KR20150090702A - 갈륨함유 질화물 반도체 소자의 저항성 금속 접촉 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 갈륨함유 질화물 반도체 소자의 저항성 금속 접촉 및 이의 제조 방법에 관한 것으로,
상기 방법은 포토 리소그라피 공정을 통해 질화물계 기판의 상부면을 식각하여 금속 접촉 형성 영역에 대응되는 패턴을 형성하는 단계; 상기 질화물계 기판 위에 금속 접촉 미형성 영역에 대응되는 패턴을 가지는 포토 레지스터 패턴을 형성하는 단계; 상기 질화물계 기판과 상기 포토 레지스터 패턴 위에 미세 분말 형태의 절연 물질을 산포하는 단계; 상기 절연 물질이 산포된 상기 질화물계 기판과 상기 포토 레지스터 패턴 위에 금속을 형성하는 단계; 상기 포토 레지스터 위에 형성된 절연 물질과 금속을 리프트-오프시키는 단계; 및 열처리를 진행하여 상기 질화물계 기판에 형성된 금속이 저저항 특성을 가지도록 하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

갈륨함유 질화물 반도체 소자의 저항성 금속 접촉 및 이의 제조 방법{METAL CONTACT HAVING RESISTANCE CHARACTERISTICS OF GaN SEMICONDUCTOR DEVICE AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 갈륨함유 질화물 반도체 소자의 저항성 금속 접촉 제조 기술에 관한 것으로, 특히 질화물계 기판에 저항성 금속 접촉을 형성하는 경우, 금속 합금이 과반응되고 표면 형상이 비이상적으로 거칠어지게 것을 최소화시킬 수 있도록 하는 갈륨함유 질화물 반도체 소자의 저항성 금속 접촉 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

갈륨함유반도체인 질화갈륨(GaN) 기판은 직접 천이의 넓은 에너지갭을 갖는 물질로, 청색발광이 가능하여 광소자로 이용되며, 알루미늄 갈륨 질화물(AlGaN) 등과의 이종접촉은 높은 전자이동도 특성을 나타내며 우수하고 물리적, 화학적으로 매우 안정하여 전력반도체 소자의 기판으로 이용되기도 한다.

GaN으로 구현된 반도체 기판에 제작되는 소자에는 전극이 형성되는데, 일반적으로 금속과 반도체 사이의 접촉은 정류성 접촉으로 형성되기 때문에 저항성 특성을 갖는 접촉을 형성하여야 한다.

갈륨함유반도체의 저항성 금속으로는 주로 Ti/Al/Ni/Au의 다층구조의 금속 조합이 이용되는데, 이는 기판 위에 금속을 증착한 뒤 열처리를 하여 금속-반도체의 접촉이 저항성 특성을 가지도록 한다. 이 열처리는 금속과 반도체 사이의 접촉이 저항성 특성을 갖도록 변화시키지만 금속과 반도체, 열처리에 필요한 온도는 알루미늄(Al)의 용융온도보다 높아 금속 합금(alloy)들을 형성하게 된다.

그러나, 이들 금속 합금(alloy)은 부분적으로 과도한 반응을 나타내 매우 큰 덩어리들을 형성하여 기판의 표면 형상을 거칠게 할 뿐 아니라 불균일한 특성을 초래하기도 한다. 또한, 금속과 금속사이의 과도한 반응으로 금속 표면의 형상이 매우 거칠어질 뿐 아니라 전류의 흐름이 균일하게 되지 않으므로 인해 열화를 발생할 수 있다.

또한, 열처리 시간은 열처리 온도에 비례하여 길어지는 데 열처리 시간이 길어질수록 금속 합금들의 과반응 정도가 더욱 증가하여, 금속 함금의 크기는 더욱 커지게 되고, 이에 따라 표면 형상은 더욱 거칠어지게 된다.

도1은 열처리 시간에 따른 변화되는 표면 형상의 일례를 도시한 도면으로, 이를 참고하면, 850℃에서 60초 동안 열처리한 경우에 비해, 850℃에서 120초 동안 열처리한 경우에 금속 합금의 덩어리 크기는 증가되고, 표면 형상은 더욱 거칠어졌음을 알 수 있다.

