KR20110074163A - Enhancement normally off nitride vertical semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An enhancement normally off nitride vertical semiconductor device and a manufacturing method thereof are provided to easily implement a normally off enhancement device by forming a recess area to remove a hetero-junction layer and blocking a second dimensional electron gas. CONSTITUTION: In an enhancement normally off nitride vertical semiconductor device and a manufacturing method thereof, a doped first nitride semiconductor layer is formed on the top side a substrate in which a buffer layer is formed(S100,S200). P-type or a high resistivity first nitride semiconductor layer is formed on the top side of the doped layer(S300). A second nitride semiconductor layer is formed on the top side of the P-type or the high resistivity first nitride semiconductor layer(S400). A source electrode is formed in the side of the second nitride semiconductor layer(S600). The gate insulating layer is formed on the top side of the second nitride semiconductor layer and the etched layer(S700). A gate electrode is formed on the top side of the gate insulating layer of the gate region(S800).

Description

인헨스먼트 노멀리 오프 버티컬 질화물 반도체 소자 및 그 제조방법{Enhancement normally off nitride vertical semiconductor device and manufacturing method thereof}Enhancement normally off nitride vertical semiconductor device and manufacturing method

본 발명은 질화물 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도핑층까지 게이트 리세스 영역을 형성하여 용이하게 인헨스먼트 노멀리 오프 질화물 반도체 소자를 제조할 수 있는 방법 및 그 소자에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nitride semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a method for manufacturing an enhancement normally-off nitride semiconductor device by forming a gate recess region up to a doping layer, and a device thereof. will be.

고 전자 이동도 트랜지스터(HEMT)는 전통적인 전력 반도체 소자의 한 예이다. HEMT는 Ⅲ족 질화물 반도체를 사용하여 제작되는데, 이 반도체는 본 명세서에 언급된 대로, GaN, AlGaN, InGaN 또는 그와 같은 AlInGaN 계(system)로부터의 반도체 합금을 의미한다.High electron mobility transistors (HEMTs) are an example of traditional power semiconductor devices. HEMTs are fabricated using Group III nitride semiconductors, which refer to semiconductor alloys from GaN, AlGaN, InGaN or such AlInGaN systems, as mentioned herein.

전통적으로 알려진 기술에 의하면, HEMT는 예를 들어 도핑되지 않은 GaN으로 구성되는 제 1 Ⅲ족 질화물 반도체 바디와, 제 1 Ⅲ족 질화물 반도체 바디 위에 배치되며 예를 들어 AlGaN으로 구성되는 제 2 Ⅲ족 질화물 반도체 바디를 포함한다.According to conventionally known techniques, HEMTs are for example a group 1 III nitride semiconductor body composed of undoped GaN and a group II nitride nitride disposed over the group 1 III nitride semiconductor body and composed of AlGaN, for example. A semiconductor body.

잘 알려진 대로, 제 1 Ⅲ족 질화물 반도체 바디와 제 2 Ⅲ족 질화물 반도체 바디의 이종접합부(heterojunction)는 일반적으로 이차원 전자가스(2DEG)로 언급되는 전도성 영역을 형성하게 된다. 전형적인 HEMT는 또한 적어도 2 개의 전력 전극들(power electrodes)을 포함한다. 전류는 이 2개의 전력 전극들 사이에서 2DEG를 통하여 전도된다.As is well known, the heterojunctions of the first group III nitride semiconductor body and the second group III nitride semiconductor body form a conductive region, commonly referred to as a two-dimensional electron gas (2DEG). A typical HEMT also includes at least two power electrodes. Current is conducted through the 2DEG between these two power electrodes.

HEMT는 또한 게이트 장치(gate arrangement)를 포함하는데, 이 게이트 장치는 원하는 바에 따라 2DEG를 작동 가능하게 하거나 억제하도록 작동되며, 이에 의해 소자를 온(ON) 시키거나 오프(OFF) 시킬 수 있다. 결과적으로, HEMT는 전계효과 트랜지스터(FET)처럼 작동될 수 있다. 사실, 이러한 소자는 때로는 이종접합 전계효과 트랜지스터(HFET)로서 언급된다.The HEMT also includes a gate arrangement, which is operated to enable or suppress the 2DEG as desired, thereby enabling the device to be turned on or off. As a result, the HEMT can be operated like a field effect transistor (FET). In fact, such devices are sometimes referred to as heterojunction field effect transistors (HFETs).

높은 전류 운반 능력 및 높은 절연 파괴 전압(breakdown voltage) 성능을 갖는 Ⅲ족 질화물계의 이종접합 전력반도체 소자는 그것의 낮은 손실로 인하여 전력 어플리케이션에 적합하다. 그러나, 많은 Ⅲ족 질화물 반도체 소자들은 노멀리온(normally ON) 소자인 바, 이는 소자를 오프시키려면 게이트에 바이어스를 걸어주는 것이 요구됨을 의미한다.Heterojunction power semiconductor devices of group III nitride based systems having high current carrying capacity and high breakdown voltage performance are suitable for power applications because of their low loss. However, many group III nitride semiconductor devices are normally ON devices, which means that biasing the gate is required to turn the device off.

노멀리 온 소자들은 전력 어플리케이션에 있어서는 덜 바람직한데, 그 이유는 a) 이러한 소자들은 노멀리 오프 소자보다 덜 효율적으로 작동되고, b) 노멀리 온 소자를 위한 구동 회로가 더욱 복잡하고 그로 인하여 더욱 비싸기 때문이다. 그래서, 노멀리 오프의 Ⅲ족 질화물 전력 반도체 소자를 제공하는 것이 요망된다.Normally on devices are less desirable for power applications because: a) these devices operate less efficiently than normally off devices, and b) the drive circuits for the normally on devices are more complex and therefore more expensive. Because. It is therefore desirable to provide a normally off group III nitride power semiconductor device.

AlGaN/GaN 이종 구조는 고출력 전계 효과 트랜지스터로 사용되는 것으로 AlGaN/GaN 계면에서 2차원 전자 가스(2DEG)를 이용하여 소스-드레인 전류의 흐름을 게이트 전압을 통하여 제어시킨다. 이러한 2차원 전자 가스는 AlGaN 표면 아래에 양의 전하에 반대되는 것이 생성되는 분극 현상으로 인하여 생성되는 것이다. 이러한 양의 전하는 주변 환경에 매우 민감하여 소스-드레인 전류에 요동을 가져오게 만든다. The AlGaN / GaN heterostructure is used as a high output field effect transistor. The AlGaN / GaN heterostructure uses a two-dimensional electron gas (2DEG) at the AlGaN / GaN interface to control the flow of the source-drain current through the gate voltage. This two-dimensional electron gas is generated due to a polarization phenomenon in which the opposite of the positive charge is generated below the AlGaN surface. This amount of charge is very sensitive to the surrounding environment, causing fluctuations in the source-drain current.

