KR20140016105A - Nitride semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 노멀리 오프(Normally Off) 형태의 질화물 반도체 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
질화물 반도체는 광대역 밴드 갭 화합물 반도체로서, 가시 범위와, 넓게는 자외선 범위까지 광을 방출하는 것이 가능하다. 청자색 레이저 다이오드 및 청색 발광 다이오드는 광 픽업 장치, 신호등, 퍼블릭 디스플레이, 액정의 백라이트, 조명에 이르기까지 넓은 분야에서 사용되고 있다.The nitride semiconductor is a broadband bandgap compound semiconductor and is capable of emitting light up to a visible range and broadly to the ultraviolet range. Blue-violet laser diodes and blue light-emitting diodes are used in a wide range of fields ranging from optical pickup devices, traffic lights, public displays, liquid crystal backlights, and lighting.
질화물 반도체는 실리콘에 비해 높은 임계 전계, 낮은 온(on) 저항, 고온, 고주파 동작 특성이 주목되어, 차세대 반도체 소자의 재료로 선행 연구되고 있다.Nitride semiconductors are attracting attention due to their high critical electric field, low on resistance, high temperature and high frequency operation characteristics compared to silicon and are being studied as materials for next generation semiconductor devices.
고출력 전력 소자에는, 일반적으로 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor; MOSFET)와, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor; IGBT)가 있다. 또한, 갈륨 나이트라이드(Gallium Nitride; GaN) 계열로는, 고전자 이동도 트랜지스터(High Electron Mobility Transistor; HEMT), 이종 접합 전계 효과 트랜지스터(Heterojunction Field-Effect Transistor; HFET) 및 MOSFET 등의 소자가 연구되고 있다.BACKGROUND ART [0002] Metal-oxide semiconductor field-effect-transistors (MOSFETs) and insulated gate bipolar transistors (IGBTs) are generally used for high output power devices. In addition, devices such as a high electron mobility transistor (HEMT), a heterojunction field-effect transistor (HFET), and a MOSFET are studied as a gallium nitride (GaN) .
HEMT는, 높은 전자의 이동도를 이용하여 고주파 특성의 통신 소자 등에 이용되고 있다. 반면, MOSFET의 경우에는, 좋은 게이트 산화막의 부재와, 선택적으로 P형, 혹은 N형 영역을 만들기 위한 이온 주입 및 열 확산 공정의 어려움 등으로 인해, 소자의 특성이 GaN이 갖는 물질적 특성에 비해 그 효과가 두드러지지 못하고 있다.HEMTs are used for high frequency communication devices and the like by using high mobility of electrons. On the other hand, in the case of MOSFETs, the characteristics of the device are lower than those of GaN due to the absence of a good gate oxide film and the difficulty of ion implantation and heat diffusion processes to selectively form P-type or N-type regions. The effect is not noticeable.
도 1은 이종 접합 전계 효과 트랜지스터(HFET)의 일반적인 구조를 나타내는 예시도이다. 도 1을 참조하면, 일반적인 HFET는 기판(1), 상기 기판 상에 형성된 제1 GaN층(2), 상기 제1 GaN층 상에 형성되는 AlGaN층(3), 상기 AlGaN층 상에 형성되는 제2 GaN층(4), 상기 제2 GaN층 상에 형성되는 게이트(Gate) 전극(5), 소스(Source) 전극(6) 및 드레인(Drain) 전극(7)을 포함한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is an exemplary diagram illustrating the general structure of a heterojunction field effect transistor (HFET). Referring to FIG. 1, a general HFET includes a
일반적인 HFET는 쇼트키(schottky) 게이트 전극을 통해 드레인 전극에서 소스 전극으로 흐르는 2DEG(Two-Dimensional Electron Gas) 전류를 스위칭(switching) 동작한다.A typical HFET switches a two-dimensional electron gas (2DEG) current flowing from a drain electrode to a source electrode through a schottky gate electrode.
일반적인 HFET 소자의 경우, 게이트 동작을 이용한 쇼트키 특성의 퀄리티가 소자의 스위칭 특성에 커다란 영향을 줄 수 있다. 따라서, 게이트 쪽 누설 전류(leakage)를 최소화하고, 공핍 영역을 확대하는 역할이 무엇보다 중요하다. 또한 이종 접합 구조에서의 2DEG 채널의 전류 흐름을 평상시에서는 턴-오프(turn-off) 되도록 문턱 전압(공급 전압)을 양의 방향으로 이동시키는 기술이 필요하다.In the case of a general HFET device, the quality of the Schottky characteristic using the gate operation can have a large influence on the switching characteristics of the device. Therefore, the role of minimizing leakage on the gate side and expanding the depletion region is of the utmost importance. Also, there is a need for a technique of moving the threshold voltage (supply voltage) in the positive direction so that the current flow of the 2DEG channel in the heterojunction structure is normally turned off.
이러한 HFET 소자는, 전압, 전류 특성에서 우수하여 고출력 전력 소자로 사용하기 위해 많은 시도가 이루어지고 있으나, MOSFET 및 IGBT 등 다른 소자와는 달리 노멀리 온(Normally On) 형태를 가지는 단점이 있다. 노멀리 온 소자의 경우 회로를 구성하는 데에 있어서, 복잡도가 높아져 만들기 어렵다. 이 때문에, 문턱 전압을 높이기 위한 방안으로 플라즈마 처리, p-GaN 성장 및 리세스 게이트 등의 방안이 연구되고 있다.Although many attempts have been made to use the HFET device as a high output power device because of excellent voltage and current characteristics, the HFET device has a disadvantage of having a normally on shape unlike other devices such as MOSFET and IGBT. In the case of a normally on element, it is difficult to make it complicated in forming a circuit. For this reason, methods such as plasma treatment, p-GaN growth, and recess gate have been studied as a method for increasing the threshold voltage.
문턱 전압을 높이는 가장 일반적인 방식인 리세스 게이트 방식은, 게이트 아래 영역의 AlGaN층을 식각하여 그 영역에서 흐르는 2DEG 채널의 농도를 낮추는 방식이다. 일반적으로, 리세스 공정을 통해 플라즈마 에너지에 의한 구조 변화가 발생하여, 게이트 영역으로 누설 전류가 증가하게 되기 때문에, 리세스 공정 후 절연막을 도포하는 MISHFET(Metal Insulator Semiconductor HFET) 소자가 적용되고 있다.The recess gate method, which is the most common method of increasing the threshold voltage, is a method of etching the AlGaN layer in the region under the gate to reduce the concentration of 2DEG channel flowing in the region. In general, a structure change due to plasma energy occurs through the recess process, and a leakage current increases in the gate region. Therefore, a metal insulator semiconductor HFET (MISHFET) device is applied to apply an insulating film after the recess process.
