KR102320367B1 - 필드 플레이트층 증착을 통해 항복 전압을 향상시킨 쇼트키 배리어 다이오드 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 필드 플레이트층 증착을 통해 항복 전압을 향상시킨 쇼트키 배리어 다이오드 제조 방법은, 고농도의 n+ 형 기판 위에 저농도 n-형 에피택셜 박막층을 성장하는 단계; 상기 저농도 n-형 에피택셜 박막층의 하면 상에 전극을 증착하여 캐소드 전극을 형성하는 단계; 상기 저농도 n-형 에피택셜 박막층 상면 상에 산화물을 증착하여 필드 플레이트층을 형성하는 단계; 상기 필드 플레이트층 상에 포토 리소그래피 공정을 수행하여 복수의 원형 패턴을 형성하여 쇼트키 영역을 형성하는 단계; 및 상기 필드 플레이트층을 전체적으로 덮는 방식으로 증착하여 애노드 전극을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 쇼트키 영역 형성 단계는, 다단에 따른 식각 공정을 이용하는 것이 바람직할 수 있다.
Description
본 발명은 고농도의 n+ 형 기판 위에 성장한 저농도 n-형 에피택셜 박막층 위에 필드 플레이트 역할을 수행하는 필드 플레이트층을 증착하여 항복 전압을 향상시킨 쇼트키 배리어 다이오드 제조 방법에 관한 것이다.
쇼트키 배리어 다이오드(schottky barrier diode, SBD)는 일반적인 PN 다이오드와 달리 PN 접합을 이용하지 않고, 전극과 반도체가 접합된 쇼트키 접합을 이용하는 것으로, 빠른 스위칭 특성을 나타내며, PN 다이오드 보다 낮은 턴 온 전압 특성을 갖는다.
쇼트키 배리어 다이오드는 쇼트키의 정류이론에 입각하여 동작하는 반도체 다이오드의 일종이다. 금속과 반도체의 접촉에 의하여 형성되는 계면준위장벽에 의하여 정류성이 나타나는 다이오드로서, 순방향 전류의 반도체에서 금속에 주입되는 다수 캐리어에 의존하기 때문에 스위칭 속도를 제한하는 소수 캐리어의 주입이나 축적효과가 본질적으로 일어나지 않는 특징이 있다. 이로 인하여 고속 컴퓨터 논리회로, UHF 튜너의 믹서회로 등에 사용된다.
쇼트키 배리어 다이오드는 일반적으로 PN 접합의 다이오드에 비해 순방향 전압(VF) 특성이 낮으며, 스위칭 특성이 빠르다는 장점이 있지만, 누설 전류(IR)가 크므로 열 설계를 잘못하면 열 폭주가 발생한다는 결점이 있다.
쇼트키 배리어 다이오드는 문턱 전압이 0.4~0.5V로서 일반적인 다이오드보다 절반 정도로 낮고, 소수캐리어가 아닌 다수캐리어에 의해서 전류가 흐르기 때문에 축척효과가 없어 역회복시간이 매우 짧지만, 누설전류(Leakage current)가 높다는 점 및 내압이 비교적 낮다는 단점이 있다.
즉, 쇼트키 다이오드는 역방향 바이어스 인가 시에 많은 누설 전류가 흐르기 때문에 항복 전압이 낮게 된다. 따라서, 높은 항복 전압이 요구되어지는 고전력용 다이오드로 사용하기에는 부적절한바, 이를 보완하기 위하여 실리콘 대신에 SiC를 반도체로 사용하는 금속-SiC 접합 쇼트키 다이오드가 많이 사용되고 있다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 고농도의 산화 갈륨 기판 위에 성장한 저농도 산화 갈륨 박막층 위에 증착된 필드 플레이트에 대한 식각 공정을 통해 애노드 전극 종단에 가해지는 전계를 분산시켜 항복 전압을 향상시킨 쇼트키 배리어 다이오드 제조 방법을 제공하는 것이 목적이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 필드 플레이트층 증착을 통해 항복 전압을 향상시킨 쇼트키 배리어 다이오드 제조 방법은, 고농도의 n+ 형 기판 위에 저농도 n-형 에피택셜 박막층을 성장하는 단계; 상기 저농도 n-형 에피택셜 박막층의 하면 상에 전극을 증착하여 캐소드 전극을 형성하는 단계; 상기 저농도 n-형 에피택셜 박막층 상면 상에 산화물을 증착하여 필드 플레이트층을 형성하는 단계; 상기 필드 플레이트층 상에 포토 리소그래피 공정을 수행하여 복수의 원형 패턴을 형성하여 쇼트키 영역을 형성하는 단계; 및 상기 필드 플레이트층을 전체적으로 덮는 방식으로 증착하여 애노드 전극을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 쇼트키 영역 형성 단계는, 다단에 따른 식각 공정을 이용하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 쇼트키 영역 형성 단계는, 건식 식각 공정 진행 중 이온 충격에 의해 드리프트 층인 상기 저농도 n-형 에피택셜 박막층의 표면이 손상되는 것을 방지하기 위하여 잔여 필드 플레이트층을 잔존한 후에 BOE(Buffer oxide etch) 용액으로 건식 식각 공정에서 남은 잔여 field plate layer층을 제거한다.
