KR102248808B1 - Semiconductor device and a method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

제 1 반도체층과 제 2 반도체층 사이에 절연층이 매립된 기판, 상가 기판을 관통하는 관통 홀, 상기 관통 홀은 상기 제 1 반도체층을 관통하는 제 1 홀, 및 상기 제 1 홀의 바닥면으로부터 상기 절연층 및 상기 제 2 반도체층을 관통하는 제 2 홀을 포함하고, 상기 관통 홀 내에 배치되는 에피층, 상기 제 2 홀 내에 배치되어 상기 에피층의 일면과 접하는 드레인 전극, 및 상기 에피층의 다른 일면 상에 배치되는 소스 전극 및 게이트 전극을 포함하는 반도체 소자를 제공한다.A substrate in which an insulating layer is buried between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, a through hole penetrating through the commercial substrate, the through hole is a first hole penetrating the first semiconductor layer, and a bottom surface of the first hole An epi layer including a second hole penetrating the insulating layer and the second semiconductor layer, the epi layer disposed in the through hole, a drain electrode disposed in the second hole and contacting one surface of the epi layer, and the epi layer. It provides a semiconductor device including a source electrode and a gate electrode disposed on the other side.

Description

반도체 소자 및 그의 제조 방법{SEMICONDUCTOR DEVICE AND A METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}A semiconductor device and its manufacturing method TECHNICAL FIELD

본 발명은 반도체 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 수직형 반도체 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a vertical semiconductor device and a method of manufacturing the same.

정보통신기술의 발달로 인해, 고속 스위칭 환경이나 고전압 환경에서 동작하는 고내압 트랜지스터의 요청이 증가하고 있다. 이에, 최근에 등장한 Ⅲ?-Ⅴ족 반도체 물질을 적용하는 갈륨 나이트라이드(GaN)계 트랜지스터는 종래의 실리콘 트랜지스터에 비해 고속 스위칭 동작이 가능하여 초고속 신호 처리에 적합할 뿐만 아니라 소재 자체의 고내압 특성을 통해 고전압 환경에 적용할 수 있는 장점이 있어 업계의 주목을 받고 있다.Due to the development of information and communication technology, requests for high withstand voltage transistors operating in a high-speed switching environment or a high voltage environment are increasing. Thus, the recently appeared gallium nitride (GaN) transistor using a group III?-V semiconductor material is capable of high-speed switching operation compared to conventional silicon transistors, making it suitable for ultra-high signal processing and high breakdown voltage characteristics of the material itself. It is attracting attention from the industry because it has the advantage that it can be applied to a high voltage environment.

이러한, 질화갈륨계 트랜지스터는 수평형 구조 또는 수직형 구조로 제조될 수 있다. 수평형 구조는 질화물계 트랜지스터의 전하 전도가 수평 방향으로 이루어지고 있는 구조를 가지며, 소스 전극, 게이트 전극 및 드레인 전극이 기판 상의 동일면 상에 배치된다. 수직형 구조는 전하 전도가 수직 방향으로 이루어지고 있는 구조를 갖는다. 수직형 구조의 소스 전극과 드레인 전극은 수직 방향으로 서로 대향되게 배치되고, 전류는 소스 전극과 드레인 전극 사이에 전류 장벽층으로 제공되는 p타입의 갈륨 나이트라이드(p-GaN)층의 구경(aperture)을 통해 소스 전극으로부터 드레인 전극까지 수직 방향으로 흐른다.The gallium nitride-based transistor may be manufactured in a horizontal structure or a vertical structure. The horizontal structure has a structure in which charge conduction of the nitride-based transistor is performed in a horizontal direction, and a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode are disposed on the same surface on the substrate. The vertical structure has a structure in which charge conduction is conducted in a vertical direction. The source electrode and the drain electrode of the vertical structure are arranged to face each other in the vertical direction, and the current is the aperture of the p-type gallium nitride (p-GaN) layer provided as a current barrier layer between the source electrode and the drain electrode. ) Flows in the vertical direction from the source electrode to the drain electrode.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 공정이 간소화된 반도체 소자의 제조 방법을 제공하는데 있다.The problem to be solved by the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device with a simplified process.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 구조가 간소화된 반도체 소자를 제공하는데 있다.Another problem to be solved by the present invention is to provide a semiconductor device having a simplified structure.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the problems mentioned above, and other problems that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자는 제 1 반도체층과 제 2 반도체층 사이에 절연층이 매립된 기판, 상가 기판을 관통하는 관통 홀, 상기 관통 홀은 상기 제 1 반도체층을 관통하는 제 1 홀, 및 상기 제 1 홀의 바닥면으로부터 상기 절연층 및 상기 제 2 반도체층을 관통하는 제 2 홀을 포함하고, 상기 관통 홀 내에 배치되는 에피층, 상기 제 2 홀 내에 배치되어 상기 에피층의 일면과 접하는 드레인 전극, 및 상기 에피층의 다른 일면 상에 배치되는 소스 전극 및 게이트 전극을 포함할 수 있다.In the semiconductor device according to embodiments of the present invention for solving the above-described technical problems, a substrate in which an insulating layer is buried between a first semiconductor layer and a second semiconductor layer, a through hole penetrating the commercial substrate, and the through hole are the An epi layer disposed in the through hole, the second hole including a first hole penetrating the first semiconductor layer and a second hole penetrating the insulating layer and the second semiconductor layer from a bottom surface of the first hole A drain electrode disposed in the hole and in contact with one surface of the epi layer, and a source electrode and a gate electrode disposed on the other surface of the epi layer may be included.

일 실시예에 따르면, 상기 에피층의 하면은 상기 절연층보다 낮은 레벨에 배치될 수 있다. 상기 에피층의 상면은 상기 절연층보다 높은 레벨에 배치될 수 있다.According to an embodiment, a lower surface of the epi layer may be disposed at a lower level than the insulating layer. The upper surface of the epi layer may be disposed at a higher level than the insulating layer.

일 실시예에 따르면, 상기 에피층은 상기 드레인 전극으로부터 순차적으로 적층되는 오믹 접촉층, 드리프트층, 채널층, 및 베리어층을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the epitaxial layer may include an ohmic contact layer, a drift layer, a channel layer, and a barrier layer sequentially stacked from the drain electrode.

일 실시예에 따르면, 상기 드리프트층은 상기 제 1 홀과 상기 제 2 홀의 경계 상에 배치될 수 있다. 상기 드리프트층의 상면은 상기 절연층보다 높은 레벨에 위치할 수 있다. 상기 드리프트층의 하면은 상기 절연층보다 낮은 레벨에 위치될 수 있다.According to an embodiment, the drift layer may be disposed on a boundary between the first hole and the second hole. The upper surface of the drift layer may be located at a higher level than the insulating layer. A lower surface of the drift layer may be located at a lower level than the insulating layer.

일 실시예에 따르면, 상기 채널층은 상기 제 1 홀과 상기 제 2 홀의 경계 상에 배치될 수 있다. 상기 채널층의 상면은 상기 절연층보다 높은 레벨에 위치할 수 있다. 상기 채널층의 하면은 상기 절연층보다 낮은 레벨에 위치될 수 있다.According to an embodiment, the channel layer may be disposed on a boundary between the first hole and the second hole. The upper surface of the channel layer may be positioned at a higher level than the insulating layer. The lower surface of the channel layer may be located at a lower level than the insulating layer.

일 실시예에 따르면, 상기 베리어층은 AlGaN, AlN, InN, InAlN 또는 AlGaInN를 포함할 수 있다. 상기 채널층은 GaN를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the barrier layer may include AlGaN, AlN, InN, InAlN, or AlGaInN. The channel layer may include GaN.

일 실시예에 따르면, 상기 관통홀의 내벽과 상기 에피층 사이에 배치되는 스페이서막을 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, a spacer layer disposed between the epi layer and the inner wall of the through hole may be further included.

일 실시예에 따르면, 상기 제 1 홀의 폭은 상기 제 2 홀의 폭보다 클 수 있다.According to an embodiment, a width of the first hole may be greater than a width of the second hole.

