KR20010014013A - 비실리콘 기술에서 사용하기 위한 티타늄 질화물 확산장벽 및 금속화 방법 - Google Patents

비실리콘 기술에서 사용하기 위한 티타늄 질화물 확산장벽 및 금속화 방법 Download PDF

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빌헤름 허우베르게르
에베르하르트 라타
아브램 자꾸보빅쯔
알베르투스 오오센브르그
윌리암 패트릭
페테르 로엔트겐
에리카 윌리암스
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유니페이즈 레이저 엔터프라이즈 에이지
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Abstract

비실리콘 반도체 기술에서 이용되는 티타늄 질화물 확산 장벽층 및 관련 방법이 개시된다. 본 발명의 한 측면에 따르면, 반도체 장치는 비실리콘 동작 표면을 포함한다. 개선된 점으로는 비실리콘 동작 표면에 외부 전기 접속을 형성하는 열할을 하는 오옴 접촉부를 포함하되, 오옴 접촉부는 티타늄 질화물을 주성분으로 하는 적어도 하나의 층을 포함한다. 본 발명의 다른 측면에 따르면, 반도체 릿지형 도파로 레이저는 반도체 기판 및 기판 상에 배치된 동작층을 포함하는 것으로 개시된다. 클래딩층은 동작 영역과 대면하는 관계로 배치된 릿지부를 포함한다. 금속 구조는 실질적으로 릿지부를 덮고 티타늄 질화물을 주성분으로 하는 적어도 하나의 층을 포함한다.

Description

비실리콘 기술에서 사용하기 위한 티타늄 질화물 확산 장벽 및 금속화 방법{A TITANIUM NITRIDE DIFFUSION BARRIER FOR USE IN NON-SILICON TECHNOLOGIES AND METALLIZATION METHOD}
본 발명은 일반적으로 확산 장벽에 관한 것으로, 특히 비실리콘 기술에 있어 유용한 티타늄 질화물 확산 장벽에 관한 것이다. 비실리콘 기술은 예를 들어, 갈륨 비화물(GaAs) 또는 인듐 인화물(InP)의 복합 반도체를 기초로 한 기술을 포함한다. 본 발명은 고전력 반도체 레이저 다이오드 분야에서 특정하게 응용된다.
확산 장벽은, 소정 타입의 재료의, 인접한 재료층으로 확산되거나 인접한 재료층과 반응하는 경향에 따라 소자 저하를 방지하려는 목적으로 반도체 디바이스에서 통상적으로 사용된다. 예를 들어, 갈륨 비화물층에 직접 인접하거나 접착층에 의해 갈륨 비화물로부터 분리된 금층을 포함하는 반도체 구조물에서, 이러한 금은 갈륨 비화물 층으로 확산되는 경향을 가지는 한편, 갈륨 비화물은 금층으로 확산되는 경향을 갖는다. 이러한 층 구조물을 포함하는 갈륨 비화물 레이저 다이오드에서는, 금이 갈륨 비화물로 확산되면 비교적 짧은 시간 프레임내에 레이저 다이오드가 상당히 저하된다. 동시에, 금이 통상적으로 광전자 디바이스의 금속화 오옴 접촉 구조물(metallized ohmic contact structure)(즉, 전체 디바이스와 외부적으로 전기적 접속을 이루는데 사용되는 구조물)에서 최외층으로서 사용되기 때문에 금과 같은 재료를 사용하는 것을 단순히 회피하는 것은 문제가 될 수 있다고 생각된다. 최외층의 금층의 유용성은, 본딩 와이어를 부착하기에 적합한 접착면을 형성할 수 있는 기능에 있다. (최상의 확산 장벽층을 포함하는) 오옴 접촉 구조물의 하부 층은 본딩 와이어를 부착하기에 적합한 접착 특성을 나타내지 않는다. 금은 또한 단일 칩 상에 다중 디바이스를 집적하기 위한 저 저항성 재료를 제공한다.
