KR20150091704A - Nitride semiconductor and method thereof - Google Patents

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KR20150091704A
KR20150091704A KR1020140012236A KR20140012236A KR20150091704A KR 20150091704 A KR20150091704 A KR 20150091704A KR 1020140012236 A KR1020140012236 A KR 1020140012236A KR 20140012236 A KR20140012236 A KR 20140012236A KR 20150091704 A KR20150091704 A KR 20150091704A
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고화영
장태훈
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엘지전자 주식회사
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Abstract

The present invention relates to a nitride semiconductor device and a manufacturing method thereof and, more particularly, to a nitride semiconductor device and a manufacturing method thereof, capable of reducing etching damage and reducing a gate current and maintaining the basic properties of the semiconductor device by forming an insulation film (or insulation layer) on the upper side and the lower side of the p-type gate layer made of AlGaN or GaN doped with a p-type dopant. For this, the semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a GaN channel layer, an AlGaN barrier layer which is formed on the GaN channel layer, a first gate insulation layer which is formed on a gate region defined on a part of the region of the AlGaN barrier layer, a p-type gate layer which is formed on the first gate insulation layer, is doped with the p-type dopant and is made of AlxG1-xN (0<=x<=1), and a second gate insulation layer which is formed on the p-type gate layer.

Description

질화물 반도체 소자 및 그 제조 방법{Nitride semiconductor and method thereof}[0001] NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING [0002]

본 명세서는 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.

Green energy 가 강조되면서 전력 반도체의 중요성이 더 높아지고 있다. 전기 자동차, 에어컨, 냉장고등의 인버터에 사용되는 전력 반도체는 현재 Silicon으로 제작 되고 있다. 하지만 새로운 물질의 질화물 반도체는 실리콘에 비해 높은 임계 전계, 낮은 on저항, 고온과 고주파 동작 특성이 주목되는 것으로써 차세대 전력 반도체 소자의 재료로 선행 연구되고 있다.With the emphasis on green energy, the importance of power semiconductors is growing. Power semiconductors used in inverters such as electric vehicles, air conditioners and refrigerators are currently being manufactured by Silicon. However, nitride semiconductors of new materials are attracting attention as high critical electric field, low on resistance, high temperature and high frequency operation characteristics as compared with silicon and are being studied as materials of next generation power semiconductor devices.

고출력 전력 소자에는 최근에 주류로, 크게 MOSFET와 IGBT가 있으며, GaN 계열로도 HEMT, HFET 및 MOSFET등의 소자가 연구되어 지고 있다. Recently, mainstream power MOSFETs and IGBTs have been widely used in high output power devices, and devices such as HEMTs, HFETs, and MOSFETs have been studied in GaN series.

HEMT의 경우, 높은 전자의 이동도를 이용하여, 고주파 특성의 통신소자 등에 이용되어 지고 있다.In the case of HEMTs, high-electron mobility is used for communication devices having high-frequency characteristics.

또한, HEMT는 전력용 반도체 및 고주파 특성의 통신소자 등에 이용되어 지고 있다. 최근에는 하이브리드/연료 전지 자동차의 개발이 진행되고 있으며, 국외 여러 기업에서 하이브리드 자동차를 출시하고 있다. 하이브리드 자동차내 모터와 발전기(generator)를 연결하는 voltage booster converter 및 inverter내 반도체 스위치는 엔진에서 발생하는 열로 인하여 고온에서 신뢰적인 동작을 요구한다. GaN는 와이드 밴드갭으로 인하여 신뢰적인 고온 동작이 가능하며, 하이브리드 자동차내 차세대 반도체 스위치로 적합하다. In addition, HEMTs have been used for power semiconductor devices and communication devices with high frequency characteristics. In recent years, hybrid / fuel cell vehicles are being developed, and hybrid cars are being launched by many overseas companies. A voltage booster converter that connects a motor and a generator in a hybrid vehicle and a semiconductor switch in the inverter require reliable operation at high temperatures due to the heat generated by the engine. The wide bandgap of GaN enables reliable high temperature operation and is suitable as a next-generation semiconductor switch in hybrid vehicles.

그 중 일본 Furukawa Electric이 AlGaN/GaN 고전자 이동도 트랜지스터 (high-electron-mobility transistor, HEMT) discrete를 발표하였으며, 750 V의 높은 항복 전압과 6.3 mΩ-cm2의 낮은 온-저항을 가져 기존 Si MOSFET, Si superjunction MOSFET 및 SiC MESFET에 비하여 우수한 특성을 가짐을 증명하였다. 또한 발표된 GaN discrete는 225℃의 고온에서도 안정적인 스위칭 동작을 하였다.Among them, Furukawa Electric of Japan has announced the discrete high-electron-mobility transistor (HEMT) of AlGaN / GaN. It has high breakdown voltage of 750 V and low on-resistance of 6.3 mΩ-cm2, , Si superjunction MOSFET and SiC MESFET. In addition, GaN discrete was stable at a high temperature of 225 ℃.

도 1은 이종접합 전계 효과 트랜지스터(HFET)의 일반적인 구조를 나타내는 예시도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is an exemplary diagram illustrating the general structure of a heterojunction field effect transistor (HFET).

도 1을 참조하면, 일반적인 HFET는 드레인 전극에서 소스 전극으로 흐르는 2DEG 전류를 쇼트키(schottky) 게이트 전극을 통해 스위칭(switching) 동작을 할 수 있다.Referring to FIG. 1, a general HFET can switch a 2DEG current flowing from a drain electrode to a source electrode through a schottky gate electrode.

일반적인 HFET(10)는 기판(미도시), 상기 기판상에 형성된 제 1 GaN층(11), 상기 제 1 GaN층 상에 형성되는 AlGaN층(12), 상기 AlGaN층 상에 형성되는 제 2 GaN층(13), 상기 제 2 GaN층 상에 형성되는 게이트 전극(14), 소스 전극(15) 및 드레인 전극(16)을 포함할 수 있다.A general HFET 10 includes a substrate (not shown), a first GaN layer 11 formed on the substrate, an AlGaN layer 12 formed on the first GaN layer, a second GaN layer 12 formed on the AlGaN layer, A layer 13, a gate electrode 14, a source electrode 15 and a drain electrode 16 formed on the second GaN layer.

한편, 이러한 종류의 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.On the other hand, this kind of HFET device is excellent in voltage and current characteristics and many attempts have been made to use it as a high output power device. However, unlike other devices such as MOSFET and IGBT, a disadvantage .

본 명세서에 개시된 기술은, 질화물 반도체 소자 및 제작 방법에 관한 것으로, p형 도펀트로 도핑된 GaN 또는 AlGaN으로 이루어지는 p형 게이트 층의 상층부 및 하층부에 절연막(또는 절연층)을 형성하여 반도체 소자의 기본적인 특성을 유지하면서 게이트 전류 감소 및 에칭 데미지(etching damage)를 감소시킬 수 있는 질화물 반도체 소자 및 그 제조 방법을 제작하는 데 그 목적이 있다.The technique disclosed in this specification relates to a nitride semiconductor device and a manufacturing method thereof, in which an insulating film (or an insulating layer) is formed on upper and lower portions of a p-type gate layer made of GaN or AlGaN doped with a p- And a nitride semiconductor device capable of reducing a gate current and reducing etching damage while maintaining characteristics of the nitride semiconductor device.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 명세서에 따른 반도체 소자는, GaN 채널층; 상기 GaN 채널층 상에 형성된 AlGaN 장벽층; 상기 AlGaN 장벽층 상의 일부 영역에 정의된 게이트 영역에 형성되고, 제 1 게이트 절연층; 상기 제 1 게이트 절연층 상에 형성된 p형 도펀트로 도핑되며, AlxGa1 - xN(0≤x≤1)으로 이루어지는 p형 게이트 층; 및 상기 p형 게이트 층 상에 형성된 제 2 게이트 절연층을 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a GaN channel layer; An AlGaN barrier layer formed on the GaN channel layer; A first gate insulating layer formed in a gate region defined in a partial region on the AlGaN barrier layer; A p-type gate layer doped with a p-type dopant formed on the first gate insulating layer and made of Al x Ga 1 - x N (0 ? X ? 1); And a second gate insulating layer formed on the p-type gate layer.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 반도체 소자는, 상기 제 2 게이트 절연층 상에 형성된 게이트 전극을 더 포함할 수 있다.As an example related to the present specification, the semiconductor device may further include a gate electrode formed on the second gate insulating layer.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 p형 도펀트는, Mg, C, Zn 및 Fe 중 적어도 하나인 것일 수 있다.As one example related to the present specification, the p-type dopant may be at least one of Mg, C, Zn, and Fe.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 p형 도펀트의 농도는, 1e12/cm3 ~ 1e21/cm3 인 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the concentration of the p-type dopant, may be one of 1e 12 / cm 3 ~ 1e 21 / cm 3.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 p형 게이트 층의 두께는, 1 nm ~ 1 um인 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the thickness of the p-type gate layer may be 1 nm to 1 μm.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제 1 게이트 절연층은, AlN 및 SixNy 중 적어도 하나의 물질로 이루어진 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the first gate insulating layer may be made of at least one of AlN and Si x N y .

