KR20140013247A - 질화물계 반도체 소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질화물계 반도체 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자 및 그의 제조 방법에 의해, 불순물 이온 에너지를 조절하여 질화물계 반도체층에 불순물 이온들을 주입함으로써, 질화물계 반도체 소자의 결정성을 보장하면서 이온 주입층에 저항을 높일 수 있다. 따라서, 성장 중에 불순물의 혼입을 피함으로써 전위(dislocation)가 발생되는 확률을 줄일 수 있어 양질의 질화물계 반도체층을 성장할 수 있으며, 누설전류를 줄일 수 있으므로 질화물계 반도체 소자의 특성이 향상될 수 있다.

Description

질화물계 반도체 소자 및 그의 제조 방법{NITRIDE BASED SEMICONDUCTOR DEVICE AND PREPARING METHOD FOR THE SAME}
본 발명의 실시예들은 질화물계 반도체 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 누설전류의 발생을 방지할 수 있는 질화물계 반도체 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 전세계적으로 정보통신 기술의 급격한 발달로 인하여 초고속, 대용량의 신호 전송을 위한 통신 기술이 급속도로 발달되고 있다. 특히 무선통신 기술에서 개인 휴대폰, 위성통신, 군사용 레이더, 방송통신, 통신용 중계기 등의 수요가 점점 확대됨에 따라 마이크로파와 밀리미터파 대역의 초고속 정보통신 시스템에 필요한 고속·고전력 전자소자에 대한 요구가 증가되고 있다. 또한 고전력에 사용하는 파워소자로의 응용 또한 에너지적인 손실을 줄이기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다.
특히, GaN계 질화물 반도체는 에너지 갭이 크고, 높은 열적 화학적 안정도, 높은 전자포화속도(~3 × 107 cm/sec) 등의 뛰어난 물성 가지고 있어 광소자뿐만 아니라 고주파·고출력용 전자소자로의 응용이 용이하며 세계적으로 활발히 연구되고 있다. 특히 GaN계 질화물 반도체를 이용한 전자소자는 높은 항복 전계(~3 × 106 V/cm) 및 최대전류밀도, 안정된 고온동작, 높은 열전도도 등의 다양한 장점을 가지고 있으며, AlGaN/GaN의 이종접합 구조를 이용한 이종접합 전계효과 트랜지스터(hetero field effect transistor; HFET)의 경우, 접합계면에서의 밴드 불연속(band-discontinuity)이 크기 때문에 계면에 높은 농도의 전자가 유기될 수 있어 전자이동도를 더욱 높일 수 있다. 일반적으로 GaN계 질화물 반도체는 사파이어 기판 위에 성장시키는데, 이때 사파이어 기판과 GaN계 질화물 반도체는 격자상수 및 열팽창계수 차이가 크기 때문에 단결정의 성장이 매우 어려우며, 박막성장시 많은 결함이 존재한다. 질소의 높은 휘발성으로 인해 발생되는 질소공공의 형성과 산소와 같은 불순물의 영향으로 인해 자연적으로 n형 전도 특성을 갖게 되어 고전연층 박막(semi-insulating layer)의 성장이 매우 어렵다. 또한, 성장도중 Fe나 C 등을 도핑하여 고저항을 가지는 GaN 버퍼를 만들지만 HFET나 SBD(Schottky barrier diode) 소자 제작시에 누설전류가 발생하여 낮은 트랜스 컨턱턴스와 삽입손실을 가져올 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 질화물계 반도체층에 하나 이상의 이온 주입층을 형성함으로써, 누설전류를 억제할 수 있는 질화물계 반도체 소자 및 그의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1 측면은, 기판 상에 형성된 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 형성된 질화물계 반도체층; 상기 질화물계 반도체층 내에 형성된 하나 이상의 이온 주입층; 및 상기 질화물계 반도체층 상에 형성된 채널층을 포함하는 질화물계 반도체 소자를 제공할 수 있다.