과거에는, 백금 및 크롬은 많은 복합 반도체 디바이스 기술에서의 접촉 구조물에서 확산 장벽으로서 기능해왔다. 그러나, 불행히도, 예를 들어 백금 확산 장벽층은, 후술되는 점에서 볼 때 소정 문제점을 나타낸다는 것을 발견하였다.
레이저 다이오드와 같은 현재의 반도체 디바이스는 오옴 접촉 안정성 및 특히 확산 장벽층을 사용하는 직접 방식으로 연관된 파워 한계에 부딪치게 된다는 것이 언급되어야 한다. 특히, 제조자들이 보다 높은 파워로 보다 높은 전류 레벨을 사용하여 디바이스를 압착하면, 디바이스는 고온에서 동작한다. 백금 확산 장벽층은 차세대 디바이스의 예상된 동작 온도에서의 확산 현상을 방해하는 데 있어서 어느정도 부적절하게 된다는 것을 발견하였다. 더욱이, 백금은 매우 고가의 재료이다. 따라서, 백금을 사용하지 않게 되면, 재료 및 제조 비용을 절감할 수 있게 된다.
후술되는 바와 같이, 본 발명은 백금 장벽층을 사용하는 것에 관해서 발견된 문제점을 나타내지 않는 비실리콘 기술에서 사용되는 고효율의 확산 장벽층을 제공한다. 다른 이점으로서, 본 발명의 확산 장벽층은 종래 기술의 백금 확산 장벽층과 연관된 효율적인 최대 온도보다 상당히 높은 온도에서 효율적 장벽층을 제공한다.
도 1은 본 발명의 티타늄 질화물 확산 장벽을 구현하는 릿지형 도파로 레이저 다이오드를 투시적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 확산 장벽을 형성하는 한가지 방법을 도시하는 모식적 정면도.
<발명의 요약>
이하 좀더 상세히 후술되는 바와 같이, 본 명세서에서는 티타늄 질화물 확산 장벽층 및 비실리콘 반도체 기술에서의 관련된 사용 방법이 개시되어 있다. 본 발명의 한가지 특징에 있어서, 반도체 디바이스는 비실리콘 활성면을 포함한다. 접촉부가 기본적으로 티타늄 질화물로 이루어진 적어도 하나의 층을 포함하는 비실리콘 활성면과의 외부적 전기 접속을 형성하는 기능을 하는 접촉부를 포함한다.
본 발명의 다른 특징에서는, 반도체 기판 및 기판 상에 배치된 활성층을 포함하는 반도체 릿지형 도파로 레이저가 개시되어 있다. 클래딩층은 기판 상에 및 활성층 상에 부분적으로 지지된다. 클래딩층은 활성 영역과 대면되는 관계로 배치된 릿지부를 포함한다. 금속화 구조물은 릿지부를 실질적으로 커버하며 본질적으로 티타늄 질화물으로 구성되는 적어도 하나의 층을 포함한다.
본 발명에 따라 제조되며, 일반적으로 참조 번호 10으로 나타낸 릿지형 도파로 레이저 다이오드를 도시하고 있는 도 1을 참조한다. 레이저 다이오드(10)는 본 발명의 이점으로부터 이득을 얻는 한 종류의 디바이스만을 나타내고 있다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 레이저 다이오드(10)가 예시적 용도로 사용되었으며, 본 발명은 현재 사용중이거나 개발되는 안정한 확산 장벽층을 필요로 하는 임의의 비실리콘 기술에서 사용하는 것으로 기대되는 것을 알아야 한다.
