KR102193086B1 - 감소된 출력 커패시턴스를 갖는 GaN 장치 및 그 제조 공정 - Google Patents

감소된 출력 커패시턴스를 갖는 GaN 장치 및 그 제조 공정 Download PDF

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Abstract

감소된 출력 커패시턴스를 갖는 GaN 트랜지스터 및 그 제조 방법. GaN 트랜지스터 장치는 기판층, 기판층에 배치된 하나 이상의 버퍼층, 버퍼층에 배치된 배리어층 및 배리어층과 버퍼층 간의 계면에 형성된 2차원 전자가스(2DEG)를 포함한다. 나아가, 게이트 전극이 배리어층에 배치되고, 유전층이 게이트 전극 및 배리어층에 배치된다. GaN 트랜지스터는 GaN 트랜지스터의 출력 커패시턴스 Coss를 감소시키기 위해 적어도 하나의 버퍼층과 배리어층 간의 계면 일부에 형성된 하나 이상의 절연 영역을 포함한다.

Description

감소된 출력 커패시턴스를 갖는 GaN 장치 및 그 제조 공정{GaN DEVICE WITH REDUCED OUTPUT CAPACITANCE AND PROCESS FOR MAKING SAME}
본 발명은 일반적으로 트랜지스터에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 감소된 출력 커패시턴스를 갖는 GaN 트랜지스터에 관한 것이다.
종래의 트랜지스터 장치들은 일반적으로 전도 손실 및 스위칭 손실로 인한 일정 수준의 전력 소모(power dissipation)를 경험한다. 트랜지스터들이 더 높은 주파수에서 동작하는 경우에는, 스위칭 손실을 줄이는 것이 더욱 중요한 문제가 된다. 또한, 하드 스위칭(hard swiching) 회로에서는, 매 스위칭 주기마다 출력 커패시터를 충전 및 방전하는 것이 트랜지스터 장치의 전력 소모에 영향을 미친다.
출력 커패시턴스("Coss")는 게이트-드레인 커패시턴스 및 소스-드레인 커패시턴스의 합이다. 도 1은 종래 GaN 트랜지스터의 Coss 대 드레인-소스 전압 곡선을 점선으로 나타낸 도면이다.
도 2a는 드레인-소스 전압이 0 V인 경우 종래 GaN 트랜지스터(101)의 단면도를 나타낸다. 도시된 것처럼, GaN 트랜지스터(101)는 기판(109), 기판(109)에 형성된 버퍼층(110), 및 배리어층(104)의 바로 하부에 형성된 2차원 전자가스(two dimensional electron gas, "2DEG")를 포함한다. 나아가, GaN 트랜지스터(101)는 소스 전극(102), 게이트 전극(103), 드레인 전극(105), 전계판(106) 및 유전 필름(107)을 포함한다.
동작 시, 드레인-소스 전압이 0 V인 경우, GaN 트랜지스터(101)의 Coss 요소는 게이트(103)와 드레인 측 2DEG(111) 사이의 커패시터("C1")와, 전계판(106)과 드레인 측 2DEG(111) 사이의 커패시터("C2")와, 기판(109)과 드레인 측 2DEG(111) 사이의 커패시터("C3")를 포함한다. 드레인-소스 전압이 0 V인 경우, 커패시터 C1, C2 및 C3는 가장 높은 값을 가진다.
도 2b는 드레인-소스 전압이 고압인 경우, 종래 GaN 트랜지스터(101)의 단면도이다. 드레인-소스 전압이 증가함에 따라, 드레인측 2DEG(111)은 드레인 전극(105) 방향으로 격감하고; C1 및 C2는 0에 근접하며; C3는 감소한다.
본 발명의 주 목적은 게이트 폭을 유지하면서 트랜지스터의 출력 커패시턴스 Coss를 줄여 전력 소모를 효과적으로 감소시키고, 그에 따라 이러한 트랜지스터들을 포함하는 RF 증폭기에서의 주파수 성능을 향상시키고자 하는 것이다.
후술하는 실시예들은 트랜지스터 장치의 출력 커패시턴스 Coss를 줄이기 위해 상기 장치에 2DEG의 일부를 제거하는 절연 영역(isolation region)을 포함하는 GaN 반도체 장치의 제조 방법을 제공함으로써 앞서 논의된 문제들 및 다른 문제들을 해결한다.
