범위에서 선택할 수 있다.
또한, 상기 무기절연체층은 균일한 박막제조가 가능하고 패터닝 공정이 용이할 뿐 아니라, 이종물질 흡착력이 우수한 물질인 실리카(SiO2), 이산화티타늄 (TiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화탄탈륨(Ta2O5) 중에서 어느 하나를 사용할 수 있으며, 무기절연체층의 두께는 0.05 내지 0.2㎛에서 선택할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터의 층간 절연체층 구조 변화에 따른 누설전류 특성을 곡선으로 나타낸 그래프이다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터의 층간 절연체층은 유기절연체층으로만 이루어진 단층구조보다 무기절연체층과 유기절연체층의 적층구조로 이루어진 이종접합 전계효과 트랜지스터 소자의 누설전류가 감소하는 현상을 관찰할 수 있다. 즉, 상기 적층구조로 형성된 층간 절연체층은 소자 내부에 고전압 및 고내압 인가시 발생하는 누설전류를 층간 절연체층의 상단층인 유기절연체층에서 절연할 수 있고, 유기절연체층에서 누설되는 전류는 무기절연체층에서 한번 더 절연할 수 있게 된다.
도 2c 및 도 2d를 참조하면, 상기 제1 층간 절연체층(30)을 형성한 이후에 상기 게이트, 소스, 드레인 전극(21, 22, 23) 각각과 대응되면서 상기 콘택 패드(41, 42, 43)와의 원활한 연결을 위한 제1 층간 절연체층(30) 내부에 제1 비아 홀(35)을 형성하고, 상기 제1 비아 홀(35)에 금속물질을 채워서 제1 층간 배선부(32)를 형성한다.
본 발명에서 제1 층간 절연체층 내부에 제1 층간 배선부를 형성하기 위하여 상기 제1 층간 절연체층을 패터닝하는 과정은, 제1 층간 절연체층을 비감광성 유기물질(예를 들어, 폴리이미드)를 사용하여 형성하는 경우와 감광성 유기물질(예를 들어, 폴리이미드)를 사용하여 형성하는 경우로 나누어 볼 수 있다.
일 실시예로서 상기 제1 층간 절연체층의 유기절연체층을 비감광성 폴리이미드(Non-photosensitive polyimide)를 사용하여 형성하는 경우에는 먼저, 물리증착법 및 화학증착법을 통하여 무기절연체층(예를들어, SiO2층)을 형성한 후 폴리이미드를 스핀 코팅(spin coating) 처리하여 큐어링(curing)시킨다. 그런 다음 폴리이미드층 상부에 포토리소그라피를 통하여 마스크 패턴을 형성하고, 마스크 패턴을 이용하여 무기절연체층 및 유기절연체층을 에칭한 후 에칭한 부분에 금속물질을 채우면 제1 층간 배선부를 형성할 수 있게 된다.
다른 실시예로서 감광성 폴리이미드(Photosensitive polyimide)를 사용하여 제1 층간 배선부를 형성하는 경우는 무기절연체층의 SiO2층 형성 및 폴리이미드 스핀코팅 과정은 상기 서술한 바와 같이 비감광성 폴리이미드의 층간 배선부를 형성하는 과정과 같고, 이후에 광감성 폴리이미드층을 포토리소그라피 방법으로 패터닝하고, 패터닝된 부분에 금속물질을 채워서 제1 층간 배선부를 형성할 수 있게 된다.
종래기술에서와 같이 콘택 패드를 활성영역 양측에 형성하는 경우에는 트랜지스터 소자 내부에서 발생하는 열이 효과적으로 외부로 배출되지 못하여 누설전류가 증가하고, 항복전압 및 온 전류(On current)가 감소하는 현상이 발생하게 되나, 상기 제1 층간 절연체층을 이용하여 활성영역 상에 제1 층간 배선부와 콘택패드를 형성하면 게이트, 소스, 드레인 전극(21, 22, 23) 각각과 콘택 패드(41, 42, 43)와 연결되는 접촉면이 증가하게 되어 열 방출의 효과를 개선할 수 있게 된다.