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제 1 게이트 절연층의 두께는, 0.1 nm ~ 5 nm인 것일 수 있다.As one example related to the present specification, the thickness of the first gate insulating layer may be 0.1 nm to 5 nm.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제 2 게이트 절연층은, SiO2, SixNy, HfO2, Al2O3, ZnO, AlN 및 Ga2O3 중 적어도 하나의 물질로 이루어진 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the second gate insulating layer may be made of at least one of SiO 2 , Si x N y , HfO 2 , Al 2 O 3 , ZnO, AlN, and Ga 2 O 3 .

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제 2 게이트 절연층의 두께는, 1 nm ~ 100 nm인 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the thickness of the second gate insulating layer may be 1 nm to 100 nm.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 반도체 소자는, 상기 AlGaN 장벽층의 일부 영역 상에 형성되는 소스 전극 및 드레인 전극을 더 포함할 수 있다.As an example related to the present specification, the semiconductor device may further include a source electrode and a drain electrode formed on a part of the AlGaN barrier layer.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 GaN 채널층의 두께는, 0.5um ~ 10um인 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the thickness of the GaN channel layer may be 0.5 um to 10 um.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 GaN 채널층은, Mg, C 및 Fe 중 적어도 하나의 도펀트로 도핑되는 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the GaN channel layer may be doped with at least one dopant of Mg, C and Fe.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 적어도 하나의 도펀트 농도는, 3e17/cm3 ~ 1e20/cm3인 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the at least one dopant concentration may be 3e 17 / cm 3 to 1e 20 / cm 3 .

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 AlGaN 장벽층의 두께는, 0.1nm ~ 100nm인 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the thickness of the AlGaN barrier layer may be 0.1 nm to 100 nm.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 AlGaN 장벽층은, Al의 조성이 서로 다른 AlGaN으로 이루어진 복수의 층을 포함하는 것일 수 있다.As one example related to the present specification, the AlGaN barrier layer may include a plurality of layers made of AlGaN having different compositions of Al.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 Al의 조성이 서로 다른 AlGaN으로 이루어진 복수의 층의 개수는, 2 ~ 5인 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the number of the plurality of layers made of AlGaN having different Al compositions may be 2 to 5.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 AlGaN 장벽층의 Al 조성은, 적층 방향으로 특정 기울기를 가지고 연속적으로 감소되는 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the Al composition of the AlGaN barrier layer may be continuously decreased with a specific slope in the stacking direction.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 AlGaN 장벽층의 Al 조성은, 적층 방향으로 불연속적으로 감소되는 것일 수 있다.As one example related to the present specification, the Al composition of the AlGaN barrier layer may be discontinuously decreased in the stacking direction.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 GaN 채널층은, 버퍼층 상에 형성된 것일 수 있다.As one example related to the present specification, the GaN channel layer may be formed on the buffer layer.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 버퍼층의 두께는, 1 nm ~ 7 um인 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the thickness of the buffer layer may be 1 nm to 7 um.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 버퍼층은, AlN으로 이루어진 AlN 버퍼층 및 AlGaN으로 이루어진 AlGaN 버퍼층 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the buffer layer may include at least one of an AlN buffer layer made of AlN and an AlGaN buffer layer made of AlGaN.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 GaN 채널층은, 기판 상에 형성되는 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the GaN channel layer may be formed on a substrate.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 기판은, Si, SiC, Sapphire 및 GaN 중 적어도 하나로 이루어지는 것일 수 있다.As one example related to the present specification, the substrate may be made of at least one of Si, SiC, Sapphire, and GaN.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제 1 게이트 절연층 및 상기 제 2 게이트 절연층은, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD) 및 ALD(atomic layer deposition) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the first gate insulating layer and the second gate insulating layer may be formed based on at least one of metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) and atomic layer deposition (ALD).

상기 목적들을 달성하기 위한 본 명세서에 따른 반도체 소자의 제조방법은, GaN 채널층 상에 AlGaN 장벽층을 형성시키는 단계; 상기 AlGaN 장벽층 상의 일부 영역에 정의된 게이트 영역에 제 1 게이트 절연층을 형성시키는 단계; 상기 제 1 게이트 절연층 상에 p형 도펀트로 도핑되며, AlxGa1 - xN(0≤x≤1)으로 이루어지는 p형 게이트 층을 형성시키는 단계; 및 상기 p형 게이트 층 상에 제 2 게이트 절연층을 형성시키는 단계를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a semiconductor device, comprising: forming an AlGaN barrier layer on a GaN channel layer; Forming a first gate insulating layer in a gate region defined in a portion of the AlGaN barrier layer; Forming a p-type gate layer doped with a p-type dopant on the first gate insulating layer and made of Al x Ga 1 - x N (0 ? X ? 1); And forming a second gate insulating layer on the p-type gate layer.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 반도체 소자의 제조방법은, 상기 제 2 게이트 절연층 상에 게이트 전극을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.As an example related to the present specification, the method of manufacturing a semiconductor device may further include forming a gate electrode on the second gate insulating layer.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 p형 도펀트는, Mg, C, Zn 및 Fe 중 적어도 하나인 것일 수 있다.As one example related to the present specification, the p-type dopant may be at least one of Mg, C, Zn, and Fe.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 p형 도펀트의 농도는, 1e12/cm3 ~ 1e21/cm3 인 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the concentration of the p-type dopant, may be one of 1e 12 / cm 3 ~ 1e 21 / cm 3.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 p형 게이트 층의 두께는, 1 nm ~ 1 um인 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the thickness of the p-type gate layer may be 1 nm to 1 μm.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제 1 게이트 절연층은, AlN 및 SixNy 중 적어도 하나의 물질로 이루어진 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the first gate insulating layer may be made of at least one of AlN and Si x N y .

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제 1 게이트 절연층의 두께는, 0.1 nm ~ 5 nm인 것일 수 있다.As one example related to the present specification, the thickness of the first gate insulating layer may be 0.1 nm to 5 nm.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제 2 게이트 절연층은, SiO2, SixNy, HfO2, Al2O3, ZnO, AlN 및 Ga2O3 중 적어도 하나의 물질로 이루어진 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the second gate insulating layer may be made of at least one of SiO 2 , Si x N y , HfO 2 , Al 2 O 3 , ZnO, AlN, and Ga 2 O 3 .

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제 2 게이트 절연층의 두께는, 1 nm ~ 100 nm인 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the thickness of the second gate insulating layer may be 1 nm to 100 nm.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 반도체 소자의 제조방법은, 상기 AlGaN 장벽층의 일부 영역 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.As an example related to the present specification, the method of manufacturing a semiconductor device may further include forming a source electrode and a drain electrode on a part of the AlGaN barrier layer.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제 1 게이트 절연층 및 상기 제 2 게이트 절연층은, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD) 및 ALD(atomic layer deposition) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the first gate insulating layer and the second gate insulating layer may be formed based on at least one of metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) and atomic layer deposition (ALD).

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 GaN 채널층, 상기 AlGaN 장벽층 및 상기 p형 게이트 층, 중 적어도 하나는, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE), 힐라이드 기상 성장법(HVPE), PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition), 스퍼터링(Sputtering) 및 ALD(atomic layer deposition) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다.At least one of the GaN channel layer, the AlGaN barrier layer, and the p-type gate layer may be formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), helium vapor deposition (HVPE), Plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD), sputtering, and atomic layer deposition (ALD).

본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 질화물 반도체 소자 및 제작 방법에 관한 것으로, p형 도펀트로 도핑된 GaN 또는 AlGaN으로 이루어지는 p형 게이트 층의 상층부 및 하층부에 절연막(또는 절연층)을 형성하여 반도체 소자의 기본적인 특성을 유지하면서 게이트 전류 감소 및 에칭 데미지(etching damage)를 감소시킬 수 있는 질화물 반도체 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.According to one embodiment disclosed herein, a nitride semiconductor device and a method for fabricating the same are disclosed. In the nitride semiconductor device and method of manufacturing the same, an insulating film (or an insulating layer) is formed on upper and lower portions of a p-type gate layer made of GaN or AlGaN doped with a p- A nitride semiconductor device capable of reducing gate current and etching damage while maintaining basic characteristics of a device, and a method for manufacturing the same.