즉, 열처리 시간이 증가함에 따라 보다 많은 금속 합금이 과도한 반응을 나타내 큰 덩어리들을 형성하며, 금속과 금속사이의 과도한 반응이 증가하여 표면 형상이 더욱 거칠어지게 됨을 알 수 있다.

따라서 특성을 개선하기 위하여 종래에 여러 가지 방법들이 제안된 바 있다. 종래의 방법들로는 내열성 금속을 이용하거나, 금속이 접촉되는 기판에 손상을 가하고, 기판에 불순물을 주입하고, 다단계로 열처리를 하는 방법 등이 있는데, 이들 방법은 열처리 과정을 번거롭게 하거나, 전기적 특성을 저하시키는 등 적용하는데 따른 문제점들을 갖고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 질화물계 기판과 금속 접촉 사이에 횡 방향 반응을 억제하는 미세 분말을 산포함으로써, 금속 합금이 과반응하여 금속 합금의 크기가 증가되고 표면 형상이 거칠어지는 현상의 발생이 최소화될 수 있도록 하는 갈륨함유 질화물 반도체 소자의 저항성 금속 접촉 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 포토 리소그라피 공정을 통해 질화물계 기판의 상부면을 식각하여 금속 접촉 형성 영역에 대응되는 패턴을 형성하는 단계; 상기 질화물계 기판 위에 금속 접촉 미형성 영역에 대응되는 패턴을 가지는 포토 레지스터 패턴을 형성하는 단계; 상기 질화물계 기판과 상기 포토 레지스터 패턴 위에 미세 분말 형태의 절연 물질을 산포하는 단계; 상기 절연 물질이 산포된 상기 질화물계 기판과 상기 포토 레지스터 패턴 위에 금속을 형성하는 단계; 상기 포토 레지스터 위에 형성된 절연 물질과 금속을 리프트-오프시키는 단계; 및 열처리를 진행하여 상기 질화물계 기판에 형성된 금속이 저저항 특성을 가지도록 하는 단계를 포함하는 갈륨함유 질화물 반도체 소자의 저항성 금속 접촉 제조 방법을 제공한다.

상기 절연 물질은 산화 알루미늄(Al2O3), 실리카(SiO), 질화규소(SiN) 중 하나로 구현되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 절연 물질은 니오브(Nb), 탄탈(Ta),몰리브덴(Mo), 텅스턴(W) 중 하나의 내열성금속으로 구현되는 것을 특징으로 한다.

상기 질화물계 기판은 기판, 버퍼층, GaN 층, AlGaN 층이 순차적으로 적층된 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 질화물계 기판의 상부면을 식각하여 금속 접촉 형성 영역에 대응되는 패턴을 형성하는 단계는 금속 접촉 미형성 영역에 형성된 상기 GaN 층과 상기 AlGaN 층을 식각하여, 금속 접촉 형성 영역에 대응되는 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 금속 접촉 형성 영역에 대응되는 패턴이 형성된 질화물계 기판; 상기 질화물계 기판의 패턴 위에 산포된 미세 분말 형태의 절연 물질; 및 상기 절연 물질이 산포된 상기 질화물계 기판의 패턴 위에 증착 및 열처리된 금속;을 포함하는 갈륨함유 질화물 반도체 소자를 제공한다.

본 발명에서는 저항성 금속 접촉의 금속 형상과 표면 거칠기를 개선할 수 있도록 한다. 이에 따라 본 발명의 저항성 금속 접촉 제조 방법을 적용하여 반도체 소자를 제조할 경우, 반도체 소자의 제작공정에서 평탄면을 용이하게 형성할 수 있으며, 미세한 패턴형성과 3차원 구조의 제작이 용이해진다. 또한 균일한 전류의 흐름을 저해하여 열화의 원인이 되는 과도한 반응에 의한 큰 덩어리들의 형성이 제한되어, 보다 향상된 재현성을 보장할 수 있게 된다.