개시된 GaN 트랜지스터는 기판층, 기판층에 배치된 하나 이상의 버퍼층, 상기 버퍼층에 배치된 배리어층, 및 상기 배리어층과 상기 버퍼층 간 계면에 형성된 2차원 전자가스(2DEG)를 포함한다. 나아가, 게이트 전극이 상기 배리어층에 배치되고 유전층이 상기 게이트 전극 및 상기 배리어층에 배치된다. GaN 트랜지스터는 상기 GaN 트랜지스터의 출력 커패시턴스 Coss를 줄이기 위해 상기 적어도 하나의 버퍼층과 상기 배리어층 간의 계면 일부에 형성되어 2DEG를 제거하는 하나 이상의 절연영역을 포함한다.
나아가, 본 명세서에 설명된 것처럼, GaN 트랜지스터 장치의 제조 방법은 기판층에 적어도 하나의 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 적어도 하나의 버퍼층에, 배리어층과 상기 버퍼층 간 계면에 배치되는 2차원 전자가스(2DEG)를 갖도록 상기 배리어층을 형성하는 단계; 상기 배리어층에 게이트 전극을 형성하는 단계; 및 절연영역이 형성되는 계면 일부로부터 2DEG를 제거하기 위해 상기 적어도 하나의 버퍼층 및 상기 배리어층 간 계면의 상기 일부에 제1 절연영역을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 특징, 목적 및 이점은 아래 상세한 설명으로부터, 대응되는 구성요소를 식별하기 위한 참조 번호를 통해서 설명되는 도면을 참조하여, 더욱 명확해질 것이다.
도 1은 종래 GaN 트랜지스터의 Coss 대 드레인-소스 전압 곡선을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2a는 드레인-소스 전압이 0인 경우 종래 GaN 트랜지스터의 단면도이다.
도 2b는 드레인-소스 전압이 고압인 경우 종래 GaN 트랜지스터의 단면이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따라 감소된 Coss를 갖는 GaN 트랜지스터의 평면도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3a GaN 트랜지스터의 A-A 단면도이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3a GaN 트랜지스터의 B-B 단면도이다.
도 4a 내지 도 4(e)는 본 발명에 따라 감소된 Coss를 갖는 GaN 트랜지스터의 제조공정을 나타낸 도면이다.
도 5는 종래 GaN 트랜지스터와 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 GaN 트랜지스터의 Coss 대 드레인-소스 전압 곡선을 비교하여 나타낸 도면이다.
상기 도면들은 제한을 위해 도시된 것이 아니며 유사한 구조들 또는 기능들의 구성요소들은 설명적인 목적을 위해 일반적으로 상기 도면들 전체에 걸쳐 유사 참조 부호들로 표현된다. 상기 도면들은 단지 본 명세서에 설명되는 다양한 실시예들을 쉽게 설명하는 것으로 의도되고; 상기 도면들은 본 명세서에 개시되는 교시들의 모든 측면을 설명하지는 않으며 청구범위를 제한하지 않는다.
다음의 상세한 설명에서, 일부 실시예들이 참조된다. 이 상세한 설명은 단지 통상의 기술자에게 본 발명의 바람직한 측면들을 설명하는 것으로 의도되며 청구범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 따라서, 다음의 상세한 설명에 개시된 특징들의 조합은 반드시 상기 교시들을 넓은 의미에서 실현할 필요는 없으며, 단지 본 발명의 상기 교시들의 대표적인 실시예들을 개별적으로 설명하기 위해 교시된다. 다른 실시예들이 채용될 수 있고 다양한 구조적, 논리적, 그리고 전기적 변형들이 이루어질 수 있음이 이해될 것이다.
도 3a 내지 3c는 본 발명의 제1의 예시적인 실시예에 따른 감소된 Coss를 갖는 GaN 장치(201)를 나타낸 도면이다. 도 3b에 도시된 것처럼, GaN 장치(201)는 기판(209)에 형성되며, 기판(209)은 예를 들어 실리콘(silicon, Si), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 또는 사파이어(sapphire)일 수 있다. 하나 이상의 버퍼층(210)이 기판(209) 상에 형성되며 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 알루미늄 나이트라이드(aluminum nitride, AlN) 및 알루미늄갈륨 나이트라이드(aluminum gallium nitride, AlGaN)를 포함할 수 있다. 일 예시적인 실시예에서, 버퍼층들 중의 하나(즉, 배리어층(204)에 근접해 있는 버퍼층)는 채널층이며, 바람직하게는 채널층이 GaN을 포함한다. 채널층은 버퍼층들 중의 하나로서 또는 버퍼층들과 배리어층 사이의 분리층으로서 고려될 수 있음이 이해될 것이다. 배리어층(204)은 버퍼층들(210)과 그 배리어층(204) 사이의 계면에 형성되는 2차원 전자가스("2DEG")(211)를 갖도록 버퍼층들(210)의 상부에 형성된다. 예를 들어, 버퍼층들(210)이 GaN으로 형성된 채널층을 포함하는 경우, 2DEG 영역은 GaN 층과 배리어층(210) 사이의 계면에 형성된다. 유전층(207)은 배리어층(204)에 증착된다.