특히, 본 명세서에 개시된 반도체 소자에 따르면, p형 게이트 층의 상층부 및 하층부에 절연막(또는 절연층)이 포함된 구조를 구비하는 질화물계 반도체 소자를 제공함으로써, 상기 p형 게이트 층을 포함하는 이종 접합 반도체 소자(예를 들어, HFET)의 장점을 최대한 살리면서, 게이트 전류의 감소 방지와 p형 게이트 층에 대한 식각 공정 진행시 발생하는 식각 데미지(etching damage)를 감소시킬 수 있는 이점이 있다.In particular, according to the semiconductor device disclosed in this specification, by providing a nitride-based semiconductor device having a structure in which an insulating film (or an insulating layer) is included in the upper and lower layers of a p-type gate layer, There is an advantage that it is possible to prevent the decrease of the gate current and to reduce the etching damage which occurs when the etching process for the p-type gate layer proceeds while making the most of advantages of the junction semiconductor device (for example, HFET).

또한, MOCVD 또는 ALD법을 이용하여 상기 절연막(또는 절연층)을 형성시킴에 의해 고품질의 절연체 생성 및 소자특성이 향상되는 이점이 있다.Further, by forming the insulating film (or insulating layer) using MOCVD or ALD, there is an advantage that high-quality insulator and device characteristics are improved.

도 1은 이종접합 전계 효과 트랜지스터(HFET)의 일반적인 구조를 나타내는 예시도이다.
도 2는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 구조를 나타내는 예시도이다.
도 3은 본 명세서에 개시된 또 다른 일 실시예에 따른 반도체 소자의 구성을 나타내는 예시도이다.
도 4는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 5a ~ 도 5g는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 나타내는 예시도이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is an exemplary diagram illustrating the general structure of a heterojunction field effect transistor (HFET).
2 is an exemplary view showing a structure of a semiconductor device according to an embodiment disclosed herein.
3 is an exemplary view showing a configuration of a semiconductor device according to another embodiment disclosed herein.
4 is a flowchart showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment disclosed herein.
5A to 5G are views illustrating an example of a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment disclosed herein.

본 명세서에 개시된 기술은 이종접합 전계효과 트랜지스터 및 그 제조방법에 적용될 수 있다. 그러나 본 명세서에 개시된 기술은 이에 한정되지 않고, 상기 기술의 기술적 사상이 적용될 수 있는 모든 질화물계 반도체 소자 및 그 제조방법에 적용될 수 있다.The techniques disclosed herein can be applied to a heterojunction field effect transistor and a manufacturing method thereof. However, the technique disclosed in this specification is not limited thereto, and can be applied to all nitride-based semiconductor devices to which the technical idea of the above-described technique can be applied and a manufacturing method thereof.

본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 명세서에 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. It is noted that the technical terms used herein are used only to describe specific embodiments and are not intended to limit the scope of the technology disclosed herein. Also, the technical terms used herein should be interpreted as being generally understood by those skilled in the art to which the presently disclosed subject matter belongs, unless the context clearly dictates otherwise in this specification, Should not be construed in a broader sense, or interpreted in an oversimplified sense. In addition, when a technical term used in this specification is an erroneous technical term that does not accurately express the concept of the technology disclosed in this specification, it should be understood that technical terms which can be understood by a person skilled in the art are replaced. Also, the general terms used in the present specification should be interpreted in accordance with the predefined or prior context, and should not be construed as being excessively reduced in meaning.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. Also, the singular forms "as used herein include plural referents unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprising ", or" comprising &quot;, etc. should not be construed as necessarily including the various elements or steps described in the specification, Or may be further comprised of additional components or steps.

또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. Furthermore, terms including ordinals such as first, second, etc. used in this specification can be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예들을 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals denote like or similar elements, and redundant description thereof will be omitted.

또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 그 기술의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다. Further, in the description of the technology disclosed in this specification, a detailed description of related arts will be omitted if it is determined that the gist of the technology disclosed in this specification may be obscured. It is to be noted that the attached drawings are only for the purpose of easily understanding the concept of the technology disclosed in the present specification, and should not be construed as limiting the spirit of the technology by the attached drawings.

최근, 질화물(Nitride) 반도체의 성장 기술에 따라, 자외선에서 적색 파장밴드를 포괄하는 발광 다이오드 및 청자색 레이저 다이오드의 개발이 완료되어 이미 신호등, 전광판, 핸드폰 등에 널리 사용되고 있다. In recent years, according to the growth technology of a nitride semiconductor, the development of a light emitting diode and a blue-violet laser diode covering a red wavelength band in ultraviolet rays has been completed and has already been widely used in traffic lights, electric sign boards, mobile phones and the like.

질화물 반도체를 이용한 전력소자는 Si 에 기반을 둔 소자에 비해 switching 속도나 내전압 특성이 우수하고 전류 포화속도가 커서 고출력 고전압용으로 Si 기반소자 들에 비해 많은 장점을 가지고 있다. Compared with Si-based devices, power-supply devices using nitride semiconductors have superior switching speed and withstand voltage characteristics, and have high current saturation rates, which is advantageous over Si-based devices for high-power, high-voltage applications.

즉, 질화물 반도체의 대표격인 GaN은 밴드갭 에너지가 크고 이종 접합을 통해 2차원 2DEG 채널을 형성할 수 있기 때문에 임계 전압이 크고 고속 동작을 할 수 있다. That is, since GaN, which is a typical nitride semiconductor, has a large band gap energy and can form a two-dimensional 2DEG channel through heterojunction, the threshold voltage is large and high-speed operation can be performed.

이러한 고출력, 고속 특성은 높은 동작 전압 및 스위칭 상의 적은 에너지 손실이 요구되는 전력 반도체에 매우 적합하기 때문에 차세대 전력 반도체 재료로써 주목받고 있다. These high power, high speed characteristics are attracting attention as a next generation power semiconductor material because they are well suited for power semiconductors that require high operating voltage and low energy loss on switching.

질화물 반도체는 높은 임계 전계와 높은 포화전자 이동도를 갖기 때문에, 이를 이용해 제작되는 반도체 소자는 높은 항복 전압과 큰 전류 특성을 나타낼 것으로 예상된다. 이의 예로는 AlGaN/GaN의 이종접합 구조를 바탕으로 제작되는 HFET 소자를 들 수 있다.Since nitride semiconductors have a high critical electric field and a high saturation electron mobility, a semiconductor device fabricated using the nitride semiconductor is expected to exhibit a high breakdown voltage and a large current characteristic. An example of this is an HFET device fabricated on the basis of a heterojunction structure of AlGaN / GaN.

이러한 종류의 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. This type of HFET device is excellent in voltage and current characteristics, and many attempts have been made to use it as a high output power device, but it has a disadvantage that it has a normally-on mode unlike other devices such as MOSFET and IGBT .

노멀리-온 소자의 경우 회로를 구성하는데에 있어 복잡도가 높아져 만들기 어렵기 때문에, 문턱전압 (Threshold voltage)을 높이기 위한 방안으로 플라즈마 처리, 게이트 리세스 및 p-type 도핑(p형 게이트 층 내지 p형 게이트 구조 방식) 방식이 있을 수 있다.In order to increase the threshold voltage, the plasma treatment, the gate recess and the p-type doping (p-type gate layer to p Type gate structure method).

특히, 본 명세서에 개시된 기술은, p형 도핑 방식이 적용된 노멀리-온 소자를 제공한다.In particular, the techniques disclosed herein provide a normally-on device to which a p-type doping scheme is applied.

일 실시예에 따르면, p형 게이트 구조 방식(또는 P-형 도핑 방식)은, AlGaN 장벽층(AlGaN barrier layer)위에 p-type dopant(예를 들어, Mg, Fe 등)를 사용하여 도핑한 GaN 또는 AlGaN층으로 AlGaN 장벽층과 GaN 버퍼층(GaN buffer layer) 사이에 흐르는 2DEG(2 Dimensional Electron Gas)를 공핍(Depletion)시켜 문턱전압을 높이는 방식일 수 있다.According to one embodiment, a p-type gate structure method (or a P-type doping method) is a method of forming a GaN layer on a AlGaN barrier layer (AlGaN barrier layer) using a p-type dopant (e.g., Mg, Fe or the like) Or a method of increasing the threshold voltage by depletion of 2DEG (2 Dimensional Electron Gas) flowing between the AlGaN barrier layer and the GaN buffer layer as the AlGaN layer.