본 발명의 제2 측면은, 기판 상에 형성된 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 형성된 질화물계 반도체층; 및 상기 질화물계 반도체층 상에 형성된 채널층을 포함하고, 상기 질화물계 반도체층은 하나 이상의 이온 주입층을 포함하는 질화물계 반도체 소자를 제공할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 하나 이상의 이온 주입층은 불순물 이온을 포함하는 층인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 불순물 이온은 Ar, C, H, N, B, Fe, Mg, Zn, He, Ne, Be, Li, Si, F, S, P, As, Sr, Te 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 하나 이상의 이온 주입층은 각각 독립적으로 서로 동일한 불순물 이온에 의해 형성된 층이거나 또는 서로 상이한 불순물 이온에 의해 형성된 층을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 하나 이상의 이온 주입층은 상기 질화물 반도체층 표면으로부터 50 nm 내지 30 ㎛의 깊이에 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 하나 이상의 이온 주입층은 2층 내지 10층을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 하나 이상의 이온 주입층은 10 keV 내지 5 M eV의 주입 에너지로 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 하나 이상의 이온 주입층은 1E17/cm3 내지 5E21/cm3의 도즈(dose) 양을 조절하여 주입된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 질화물계 반도체층은 GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN, AlN, InN, ZnInN, ZnGaN, MgGaN 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 질화물계 반도체 소자는 노멀리 온 타입 또는 노멀리 오프 타입인 것일 수 있다.
본 발명의 제3 측면은, 하기를 포함하는 질화물계 반도체 소자의 제조 방법을 제공할 수 있다:
기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 상에 질화물계 반도체층을 형성하는 단계; 상기 질화물계 반도체층 내에 불순물 이온을 주입하여 하나 이상의 이온 주입층을 형성하는 단계; 및 상기 질화물계 반도체층 상에 채널층을 형성하는 단계.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 불순물 이온은 이온주입(ion implantation) 방법, 또는 플라즈마 침지 이온 주입(plasma immersion ion implantation) 방법에 의하여 상기 질화물계 반도체층 내에 주입되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 불순물 이온은 Ar, C, H, N, B, Fe, Mg, Zn, He, Ne, Be, Li, Si, F, S, P, As, Sr, Te 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 하나 이상의 이온 주입층은 각각 독립적으로 서로 동일한 불순물 이온에 의해 형성된 층이거나 또는 서로 상이한 불순물 이온에 의해 형성된 층을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 하나 이상의 이온 주입층은 2층 내지 10층을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 하나 이상의 이온 주입층은 상기 불순물 이온의 도즈(dose) 양 또는 주입 에너지를 변화시킴에 따라, 상기 질화물계 반도체층에 주입되는 양이나 깊이가 달라지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 하나 이상의 이온 주입층은 10 keV 내지 5 MeV의 주입 에너지로 불순물 이온을 주입하여 상기 질화물계 반도체층 표면으로부터 50 nm 내지 30 ㎛의 깊이에 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 하나 이상의 이온 주입층은 1E17/cm3 내지 5E21/cm3 의 불순물 이온의 도즈(dose) 양을 조절하여 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 질화물계 반도체층에 불순물 이온을 주입한 후에, 어닐링(annealing)하는 단계를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 질화물계 반도체층은 GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN, AlN, InN, ZnInN, ZnGaN, MgGaN 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자 및 그의 제조 방법은, 불순물 이온 에너지를 조절하여 질화물계 반도체층에 이온들을 주입함으로써, 결정성을 보장하면서 이온 주입층에 저항을 높일 수 있다. 따라서, 성장 중에 불순물의 혼입을 피함으로써 전위(dislocation)가 발생되는 확률을 줄일 수 있어 양질의 질화물계 반도체층을 성장할 수 있으며, 누설전류를 줄일 수 있으므로 질화물계 반도체 소자의 특성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 질화물계 반도체 소자 및 질화물계 반도체 소자의 제조 방법에 대하여 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자의 구조를 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 질화물계 반도체 소자(100)은 기판(110), 버퍼층(120), 질화물계 반도체층(130), 하나 이상의 이온 주입층(140), 채널층(150), 소스 전극(160), 드레인 전극(170) 및 게이트 전극(180)을 포함할 수 있다.
