KR20150039481A - Power semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
실시 예는 전력 반도체 소자에 관한 것이다.An embodiment relates to a power semiconductor device.
넓은 에너지 밴드갭(bandgap) 특성을 가진 질화 갈륨(GaN) 물질은 우수한 순방향 특성, 높은 항복전압(break down voltage), 낮은 진성캐리어 밀도 등 전력용 스위치 같은 전력 반도체 소자 분야에 적합한 특성을 갖는다.Gallium nitride (GaN) materials with broad energy bandgap characteristics are suitable for power semiconductor devices such as power switches, such as excellent forward characteristics, high breakdown voltage, and low intrinsic carrier density.
전력 반도체 소자로서, 쇼트키 장벽 다이오드(Schottky barrier diode), 금속 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal semiconductor field effect transistor), 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT:High Electron Mobility Transistor) 등이 있다.Schottky barrier diodes, metal semiconductor field effect transistors, and high electron mobility transistors (HEMTs) are known as power semiconductor devices.
이러한 전력 반도체 소자는 항복 전압 특히, 수직 항복 전압이 낮을 경우 파괴될 수 있는 문제점이 있다.Such a power semiconductor device has a problem that it can be destroyed when the breakdown voltage, in particular, the vertical breakdown voltage is low.
실시 예는 개선된 수직 항복 전압을 갖는 전력 반도체 소자를 제공한다.Embodiments provide a power semiconductor device having an improved vertical breakdown voltage.
실시 예의 전력 반도체 소자는, 절연층; 상기 절연층 위에 배치된 기판; 상기 기판 위에 배치된 에피층; 상기 에피층 위에 배치된 게이트 전극; 및 상기 에피층을 관통하고, 상기 게이트를 사이에 두고 서로 이격되어 배치된 소스 및 드레인 콘택을 포함할 수 있다.The power semiconductor device of the embodiment includes: an insulating layer; A substrate disposed over the insulating layer; An epi layer disposed on the substrate; A gate electrode disposed on the epi layer; And source and drain contacts that are spaced apart from each other across the gate and through the epi layer.
상기 전력 반도체 소자는, 상기 에피층 위에 배치된 패시베이션층을 더 포함하고, 상기 게이트 전극과, 상기 소스 콘택과, 상기 드레인 콘택은 상기 패시베이션층을 관통하여 배치될 수 있다.The power semiconductor device may further include a passivation layer disposed over the epi layer, wherein the gate electrode, the source contact, and the drain contact may be disposed through the passivation layer.
상기 패시베이션층과 상기 절연층은 동일한 물질을 포함할 수 있다.The passivation layer and the insulating layer may comprise the same material.
상기 패시베이션층의 두께와 상기 절연층의 두께는 동일할 수 있다.The thickness of the passivation layer and the thickness of the insulating layer may be the same.
상기 절연층은 1 Å 내지 100 ㎛의 두께를 가질 수 있다.The insulating layer may have a thickness of 1 to 100 [mu] m.
상기 절연층은 SiNX, MgO, Sc2O3, SiO2, SOG 또는 SOD 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The insulating layer may include at least one of SiN x , MgO, Sc 2 O 3 , SiO 2 , SOG, and SOD.
상기 기판은 실리콘을 포함하고, 상기 에피층은 질화물 반도체를 포함할 수 있다.The substrate may comprise silicon, and the epi layer may comprise a nitride semiconductor.
상기 절연층은 LPCVD에 의해 형성될 수 있다.The insulating layer may be formed by LPCVD.
상기 전력 반도체 소자는, 상기 게이트 전극과 상기 에피층 사이에 배치된 게이트 절연층을 더 포함할 수 있다.The power semiconductor device may further include a gate insulating layer disposed between the gate electrode and the epi layer.