도 3a 및 도 3b는 소스 전극(202), 게이트 전극(203), 드레인 전극(205) 및 전계판(field plate)(206)을 더 포함하는 GaN 장치(201)를 나타낸 도면이다. 앞서 도 2a를 참조로 설명한 커패시터 C2의 Coss를 줄이기 위해, 제1 절연영역(isolation region)(301)이 전계판(206)의 하부에 형성된다. 비록 도 3a에는 도시되지 않았으나, 일 실시예를 개선한 실시예에서, 절연영역(301)은 게이트를 전계판 영역으로 디플리션시키고 Coss에 포함되는 커패시턴스 Cgd를 줄이기 위하여 게이트 전극(203) 측으로 충분히 연장될 수 있다.
도 3a에 추가 도시된 것처럼, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 커패시터 C3의 Coss를 감소시키기 위해 제2 절연영역(302)이 전계판(206)의 외부에 드레인 전극(205)을 향하여 형성될 수 있다. 나아가, 드레인 전극(205)의 제거된 일부분에 드레인 전극(205)을 통과해 연장되는 것을 제외하고는 절연영역(302)과 유사한 제3 절연영역(303)이 형성된다. 절연영역(303) 또한, 전술한 커패시터 C3의 Coss를 감소시킨다.
절연영역들(301, 302 및 303) 각각이 GaN 장치(201)의 버퍼층(210)에 형성되고 2DEG가 절연영역이 형성되는 곳에서 제거됨이 이해될 것이다. 특히, 도 3b는 제1 절연영역(301)에서 2DEG가 제거됨을 보여주는 도 3a의 A-A 단면도이다. 전술한 것처럼, 절연영역(301)은 앞서 도 2a를 참조로 설명한 커패시터 C2의 Coss를 감소시킨다. 마찬가지로, 도 3c는 제3 절연영역(303)에서 2DEG가 제거되고 드레인 전극(205)의 일부가 제거됨을 보여주는 도 3a의 B-B 단면도이다. 도 3b 및 도 3c에 도시된 GaN 장치(201)의 층들은 도 3a에 나타난 층들과 동일하고 동일 참조 부호가 부여되었으며 이에 대한 상세한 설명은 여기에서 반복적으로 설명하지 않을 것이다.
도 3a 내지 도 3c의 도면에 있어, 감소된 출력 커패시턴스를 갖는 GaN 트랜지스터 장치의 적어도 다섯 가지 개별적인 실시예들이 여기에서 제공되는 것으로 고려된다. 예를 들어, 제1 실시예는 도 3a 및 3b에 도시된 것처럼, 전계판(206)의 하부에 형성된 절연영역(301)을 포함한다. 제2 실시예는 도 3a에 도시된 것처럼, 전계판의 외부에 드레인 전극(205)으로 향하는 절연영역, 예컨대 절연영역(302)을 형성하는 것이다. 전술한 것처럼, 절연영역(302)은 커패시턴스 C3를 감소시킨다. 제3 실시예는 도 3a 및 3c에 도시된 것처럼, 드레인 전극(205)의 일부를 제거하고 드레인 전극(205)의 외측으로 연장되는 절연영역(303)을 형성하는 것이다. 절연영역(303)의 형성 또한 커패시턴스 C3를 감소시킨다. 제4 실시예는 둘 이상의 절연영역들(301, 302, 303)을 포함하는 GaN 장치(201)를 포함할 수 있음이 이해될 것이다. 마지막으로, 본 발명의 제5 실시예는 전계판(206) 하부의 절연영역과 전압 독립적 커패시터를 포함하는 것으로 Coss는 보다 넓은 범위의 드레인 전압에 걸쳐 더욱 평탄화된다.