도 1을 참조하면, 레이저 다이오드(10)는 예를 들어 갈륨 비화물(GaAs) 또는 인듐 인화물(InP)로부터 형성될 수 있는 기판(12)을 포함한다. 적층 구조물(14)는 본 기술 분야에서 공지된 방식으로 기판 상에서 성장된다. 적층 구조물(14)는 n형 클래딩층(16), 활성 영역(18) 및 n형 클래딩층(20)을 포함한다. 클래딩층 및 활성 영역이 형성될 수 있는 재료는 GaAs, AlGaAs, InGaAs 및 다른 3원 또는 4원 Ⅲ-Ⅴ 재료를 포함하지만, 그것에 한정되지는 않는다. 릿지형 도파로(22)는 공지된 방식, 예를 들어, 에칭 또는 다른 적절한 방법으로 상부 클래딩층(20)에 형성된다. 릿지형 도파로(22)의 상부면은 통상적으로 저저항 접촉 형성을 용이하게 하는데 도움을 주는 고농도로 도핑된 접촉층(23)을 포함한다. 전기적 접촉 용도로 릿지(22)의 최상부면만이 노출되도록, 예를 들어 실리콘 이산화물(SiO2)과 같은 적절한 유전 재료(24)가 공지된 방식으로 도포된다. 동작 전압 및 전류를 레이저 다이오드에 인가하는 동안, 릿지(22)의 구성은 주입된 전류와 작용하여 영역(26)으로부터 화살표(28)로 나타낸 방향으로 활성 영역(18)의 에지를 따라 광이 방출되도록 한다.
도 1을 참조하면, 오옴 접촉 금속화 구조물(30)(때때로 순간 응용에서 p-접촉이라 칭함)가 p형 클래딩층(20)에 응용된다. 오옴 접촉 구조물(30)는 릿지형 도파로(22)를 커버하는 방식으로 릿지층(20) 상에 형성된다. 오옴 접촉 구조물(30)는 릿지(22)의 최상부면 및 유전체(24)의 최상부면 바로 위에서 부분적으로 지지되는 티타늄층을 포함한다. 티타늄(이하, Ti)층(32)은 공지된 방식으로 릿지(22)와 효율적으로 접합시키는 접착층으로서 기능하며, 예를 들어 증착 또는 스퍼터링 증착에 의해 형성될 수도 있다. 그 후, 본 발명에 따라, Ti층(32) 상에 매우 유익한 티타늄 질화물(이하, TiN)층(34)이 형성된다. TiN층(34)은 효율적인 확산 장벽으로서 기능하도록 대략 100 ㎚의 두께이다. TiN층(34)의 특성에 대한 더 상세한 설명이 후술될 것이다. 본 실시예는 p형 도핑 재료와 오옴 접촉하는 것으로 고려된다는 것을 주목하라. 그러나, 본 발명은 후술되는 바와 같이, 쇼트키 접촉으로 동일하게 응용할 수 있다. 양 경우 모두에서, TiN은, 상승된 온도 및/또는 스트레스 조건에서 접촉을 보다 확실히 하여 금속 및 반도체 재료의 상호 확산을 방지한다.
본 발명의 오옴 접촉부(30)을 계속 설명하자면, 금층(36)이 TiN층(34) 상에 배치된다. 금층(36)은 예를 들어, 증착 또는 스퍼터링 증착과 같은 임의의 적절한 방식으로 도포될 수 있다. 상술된 바와 같이, 최외부 금층(16)의 용도는, 외부에 디바이스를 전기적으로 접속할 수 있도록 본딩 와이어를 접착하기 위한 적절한 접합면을 제공하는 것이다.
본 발명의 매우 유리한 오옴 접촉을 고려하는 도 2를 참조하면, TiN층(34)을 도포하는 한가지 적절한 기술은 반응성 스퍼터링이다. 따라서, 레이저 다이오드(10)는 배기 챔버(42)에서 반응성 스퍼터링 소스(40)와 대면되는 관계로 중간 제조 상태에서 도시된다. 이러한 제조 단계에서, 레이저 다이오드(10)가 전체 웨이퍼(44)의 일부로서 하나의 반도체 다이를 형성하는 것을 알 수 있다. 인접한 레이저 다이오드(10a 및 10b)의 일부가 점선으로 도시되어 있다. 챔버(42)에는, 예를 들어 1 밀리바의 압력을 갖는 질소 및 아르곤 분위기의 혼합물이 존재한다. 스퍼터링 소스는 티타늄 타겟(도시되지 않음)을 포함한다. 동작시에, 타겟은 아르곤 및 질소 이온으로 충격이 가해져서 타겟의 티타늄이 낙 오프된다. 다양한 인수들 예를 들면 챔버(42)내의 질소 압착, 개스 흐름, 및 스퍼터 능력에 따라, 티타늄 원소의 일부는 질소 개스와 반응하여 티타늄 원소 및 티타늄 질화물 분자를 포함하는 빔(46)은 소스(40)로부터 방출되고 레이저 다이오드(10) 상에 증착되어 TiN 층(34)을 형성한다. 본 예에서, TiN 층(34)은 웨이퍼(44)의 전체 표면을 거쳐 증착되는 것을 도시된다. 그러므로, 금층(36)은 전체 웨이퍼 표면 전체에 증착될 수 있다(도시되지 않음).