상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 제 1 반도체층과 제 2 반도체층 사이에 절연층이 매립된 기판을 제공하는 것, 상기 제 2 반도체층을 식각하여 상기 절연층을 노출하는 제 1 홀을 형성하는 것, 상기 노출된 절연층을 식각하여 상기 제 1 반도체층 내로 연장되는 제 2 홀을 형성하는 것, 상기 제 2 홀의 바닥면 상에 에피층을 성장시키는 것, 상기 에피층의 상면 상에 소스 전극 및 게이트 전극을 형성하는 것, 상기 제 1 반도체층을 식각하여 상기 제 2 홀과 연결되는 제 3 홀을 형성하는 것, 및 상기 제 1 반도체층의 일면으로부터 상기 제 3 홀 내로 연장되어 상기 에피층과 접하는 드레인 전극을 형성하는 것을 포함할 수 있다.A method of manufacturing a semiconductor device according to embodiments of the present invention for solving the above-described technical problems is to provide a substrate in which an insulating layer is buried between a first semiconductor layer and a second semiconductor layer, and the second semiconductor layer is Forming a first hole exposing the insulating layer by etching, forming a second hole extending into the first semiconductor layer by etching the exposed insulating layer, an epi layer on the bottom surface of the second hole Growing, forming a source electrode and a gate electrode on an upper surface of the epi layer, forming a third hole connected to the second hole by etching the first semiconductor layer, and the first semiconductor It may include forming a drain electrode extending from one surface of the layer into the third hole and in contact with the epi layer.

일 실시예에 따르면, 상기 에피층을 형성하기 전에, 상기 제 1 홀의 내벽 및 바닥면과 상기 제 2 홀의 내벽을 덮는 스페이서막을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, before forming the epi layer, it may further include forming a spacer layer covering the inner wall and the bottom surface of the first hole and the inner wall of the second hole.

일 실시예에 따르면, 상기 에피층은 상기 제 2 홀의 바닥면으로부터 순차적으로 적층되는 버퍼층, 오믹 접촉층, 드리프트층, 채널층, 및 베리어층을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the epi layer may include a buffer layer, an ohmic contact layer, a drift layer, a channel layer, and a barrier layer sequentially stacked from the bottom surface of the second hole.

일 실시예에 따르면, 상기 제 3 홀을 형성하기 위한 상기 제 1 반도체층의 식각 공정 시 상기 버퍼층이 함께 제거될 수 있다.According to an embodiment, during the etching process of the first semiconductor layer for forming the third hole, the buffer layer may be removed together.

일 실시예에 따르면, 상기 채널층과 상기 베리어층의 경계면은 상기 절연층보다 높은 레벨에 배치될 수 있다.According to an embodiment, the interface between the channel layer and the barrier layer may be disposed at a higher level than the insulating layer.

일 실시예에 따르면, 상기 제 3 홀을 형성하기 전에 상기 제 1 반도체층을 연마하는 것을 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, it may further include polishing the first semiconductor layer before forming the third hole.

일 실시예에 따르면, 상기 제 1 홀의 폭은 상기 제 2 홀의 폭보다 클 수 있다.According to an embodiment, a width of the first hole may be greater than a width of the second hole.

본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소스 전극들과 드레인 전극 사이에서 전류가 수직으로 흐르게 하기 위한 별도의 전류 차단층(current blocking layer)이 필요하지 않을 수 있다. 즉, 반도체 소자의 구조가 간소화될 수 있다. 기판의 에피층, 제 1 반도체층과 제 2 반도체층이 서로 다른 반도체 물질을 포함하는 경우, 에피층, 제 1 및 제 2 반도체층들 각각의 일면 상에 이종의 반도체 소자 또는 집적회로 사이의 상호간 집적이 가능하게 된다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 에피층이 능동 소자 영역에만 형성될 수도 있다. 그러한 경우, 기판의 에피층 상에 복수의 반도체 소자를 형성하는 경우, 반도체 소자들을 전기적으로 분리하기 위한 소자 분리 공정이 필요하지 않을 수 있다. 즉, 반도체 소자의 제조 공정이 간소화될 수 있다.A separate current blocking layer for vertically flowing current between the semiconductor source electrodes and the drain electrodes according to embodiments of the present invention may not be required. That is, the structure of the semiconductor device can be simplified. When the epi layer of the substrate, the first semiconductor layer and the second semiconductor layer contain different semiconductor materials, the epi layer, the first and second semiconductor layers are formed on one surface of each of the different types of semiconductor devices or integrated circuits. Integration becomes possible. According to embodiments of the present invention, the epitaxial layer may be formed only in the active device region. In such a case, when a plurality of semiconductor devices are formed on the epi layer of the substrate, a device separation process for electrically separating the semiconductor devices may not be required. That is, the manufacturing process of the semiconductor device can be simplified.

본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 전류 차단층(current blocking layer)을 형성하기 위한 별도의 공정이 필요하지 않을 수 있다. 또한, 기판에 복수의 반도체 소자를 형성하는 경우, 반도체 소자들을 전기적으로 분리하기 위한 소자 분리 공정이 필요하지 않을 수 있다. 즉, 반도체 소자의 제조 공정이 간소화될 수 있다.A method of manufacturing a semiconductor device according to embodiments of the present invention may not require a separate process for forming a current blocking layer. In addition, when a plurality of semiconductor devices are formed on a substrate, a device separation process for electrically separating the semiconductor devices may not be required. That is, the manufacturing process of the semiconductor device can be simplified.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3 내지 도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
1 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to example embodiments.
2 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to example embodiments.
3 to 11 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to example embodiments.
12 and 13 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to example embodiments.

본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 개념이 어떤 적합한 환경에서 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다.In order to fully understand the configuration and effects of the present invention, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms and various modifications may be made. However, it is provided to complete the disclosure of the present invention through the description of the present embodiments, and to completely inform the scope of the present invention to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. Those of ordinary skill in the art will understand that the inventive concept may be practiced in any suitable environment.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terms used in the present specification are for describing exemplary embodiments and are not intended to limit the present invention. In this specification, the singular form also includes the plural form unless specifically stated in the phrase. As used in the specification,'comprises' and/or'comprising' refers to the presence of one or more other elements, steps, actions and/or elements in the referenced elements, steps, actions and/or elements. Or does not preclude additions.

본 명세서에서 어떤 막(또는 층)이 다른 막(또는 층) 또는 기판상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막(또는 층) 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막(또는 층)이 개재될 수도 있다.When a film (or layer) is referred to herein as being on another film (or layer) or substrate, it may be formed directly on another film (or layer) or substrate, or a third film ( Or a layer) may be interposed.

본 명세서의 다양한 실시 예들에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어가 다양한 영역, 막들(또는 층들) 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막(또는 층)을 다른 영역 또는 막(또는 층)과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에의 제 1 막질로 언급된 막질이 다른 실시 예에서는 제 2 막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. In various embodiments of the present specification, terms such as first, second, and third are used to describe various regions, films (or layers), and the like, but these regions and films should not be limited by these terms. do. These terms are only used to distinguish one region or film (or layer) from another region or film (or layer). Accordingly, the film quality referred to as the first film quality in one embodiment may be referred to as the second film quality in another embodiment. Each embodiment described and illustrated herein also includes its complementary embodiment. Parts indicated by the same reference numerals throughout the specification represent the same elements.

본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.Terms used in the embodiments of the present invention may be interpreted as meanings commonly known to those of ordinary skill in the art, unless otherwise defined.

이하, 도면들 참조하여 본 발명의 개념에 따른 반도체 소자 및 그의 제조 방법을 설명한다.Hereinafter, a semiconductor device according to the concept of the present invention and a method of manufacturing the same will be described with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자를 설명하기 위한 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to example embodiments.