상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 과제는 밴드갭이 서로 다른 질화물 반도체층 사이의 계면 부근에 생성되는 2차원 전자 가스(2DEG)에 의해 발생되는 비효율적이고 구동회로가 복잡하며, 제조단가가 비싼 노멀리 온 소자가 아닌 노멀리 오프 질화물 전력 반도체 소자를 용이하게 제조할 수 있는 제조방법을 제공하기 위함이다.An object of the present invention for solving the above problems is an inefficient, complicated driving circuit generated by two-dimensional electron gas (2DEG) generated near the interface between nitride semiconductor layers having different band gaps, and high manufacturing cost. It is to provide a manufacturing method that can easily manufacture a normally off nitride power semiconductor device other than the normally on device.

상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 특징은 (a) 버퍼층이 형성된 기판 상부에 도핑된 제1 질화물 반도체 층을 형성하는 단계; (b) 상기 도핑 층 상부에 P형 또는 고 저항성 제1 질화물 반도체 층을 형성하는 단계; (c) 상기 P형 또는 고 저항성 제1 질화물 반도체 층 상부에 제2 질화물 반도체 층을 형성하는 단계; (d) 게이트 영역의 상기 제2 질화물 반도체 층에서 상기 도핑된 제1 질화물 반도체 층 깊이까지 식각하는 단계; (e) 상기 제2 질화물 반도체 층의 측면에 소스 전극을 형성하는 단계; (f) 상기 제2 질화물 반도체 층 및 식각된 층 상부에 게이트 절연막을 형성하는 단계; (g) 상기 게이트 영역의 게이트 절연막 상부에 게이트 전극을 형성하는 단계; 및 (h) 상기 기판 하부에서 버퍼층 깊이까지 식각하여, 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함한다.A first aspect of the present invention for solving the above-mentioned problems is (a) forming a doped first nitride semiconductor layer on top of a substrate on which a buffer layer is formed; (b) forming a P-type or high resistive first nitride semiconductor layer over the doped layer; (c) forming a second nitride semiconductor layer over the P-type or high resistive first nitride semiconductor layer; (d) etching from the second nitride semiconductor layer in the gate region to a depth of the doped first nitride semiconductor layer; (e) forming a source electrode on the side of the second nitride semiconductor layer; (f) forming a gate insulating film over the second nitride semiconductor layer and the etched layer; (g) forming a gate electrode on the gate insulating film in the gate region; And (h) etching the lower portion of the substrate to a depth of the buffer layer to form a drain electrode.

여기서, 상기 (a) 단계는 상기 버퍼층 상부에 N+ 로 도핑된 제1 질화물 반도체 층을 형성하는 단계; 및 상기 N+ 로 도핑된 제1 질화물 반도체 층 상부에 N_ 로 도핑된 제1 질화물 반도체 층을 형성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 제1 질화물 반도체 층은 GaN 층으로 하고, 상기 제2 질화물 반도체 층은 AlGaN 층으로 하는 것이 바람직하다.Here, the step (a) may include forming a first nitride semiconductor layer doped with N + on the buffer layer; And the second the first nitride semiconductor layer may be a GaN layer, is preferable, and a step of forming a first nitride semiconductor layer doped with N _ the first nitride semiconductor layer above the doped to the N + The nitride semiconductor layer is preferably an AlGaN layer.

또한, 바람직하게는 상기 제1 질화물 반도체 층 및 제2 질화물 반도체 층은 MOCVD 법으로 형성하는 것일 수 있고, 상기 절연막은 Al2O3 , HfO2 및 SiO2 중 어느 하나를 재질로 하는 것일 수 있으며, 상기 N+ 로 도핑된 제1 질화물 반도체 층의 두께를 조절하여 항복 전압을 제어하는 것일 수 있다.In addition, preferably, the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer may be formed by MOCVD, and the insulating layer may be Al 2 O 3. , HfO 2 And SiO 2 It may be made of any one material, it may be to control the breakdown voltage by adjusting the thickness of the first nitride semiconductor layer doped with N + .

그리고, 본 발명의 제2 특징은 (a) 버퍼층이 형성된 기판 상부에 도핑된 제1 질화물 반도체 층을 형성하는 단계; (b) 상기 도핑 층 상부에 P형 또는 고 저항성 제1 질화물 반도체 층을 형성하는 단계; (c) 상기 P형 또는 고 저항성 제1 질화물 반도체 층 상부에 제2 질화물 반도체 층을 형성하는 단계; (d) 게이트 영역의 상기 제2 질화물 반도체 층에서 상기 도핑된 제1 질화물 반도체 층 깊이까지 식각하는 단계; (e) 상기 제2 질화물 반도체 층의 측면에 소스 전극을 형성하는 단계; (f) 상기 제2 질화물 반도체 층 및 식각된 층 상부에 게이트 절연막을 형성하는 단계; (g) 상기 게이트 영역의 게이트 절연막 상부에 게이트 전극을 형성하는 단계; 및 (h) 상기 제2 질화물 반도체 층의 측면에서 상기 도핑층 소정 깊이까지 식각하여, 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함한다.In addition, a second aspect of the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device, the method comprising: (a) forming a doped first nitride semiconductor layer over a substrate on which a buffer layer is formed; (b) forming a P-type or high resistive first nitride semiconductor layer over the doped layer; (c) forming a second nitride semiconductor layer over the P-type or high resistive first nitride semiconductor layer; (d) etching from the second nitride semiconductor layer in the gate region to a depth of the doped first nitride semiconductor layer; (e) forming a source electrode on the side of the second nitride semiconductor layer; (f) forming a gate insulating film over the second nitride semiconductor layer and the etched layer; (g) forming a gate electrode on the gate insulating film in the gate region; And (h) etching a side surface of the second nitride semiconductor layer to a predetermined depth to form a drain electrode.

여기서, 상기 (a) 단계는 상기 버퍼층 상부에 N+ 로 도핑된 제1 질화물 반도체 층을 형성하는 단계; 및 상기 N+ 로 도핑된 제1 질화물 반도체 층 상부에 N_ 로 도핑된 제1 질화물 반도체 층을 형성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 제1 질화물 반도체 층은 GaN 층으로 하고, 상기 제2 질화물 반도체 층은 AlGaN 층으로 하는 것이 바람직하다.Here, the step (a) may include forming a first nitride semiconductor layer doped with N + on the buffer layer; And the second the first nitride semiconductor layer may be a GaN layer, is preferable, and a step of forming a first nitride semiconductor layer doped with N _ the first nitride semiconductor layer above the doped to the N + The nitride semiconductor layer is preferably an AlGaN layer.