실시 예에 따른 전력 반도체 소자는 전이층의 두께가 원하는 수직 항복 전압을 얻을 만큼 충분히 두껍지 않을 경우에도 기판의 아래에 절연층이 배치됨으로 인해 원하는 높은 수직 항복 전압을 가질 수 있어 파괴되지 않을 수 있고, 패시베이션층이 형성되는 동안 절연층이 형성될 수 있어 절연층을 형성하기 위한 별도의 공정을 요구하지 않아 제조 공정을 복잡하게 하지 않을 수 있다.The power semiconductor device according to the embodiment may have a desired high vertical breakdown voltage due to the insulating layer disposed under the substrate even when the thickness of the transition layer is not thick enough to obtain a desired vertical breakdown voltage, An insulating layer may be formed during the formation of the passivation layer, so that a separate process for forming the insulating layer is not required and the manufacturing process may not be complicated.
도 1은 실시 예에 의한 전력 반도체 소자의 단면도를 나타낸다.
도 2는 도 1의 에피층의 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 수직 항복 전압을 나타내는 그래프이다.
도 4a 내지 도 4i는 실시 예에 따라 도 1에 예시된 전력 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a power semiconductor device according to an embodiment.
Figure 2 shows a cross-sectional view of an embodiment of the epi layer of Figure 1;
3A and 3B are graphs showing the vertical breakdown voltage.
4A to 4I are process cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the power semiconductor device illustrated in FIG. 1 according to an embodiment.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to facilitate understanding of the present invention. However, the embodiments according to the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. Embodiments of the invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)”로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.In the description of the embodiment according to the present invention, in the case of being described as being formed on the "upper" or "on or under" of each element, on or under includes both elements being directly contacted with each other or one or more other elements being indirectly formed between the two elements. Also, when expressed as "on" or "on or under", it may include not only an upward direction but also a downward direction with respect to one element.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상부" 및 "하부" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다.It is also to be understood that the terms "first" and "second", "upper" and "lower", etc., as used below, do not necessarily imply or imply any physical or logical relationship or order between such entities or elements And may be used only to distinguish one entity or element from another entity or element.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.The thickness and size of each layer in the drawings are exaggerated, omitted, or schematically shown for convenience and clarity of explanation. Also, the size of each component does not entirely reflect the actual size.