절연영역들(301, 302 및 303)을 형성하는 것은 Rds(on)를 증가시키게 된다. 따라서, 일 실시예를 개선한 실시예에서, 절연영역들의 면적은 전력 소모를 최소화할 수 있도록 최적화된다. 이러한 예시에 있어서, Rds(on) 및 Eoss의 곱은 이러한 최적화에서의 성능 지수로서 이용될 수 있다. 절연 면적을 위한 최적 백분율 면적은 장치의 정격 전압(voltage rating), 그리고 그 장치의 재료 및 레이아웃 파라미터들에 의해 결정된다.
도 4a 내지 (e)는 본 발명의 일 실시예에 따라 감소된 출력 커패시턴스 Coss를 갖는 GaN 장치의 제조 공정을 예시적으로 나타낸 도면이다. 도 4a에 도시된 것처럼, 기판층(209)이 만들어진다. 전술한 것처럼, 기판층(209)은 실리콘(silicon, Si), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 또는 사파이어(sapphire) 등으로부터 형성될 수 있다. 다음으로, 기판(209)의 상부에 버퍼층들(210)이 증착된다. 버퍼층들(210)은 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 알루미늄 나이트라이드(aluminum nitride, AlN) 및 알루미늄갈륨 나이트라이드(aluminum gallium nitride, AlGaN)를 포함할 수 있다. 다음으로, 버퍼층들(210)의 상부에 배리어층(204)이 형성될 수 있다. 전술한 것처럼, 2차원 전자가스("2DEG")가 버퍼층(210)과 배리어층(204) 사이의 계면에 형성된다. 마지막으로, 배리어층(204)의 상부에 게이트층(212)이 형성될 수 있다. 층 형성 단계들은 원자층 증착(atomic layer deposition)이나 플라즈마 화학기상증착(plasma enhanced chemical vapor deposition) 등과 같은, 임의의 통상적인 증착 기술을 이용해 수행될 수 있음이 이해될 것이다.
다음으로, 도 4b에 도시된 것처럼, 게이트층(212)에 패턴이 놓여지고 식각되어 게이트 전극(203)을 형성한다. 게이트 전극(203)이 형성되고 나면, 도 4c에 도시된 것처럼 하나 이상의 절연영역(301, 302, 또는 303)이 GaN 장치(201)에 형성될 수 있다. 도 4c는 예를 들기 위해 절연영역(301)의 형성만을 도시하고 있으나, 이 단계 동안 세 절연영역들(301, 302, 또는 303) 중 하나 이상이 형성될 수 있음이 이해될 것이다. 나아가, 일 실시예에서, 절연영역들(301, 302, 및/또는 303)은 이온 주입 또는 식각에 의해 형성된다.
도 4d에 도시된 것처럼, 절연영역들(301, 302, 및/또는 303)이 형성되고 나면, 유전 필름(207)이 배리어층(204) 및 게이트 전극(203)의 상부에 증착된다. 도 4d는 패터닝 및 식각에 의해 소스 전극(202) 및 드레인 전극(205)을 위한 노출부를 형성하는 것을 추가 도시한다. 마지막으로, 도 4e에 도시된 것처럼, 소스 전극(202) 및 드레인 전극(205)을 위한 저항성 접촉 금속(ohmic contact metals)이 증착, 패터닝 및 식각된다. 추가로, GaN 장치(201)에 대해 전계판(206)이 현상되고 난 후(developed), 급속 열처리(rapid thermal annealing, RTA)된다.
도 5는 종래 GaN 트랜지스터와 본 발명의 일 실시예에 따른 GaN 트랜지스터의 Coss 대 드레인-소스 전압 곡선을 비교하여 나타낸 도면이다. 도 1과 관련하여 전술한 것처럼, 종래 GaN 장치의 Coss 대 드레인-소스 전압 곡선은 점선으로 도시되어 있다. 본 발명의 GaN 트랜지스터(201)의 주 목적은 해당 곡선을 하측 및 좌측으로, 다시 말해 점선으로부터 실선 방향으로 천이시키는 것, 즉 Coss를 감소시키는 것이다. 따라서, 본 발명 GaN 트랜지스터의 Coss 대 드레인-소스 전압 곡선이 실선으로 도시되어 있다.