또한, 바람직하게는 상기 제1 질화물 반도체 층 및 제2 질화물 반도체 층은 MOCVD 법으로 형성하는 것일 수 있고, 상기 절연막은 Al2O3 , HfO2 및 SiO2 중 어느 하나를 재질로 하는 것일 수 있다.In addition, preferably, the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer may be formed by MOCVD, and the insulating layer may be Al 2 O 3. , HfO 2 And SiO 2 It may be made of any one of the materials.

더하여, 본 발명의 제3 특징으로, 질화물 반도체 소자로 상술한 방법으로 제조된 것이다.In addition, as a third aspect of the present invention, a nitride semiconductor device is manufactured by the method described above.

이와 같은 본 발명을 제공하면, 게이트 영역의 하부에 식각에 의한 리세스 층 영역을 형성하여 헤테로접합층을 제거함으로써, 원천적으로 2DEG를 봉쇄하여 노멀리 오프(normally off) 인헨스먼트 소자를 용이하게 구현할 수 있는 방법을 제공하게 된다. 또한, 본 발명은 용이하게 인헨스먼트 노멀리 오프(Enhancement Normally off) 전력 반도체 소자로서, 구동회로가 간단한 반도체 소자를 제공할 수 있다.According to the present invention, by forming a recessed layer region by etching under the gate region to remove the heterojunction layer, the 2DEG is essentially blocked to easily remove the normally off enhancement element. It provides a way to implement it. In addition, the present invention can easily provide a semiconductor device having a simple driving circuit as an enhancement normally off power semiconductor device.

또한 도핑층의 두께 리세스 영역의 깊이에 따라 드레인과의 거리가 조절되어 항복전압(Breakdown voltage)을 변경 및 향상시킬 수 있게 된다.In addition, the distance to the drain is adjusted according to the depth of the thickness recessed region of the doped layer, thereby changing and improving breakdown voltage.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1(도 1a 내지 도 1e)은 본 발명에 따른 실시예로서, 노멀리 오프(normally-off) 질화물 전력 반도체 소자의 제조공정을 예시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 노멀리 오프 질화물 반도체 소자의 제조공정의 흐름도를 예시한 것으로 이하 같이 참조하여 설명하기로 한다.FIG. 1 (FIGS. 1A to 1E) is an embodiment according to the present invention, illustrating a manufacturing process of a normally-off nitride power semiconductor device, and FIG. 3 is a furnace according to an embodiment of the present invention. A flowchart of a manufacturing process of a far off nitride semiconductor device is illustrated and will be described below with reference to the following.

본 발명의 공정은 전체적으로, 기판(10)에 버퍼층(15)을 형성하는 단계; 버퍼층이 형성된 기판 상부에 도핑된 제1 질화물 반도체 층을 형성하는 단계(S100, S200); 상기 도핑 층 상부에 P형 또는 고 저항성 제1 질화물 반도체 층을 형성하는 단계(S300); 상기 P형 또는 고 저항성 제1 질화물 반도체 층 상부에 제2 질화물 반도체 층을 형성하는 단계(S400); 게이트 영역의 상기 제2 질화물 반도체 층에서 상기 도핑된 제1 질화물 반도체 층 깊이까지 식각하는 단계(S500); 상기 제2 질화물 반도체 층의 측면에 소스 전극을 형성하는 단계(S600); 상기 제2 질화물 반도체 층 및 식각된 층 상부에 게이트 절연막을 형성하는 단계(S700); 상기 게이트 영역의 게이트 절연막 상부에 게이트 전극을 형성하는 단계(S800); 및 상기 기판 하부에서 버퍼층 깊이까지 식각하여, 드레인 전극을 형성하는 단계(S900)를 포함하여 구성한다.The process of the present invention generally includes forming a buffer layer 15 on a substrate 10; Forming a doped first nitride semiconductor layer on the substrate on which the buffer layer is formed (S100 and S200); Forming a P-type or high resistivity first nitride semiconductor layer on the doped layer (S300); Forming a second nitride semiconductor layer on the P-type or high resistive first nitride semiconductor layer (S400); Etching (S500) from the second nitride semiconductor layer in the gate region to a depth of the doped first nitride semiconductor layer; Forming a source electrode on a side of the second nitride semiconductor layer (S600); Forming a gate insulating layer on the second nitride semiconductor layer and the etched layer (S700); Forming a gate electrode on the gate insulating layer in the gate region (S800); And etching to the depth of the buffer layer below the substrate to form a drain electrode (S900).

도 1a 나타낸 바와 같이, 먼저 Si, SiC 등과 같은 반도체 기판(10)에 질화물 반도체 층을 성장하기 위해 계면 스트레스를 낮추기 위한 완충 층으로 AlN을 재질로 하는 버퍼층(15)을 형성한다. 물론 저온의 GaN층도 역시 가능하다. 그리고 나서, 상기 버퍼층(15) 상부에 MOCVD법 또는 MBE법을 사용하여 도핑된 제1 질화물 반도체인 질화갈륨(GaN)(30) 층을 성장시킨다.(S200,S300)) As shown in FIG. 1A, first, a buffer layer 15 made of AlN is formed as a buffer layer for lowering interfacial stress in order to grow a nitride semiconductor layer on a semiconductor substrate 10 such as Si and SiC. Of course, low temperature GaN layers are also possible. Then, a layer of gallium nitride (GaN) 30, which is a doped first nitride semiconductor, is grown on the buffer layer 15 using MOCVD or MBE (S200, S300).