도1은 열처리 시간에 따른 변화되는 표면 형상의 일례를 도시한 도면이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 갈륨함유 질화물 반도체 소자의 저항성 금속 접촉의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도3a 내지 도3g은 본 발명의 일 실시예에 따른 갈륨함유 질화물 반도체 소자의 저항성 금속 접촉의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따라 절연 물질이 산포된 반도체 기판을 전자현미경을 통해 촬영한 사진이다.
도5는 종래 기술에 따른 저항성 금속 접촉과 본 발명의 일 실시예에 따른 저항성 금속 접촉의 표면 형상을 비교한 도면이다.
도6은 종래 기술에 따른 저항성 금속 접촉과 본 발명의 일 실시예에 따른 저항성 금속 접촉의 표면 거칠기를 비교한 도면이다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 갈륨함유 질화물 반도체 소자의 저항성 금속 접촉의 구조를 적용한 트랜지스터를 도시한 도면이다.

본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 갈륨함유 질화물 반도체 소자의 저항성 금속 접촉의 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 갈륨함유 질화물 반도체 소자는 사파이어(Al2O3) 또는 실리콘 카바이드(SiC) 기판(1), 버퍼층(2), GaN 층(3), AlGaN 층(4)이 순차적으로 적층되며, GaN 층(3) 및 AlGaN 층(4)을 통해 저항성 금속 접촉 형성을 위한 패턴이 형성된 질화물계 기판(10), AlGaN 층(4) 위에 미세 분말 형태로 산포된 절연 물질(7), 절연 물질(7)이 산포된 AlGaN 층(4)에 형성된 저항성 금속(8) 등을 포함하여 구성된다.

즉, 본 발명에서는 고온에서도 금속과의 반응이 잘 되지 않는 절연 물질을 미세 분말 형태로 질화물계 기판(10) 위에 도포한 뒤 금속을 증착함으로써, 저항성 금속 접촉 형성을 위한 열처리 과정에서 금속과 금속, 금속과 반도체 사이의 과도한 결합이 억제되도록 하고, 이에 따라 표면 형상의 나빠짐을 개선하고 전기적 특성을 개선할 수 있도록 한다.

이때, 본 발명의 절연 물질(7)은 산화 알루미늄(Al2O3), 실리카(SiO), 질화규소(SiN) 등으로 구현되는 것이 바람직하나, 경우에 따라서는 니오브(Nb), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo), 텅스턴(W)과 같은 내열성 금속 중 하나를 통해 구현될 수도 있다. 물론, 상기 물질 이외에 금속과 금속, 금속과 반도체 사이의 과도한 결합을 억제할 수 있는 물질이 존재한다면, 이 또한 적용될 수 있을 것이다.

이하, 도3a 내지 도3g를 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 갈륨함유 질화물 반도체 소자의 저항성 금속 접촉의 제조 방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도3a에 도시된 바와 같이, 사파이어 또는 SiC 기판(1)에 버퍼층(2)을 형성한 후, 도전층이 형성되도록 버퍼층(2)위에 양질의 GaN 층(3)과 AlGaN 층(4)을 순차적으로 성장시켜 질화물계 기판(10)을 마련한다.

그리고 도3b에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(10)의 AlGaN층(4) 위에, 금속 접촉 형성 영역에 대응되는 패턴을 가지는 포토 레지스트막(5)을 도포한다. 이때, 포토 레지스트막은 기판위에 마스크를 통하여 회로를 노광하고, 이후 열처리 과정을 통해 현상하여 필요한 패턴을 형성하는 포토 리소그래피 공정에 의해 형성되도록 한다.

그리고 도3c에 도시된 바와 같이, 포토 레지스트막(5)이 도포되지 않은 반도체 기판(10)의 상부 표면을 식각하여 소자가 제작될 활성층 영역을 구분한 후, 포토레지스트 막(5)을 제거한다. 이때, 반도체 기판(10)의 AlGaN 층(4)은 포토 레지스트막(5)이 도포되지 않은 영역 모두가 식각되며, GaN 층(3)은 포토 레지스트막(5)이 도포되지 않은 영역의 상부 표면 일부만 식각되도록 한다.

그리고 도3d에 도시된 바와 같이, 금속 증착 후 리프트-오프가 가능하도록 역경사면을 갖는 포토레지스트 패턴(6)을 금속 접촉 형성 영역의 주위에 형성한다.