기판(110)은 반도체 층을 성장시킬 수 있는 기판이면 제한되지 않으며, 예를 들어, 사파이어(sapphire)나 스피넬 구조의 MgAl2O4 과 같은 절연성 기판, GaN, GaAs, SiC, Si, ZnO, ZrB2, GaP, 다이아몬드, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 기판의 크기나 두께 등은 특별히 제한되지 않는다. 기판의 면방향은 특별히 제한되지 않으며, 저스트(just) 기판 또는, 오프(off)각을 부여한 기판을 사용할 수 있다.
버퍼층(120)은 기판(110) 및 질화물계 반도체층(130) 사이의 격자 부정합을 완화하기 위해 형성된 것이며, 예를 들어, AlN층, 저온-SiC층(Low Temperature-SiC layer) 또는 저온-GaN층일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
질화물계 반도체층(130)은 GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN, AlN, InN, ZnInN, ZnGaN, MgGaN 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하나 이상의 이온 주입층(140)은 질화물계 반도체층(130) 내에 형성된 것으로서, 도면에서는 제1 이온 주입층(142), 제2 이온 주입층(144) 및 제3 이온 주입층(146)으로 3층의 이온 주입층(140)을 도시하였으나, 이에 제한되지 않고, 약 2층 내지 약 10층의 이온 주입층을 포함하는 이온 주입층(140)이 형성된 것일 수 있다.
이온 주입층(140)은 불순물 이온을 포함하는 층으로서, 상기 불순물 이온은 Ar, C, H, N, B, Fe, Mg, Zn, He, Ne, Be, Li, Si, F, S, P, As, Sr, Te 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이온 주입층(140)은 각각 독립적으로 서로 동일한 불순물 이온에 의해 형성된 층이거나 또는 서로 상이한 불순물 이온에 의해 형성된 층을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 이온 주입층(142), 제2 이온 주입층(144) 및 제3 이온 주입층(146)은 모두 Ar 이온이 주입된 층이거나 또는, 제1 이온 주입층(142)은 Ar 이온, 제2 이온 주입층(144)은 C 이온, 제3 이온 주입층(146)은 Fe 이온이 주입된 층일 수 있다.
이온 주입층(140)은 상기 불순물 이온의 도즈(dose) 양 또는 주입 에너지를 변화시킴에 따라, 질화물계 반도체층(130)에 주입되는 양이나 깊이가 달라질 수 있는데, 약 10 keV 내지 약 5 MeV 의 주입 에너지로, 약 1E17/cm3 내지 약 5E21 이온/cm3의 도즈(dose) 양을 조절하여 질화물 반도체층(130) 표면으로부터 약 50 nm 내지 약 30 ㎛의 깊이에 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
채널층(150)은 AlGaN, InGaN, AlBN, InAlN, InAlGaN 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
채널층(150)의 양측 상에는 각각 소스 전극(160) 및 드레인 전극(170)이 형성되고, 그 사이에는 게이트 전극(180)이 형성되며, 소스 전극(160), 드레인 전극(170) 및 게이트 전극(180)은 각각 독립적으로 Cr, Al, Ta, Ti, Au, Ag, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, Os 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자의 제조 방법을 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자의 제조 방법을 설명하도록 한다.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 기판(110) 상에 버퍼층(120)을 형성할 수 있다.