도핑층의 형성은 먼저 소정 깊이의 GaN 층을 형성시키고, N+ 이온을 임플란테이션 장비나 플라즈마 도핑 장비로 주입하고 고농도 도핑층(heavy doping)(저저항)을 형성한다.(S200) 그리고 나서, 다시 GaN 층을 MOCVD로 재성장 시키고, N_ 이온을 다시 주입시켜 저농도 도핑층(lightly doping)(고저항) 형성한다.(S300) The formation of the doping layer first forms a GaN layer of a predetermined depth, implants N + ions into the implantation or plasma doping equipment, and forms a heavy doping layer (low resistance) (S200). , again re-growth of the GaN layer by MOCVD and, N _ implanting ions again to form the low-concentration doped layers (lightly doping) (high resistance). (S300)

여기서 N 도핑된 에피탁시 GaN 층(23,25)은 온저항의 하나인 저항 역할을 수행한다는 점에서 중요하다. 이막의 역할은 차단전압을 유지한는 것이며, 이막의 저항은 소자의 전압등급과 직접적으로 관련된다. 고전압 모스펫(MOSFET)은 저농도 도핑된(lightly doped)(즉 높은 저항) 두꺼운 막를 요구한다. 반면에 저전압 트랜지스터는 오직 고농도 도핑(heavy doped) 수준(즉 낮은 저항)의 박막을 요구한다. 그결과 도핑된 GaN층의 저항은 고전압 모스펫(MOSFET)의 저항을 유발하는 주요한 요소이다. 그러므로, 도핑층의 두께 도핑된 정도의 구조는 드리프트 전류에 대한 저항의 역할을 결정하고, 항복전압을 제어하는데 중요한 요소이다.Here, the N-doped epitaxy GaN layers 23 and 25 are important in that they serve as a resistance which is one of on resistances. The role of the membrane is to maintain the blocking voltage, and the resistance of the membrane is directly related to the voltage rating of the device. High voltage MOSFETs require lightly doped (ie high resistance) thick films. Low-voltage transistors, on the other hand, require thin films with only heavy doped levels (ie low resistance). As a result, the resistance of the doped GaN layer is a major factor causing the resistance of high voltage MOSFETs. Therefore, the thickness doped structure of the doped layer is an important factor in determining the role of resistance to drift current and controlling the breakdown voltage.

N_ 도핑층(25)을 형성한 후(S200), 그 상부에 다시 MOCVD법 또는 MBE 법을 이용하여 P형 GaN 층 또는 고저항성 GaN 층(27)을 형성한다.(S300) 그리고, GaN 층 상부에 제2 질화물 반도체 층인 AlGaN 층(30)을 형성한다.(S300)After the N _ doping layer 25 is formed (S200), a P-type GaN layer or a high resistive GaN layer 27 is formed on the upper portion again by using the MOCVD method or the MBE method (S300). An AlGaN layer 30 that is a second nitride semiconductor layer is formed on the top (S300).

즉, 도 1a에 나타낸 바와 같이, 고 저항성(Highly resistive)인 질화갈륨 층(27) 상부에 밴드갭이 서로 다른 제2 질화갈륨 반도체 층(30)인 알루미늄을 포함하는 AlGaN 층(30)을 헤테로접합(heterojunction)한다. 상이한 밴드갭 에너지를 갖는 두 반도체 물질의 헤테로접합(heterojunction)에서 2차원 전가 가스(35)(2DEG:two-dimensional electron gas)가 형성되기 때문이다.That is, as shown in FIG. 1A, the AlGaN layer 30 including aluminum, which is a second gallium nitride semiconductor layer 30 having different bandgaps, is heterogeneously formed on the highly resistive gallium nitride layer 27. Heterojunction. This is because a two-dimensional electron gas 35 (2DEG) is formed in a heterojunction of two semiconductor materials having different bandgap energies.

여기서 GaN 층(30)과 AlGaN 층(40)은 연속하여 MOCVD 법을 이용하여 에피 성장하는 것이 바람직한데, MOCVD법은 유기금속화합물과 수소화합물의 가스 열분해 반응에 의하여 반도체 박막을 기판(10)위에 성장시키는 에피탁시 방법으로 1968년 GaAs 박막 성장을 시작으로 발전되어 많은 반도체의 성장에 응용되고 있다. 특히 1982년 MOCVD를 이용하여 제조한 수십 나노크기의 저차원 물질에서 일반 벌크구조와는 다른 독특한 특성이 발견된 이래, MOCVD법은 3차원 에피탁시 공정 이외에도 다양한 저차원 나노구조체의 합성에도 응용되고 있다.Here, the GaN layer 30 and the AlGaN layer 40 are preferably epitaxially grown using MOCVD. MOCVD is a method of forming a semiconductor thin film on a substrate 10 by gas pyrolysis of an organometallic compound and a hydrogen compound. As an epitaxial growth method, GaAs thin film was developed in 1968 and is applied to the growth of many semiconductors. In particular, in 1982, MOCVD was found to be unique to the synthesis of various low-dimensional nanostructures in addition to the three-dimensional epitaxy process. have.

MOCVD를 이용한 GaN의 에피성장은 Si, SiC, sapphire 등과 같은 기판(10)과의 격자부정합을 해결하기 위해서 상술한 바와 같이, 실리콘(Si) 기판(10) 위에 GaN 버퍼층(buffer layer)(AlN)(15)을 성장하고 다시 그 위에 GaN 에피층(30)을 성장시키는 2단 성장법이 사용된다.The epitaxial growth of GaN using MOCVD is performed on the GaN buffer layer (AlN) on the silicon (Si) substrate 10 as described above to solve the lattice mismatch with the substrate 10 such as Si, SiC, sapphire, and the like. A two-stage growth method of growing (15) and growing the GaN epitaxial layer 30 thereon is used.

2단 성장법은 에피층 성장온도 이상(1100℃)에서 열 에칭(Thermal etching)을 한 후 550℃ 근처에서 GaN 버퍼층(AlN)(15)을 성장하고 1050℃ 이상에서 GaN 에피층(23)을 성장시키는 방법이다. 이처럼 MOCVD법은 박막형성 반응에 사용되는 반 응가스의 공급원이 유기금속전구체로 낮은 온도에서 공급원의 분압이 높고 분해가 잘되는 장점이 있으므로 박막 증착시 반응가스의 공급을 원활하게 할 수 있다. 또한, 고순도로 정제된 공급원을 사용할 수 있어 성장되는 박막의 특성을 우수하게 할 수 있다. In the two-stage growth method, thermal etching is performed at the epitaxial growth temperature or higher (1100 ° C), and then the GaN buffer layer (AlN) 15 is grown at about 550 ° C. How to grow. As such, the MOCVD method has an advantage that the source of the reaction gas used in the thin film formation reaction is an organometallic precursor having a high partial pressure of the source at a low temperature and good decomposition. In addition, a highly purified source can be used to improve the properties of the growing thin film.

또한, 2DEG(29)는 도핑되지 않은(Undoped) 더 작은 밴드갭 물질 내의 축적층이고 매우 높은 과잉 쉬트 전자(sheet electron) 농도를 가질 수 있다. 또한 더 넓은 밴드갭 반도체에서 나온 전자는, 이온화된 불순물의 산란(scattering)이 감소되기 때문에 높은 전자이동도를 보이며 2DEG(29)로 이동한다.In addition, 2DEG 29 is an accumulation layer in the smaller, undoped bandgap material and may have a very high sheet electron concentration. Electrons from wider bandgap semiconductors also migrate to 2DEG 29 with high electron mobility because of the reduced scattering of ionized impurities.