그리고 도3e에 도시된 바와 같이, 반도체 기판의 전 영역에 미세 분말 형태를 가지는 절연 물질(7)을 고르게 산포한다. 미세 분말 형태의 절연 물질(7)은 탈 이온수에 혼합되어 분산된 다음, 회전도포기를 이용하는 방식으로 용이하게 산포될 수 있다.

도4는 본 발명의 일 실시예에 따라 절연 물질이 산포된 반도체 기판을 전자현미경을 통해 촬영한 사진으로, 이를 참고하면, 절연 물질은 미세 분말 형태로 반도체 기판 전 영역상에 고르게 산포되어 있음을 알 수 있다.

그리고 도3f에 도시된 바와 같이, 금속 접촉(8)을 순차적으로 진공 증착 방법을 이용하여 증착한다.

그리고 도3g에 도시된 바와 같이, 저항성 접촉이 형성될 부분을 제외한 금속(8)은 포토 레지스트 패턴(6)과 함께 리프트-오프 방법으로 제거한다. 이때, 금속(8)은 타이타늄(Ti), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 금(Au)의 적층으로 구현될 수 있다.

마지막으로, 금속 접촉의 형성이 완료되면, 열처리를 진행하여 이 금속 접촉이 저저항 특성을 나타내도록 한다.

이와 같은 제조 공정을 통해 제작된 저항성 금속 접촉은 종래의 방법으로 제작되는 저항성 금속 접촉에 비하여 크게 개선된 표면 형상을 가지게 된다. 종래의 방법에서는 열처리 하는 동안에 횡 방향으로 금속의 용융과 뭉침 반응이 제한되지 않으나, 본 발명에서는 기판상에 산포된 절연 분말이 횡 방향의 반응을 제한하기 때문에 금속의 표면 형상과 거칠기가 개선되게 된다.

도5는 종래 기술에 따른 저항성 금속 접촉과 본 발명의 일 실시예에 따른 저항성 금속 접촉의 표면 형상을 비교한 도면으로, (a)는 종래 기술에 따른 저항성 금속 접촉의 표면 형상을, (b)은 저항성 금속 접촉의 표면 형상을 나타낸다.

(a)를 참고하면, 종래의 기술에 따른 표면 형상은 850 ℃의 열처리 온도에서 시간에 따라 표면 형상이 점차 거칠어지나, (b)에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 표면 형상은 열처리 시간에 따른 변화가 크게 줄어들며, 온도에 따른 변화도 크게 감소함을 알 수 있다.

도6은 종래 기술에 따른 저항성 금속 접촉과 본 발명의 일 실시예에 따른 저항성 금속 접촉의 표면 거칠기를 비교한 도면이다.

즉, 850 ℃의 온도하에서 열처리 시간을 30초에서 120초로 순차적으로 증가하였을 때, 종래의 방법에 의한 금속 접촉의 표면 거칠기는 158 nm 로부터 257 nm 까지 증가하였으나, 본 발명의 방법에 따르면 99 nm에서 96 nm 로 표면 거칠기의 변화가 거의 나타나지 않음을 알 수 있다.

본 발명의 갈륨함유 질화물 반도체 소자의 저항성 금속 접촉의 구조는 갈륨함유 질화물 반도체의 트랜지스터, 다이오드, 저항체, 집적회로와 같은 반도체 소자에 다양하게 적용될 수 있을 것이다.

도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 갈륨함유 질화물 반도체 소자의 저항성 금속 접촉의 구조를 적용한 트랜지스터를 도시한 도면이다.

도7을 참고하면, 본 발명이 적용된 트랜지스터는 기판(1)에 GaN 층(3) 및 AlGaN 층(4)이 적층된 질화물계 기판(10), AlGaN 층(4) 위에 서로 이격되어 형성된 소오스 전극(20) 및 드레인 전극(30), 게이트 전극(40) 포함하되, 소오스 전극(20)과 AlGaN 층(4) 사이, 그리고 드레인 전극(30)과 AlGaN 층(4) 사이에 미세 분말 형태를 가지는 절연 물질(7)이 산포되도록 한다. 또한, 소오스 전극(20) 및 드레인 전극(30)의 하부 영역에는 금속열처리로 확장된 저항성 접촉영역(21,31)이 위치된다.