리세스 공정 시, 2DEG의 농도를 낮추어 전류 특성이 나빠지게 되고, 그 결과 HFET 소자가 노멀리 오프(Normally Off) 형태를 가지는 반면 기존의 장점인 큰 전류 특성이 감소하게 될 수 있다.During the recess process, lowering the concentration of 2DEG may result in poor current characteristics. As a result, the HFET device may have a normally off shape, but a large current characteristic, which is an existing advantage, may be reduced.
이러한 단점을 극복하기 위한 방안으로, AlGaN 층의 두께를 두껍게 성장하는 방법과, AlGaN층을 알루미늄 나이트라이드 층으로 치환하여 AlN/GaN HFET 소자를 제작하는 방식, 또는 p-GaN층 증착 방식 등이 연구되고 있다. 그러나, 이들은 일반적으로 고품질의 에피층 성장(epitaxial layer growth)이 어렵다는 문제점이 있다. 두꺼운 AlGaN 성장 및 AlN층 성장은, 에피층의 격자 상수의 차이에 따른 스트레스에 따라, 물질 구조가 깨지는 현상이 발생할 수 있다. p-GaN 층 증착은 GaN의 특성상 p-type의 도핑(doping)이 제대로 되지 않아, 증착이 어려울 수 있다.In order to overcome these disadvantages, a method of increasing the thickness of the AlGaN layer, a method of fabricating an AlN / GaN HFET device by replacing the AlGaN layer with an aluminum nitride layer, or a p-GaN layer deposition method is studied. It is becoming. However, these generally have a problem that high quality epitaxial layer growth is difficult. In thick AlGaN growth and AlN layer growth, a material structure may be broken due to stress due to a difference in lattice constant of the epi layer. In the p-GaN layer deposition, p-type doping is not properly performed due to the characteristics of GaN, and thus deposition may be difficult.
본 발명의 실시 예들은 게이트 아래 영역을 전부 식각하지 아니하고 부분적으로 식각하여 노멀리 오프 형태를 갖도록 한 질화물 반도체 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 데에 일 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a nitride semiconductor device and a method of manufacturing the same, which partially etch a region below the gate to partially etch it away.
일 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자는, 기판 위에 형성되고, 질화물계 반도체로 이루어진 버퍼층과, 리세스 영역을 구비하고, 상기 버퍼층 위에 형성되는 장벽층과, 상기 리세스 영역 위에 형성되는 게이트 전극과, 상기 장벽층 위에 각각 접촉되는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하여 구성된다.According to an embodiment, a nitride semiconductor device includes a buffer layer formed on a substrate, a nitride layer semiconductor, a recessed region, a barrier layer formed on the buffer layer, and a gate electrode formed on the recessed region; And a source electrode and a drain electrode respectively contacted on the barrier layer.
상기 리세스 영역은, 상기 소스 전극 및 드레인 전극의 사이에 위치하고, 상기 게이트 전극이 차지하는 면적 이하의 면적을 갖도록 형성된다.The recess region is formed between the source electrode and the drain electrode, and is formed to have an area equal to or less than the area occupied by the gate electrode.
또, 상기 리세스 영역은, 복수의 식각 영역들이 불연속적으로 형성될 수 있다.In addition, the recess region may be formed in a plurality of etching regions discontinuously.
또, 상기 리세스 영역은, 상기 복수의 식각 영역들이 일정한 패턴으로 배치될 수 있다.In addition, the plurality of etching regions may be arranged in a predetermined pattern in the recess region.
상기 복수의 식각 영역들 사이의 거리는, 1 내지 100 나노미터일 수 있다.The distance between the plurality of etching regions may be 1 to 100 nanometers.
다른 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자는, 기판 위에 형성되고, 질화물계 반도체로 이루어진 버퍼층과, 리세스 영역을 구비하고, 상기 버퍼층 위에 형성되는 장벽층과, 상기 리세스 영역 위에 형성되는 게이트 전극과, 상기 장벽층 위에 각각 접촉되는 소스 전극 및 드레인 전극과, 상기 장벽층과 상기 전극들 사이에 형성되고, 알루미늄 갈륨 나이트라이드로 이루어지는 캡층을 포함하여 구성된다.A nitride semiconductor device according to another embodiment includes a buffer layer formed on a substrate, a nitride layer semiconductor, a barrier region formed on the buffer layer, a barrier layer formed on the buffer layer, and a gate electrode formed on the recess region; And a cap layer formed between the barrier layer and the electrodes, the source electrode and the drain electrode being in contact with each other on the barrier layer, and made of aluminum gallium nitride.
상기 버퍼층은, 상부에 2차원 전자 가스 채널을 구비하고, 상기 리세스 영역은, 상기 2차원 전자 가스 채널 위 또는 상기 버퍼층의 일부의 깊이까지 형성된다.The buffer layer has a two-dimensional electron gas channel thereon, and the recess region is formed on the two-dimensional electron gas channel or to a depth of a portion of the buffer layer.
또 다른 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자에 있어서, 상기 게이트 전극은, 상기 리세스 영역 위에 형성되는 게이트 절연막층을 포함하여 구성된다.In the nitride semiconductor device according to another embodiment, the gate electrode includes a gate insulating layer formed on the recess region.
일 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자의 제조 방법은, 기판 위에 버퍼층을 형성하는 단계와, 상기 버퍼층 위에 장벽층을 형성하는 단계와, 상기 장벽층 위에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계와, 상기 소스 전극 및 드레인 전극의 사이의 상기 장벽층에 리세스 영역을 형성하는 단계와, 상기 리세스 영역 위에 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 리세스 영역을 형성하는 단계는, 상기 게이트 전극이 차지하는 면적 이하의 면적을 갖도록 상기 리세스 영역을 형성한다.According to an embodiment, a method of manufacturing a nitride semiconductor device may include forming a buffer layer on a substrate, forming a barrier layer on the buffer layer, forming a source electrode and a drain electrode on the barrier layer, and And forming a recessed region in the barrier layer between the electrode and the drain electrode, and forming a gate electrode over the recessed region. In the forming of the recess region, the recess region is formed to have an area less than or equal to an area occupied by the gate electrode.
본 발명의 실시 예들은, 리세스 게이트 공정 시에 게이트 아래 영역을 부분적으로 식각함으로써 기존의 리세스 공정을 통해 발생하는 전류 특성 감소의 문제를 해결하고, 이에 따라 반도체 소자의 특성을 향상시킬 수 있다.Embodiments of the present invention may solve the problem of current characteristic reduction caused by the conventional recess process by partially etching the region under the gate during the recess gate process, thereby improving the characteristics of the semiconductor device. .