이같은 높은 캐리어 농도와 높은 캐리어 이동도의 결합은 HEMT에 매우 큰 트랜스컨덕턴스를 부여할 수 있고, 고주파 응용에 있어서 금속-반도체 전계효과 트랜지스터에 비하여 더욱 강력한 성능상의 이점을 제공할 수 있다. This combination of high carrier concentrations and high carrier mobility can impart very large transconductances to HEMTs and can provide more powerful performance advantages over metal-semiconductor field effect transistors in high frequency applications.

그러나, HEMT는 높은 전류 운반 능력 및 높은 항복 전압(breakdown voltage) 성능을 갖는 Ⅲ족 질화물계의 이종접합 전력반도체 소자는 그것의 낮은 손실로 인하여 전력 어플리케이션에 적합지만, 많은 Ⅲ족 질화물 반도체 소자들은 노멀리온(normally ON) 소자인 바, 이는 소자를 오프시키려면 게이트에 바이어스를 걸어주는 것이어야 하기 때문에 전력면에서 효율이 떨어지는 단점이 있다. 이와 같은 점을 개선하기 위해 게이트 영역 하부에 2DEG(29) 형성을 원천적으로 봉쇄하는 방법을 본 발명에서 제안한다. However, while HEMT is a heterojunction power semiconductor device of group III nitride based system having high current carrying capacity and high breakdown voltage performance, due to its low loss, many group III nitride semiconductor devices are normal. It is a normally ON device, which is disadvantageous in terms of power since it must bias the gate to turn off the device. In order to improve the above, the present invention proposes a method of blocking the formation of the 2DEG 29 under the gate region.

도 1b를 참조하면, 도 1a에서 처럼 질화물 반도체 소자를 형성하기 위한 기본층을 형성한 다음, 게이트 영역의 리세스를 형성하게 되는데, 상술한 제2 질화물 반도체 층인 AlGaN층에서 N+ 도핑층(23) 상부까지 식각을 진행한다. 식각은 습식각, 건식각, 또는 노광장치를 이용한 식각 모두 가능하다. 이렇게 게이트 영역에서 제1 질화물 반도체층의 N+ 도핑층(23)까지 식각을 하는 것은 도핑되지 않은 GaN 층(27)과 AlGaN 층(30) 사이에 헤테로접합으로 인하여 형성되는 2차원 전자가스(2DEG)(29)가 게이트 영역 하부에 형성되는 것을 원천적으로 봉쇄하여 노멀리 오프(normally off) 반도체 소자를 형성하기 위함이다.Referring to FIG. 1B, as shown in FIG. 1A, a base layer for forming a nitride semiconductor element is formed, and a recess of a gate region is formed. In the AlGaN layer, which is the second nitride semiconductor layer, the N + doped layer 23 is formed. ) Etch to the top. Etching may be performed by wet etching, dry etching, or etching using an exposure apparatus. The etching to the N + doped layer 23 of the first nitride semiconductor layer in the gate region is a two-dimensional electron gas (2DEG) formed by heterojunction between the undoped GaN layer 27 and the AlGaN layer 30. This is to form a normally off semiconductor device by blocking the (29) is formed in the lower portion of the gate region.

즉, 2DEG(29)는 밴드갭이 서로 다른 이종접합인 GaN 층(27)과 AlGaN 층(30) 계면사이에서 분극현상에 의해 발생되는 것이므로, 제1 질화물 반도체 층(27)인 GaN 층 상부에 에피 성장된 제2 질화물 반도체 층인 AlGaN 층(30)의 게이트 영역 부분 하부의 N+ 고농도 도핑층(23)의 상부까지 식각하여 2DEG(29) 형성을 원천적으로 봉쇄한다.(S500) 이렇게 하면, 계면(interface)에 근처에 형성되는 2DEG(29)는 소스 전극(50) 영역 하부에만 형성되고, 게이트 전극(40) 영역 하부에는 형성되지 않아, 노멀리 오프(normally off)를 갖는 반도체 소자를 형성할 수 있게 된다.That is, since the 2DEG 29 is caused by polarization between the GaN layer 27 and the AlGaN layer 30 interface, which are heterojunctions having different band gaps, the 2DEG 29 is formed on top of the GaN layer that is the first nitride semiconductor layer 27. Etching to the top of the N + highly doped layer 23 under the gate region portion of the AlGaN layer 30, the epitaxially grown second nitride semiconductor layer, essentially blocks the formation of the 2DEG 29. (S500) In this way, the interface The 2DEG 29 formed near the interface is formed only under the source electrode 50 region and is not formed under the gate electrode 40 region, thereby forming a semiconductor device having a normally off. It becomes possible.

또한, 상기 제1 질화물 반도체 층인 고저항성 GaN 층(27)이 식각되어 리세스 되는 깊이에 따라서 문턱전압(Threshold voltage)을 조절하는 것이 가능하다. 즉, 본 발명은 상술한 구조를 통하여 질화물 반도체에서 문턱전압을 용이하게 제어하고, 맞춤형 설계가 용이하게 되는 장점이 있다.In addition, it is possible to adjust the threshold voltage according to the depth of the high-resistance GaN layer 27 that is the first nitride semiconductor layer is etched and recessed. That is, the present invention has the advantage that the threshold voltage is easily controlled in the nitride semiconductor through the above-described structure, and the customized design is easy.

게이트 영역을 리세스하고, 소자의 양 측면에 소스 전극(50)을 형성한다. 소스 전극의 재질은 금속 또는 합금으로 전도성이 높고 오믹접합에 용이한 어떤 재질 도 가능하다. 예를들어, Ta/Ti/Al/Ni/Au 를 재질로 하여 형성하는 것이 바람직하다.(도 1c 참조)The gate region is recessed and source electrodes 50 are formed on both sides of the device. The material of the source electrode is metal or alloy, and any material having high conductivity and easy for ohmic bonding can be used. For example, it is preferable to form Ta / Ti / Al / Ni / Au as a material (see Fig. 1C).