상기 게이트, 소스, 드레인 전극(21, 22, 23) 각각에 대응되는 제1 층간 배선부(36) 상에 콘택 패드(41, 42, 43)를 형성한 후에는, 상기 콘택 패드(41, 42, 43) 상에 제2 층간 절연체층(40)을 형성하고, 상기 제2 층간 절연체층(40) 내부에 상기 콘택 패드(41, 42, 43)에 연결되는 제2 층간 배선부(46)를 형성하고, 상기 제2 층간 배선부(46) 상에 본딩 패드(51, 52, 53)을 형성한다(도 2e 내지 도 2g 참조). 제2 층간 절연체층(40), 제2 층간 배선부(46) 및 본딩 패드(51, 52, 53)의 세부 구성과 그 제조 방법은 제1 층간 절연체층(30), 제1 층간 배선부(36) 및 콘택패드(41, 42, 43)와 실질적으로 유사하여 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터의 게이트, 소스, 드레인 전극 각각의 구조를 설명하기 위한 평면도로서, 도 4a는 단일 셀 트랜지스터의 전극 구조가 도시된 것이며, 도 4b는 멀티 셀 트랜지스터의 전극구조를 도시화한 것이다.
본 발명에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터를 파워 소자로서 사용하기 위해서는 고전압과 고전류 특성이 요구되는데, 트랜지스터 소자의 전류량은 게이트 전극의 길이와 비례하므로 전류량을 증가시키기 위해서는 게이트 전극의 길이를 최대한 길게 해야 한다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 소스 전극(62) 및 드레인 전극(63)을 포함하는 가지 형태의 전극구조로 형성하고, 상기 소스 전극(62) 및 드레인 전극(63) 사이의 공간을 따라 게이트 전극(61)을 형성하는 멀티 셀 트랜지스터의 경우에는 게이트 전극의 길이는 길어지게 되고 이에 따라 소스 전극과 드레인 전극 사이에서 흐르는 전류량은 증가할 수 있게 된다.
좀 더 자세히 살펴보면, 상기 소스 전극(62) 및 드레인 전극(63) 각각은 연결부 및 상기 연결부로부터 연장되는 복수의 가지부를 가질 수 있고, 상기 소스 전극(62) 및 드레인 전극(63) 각각의 복수의 가지부들은 서로 삽입되어 맞물리도록 배치될 수 있다. 상기 게이트 전극(61)은 상기 소스 전극(62) 및 드레인 전극(63) 각각에 복수의 가지부들 사이 공간을 따라 배치된다.
그리고, 이종접합 전계효과 트랜지스터에 고전류를 인가하기 위해서는 접촉/본딩 패드는 상당한 두께와 면적을 가져야 한다. 종래기술인 활성영역 측면에 패드가 형성되는 측면(lateral) 구조의 트랜지스터에서는 패드 면적을 늘리기 위해서는 활성영역이 필수적으로 줄어들어야 하는데 반하여, 본 발명에 따른 트랜지스터에 층간 절연체층을 이용하여 활성영역 상에 패드를 형성하는 3D구조의 경우에는 종래기술과 동일한 소자 면적에 대해서 활성영역을 최대한 증가시킬 수 있게 된다.
한편, 도 2c 내지 도 2d에서 활성영역 상의 소스 전극(22) 및 드레인 전극(23)을 상부의 콘택 패드(42, 43)와 각각 연결해주는 상기 제1 층간 배선부 (36)는 상기 소스 전극(22) 또는 드레인 전극(23) 각각의 상기 연결부의 가지부는 동시에 전기 및 열적으로 연결되도록 복수로 형성될 수 있다. 상기 연결부와 가지부에 연결되는 복수의 제1 층간 배선부(36)에 의해서 활성영역 전체 면적에 걸쳐서 열의 배출이 원활하게 일어날 수 있다. 즉, 종래기술인 활성영역 측면에 패드가 형성되면 측면(lateral) 구조의 트랜지스터에서는 활성영역과 패드의 접촉이 측면에서만 이루어지게 되므로 활성영역의 중간 영역에서 발생되는 열은 열 발생 지점과 열 배출 지점(패드)과의 거리가 멀어서 적절히 배출되기가 어려운 반면에, 본 발명에 따른 트랜지스터에서는 활성영역의 면적 전반에 걸쳐서 형성된 제1 층간 배선부를 통하여 활성영역의 상부에 위치하는 패드로 열이 효과적으로 배출될 수 있게 된다.