본 발명의 실시 예들은, 게이트 아래 영역의 불연속적 부분 식각을 통하여, 전자 농도가 감소하는 채널 영역을 최소화함으로써, 리세스 공정 시에 발생하는 전류 감소 현상을 보완할 수 있다.Embodiments of the present invention can compensate for a current reduction phenomenon occurring in the recess process by minimizing a channel region in which electron concentration is reduced through discontinuous partial etching of an area under the gate.
본 발명의 실시 예들은, 게이트 전극 하부의 리세스 영역을 불연속적으로 형성함에 따라, 2차원 전자 가스 채널이 모두 제거되는 문제점을 해결하고, 소스 전극 및 드레인 전극의 사이의 게이트 전극 하부에 2차원 전자 가스 채널이 모두 제거되지 아니하도록 함으로써 전류 감소를 최소화할 수 있다.Embodiments of the present invention solve the problem that all of the two-dimensional electron gas channels are removed by discontinuously forming the recess region under the gate electrode, and two-dimensional under the gate electrode between the source electrode and the drain electrode. The current reduction can be minimized by not removing all electron gas channels.
본 발명의 실시 예들은, 불연속적으로 부분 식각한 영역에서 발생하는 넓은 표면적을 가지는 공핍 영역을 통해 질화물 반도체 소자, 예를 들어 HFET 소자의 단점인 노멀리 온 형태를 노멀리 오프 형태로 바꿀 수 있다.Embodiments of the present invention can change the normally-on form, which is a disadvantage of a nitride semiconductor device, for example, an HFET device, to a normally-off form through a depletion region having a large surface area occurring in a discontinuously partially etched region. .
도 1은 이종 접합 전계 효과 트랜지스터(HFET)의 일반적인 구조를 보인 예시도;
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예들에 따른 질화물 반도체 소자의 구조를 보인 도들;
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시 예들에 있어서의 리세스 영역의 여러 형태를 보인 도들;
도 7은 일 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자의 제조 방법을 개략적으로 보인 흐름도;
도 8a 내지 도 8d는 일 실시 예에 따른 질화물 반도체를 제조하는 동작을 설명하기 위한 예시도들; 및
도 9는 다른 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자의 구조를 보인 도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is an exemplary diagram illustrating the general structure of a heterojunction field effect transistor (HFET);
2 and 3 are views showing the structure of the nitride semiconductor device according to the embodiments of the present invention;
4 through 6 illustrate various types of recessed areas in embodiments of the present invention;
7 is a flowchart schematically illustrating a method of manufacturing a nitride semiconductor device according to one embodiment;
8A to 8D are exemplary diagrams for describing an operation of manufacturing a nitride semiconductor according to an embodiment; And
9 illustrates a structure of a nitride semiconductor device according to another exemplary embodiment.
도 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자는, 버퍼층과, 장벽층, 그리고 게이트 전극, 소스 전극, 드레인 전극을 포함하여 구성된다.2, a nitride semiconductor device according to an embodiment includes a buffer layer, a barrier layer, and a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode.
버퍼층(10)은 기판(1) 위에 형성되고, 질화물계 반도체로 이루어진다. 장벽층(20)은 버퍼층(10) 위에 형성되고, 리세스 영역(30)을 구비한다. 게이트 전극(40)은 리세스 영역(30) 위에 형성된다. 또, 소스 전극(50) 및 드레인 전극(60)은 장벽층(20) 위에 각각 접촉된다.The
기판(1)은 사파이어 기판 등과 같은 절연성 기판일 수 있다. 또, 기판(1)은 갈륨 나이트라이드(GaN) 기판, 실리콘 카바이트(SiC) 기판, 및 실리콘(Si) 기판 중 하나로 이루어질 수 있다. 기판(1)은 질화물 반도체 소자의 제작 후에 제거될 수 있다. 이 경우, 최종적인 소자의 구조는 기판(1)이 없는 구조일 수 있다.The
버퍼층(10)은, 도핑되지 아니한 GaN층(undoped GaN)이거나, 또는 카본(Carbon), 아이언(Fe), 마그네슘(Mg), 및 이들의 조합 중 하나로 도핑된 고저항 GaN층이다. 버퍼층(10)의 두께는, 0.5 내지 10 마이크로미터(μm), 바람직하게는 0.6 내지 3 μm이 좋다. 버퍼층(10)에 도핑된 불순물 농도는, 1e17/cm3 내지 1e20/cm3이다. 바람직하게는 1e18/cm3 내지 1e19/cm3의 농도를 갖도록 한다. 버퍼층(10)의 상부, 즉 버퍼층(10)과 장벽층(20)이 맞닿는 부분의 아래에는 2차원 전자 가스 채널(2 Dimensional Electron Gas; 2DEG)이 형성된다.The
버퍼층(10)은, 다양한 방식(방법)으로 형성될 수 있다. 금속-유기 화학적 기상 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy; MBE), 수소화물 기상 에피택시(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE), 플라즈마 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD), 스퍼터링(Sputtering), 및 원자층 증착(AtOhmic Layer Deposition; ALD) 중 하나 이상을 근거로 형성될 수 있다. 다만, 버퍼층(10)의 결정성을 고려하여, 버퍼층(10)은 금속-유기 화학적 기상 증착으로 제작하는 것이 일반적이다. Ga의 원료인 TMGa, N의 원료인 NH3를 리액터 안에서 고온으로 합성시켜 에피 성장을 하게 된다.The