도 1을 참조하여, 기판(10)이 제공될 수 있다. 기판(10)은 SOI(silicon on insulator) 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판(10)은 순차적으로 적층된 제 1 반도체층(11), 절연층(12) 및 제 2 반도체층(13)을 포함할 수 있다. 절연층(12)은 제 1 반도체층(11) 및 제 2 반도체층(13) 사이에 매립될 수 있다. 제 1 반도체층(11)은 실리콘(Si), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 실리콘 카바이드(SiC) 및 사파이어(sapphire)를 포함할 수 있다. 절연층(12)은 실리콘 옥사이드(SiO2) 또는 희토류 산화물을 포함할 수 있다. 제 2 반도체층(13)은 실리콘(Si), 갈륨 나이트라이드(GaN) 또는 실리콘 카바이드(SiC)를 포함할 수 있다. 제 1 반도체층(11) 및 제 2 반도체층(13)은 서로 동일한 물질을 포함할 수 있다. 이와는 다르게, 제 1 반도체층(11) 및 제 2 반도체층(13)은 서로 다른 물질을 포함할 수 있고, 또는 동일한 물질을 갖되 그의 결정방향이 서로 다를 수 있다. 이외에, 기판(10)은 다양한 SOI 기판을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a substrate 10 may be provided. The substrate 10 may be a silicon on insulator (SOI) substrate. For example, the substrate 10 may include a first semiconductor layer 11, an insulating layer 12, and a second semiconductor layer 13 that are sequentially stacked. The insulating layer 12 may be buried between the first semiconductor layer 11 and the second semiconductor layer 13. The first semiconductor layer 11 may include silicon (Si), aluminum nitride (AlN), silicon carbide (SiC), and sapphire. The insulating layer 12 may include silicon oxide (SiO 2 ) or rare earth oxide. The second semiconductor layer 13 may include silicon (Si), gallium nitride (GaN), or silicon carbide (SiC). The first semiconductor layer 11 and the second semiconductor layer 13 may include the same material. Unlike this, the first semiconductor layer 11 and the second semiconductor layer 13 may include different materials, or may have the same material but have different crystal directions. In addition, the substrate 10 may include various SOI substrates.

기판(10)은 관통 홀(H)을 가질 수 있다. 관통 홀(H)은 제 1 반도체층(11), 절연층(12) 및 제 2 반도체층(13)을 수직 관통할 수 있다. 관통 홀(H)은 제 2 반도체층(13)을 관통하는 제 1 홀(H1), 및 절연층(12)과 제 1 반도체층(11)을 관통하는 제 2 홀(H2)을 포함할 수 있다. 제 2 홀(H2)의 폭은 제 1 홀(H1)의 폭보다 작을 수 있다. 제 1 홀(H1)과 제 2 홀(H2)은 수직으로 중첩될 수 있다. 제 2 홀(H2)은 제 1 홀(H1)의 바닥면으로부터 제 1 반도체층(11)의 하면으로 연장되며, 제 1 홀(H1)과 제 2 홀(H2)은 서로 연결될 수 있다. 즉, 관통 홀(H)은 전체적으로 상부가 폭이 넓고, 하부가 폭이 좁은 볼트(bolt) 형상일 수 있다.The substrate 10 may have a through hole H. The through hole H may vertically penetrate the first semiconductor layer 11, the insulating layer 12 and the second semiconductor layer 13. The through hole H may include a first hole H1 penetrating the second semiconductor layer 13 and a second hole H2 penetrating the insulating layer 12 and the first semiconductor layer 11. have. The width of the second hole H2 may be smaller than the width of the first hole H1. The first hole H1 and the second hole H2 may vertically overlap. The second hole H2 extends from the bottom surface of the first hole H1 to the bottom surface of the first semiconductor layer 11, and the first hole H1 and the second hole H2 may be connected to each other. That is, the through hole H may have a bolt shape having a wide upper portion and a narrow lower portion.

관통 홀(H)의 내에 스페이서막(20)이 배치될 수 있다. 스페이서막(20)은 제 1 홀(H1)의 내벽 및 바닥면과 제 2 홀(H2)의 내벽을 컨포멀(conformal)하게 덮을 수 있다. 이때, 제 2 홀(H2)의 내벽의 일부는 노출될 수 있다. 스페이서막(20)은 제 2 반도체층(13)의 상면 상으로 연장될 수 있다. 스페이서막(20)은 실리콘 나이트라이드(SiNx)를 포함할 수 있다. 스페이서막(20)은 필요에 따라 생략될 수 있다.The spacer layer 20 may be disposed in the through hole H. The spacer layer 20 may conformally cover the inner wall and the bottom surface of the first hole H1 and the inner wall of the second hole H2. In this case, a part of the inner wall of the second hole H2 may be exposed. The spacer layer 20 may extend on the upper surface of the second semiconductor layer 13. The spacer layer 20 may include silicon nitride (SiN x ). The spacer layer 20 may be omitted if necessary.

관통 홀(H) 내에 에피층(30)이 배치될 수 있다. 에피층(30)은 제 1 홀(H1)을 채우고, 제 2 홀(H2)의 일부를 채울 수 있다. 이때, 에피층(30)의 상면은 절연층(12)보다 높은 레벨에 위치하고, 에피층(30)의 하면은 절연층(12)보다 낮은 레벨에 위치할 수 있다. 에피층(30)은 스페이서막(20)에 의해 기판(10)과 이격될 수 있다. 에피층(30)은 오믹 접촉층(32), 드리프트층(33), 채널층(34), 및 베리어층(35)을 포함할 수 있다.The epitaxial layer 30 may be disposed in the through hole H. The epitaxial layer 30 may fill the first hole H1 and may fill a part of the second hole H2. In this case, the upper surface of the epi layer 30 may be located at a higher level than the insulating layer 12, and the lower surface of the epi layer 30 may be located at a lower level than the insulating layer 12. The epitaxial layer 30 may be spaced apart from the substrate 10 by the spacer layer 20. The epitaxial layer 30 may include an ohmic contact layer 32, a drift layer 33, a channel layer 34, and a barrier layer 35.

오믹 접촉층(32), 드리프트층(33), 채널층(34) 및 베리어층(35)은 제 1 반도체층(11)으로부터 제 2 반도체층(13)을 향하는 방향으로 순차적으로 적층될 수 있다. 오믹 접촉층(32)은 제 2 홀(H2) 내에 배치되고, 채널층(34) 및 베리어층(35)은 제 1 홀(H1) 내에 배치될 수 있다. 드리프트층(33)은 제 1 홀(H1)과 제 2 홀(H2)의 경계 상에 배치되되, 그의 상면은 절연층(12)보다 높은 레벨에 위치하고 그의 하면은 절연층(12)보다 낮은 레벨에 위치할 수 있다. 이와는 다르게, 도 2에 도시된 바와 같이, 드리프트층(33)은 그의 상면이 절연층(12)보다 낮은 레벨에 위치할 수도 있다. 채널층(34)은 제 1 홀(H1)과 제 2 홀(H2)의 경계 상에 배치되되, 그의 상면은 절연층(12)보다 높은 레벨에 위치하고 그의 하면은 절연층(12)보다 낮은 레벨에 위치할 수 있다. 이후, 도 1의 실시예를 기준으로 계속 설명한다.The ohmic contact layer 32, the drift layer 33, the channel layer 34, and the barrier layer 35 may be sequentially stacked in a direction from the first semiconductor layer 11 to the second semiconductor layer 13 . The ohmic contact layer 32 may be disposed in the second hole H2, and the channel layer 34 and the barrier layer 35 may be disposed in the first hole H1. The drift layer 33 is disposed on the boundary between the first hole H1 and the second hole H2, and its upper surface is at a higher level than the insulating layer 12, and its lower surface is at a lower level than the insulating layer 12. Can be located in Alternatively, as shown in FIG. 2, the drift layer 33 may be positioned at a lower level than the insulating layer 12 on its upper surface. The channel layer 34 is disposed on the boundary between the first hole H1 and the second hole H2, and its upper surface is at a higher level than the insulating layer 12 and its lower surface is at a lower level than the insulating layer 12. Can be located in Hereinafter, description will be continued based on the embodiment of FIG. 1.