소스 전극을 형성한 후, 도 1d에 나타낸 바와 같이, 게이트 영역의 식각하여 리세스된 부분에 게이트 절연막(35)을 형성하고, 게이트 전극(40) 게이트 절연막(35) 상부에 다시 형성한다. 여기서 게이트 절연막(35)은 게이트 전극(40)과 질화물 반도체 층 사이에 유전층으로 하나의 커패시터를 형성하여 게이트 전극(40)에 인가되는 전압으로 소스/드레인 전류를 제어하기 위한 구조이다.After the source electrode is formed, as shown in FIG. 1D, the gate insulating layer 35 is formed in the etched and recessed portion of the gate region, and is formed again on the gate electrode 40. The gate insulating layer 35 is a structure for controlling a source / drain current with a voltage applied to the gate electrode 40 by forming one capacitor as a dielectric layer between the gate electrode 40 and the nitride semiconductor layer.

즉, 채널영역 GaN 층 부분과 바이어스를 인가하기 위한 게이트 전극(50)(metal) 물질을 절연하기 위해 절연막(35)을 상기 AlGaN 층(30) 상부와 식각된 리세스 영역 상부에 형성한다.(S700) 여기서 절연막(35)은 Al2O3, SiO2 , HfO2 등 중 어느 하나인 것이 바람직하지만, 박막을 형성하기 쉽고 절연성이 높은 박막이면 어떤 재질로 사용해도 가능함은 물론이다. 이때 절연막(35)의 두께와 유전율에 따라서 소자의 특성이 달라지고, 두께와 유전율이 높을수록 Gate leakage가 증가하고 게이트 전극(40)에 더 높은 전압 인가할 수 있다.That is, an insulating film 35 is formed over the AlGaN layer 30 and the recess region etched to insulate the channel region GaN layer portion and the gate electrode 50 (metal) material for applying the bias. S700) wherein the insulating layer 35 is Al 2 O 3 , SiO 2 , HfO 2 Although it is preferable that it is either, etc., if it is a thin film which is easy to form a thin film and is highly insulating, of course, it can be used with what kind of material. In this case, the characteristics of the device vary according to the thickness and dielectric constant of the insulating layer 35, and as the thickness and dielectric constant are higher, gate leakage increases and a higher voltage may be applied to the gate electrode 40.

그리고 나서, 도 1e에 나타낸 바와 같이,게이트 영역과 대응되는 기판의 하부면에서 상부방향으로 기판(10)을 식각하고 드레인 전극(60)을 형성한다. 드레인 전극(60) 또한 오믹접합에 의한 형성으로, 전도성이 높은 금속 또는 합금으로 형성이 가능하다.Then, as shown in FIG. 1E, the substrate 10 is etched upward from the lower surface of the substrate corresponding to the gate region to form the drain electrode 60. The drain electrode 60 is also formed by an ohmic junction, and can be formed of a metal or an alloy having high conductivity.

일반적으로 FET 소자에서의 소스/드레인 전극(50,60)은 AlGaN 층(30)과 버퍼 층(15)에 오믹접촉을 위해 합금을 사용하는데, 이것은 접촉되는 양 금속의 일함수(Workfunction)의 차이를 줄이기 때문이다.In general, the source / drain electrodes 50 and 60 in the FET device use an alloy for ohmic contact between the AlGaN layer 30 and the buffer layer 15, which is a difference in the work function of both metals in contact. Because it reduces.

오믹접촉(Ohmic Contact)은 반도체 소자에서 금속 결선을 뽑아낼 때 전극 금속이 소자의 특성에 큰 영향을 주지 않도록 하려면 전극 금속과 반도체 간의 접촉 저항치가 작은 옴 접촉을 말한다. 그러나, 일반적으로 불순물 농도가 낮은 반도체에 금속이 접촉되면 접촉면에 전위 장벽이 형성되기 때문에 양호한 옴 접촉을 기대할 수 없다. 원리적으로 전위 장벽의 높이는 금속과 반도체 간의 일함수의 차이로 결정되므로 적당한 금속을 선택함으로써 캐리어(carrier:반도체에서 움직이는 상태에 있는 전도 전자 또는 정공)에 대한 전위 장벽이 형성되지 않도록 해야한다.Ohmic contact refers to an ohmic contact having a small contact resistance between the electrode metal and the semiconductor so that the electrode metal does not significantly affect the characteristics of the device when the metal wire is drawn from the semiconductor device. However, in general, when a metal is brought into contact with a semiconductor having a low impurity concentration, a good ohmic contact cannot be expected because a potential barrier is formed on the contact surface. In principle, the height of the potential barrier is determined by the difference in the work function between the metal and the semiconductor. Therefore, by selecting the appropriate metal, it is necessary to prevent the formation of the potential barrier for the carrier (conducting electrons or holes in the state of movement in the semiconductor).

금속의 일함수를 fm, 반도체의 일함수를 fs라 했을 때 n형 반도체에 대해서는 fm<fs, p형 반도체에 대해서는 fm>fs가 되는 조합을 선택하면 캐리어에 대한 전위 장벽은 생기지 않기 때문에, 본 발명에서는 계면 하부에 일정 깊이의 이온 도핑층을 형성하여 반도체(AlGaN)와 금속간의 전위장벽을 낮출 수 있게 함으로써, 일함수 차이를 줄여 오믹접촉을 가능하게 한다.When the work function of the metal is fm and the work function of the semiconductor is fs, a combination of fm <fs for n-type semiconductors and fm> fs for p-type semiconductors does not create a potential barrier to carriers. In the present invention, by forming an ion doped layer having a predetermined depth under the interface, the potential barrier between the semiconductor AlGaN and the metal can be lowered, thereby reducing the difference in work function, thereby enabling ohmic contact.

이처럼, 본 발명은 수직확산(Vertical) 형태의 FET 소자로서, 게이트 영역의 리스세를 고농도로 도핑된 제1 질화물 반도체 층 깊이까지 식각하여 형성하고, 그 리세스된 부분에 게이트 절연막을 형성하고, 게이트 전극을 형성함으로써, 제2 질화물 반도체 층(AlGaN)과 접하되는 부분을 원천적으로 봉쇄하고, 게이트 절연막을 따라 형성되는 채널영역에서 2DEG가 바이어스가 인가되는 경우 수직으로 드레인 전극으로 전류가 흐를수 있도록 하는 구조로서, 간단한 제조 방법으로 용이하게 효율 적이 노멀리 오프(normally off) 질화물 반도체 소자를 형성할 수 있는 방법을 제공한다.As described above, the present invention is a vertical diffusion FET device, which is formed by etching a gate of the gate region to a depth of a heavily doped first nitride semiconductor layer, and forming a gate insulating film in the recessed portion, By forming the gate electrode, the portion in contact with the second nitride semiconductor layer (AlGaN) is essentially blocked, and when 2DEG is biased in the channel region formed along the gate insulating film, current can flow vertically to the drain electrode. As a structure of the present invention, there is provided a method capable of easily forming a normally off nitride semiconductor element which is efficiently efficient by a simple manufacturing method.