버퍼층(10)은, 도시하지 아니하였으나, 기판(1)과의 사이에 저저항층을 포함할 수 있다. 저저항층은, 일반적으로 엔-형 갈륨 나이트라이드(n-GaN)로 이루어진다. 저저항층의 두께는 0.01 내지 10 마이크로미터(μm)이다. 바람직하게는 저저항층의 두께가 0.1~2 μm이 되도록 성장시킨다. 저저항층도 버퍼층과 마찬가지로, 금속-유기 화학적 기상 증착, 분자선 에피택시, 수소화물 기상 에피택시, 플라즈마 화학 기상 증착 등에 의해 형성될 수 있다.Although not illustrated, the
또, 도시하지 아니하였으나, 버퍼층(10)과 기판(1)의 사이에는 AlxGa1 - xN (0≤x≤1)으로 이루어지는 AlGaN층이 더 형성될 수 있다.Although not shown, an AlGaN layer made of Al x Ga 1 - x N (0 ≦ x ≦ 1) may be further formed between the
장벽층(20)은, 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN), 즉 AlxGa1 - xN (0≤x≤1)로 이루어진다. 장벽층(20)의 두께는 0 내지 100 나노미터(nm)이다. 바람직하게는 0~10 nm이 되도록 성장시킨다. AlGaN의 Al 조성은 1~100%, 바람직하게는 10~50% 정도로 성장시킨다. 장벽층(20)도 버퍼층(10)과 마찬가지로, 금속-유기 화학적 기상 증착, 분자선 에피택시, 수소화물 기상 에피택시, 플라즈마 화학 기상 증착 등에 의해 형성될 수 있다.The
예를 들어, 도 8a 및 도 8b에 도시한 바와 같이, 기판(1) 위에 2DEG가 형성되는 GaN 버퍼층(10)을 0.5~10 μm, 바람직하게는 0.6~3 μm을 성장시킨 후, AlGaN 장벽층(20)을 0~100 nm, 바람직하게는 0~10 nm의 두께로 성장시켜 일 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자를 제조한다.For example, as shown in FIGS. 8A and 8B, after the
도 3을 참조하면, 다른 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자는, 기판(1) 위에 형성되고, 질화물계 반도체로 이루어진 버퍼층(20)과, 리세스 영역(30)을 구비하고, 상기 버퍼층(10) 위에 형성되는 장벽층(20)과, 상기 리세스 영역(30) 위에 형성되는 게이트 전극(40)과, 상기 장벽층(20) 위에 각각 접촉되는 소스 전극(50) 및 드레인 전극(60)과, 상기 장벽층(20)과 전극들 사이에 형성되고, 알루미늄 갈륨 나이트라이드로 이루어지는 캡층(70)을 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 3, a nitride semiconductor device according to another embodiment includes a
캡층(70)도 장벽층(20)과 마찬가지로, 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN), 즉 AlxGa1 - xN (0≤x≤1)로 이루어진다. Al 조성은 0 내지 100%를 사용할 수 있다. 두께는 0 내지 10 나노 미터, 바람직하게는 0~5 nm정도로 성장시킨다.Like the
이 경우, 리세스 영역은(30)은, 캡층(70)과, 장벽층(20), 및 버퍼층(10)의 일부를 식각하여 형성될 수 있다.In this case, the
예를 들어, 도 8a 및 도 8b에 도시한 바와 같이, 기판(1) 위에 2DEG가 형성되는 GaN 버퍼층(10)을 0.5~10 μm, 바람직하게는 0.6~3 μm을 성장시킨 후, AlGaN 장벽층(20)을 0~100 nm, 바람직하게는 0~10 nm의 두께로 성장시킨 다음, AlGaN 캡층(70)을 0~10 nm, 바람직하게는 0~5 nm 정도로 성장시켜 다른 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자를 제조한다.For example, as shown in FIGS. 8A and 8B, after the
에피 성장 후, 아이솔레이션(isolation) 공정을 진행하여 소자 간 영역을 정의하고 소스 전극 및 드레인 전극을 증착한다.After the epitaxial growth, the isolation process is performed to define the inter-device region, and the source electrode and the drain electrode are deposited.
즉, 에피 성장 후, 도 8c에 도시한 바와 같이, 장벽층(20) 또는 캡층(70) 위에 소스 전극(50)을 형성한다. 소스 전극(50)은, 게이트 전극(40)이 형성되지 아니한 부분에 형성되고, 메탈로 이루어진다.That is, after epitaxial growth, as shown in FIG. 8C, the
소스 전극(50)은 오믹 콘택(Ohmic Contact)으로 형성된다. 예를 들면, 소스 전극(50)은, Ti/Al 기반의 구조를 사용하는데, 열처리를 하고 사용할 수도 있고 열처리 없이 사용하는 경우도 가능하다. 일 예로, 소스 전극(50)은, Ti/Al/Ti/Au이 각각 30/100/20/200nm의 두께로 전자 빔 증착기를 이용하여 증착하여 리프트 오프(Lift-off) 공정으로 패턴을 형성한다.The
또, 에피 성장 후, 도 8c에 도시한 바와 같이, 장벽층(20) 또는 캡층(70) 위에 드레인 전극(60)을 형성한다. 드레인 전극(60)은, 게이트 전극(40)이 형성되지 아니한 부분에 형성되고, 메탈로 이루어진다.After epitaxial growth, as shown in FIG. 8C, the
드레인 전극(60)은 오믹 콘택(Ohmic Contact)으로 형성된다. 예를 들면, 드레인 전극(60)은, Ti/Al 기반의 구조를 사용하는데, 열처리를 하고 사용할 수도 있고 열처리 없이 사용하는 경우도 가능하다.The
소스 전극(50) 및 드레인 전극(60)을 접촉한 다음, 도 8d에 도시한 바와 같이, 리세스 영역(30)을 정의하고 리세스 공정을 진행한다.After contacting the
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따른 질화물 반도체 소자에 있어서, 리세스 영역(30)은, 소스 전극(50) 및 드레인 전극(60)의 사이에 위치한다. 리세스 영역(30)은, 게이트 전극(40)이 차지하는 면적 이하의 면적을 갖도록 형성되는 것이 좋다.As shown in FIG. 4, in the nitride semiconductor device according to example embodiments of the inventive concept, the
도 5를 참조하면, 리세스 영역(30)은, 복수의 식각 영역들(31)이 불연속적으로 형성될 수 있다. 또, 도 6을 참조하면, 리세스 영역(30)은, 복수의 식각 영역들(31)이 일정한 패턴으로 배치될 수 있다. 도 5 또는 도 6에서는, 원형이나 타원형만을 개시하였으나, 다른 모양을 가질 수 있다. 또, 도 6에서, 두 줄로 배치된 형태를 도시하였으나, 다른 패턴으로 배치될 수 있다.Referring to FIG. 5, in the
리세스 영역(30)은, 불연속적, 부분적으로 식각하여 버퍼층(10)의 상부, 즉 버퍼층(10)과 장벽층(20)이 맞닿는 부분의 아래에 형성되는 2차원 전자 가스 채널을 모두 제거하지 아니하고 일부 존재하도록 한다. 모두 제거되지 아니하고 남아있는 2차원 전자 가스 채널은 전류 감소를 최소화할 수 있다.The
복수의 식각 영역들(31) 사이의 거리는, 1 내지 100 나노미터(nm)일 수 있다. 먼저, 리세스 영역(30)을 불연속적, 부분적으로 정의한다. 불연속 및 부분적인 식각 영역들(31)은 공핍 영역을 z축 뿐 아니라, x, y 축으로도 확장시켜 노멀리 오프(Normally Off) 특성을 만들 수 있다. 노멀리 오프 특성을 만들기 위해서는, 식각 영역들 사이의 거리를 1 내지 100 nm로 하는 것이 좋다.The distance between the plurality of