도 1은 실시 예에 의한 전력 반도체 소자(100)의 단면도를 나타낸다.1 is a cross-sectional view of a
도 1에 예시된 전력 반도체 소자(100)는 절연층(104), 기판(110), 에피(epi)층(120), 패시베이션(passivation)층(130), 중간 유전층(140), 소스(source) 패드(pad)(152), 드레인(drain) 패드(154), 소스 콘택(contact)(160), 게이트 전극(170), 드레인 콘택(180) 및 게이트 절연층(190)을 포함한다.The
도 1을 참조하면, 절연층(104) 위에 기판(110)이 배치된다. 절연층(104)은 전력 반도체 소자(100)의 수직 항복 전압을 상승시키는 역할을 한다. 만일, 절연층(104)의 제1 두께(t1)가 1 Å보다 작으면 수직 항복 전압이 상승되는 효과가 작다. 또한, 절연층(104)의 제1 두께(t1)가 100 ㎛보다 클 경우, 패키지 몸체에 실장하기 위해 전력 반도체 소자(100)를 파지하기 어려울 수 있을 뿐만 아니라 와이어(미도시)의 배치가 어려울 수 있다. 따라서, 절연층(104)의 제1 두께(t1)는 1 Å 내지 100 ㎛일 수 있다.Referring to FIG. 1, a
또한, 절연층(104)은 SiNX, MgO, Sc2O3, SiO2, SOG 또는 SOD 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In addition, the
또한, 절연층(104)은 후술되는 바와 같이, 700 ℃ 보다 큰 고온에서 저압(LP:Low Pressure) 화학 증착법(CVD:Chemical Vapor Deposition)에 의해 형성될 수 있다.In addition, the
기판(110)은 실리콘 기판, 실리콘 카바이드 기판, GaN 기판 또는 사파이어 기판일 수 있으나, 실시 예는 기판(110)의 종류에 국한되지 않는다.The
또한, 기판(110)은 소자 분리 영역(IA:Isolation Area)과 활성 영역(AA:Active Area)로 구분되어 정의될 수 있다. 기판(110)의 활성 영역(AA)은 에피층(120)이 배치되는 영역이고, 소자 분리 영역(IA)은 인접하는 전력 반도체 소자를 서로 전기적으로 분리시키는 영역이다.In addition, the
한편, 기판(110) 위에 에피층(120)이 배치된다.On the other hand, an
도 2는 도 1의 에피층(120)의 실시 예(120A)에 의한 단면도를 나타낸다.Figure 2 shows a cross-sectional view of an
도 1 및 도 2를 참조하면, 활성 영역(AA)에서 기판(110) 위에 배치된 에피층(120)은 전이층(122), 제1 질화물 반도체층(또는, 버퍼층)(124) 및 제2 질화물 반도체층(또는, 배리어(barrier)층)(126)을 포함한다. 이와 같이 에피층(120)은 질화물 반도체를 포함할 수 있다.1 and 2, an
제1 질화물 반도체층(124)은 기판(110) 위에 배치된다. 제1 질화물 반도체층(124)은 언도프된(undoped) 반도체층일 수 있다. 제1 질화물 반도체층(124)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 3족-5족 또는 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있다. 예를 들어, AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제1 질화물 반도체층(124)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있으나 이에 국한되지 않는다.The first
채널층(124A)은 제2 질화물 반도체층(126)에 인접하여 제1 질화물 반도체층(124)의 상부에 형성될 수 있다. 즉, 채널층(124A)은 제2 질화물 반도체층(126)과 제1 질화물 반도체층(124)의 경계면 아래의 제1 질화물 반도체층(124) 상부에 배치된다.The
또한, 기판(110)과 제1 질화물 반도체층(124) 사이에 전이층(122)이 더 배치될 수도 있다. 전이층(122)은 질화알루미늄(AlN), 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 등을 포함할 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않으며 전이층(122)은 생략될 수도 있다.In addition, a
제2 질화물 반도체층(126)은 제1 질화물 반도체층(124) 위에 배치된다. 제2 질화물 반도체층(126)은 채널층(124A)의 형성에 도움을 주기 위해 배치되는 층으로서, 밴드 갭 에너지를 휘게 하는 역할을 한다. 제2 질화물 반도체층(126)은 채널층(124A)보다 밴드 폭이 큰 층으로써, 층 전체에서 균일한 분극밀도를 가질 수 있으며, 제2 질화물 반도체층(126)과 제1 질화물 반도체층(124)의 상이한 밴드갭(band gap) 에너지를 갖는 이종 접합에 의하여 채널층(124A)에 2차원 전자가스(2DEG:2-Dimensional Electron Gas)가 발생되도록 할 수 있다.The second