즉, Ti/Al/Ni/Au로 구현되는 소오스 전극(20) 과 드레인 전극(30)을 증착하기 이전에 AlGaN 층(4)에 미세 분말 형태의 절연 물질(7)이 산포되도록 함으로써, 기판 표면과 금속 접촉의 표면이 과도하게 거칠어지는 것을 방지하도록 하고, 이에 따라 전극의 미세 패턴화가 가능해지고, 또한 전극을 통한 전류 흐름도 균일해지도록 한다.

또한 이와 동일한 원리로, 다이오드, 저항체, 집적회로 제조시에 질화물계 기판(10) 위에 금속을 직접 증착해야 하는 경우가 발생하면, 금속 증착 이전에 기판(10)상에 미세 분말 형태의 절연 물질을 산포함으로써, 상기의 효과를 확보할 수 있도록 한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

1. 포토 리소그라피 공정을 통해 질화물계 기판의 상부면을 식각하여 금속 접촉 형성 영역에 대응되는 패턴을 형성하는 단계;
   상기 질화물계 기판 위에 금속 접촉 미형성 영역에 대응되는 패턴을 가지는 포토 레지스터 패턴을 형성하는 단계;
   상기 질화물계 기판과 상기 포토 레지스터 패턴 위에 미세 분말 형태의 절연 물질을 산포하는 단계;
   상기 절연 물질이 산포된 상기 질화물계 기판과 상기 포토 레지스터 패턴 위에 금속을 형성하는 단계;
   상기 포토 레지스터 위에 형성된 절연 물질과 금속을 리프트-오프시키는 단계; 및
   열처리를 진행하여 상기 질화물계 기판에 형성된 금속이 저저항 특성을 가지도록 하는 단계를 포함하는 갈륨함유 질화물 반도체 소자의 저항성 금속 접촉 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 절연 물질은
   산화 알루미늄(Al2O3), 실리카(SiO), 질화규소(SiN) 중 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 갈륨함유 질화물 반도체 소자의 저항성 금속 접촉 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 절연 물질은
   니오브(Nb), 탄탈(Ta),몰리브덴(Mo), 텅스턴(W) 중 하나의 내열성금속으로 구현되는 것을 특징으로 하는 갈륨함유 질화물 반도체 소자의 저항성 금속 접촉 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 질화물계 기판은
   기판, 버퍼층, GaN 층, AlGaN 층이 순차적으로 적층된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 갈륨함유 질화물 반도체 소자의 저항성 금속 접촉 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 질화물계 기판의 상부면을 식각하여 금속 접촉 형성 영역에 대응되는 패턴을 형성하는 단계는
   금속 접촉 미형성 영역에 형성된 상기 GaN 층과 상기 AlGaN 층을 식각하여, 금속 접촉 형성 영역에 대응되는 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 갈륨함유 질화물 반도체 소자의 저항성 금속 접촉 제조 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 갈륨함유 질화물 반도체 소자의 저항성 금속 접촉 제조 방법을 이용하는 갈륨함유 질화물 반도체의 트랜지스터 제조 방법.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 갈륨함유 질화물 반도체 소자의 저항성 금속 접촉 제조 방법을 이용하는 갈륨함유 질화물 반도체의 다이오드 제조 방법.
8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 갈륨함유 질화물 반도체 소자의 저항성 금속 접촉 제조 방법을 이용하는 갈륨함유 질화물 반도체의 저항체 제조 방법.
9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 갈륨함유 질화물 반도체 소자의 저항성 금속 접촉 제조 방법을 이용하는 갈륨함유 질화물 반도체의 집적회로 제조 방법.
10. 금속 접촉 형성 영역에 대응되는 패턴이 형성된 질화물계 기판;
    상기 질화물계 기판의 패턴 위에 산포된 미세 분말 형태의 절연 물질; 및
    상기 절연 물질이 산포된 상기 질화물계 기판의 패턴 위에 증착 및 열처리된 금속;을 포함하는 갈륨함유 질화물 반도체 소자.

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