오믹 접촉층(32)은 n+타입의 갈륨 나이트라이드(n+-GaN)로 이루어질 수 있다. 오믹 접촉층(32)은 드리프트층(33)과 후술되는 드레인 전극(60) 사이를 각각 오믹 콘택(ohmic contact)시킬 수 있다. 드리프트층(33)은 n타입의 갈륨 나이트라이드(n-GaN)로 이루어질 수 있다. 오믹 접촉층(32)과 드리프트층(33)의 n타입 도펀트는 실리콘(Si)을 포함할 수 있다. 채널층(34)은 갈륨 나이트라이드(GaN)로 이루어질 수 있다. 베리어층(35)은 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN)로 이루어질 수 있다. 채널층(34)과 베리어층(35)의 이종접합에 의해, 채널층(34)과 베리어층(35)의 경계 상에서 2-DEG(2-dimensional electron gas) 형태의 채널이 제공될 수 있다. 여기서, 채널층(34)과 베리어층(35)의 경계면, 즉, 채널은 절연층(12)보다 높은 레벨에 배치될 수 있다. 상기 갈륨 나이트라이드(GaN)를 포함하는 채널층(34)과 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN)를 포함하는 베리어층(35) 간의 이종접합을 갖는 것에 대하여 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 채널층(34) 및 베리어층(35)은 채널을 위한 이종접합을 갖는 다양한 물질들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 채널층(34)이 갈륨 나이트라이드(GaN)를 포함하는 경우, 베리어층(35)은 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 인듐 나이트라이드(InN), 인듐 알루미늄 나이트라이드(InAlN) 또는 알루미늄 갈륨 인듐 나이트라이드(AlGaInN)를 포함할 수 있다. 또는, 채널층(34)이 갈륨 아세나이드(GaAs)를 포함하는 경우, 베리어층(35)은 알루미늄 갈륨 아세나이드(AlGaAs) 또는 인듐 갈륨 아세나이드(InGaAs)을 포함할 수 있다.The ohmic contact layer 32 may be formed of n + type gallium nitride (n + -GaN). The ohmic contact layer 32 may make ohmic contact between the drift layer 33 and the drain electrode 60 to be described later, respectively. The drift layer 33 may be made of n-type gallium nitride (n-GaN). The n-type dopant of the ohmic contact layer 32 and the drift layer 33 may include silicon (Si). The channel layer 34 may be made of gallium nitride (GaN). The barrier layer 35 may be made of aluminum gallium nitride (AlGaN). By heterojunction between the channel layer 34 and the barrier layer 35, a 2-dimensional electron gas (2-DEG) type channel may be provided on the boundary between the channel layer 34 and the barrier layer 35. Here, the interface between the channel layer 34 and the barrier layer 35, that is, the channel may be disposed at a higher level than the insulating layer 12. Although the heterojunction between the channel layer 34 including gallium nitride (GaN) and the barrier layer 35 including aluminum gallium nitride (AlGaN) has been described, the present invention is not limited thereto. The channel layer 34 and the barrier layer 35 may include various materials having a heterojunction for a channel. For example, when the channel layer 34 includes gallium nitride (GaN), the barrier layer 35 is aluminum gallium nitride (AlGaN), aluminum nitride (AlN), indium nitride (InN), indium It may include aluminum nitride (InAlN) or aluminum gallium indium nitride (AlGaInN). Alternatively, when the channel layer 34 includes gallium arsenide (GaAs), the barrier layer 35 may include aluminum gallium arsenide (AlGaAs) or indium gallium arsenide (InGaAs).

도시하지는 않았으나, 에피층(30) 상에 캡핑층이 배치될 수 있다. 상기 캡핑층은 갈륨 나이트라이드(GaN)를 포함할 수 있다. 상기 캡핑층은 필요에 따라 제공되지 않을 수 있다.Although not shown, a capping layer may be disposed on the epi layer 30. The capping layer may include gallium nitride (GaN). The capping layer may not be provided as needed.

에피층(30)의 하면 상에 드레인 전극(60)이 배치될 수 있다. 예를 들어, 드레인 전극(60)은 제 1 반도체층(11)의 하면으로부터 제 2 홀(H2)로 연장되어 오믹 접촉층(32)과 접할 수 있다. 기판(10)의 하면 및 오믹 접촉층(32)의 하면을 컨포멀(conformal)하게 덮을 수 있다. 드레인 전극(60)은 오믹 접촉층(32)과 오믹 콘택(ohmic contact)할 수 있다. 드레인 전극(60)은 금속을 포함할 수 있다.A drain electrode 60 may be disposed on the lower surface of the epi layer 30. For example, the drain electrode 60 may extend from the lower surface of the first semiconductor layer 11 to the second hole H2 to contact the ohmic contact layer 32. The lower surface of the substrate 10 and the lower surface of the ohmic contact layer 32 may be conformally covered. The drain electrode 60 may make ohmic contact with the ohmic contact layer 32. The drain electrode 60 may include a metal.

에피층(30) 상에 게이트 전극(41) 및 소스 전극들(42)이 배치될 수 있다. 게이트 전극(41)은 소스 전극들(42) 사이에 위치할 수 있다. 게이트 전극(41) 및 소스 전극들(42)은 베리어층(35)과 오믹 콘택(ohmic contact)할 수 있다. 일 예로, 채널층(34)이 갈륨 나이트라이드(GaN)를 포함하는 경우, 게이트 전극(41) 및 소스 전극들(42)은 타이타늄(Ti), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 또는 금(Au)을 포함하는 금속 다중막으로 이루어질 수 있다. 또는, 채널층(34)이 갈륨 아세나이드(GaAs)를 포함하는 경우, 게이트 전극(41) 및 소스 전극들(42)은 골드 게르마늄(AuGe), 니켈(Ni) 또는 금(Au)을 포함하는 금속 다중막으로 이루어질 수 있다. 게이트 전극(41)은 소스 전극들(42)로부터 드레인 전극(60)을 향하여 흐르는 전류의 양을 조절할 수 있다.A gate electrode 41 and source electrodes 42 may be disposed on the epi layer 30. The gate electrode 41 may be positioned between the source electrodes 42. The gate electrode 41 and the source electrodes 42 may make ohmic contact with the barrier layer 35. As an example, when the channel layer 34 includes gallium nitride (GaN), the gate electrode 41 and the source electrodes 42 are titanium (Ti), platinum (Pt), aluminum (Al), nickel ( It may be made of a metal multilayer containing Ni) or gold (Au). Alternatively, when the channel layer 34 includes gallium arsenide (GaAs), the gate electrode 41 and the source electrodes 42 include gold germanium (AuGe), nickel (Ni), or gold (Au). It may be made of a metal multilayer. The gate electrode 41 may control an amount of current flowing from the source electrodes 42 toward the drain electrode 60.

본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자는 에피층(30)이 기판(10)의 절연층(12)을 관통하도록 형성되며, 이에 따라 소스 전극들(42)과 드레인 전극(60) 사이에서 전류가 수직으로 흐르게 하기 위한 별도의 전류 차단층(current blocking layer)이 필요하지 않을 수 있다. 또한, 기판(10)의 제 1 반도체층(11)과 제 2 반도체층(13)이 서로 다른 반도체 물질을 포함하는 경우, 제 1 및 제 2 반도체층들(11, 13) 각각의 일면 상에 이종의 반도체 소자들이 집적될 수 있다.In the semiconductor device according to the embodiments of the present invention, the epi layer 30 is formed to penetrate the insulating layer 12 of the substrate 10, and accordingly, the current between the source electrodes 42 and the drain electrode 60 A separate current blocking layer for vertically flowing may not be required. In addition, when the first semiconductor layer 11 and the second semiconductor layer 13 of the substrate 10 contain different semiconductor materials, on one surface of each of the first and second semiconductor layers 11 and 13 Different types of semiconductor devices can be integrated.

도 3 내지 도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 설명의 편의를 위해, 도 1을 참조하여 설명한 바와 중복되는 구성에 대한 설명은 생략될 수 있다.3 to 11 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to example embodiments. For convenience of description, a description of a configuration overlapping with that described with reference to FIG. 1 may be omitted.

도 3을 참조하여, 기판(10)이 제공될 수 있다. 기판(10)은 SOI(silicon on insulator) 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판(10)은 제 1 반도체층(11)과 제 2 반도체층(13) 사이에 매립된 절연층(12)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, a substrate 10 may be provided. The substrate 10 may be a silicon on insulator (SOI) substrate. For example, the substrate 10 may include an insulating layer 12 buried between the first semiconductor layer 11 and the second semiconductor layer 13.