예를 들어, 제2 질화물 반도체층(126)은 3족-5족 또는 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있다. 예를 들어, AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제2 질화물 반도체층(126)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.For example, the second
제2 질화물 반도체층(126)의 두께는 20 ㎚ 이하일 수 있지만, 실시 예는 이러한 제2 질화물 반도체층(126)의 두께에 국한되지 않는다.The thickness of the second
한편, 패시베이션층(130)은 활성 영역(AA)의 에피층(120) 위에 배치되지만, 실시 예는 이러한 패시베이션층(130)의 배치 구조에 국한되지 않는다. 패시베이션층(130)은 일종의 식각 방지층으로서 후술되는 바와 같이 게이트 전극(170)과 소스 콘택(160) 및 드레인 콘택(180)을 금속 에칭법에 의해 형성하는 과정에서 에피층(120)이 식각되는 것을 방지(또는, 보호)하는 역할을 한다.On the other hand, the
만일, 패시베이션층(130)의 제2 두께(t2)가 100 Å 보다 작다면 식각으로부터 에피층(120)을 보호하기에 충분하지 않을 수 있고, 패시베이션층(130)의 제2 두께(t2)가 2000 Å보다 크면 필드 플레이트의 역할을 제대로 수행할 수 없을 수도 있다. 따라서, 패시베이션층(130)의 제2 두께(t2)는 100 Å ~ 2000 Å일 수 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.If the second thickness t2 of the
전술한 패시베이션층(130)은 SiNx, MgO, Sc2O3, SiO2, SOG 또는 SOD 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 다양한 방법으로 형성될 수 있다.The above-described
실시 예에 의하면, 절연층(104)과 패시베이션층(130)은 동일한 물질을 포함할 수도 있고 서로 다른 물질로 구현될 수도 있다.According to the embodiment, the insulating
또한, 절연층(104)의 제1 두께(t1)와 패시베이션층(130)의 제2 두께(t2)는 서로 동일하거나 서로 다를 수도 있다.The first thickness t1 of the insulating
한편, 게이트 전극(170)은 패시베이션층(130)을 관통하여 에피층(120) 위에 배치된다. 게이트 전극(170)은 금속 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 게이트 전극(170)은 내화 금속(refractory metal) 또는 이러한 내화 금속의 혼합물일 수 있다. 또는, 게이트 전극(170)은 Ta(Tantalum), TaN(Tantalum Nitride), TiN(Titanium Nitride), Pd(Palladium), W(tungsten) 또는 WSi2(Tungstem silicide) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.Meanwhile, the
게이트 절연층(190)은 도 1에 예시된 바와 같이 게이트 전극(170)과 에피층(120) 사이 및 게이트 전극(170)과 패시베이션층(130) 사이에 배치된다. 게다가, 도 1에 예시된 바와 같이, 게이트 절연층(190)은 활성 영역(AA)에서 중간 유전층(140)과 패시베이션층(130) 사이에 배치되고 소자 분리 영역(IA)에서 중간 유전층(140)과 기판(110) 사이에 배치될 수 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 소자 분리 영역(IA)에서 중간 유전층(140)과 기판(110) 사이에 배치된 게이트 절연층(190)은 생략될 수 있다. 또한, 활성 영역(AA)에서 게이트 전극(170)의 주변의 중간 유전층(140)과 패시베이션층(130) 사이에 배치된 게이트 절연층(190) 역시 생략될 수도 있다.A
게이트 절연층(170)은 Al2O3 같은 알루미늄 산화층, SiO2 같은 실리콘 산화층 또는 실리콘 질화층 등일 수 있으며, 예를 들면 100 Å 내지 300 Å의 두께를 가질 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.The
소스 콘택 및 드레인 콘택(160, 180)은 패시베이션층(130)과 게이트 절연층(190)을 관통하여 에피층(120)과 접촉하며, 게이트 전극(170)을 사이에 두고 서로 이격되어 배치된다. 즉, 소스 콘택 및 드레인 콘택(160, 180)은 게이트 전극(170)으로부터 이격되어 배치된다. 소스 및 드레인 콘택(160, 180) 각각은 금속으로 형성될 수 있다. 또한, 소스 및 드레인 콘택(160, 180)은 게이트 전극(170)의 물질과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 또한, 소스 및 드레인 콘택(160, 180)은 오믹 특성을 갖는 반사 전극 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 소스 및 드레인 콘택(160, 180) 각각은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.Source contact and