도 2를 참조하면, 참조 번호(48)로 표시된 레이저 다이오드(10 및 10a) 사이에 개재하는 층(34)의 부분을 제거하기 위해 이용되는 공지되거나 개발될 적절한 방법이 이용될 수 있다. 예를 들면, p-접촉부(30)의 패터닝은 예를 들면 "리프트 오프" 공정에 의해 완성될 수 있다. 이러한 경우, 포토레지스트(도시되지 않음) 또는 다른 적절한 층이 오옴 접촉층의 형성 이전에 웨이퍼 표면에 도포될 수 있다. 포토레지스트는 증착된 층이 제거될 영역에만 도포될 수 있다. 웨이퍼(44)의 표면 상에 오옴 접촉층을 형성한 이후에, 하부의 포토레지스트는 적절한 용재를 이용하여 용해되어 예를 들면 영역(48)내의 증착된 층이 분리되거나 리프트-오프되도록 한다.
반응성 스퍼터링 증착 동안의 공정 조건은 TiN 층(34)의 질소 함유량을 조절하기 위한 방법은 여러 가지가 있음을 알 수 있다. 실제로, 매우 낮은 질소 함유 티타늄에서 질소 포화 TiN 까지의 임의의 것이 반응성 스퍼터링에 의해 완성될 수 있다. 적절한 질소 함유량으로는, 실제 검사를 참조하면, Ti:N = 0.9:1.0인 것으로 관측되었다. 다른 적절한 방법으로는 TiN 층(34)을 형성하는 것이 이용될 수 있다. 예를 들면, 스퍼터링 소스는 티타늄 질소 타겟과 결합하여 이용될 수 있다(도시 되지 않음). 플라즈마 강화 화학 기상 증착 PECVD(도시되지 않음)이 TiN을 증착하기 위해서 이용될 수 있다.
종래 기술의 백금 확산 장벽층 및 본 발명에 따라 형성되는 방법이 설명되었으며, 이 접촉부의 이점에 대한 논의가 설명된다. 확실하게, 본 발명의 TiN 확산 장벽은 장벽층이 초기 증착에 효과적이고 현저한 온도 영향에 있다하더라도 약간의 저하만을 보임이 실험적으로 밝혀졌다. 본 발명의 TiN 확산 장벽의 어닐링 검사 및 분석은 적어도 460℃ 까지의 온도에서 안정성을 보인다. 장기간의 내열성(tempering) 검사(460℃로 70 시간)는 TiN이 레이저 다이오드(10)(도 1)와 같은 비실리콘 구조내의 효과적인 확산 장벽을 제공하는 것을 보인다. 비교를 위해, Pt 장벽과의 접촉은 덜 혹독한 온도 조건에서도 현저한 품질 저하를 보인다. 이러한 이점들은 종래 기술에서는 일반적인 텐실 가압 백금층과 비교할 때 경쟁력이 있다. 더욱이, TiN층이 반응적으로 스퍼터링되므로, 불규칙 특성에도 불구하고 커버리지는 종래 기술의 기상 증착된 백금에 의해 제공된 커버리지보다 월등하다. 개선된 커버리지는 예를 들면 레이저 다이오드(10)의 릿지(22)와 같은 커버링 장치 특징에 있어서 특히 중요하다(도 1 및 2). 본 발명의 오옴 접촉부(30)의 접촉 저항은 적어도 종래 기술의 백금 장벽층을 이용하여 얻어진 것만큼 적은 것으로 도시된다. 반응성 스퍼터링이 층(34)의 증착에 양호하며, 이러한 층을 형성하는 현재 이용되거나 개발될 임의의 적절한 방법이 예를 들면 PECVD와 같이 본 발명에서 주목된다.