리세스 공정은 염소 계열의 에칭 가스, 예를 들어 Cl2와 BCl3 기반의 가스를 이용하여 장벽층을 에칭한다. 또, 리세스 공정은 에칭 가스를 이용하여 2DEG 채널 위 혹은 아래층, 즉 버퍼층까지 식각할 수 있다. 게이트 전극(40)은, 리세스 영역(30) 위에 증착하게 되며, 그 영역의 폭은 리세스 영역과 같거나, 소스 전극(50)이나 드레인 전극(60)의 영역으로 0 내지 5 마이크로 미터(μm)씩 확장될 수 있다. 또, 게이트 전극(40)은, Ni, Ir, Pd, Pt등 일 함수가 높은 전극을 사용해 만드는 것이 좋다.The recess process etches the barrier layer using chlorine-based etch gases, for example Cl 2 and BCl 3 -based gases. In addition, the recess process can etch to the upper or lower layer, that is, the buffer layer, of the 2DEG channel using an etching gas. The
도 9를 참조하면, 게이트 전극(40)은, 리세스 영역(30) 위에 형성되는 게이트 절연막층(41)을 포함할 수 있다. 게이트 절연막층(41)은 게이트 전극의 누설 전류를 방지한다. 게이트 절연막층(41)은, 실리콘 옥사이드(SiO2), 하프늄 옥사이드(HfO2), 알루미늄 옥사이드(Al2O3), 및 실리콘 나이트라이드(SiN) 중 하나 이상으로 이루어진다. 여기서, 게이트 전극은 게이트 절연막층(41) 위에 형성된다. 질화물 반도체 소자는 MIS(Metal-Insulator-Semiconductor) 구조를 가질 수 있다.Referring to FIG. 9, the
게이트 절연막층(41)은, 다양한 방식(방법)으로 형성될 수 있다. 금속-유기 화학적 기상 증착, 분자선 에피택시, 수소화물 기상 에피택시, 플라즈마 화학 기상 증착, 스퍼터링, 및 원자층 증착 중 하나 이상을 근거로 형성될 수 있다. 예를 들어, 장벽층(20) 또는 캡층(70)까지 성장한 기판 위에 제조 공정을 거쳐 소스 전극(50)을 형성하고, 게이트 절연막층(41)을 thermal evaporator 또는 PECVD 를 이용하여 증착한 다음, 증착된 게이트 절연막층, 즉 산화물 위에 게이트 전극을 형성한다.The gate insulating
도 7을 참조하면, 일 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자의 제조 방법은, 기판 위에 버퍼층을 형성하는 단계(S10)와, 상기 버퍼층 위에 장벽층을 형성하는 단계(S20)와, 상기 장벽층 위에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계(S30)와, 상기 소스 전극 및 드레인 전극의 사이의 상기 장벽층에 리세스 영역을 형성하는 단계(S40)와, 상기 리세스 영역 위에 게이트 전극을 형성하는 단계(S50)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 7, a method of manufacturing a nitride semiconductor device according to an embodiment may include forming a buffer layer on a substrate (S10), forming a barrier layer on the buffer layer (S20), and a source on the barrier layer. Forming an electrode and a drain electrode (S30), forming a recess region in the barrier layer between the source electrode and the drain electrode (S40), and forming a gate electrode on the recess region ( S50) is configured to include.
상기 리세스 영역을 형성하는 단계(S40)는, 게이트 전극이 차지하는 면적 이하의 면적을 갖도록 리세스 영역을 형성한다.In the forming of the recess region (S40), the recess region is formed to have an area less than or equal to the area occupied by the gate electrode.
버퍼층은, 도핑되지 아니한 GaN층(undoped GaN)이거나, 또는 카본(Carbon), 아이언(Fe), 마그네슘(Mg), 및 이들의 조합 중 하나로 도핑된 고저항 GaN층이다. 버퍼층의 두께는, 0.5~10 μm, 바람직하게는 0.6~3 μm이 좋다. 버퍼층에 도핑된 불순물 농도는, 1e17/cm3 내지 1e20/cm3이다. 바람직하게는 1e18/cm3 내지 1e19/cm3의 농도를 갖도록 한다. 버퍼층의 상부, 즉 버퍼층과 장벽층이 맞닿는 부분의 아래에는 2차원 전자 가스 채널(2 Dimensional Electron Gas; 2DEG)이 형성된다.The buffer layer is a undoped GaN layer (undoped GaN) or a high resistance GaN layer doped with one of carbon, iron (Fe), magnesium (Mg), and combinations thereof. The thickness of the buffer layer is 0.5 to 10 m, preferably 0.6 to 3 m. The impurity concentration doped in the buffer layer is 1e17 / cm 3 to 1e20 / cm 3 . Preferably, so as to have a concentration of 1e18 / cm 3 to about 1e19 / cm 3. A two dimensional electron gas channel (2DEG) is formed above the buffer layer, that is, below the portion where the buffer layer and the barrier layer come into contact with each other.
버퍼층은, 다양한 방식(방법)으로 형성될 수 있다. 금속-유기 화학적 기상 증착, 분자선 에피택시, 수소화물 기상 에피택시, 플라즈마 화학 기상 증착, 스퍼터링, 및 원자층 증착 중 하나 이상을 근거로 형성될 수 있다. 다만, 버퍼층의 결정성을 고려하여, 버퍼층은 금속-유기 화학적 기상 증착으로 제작하는 것이 일반적이다. Ga의 원료인 TMGa, N의 원료인 NH3를 리액터 안에서 고온으로 합성시켜 에피 성장을 하게 된다(S10).The buffer layer may be formed by various methods. For example, based on at least one of metal-organic chemical vapor deposition, molecular beam epitaxy, hydride vapor phase epitaxy, plasma chemical vapor deposition, sputtering, and atomic layer deposition. However, considering the crystallinity of the buffer layer, the buffer layer is generally fabricated by metal-organic chemical vapor deposition. TMGa, which is a raw material of Ga, and NH 3 , which is a raw material of N, are synthesized at a high temperature in the reactor for epitaxial growth (S10).