일반적으로 GaN 기반 전력 반도체 소자의 누설 전류를 억제하기 위한 방법으로서, 플로팅 게이트(floating gate), 필드-모듈레이팅 플레이트(field-modulating plate), 오버랩 게이트(overlapping gate structure), 소스 확장 필드 플레이트(source extended field palte), 다중 필드 플레이트(multiple field plates) 등의 다양한 전계 집중 완화 구조가 개발되고 있다. 예를 들어, 게이트 전극(170)의 모서리의 전계 집중을 완화시키기 위해 필드 플레이트(미도시)가 배치된다.BACKGROUND ART Generally, as a method for suppressing a leakage current of a GaN-based power semiconductor device, a floating gate, a field-modulating plate, an overlapping gate structure, a source extension field plate extended field palettes, and multiple field plates are being developed. For example, a field plate (not shown) is disposed to alleviate the electric field concentration at the edge of the
그러나, 도 1에 도시된 전력 반도체 소자의 경우, 게이트 전극(170)의 날개부(172, 174)가 필드 플레이트의 역할을 수행하므로 별도의 필드 플레이트를 형성할 필요가 없다. 이와 같이, 게이트 전극(170)의 날개부(172, 174)가 필드 플레이트의 역할을 함으로써, 전계의 집중이 완화되어 전력 반도체 소자(100)의 항복 전압이 향상될 수 있다. 즉, 관통부(176)의 모서리에 집중되는 전계가 날개부(172, 174)에 의해 분산될 수 있다.However, in the case of the power semiconductor device shown in FIG. 1, since the wing portions 172 and 174 of the
한편, 중간 유전층(140)은 게이트 전극(170)을 덮고 소스 콘택(160)과 드레인 콘택(180)의 상부면을 노출시키면서 게이트 절연층(190) 위에 배치된다. 이러한 중간 유전층(140)은 패시베이션층(130)과 동일한 물질을 포함할 수 있으나 이에 국한되지 않는다. 중간 유전층(140)은 SiNx, MgO, Sc2O3, SiO2, SOG 또는 SOD 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The
소스 패드 및 드레인 패드(152, 154)는 중간 유전층(140)을 관통하여 소스 콘택(160) 및 드레인 콘택(180)과 각각 전기적으로 연결된다. 소스 및 드레인 패드(152, 154)는 금(Au), 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu) 중 적어도 하나에 의해 형성될 수 있지만, 실시 예는 이러한 소스 및 드레인 패드(152, 154)의 재질에 국한되지 않는다.The source and drain pads 152 and 154 are electrically connected to the
한편, 전술한 전력 반도체 소자(100)는 하부 금속층(102)을 더 포함할 수 있다. 전력 반도체 소자(100)가 솔더(solder)(미도시)에 의해 리드 프레임(미도시)과 접합될 때, 하부 금속층(102)은 전력 반도체 소자(100)와 리드 프레임 간의 결합력을 향상시키는 역할을 한다. 이러한 하부 금속층(102)은 단일층 또는 다층 구조를 가질 수도 있다. 만일, 솔더가 은(Ag)을 포함할 경우, 다층 구조를 갖는 하부 금속층(102)에서 맨 아래 층은 Ag을 포함할 수 있다. 실시 예는 이러한 하부 금속층(102)의 존재 여부나 하부 금속층(102)의 구조 및 구성 물질에 국한되지 않는다.Meanwhile, the
도 3a 및 도 3b는 수직 항복 전압을 나타내는 그래프로서, 도 3a는 로그(log) 스케일로 수직 항복 전압을 나타내는 그래프이고, 도 3b는 선형(linear) 스케일로 수직 항복 전압을 나타내는 그래프이다. 각 그래프에서 횡축은 바이어스 전압(bias voltage)를 나타내고 종축은 전류(current)를 각각 나타낸다.FIGS. 3A and 3B are graphs showing vertical breakdown voltages. FIG. 3A is a graph showing vertical breakdown voltages on a log scale, and FIG. 3B is a graph showing vertical breakdown voltages on a linear scale. In each graph, the horizontal axis represents the bias voltage and the vertical axis represents the current.