일반적으로 게이트 아래에만 공핍을 시켜주기 때문에 게이트를 형성할 부분을 제외하고 나머지 p-type으로 도핑된 영역은 식각을 통해 제거해 준 뒤, 게이트 메탈을 증착하여 노멀리 오프가 구현되어 질 수 있다.Generally, since depletion is performed only under the gate, the remaining p-type doped regions except the gate forming portion are removed through etching, and then the gate metal is deposited to form a normally off state.

본 명세서에 개시된 기술은, p형 게이트 구조를 가지는 GaN(질화갈륨)계 이종접합 소자의 제작 방법에 관한 것이다. The technique disclosed in this specification relates to a method of manufacturing a GaN (GaN) -type heterojunction element having a p-type gate structure.

기존의 AlGaN/GaN소자에 비해 p형 게이트 구조(또는 p형 게이트 층)를 가지는 AlGaN/GaN HFET 소자는 동작 전압을 조절하기 용이하고, 2DEG density의 감소없이 normally-off 특성을 구현할 수 있는 소자이다.Compared to conventional AlGaN / GaN devices, AlGaN / GaN HFET devices with p-type gate structures (or p-type gate layers) can easily control the operating voltage and can achieve a normally-off characteristic without reducing the 2DEG density .

하지만, pn 접합(pn junction)이 발생하고 (p형 게이트 층과 n형의 AlGaN 또는 GaN과의 접합), 따라서 상기 pn 접합에 의한 순방향 바이어스 전류(bias current)의 조절이 어려울 수 있다.However, a pn junction occurs (junction of the p-type gate layer with n-type AlGaN or GaN), and therefore it may be difficult to control the forward bias current due to the pn junction.

본 명세서에 개시된 기술은, 상기 p형 게이트 층의 상층부 및 하층부에 절연막(후술되는 제 1 게이트 절연층 및 제 2 게이트 절연층)을 형성하여 질화물계 반도체 소자의 기본적인 특성을 유지하면서 게이트 전류 감소 및 식각 데미지(etch damage)를 감소시킬 수 있는 반도체 소자 및 제조방법을 제공한다.The technique disclosed in the present specification is characterized in that an insulating film (a first gate insulating layer and a second gate insulating layer to be described later) is formed on the upper and lower portions of the p-type gate layer to reduce the gate current and maintain the basic characteristics of the nitride- The present invention provides a semiconductor device and a manufacturing method capable of reducing etch damage.

질화물계 반도체 소자에 있어서의 In the nitride-based semiconductor device, 버퍼층에In the buffer layer 대한 설명 Explanation for

전력 반도체에서 질화물 반도체 즉, GaN는 높은 Breakdown voltage와 낮은 on저항의 소자로써 각광받고 있다. In power semiconductors, nitride semiconductors (GaN) are attracting attention as devices with high breakdown voltage and low on-resistance.

하지만 GaN을 defective하지 않으면서 적은 lattice mismatch를 유지하게 성장하기에는 그 기판의 단가가 높고, 제작하기가 어려워서 소자 성장에 어려움이 있을 수 있다.However, it is difficult to grow the device because the cost of the substrate is high and it is difficult to grow the device to maintain the lattice mismatch without defective GaN.

또한, Sapphire나 SiC를 성장 후 공정하는데 있어서 기존 반도체 공정으로는 할 수가 없어 새로운 공정 프로세스를 개발해야 할 수 있다.In addition, sapphire and SiC can not be processed by conventional semiconductor processes in post-growth process, so new process processes may need to be developed.

이런 이유로 단가가 낮고, 이미 반도체 공정 방법이 확립되어 있는 기판인 Silicon을 사용하게 되는데, Silicon의 경우에는 질화물 반도체인 GaN과의 Lattice mismatch가 커서 바로 위에 성장하게 될 경우 Epi가 defective하게 성장이 될 것이고, 소자를 제작하게 될 경우에는 defect들이 leakage path로 작용하여 소자의 leakage current를 증가될 수 있다.For this reason, we will use Silicon, which is a low-cost, low-cost substrate for semiconductor processing. In the case of Silicon, lattice mismatch with GaN, which is a nitride semiconductor, If the device is fabricated, the leakage current of the device can be increased by acting as a leakage path.

따라서, GaN과 Silicon 기판 사이에 AlGaN등의 버퍼층(buffer) 층을 삽입하게 될 경우에는 Lattice mismatch를 줄여주어서 defect density를 줄여 줄 수 있고, GaN과 Silicon의 Lattice constant의 차이로 인한 Epi stress가 줄어들어서, thicker GaN을 성장하여도, Crack의 발생을 막아주게 될 수 있다.Therefore, when a buffer layer such as AlGaN is inserted between the GaN and the silicon substrate, the defect density can be reduced by reducing the lattice mismatch, and the Epi stress due to the difference in the lattice constant between the GaN and the silicon is reduced , even if the thicker GaN is grown, the generation of cracks can be prevented.

또한, Grade AlGaN buffer를 이용한 소자의 경우에는 1 ~ 5개의 Al 조성이 다른 AlGaN 층을 AlN Nucleaiton 층 위에 성장하는 것으로써, Silicon과 GaN buffer layer 사이에 Latitice mismatch를 줄이고, 두꺼운 GaN buffer 층을 성장 시키기 위해 성장하게 되는 장점이 있을 수 있다.In the case of the device using Grade AlGaN buffer, the AlGaN layer having 1 to 5 Al compositions is grown on the AlN nucleation layer, thereby reducing the latitude mismatch between the silicon and the GaN buffer layer and growing the thick GaN buffer layer There may be advantages to grow.

이하에서는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 소자에 있어서의 버퍼층에 대해 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the buffer layer in the nitride semiconductor device according to the embodiment disclosed in this specification will be described in more detail.

lll-V족 화합물 반도체는 이종접합으로 인한 2차원 전자 가스 채널 (2-dimentional electron gas, 2DEG)로 고이동도 및 높은 전류 밀도를 가지는 소자를 제작 가능하기 때문에 고속, 고출력 소자에 유리한 장점을 가지고 있다. II-V compound semiconductors are advantageous for high-speed and high-power devices because they can produce devices with high mobility and high current density by using 2-dimentional electron gas (2DEG) due to heterojunction have.

그러나 구조적인 특성에 의해 발생하는 2DEG 때문에 소자는 노멀리-온 특성을 가지게 되며, 오프 상태를 위해서 추가적인 전압을 가해주어야 하기 때문에 소자의 대기 상태도 전력을 소모하는 단점을 가지고 있다. However, due to the 2DEG generated by the structural characteristics, the device has a normally-on characteristic, and since the additional voltage is applied for the off state, the standby state of the device also consumes power.

GaN와 같은 화합물 반도체는 Gallium과 Nitride 같의 결합 과정에서 발생하는 N-vacancy 및 반응 챔버에 존재하는 불순물에서 유래하는 도너 등으로 인해 의도적인 도핑을 하지 않아도 약한 수준의 n-type 도핑된 효과가 있다.Compound semiconductors such as GaN have a weak n-type doping effect without intentional doping due to N-vacancy occurring in the bonding process such as Gallium and Nitride, and donors derived from impurities existing in the reaction chamber .

이러한 결함 및 불순물의 GaN의 저항률을 낮추는 역할을 하며, 이로 인해 활성층 이 외 영역으로의 누설전류 문제가 발생할 수 있다. This defects and impurities act to lower the resistivity of GaN, which may cause leakage current problems to the outside region of the active layer.

MOCVD 공정은 전형적으로 1 x 1016 cm-3의 전자농도를 가지는 GaN을 형성하는 것으로 알려져 있다. The MOCVD process is known to typically form GaN with an electron concentration of 1 x 10 16 cm -3 .

또한 sapphire, SiC, Si 등 이종의 기판 위에 성장되기 때문에 기판과의 격자 상수 차이로 인한 결함이 발생하여 Si과 같은 전도성 기판을 사용할 경우 누설 전류에 취약한 부분이 된다. 따라서 소자의 노멀리-오프 특성과 완충층(또는 버퍼층)을 통한 결함 감소 및 누설전류 억제를 위한 방안이 필요하다.In addition, since they are grown on different substrates such as sapphire, SiC, and Si, defects due to the difference in lattice constant with the substrate are generated. Therefore, when a conductive substrate such as Si is used, it is vulnerable to leakage current. Therefore, there is a need for a method for suppressing the leakage current and the leakage current through the buffer layer (or the buffer layer) and the normally off-off characteristic of the device.