기판(110)은 반도체 층을 성장시킬 수 있는 기판이면 제한되지 않으며, 예를 들어, 사파이어(sapphire)나 스피넬 구조의 MgAl2O4 과 같은 절연성 기판, GaN, GaAs, SiC, Si, ZnO, ZrB2, GaP, 다이아몬드, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 기판의 크기나 두께 등은 특별히 제한되지 않는다. 기판의 면방향은 특별히 제한되지 않으며, 저스트(just) 기판 또는, 오프(off)각을 부여한 기판을 사용할 수 있다.
버퍼층(120)은 기판(110) 및 질화물계 반도체층(130) 사이의 격자 부정합을 완화하기 위해 형성할 수 있으며, 예를 들어, AlN층, 저온-SiC층(Low Temperature-SiC layer) 또는 저온-GaN층 등을 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 버퍼층(120)은 기판(110) 및 질화물계 반도체층(130)의 격자 부정합으로 생기는 스트레스를 완화하기 위해 격자상수의 차이를 줄여줄 수 있는 중간정도의 격자상수를 갖는 층을 형성하기 위함이다. 버퍼층(120)은 AlN층, 저온-SiC층(Low Temperature-SiC layer) 또는 저온-GaN층 외에도 기판(110) 및 질화물계 반도체층(130) 사이의 부정합으로 인한 스트레스를 완화하기 위한 격자상수를 갖는 물질이면 제한되지 않는다.
버퍼층(120)은 질화물계 반도체층(130)의 성장을 돕기 위해 개재되는 것이므로, 약 200 Å 내지 약 400 Å 정도로 얇게 형성할 수 있다.
이어서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 버퍼층(120) 상에 질화물계 반도체층(140)을 형성할 수 있다.
질화물계 반도체층(130)은 GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN, AlN, InN, ZnInN, ZnGaN, MgGaN 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
질화물계 반도체층(130)의 형성은 물리적 증착 방법, 화학적 증착 방법 모두 사용할 수 있으며, 예를 들어, 유기금속화학증착(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD), 분자빔 에피택시(molecular beam epitaxy; MBE), 수소화물 기상 에피택시(hydride vapor phase epitaxy; HVPE) 또는 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD) 방법을 사용하여 성장시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 도 2c에 도시된 바와 같이, 질화물계 반도체층(130) 내에 불순물 이온을 주입하여 하나 이상의 이온 주입층(140)을 형성할 수 있다.
도면에서는 제1 이온 주입층(142), 제2 이온 주입층(144) 및 제3 이온 주입층(146)으로 3층의 이온 주입층(140)을 도시하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고, 약 2층 내지 약 10층의 이온 주입층을 포함하는 하나 이상의 이온 주입층(140)을 형성할 수 있다.
이온 주입층(140)은 불순물 이온을 포함하는 층으로서, 상기 불순물 이온은 Ar, C, H, N, B, Fe, Mg, Zn, He, Ne, Be, Li, Si, F, S, P, As, Sr, Te 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
불순물 이온은 이온주입(ion implantation) 방법, 또는 플라즈마 침지 이온 주입(plasma immersion ion implantation) 방법에 의하여 상기 질화물계 반도체층 내에 주입되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 이온주입 방법을 이용할 수 있는데, 이온주입 방법은 불순물 반도체를 만드는 방법 중 하나로서, 목적하는 불순물을 이온으로 하고, 수십 keV 내지 수백 keV로 가속한 이온을 질화물계 반도체층에 주입하는 방법을 이용하는 것이다. 이러한 이온주입 방법은 진공 속 또는 실온 상태에서도 수행될 수 있는 장점이 있다.
이온 주입층(140)은 각각 독립적으로 서로 동일한 불순물 이온에 의해 형성된 층이거나 또는 서로 상이한 불순물 이온에 의해 형성된 층을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 이온 주입층(142), 제2 이온 주입층(144) 및 제3 이온 주입층(146)은 모두 Ar 이온이 주입된 층이거나 또는, 제1 이온 주입층(142)은 Ar 이온, 제2 이온 주입층(144)은 C 이온, 제3 이온 주입층(146)은 Fe 이온이 주입된 층일 수 있다.