도 2는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서, 노멀리 오프 질화물 반도체 소자의 구성을 예시한 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 실시예는 도 1의 제조공정과 동일한 과정을 거쳐 제조하지만, 드레인 전극(60)을 기판(10)의 하부에 뒷면 에칭(back etching) 하는 것이 아니라, 상부의 소스 전극(50) 옆 측면에서 고농도 도핑된 제1 질화물 반도체 층(23) 소정 깊이까지 에칭하여 소스 전극을 형성하는 구조이다.2 is a view illustrating a configuration of a normally off nitride semiconductor device as another embodiment according to the present invention. As shown in FIG. 2, the present embodiment is manufactured through the same process as the manufacturing process of FIG. 1, but the drain electrode 60 is not back-etched on the lower portion of the substrate 10, but the upper source. A side surface of the electrode 50 is etched to a predetermined depth in the highly doped first nitride semiconductor layer 23 to form a source electrode.

이와 같은 구조의 제조는 도 1a 내지 도 1d의 공정은 동일하고, 도 1e의 공정 중 드레인 전극의 형성이 측면 에칭하여(lateral etching) 하여 형성한다는 점에서 차이가 있다.The fabrication of such a structure is different in that the processes of FIGS. 1A to 1D are the same, and the drain electrode is formed by lateral etching in the process of FIG. 1E.

이와 같이 본 발명의 실시예의 구조는 게이트 전극의 깊이, 게이트 절연막(35)의 두께와 재료, AlGaN 층(30)의 두께와 조성비 등을 다르게 하여 노멀리 오프(normally off) MOSFET을 형성하게 된다. 그리고, P 형 혹은 고저항성 GaN 층(27)의 두께에 따라 게이트 길이(Gate length)가 결정되고 N_ 도핑된(저농도 도핑) GaN 층의 두께에 따라 드레인(60)과의 거리 조절이 가능하므로 항복전압(Breakdown Voltage)를 변경 및 향상할 수 있는 장점이 있다.Thus, the structure of the embodiment of the present invention forms a normally off MOSFET by varying the depth of the gate electrode, the thickness and material of the gate insulating layer 35, the thickness and composition ratio of the AlGaN layer 30, and the like. The gate length is determined according to the thickness of the P-type or high-resistance GaN layer 27, and the distance from the drain 60 can be adjusted according to the thickness of the N _ doped (low concentration doped) GaN layer. There is an advantage to change and improve the breakdown voltage.

여기서, 바람직하게는 실리콘(Si) 기판의 경우는 뒷면 에칭(도 1e 참조)이 가능하여 바로 기판 뒷면에 드레인 전극 형성이 용이하지만, 사파이어(sapphire) 기판의 경우 에칭이 용이하기 않기 때문에, 측면 에칭(lateral etching)하여 드레인 전극을 형성하는 것이 바람직하다.Here, in the case of a silicon (Si) substrate, the back side etching (see FIG. 1E) is possible, so that the drain electrode may be easily formed on the back side of the substrate, but in the case of the sapphire substrate, the side surface etching is not easy. It is preferable to form a drain electrode by lateral etching.

본 발명 공정의 단계는 완전 시계열적 순서에 의한 것이라고 한정하는 것은 아니고, 일반적인 반도체고 공정에 적용하는 순서에 따라 발명을 이해하기 쉽게 기재한 것으로, 발명의 공정 순서는 필요에 따라 변경 또는 수정 가능함은 물론이다. 그리고, 질화물 반도체라 함은 질화물을 포함하는 다양한 반도체를 의미하며 상기 실시예에서 적용한는 반도체에 한정하는 것은 아니다.The steps of the process of the present invention are not limited to those in a complete time series order, but the invention is easily described according to the order of application to a general semiconductor high process, and the process order of the invention can be changed or modified as necessary. Of course. In addition, the nitride semiconductor refers to various semiconductors including nitride, and is not limited to the semiconductor applied in the above embodiment.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.While the invention has been shown and described with respect to the specific embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Anyone with it will know easily.

도 1(도 1a 내지 도 1e)은 본 발명에 따른 실시예로서, 노멀리 오프(normally-off) 질화물 전력 반도체 소자의 제조공정을 예시한 도면이고, FIG. 1 (FIGS. 1A to 1E) is a diagram illustrating a manufacturing process of a normally-off nitride power semiconductor device as an embodiment according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서, 노멀리 오프 질화물 반도체 소자의 구성을 예시한 도면이고,2 is a diagram illustrating a configuration of a normally off nitride semiconductor device as another embodiment according to the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 노멀리 오프 질화물 반도체 소자의 제조공정의 흐름도를 나타낸 도면이다.3 is a flowchart illustrating a manufacturing process of a normally off nitride semiconductor device according to an exemplary embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 상세한 설명><Detailed Description of Main Parts of Drawing>

10: 기판, 15: 버퍼층, 23: N+ 도핑층, 25: N_ 도핑층, 30: 고저항성 GaN 층10: substrate, 15: buffer layer, 23: N + doped layer, 25: N _ doped layer, 30: high resistivity GaN layer

35: 게이트 절연막, 40: 게이트 전극, 50: 소스 전극: 60: 드레인 전극35: gate insulating film, 40: gate electrode, 50: source electrode: 60: drain electrode

Claims (12)