도 4를 참조하여, 기판(10)에 제 1 홀(H1)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판(10) 상에 제 2 반도체층(13)을 노출시키는 제 1 마스크 패턴(M1)을 형성한 후, 제 2 반도체층(13)을 식각하여 제 1 홀(H1)이 형성될 수 있다. 제 2 반도체층(13)의 식각 공정은 반응성 이온 식각(reactive ion etching; RIE) 공정, 자기강화 반응성 이온 식각(magnetically enhanced reactive ion etching; MERIE) 공정 또는 유도결함 플라즈마(inductive coupled plasma; ICP) 식각 공정을 포함하는 건식 식각을 통해 수행될 수 있다. 제 1 홀(H1)은 절연층(12)의 상면(12a)을 노출시킬 수 있다.Referring to FIG. 4, a first hole H1 may be formed in the substrate 10. For example, after forming the first mask pattern M1 exposing the second semiconductor layer 13 on the substrate 10, the first hole H1 is formed by etching the second semiconductor layer 13 Can be. The etching process of the second semiconductor layer 13 is a reactive ion etching (RIE) process, a magnetically enhanced reactive ion etching (MERIE) process, or an inductive coupled plasma (ICP) etching process. It may be performed through dry etching including a process. The first hole H1 may expose the upper surface 12a of the insulating layer 12.

도 5를 참조하여, 제 1 마스크 패턴(M1)이 제거된 후, 기판(10)에 제 2 홀(H2)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 2 반도체층(13) 상에 절연층(12)의 상면(12a)을 노출시키는 제 2 마스크 패턴(M2)을 형성한 후, 절연층(12) 및 제 1 반도체층(11)의 일부를 식각하여 제 2 홀(H2)이 형성될 수 있다. 절연층(12)의 식각 공정 및 제 1 반도체층(11)의 식각 공정은 반응성 이온 식각(RIE) 공정, 자기강화 반응성 이온 식각(MERIE) 공정 또는 유도결함 플라즈마(ICP) 식각 공정을 포함하는 건식 식각을 통해 수행될 수 있다. 절연층(12)의 식각 공정과 제 1 반도체층(11)의 식각 공정은 서로 다른 식각 가스가 이용될 수 있다. 이때, 제 2 마스크 패턴(M2)은 노출된 절연층(12)의 상면(12a)의 일부를 덮을 수 있다. 이에 따라, 제 2 홀(H2)의 폭(W2)이 제 1 홀(H1)의 폭(W1)보다 작을 수 있다. 제 2 홀(H2)은 절연층(12)을 관통하여 제 1 반도체층(11) 내로 연장되어 제 1 반도체층(11)의 일면(11a)을 노출시킬 수 있다.Referring to FIG. 5, after the first mask pattern M1 is removed, a second hole H2 may be formed in the substrate 10. For example, after forming the second mask pattern M2 exposing the upper surface 12a of the insulating layer 12 on the second semiconductor layer 13, the insulating layer 12 and the first semiconductor layer 11 ) May be etched to form the second hole H2. The etching process of the insulating layer 12 and the etching process of the first semiconductor layer 11 include a reactive ion etching (RIE) process, a self-enhancing reactive ion etching (MERIE) process, or an induced defect plasma (ICP) etching process. It can be performed through etching. Different etching gases may be used in the etching process of the insulating layer 12 and the etching process of the first semiconductor layer 11. In this case, the second mask pattern M2 may cover a part of the top surface 12a of the exposed insulating layer 12. Accordingly, the width W2 of the second hole H2 may be smaller than the width W1 of the first hole H1. The second hole H2 may penetrate the insulating layer 12 and extend into the first semiconductor layer 11 to expose one surface 11a of the first semiconductor layer 11.

도 6을 참조하여, 제 2 마스크 패턴(M2)이 제거된 후, 기판(10) 상에 스페이서막(20)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 2 반도체층(13)의 상면, 제 1 홀(H1)의 내측벽 및 바닥면(여기서, 제 1 홀(H1)의 바닥면은 절연층(12)의 상면(12a)과 동일할 수 있다. 이하, 동일한 참조부호를 사용한다.)과 제 2 홀(H2)의 내측벽 및 바닥면(여기서, 제 2 홀(H2)의 바닥면은 제 1 반도체층(11)의 일면(11a)과 동일할 수 있다. 이하, 동일한 참조부호를 사용한다.)을 덮도록 실리콘 질화물(SiNx)을 도포하여 스페이서막(20)이 형성될 수 있다. 스페이서막(20)은 제 2 반도체층(13)의 상면, 제 1 홀(H1)의 내측벽 및 바닥면(12a)과 제 2 홀(H2)의 내측벽 및 바닥면(11a)을 컨포멀(conformal)하게 덮을 수 있다. 스페이서막(20)은 제 1 홀(H1)의 바닥면(12a) 상에 위치하는 제 1 부분(20a), 및 제 2 홀(H2)의 바닥면(11a) 상에 위치하는 제 2 부분(20b)을 가질 수 있다.Referring to FIG. 6, after the second mask pattern M2 is removed, a spacer layer 20 may be formed on the substrate 10. For example, the upper surface of the second semiconductor layer 13, the inner wall and the bottom surface of the first hole H1 (here, the bottom surface of the first hole H1 is the upper surface 12a of the insulating layer 12) Hereinafter, the same reference numerals will be used) and the inner wall and the bottom surface of the second hole H2 (here, the bottom surface of the second hole H2 is one surface of the first semiconductor layer 11 ). The spacer layer 20 may be formed by applying silicon nitride (SiN x ) to cover (11a). Hereinafter, the same reference numerals will be used). The spacer layer 20 conforms to the top surface of the second semiconductor layer 13, the inner wall and bottom surface 12a of the first hole H1, and the inner wall and bottom surface 11a of the second hole H2. It can be covered in (conformal). The spacer layer 20 includes a first portion 20a positioned on the bottom surface 12a of the first hole H1 and a second portion positioned on the bottom surface 11a of the second hole H2 ( 20b).

도 7을 참조하여, 스페이서막(20)의 일부가 식각될 수 있다. 예를 들어, 스페이서막(20) 상에 제 2 부분(20b)을 노출시키는 제 3 마스크 패턴(M3)를 형성한 후, 제 2 부분(20b)이 식각될 수 있다. 이에 따라, 스페이서막(20)은 제 1 반도체층(11)의 일면(11a)을 노출시킬 수 있다.Referring to FIG. 7, a part of the spacer layer 20 may be etched. For example, after forming the third mask pattern M3 exposing the second portion 20b on the spacer layer 20, the second portion 20b may be etched. Accordingly, the spacer layer 20 may expose one surface 11a of the first semiconductor layer 11.