본 발명의 오옴 접촉의 고온에 대한 내성은 그 자체로로 현저한 이점을 갖는다는 점에 주목해야 한다. 상술한 것처럼, 제조자는 레이저 다이오드의 광 출력을 증가시키는데 계속적으로 노력하고 있다. 대부분의 유형의 장치에서, 고출력 광을 제조하기 위해서는 높은 전기 입력을 필요로 하므로, 장치의 고유 변환의 비효율로 인해 장치 동작 온도가 높아지는 결과를 초래한다. 본 발명의 내열성 오옴 접촉이 종래 기술의 백금 확산 장벽층의 경우에 존재하는 온도 제한으로 인해 차세대의 고전력 반도체 장치를 생산하는데 있어 중요한 필요성을 충족시킨다.
본 발명의 확산 장벽층이 티타늄 질화물로부터 형성되는 것이 바람직하지만, 다른 재료 또한 유용하다. 예를 들면, 또 다른 재료로는 티타늄 텅스텐(TiW)이 있다. 후자는 그러나 화학량론 및 층 두께를 적절히 변화시킴으로써 TiN 만큼 확산 장벽으로서 효과적이지 않음에도 불구하고 본 발명에 따라 적절한 확산 장벽이 형성된다.
TiN 층은 종래 기술의 실리콘 기초 제조 기술에서 이용된다. 그러나, TiN층은 종종 고온에서 수행되어야 하는 PECVD를 이용하여 증착된다. 또한, TiN은 일반적으로 실리콘 또는 실리콘 이산화물과 알루미늄과 같은 금속층으로 이용된다. 알루미늄 및 실리콘의 재료 특성은 GaAs 및 금과 같이 본 발명에 의해 이용되는 재료와 유사하다. 더욱이, 고온 PECVD 증착이 일정 부분 예를 들면 레이저 다이오드(10)와 같은 광전자 장치를 파괴할 온도 요구 사항으로 인해 적어도 부분적으로 본 발명의 일정 측면이 동작 불가능하다. 고온 공정은 금속 증착 동안 웨이퍼 상에 포토레지스트의 존재를 필요로 하는 리프트-오프 공정의 이용을 제거한다. 그러므로, 반응성 스퍼터링과 같은 "냉" 공정이 채용되어야 한다. 또한, 일단 이 기술이 이용되는 경우, 최종 TiN 층은 GaAs 기초 재료에 대한 효과적인 확산 장벽의 역할을 한다. 더욱이, 본 발명은 예를 들면, 온도 안정 접촉을 필요로 하는 헤테로 결합 쌍극성 트랜지스터(HBT) 또는 다른 임의의 전기 또는 광학 장치와 같은 다른 비실리콘(화합물 반도체) 기술의 "냉" 증착 TiN층을 고려한다. TiN 장벽은 GaAs MESFET(금속-반도체 전계 효과 트랜지스터) 또는 GaAs 기초 또는 InP 기초 HEMT(고 전자 이동도 트랜지스터)와 같은 응용에 대해 n-도핑된 비실리콘 반도체 재료에 접촉하는 온도 안정 쇼트키 접촉의 형성에 동일하게 적용된다.
본 명세서에 개시된 확산 장벽이 다양한 비실리콘 기술로 제공될 수 있고 수개의 상이한 방법으로 생성되므로, 본 발명은 그 기술 사상 또는 범위로부터 벗어나지 않고 많은 다른 특정 형태로 구현될 수 있다. 그러므로, 본 예 및 방법이 개략적이나 제한적 의미로 이해되어서는 안되며, 본 발명은 상세한 설명에 국한되지 않고, 첨부된 청구 범위 내에서 개조될 수 있다.