장벽층은, 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN), 즉 AlxGa1 - xN (0≤x≤1)로 이루어진다. 장벽층의 두께는 0~100 nm, 바람직하게는 0~10 nm이 되도록 성장시킨다. AlGaN의 Al 조성은 1~100%, 바람직하게는 10~50% 정도로 성장시킨다(S20). 장벽층도 버퍼층과 마찬가지로, 금속-유기 화학적 기상 증착, 분자선 에피택시, 수소화물 기상 에피택시, 플라즈마 화학 기상 증착 등에 의해 형성될 수 있다.The barrier layer is made of aluminum gallium nitride (AlGaN), that is, Al x Ga 1 - x N (0 ? X ? 1). The thickness of the barrier layer is grown to be 0 to 100 nm, preferably 0 to 10 nm. Al composition of AlGaN is grown to 1 to 100%, preferably 10 to 50% (S20). The barrier layer, like the buffer layer, may also be formed by metal-organic chemical vapor deposition, molecular beam epitaxy, hydride vapor phase epitaxy, plasma chemical vapor deposition, or the like.
도 7을 다시 참조하면, 다른 실시 예에 따른 질화물 반도체 소자의 제조 방법은, 상기 장벽층 위에 알루미늄 갈륨 나이트라이드를 이용하여 캡층을 형성하는 단계(S21)를 더 포함할 수 있다.Referring back to FIG. 7, the method of manufacturing a nitride semiconductor device according to another embodiment may further include forming a cap layer on the barrier layer using aluminum gallium nitride (S21).
캡층도 장벽층과 마찬가지로, 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN), 즉 AlxGa1-xN (0≤x≤1)로 이루어진다. Al 조성은 0~100%를 사용할 수 있다. 두께는 0~10 nm, 바람직하게는 0~5 nm정도로 성장시킨다(S21). 캡층도 버퍼층, 장벽층과 마찬가지로, 금속-유기 화학적 기상 증착, 분자선 에피택시, 수소화물 기상 에피택시, 플라즈마 화학 기상 증착 등에 의해 형성될 수 있다.The cap layer, like the barrier layer, is made of aluminum gallium nitride (AlGaN), that is, Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1). Al composition may use 0 to 100%. The thickness is grown to 0 to 10 nm, preferably 0 to 5 nm (S21). The cap layer, like the buffer layer and the barrier layer, may be formed by metal-organic chemical vapor deposition, molecular beam epitaxy, hydride vapor phase epitaxy, plasma chemical vapor deposition, or the like.
에피 성장 후, 아이솔레이션(isolation) 공정을 진행하여 소자 간 영역을 정의하고 소스 전극 및 드레인 전극을 증착한다(S30).After the epitaxial growth, an isolation process is performed to define the region between the devices and to deposit the source electrode and the drain electrode (S30).
즉, 에피 성장 후, 도 8c에 도시한 바와 같이, 장벽층 또는 캡층 위에 소스 전극을 형성한다. 소스 전극은, 게이트 전극이 형성되지 아니한 부분에 형성되고, 메탈로 이루어진다. 소스 전극은 오믹 콘택(Ohmic Contact)으로 형성된다.That is, after epi growth, a source electrode is formed on the barrier layer or the cap layer as shown in FIG. 8C. The source electrode is formed at a portion where no gate electrode is formed, and is made of metal. The source electrode is formed of ohmic contacts.
또, 에피 성장 후, 도 8c에 도시한 바와 같이, 장벽층 또는 캡층 위에 드레인 전극을 형성한다. 드레인 전극도, 게이트 전극이 형성되지 아니한 부분에 형성되고, 메탈로 이루어진다. 드레인 전극도 오믹 콘택(Ohmic Contact)으로 형성된다.After epi growth, as shown in FIG. 8C, a drain electrode is formed on the barrier layer or the cap layer. The drain electrode is also formed in a portion where the gate electrode is not formed and is made of metal. The drain electrode is also formed by ohmic contact.
도 5를 참조하면, 리세스 영역은, 복수의 식각 영역들이 불연속적으로 형성될 수 있다. 또, 도 6을 참조하면, 리세스 영역은, 복수의 식각 영역들이 일정한 패턴으로 배치될 수 있다. 도 5 또는 도 6에서는, 원형이나 타원형만을 개시하였으나, 다른 모양을 가질 수 있다. 또, 도 6에서, 두 줄로 배치된 형태를 도시하였으나, 다른 패턴으로 배치될 수 있다. 불연속 및 부분적인 식각 영역들은 공핍 영역을 z축 뿐 아니라, x, y 축으로도 확장시켜 노멀리 오프(Normally Off) 특성을 만들 수 있다. 노멀리 오프 특성을 만들기 위해서는, 식각 영역들 사이의 거리를 1~100 nm로 하는 것이 좋다.Referring to FIG. 5, the recess region may be formed in a plurality of etching regions discontinuously. In addition, referring to FIG. 6, in the recess region, a plurality of etching regions may be arranged in a predetermined pattern. In FIG. 5 or FIG. 6, only circular or elliptical shapes are disclosed, but may have other shapes. In addition, in FIG. 6, although the form arranged in two lines, it may be arranged in a different pattern. Discontinuous and partially etched regions can extend the depletion region not only on the z axis but also on the x and y axes to create a normally off characteristic. In order to make the normally off characteristic, it is preferable to set the distance between the etching regions to 1 to 100 nm.
상기 실시 예들에 있어서, 리세스 영역을 형성하는 단계는, 불연속적, 부분적으로 식각하여 버퍼층의 상부, 즉 버퍼층과 장벽층이 맞닿는 부분의 아래에 형성되는 2차원 전자 가스 채널을 모두 제거하지 아니하고 일부 존재하도록 한다. 모두 제거되지 아니하고 남아있는 2차원 전자 가스 채널은 전류 감소를 최소화할 수 있다.In the above embodiments, the forming of the recess region may be performed by discontinuously and partially etching the portion of the two-dimensional electron gas channel without removing all of the two-dimensional electron gas channels formed on the upper portion of the buffer layer, that is, below the portion where the buffer layer and the barrier layer contact each other. To exist. The remaining two-dimensional electron gas channels, which are not all removed, can minimize current reduction.