이온 주입층(140)은 불순물 이온의 도즈(dose) 양 또는 주입 에너지를 변화시킴에 따라, 질화물계 반도체층(130)에 주입되는 양이나 깊이가 달라질 수 있다. 따라서, 이온 주입층(140)은, 질화물계 반도체층(130) 상에 채널층(150)을 형성한 후에 형성할 수도 있다.
이온 주입층(140)은, 불순물 이온을 약 10 keV 내지 약 5 MeV의 주입 에너지로, 약 1E17/cm3 내지 약 5E21/cm3 의 도즈(dose) 양을 조절하여 질화물 반도체층(130) 표면으로부터 약 50 nm 내지 약 30 ㎛의 깊이에 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
추가적으로, 질화물계 반도체층(130) 내에 하나 이상의 이온 주입층(140)을 형성한 후에, 어닐링(annealing)하는 단계를 수행할 수 있다. 어닐링 공정을 수행함으로써, 질화물계 반도체 소자의 높은 저항 값을 확보할 수 있으며, 따라서 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이어서, 도 2d에 도시된 바와 같이, 질화물계 반도체층(130) 상에 채널층(150)을 형성할 수 있다.
채널층(150)은 AlGaN, InGaN, AlBN, InAlN, InAlGaN 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
채널층(150)의 형성은 물리적 증착 방법, 화학적 증착 방법 모두 사용할 수 있으며, 예를 들어 유기금속화학증착(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD), 분자빔 에피택시(molecular beam epitaxy; MBE), 수소화물 기상 에피택시(hydride vapor phase epitaxy; HVPE) 또는 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD) 방법을 사용하여 성장시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 도 2e에 도시된 바와 같이, 채널층(150)의 양측 상에 각각 소스 전극(160) 및 드레인 전극(170)을 형성하고, 그 사이에는 게이트 전극(180)을 형성하여 질화물계 반도체 소자(100)를 제조할 수 있다.
소스 전극(160), 드레인 전극(170) 및 게이트 전극(180)은, 각각 독립적으로 Cr, Al, Ta, Ti, Au, Ag, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, Os 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이러한 질화물계 반도체 소자의 구조에서, 상이한 밴드갭 에너지를 갖는 질화물계 반도체층(130) 및 채널층(150)의 이종접합에 의해 2차원 전자가스층(two-dimensional electron gas; 2DEG, 미도시)이 형성되는데 이는 접합되는 계면에서 분극현상으로 발생될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자는, 불순물 이온 에너지를 조절하여 질화물계 반도체층에 불순물 이온들을 주입함으로써, 결정성을 보장하면서 이온 주입층에 저항을 높일 수 있다. 따라서, 성장 중에 불순물의 혼입을 피함으로써 전위(dislocation)가 발생되는 확률을 줄일 수 있어 양질의 질화물계 반도체층을 성장할 수 있으며, 누설전류를 줄일 수 있으므로 질화물계 반도체 소자의 특성이 향상될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자의 구조를 나타내는 단면도이다. 본 발명의 일측에 따르면, 상기 질화물계 반도체 소자는 노멀리 온 타입 또는 노멀리 오프 (normally off) 타입인 것일 수 있다. 도 3에 도시된 질화물계 반도체 소자(200)는 노멀리 오프 타입의 이종접합 전계효과 트랜지스터이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자(200)는, 기판(210), 기판(210)상에 형성되는 버퍼층(220), 버퍼층(220) 상에 형성되는 질화물계 반도체층(230), 질화물계 반도체층(230) 내에 형성되는 하나 이상의 이온 주입층(235), 질화물계 반도체층(230) 상에 형성되는 채널층(240), 채널층(240) 상에 형성되는 언도프된 GaN층(250), 언도프된 GaN층(250) 상에 형성되는 질화탄소규소(SixC1-xN) 기능층(260), 및 질화탄소규소(SixC1-xN) 기능층(260) 상에 형성되는 제1 질화규소층(SiNx layer)(270)을 포함할 수 있다.