이종 접합 구조의 질화물 반도체 전력 소자에서 에피 박막에서 오는 누설 전류를 줄이기 위해 여러 방법이 있을 수 있다.There are several ways to reduce the leakage current from the epilayers in a nitride semiconductor power device with a heterojunction structure.

특히, 상기 누설 전류를 감소시키기 위해 기판 및 GaN층(또는 GaN 채널층) 사이에 적어도 하나의 버퍼층을 성장시키는 방법이 있을 수 있다.In particular, there may be a method of growing at least one buffer layer between the substrate and the GaN layer (or GaN channel layer) to reduce the leakage current.

또한, 버퍼층을 통해 효율적으로 누설 전류를 줄이기 위해서는 GaN 채널의 semi-insulating 기능을 강화해야 할 뿐만 아니라 이를 성장하기 위한 버퍼(buffer)층의 결정 결함도 최소화하고 semi-insulating 특성 또한 증대시켜 소자 active 영역에서 오는 vertical과 lateral 누설전류를 최소화해야 할 수 있다.In addition, in order to efficiently reduce the leakage current through the buffer layer, not only the semi-insulating function of the GaN channel needs to be strengthened, but also the crystal defects of the buffer layer for growing the buffer layer are minimized and the semi-insulating property is also increased, It may be necessary to minimize the vertical and lateral leakage currents.

이는 특히, 고전력 소자의 동작에 있어서 필요한 부분이라고 할 수 있다.This is a particularly necessary part of the operation of a high power device.

본 명세서에 개시된 기술에서는 GaN 성장을 위한 버퍼(buffer)층의 누설 전류를 줄이기 한 효과적인 에피 구조에 대해서 제안하고자 한다. The technique disclosed in this specification proposes an effective epitaxial structure that reduces the leakage current of the buffer layer for GaN growth.

본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 기판(예를 들어, Si기판) 위에 GaN를 성장하기 위한 버퍼층의 종류는 다양하게 존재할 수 있다. 예를 들어, 상기 버퍼층은 AlN층(AlN 버퍼층 또는 AlN 핵생성층) 및 AlGaN층(또는 AlGaN 버퍼층) 중 적어도 하나를 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.According to one embodiment disclosed herein, there may be various kinds of buffer layers for growing GaN on a substrate (for example, a Si substrate). For example, the buffer layer may have a structure including at least one of an AlN layer (an AlN buffer layer or an AlN nucleation layer) and an AlGaN layer (or an AlGaN buffer layer).

전술된 버퍼층은 AlN으로 이루어진 AlN 버퍼층 및 AlGaN으로 이루어진 AlGaN 버퍼층 중 적어도 하나를 포함하는 층을 의미할 수 있다.The above-mentioned buffer layer may mean a layer including at least one of an AlN buffer layer made of AlN and an AlGaN buffer layer made of AlGaN.

일 실시예에 따르면, 상기 AlN층(AlN 버퍼층 또는 AlN 핵생성층)은 서로 다른 온도로 성장된 AlN으로 이루어진 복수의 층을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the AlN layer (AlN buffer layer or AlN nucleation layer) may comprise a plurality of layers of AlN grown at different temperatures.

예를 들어, 상기 서로 다른 온도로 성장된 AlN으로 이루어진 복수의 층의 개수는, 2 ~ 5인 것일 수 있다.For example, the number of the plurality of layers made of AlN grown at the different temperatures may be 2 to 5.

또한, 예를 들어, AlN 버퍼(buffer)는 저온과 고온의 조합으로 사용될 수 있다. 즉, AlN 버퍼의 하부는 저온 성장으로 형성되고, AlN 버퍼의 상부는 고온 성장으로 형성되는 것일 수 있다. 이 경우, 상기 AlN층은, 저온으로 성장된 제 1 AlN층 및 상기 제 1 AlN층 상에 형성되고, 고온으로 성장된 제 2 AlN층을 포함할 수 있다.Also, for example, an AlN buffer can be used in combination of low temperature and high temperature. That is, the lower portion of the AlN buffer may be formed by low temperature growth, and the upper portion of the AlN buffer may be formed by high temperature growth. In this case, the AlN layer may include a first AlN layer grown at a low temperature and a second AlN layer grown on the first AlN layer and grown at a high temperature.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 AlGaN 버퍼층은, Al의 조성이 서로 다른 AlGaN으로 이루어진 복수의 층을 포함할 수 있다.Also, according to one embodiment, the AlGaN buffer layer may include a plurality of layers made of AlGaN having different Al compositions.

예를 들어, Al의 조성이 서로 다른 AlGaN으로 이루어진 복수의 층의 개수는, 2 ~ 5인 것일 수 있다. For example, the number of the plurality of layers made of AlGaN having different Al compositions may be 2 to 5.

또한, 예를 들어, AlGaN 버퍼의 하부 층에는 Al 조성이 높고 상부 층에는 Al 조성이 낮은 연속 graded 또는 단계별 graded 버퍼가 사용될 수 있다.Also, for example, a continuous graded or graded buffer having a high Al content in the lower layer of the AlGaN buffer and a low Al composition in the upper layer may be used.

즉, 일 실시예에 따르면, 상기 AlN 버퍼층 및 상기 AlGaN 버퍼층 중 적어도 하나의 Al 조성은, 적층 방향으로 특정 기울기를 가지고 연속적으로 감소되는 것일 수 있다.That is, according to one embodiment, the Al composition of at least one of the AlN buffer layer and the AlGaN buffer layer may be continuously decreased with a specific slope in the stacking direction.

또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 AlN 버퍼층 및 상기 AlGaN 버퍼층 중 적어도 하나의 Al 조성은, 적층 방향으로 불연속적으로 감소되는 것일 수 있다.According to another embodiment, the Al composition of at least one of the AlN buffer layer and the AlGaN buffer layer may be discontinuously decreased in the stacking direction.

본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 상기 다양한 종류의 버퍼층은, 단일 버퍼층으로 사용될 수도 있지만, 서로 조합되어 하나의 반도체 소자에 구비될 수 있다.According to the embodiment disclosed herein, the various types of buffer layers may be used as a single buffer layer, but may be combined with each other to be provided in one semiconductor element.

예를 들어, 일 실시예에 따른 반도체 소자는, 상기 AlN 버퍼(또는 AlN 버퍼층)가 기판상에 형성될 수 있고, 그 위에 다른 종류의 버퍼층이 형성될 수 있다.For example, in the semiconductor device according to an embodiment, the AlN buffer (or AlN buffer layer) may be formed on a substrate, and another kind of buffer layer may be formed thereon.

이 경우, 상기 AlN 버퍼층은 기판상에 GaN을 성장시키기 위한 씨드(Seed)가 되는 층으로 핵생성층이라고 할 수 있다.In this case, the AlN buffer layer is a seed layer for growing GaN on the substrate, and may be referred to as a nucleation layer.

일반적으로, 상기 기판의 종류는 Si, SiC, 절연성 기판(예를 들어, Sapphire 기판), GaN 기판 등이 사용될 수 있다.In general, the type of the substrate may be Si, SiC, an insulating substrate (e.g., sapphire substrate), a GaN substrate, or the like.

예를 들어, 상기 기판이 Si 기판인 경우, Si 기판상에 곧바로 상기 GaN층을 성장(또는 증착, 적층)시키는 경우, Si 및 GaN의 격자 상수 차이로 인해 GaN층의 결정성이 떨어지고 격자 결함등으로 인한 누설 전류 증가 및 항복 전압 특성이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.For example, when the substrate is a Si substrate, when the GaN layer is grown (or deposited or laminated) directly on the Si substrate, the crystallinity of the GaN layer is lowered due to the difference in lattice constant between Si and GaN, There may be a problem that the leakage current increases and the breakdown voltage characteristic deteriorates.

따라서, 전술한 바와 같이, 상기 Si 기판상에 곧바로 상기 GaN층을 성장시키는 대신, 중간에 적어도 하나의 버퍼층을 성장시킴으로써 상기 GaN층의 결정성을 높이고, 누설 전류 특성 및 항복 전압 특성을 개선시킬 수 있다.Therefore, as described above, by growing at least one buffer layer in the middle instead of growing the GaN layer directly on the Si substrate, it is possible to improve the crystallinity of the GaN layer and improve the leakage current characteristic and the breakdown voltage characteristic have.