도 8을 참조하여, 제 3 마스크 패턴(M3)가 제거된 후, 제 1 홀(H1) 및 제 2 홀(H2) 내에 에피층(30)이 형성될 수 있다. 에피층(30)은 버퍼층(31), 오믹 접촉층(32), 드리프트층(33), 채널층(34) 및 베리어층(35)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 스페이서막(20)에 의해 노출된 제 1 반도체층(11)의 일면(11a) 상에 버퍼층(31)이 형성될 수 있다. 버퍼층(31)은, 일 예로, 제 1 반도체 층(11)을 시드로 이용하는 선택적 에피택시얼 성장(selective epitaxial growth; SEG) 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 이때, 스페이서막(20)에 의해 제 1 반도체층(11)의 일면(11a)만 노출되어 있기 때문에, 선택적 에피택시얼 성장(SEG) 공정 시의 성장 방향은 제 1 반도체층(11)의 일면(11a)에 수직한 방향일 수 있다. 또는, 필요에 따라 스페이서막(20)에 의해 노출된 제 1 반도체층(11)의 일면(11a) 상에 시드층을 형성한 후, 상기 시드층을 시드로 이용하는 선택적 에피택시얼 성장(SEG) 공정을 이용하여 버퍼층(31)이 형성될 수 있다. 이후, 버퍼층(31) 상에 선택적 에피택시얼 성장(SEG) 공정을 이용하여 오믹 접촉층(32), 드리프트층(33), 채널층(34), 및 베리어층(35)이 순차적으로 형성될 수 있다. 즉, 에피층(30)은 제 2 홀(H2)의 바닥면(11a)으로부터 성장되어, 에피층(30)의 상면이 절연층(12)보다 높은 레벨에 위치하도록 형성될 수 있다. 이때, 오믹 접촉층(32)은 그의 상면이 절연층(12)보다 낮은 레벨을 갖도록 형성될 수 있고, 드리프트층(33)은 오믹 접촉층(32)의 상면으로부터 성장되어 그의 상면이 절연층(12)보다 높은 레벨을 갖도록 형성될 수 있다. 버퍼층(31)은 제 1 반도체층(11)과 오믹 접촉층(32)이 서로 다른 격자 상수를 갖는 것에 의한 스프레스를 완화할 수 있다. 버퍼층(31)은 갈륨 나이트라이드(GaN)를 포함할 수 있다. 오믹 접촉층(32)은 n+타입의 갈륨 나이트라이드(n+-GaN)를 포함할 수 있다. 드리프트층(33)은 n타입의 갈륨 나이트라이드(n-GaN)를 포함할 수 있다. 채널층(34)은 갈륨 나이트라이드(GaN)를 포함할 수 있다. 베리어층(35)은 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 8, after the third mask pattern M3 is removed, the epi layer 30 may be formed in the first hole H1 and the second hole H2. The epitaxial layer 30 may include a buffer layer 31, an ohmic contact layer 32, a drift layer 33, a channel layer 34, and a barrier layer 35. For example, the buffer layer 31 may be formed on the one surface 11a of the first semiconductor layer 11 exposed by the spacer layer 20. The buffer layer 31 may be formed using, for example, a selective epitaxial growth (SEG) process using the first semiconductor layer 11 as a seed. At this time, since only one surface 11a of the first semiconductor layer 11 is exposed by the spacer layer 20, the growth direction during the selective epitaxial growth (SEG) process is one surface of the first semiconductor layer 11 It may be a direction perpendicular to (11a). Alternatively, if necessary, after forming a seed layer on one surface 11a of the first semiconductor layer 11 exposed by the spacer layer 20, selective epitaxial growth (SEG) using the seed layer as a seed The buffer layer 31 may be formed using a process. Thereafter, the ohmic contact layer 32, the drift layer 33, the channel layer 34, and the barrier layer 35 are sequentially formed on the buffer layer 31 using a selective epitaxial growth (SEG) process. I can. That is, the epitaxial layer 30 may be grown from the bottom surface 11a of the second hole H2 so that the upper surface of the epi layer 30 may be formed to be positioned at a higher level than the insulating layer 12. At this time, the ohmic contact layer 32 may be formed so that its upper surface has a lower level than the insulating layer 12, and the drift layer 33 is grown from the upper surface of the ohmic contact layer 32 so that the upper surface thereof is an insulating layer ( It can be formed to have a higher level than 12). The buffer layer 31 may relieve stress due to the first semiconductor layer 11 and the ohmic contact layer 32 having different lattice constants. The buffer layer 31 may include gallium nitride (GaN). The ohmic contact layer 32 may include n + type gallium nitride (n + -GaN). The drift layer 33 may include n-type gallium nitride (n-GaN). The channel layer 34 may include gallium nitride (GaN). The barrier layer 35 may include aluminum gallium nitride (AlGaN).

이와는 다르게, 에피층(30)은 화학 기상 증착(CVD)와 같은 다양한 방법을 통해 형성될 수 있으며, 이 경우 스페이서막(20)은 생략될 수 있다.Alternatively, the epi layer 30 may be formed through various methods such as chemical vapor deposition (CVD), and in this case, the spacer layer 20 may be omitted.

도 9를 이용하여, 베리어층(35)의 상면 상에 게이트 전극(41) 및 소스 전극들(42)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 베리어층(35)의 상면 상에 금속 다중막을 형성한 후, 상기 금속 다중막을 패터닝하여 게이트 전극(41) 및 소스 전극들(42)이 형성될 수 있다. 상기 금속 다중막은 타이타늄(Ti), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 또는 금(Au)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 9, gate electrodes 41 and source electrodes 42 may be formed on the upper surface of the barrier layer 35. For example, after forming a metal multilayer on the upper surface of the barrier layer 35, the gate electrode 41 and the source electrodes 42 may be formed by patterning the metal multilayer. The metal multilayer may include titanium (Ti), platinum (Pt), aluminum (Al), nickel (Ni), or gold (Au).

도 10을 참조하여, 기판(10) 상에 캐리어 기판(50)이 제공될 수 있다. 캐리어 기판(50)은 제 2 반도체층(13) 상에서 베리어층(35), 게이트 전극(41) 및 소스 전극들(42)을 덮을 수 있다. 도시하지는 않았으나, 캐리어 기판(50)은 접착층에 의하여 기판(10) 상에 접착될 수 있다. 캐리어 기판(50)은 후공정 동안 게이트 전극(41) 및 소스 전극들(42)을 보호하고, 기판(10)을 지지할 수 있다.Referring to FIG. 10, a carrier substrate 50 may be provided on the substrate 10. The carrier substrate 50 may cover the barrier layer 35, the gate electrode 41, and the source electrodes 42 on the second semiconductor layer 13. Although not shown, the carrier substrate 50 may be adhered to the substrate 10 by an adhesive layer. The carrier substrate 50 may protect the gate electrode 41 and the source electrodes 42 during a post process and may support the substrate 10.

도시하지는 않았으나, 필요에 따라 기판(10)에 박형화(thinning) 공정이 수행될 수 있다. 예를 들어, 제 1 반도체층(11)이 연마되어 그 두께가 감소될 수 있다.Although not shown, a thinning process may be performed on the substrate 10 if necessary. For example, the first semiconductor layer 11 may be polished to reduce its thickness.

도 11을 참조하여, 기판(10)에 제 3 홀(H3)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판(10)의 하면 상에 제 1 반도체층(11)을 노출시키는 제 4 마스크 패턴(M4)을 형성한 후, 제 1 반도체층(11)을 식각하여 제 3 홀(H3)이 형성될 수 있다. 제 1 반도체층(11)의 식각 공정은 반응성 이온 식각(RIE) 공정, 자기강화 반응성 이온 식각(MERIE) 공정 또는 유도결함 플라즈마(ICP) 식각 공정을 포함하는 건식 식각을 통해 수행될 수 있다. 제 3 홀(H3)은 평면적으로 제 2 홀(H2)과 동일한 위치에 형성될 수 있다. 제 3 홀(H3)은 제 1 반도체층(11)을 관통하여 제 2 홀(H2)과 연결될 수 있다. 제 1 반도체층(11)의 식각 공정 시, 버퍼층(31)이 함께 식각될 수 있다. 이에 따라, 제 3 홀(H3)은 오믹 접촉층(32)의 하부면을 노출시킬 수 있다.Referring to FIG. 11, a third hole H3 may be formed in the substrate 10. For example, after forming a fourth mask pattern M4 exposing the first semiconductor layer 11 on the lower surface of the substrate 10, the first semiconductor layer 11 is etched to form a third hole H3. Can be formed. The etching process of the first semiconductor layer 11 may be performed through dry etching including a reactive ion etching (RIE) process, a self-enhancing reactive ion etching (MERIE) process, or an induced defect plasma (ICP) etching process. The third hole H3 may be formed at the same position as the second hole H2 in plan view. The third hole H3 may pass through the first semiconductor layer 11 and be connected to the second hole H2. During the etching process of the first semiconductor layer 11, the buffer layer 31 may be etched together. Accordingly, the third hole H3 may expose the lower surface of the ohmic contact layer 32.

도 1을 다시 참조하여, 제 4 마스크 패턴(M4)를 제거한 뒤, 드레인 전극(60)이 형성될 수 있다. 드레인 전극(60)은 기판(10)의 아래에 증착될 수 있다. 예를 들어, 드레인 전극(60)은 금속막을 제 1 반도체층(11)의 하면, 제 3 홀(H3)의 내측면들 및 바닥면(여기서, 제 3 홀(H3)의 바닥면은 오믹 접촉층(32)의 하부면과 동일할 수 있다.)을 컨포멀(conformal)하게 덮도록 도포하여 형성될 수 있다. 드레인 전극(60)의 증착은 스퍼터링(sputtering) 방법에 의해 수행될 수 있다.Referring to FIG. 1 again, after removing the fourth mask pattern M4, the drain electrode 60 may be formed. The drain electrode 60 may be deposited under the substrate 10. For example, the drain electrode 60 has a metal film on the lower surface of the first semiconductor layer 11, the inner surfaces and the bottom surface of the third hole H3 (here, the bottom surface of the third hole H3 is in ohmic contact). It may be formed by applying to cover the lower surface of the layer 32 in a conformal manner. The drain electrode 60 may be deposited by a sputtering method.