기판(210)은 반도체 층을 성장시킬 수 있는 기판이면 제한되지 않으며, 예를 들어, 사파이어(sapphire)나 스피넬 구조의 MgAl2O4 과 같은 절연성 기판, GaN, GaAs, SiC, Si, ZnO, ZrB2, GaP, 다이아몬드, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 기판의 크기나 두께 등은 특별히 제한되지 않는다. 기판의 면방향은 특별히 제한되지 않으며, 저스트(just) 기판 또는, 오프(off)각을 부여한 기판을 사용할 수 있다.
버퍼층(220)은 AlN층, 저온-SiC층(Low Temperature-SiC layer) 또는 저온-GaN층일 수 있다.
질화물계 반도체층(230)은 GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN, AlN, InN, ZnInN, ZnGaN, MgGaN 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하나 이상의 이온 주입층(235)은 질화물계 반도체층(230) 내에 형성된 것으로서, 도면에서는 제1 이온 주입층(235a), 제2 이온 주입층(235b) 및 제3 이온 주입층(235c)으로 3층의 이온 주입층(235)을 도시하였으나, 이에 제한되지 않고, 약 2층 내지 약 10층의 이온 주입층을 포함하는 이온 주입층(235)이 형성된 것일 수 있다.
이온 주입층(235)은 불순물 이온을 포함하는 층으로서, 상기 불순물 이온은 Ar, C, H, N, B, Fe, Mg, Zn, He, Ne, Be, Li, Si, F, S, P, As, Sr, Te 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이온 주입층(235)은 각각 독립적으로 서로 동일한 불순물 이온에 의해 형성된 층이거나 또는 서로 상이한 불순물 이온에 의해 형성된 층을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 이온 주입층(235a), 제2 이온 주입층(235b) 및 제3 이온 주입층(235c)은 모두 Ar 이온이 주입된 층이거나 또는, 제1 이온 주입층(235a)은 Ar 이온, 제2 이온 주입층(235b)은 C 이온, 제3 이온 주입층(235c)은 Fe 이온이 주입된 층일 수 있다.
이온 주입층(235)은 상기 불순물 이온의 도즈(dose) 양 또는 주입 에너지를 변화시킴에 따라, 질화물계 반도체층(235)에 주입되는 양이나 깊이가 달라질 수 있는데, 약 10 keV 내지 약 5 MeV 의 주입 에너지로, 약 1E17/cm3 내지 약 5E21 이온/cm3의 도즈(dose) 양을 조절하여 질화물 반도체층(130) 표면으로부터 약 50 nm 내지 약 30 ㎛의 깊이에 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
질화물계 반도체층(230)은 트렌치(231)에 의해 노출될 수 있다. 구체적으로, 질화물계 반도체층(230)의 일부와, 채널층(240), 언도프된 GaN층(250), 질화탄소규소 기능층(260) 및 제1 질화규소층(270)을 식각하는 것에 의해 트렌치(231)가 형성될 수 있다.
채널층(240)은 AlGaN, InGaN, AlBN, InAlN, InAlGaN 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
절연층(291)은 트렌치(231)의 내측을 따라 형성될 수 있는데, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 질화규소층(270) 상에 제2 질화규소층(280)이 더 형성된 경우에는 트렌치(231)의 내측을 따라 형성되어 제2 질화규소층(280)의 상부 영역까지 연장될 수 있다.
또한, 절연층(291)은 게이트 절연층이 될 수 있으며, 절연층(291) 상에 게이트 전극(292)이 형성될 수 있다.
채널층(240)에는 2차원 전자가스층(2-dimensional electron gas, 2-DEG)(241)이 형성될 수 있다. 2차원 전자가스층(241)은 채널층(240)과 GaN층(250) 간의 밴드-갭 에너지(band-gap energy) 차이로 인해 형성될 수 있으며, 이 2차원 전자가스층(241)에 의해 전류가 흐를 수 있는 채널층 역할을 할 수 있다.