이하에서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 구조 및 그 제조방법에 대해 설명한다.Hereinafter, a structure of a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to an embodiment disclosed herein will be described with reference to FIGS. 2 to 4. FIG.

본 명세서에 개시된 일 The work disclosed herein 실시예에In the embodiment 따른 반도체 소자에 대한 설명 Description of the semiconductor device according to

본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자는, GaN 채널층, 상기 GaN 채널층 상에 형성된 AlGaN 장벽층, 상기 AlGaN 장벽층 상의 일부 영역에 정의된 게이트 영역에 형성되고, 제 1 게이트 절연층, 상기 제 1 게이트 절연층 상에 형성된 p형 도펀트로 도핑되며, AlxGa1 - xN(0≤x≤1)으로 이루어지는 p형 게이트 층 및 상기 p형 게이트 층 상에 형성된 제 2 게이트 절연층을 포함할 수 있다.A semiconductor device according to an embodiment disclosed herein includes a GaN channel layer, an AlGaN barrier layer formed on the GaN channel layer, a first gate insulating layer formed in a gate region defined in a partial region on the AlGaN barrier layer, A p-type gate layer doped with a p-type dopant formed on the first gate insulating layer and made of Al x Ga 1 -xN (0 ? X ? 1), and a second gate insulating layer . &Lt; / RTI &gt;

일 실시예에 따른 반도체 소자는, 상기 제 2 게이트 절연층 상에 형성된 게이트 전극을 더 포함할 수 있다.The semiconductor device according to an embodiment may further include a gate electrode formed on the second gate insulating layer.

일 실시예에 따르면, 상기 p형 도펀트는, Mg, C, Zn 및 Fe 중 적어도 하나인 것일 수 있다.According to one embodiment, the p-type dopant may be at least one of Mg, C, Zn, and Fe.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 p형 도펀트의 농도는, 1e12/cm3 ~ 1e21/cm3 인 것일 수 있다.Also, according to one embodiment, the concentration of the p-type dopant may be 1 12 / cm 3 to 1 21 / cm 3 .

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 p형 게이트 층의 두께는, 1 nm ~ 1 um인 것일 수 있다.Also, according to one embodiment, the thickness of the p-type gate layer may be 1 nm to 1 μm.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 게이트 절연막(또는 절연층)은, AlN 및 SixNy 중 적어도 하나의 물질로 이루어진 것일 수 있다.According to an embodiment, the first gate insulating film (or the insulating layer) may be made of at least one of AlN and Si x N y .

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 게이트 절연막(또는 절연층)의 두께는, 0.1 nm ~ 5 nm인 것일 수 있다.Also, according to an embodiment, the thickness of the first gate insulating film (or insulating layer) may be 0.1 nm to 5 nm.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제 2 게이트 절연막(또는 절연층)은, SiO2, SixNy, HfO2, Al2O3, ZnO, AlN 및 Ga2O3 중 적어도 하나의 물질로 이루어진 것일 수 있다.According to an embodiment, the second gate insulating film (or insulating layer) may be formed of at least one material selected from SiO 2 , Si x N y , HfO 2 , Al 2 O 3 , ZnO, AlN, and Ga 2 O 3 .

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제 2 게이트 절연막(또는 절연층)의 두께는, 1 nm ~ 100 nm인 것일 수 있다.Also, according to one embodiment, the thickness of the second gate insulating film (or insulating layer) may be 1 nm to 100 nm.

또한, 일 실시예에 따른 반도체 소자는, 상기 AlGaN 장벽층의 일부 영역 상에 형성되는 소스 전극 및 드레인 전극을 더 포함할 수 있다.In addition, the semiconductor device according to an embodiment may further include a source electrode and a drain electrode formed on a part of the AlGaN barrier layer.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 GaN 채널층의 두께는, 0.5um ~ 10um인 것일 수 있다.Also, according to one embodiment, the thickness of the GaN channel layer may be 0.5 um to 10 um.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 GaN 채널층은, Mg, C 및 Fe 중 적어도 하나의 도펀트로 도핑되는 것일 수 있다.Also, according to one embodiment, the GaN channel layer may be doped with at least one dopant of Mg, C, and Fe.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 도펀트 농도는, 3e17/cm3 ~ 1e20/cm3인 것일 수 있다.Also, according to one embodiment, the at least one dopant concentration may be from 3e 17 / cm 3 to 1e 20 / cm 3 .

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 AlGaN 장벽층의 두께는, 0.1nm ~ 100nm인 것일 수 있다.Also, according to one embodiment, the thickness of the AlGaN barrier layer may be 0.1 nm to 100 nm.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 AlGaN 장벽층은, Al의 조성이 서로 다른 AlGaN으로 이루어진 복수의 층을 포함하는 것일 수 있다.In addition, according to one embodiment, the AlGaN barrier layer may include a plurality of layers made of AlGaN having different Al compositions.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 Al의 조성이 서로 다른 AlGaN으로 이루어진 복수의 층의 개수는, 2 ~ 5인 것일 수 있다.According to an embodiment, the number of the plurality of AlGaN layers having different compositions of Al may be 2 to 5.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 AlGaN 장벽층의 Al 조성은, 적층 방향으로 특정 기울기를 가지고 연속적으로 감소되는 것일 수 있다.Also, according to one embodiment, the Al composition of the AlGaN barrier layer may be continuously decreased with a specific slope in the stacking direction.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 AlGaN 장벽층의 Al 조성은, 적층 방향으로 불연속적으로 감소되는 것인 반도체 소자.Further, according to an embodiment, the Al composition of the AlGaN barrier layer is discontinuously reduced in the stacking direction.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 GaN 채널층은, 버퍼층 상에 형성된 것일 수 있다.Also, according to one embodiment, the GaN channel layer may be formed on the buffer layer.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 버퍼층의 두께는, 1 nm ~ 7 um인 것일 수 있다.Also, according to one embodiment, the thickness of the buffer layer may be 1 nm to 7 μm.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 버퍼층은, AlN으로 이루어진 AlN 버퍼층 및 AlGaN으로 이루어진 AlGaN 버퍼층 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment, the buffer layer may include at least one of an AlN buffer layer made of AlN and an AlGaN buffer layer made of AlGaN.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 GaN 채널층은, 기판 상에 형성되는 것일 수 있다.Also, according to one embodiment, the GaN channel layer may be formed on a substrate.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 기판은, Si, SiC, Sapphire 및 GaN 중 적어도 하나로 이루어지는 것일 수 있다.According to an embodiment, the substrate may be made of at least one of Si, SiC, Sapphire, and GaN.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 게이트 절연막(또는 절연층) 및 상기 제 2 게이트 절연막(또는 절연층)은, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD) 및 ALD(atomic layer deposition) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다.According to an embodiment, the first gate insulating film (or the insulating layer) and the second gate insulating film (or the insulating layer) may include at least one of metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) and atomic layer deposition (ALD) It can be formed on grounds.

도 2는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 구조를 나타내는 예시도이다.2 is an exemplary view showing a structure of a semiconductor device according to an embodiment disclosed herein.

도 2를 참조하면, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자(100)는 GaN 채널층(110), AlGaN 장벽층(120), p형 게이트 층(130), 제 1 게이트 절연층(140) 및 제 2 게이트 절연층(150)을 포함할 수 있다.2, a semiconductor device 100 according to one embodiment disclosed herein includes a GaN channel layer 110, an AlGaN barrier layer 120, a p-type gate layer 130, a first gate insulating layer 140 And a second gate insulating layer 150.

또한, 상기 반도체 소자(100)는 표면 누설 전류를 막기 위한 산화막 층(미도시)을 더 포함할 수 있다.In addition, the semiconductor device 100 may further include an oxide layer (not shown) for preventing surface leakage current.

또한, 상기 반도체 소자(100)는 상기 제 2 게이트 절연층(150) 상에 형성된 게이트 전극(160)을 더 포함할 수 있다.The semiconductor device 100 may further include a gate electrode 160 formed on the second gate insulating layer 150.

또한, 상기 반도체 소자(100)는 상기 AlGaN 장벽층(120)의 일부 영역 상에 형성된 소스 전극(170) 및 드레인 전극(180)을 더 포함할 수 있다.The semiconductor device 100 may further include a source electrode 170 and a drain electrode 180 formed on a part of the AlGaN barrier layer 120.