일반적으로 전력 반도체 소자(100)의 수평 항복 전압은 게이트 전극(170)과 드레인 콘택(180) 간의 간격에 의해 결정된다. 또한, 수직 항복 전압은 에피층(120) 내부의 전이층(122)의 두께에 의해 결정된다. 그러나, 제1 질화물 반도체층(124)과 실리콘 기판(110) 간의 격자 상수 차이 등으로 인해 전이층(122)의 두께를 수직 항복 전압을 만족시킬 만큼 두껍게 증착하기 어려울 수 있다. 이와 같이, 게이트 전극(170)과 드레인 콘택(180) 간의 간격을 충분히 두어 수평 항복 전압을 확보했다 하더라도, 전이층(122)의 두께가 원하는 수직 항복 전압을 만족시킬 만큼 두껍지 않으면, 전력 반도체 소자(100)는 파괴될 수 있다.Generally, the horizontal breakdown voltage of the
그러나, 실시 예에 의하면, 전력 반도체 소자(100)는 기판(110)의 아래에 절연층(104)을 배치하여, 전이층(122)의 두께가 원하는 수직 항복 전압을 얻을 만큼 충분히 두껍지 않을 경우에도, 원하는 높은 수직 항복 전압을 가질 수 있다.However, according to an embodiment, the
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 기존의 경우(202, 212(■))에서 보다 본 실시 예(204, 214(●))에 의할 경우 수직 항복 전압이 개선됨을 알 수 있다.Referring to FIGS. 3A and 3B, it can be seen that the vertical breakdown voltage is improved in the present embodiment (204, 214 (.circle-solid.)) Than in the
이하, 전술한 도 1에 예시된 전력 반도체 소자(100)의 제조 방법을 첨부된 도 4a 내지 도 4i를 참조하여 다음과 같이 설명한다. 그러나, 이하에서 설명되는 제조 방법은 일 례에 불과하며 도 1에 예시된 전력 반도체 소자(100)는 다른 방법에 의해서도 제조될 수 있음은 물론이다.Hereinafter, a method of manufacturing the
도 4a 내지 도 4i는 실시 예에 따라 도 1에 예시된 전력 반도체 소자(100)의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.4A to 4I are process cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the
도 4a를 참조하면, 기판(110) 위에 에피층(120)을 형성한다. 기판(110)은 실리콘, 실리콘 카바이드, GaN 또는 사파이어 등을 이용하여 형성될 수 있다. 도 2에 예시된 바와 같이, 기판(110) 위에 전이층(122), 제1 질화물 반도체층(124) 및 제2 질화물 반도체층(126)을 순차적으로 적층하여 에피층(120A)을 형성할 수도 있다.Referring to FIG. 4A, an
전이층(122)은 질화알루미늄(AlN), 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 등을 이용하여 형성될 수 있다.The
제1 질화물 반도체층(124)은 언도프된(undoped) 반도체층일 수 있다. 제1 질화물 반도체층(124)은 반도체 화합물로 형성될 수 있으며, 3족-5족 또는 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있다. 예를 들어, AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 이용하여 제1 질화물 반도체층(124)을 형성할 수 있다. 제1 질화물 반도체층(124)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있으나 이에 국한되지 않는다.The first
제2 질화물 반도체층(126)은 3족-5족 또는 2족-6족 등의 화합물 반도체를 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 이용하거나, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 제2 질화물 반도체층(126)을 형성할 수 있다.The second
다음, 도 4b를 참조하면, 에피층(120A) 위에 소자 분리 영역(IA)을 노출시키고 활성 영역(AA)을 덮는 포토 레지스트 패턴(222)을 형성한다. Next, referring to FIG. 4B, a
다음, 도 4c를 참조하면, 포토 레지스트 패턴(222)을 식각 마스크로 이용하여 에피층(120)을 식각하여, 기판(110)의 소자 분리 영역(IA)을 노출시킨다. 예를 들어, 에피층(120)의 식각은 건식 식각을 이용할 수 있다. 이후, 식각 마스크로 이용된 포토 레지스트 패턴(222)을 애슁(ashing) 및/또는 스트립(strip)에 의해 제거한다.4C, the epi-
다음, 도 4d를 참조하면, 에피층(120) 위에 패시베이션층(130)을 형성한다. 이와 동시에, 기판(110)의 아래에 절연층(104)을 형성할 수 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 절연층(104)은 패시베이션층(130)의 형성 이전이나 이후에 형성될 수도 있다. 만일, 패시베이션층(130)과 절연층(104)을 동시에 형성할 경우, 절연층(104)의 제1 두께(t1)와 패시베이션층(130)의 제2 두께(t2)는 서로 동일할 수 있을 뿐만 아니라 절연층(104)의 구성 물질과 패시베이션층(130)의 구성 물질은 서로 동일할 수 있다. 그러나, 경우에 따라서, 제1 및 제2 두께(t1, t2)는 서로 다를 수 있으며, 절연층(104)의 구성 물질과 패시베이션층(130)의 구성 물질은 서로 다를 수 있다.Next, referring to FIG. 4D, a