도 3에 도시된 실시예에서, 채널층(240) 내에 형성된 2차원 전자가스층(241)은 트렌치(231)에 의해 분리된다. 이 같이 트렌치(241)에 의해 게이트 영역에 2차원 전자가스층(241)이 형성되지 않기 때문에, 질화물계 반도체 소자(200)가 노멀리 오프 타입의 동작을 용이하게 구현할 수 있게 된다.
질화탄소규소 기능층(260)은 소스 전극(294) 및 드레인 전극(295)을 형성하기 위하여 일 영역과 타 영역을 통해 노출된다. 이 영역들은 제1 질화규소층(270) 및 제2 질화규소층(280)을 일부 식각하는 것에 의해 노출될 수 있다.
소스 전극(294)은 질화탄소규소 기능층(260)의 일 영역 상에 형성된다. 이 실시예에서는, 질화탄소규소 기능층(260) 상에 오믹 메탈층(293)이 더 형성될 수 있으며, 소스 전극(294)은 오믹 메탈층(293) 상에 형성될 수 있다.
드레인 전극(295)은 질화탄소규소 기능층(260) 상의 타 영역에 형성된다. 이 실시예에서는, 질화탄소규소 기능층(260) 상에 오믹 메탈층(293)이 더 형성될 수 있으며, 드레인 전극(295)은 오믹 메탈층(239) 상에 형성될 수 있다.
게이트 전극(291), 소스(294) 및 드레인(295)은 Ni, Al, Ti, TiN, Pt, Au, RuO2, V, W, WN, Hf, HfN, Mo, NiSi, CoSi2, WSi, PtSi, Ir, Zr, Ta, TaN, Cu, Ru, Co 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
한편, 패시베이션층(290)은 게이트 전극(292)과 소스 전극(294) 사이에 노출된 제2 질화규소층(280)과, 게이트 전극(292)과 드레인 전극(295) 사이에 노출된 제2 질화규소층(280) 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자의 구조는 이종접합 전계효과 트랜지스터(hetero junction field effect transistor; HFET)의 구조 및 노멀리 오프(normally off) 타입의 이종접합 전계효과 트랜지스터로서 예시를 들었지만, 쇼트키 다이오드(Schottky diode) 등과 같은 다양한 반도체 소자에 적용될 수 있다. 예를 들어, 쇼트키 다이오드의 경우, 쇼트키 접합층은 Ni/Au, CuInO2/Au, ITO/Au, Ni/Pt/Au, Pt/Au 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있으며, 패시베이션 층으로서, SiNx, SiOx, Al2O3, SiC 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100, 200: 질화물계 반도체 소자
110, 210: 기판
120, 220: 버퍼층
130, 230: 질화물계 반도체층
140, 235: 이온 주입층
150, 240: 채널층
160, 294: 소스 전극
170, 295: 드레인 전극
180, 292: 게이트 전극
250: 언도프된 GaN층
260: 질화탄슈규소 기능층
270: 제1 질화규소층
280: 제2 질화규소층
290: 패시베이션층

Claims (21)

  1. 기판 상에 형성된 버퍼층;
    상기 버퍼층 상에 형성된 질화물계 반도체층;
    상기 질화물계 반도체층 내에 형성된 하나 이상의 이온 주입층; 및
    상기 질화물계 반도체층 상에 형성된 채널층
    을 포함하는 질화물계 반도체 소자.