본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자(100)는 상기 드레인 전극(180)에서 소스 전극(170)으로 흐르는 2DEG(CDEG) 전류를 쇼트키(schottky) 게이트 전극(160)을 통해 스위칭(switching) 동작을 할 수 있다.The semiconductor device 100 according to an embodiment disclosed herein may switch a 2DEG (CDEG) current flowing from the drain electrode 180 to the source electrode 170 through a schottky gate electrode 160 ) Operation can be performed.

상기 GaN 채널층(110)은 0.5um ~ 100um의 두께를 가질 수 있다. 특히(또는 바람직하게는), 상기 GaN 채널층(110)은 0.6um ~ 10um의 두께를 가질 수 있다.The GaN channel layer 110 may have a thickness of 0.5 to 100 um. Particularly (or preferably), the GaN channel layer 110 may have a thickness of 0.6 um to 10 um.

상기 GaN 채널층(110)은 다양한 방식(또는 방법)으로 형성될 수 있다. The GaN channel layer 110 may be formed by various methods (or methods).

예를 들어, 상기 GaN 채널층(110)은 질화물 반도체 결정을 선택적으로 성장시키는 방법을 통하여 형성될 수 있는데, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE) 및 힐라이드 기상 성장법(HVPE) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다. 다만, 상기 GaN 채널층(110)의 결정성을 고려하면, 디바이스 제작에는 MOCVD법이 사용되는 것이 일반적일 수 있다.For example, the GaN channel layer 110 may be formed by selectively growing a nitride semiconductor crystal, and may be formed by an organic metal vapor deposition (MOCVD) method, a molecular beam epitaxial growth (MBE) method, (HVPE). &Lt; / RTI &gt; However, considering the crystallinity of the GaN channel layer 110, MOCVD may be used for device fabrication.

예를 들어, MOCVD 법으로 상기 GaN 채널층(110)이 형성되는 경우, Ga의 원료인 TMGa, N의 원료인 NH3를 리액터 안에서 고온으로 합성시켜 에피 성장을 통해 상기 GaN 채널층(110)이 형성될 수 있다.For example, when the GaN channel layer 110 is formed by the MOCVD method, the GaN channel layer 110 is formed through epitaxial growth by synthesizing NH 3, which is a raw material of TMGa, N, .

일 실시예에 따르면, 상기 GaN 채널층(110)은 C, Fe, Mg 및 Mn 도펀트 중 적어도 하나의 도펀트로 도핑될 수 있다. According to one embodiment, the GaN channel layer 110 may be doped with at least one dopant of C, Fe, Mg, and Mn dopants.

다른 의미로는, 상기 반도체 소자(100)는 상기 GaN 채널층(110) 상에 C, Fe, Mg 및 Mn 도펀트 중 적어도 하나의 도펀트를 주입하여 형성된 GaN 채널의 semi-insulating 특성을 나타내기 위한 고-저항 GaN층(미도시)을 더 포함할 수 있다.In other words, the semiconductor device 100 includes a GaN channel layer 110 for forming a semi-insulating characteristic of a GaN channel formed by implanting at least one dopant of C, Fe, Mg, and Mn dopants on the GaN channel layer 110 - a resistive GaN layer (not shown).

여기서, 상기 적어도 하나의 도펀트의 농도는, 1e16/cm3 ~ 5e20/cm3인 것일 수 있다. 특히, 상기 적어도 하나의 도펀트의 농도는 3e17/cm3 ~ 1e20/cm3인 것일 수 있다.Here, the concentration of the at least one dopant may be 1e 16 / cm 3 to 5e 20 / cm 3 . In particular, the concentration of the at least one dopant may be 3e 17 / cm 3 to 1e 20 / cm 3 .

특히, 상기 적어도 하나의 도펀트가 C인 경우, 1e18/cm3 이상의 도핑이 일반적일 수 있다.Particularly, when the at least one dopant is C, doping of 1e 18 / cm 3 or more may be common.

또한, 전술된 바와 같이, 전류가 흐르는 채널층을 형성하기 위해 GaN 채널층(110)의 끝부분은 불순물의 도핑이 최소화되어야 할 수 있고, 특히 C 농도는 1e17/cm3 이하로 도핑이 되어야 할 수 있다.In addition, as shown, the current end of the GaN channel layer 110 to form a flow channel layer can be minimized in the doping of impurities, in particular C concentration must be doped to less than 1e 17 / cm 3 described above can do.

일 실시예에 따르면, 상기 GaN층(110)은, 서로 다른 온도로 성장된 GaN으로 이루어진 복수의 층을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the GaN layer 110 may include a plurality of layers of GaN grown at different temperatures.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 서로 다른 온도로 성장된 GaN으로 이루어진 복수의 층의 개수는, 2 ~ 5인 것일 수 있다.Also, according to one embodiment, the number of the plurality of layers made of GaN grown at different temperatures may be 2 to 5.

상기 GaN 채널층(110) 위에는 상기 AlGaN 장벽층(120)이 형성되어 채널층에 2DEG가 형성될 수 있다. The AlGaN barrier layer 120 may be formed on the GaN channel layer 110 to form a 2DEG on the channel layer.

즉, 상기 AlGaN 장벽층(120)은 상기 GaN 채널층(110) 상에 형성될 수 있고, 상기 AlGaN 장벽층(120)은 활성층의 역할을 할 수 있다.That is, the AlGaN barrier layer 120 may be formed on the GaN channel layer 110, and the AlGaN barrier layer 120 may serve as an active layer.

또한, 상기 AlGaN 장벽층(120)의 두께는, 0.1nm ~ 100nm 범위일 수 있다. 특히(또는 바람직하게는), 상기 AlGaN 장벽층(140)의 두께는, 1nm ~ 20nm 범위일 수 있다.In addition, the thickness of the AlGaN barrier layer 120 may be in the range of 0.1 nm to 100 nm. In particular (or preferably), the thickness of the AlGaN barrier layer 140 may range from 1 nm to 20 nm.

상기 AlGaN 장벽층(120)은 다양한 조성으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 AlGaN 장벽층(120)의 Al의 조성은, 1% ~ 100%인 것일 수 있다. 이외에도 다양한 조성비로써 상기 AlGaN 장벽층(120)이 이루어질 수 있음이 본 기술분야의 당업자에게 자명하다.The AlGaN barrier layer 120 may have a variety of compositions. For example, the composition of Al in the AlGaN barrier layer 120 may be 1% to 100%. It is apparent to those skilled in the art that the AlGaN barrier layer 120 may be formed at various composition ratios.

상기 AlGaN 장벽층(120)은, Al의 조성이 서로 다른 AlGaN으로 이루어진 복수의 층을 포함하는 것일 수 있다.The AlGaN barrier layer 120 may include a plurality of layers made of AlGaN having different Al compositions.

여기서, 상기 Al의 조성이 서로 다른 AlGaN으로 이루어진 복수의 층의 개수는, 2 ~ 5인 것일 수 있다.Here, the number of the plurality of layers made of AlGaN having different compositions of Al may be 2 to 5.

또한, 상기 AlGaN 장벽층(120)의 Al 조성은, 적층 방향으로 특정 기울기를 가지고 연속적으로 감소되는 것일 수 있다.In addition, the Al composition of the AlGaN barrier layer 120 may be continuously decreased with a specific slope in the stacking direction.

또한, 상기 AlGaN 장벽층(120)의 Al 조성은, 적층 방향으로 불연속적으로 감소되는 것일 수 있다.In addition, the Al composition of the AlGaN barrier layer 120 may be discontinuously decreased in the stacking direction.

상기 AlGaN 장벽층(120)은 다양한 방식(또는 방법)으로 형성될 수 있다. The AlGaN barrier layer 120 may be formed in a variety of ways (or methods).

예를 들어, 상기 AlGaN 장벽층(120)은 질화물 반도체 결정을 선택적으로 성장시키는 방법을 통하여 형성될 수 있는데, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE) 및 힐라이드 기상 성장법(HVPE) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다. 다만, 상기 AlGaN 장벽층(120)의 결정성을 고려하면, 디바이스 제작에는 MOCVD법이 사용되는 것이 일반적일 수 있다.For example, the AlGaN barrier layer 120 may be formed by selectively growing a nitride semiconductor crystal. The AlGaN barrier layer 120 may be formed by a metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD), a molecular beam epitaxial growth (MBE) (HVPE). &Lt; / RTI &gt; However, considering the crystallinity of the AlGaN barrier layer 120, MOCVD may be used for device fabrication.

상기 반도체 소자(100)는 식각 데미지(etch damage) 감소를 위한 1차 버퍼층(buffer layer)인 제 1 게이트 절연막(140, 또는 절연층)을 포함할 수 있다.The semiconductor device 100 may include a first gate insulating layer 140 (or an insulating layer) which is a first buffer layer for reducing etch damage.