패시베이션층(130) 및 절연층(104)은 유기금속 화학 증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 화학 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), PECVD, LPCVD, 분자선 성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy), 유도 결합 플라즈마 화학 증착법(ICPCVD:Inductively Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition), 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.The
전술한 바와 같이, 패시베이션층(130)이 형성되는 동안 절연층(104)이 형성될 경우, 절연층(104)을 형성하기 위한 별도의 공정이 필요하지 않다. 그러므로, 전력 반도체 소자(100)가 절연층(104)을 포함한다고 하더라도, 전력 반도체 소자(100)의 제조 공정이 복잡해지지 않는다.As described above, when the insulating
다음, 도 4e를 참조하면, 게이트 절연층(190)이 매립되고 게이트 전극(170)의 관통부(176)가 형성될 부분(223)을 노출시키도록 패시베이션층(130)을 통상의 포토리소그라피(photolithography) 공정을 이용하여 식각한다.4E, the
다음, 도 4f를 참조하면, 에피층(120)의 노출된 부분(223)을 포함하여 패시베이션층(130) 및 기판(110)의 소자 분리 영역(IA) 위에 게이트 절연층(190)을 형성한다. 게이트 절연층(190)은 알루미늄 산화층, 실리콘 산화층 또는 실리콘 질화층 등에 의해 예를 들면 15 ㎚의 두께로 형성될 수 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 예를 들어, 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition)에 의해 알루미늄 산화막(Al2O3)으로 게이트 절연층(190)을 형성할 수 있다.4F, a
다음, 도 4g를 참조하면, 소스 콘택 및 드레인 콘택(160, 180)이 형성될 부분(224, 226)의 에피층(120)을 노출시키도록, 패시베이션층(130)과 게이트 절연층(190)을 포토 리소그라피 공정에 의해 식각한다.4G, a
다음, 도 4h를 참조하면, 에피층(120)의 노출된 부분(224, 226)과 게이트 절연층(190)의 상부 전면에 금속층(미도시)을 형성한다. 금속층은 전자 빔 증착(e-beam evaporation) 또는 금속 스퍼터(metal sputter)를 이용하여 형성될 수 있다. 금속 스퍼터에 의해 금속층을 게이트 절연층(190)의 상부에 형성할 경우, 전자 빔 증착법에 의할 경우보다 금속층이 더 잘 매립될 수 있다. 금속층이 매립된 다음, 후속 열처리가 진행될 수 있는데, 예를 들면 400 ℃에서 10분 동안 급속 열처리(Rapid Thermal Annealing)가 실시될 수 있다.Next, referring to FIG. 4H, a metal layer (not shown) is formed on the exposed
계속해서, 소스 콘택(160), 게이트 전극(170) 및 드레인 콘택(180)이 형성될 부분만을 덮고 다른 부분은 노출시키는 포토 레지스트 패턴을 금속층 위에 형성한다음, 포토 레지스트 패턴을 식각 마스크로 이용하여 금속층을 에치 백(etch back)하여 식각한다. 이때, 게이트 절연층(190)도 함께 식각될 수도 있고 잔류할 수도 있다. 또한, 포토 레지스트 패턴을 식각 마스크로 이용하여 금속층을 식각하는 동안 게이트 절연층(190)이 식각된 후 에피층(120) 대신에 패시베이션층(130)이 식각되므로, 에피층(120)이 금속층의 식각으로부터 보호될 수 있다. 이와 같이, 패시베이션층(130)은 게이트 전극(170)과, 소스 및 드레인 콘택(160, 180)을 형성하기 위한 금속층의 식각으로부터 에피층(120)을 보호하는 역할을 한다.Subsequently, a photoresist pattern covering only the portion where the
만일, 패시베이션층(130)의 제2 두께(t2)가 100 Å보다 작다면, 금속층이 식각되는 동안 에피층(120)이 식각될 수도 있고, 제2 두께(t2)가 2000 Å보다 크면 게이트 전극(170)의 모서리에 유기되는 전계를 날개부(172, 174)가 분산시키는 역할을 수행할 수 없을 수도 있다. 따라서, 패시베이션층(130)의 제2 두께(t2)는 100 Å 내지 2000 Å 일 수 있다.If the second thickness t2 of the
다음, 금속층의 식각에 이용된 포토 레지스트 패턴을 제거하면, 도 4h에 예시된 바와 같이 게이트 전극(170)과, 소스 콘택(160)과 드레인 콘택(180)이 완성된다.Next, by removing the photoresist pattern used for etching the metal layer, the
다음, 도 4i를 참조하면, 소스 및 드레인 콘택(160, 180)과 소스 및 드레인 패드(152, 154) 각각이 접촉될 영역의 상부를 노출시키고 게이트 전극(170)을 덮는 중간 유전층(140)을 형성한다. 패시베이션층(130)과 동일한 물질로 중간 유전층(140)을 형성할 수 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.Next, referring to FIG. 4I, an