본 발명에 따른 이종접합 전계효과 트랜지스터 및 그 제조방법에 따르면 활성영역 상에 층간 절연체층을 게재하여 패드를 형성하면 이종접합 전계효과 트랜지스터 소자의 면적을 감소할 수 있다.
그리고, 종래기술의 측면구조와 동일한 기판 면적에서 활성영역 상의 게이트, 소스, 드레인 전극 각각과 패드가 연결되는 접촉면적을 늘이는 것이 가능하여 열 방출의 효과를 개선시킬 수 있게 된다.
또한, 트랜지스터 소자에 고전압 인가시 발생하는 누설전류를 층간 절연체층의 유기절연체층과 무기절연체층에서 효과적으로 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 내구성, 연성 및 탄성을 갖는 유기절연체층을 층간 절연체층으로 사용함으로써 트랜지스터 소자 패키징 시의 스트레스를 효과적으로 완화할 수 있어서 패키징 신뢰성을 향상할 수 있다.
아울러 본 발명의 실시형태에 따르면, 소스 전극 및 드레인 전극 각각의 복수의 가지부들이 서로 삽입되어 맞물리도록 배치되어 있고 그 사이 공간을 게이트 전극이 형성되어 있어서 전류의 양을 증가시킬 수 있다.
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 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 기판 11, 20: 활성영역
12: 콘택 패드 21, 61: 게이트 전극
22, 62: 소스전극 23, 63: 드레인 전극
30: 제1 층간 절연체층 35: 제1 비아 홀
36: 제1 층간 배선부 40: 제2 층간 절연체층
41: 게이트 콘택 패드 42: 소스 콘택 패드
43: 드레인 콘택 패드 45: 제2 비아 홀
46: 제2 층간 배선부 51: 게이트 본딩 패드
52: 소스 본딩 패드 53: 드레인 본딩 패드
12: 콘택 패드 21, 61: 게이트 전극
22, 62: 소스전극 23, 63: 드레인 전극
30: 제1 층간 절연체층 35: 제1 비아 홀
36: 제1 층간 배선부 40: 제2 층간 절연체층
41: 게이트 콘택 패드 42: 소스 콘택 패드
43: 드레인 콘택 패드 45: 제2 비아 홀
46: 제2 층간 배선부 51: 게이트 본딩 패드
52: 소스 본딩 패드 53: 드레인 본딩 패드
Claims (19)
- 기판;
상기 기판 상에 형성되는 제1 내지 제2 질화갈륨계 반도체층의 적층구조로 이루어진 활성영역;
상기 활성영역 상에 형성되는 게이트 전극, 소스 전극, 드레인 전극;
상기 게이트 전극, 소스 전극, 드레인 전극 상에 형성되는 제1 층간 절연체층(Inter metal dielectric layer);
상기 게이트, 소스, 드레인 전극 각각과 연결되고 제1 층간 절연체층 내부에 형성되는 제1 층간 배선부(interconnector); 및
상기 제1 층간 배선부 상에 형성되는 콘택 패드;를 포함하고,
상기 제1 층간 절연체층은 절연성과 탄성을 동시에 갖는 유기절연체층을 포함하는 이종접합 전계효과 트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1 반도체층은 알루미늄을 포함하는 질화갈륨계 반도체층으로 형성되고, 상기 제2 반도체층은 질화갈륨계 반도체층으로 형성되는 이종접합 전계효과 트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 소스 전극 및 드레인 전극 각각은 연결부 및 상기 연결부로부터 연장되는 복수의 가지부를 가지고,
상기 소스 전극 및 드레인 전극 각각의 복수의 가지부들은 서로 삽입되어 맞물리도록 배열되는 이종접합 전계효과 트랜지스터.