상기 고농도의 n+ 형 기판 및 저농도 n-형 에피택셜 박막층은 산화 갈륨을 포함한다.
상기 필드 플레이트층은 질화규소(Si3N4) 또는 이산화 규소(SiO2) 이다.
상기 캐소드 전극 형성 단계는, 상기 저농도 n-형 에피택셜 박막층의 하면 상에 전극을 증착 후 열처리를 진행한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 필드 플레이트층 증착을 통해 항복 전압을 향상시킨 쇼트키 배리어 다이오드 제조 방법은 애노드 전극의 종단에서 발생하는 높은 전계를 분산시키기 위해 필드 플레이트를 일정한 간격으로 식각하여 쇼트키 영역을 형성하고 이를 통해 항복 전압을 향상시키게 한다.
본 발명은 필드 플레이트층 증착과 식각 공정을 통한 간이한 공정 만으로도 기판 표면 결함을 최소화할 수 있으며, 크기가 작은 쇼트키 영역의 면적과 일정한 간격으로 이루어진 필드 플레이트는 애노드 전극 종단에 가해지는 높은 각각의 필드 플레이트로 전계를 분산시켜 항복 전압을 향상시킬 수 있게 한다.
도 1 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 필드 플레이트층 증착을 통해 항복 전압을 향상시킨 쇼트키 배리어 다이오드 제조 방법에 대한 공정을 순차적으로 보인다.
도 8은 필드 플레이트층 상에 건식 식각 등을 통해 원형 패턴을 갖는 복수의 쇼트키 영역이 형성된 상태를 보인다.
도 9는 필드 플레이트층 상에 원형 패턴이 없는 경우 및 있는 경우를 비교한 전기적 물성을 보인다.
도 10은 필드 플레이트층 상에 원형 패턴이 없는 경우 및 있는 경우를 비교한 항복 전압을 보인다.
도 10은 필드 플레이트층 상에 원형 패턴이 없는 경우 및 있는 경우를 비교한 TCAD 시뮬레이션 결과를 보인다.
도 8은 필드 플레이트층 상에 건식 식각 등을 통해 원형 패턴을 갖는 복수의 쇼트키 영역이 형성된 상태를 보인다.
도 9는 필드 플레이트층 상에 원형 패턴이 없는 경우 및 있는 경우를 비교한 전기적 물성을 보인다.
도 10은 필드 플레이트층 상에 원형 패턴이 없는 경우 및 있는 경우를 비교한 항복 전압을 보인다.
도 10은 필드 플레이트층 상에 원형 패턴이 없는 경우 및 있는 경우를 비교한 TCAD 시뮬레이션 결과를 보인다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 고농도의 산화 갈륨 기판(n+ Ga2O3 substrate) 위에 저농도 산화 갈륨에픽텍셜층(n- Ga2O3 epitaxial layer)을 성장시킨다.
도 2를 참조하면, 오믹(Ohmic) 형성을 하기 위해 저농도 산화 갈륨에픽텍셜층 하면 상에 전극을 증착하여 캐소드 전극을 형성하고 열처리를 진행한다. 구체적인 열처리 공정은 500℃, N2:30 sccm, 1min 급속 열처리 공정(RTA : Rapid Thermal Annealing)으로 진행하는 것일 수 있다.