이후, 캐리어 기판(50)이 제거되어, 도 1을 참조하여 설명한 반도체 소자가 제조될 수 있다.Thereafter, the carrier substrate 50 is removed, so that the semiconductor device described with reference to FIG. 1 may be manufactured.

본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 에피층(30)이 기판(10)의 절연층을 관통하도록 형성되며, 이에 따라 전류 차단층(current blocking layer)을 형성하기 위한 별도의 공정이 필요하지 않을 수 있다. 또한, 기판(10) 내에 형성된 관통 홀(H) 내에 선택적 성장 공정을 이용하여 에피층(30)을 형성함으로써, 기판(10)의 에피층(30), 제 1 반도체층(11)과 제 2 반도체층(13)이 서로 다른 반도체 물질을 포함하는 경우, 에피층(30), 제 1 및 제 2 반도체층들(11, 13) 각각의 일면 상에 이종의 반도체 소자 또는 집적회로 사이의 상호간 집적이 가능하게 된다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 에피층(30)이 능동 소자 영역에만 형성될 수도 있다. 이에 따라, 기판(10)의 에피층(30) 상에 복수의 반도체 소자를 형성하는 경우, 반도체 소자들을 전기적으로 분리하기 위한 소자 분리 공정이 필요하지 않을 수 있다. 즉, 반도체 소자의 제조 공정이 간소화될 수 있다.In the method of manufacturing a semiconductor device according to embodiments of the present invention, the epitaxial layer 30 is formed to penetrate the insulating layer of the substrate 10, and accordingly, a separate process for forming a current blocking layer This may not be necessary. In addition, by forming the epi layer 30 in the through hole H formed in the substrate 10 using a selective growth process, the epi layer 30 of the substrate 10, the first semiconductor layer 11 and the second When the semiconductor layer 13 contains different semiconductor materials, the epi layer 30 and the first and second semiconductor layers 11 and 13 are mutually integrated between different types of semiconductor devices or integrated circuits on one surface of each This becomes possible. According to embodiments of the present invention, the epitaxial layer 30 may be formed only in the active device region. Accordingly, when a plurality of semiconductor devices are formed on the epi layer 30 of the substrate 10, a device separation process for electrically separating the semiconductor devices may not be required. That is, the manufacturing process of the semiconductor device can be simplified.

도 12 및 도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.12 and 13 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to example embodiments.

도 12를 참조하여, 도 7의 결과물 상에, 제 3 마스크 패턴(M3)가 제거된 후, 제 1 홀(H1) 및 제 2 홀(H2) 내에 에피층(30)이 형성될 수 있다. 에피층(30)은 버퍼층(31), 오믹 접촉층(32), 드리프트층(33), 채널층(34), 및 베리어층(35)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 스페이서막(20)에 의해 노출된 제 1 반도체층(11)의 일면(11a)을 시드로 이용하는 선택적 에피택시얼 성장(SEG) 공정을 이용하여 버퍼층(31)이 형성될 수 있다. 버퍼층(31) 상에 선택적 에피택시얼 성장(SEG) 공정을 이용하여 오믹 접촉층(32), 드리프트층(33), 채널층(34), 및 베리어층(35)이 순차적으로 형성될 수 있다. 이때, 드리프트층(33)은 그의 상면이 절연층(12)의 상면보다 낮은 레벨을 갖도록 형성될 수 있고, 채널층(34)은 드리프트층(33)의 상면으로부터 성장되어 그의 상면이 절연층(12)보다 높은 레벨을 갖도록 형성될 수 있다.Referring to FIG. 12, after the third mask pattern M3 is removed on the result of FIG. 7, the epi layer 30 may be formed in the first hole H1 and the second hole H2. The epitaxial layer 30 may include a buffer layer 31, an ohmic contact layer 32, a drift layer 33, a channel layer 34, and a barrier layer 35. For example, the buffer layer 31 may be formed using a selective epitaxial growth (SEG) process using one surface 11a of the first semiconductor layer 11 exposed by the spacer layer 20 as a seed. . The ohmic contact layer 32, the drift layer 33, the channel layer 34, and the barrier layer 35 may be sequentially formed on the buffer layer 31 using a selective epitaxial growth (SEG) process. . At this time, the drift layer 33 may be formed so that its upper surface has a lower level than the upper surface of the insulating layer 12, and the channel layer 34 is grown from the upper surface of the drift layer 33 so that the upper surface thereof is an insulating layer ( It can be formed to have a higher level than 12).

도 13을 참조하여, 베리어층(35)의 상면 상에 게이트 전극(41) 및 소스 전극들(42)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 베리어층(35)의 상면 상에 게이트 전극(41) 및 소스전극(42)의 제작을 위한 패터닝 형성 후, 금속 다중막을 증착 및 리프트-오프(lift- off) 공정을 수행하여 게이트 전극(41) 및 소스 전극들(42)이 형성될 수 있다.Referring to FIG. 13, gate electrodes 41 and source electrodes 42 may be formed on the upper surface of the barrier layer 35. For example, after patterning for fabrication of the gate electrode 41 and the source electrode 42 is formed on the upper surface of the barrier layer 35, a metal multilayer is deposited and a lift-off process is performed. The electrode 41 and source electrodes 42 may be formed.

이후, 기판(10) 상에 캐리어 기판(50)이 제공될 수 있다. 캐리어 기판(50)은 제 2 반도체층(13) 상에서 베리어층(35), 게이트 전극(41) 및 소스 전극들(42)을 덮을 수 있다.Thereafter, a carrier substrate 50 may be provided on the substrate 10. The carrier substrate 50 may cover the barrier layer 35, the gate electrode 41, and the source electrodes 42 on the second semiconductor layer 13.

도 2를 다시 참조하여, 기판(10)에 제 3 홀(H3)이 형성될 수 있다. 제 3 홀(H3)은 제 1 반도체층(11)을 관통하여 제 2 홀(H2)과 연결될 수 있다. 제 1 반도체층(11)의 식각 공정 시, 버퍼층(31)이 함께 식각될 수 있다.Referring again to FIG. 2, a third hole H3 may be formed in the substrate 10. The third hole H3 may pass through the first semiconductor layer 11 and be connected to the second hole H2. During the etching process of the first semiconductor layer 11, the buffer layer 31 may be etched together.

기판(10)의 아래에 드레인 전극(60)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 드레인 전극(60)은 금속막을 제 1 반도체층(11)의 하면, 제 3 홀(H3)의 내측면들 및 바닥면을 컨포멀(conformal)하게 덮도록 도포하여 형성될 수 있다.A drain electrode 60 may be formed under the substrate 10. For example, the drain electrode 60 may be formed by applying a metal film to conformally cover the lower surface of the first semiconductor layer 11 and the inner surfaces and the bottom surface of the third hole H3. .

이후, 캐리어 기판(50)이 제거되어, 도 2를 참조하여 설명한 반도체 소자가 제조될 수 있다.Thereafter, the carrier substrate 50 is removed, so that the semiconductor device described with reference to FIG. 2 may be manufactured.

이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.As described above, embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, but those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. You can understand that there is. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and are not limiting.