리세스 공정은 염소 계열의 에칭 가스, 예를 들어 Cl2와 BCl3 기반의 가스를 이용하여 장벽층을 에칭한다. 또, 리세스 공정은 에칭 가스를 이용하여 2DEG 채널 위 혹은 아래층, 즉 버퍼층까지 식각할 수 있다. 게이트 전극은, 리세스 영역 위에 증착하게 된다(S50). 게이트 전극 영역의 폭은 리세스 영역과 같거나, 소스 전극이나 드레인 전극의 영역으로 0~5 μm씩 확장될 수 있다. 또, 게이트 전극은, Ni, Ir, Pd, Pt등 일 함수가 높은 전극을 사용해 만드는 것이 좋다.The recess process etches the barrier layer using chlorine-based etch gases, for example Cl 2 and BCl 3 -based gases. In addition, the recess process can etch to the upper or lower layer, that is, the buffer layer, of the 2DEG channel using an etching gas. The gate electrode is deposited over the recessed region (S50). The width of the gate electrode region may be the same as the recess region or may extend by 0 to 5 μm in the region of the source electrode or the drain electrode. The gate electrode is preferably made of an electrode having a high work function such as Ni, Ir, Pd, or Pt.
상기 제조 방법들은, 리세스 영역 위에 게이트 절연막층을 형성하는 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다. 게이트 절연막층은, 실리콘 옥사이드, 하프늄 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 및 실리콘 나이트라이드 중 하나 이상으로 이루어진다. 여기서, 게이트 전극은 게이트 절연막층 위에 형성된다. 질화물 반도체 소자는 MIS(Metal-Insulator-Semiconductor) 구조를 가질 수 있다.The manufacturing methods may further include forming a gate insulating layer on the recess region. The gate insulating film layer is made of at least one of silicon oxide, hafnium oxide, aluminum oxide, and silicon nitride. Here, the gate electrode is formed on the gate insulating film layer. The nitride semiconductor device may have a MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) structure.
게이트 절연막층은, 다양한 방식(방법)으로 형성될 수 있다. 금속-유기 화학적 기상 증착, 분자선 에피택시, 수소화물 기상 에피택시, 플라즈마 화학 기상 증착, 스퍼터링, 및 원자층 증착 중 하나 이상을 근거로 형성될 수 있다. 예를 들어, 장벽층 또는 캡층까지 성장한 기판 위에 제조 공정을 거쳐 소스 전극을 형성하고, 게이트 절연막층을 thermal evaporator 또는 PECVD를 이용하여 증착한 다음, 증착된 게이트 절연막층, 즉 산화물 위에 게이트 전극을 형성한다.The gate insulating film layer may be formed by various methods. For example, based on at least one of metal-organic chemical vapor deposition, molecular beam epitaxy, hydride vapor phase epitaxy, plasma chemical vapor deposition, sputtering, and atomic layer deposition. For example, a source electrode is formed on a substrate grown to a barrier layer or a cap layer through a fabrication process, a gate insulating layer is deposited using a thermal evaporator or PECVD, and then a gate electrode is formed on the deposited gate insulating layer do.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따른 질화물 반도체 소자 및 이의 제조 방법은, 리세스 게이트 공정 시에 게이트 아래 영역을 부분적으로 식각함으로써 기존의 리세스 공정을 통해 발생하는 전류 특성 감소의 문제를 해결하고, 이에 따라 반도체 소자의 특성을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 실시 예들은, 게이트 아래 영역의 불연속적 부분 식각을 통하여, 전자 농도가 감소하는 채널 영역을 최소화함으로써, 리세스 공정 시에 발생하는 전류 감소 현상을 보완할 수 있으며, 불연속적으로 부분 식각한 영역에서 발생하는 넓은 표면적을 가지는 공핍 영역을 통해 질화물 반도체 소자, 예를 들어 HFET 소자의 단점인 노멀리 온 형태를 노멀리 오프 형태로 바꿀 수 있다.As described above, the nitride semiconductor device and the method of manufacturing the same according to the embodiments of the present invention solve the problem of current characteristic reduction caused by the conventional recess process by partially etching the region under the gate during the recess gate process. In this way, the characteristics of the semiconductor device can be improved. Embodiments of the present invention can compensate for a current reduction phenomenon occurring during the recess process by minimizing a channel region in which electron concentration is reduced through discontinuous partial etching of the region under the gate, and discontinuous partial etching. The depletion region having a large surface area occurring in one region can change the normally on form, which is a disadvantage of a nitride semiconductor device, for example, an HFET device, to a normally off form.
1: 기판 10: 버퍼층
20: 장벽층 30: 리세스 영역
31: 식각 영역 40: 게이트 전극
41: 게이트 절연막층 50: 소스 전극
60: 드레인 전극1: substrate 10: buffer layer
20: barrier layer 30: recessed region
31: etching region 40: gate electrode
41: gate insulating layer 50: source electrode
60: drain electrode
Claims (21)
리세스 영역을 구비하고, 상기 버퍼층 위에 형성되는 장벽층;
상기 리세스 영역 위에 형성되는 게이트 전극; 및
상기 장벽층 위에 각각 접촉되는 소스 전극 및 드레인 전극;을 포함하고,
상기 리세스 영역은,
상기 소스 전극 및 드레인 전극의 사이에 위치하고, 상기 게이트 전극이 차지하는 면적 이하의 면적을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.A buffer layer formed on the substrate and made of a nitride semiconductor;
A barrier layer having a recessed region, said barrier layer formed over said buffer layer;
A gate electrode formed on the recess region; And
And a source electrode and a drain electrode respectively contacted on the barrier layer.
The recess area is,
A nitride semiconductor device, wherein the nitride semiconductor element is formed between the source electrode and the drain electrode and has an area equal to or smaller than the area occupied by the gate electrode.
상기 리세스 영역은,
복수의 식각 영역들이 불연속적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.The method according to claim 1,
The recess area is,
A nitride semiconductor device, characterized in that a plurality of etching regions are formed discontinuously.
상기 리세스 영역은,
상기 복수의 식각 영역들이 일정한 패턴으로 배치되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.The method of claim 2,
The recess area is,
The nitride semiconductor device is characterized in that the plurality of etching regions are arranged in a predetermined pattern.
상기 복수의 식각 영역들 사이의 거리는, 1 내지 100 나노미터인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.The method of claim 2,
The distance between the plurality of etching regions, 1 to 100 nanometers, characterized in that the nitride semiconductor device.
상기 버퍼층은,
상부에 2차원 전자 가스 채널을 구비하고,
상기 리세스 영역은,
상기 2차원 전자 가스 채널 위 또는 상기 버퍼층의 일부의 깊이까지 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.The method according to claim 1,
The buffer layer,
The upper two-dimensional electron gas channel,
The recess area is,
The nitride semiconductor device is formed on the two-dimensional electron gas channel or to the depth of a portion of the buffer layer.
상기 리세스 영역은,
상기 2차원 전자 가스 채널이 일부 존재하도록 식각되어 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.6. The method of claim 5,
The recess area is,
The nitride semiconductor device of claim 2, wherein the two-dimensional electron gas channel is etched to exist.