도 3을 참조하면, Edge termination 구조를 위하여 필드 플레이트 역할을 수행할 수 있는 질화규소(Si3N4) 또는 이산화 규소(SiO2) 등의 산화물을 증착한다.
상기 필드 플레이트층의 증착은 PECVD를 이용하여 수백 nm 증착한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 필드 플레이트층 상에 직경 8㎛ 원형 패턴 형성을 위하여 포토 리소그래피 공정을 수행한다. 즉, CF4, BCl3 등의 가스를 사용하여 필드 플레이트층에 대한 식각 공정을 수행한다.
한편, 건식 식각 공정 진행 중 이온 충격에 의해 드리프트 층인 저농도 산화 갈륨 에픽텍셜층의 표면이 손상되는 것을 방지하기 위하여 잔여 필드 플레이트층을 남기게 한다.
도 6을 참조하면, BOE(Buffer oxide etch) 용액으로 건식 식각 공정에서 남은 잔여 field plate layer층을 제거한다. 다음으로, 식각이 이루어지지 않은 필드 플레이트층의 상단에 잔존하는 포토레지스트를 제거한다.
이후, 8㎛ 크기의 쇼트키 영역과 전계를 분산시키기 위하여 8㎛ field plate를 정렬시킨다.
도 7을 참조하면, 정렬된 8㎛ 크기의 쇼트키 배리어 다이오드 제작을 위하여 애노드 전극을 필드 플레이트층을 전체적으로 덮는 방식으로 증착한다.
도 8은 필드 플레이트층 상에 건식 식각 등을 통해 원형 패턴을 갖는 복수의 쇼트키 영역이 형성된 상태를 보인다.
전체적으로는, 제조 중인 쇼트키 배리어 다이오드에 대한 상부에서 바라본 상태의 도면을 보인다. 원 형상의 저농도 산화 갈륨에픽텍셜층 상에 질화규소(Si3N4) 또는 이산화 규소(SiO2) 등의 산화물을 원 형상으로 증착하여 필드 플레이트층을 형성한다. 상기 필드 플레이트층 상에서 직경 8㎛ 원형 패턴을 갖는 복수의 쇼트키 영역을 형성한다. 즉, 산화 갈륨 위에 질화규소 또는 이산화규소를 전체적으로 증착하고, 직경 8um 원형 패턴으로 질화규소와 이산화규소를 식각하여 쇼트키 영역을 생성한다.
도 9는 필드 플레이트층 상에 원형 패턴이 없는 경우 및 있는 경우를 비교한 전기적 물성을 보인다.
좌측은 Ron 값 추출을 위한 linear plot을 보이고, 우측은 전위 장벽 높이(barrier height, BH)와 다이오드 이상지수(ideality factor, n) 값 추출을 위한 log plot을 보인다.
필드 플레이트층 상에 원형 패턴이 없는 경우를 보면, 전위 장벽 높이와 다이오드 이상지수와 Ron 값은 각각 1.12(eV)와 1.14와 5.19(Ω㎠)로 나타난다.
한편, 필드 플레이트층 상에 원형 패턴이 있는 경우를 보면, 전위 장벽 높이와 다이오드 이상지수와 Ron 값은 각각 1.22(eV)와 1.02와 10.9(Ω㎠)로 나타난다. 한편, 다이오드 이상지수는 무차원변수로서 1에 근접할수록 이상적인 경우에 해당한다.
도 10은 필드 플레이트층 상에 원형 패턴이 없는 경우 및 있는 경우를 비교한 항복 전압을 보인다.
필드 플레이트층 상에 원형 패턴이 없는 경우의 항복 전압은 500V를 보이는 한편, 필드 플레이트층 상에 원형 패턴이 형성된 경우의 항복 전압은 590V를 보인다.
도 10은 필드 플레이트층 상에 원형 패턴이 없는 경우 및 있는 경우를 비교한 TCAD 시뮬레이션 결과를 보인다.
TCAD 시뮬레이션을 수행하여 소자의 항복 전압 향상에 대한 분석 수행한다.
분석 결과, 소자의 크기가 작아져도 항복 전압은 증가하는 것을 확인할 수 있다.