10: 기판 11: 제 1 반도체층
12: 절연층 13: 제 2 반도체층
20: 스페이서막 30: 에피층
31: 버퍼층 32: 오믹 접촉층
33: 드리프트층 34: 채널층
35: 베리어층 41: 게이트 전극
42: 소스 전극 50: 캐리어 기판
60: 드레인 전극
10: substrate 11: first semiconductor layer
12: insulating layer 13: second semiconductor layer
20: spacer film 30: epi layer
31: buffer layer 32: ohmic contact layer
33: drift layer 34: channel layer
35: barrier layer 41: gate electrode
42: source electrode 50: carrier substrate
60: drain electrode

Claims (15)

제 1 반도체층과 제 2 반도체층 사이에 절연층이 매립된 기판;
상기 기판을 관통하는 관통 홀, 상기 관통 홀은 상기 제 1 반도체층을 관통하는 제 1 홀, 및 상기 제 1 홀의 바닥면으로부터 상기 절연층 및 상기 제 2 반도체층을 관통하는 제 2 홀을 포함하고;
상기 관통 홀 내에 배치되는 에피층, 상기 에피층의 하면은 상기 절연층보다 낮은 레벨에 배치되고, 상기 에피층의 상면은 상기 절연층보다 높은 레벨에 배치되고;
상기 제 2 홀 내에 배치되어 상기 에피층의 일면과 접하는 드레인 전극; 및
상기 에피층의 다른 일면 상에 배치되는 소스 전극 및 게이트 전극을 포함하는 반도체 소자.
A substrate in which an insulating layer is buried between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer;
A through hole penetrating the substrate, the through hole includes a first hole penetrating the first semiconductor layer, and a second hole penetrating the insulating layer and the second semiconductor layer from a bottom surface of the first hole, ;
An epi layer disposed in the through hole, a lower surface of the epi layer is disposed at a lower level than the insulating layer, and an upper surface of the epi layer is disposed at a higher level than the insulating layer;
A drain electrode disposed in the second hole and in contact with one surface of the epi layer; And
A semiconductor device including a source electrode and a gate electrode disposed on the other surface of the epi layer.
삭제delete 제 1 반도체층과 제 2 반도체층 사이에 절연층이 매립된 기판;
상기 기판을 관통하는 관통 홀, 상기 관통 홀은 상기 제 1 반도체층을 관통하는 제 1 홀, 및 상기 제 1 홀의 바닥면으로부터 상기 절연층 및 상기 제 2 반도체층을 관통하는 제 2 홀을 포함하고;
상기 관통 홀 내에 배치되는 에피층;
상기 제 2 홀 내에 배치되어 상기 에피층의 일면과 접하는 드레인 전극; 및
상기 에피층의 다른 일면 상에 배치되는 소스 전극 및 게이트 전극을 포함하되,
상기 에피층은 상기 드레인 전극으로부터 순차적으로 적층되는 오믹 접촉층, 드리프트층, 채널층, 및 베리어층을 포함하는 반도체 소자.
A substrate in which an insulating layer is buried between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer;
A through hole penetrating the substrate, the through hole includes a first hole penetrating the first semiconductor layer, and a second hole penetrating the insulating layer and the second semiconductor layer from a bottom surface of the first hole, ;
An epi layer disposed in the through hole;
A drain electrode disposed in the second hole and in contact with one surface of the epi layer; And
Including a source electrode and a gate electrode disposed on the other side of the epi layer,
The epi layer includes an ohmic contact layer, a drift layer, a channel layer, and a barrier layer sequentially stacked from the drain electrode.
제 3 항에 있어서,
상기 드리프트층은 상기 제 1 홀과 상기 제 2 홀의 경계 상에 배치되되,
상기 드리프트층의 상면은 상기 절연층보다 높은 레벨에 위치하고,
상기 드리프트층의 하면은 상기 절연층보다 낮은 레벨에 위치하는 반도체 소자.
The method of claim 3,
The drift layer is disposed on the boundary between the first hole and the second hole,
The upper surface of the drift layer is located at a higher level than the insulating layer,
A semiconductor device in which a lower surface of the drift layer is positioned at a lower level than that of the insulating layer.
제 3 항에 있어서,
상기 채널층은 상기 제 1 홀과 상기 제 2 홀의 경계 상에 배치되되,
상기 채널층의 상면은 상기 절연층보다 높은 레벨에 위치하고,
상기 채널층의 하면은 상기 절연층보다 낮은 레벨에 위치는 반도체 소자.
The method of claim 3,
The channel layer is disposed on a boundary between the first hole and the second hole,
The upper surface of the channel layer is located at a higher level than the insulating layer,
A semiconductor device having a lower surface of the channel layer positioned at a lower level than the insulating layer.
제 3 항에 있어서,
상기 베리어층은 AlGaN, AlN, InN, InAlN 또는 AlGaInN를 포함하고,
상기 채널층은 GaN를 포함하는 반도체 소자.
The method of claim 3,
The barrier layer includes AlGaN, AlN, InN, InAlN or AlGaInN,
The channel layer is a semiconductor device containing GaN.
제 1 항에 있어서,
상기 관통홀의 내벽과 상기 에피층 사이에 배치되는 스페이서막을 더 포함하는 반도체 소자.
The method of claim 1,
A semiconductor device further comprising a spacer layer disposed between the epi layer and the inner wall of the through hole.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 홀의 폭은 상기 제 2 홀의 폭보다 큰 반도체 소자.
The method of claim 1,
A semiconductor device in which a width of the first hole is greater than a width of the second hole.
제 1 반도체층과 제 2 반도체층 사이에 절연층이 매립된 기판을 제공하는 것;
상기 제 2 반도체층을 식각하여 상기 절연층을 노출하는 제 1 홀을 형성하는 것;
상기 노출된 절연층을 식각하여 상기 제 1 반도체층 내로 연장되는 제 2 홀을 형성하는 것;
상기 제 2 홀의 바닥면 상에 에피층을 성장시키는 것;
상기 에피층의 상면 상에 소스 전극 및 게이트 전극을 형성하는 것;
상기 제 1 반도체층을 식각하여 상기 제 2 홀과 연결되는 제 3 홀을 형성하는 것; 및
상기 제 1 반도체층의 일면으로부터 상기 제 3 홀 내로 연장되어 상기 에피층과 접하는 드레인 전극을 형성하는 것을 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
Providing a substrate in which an insulating layer is buried between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer;
Etching the second semiconductor layer to form a first hole exposing the insulating layer;
Etching the exposed insulating layer to form a second hole extending into the first semiconductor layer;
Growing an epitaxial layer on the bottom surface of the second hole;
Forming a source electrode and a gate electrode on the upper surface of the epi layer;
Etching the first semiconductor layer to form a third hole connected to the second hole; And
And forming a drain electrode extending from one surface of the first semiconductor layer into the third hole to contact the epi layer.
제 9 항에 있어서,
상기 에피층을 형성하기 전에,
상기 제 1 홀의 내벽 및 바닥면과 상기 제 2 홀의 내벽을 덮는 스페이서막을 형성하는 것을 더 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
The method of claim 9,
Before forming the epi layer,
The method of manufacturing a semiconductor device further comprising forming a spacer layer covering the inner wall and the bottom surface of the first hole and the inner wall of the second hole.
제 9 항에 있어서,
상기 에피층은 상기 제 2 홀의 바닥면으로부터 순차적으로 적층되는 버퍼층, 오믹 접촉층, 드리프트층, 채널층, 및 베리어층을 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
The method of claim 9,
The epi layer is a method of manufacturing a semiconductor device including a buffer layer, an ohmic contact layer, a drift layer, a channel layer, and a barrier layer sequentially stacked from a bottom surface of the second hole.
제 11 항에 있어서,
상기 제 3 홀을 형성하기 위한 상기 제 1 반도체층의 식각 공정 시 상기 버퍼층이 함께 제거되는 반도체 소자의 제조 방법.
The method of claim 11,
A method of manufacturing a semiconductor device in which the buffer layer is removed together during an etching process of the first semiconductor layer to form the third hole.
제 11 항에 있어서,
상기 채널층과 상기 베리어층의 경계면은 상기 절연층보다 높은 레벨에 배치되는 반도체 소자의 제조 방법.
The method of claim 11,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein an interface between the channel layer and the barrier layer is disposed at a level higher than that of the insulating layer.
제 9 항에 있어서,
상기 제 3 홀을 형성하기 전에 상기 제 1 반도체층을 연마하는 것을 더 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
The method of claim 9,
A method of manufacturing a semiconductor device further comprising polishing the first semiconductor layer before forming the third hole.
제 9 항에 있어서,
상기 제 1 홀의 폭은 상기 제 2 홀의 폭보다 큰 반도체 소자의 제조 방법.
The method of claim 9,
A method of manufacturing a semiconductor device in which a width of the first hole is larger than a width of the second hole.
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