다음, 도 1을 참조하면, 소스 콘택(160) 및 드레인 콘택(180)과 각각 콘택하는 소스 및 드레인 패드(152, 154)를 형성한다. 소스 및 드레인 패드(152, 154)가 형성되는 동안 하부 금속층(102)이 동시에 형성될 수 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 하부 금속층(102)은 소스 및 드레인 패드(152, 154)가 형성된 이후에 형성될 수도 있다.Referring now to FIG. 1, source and drain pads 152 and 154 are formed that respectively contact the
전술한 실시 예에서 식각 공정을 위해 포토 리소그라피법을 예로 하여 설명하였으나, 실시 예는 이에 국한되지 않으며 e-bem 리소그라피법 또는 nano-imprinted 리소그라피법에 의해서도 식각 공정을 수행할 수 있음은 물론이다.Although the photolithography process has been described as an example of the etching process in the above-described embodiments, the present invention is not limited thereto. It is needless to say that the etching process can also be performed by the e-bem lithography method or the nano-imprinted lithography method.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood that various modifications and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments can be modified and implemented. It is to be understood that all changes and modifications that come within the meaning and range of equivalency of the claims are therefore intended to be embraced therein.
100: 전력 반도체 소자 102: 하부 금속층
104: 절연층 110: 기판
120: 에피층 122: 전이층
124: 제1 질화물 반도체층 126: 제2 질화물 반도체층
130: 패시베이션층 140: 중간 유전층
152: 소스 패드 154: 드레인 패드
160: 소스 콘택 170: 게이트 전극
180: 드레인 콘택 190: 게이트 절연층100: power semiconductor element 102: lower metal layer
104: insulating layer 110:
120: epi layer 122: transition layer
124: first nitride semiconductor layer 126: second nitride semiconductor layer
130: passivation layer 140: intermediate dielectric layer
152: source pad 154: drain pad
160: source contact 170: gate electrode
180: drain contact 190: gate insulating layer
Claims (9)
상기 절연층 위에 배치된 기판;
상기 기판 위에 배치된 에피층;
상기 에피층 위에 배치된 게이트 전극; 및
상기 에피층을 관통하고, 상기 게이트를 사이에 두고 서로 이격되어 배치된 소스 및 드레인 콘택을 포함하는 전력 반도체 소자.Insulating layer;
A substrate disposed over the insulating layer;
An epi layer disposed on the substrate;
A gate electrode disposed on the epi layer; And
And source and drain contacts spaced from each other across the gate and across the epi layer.
상기 게이트 전극과, 상기 소스 콘택과, 상기 드레인 콘택은 상기 패시베이션층을 관통하여 배치된 전력 반도체 소자.2. The device of claim 1, further comprising a passivation layer disposed over the epilayer,
Wherein the gate electrode, the source contact, and the drain contact are disposed through the passivation layer.
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KR20220136002A (en) * | 2021-03-30 | 2022-10-07 | 삼성전자주식회사 | Power semiconductor device and method of fabricating the same |
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JP2013197566A (en) * | 2012-03-23 | 2013-09-30 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Power semiconductor device and method of manufacturing the same |
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- 2013-10-02 KR KR1020130118117A patent/KR102099437B1/en active IP Right Grant
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