Claims (20)

  1. 비실리콘 활성면(non-silicon active surface)을 포함하는 반도체 디바이스에 있어서,
    상기 비실리콘 활성면과의 외부 전기 접속을 형성하는 기능을 하며, 티타늄 질화물을 주성분으로 하는 적어도 하나의 층을 포함하는 접촉부(contact)
    를 포함하는 반도체 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 접촉부는 상기 티타늄 질화물층 바로 위에 배치된 티타늄층을 포함하는 반도체 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 티타늄 질화물층은 두께가 대략 20 내지 200 ㎚인 반도체 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 티타늄 질화물층은 티타늄 대 질소의 원자비가 대략 0.9인 반도체 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 비실리콘 표면은 갈륨 비화물을 포함하는 반도체 디바이스.
  6. 반도체 릿지형 도파로 레이저(semiconductor ridge waveguide laser)에 있어서,
    a) 반도체 기판;
    b) 상기 기판 상에 배치된 활성층;
    c) 상기 기판 및 상기 활성층 상에 부분적으로 지지되며, 상기 활성 영역과 대면한 관계로 배치된 릿지부를 포함하는 클래딩 층; 및
    d) 상기 릿지부를 실질적으로 커버하며, 티타늄 질화물을 주성분으로 하는 적어도 하나의 층을 포함하는 금속화 구조물
    을 포함하는 반도체 릿지형 도파로 레이저.
  7. 제6항에 있어서, 상기 티타늄 질화물층은 두께가 대략 20 내지 200 ㎚인 반도체 릿지형 도파로 레이저.
  8. 제6항에 있어서, 상기 금속화 구조물은 금을 주성분으로 하는 상부층을 포함하는 반도체 릿지형 도파로 레이저.
  9. 제6항에 있어서, 상기 티타늄 질화물층은 티타늄 대 질소의 원자비가 대략 0.9인 반도체 릿지형 도파로 레이저.
  10. 비실리콘 활성 표면을 포함하는 반도체 디바이스와의 외부 전기 접속을 형성할 때 사용하기 위한 반도체 디바이스의 접촉부에 있어서,
    a) 상기 활성면과 직접 접촉된 적어도 하나의 접착층; 및
    b) 상기 접착층과 전기적으로 접속되며, 티타늄 질화물을 주성분으로 하는 적어도 하나의 층
    을 포함하는 반도체 디바이스의 접촉부.
  11. 제10항에 있어서, 상기 티타늄 질화물층은 두께가 대략 20 내지 200 ㎚인 반도체 디바이스의 접촉부.
  12. 제10항에 있어서, 상기 티타늄 질화물층은 티타늄 대 질소의 원자비가 대략 0.9인 반도체 디바이스의 접촉부.
  13. 제10항에 있어서, 상기 접착층은 티타늄을 주성분으로 하는 반도체 디바이스의 접촉부.
  14. 제10항에 있어서, 상기 티타늄 질화물층은 상기 접착층 바로 위에 배치된 반도체 디바이스의 접촉부.
  15. 제10항에 있어서, 상기 활성면은 갈륨 비화물을 포함하며, 상기 접착층은 상기 갈륨 비화물 바로 위에 증착되는 반도체 디바이스의 접촉부.
  16. 활성 표면을 포함하는 반도체 디바이스와의 외부 전기 접속을 형성할 때, 사용하기 위한 비실리콘 반도체 디바이스의 접촉부를 형성하는 방법에 있어서,
    a) 상기 활성면과 직접 접촉된 접착층을 형성하는 단계; 및
    b) 티타늄 질화물을 주성분으로 하는 적어도 하나의 층을 상기 접착층 상에 증착하는 단계
    를 포함하는 반도체 디바이스의 접촉부 형성 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 티타늄 질화물 층을 증착하는 단계는, 반응성 스퍼터링에 의해 상기 티타늄 질화물층을 증착하는 단계를 포함하는 반도체 디바이스의 접촉부 형성 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 접착층은 티타늄을 주성분으로 하는 반도체 디바이스의 접촉부 형성 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 활성면은 갈륨 비화물을 포함하며, 상기 접착층을 형성하는 단계는 상기 갈륨 비화물 바로 위에 상기 접착층을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 디바이스의 접촉부 형성 방법.
  20. 제16항에 있어서, 상기 티타늄 질화물층은 티타늄 대 질화물의 원자비가 대략 0.9인 반도체 디바이스의 접촉부 형성 방법.
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