상기 게이트 전극은,
상기 리세스 영역 위에 형성되는 게이트 절연막층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.The method according to claim 1,
The gate electrode
And a gate insulating layer formed over the recess region.
상기 게이트 절연막층은,
실리콘 옥사이드, 하프늄 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 및 실리콘 나이트라이드 중 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.The method of claim 7, wherein
The gate insulating layer is,
A nitride semiconductor device comprising at least one of silicon oxide, hafnium oxide, aluminum oxide, and silicon nitride.
상기 기판은,
절연성 기판, 갈륨 나이트라이드 기판, 실리콘 카바이트 기판, 및 실리콘 기판 중 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.9. The method according to any one of claims 1 to 8,
Wherein:
An insulating substrate, a gallium nitride substrate, a silicon carbide substrate, and a silicon substrate.
상기 버퍼층은,
갈륨 나이트라이드로 이루어지고, 두께는 0.5 내지 10 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.9. The method according to any one of claims 1 to 8,
The buffer layer,
A nitride semiconductor device comprising gallium nitride and having a thickness of 0.5 to 10 micrometers.
상기 장벽층은,
알루미늄 갈륨 나이트라이드로 이루어지고, 두께는 0 내지 100 나노미터인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.9. The method according to any one of claims 1 to 8,
Wherein the barrier layer comprises
A nitride semiconductor device comprising aluminum gallium nitride and having a thickness of 0 to 100 nanometers.
상기 장벽층과 상기 전극들 사이에 형성되고, 알루미늄 갈륨 나이트라이드로 이루어지는 캡층;을 더 포함하는 질화물 반도체 소자.9. The method according to any one of claims 1 to 8,
And a cap layer formed between the barrier layer and the electrodes and formed of aluminum gallium nitride.
상기 버퍼층 위에 장벽층을 형성하는 단계;
상기 장벽층 위에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계;
상기 소스 전극 및 드레인 전극의 사이의 상기 장벽층에 리세스 영역을 형성하는 단계; 및
상기 리세스 영역 위에 게이트 전극을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 리세스 영역을 형성하는 단계는,
상기 게이트 전극이 차지하는 면적 이하의 면적을 갖도록 상기 리세스 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자의 제조 방법.Forming a buffer layer on the substrate;
Forming a barrier layer over the buffer layer;
Forming a source electrode and a drain electrode on the barrier layer;
Forming a recessed region in the barrier layer between the source electrode and the drain electrode; And
Forming a gate electrode over the recess region;
Wherein forming the recessed region comprises:
And the recess region is formed to have an area equal to or smaller than the area occupied by the gate electrode.
상기 리세스 영역을 형성하는 단계는,
복수의 식각 영역들을 불연속적으로 배치하여 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자의 제조 방법.The method of claim 13,
Wherein forming the recessed region comprises:
And forming a plurality of etching regions discontinuously.
상기 리세스 영역을 형성하는 단계는,
상기 버퍼층의 상부에 존재하는 2차원 전자 가스 채널이 일부 존재하도록 식각하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자.15. The method of claim 14,
Wherein forming the recessed region comprises:
The nitride semiconductor device is etched so that a portion of the two-dimensional electron gas channel present on the buffer layer.
상기 리세스 영역을 형성하는 단계는,
상기 복수의 식각 영역들을 일정한 패턴으로 배치하여 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자의 제조 방법.15. The method of claim 14,
Wherein forming the recessed region comprises:
And arranging the plurality of etching regions in a predetermined pattern.
상기 리세스 영역을 형성하는 단계는,
상기 복수의 식각 영역들 사이의 거리가 1 내지 100 나노미터가 되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자의 제조 방법.15. The method of claim 14,
Wherein forming the recessed region comprises:
And forming a distance between the plurality of etching regions to be 1 to 100 nanometers.
상기 게이트 전극을 형성하는 단계는,
상기 리세스 영역에 게이트 절연막층을 형성하는 과정; 및
상기 게이트 절연막층 위에 상기 게이트 전극을 형성하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자의 제조 방법.The method of claim 13,
Wherein forming the gate electrode comprises:
Forming a gate insulating layer in the recess region; And
Forming the gate electrode on the gate insulating layer; and manufacturing the nitride semiconductor device.
상기 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계는,
오믹 콘택에 의해 상기 소스 전극 또는 상기 드레인 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자의 제조 방법.19. The method according to any one of claims 13 to 18,
Wherein forming the source electrode and the drain electrode comprises:
The source electrode or the drain electrode is formed by an ohmic contact.
상기 버퍼층 및 상기 장벽층은,
금속-유기 화학적 기상 증착, 분자선 에피택시, 수소화물 기상 에피택시, 플라즈마 화학 기상 증착, 스퍼터링, 및 원자층 증착 중 하나 이상을 근거로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 소자의 제조 방법.19. The method according to any one of claims 13 to 18,
The buffer layer and the barrier layer,
A method of manufacturing a nitride semiconductor device, characterized in that it is formed based on one or more of metal-organic chemical vapor deposition, molecular beam epitaxy, hydride vapor phase epitaxy, plasma chemical vapor deposition, sputtering, and atomic layer deposition.
상기 장벽층 위에 알루미늄 갈륨 나이트라이드를 이용하여 캡층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 질화물 반도체 소자의 제조 방법.19. The method according to any one of claims 13 to 18,
And forming a cap layer on the barrier layer using aluminum gallium nitride.
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Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009212291A (en) * | 2008-03-04 | 2009-09-17 | Toyota Motor Corp | Semiconductor device, and manufacturing method thereof |
JP2010114219A (en) * | 2008-11-05 | 2010-05-20 | Toshiba Corp | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
JP2010147387A (en) * | 2008-12-22 | 2010-07-01 | Sanken Electric Co Ltd | Semiconductor device |
JP2010287594A (en) * | 2009-06-09 | 2010-12-24 | Panasonic Corp | Field effect transistor |
-
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009212291A (en) * | 2008-03-04 | 2009-09-17 | Toyota Motor Corp | Semiconductor device, and manufacturing method thereof |
JP2010114219A (en) * | 2008-11-05 | 2010-05-20 | Toshiba Corp | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
JP2010147387A (en) * | 2008-12-22 | 2010-07-01 | Sanken Electric Co Ltd | Semiconductor device |
JP2010287594A (en) * | 2009-06-09 | 2010-12-24 | Panasonic Corp | Field effect transistor |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113939917A (en) * | 2019-06-17 | 2022-01-14 | 苏州晶湛半导体有限公司 | Semiconductor structure and manufacturing method thereof |
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