(a) 버퍼층이 형성된 기판 상부에 도핑된 제1 질화물 반도체 층을 형성하는 단계;(a) forming a doped first nitride semiconductor layer over the substrate on which the buffer layer is formed; (b) 상기 도핑 층 상부에 P형 또는 고 저항성 제1 질화물 반도체 층을 형성하는 단계;(b) forming a P-type or high resistive first nitride semiconductor layer over the doped layer; (c) 상기 P형 또는 고 저항성 제1 질화물 반도체 층 상부에 제2 질화물 반도체 층을 형성하는 단계;(c) forming a second nitride semiconductor layer over the P-type or high resistive first nitride semiconductor layer; (d) 게이트 영역의 상기 제2 질화물 반도체 층에서 상기 도핑된 제1 질화물 반도체 층 깊이까지 식각하는 단계;(d) etching from the second nitride semiconductor layer in the gate region to a depth of the doped first nitride semiconductor layer; (e) 상기 제2 질화물 반도체 층의 측면에 소스 전극을 형성하는 단계;(e) forming a source electrode on the side of the second nitride semiconductor layer; (f) 상기 제2 질화물 반도체 층 및 식각된 층 상부에 게이트 절연막을 형성하는 단계;(f) forming a gate insulating film over the second nitride semiconductor layer and the etched layer; (g) 상기 게이트 영역의 게이트 절연막 상부에 게이트 전극을 형성하는 단계; 및 (g) forming a gate electrode on the gate insulating film in the gate region; And (h) 상기 기판 하부에서 버퍼층 깊이까지 식각하여, 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 버티컬 질화물 반도체 소자 제조방법. (h) forming a drain electrode by etching the lower portion of the substrate to a depth of the buffer layer. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 (a) 단계는 상기 버퍼층 상부에 N+ 로 도핑된 제1 질화물 반도체 층을 형성하는 단계; 및Step (a) may include forming a first nitride semiconductor layer doped with N + on the buffer layer; And 상기 N+ 로 도핑된 제1 질화물 반도체 층 상부에 N_ 로 도핑된 제1 질화물 반도체 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 버티컬 질화물 반도체 소자 제조방법. And forming an N _ doped first nitride semiconductor layer over the N + doped first nitride semiconductor layer. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 제1 질화물 반도체 층은 GaN 층으로 하고, 상기 제2 질화물 반도체 층은 AlGaN 층으로 하는 것을 특징으로 하는 버티컬 질화물 반도체 소자 제조방법. And the first nitride semiconductor layer is a GaN layer, and the second nitride semiconductor layer is an AlGaN layer. 제3항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 제1 질화물 반도체 층 및 제2 질화물 반도체 층은 MOCVD 법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자 제조방법.And the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer are formed by MOCVD. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 절연막은 Al2O3 , HfO2 및 SiO2 중 어느 하나를 재질로 하는 것을 특징 으로 하는 질화물 반도체 소자 제조방법.The insulating film is Al 2 O 3 , HfO 2 And SiO 2 Nitride semiconductor device manufacturing method characterized in that any one of the material. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 N+ 로 도핑된 제1 질화물 반도체 층의 두께를 조절하여 항복 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자 제조방법. A method of manufacturing a nitride semiconductor device comprising controlling a breakdown voltage by adjusting a thickness of the first nitride semiconductor layer doped with N + . (a) 버퍼층이 형성된 기판 상부에 도핑된 제1 질화물 반도체 층을 형성하는 단계;(a) forming a doped first nitride semiconductor layer over the substrate on which the buffer layer is formed; (b) 상기 도핑 층 상부에 P형 또는 고 저항성 제1 질화물 반도체 층을 형성하는 단계;(b) forming a P-type or high resistive first nitride semiconductor layer over the doped layer; (c) 상기 P형 또는 고 저항성 제1 질화물 반도체 층 상부에 제2 질화물 반도체 층을 형성하는 단계;(c) forming a second nitride semiconductor layer over the P-type or high resistive first nitride semiconductor layer; (d) 게이트 영역의 상기 제2 질화물 반도체 층에서 상기 도핑된 제1 질화물 반도체 층 깊이까지 식각하는 단계;(d) etching from the second nitride semiconductor layer in the gate region to a depth of the doped first nitride semiconductor layer; (e) 상기 제2 질화물 반도체 층의 측면에 소스 전극을 형성하는 단계;(e) forming a source electrode on the side of the second nitride semiconductor layer; (f) 상기 제2 질화물 반도체 층 및 식각된 층 상부에 게이트 절연막을 형성하는 단계;(f) forming a gate insulating film over the second nitride semiconductor layer and the etched layer; (g) 상기 게이트 영역의 게이트 절연막 상부에 게이트 전극을 형성하는 단계; 및 (g) forming a gate electrode on the gate insulating film in the gate region; And (h) 상기 제2 질화물 반도체 층의 측면에서 상기 도핑층 소정 깊이까지 식각하여, 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 버티컬 질화물 반도체 소자 제조방법. (h) forming a drain electrode by etching a side surface of the second nitride semiconductor layer to a predetermined depth of the doped layer. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 (a) 단계는 상기 버퍼층 상부에 N+ 로 도핑된 제1 질화물 반도체 층을 형성하는 단계; 및Step (a) may include forming a first nitride semiconductor layer doped with N + on the buffer layer; And 상기 N+ 로 도핑된 제1 질화물 반도체 층 상부에 N_ 로 도핑된 제1 질화물 반도체 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 버티컬 질화물 반도체 소자 제조방법. And forming an N _ doped first nitride semiconductor layer over the N + doped first nitride semiconductor layer. 제7항 또는 제8항에 있어서,9. The method according to claim 7 or 8, 상기 제1 질화물 반도체 층은 GaN 층으로 하고, 상기 제2 질화물 반도체 층은 AlGaN 층으로 하는 것을 특징으로 하는 버티컬 질화물 반도체 소자 제조방법. And the first nitride semiconductor layer is a GaN layer, and the second nitride semiconductor layer is an AlGaN layer. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 상기 제1 질화물 반도체 층 및 제2 질화물 반도체 층은 MOCVD 법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 버티컬 질화물 반도체 소자 제조방법.And the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer are formed by MOCVD. 제7항 또는 제8항에 있어서,9. The method according to claim 7 or 8, 상기 절연막은 Al2O3 , HfO2 및 SiO2 중 어느 하나를 재질로 하는 것을 특징으로 하는 버티컬 질화물 반도체 소자 제조방법.The insulating film is Al 2 O 3 , HfO 2 And SiO 2 A method of manufacturing a vertical nitride semiconductor device, characterized in that any one of the materials. 제1항 또는 제6항의 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 노멀리 오프(normally-off) 버티컬 질화물 반도체 소자.A normally-off vertical nitride semiconductor device, which is produced by the method of claim 1.
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US9123740B2 (en) 2012-01-11 2015-09-01 Samsung Electronics Co., Ltd. High electron mobility transistors and methods of manufacturing the same

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7795642B2 (en) 2007-09-14 2010-09-14 Transphorm, Inc. III-nitride devices with recessed gates
US9048302B2 (en) 2008-01-11 2015-06-02 The Furukawa Electric Co., Ltd Field effect transistor having semiconductor operating layer formed with an inclined side wall
JP2009234458A (en) 2008-03-27 2009-10-15 Toyota Motor Corp Control device and control method for vehicle

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9123740B2 (en) 2012-01-11 2015-09-01 Samsung Electronics Co., Ltd. High electron mobility transistors and methods of manufacturing the same
KR20140012855A (en) * 2012-07-23 2014-02-04 엘지전자 주식회사 Nitride semiconductor device and method for manufacturing the same

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