  2. 기판 상에 형성된 버퍼층;
    상기 버퍼층 상에 형성된 질화물계 반도체층; 및
    상기 질화물계 반도체층 상에 형성된 채널층
    을 포함하고,
    상기 질화물계 반도체층은 하나 이상의 이온 주입층을 포함하는 것인 질화물계 반도체 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하나 이상의 이온 주입층은 불순물 이온을 포함하는 층인 것인, 질화물계 반도체 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 불순물 이온은 Ar, C, H, N, B, Fe, Mg, Zn, He, Ne, Be, Li, Si, F, S, P, As, Sr, Te 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 질화물계 반도체 소자.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하나 이상의 이온 주입층은 각각 독립적으로 서로 동일한 불순물 이온에 의해 형성된 층이거나 또는 서로 상이한 불순물 이온에 의해 형성된 층을 포함하는 것인, 질화물계 반도체 소자.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하나 이상의 이온 주입층은 상기 질화물 반도체층 표면으로부터 50 nm 내지 30 ㎛의 깊이에 형성된 것인, 질화물계 반도체 소자.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하나 이상의 이온 주입층은 2층 내지 10층을 포함하는 것인, 질화물계 반도체 소자.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하나 이상의 이온 주입층은 10 keV 내지 5 MeV 의 주입 에너지로 형성된 것인, 질화물계 반도체 소자.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하나 이상의 이온 주입층은 1E17/cm3 내지 5E21/cm3의 도즈(dose) 양을 조절하여 주입된 것인, 질화물계 반도체 소자.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 질화물계 반도체층은 GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN, AlN, InN, ZnInN, ZnGaN, MgGaN 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 질화물계 반도체 소자.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 질화물계 반도체 소자는 노멀리 온 타입 또는 노멀리 오프 타입인 것인, 질화물계 반도체 소자.
  12. 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층 상에 질화물계 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 질화물계 반도체층 내에 불순물 이온을 주입하여 하나 이상의 이온 주입층을 형성하는 단계; 및
    상기 질화물계 반도체층 상에 채널층을 형성하는 단계
    를 포함하는 질화물계 반도체 소자의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 불순물 이온은 이온주입(ion implantation) 방법, 또는 플라즈마 침지 이온 주입(plasma immersion ion implantation) 방법에 의하여 상기 질화물계 반도체층 내에 주입되는 것인, 질화물계 반도체 소자의 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 불순물 이온은 Ar, C, H, N, B, Fe, Mg, Zn, He, Ne, Be, Li, Si, F, S, P, As, Sr, Te 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 질화물계 반도체 소자의 제조 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 하나 이상의 이온 주입층은 각각 독립적으로 서로 동일한 불순물 이온에 의해 형성된 층이거나 또는 서로 상이한 불순물 이온에 의해 형성된 층을 포함하는 것인, 질화물계 반도체 소자의 제조 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 하나 이상의 이온 주입층은 2층 내지 10층을 포함하는 것인, 질화물계 반도체 소자의 제조 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 하나 이상의 이온 주입층은 상기 불순물 이온의 도즈(dose) 양 또는 주입 에너지를 변화시킴에 따라, 상기 질화물계 반도체층에 주입되는 양이나 깊이가 달라지는 것인, 질화물계 반도체 소자의 제조 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 하나 이상의 이온 주입층은 10 keV 내지 5 MeV의 주입 에너지로 불순물 이온을 주입하여 상기 질화물계 반도체층 표면으로부터 50 nm 내지 30 ㎛의 깊이에 형성되는 것인, 질화물계 반도체 소자의 제조 방법.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 하나 이상의 이온 주입층은 1E17/cm3 내지 5E21/cm3의 불순물 이온의 도즈(dose) 양을 조절하여 형성된 것인, 질화물계 반도체 소자의 제조 방법.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 질화물계 반도체층에 불순물 이온을 주입한 후에, 어닐링(annealing)하는 단계를 추가 포함하는 것인, 질화물계 반도체 소자의 제조 방법.
  21. 제12항에 있어서,
    상기 질화물계 반도체층은 GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN, AlN, InN, ZnInN, ZnGaN, MgGaN 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 질화물계 반도체 소자의 제조 방법.
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