한편, 항복전압의 증가 요인이 소자의 소형화 때문인지 필드 플레이트층의 분산 효과에 의한 것인지 확인하기 위해서 simulation을 수행한 결과,
소자의 소형화보다 필드 플레이트가 정렬된 소자의 항복 전압이 크게 개선된 것을 확인할 수 있다. 이는 필드 플레이트가 정렬된 소자에 가해지는 높은 전계가 분산되어 나타나는 현상으로 보인다.
본 발명에 따른 필드 플레이트층 증착을 통해 항복 전압을 향상시킨 쇼트키 배리어 다이오드 제조 방법은 애노드 전극의 종단에서 발생하는 높은 전계를 분산시키기 위해 필드 플레이트를 일정한 간격으로 식각하여 쇼트키 영역을 형성하고 이를 통해 항복 전압을 향상시키게 한다. 본 발명은 필드 플레이트층 증착과 식각 공정을 통한 간이한 공정 만으로도 기판 표면 결함을 최소화할 수 있으며, 크기가 작은 쇼트키 영역의 면적과 일정한 간격으로 이루어진 필드 플레이트는 애노드 전극 종단에 가해지는 높은 각각의 필드 플레이트로 전계를 분산시켜 항복 전압을 향상시킬 수 있게 한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (5)
- 고농도의 n+ 형 기판 위에 저농도 n-형 에피택셜 박막층을 성장하는 단계;
상기 저농도 n-형 에피택셜 박막층의 하면 상에 전극을 증착하여 캐소드 전극을 형성하는 단계;
상기 저농도 n-형 에피택셜 박막층 상면 상에 산화물을 증착하여 필드 플레이트층을 형성하는 단계;
상기 필드 플레이트층 상에 포토 리소그래피 공정을 수행하여 복수의 원형 패턴을 형성하여 쇼트키 영역을 형성하는 단계; 및
상기 필드 플레이트층을 전체적으로 덮는 방식으로 증착하여 애노드 전극을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 쇼트키 영역 형성 단계는, 다단에 따른 식각 공정을 이용하고,
건식 식각 공정 진행 중 이온 충격에 의해 드리프트 층인 상기 저농도 n-형 에피택셜 박막층의 표면이 손상되는 것을 방지하기 위하여 잔여 필드 플레이트층을 잔존한 후에 BOE(Buffer oxide etch) 용액으로 건식 식각 공정에서 남은 잔여 field plate layer층을 제거하는 것을 특징으로 하는,
필드 플레이트층 증착을 통해 항복 전압을 향상시킨 쇼트키 배리어 다이오드 제조 방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 고농도의 n+ 형 기판 및 저농도 n-형 에피택셜 박막층은 산화 갈륨을 포함한,
필드 플레이트층 증착을 통해 항복 전압을 향상시킨 쇼트키 배리어 다이오드 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 필드 플레이트층은 질화규소(Si3N4) 또는 이산화 규소(SiO2) 인,
필드 플레이트층 증착을 통해 항복 전압을 향상시킨 쇼트키 배리어 다이오드 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 캐소드 전극 형성 단계는,
상기 저농도 n-형 에피택셜 박막층의 하면 상에 전극을 증착 후 열처리를 진행하는,
필드 플레이트층 증착을 통해 항복 전압을 향상시킨 쇼트키 배리어 다이오드 제조 방법.
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| KR1020200064844A KR102320367B1 (ko) | 2020-05-29 | 2020-05-29 | 필드 플레이트층 증착을 통해 항복 전압을 향상시킨 쇼트키 배리어 다이오드 제조 방법 |
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| KR102320367B1 true KR102320367B1 (ko) | 2021-11-02 |
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| KR (1) | KR102320367B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230115066A (ko) | 2022-01-26 | 2023-08-02 | 연세대학교 산학협력단 | 주사전자현미경을 사용한 쇼트키 다이오드의 제조방법 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20130049916A (ko) * | 2011-11-07 | 2013-05-15 | 현대자동차주식회사 | 실리콘 카바이드 쇼트키 베리어 다이오드 및 이의 제조방법 |
| JP2015023072A (ja) * | 2013-07-17 | 2015-02-02 | 豊田合成株式会社 | 半導体装置 |
| JP2020068260A (ja) * | 2018-10-23 | 2020-04-30 | Tdk株式会社 | ショットキーバリアダイオード |
-
2020
- 2020-05-29 KR KR1020200064844A patent/KR102320367B1/ko active IP Right Grant
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