위 설명 및 도면들은 단지 본 명세서에서 설명된 특징들 및 효과들을 구현하는 설명적인 개별 실시예들로 고려된다. 특정 공정 조건들에 대해 수정들 및 치환들이 이루어질 수 있다. 예를 들어, GaN 기술에 더하여, 본 발명은 LDD에서 유사한 패턴들을 대폭 감소시키거나 생성하지 않는 것뿐만 아니라 LDMOS에 대해서도 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 전술한 설명 및 도면들에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는다.

Claims (15)

  1. 기판층에 배치된 적어도 하나의 버퍼층;
    상기 적어도 하나의 버퍼층에 배치된 배리어층으로서, 상기 배리어층과 상기 버퍼층 사이의 계면에 배치되는 2차원 전자가스(two dimensional electron gas, 2DEG)를 갖는 상기 배리어층;
    상기 배리어층에 배치된 게이트 전극;
    상기 배리어층 상부에 배치된 소스 접촉부;
    상기 배리어층 상부에 배치된 드레인 접촉부;
    상기 게이트 전극 및 상기 배리어층에 배치된 유전층; 및
    상기 적어도 하나의 버퍼층과 상기 배리어층 간 계면의 일부에 형성되는 절연영역으로서, 상기 2DEG가 상기 절연영역이 형성되는 계면 일부로부터 제거되도록 하는 절연영역을 포함하고,
    상기 절연영역의 적어도 일부는 상기 드레인 접촉부의 하부에 형성되며, 상기 드레인 접촉부의 일부를 통과해 연장되는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유전층에 배치된 전계판을 더 포함하되,
    상기 절연영역의 적어도 일부는 상기 전계판의 하부에 형성되는 트랜지스터 장치.
  3. 기판층에 배치된 적어도 하나의 버퍼층;
    상기 적어도 하나의 버퍼층에 배치된 배리어층으로서, 상기 배리어층과 상기 버퍼층 사이의 계면에 배치되는 2차원 전자가스(two dimensional electron gas, 2DEG)를 갖는 상기 배리어층;
    상기 배리어층에 배치된 게이트 전극;
    상기 배리어층 상부에 배치된 소스 접촉부;
    상기 배리어층 상부에 배치된 드레인 접촉부;
    상기 게이트 전극 및 상기 배리어층에 배치된 유전층; 및
    상기 적어도 하나의 버퍼층과 상기 배리어층 간 계면의 제1 및 제2 부분에 각각 형성되는 제1 절연영역 및 제2 절연영역으로서, 상기 2DEG가 상기 절연영역이 형성되는 계면의 제1 및 제2 부분으로부터 제거되도록 하는 제1절연영역 및 제2절연영역을 포함하고,
    상기 제2 절연영역의 적어도 일부는 상기 드레인 접촉부의 하부에 형성되며, 상기 드레인 접촉부의 일부를 통과해 연장되는 것을 특징으로 하는, 트랜지스터 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유전층에 배치된 전계판을 더 포함하되,
    상기 제1 절연영역의 적어도 일부는 상기 전계판의 하부에 형성되는 트랜지스터 장치.
  5. 기판층에 적어도 하나의 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 적어도 하나의 버퍼층에, 배리어층과 상기 버퍼층 사이의 계면에 배치되는 2차원 전자가스(two dimensional electron gas, 2DEG)를 갖는 상기 배리어층을 형성하는 단계;
    상기 배리어층에 게이트 전극을 형성하는 단계;
    상기 게이트 전극 및 상기 배리어층의 상부에 유전층을 증착하는 단계;
    드레인 접촉부 및 소스 접촉부 용 노출부를 형성하기 위해 상기 유전층을 패터닝 및 식각하는 단계;
    상기 드레인 접촉부 및 소스 접촉부를 형성하기 위해 상기 노출부에 저항성 접촉 금속(ohmic contact metal)을 증착하는 단계;
    상기 2DEG가 절연영역이 형성된 계면 일부로부터 제거되도록 상기 적어도 하나의 버퍼층과 상기 배리어층 간 계면의 상기 일부에 제1 절연영역을 형성하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 버퍼층과 상기 배리어층 간 계면의 다른 일부에 제2 절연영역을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 절연영역은 상기 드레인 접촉부의 하부에 형성되며, 상기 드레인 접촉부의 일부를 통과해 연장되는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 장치 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 절연영역 상부의 상기 유전층에 전계판을 형성하는 단계를 더 포함하는 트랜지스터 장치 제조 방법.
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