- 제 3 항에 있어서,
상기 게이트 전극은 상기 소스 전극의 복수의 가지부와 드레인 전극의 복수의 가지부들 사이 공간을 따라 형성되는 이종접합 전계효과 트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 콘택 패드 상에 형성되는 제2 층간 절연체층, 본딩 패드 및 상기 콘택 패드와 본딩 패드를 연결하는 제2 층간 배선부를 더 포함하는 이종접합 전계효과 트랜지스터.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1 층간 절연체층은 무기절연체층을 더 포함하여, 상기 무기절연체층과 유기절연체층의 적층구조로 형성되고,
상기 무기절연체층의 두께는 상기 유기절연체층의 두께보다 얇은 이종접합 전계효과 트랜지스터.
- 제 7 항에 있어서,
상기 무기절연체층은 실리카(SiO2), 이산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄 (Al2O3), 산화탄탈륨(Ta2O5) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종접합 전계효과 트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 유기절연체층은 폴리이미드(Polyimide), 폴리카보네이트(Poly carbonate), 폴리아미드(Polyamide), 폴리에틸렌테트라프탈레이트 (Polyehtylenetetraphthalate), PVP(Poly-4- vinylphenol), PES(Polyethersulfone) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종접합 전계효과 트랜지스터.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제1 층간 배선부는 상기 소스 전극 또는 드레인 전극 각각의 상기 연결부 및 가지부에 연결되도록 형성되는 이종접합 전계효과 트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 콘택 패드는 상기 활성영역을 이루는 면적 내부의 상부에 위치하는 이종접합 전계효과 트랜지스터.
- 기판 상에 형성되는 제1 내지 제2 질화갈륨계 반도체층의 적층구조로 이루어진 활성영역을 형성하는 단계;
상기 활성영역 상에 게이트 전극, 소스 전극, 드레인 전극을 형성하는 단계;
상기 게이트 전극, 소스 전극, 드레인 전극 상에 제1 층간 절연체층을 형성하는 단계;
상기 게이트, 소스, 드레인 전극 각각과 대응되는 위치의 제1 층간 절연체층 내부에 제1 비아 홀(via hole)을 형성하는 단계;
상기 제1 비아 홀에 금속물질을 채워서 제1 층간 배선부를 형성하는 단계; 및
상기 제1 층간 배선부 상에 콘택 패드를 형성하는 단계를 포함하며,
상기 제1 층간 절연체층은 절연성과 탄성을 동시에 갖는 유기절연체층을 포함하는 이종접합 전계효과 트랜지스터 제조방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 제1 반도체층은 알루미늄을 포함하는 질화갈륨계 반도체층으로 형성되고, 상기 제2 반도체층은 질화갈륨계 반도체층으로 형성되는 이종접합 전계효과 트랜지스터 제조방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 소스 전극 및 드레인 전극 각각은 연결부 및 상기 연결부로부터 연장되는 복수의 가지부를 가지고,
상기 소스 전극 및 드레인 전극 각각의 복수의 가지부들은 서로 삽입되어 맞물리도록 배열되는 이종접합 전계효과 트랜지스터 제조방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 게이트 전극은 상기 소스 전극의 복수의 가지부와 드레인 전극의 복수의 가지부들 사이 공간을 따라 형성되는 이종접합 전계효과 트랜지스터 제조방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 콘택 패드 상에 제2 층간 절연체층을 형성하는 단계;
상기 제2 층간 절연체층 내부에 제2 층간 배선부를 형성하는 단계; 및
상에 제2 층간 배선부 상에 본딩 패드를 형성하는 단계;를 더 포함하는 이종접합 전계효과 트랜지스터 제조방법.
- 삭제
- 제 12 항에 있어서,
상기 제1 층간 절연체층은 무기절연체층을 더 포함하여, 상기 무기절연체층과 유기절연체층의 적층구조로 형성되고,
상기 무기절연체층의 두께는 상기 유기절연체층의 두께보다 얇은 층으로 형성되는 이종접합 전계효과 트랜지스터 제조방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 제1 층간 배선부는 상기 소스 전극 또는 드레인 전극 각각의 상기 연결부 및 가지부에 연결되도록 형성되는 이종접합 전계효과 트랜지스터 제조방법.
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