상기 제 1 게이트 절연층(140)은, 상기 AlGaN 장벽층(120) 상의 일부 영역에 정의된 게이트 영역에 형성되는 것일 수 있다.The first gate insulating layer 140 may be formed in a gate region defined in a portion of the AlGaN barrier layer 120.

상기 일부 영역은, 상기 p형 게이트 층(130)이 형성되는 게이트 영역으로 정의된 영역일 수 있다.The partial region may be a region defined as a gate region where the p-type gate layer 130 is formed.

상기 제 1 게이트 절연층(140)은 MOCVD 법으로 성장될 수 있으며, 0.1nm ~ 5nm 두께의 얇은 절연막(또는 절연층)일 수 있다.The first gate insulating layer 140 may be grown by MOCVD and may be a thin insulating layer (or insulating layer) having a thickness of 0.1 nm to 5 nm.

상기 제 1 게이트 절연층(140)은, AlN 및 SixNy 중 적어도 하나의 물질로 이루어진 것일 수 있다.The first gate insulating layer 140 may be made of at least one of AlN and Si x N y .

상기 제 1 게이트 절연층(140)이 형성된 후, 상기 제 1 게이트 절연층(140) 위에 노멀리-오프(normally-off) 동작을 위한 p형 게이트 층(130)이 성장될 수 있다.After the first gate insulating layer 140 is formed, a p-type gate layer 130 may be grown on the first gate insulating layer 140 for a normally-off operation.

상기 p형 게이트 층(130)에 대해 상술하면, 노멀리-오프(Normally-off) HEMT 또는 HFET 소자를 제작하기 위한 방법으로 gate recess, fluorine treatment(또는 플라즈마 처리), p-type gate 방식(또는 p형 게이트 방식)등이 있을 수 있다.As described above for the p-type gate layer 130, a gate recess, a fluorine treatment (or plasma treatment), a p-type gate method (or a gate recess method) is used for a method of manufacturing a normally- p-type gate method).

게이트 리세스(gate recess) 방법은 에칭(etching)을 통해 2DEG의 일부를 절단하고 Schottky gate를 도입하여 off특성을 유지하는 방법일 수 있다. 이는 2DEG 손실에 대한 단점이 있을 수 있다.The gate recess method may be a method of cutting a part of the 2DEG through etching and introducing a Schottky gate to maintain the off characteristic. This can be a drawback to 2DEG loss.

fluorine treatement 방법은 F이온의 plasma treatment를 이용해 전자를 공핍시켜 off 특성을 유지하는 방법일 수 있다. 이는 원치않는 plasma damage등의 단점이 있을 수 있다.The fluorine treatement method may be a method of depleting electrons by plasma treatment of F ions to maintain off characteristics. This may have drawbacks such as unwanted plasma damage.

마지막으로 p형 게이트 층을 채택하는 방식은 pn접합의 공핍층(depletion)을 이용해 소자 오프(off) 특성을 유지하는 방법일 수 있다.Finally, the method of adopting the p-type gate layer may be a method of maintaining the off-off characteristic by using a depletion of the pn junction.

p형 게이트 방식에는 질화물 반도체 소자의 우수한 전류 특성을 유지하면서 동시에 노멀리 오프 스위칭을 할 수 있는 기술이다.The p-type gate method is a technique capable of performing normally off-switching while maintaining excellent current characteristics of a nitride semiconductor device.

게이트 전극 아래에 p-GaN 층을 형성시킬 경우, p-GaN 층과 그 아래에 있는 AlGaN/GaN 구조가 p-n 접합을 이루게 되고, 공핍 현상이 발생하게 될 수 있다.When the p-GaN layer is formed under the gate electrode, the p-GaN layer and the underlying AlGaN / GaN structure form a p-n junction, and a depletion phenomenon may occur.

따라서 게이트 하단에는 2DEG층이 사라지게 되고, 결국 게이트가 접지되어 있을 경우 소스와 드레인간은 전류가 흐르지 않게 될 수 있다.Therefore, the 2DEG layer disappears at the bottom of the gate, so that when the gate is grounded, the source and the drain can not flow current.

하지만, 게이트에 (+) 부호를 갖는 문턱전압을 인가할 경우 사라졌던 게이트 하단 2DEG층이 다시 나타나며 전류가 흐르게 되고 이를 통하여 스위칭 동작을 할 수 있게 된다. However, when a threshold voltage having a (+) sign is applied to the gate, the lower 2DEG layer of the gate disappears and the current flows and the switching operation can be performed.

즉 p-GaN 게이트를 이용하면, 질화물 반도체 소자를 노멀리 오프 구동할 수 있으며 동시에 높은 전류 특성을 유지할 수 있다는 장점이 있다.  That is, when the p-GaN gate is used, the nitride semiconductor device can be driven to be normally off-driven and high current characteristics can be maintained.

이러한 p-GaN 게이트 기술(상기 p-GaN 게이트 층 또는 p형 게이트 층을 이용한 기술)은 AlGaN/GaN 이종접합 구조 위에 p형 도핑되어 있는 GaN를 성장시키고, 그 위해 게이트 전극을 형성시키는 기술일 수 있다.Such a p-GaN gate technique (the technique using the p-GaN gate layer or the p-type gate layer) can be a technique for growing p-type doped GaN on the AlGaN / GaN heterojunction structure and forming a gate electrode therefor. have.

상기 형성된 p-GaN 층은 AlGaN과 GaN 사이 계면에 존재하는 2차원 자유 전자가스(2DEG)를 공핍시키는 역할을 할 수 있다.The p-GaN layer may serve to deplete the two-dimensional free electron gas (2DEG) present at the interface between AlGaN and GaN.

상기 p형 게이트 층(130)은, GaN 계열(또는 질화물계 계열)의 물질에 p형 도펀트를 도핑시킨 물질로, 게이트 층으로 사용될 수 있다. 따라서, p-GaN 게이트 층이라고도 할 수 있다.The p-type gate layer 130 may be a GaN-based (or nitride-based) material doped with a p-type dopant and may be used as a gate layer. Therefore, it may be referred to as a p-GaN gate layer.

즉, 상기 p형 게이트 층(130)은 p형 도펀트로 도핑된 GaN 또는 AlGaN 층일 수 있다. 따라서, p형 도펀트로 도핑되며, AlxGa1 - xN(0≤x≤1)으로 이루어지는 층을 의미할 수 있다. 특히, 상기 p형 게이트 층(130)의 조성 x는 0 ~ 0.5인 것일 수 있다. That is, the p-type gate layer 130 may be a GaN or AlGaN layer doped with a p-type dopant. Therefore, it may be a layer doped with a p-type dopant and composed of Al x Ga 1 - x N (0 ? X ? 1). In particular, the composition x of the p-type gate layer 130 may be 0 to 0.5.

상기 p형 게이트 층을 가지는 반도체 소자(예를 들어, HEMT 또는 HFET 소자)는 2DEG 밀도(density)의 감소 없이 노멀리-오프(normally-off) 특성을 유지할 수 있다는 장점을 가질 수 있다.A semiconductor device (e.g., a HEMT or an HFET device) having the p-type gate layer may have the advantage that the normally-off characteristic can be maintained without reducing the 2DEG density.

상기 p-GaN 게이트 층(또는 p형 게이트 층, 130)의 두께는, 1nm ~ 1um인 것일 수 있다. 특히, 상기 p형 게이트 층(130)의 두께는, 1nm ~ 200nm인 것일 수 있다.The thickness of the p-GaN gate layer (or the p-type gate layer 130) may be 1 nm to 1 um. In particular, the p-type gate layer 130 may have a thickness of 1 nm to 200 nm.

또한, 상기 p형 게이트 층(130)에 도핑된 p형 도펀트는, Mg, C, Zn 및 Fe 중 적어도 하나인 것일 수 있다.The p-type dopant doped in the p-type gate layer 130 may be at least one of Mg, C, Zn, and Fe.

예를 들어, 상기 p형 게이트 층(130)에 도핑된 p형 도펀트의 불순물 농도는 1e12/cm3 ~ 1e21/cm3인 것일 수 있다. 특히, 상기 불순물의 농도는 3e17/cm3 ~ 1e20/cm3인 것일 수 있다.For example, the impurity concentration of the p-type dopant doped in the p-type gate layer 130 may be 1e 12 / cm 3 to 1e 21 / cm 3 . In particular, the concentration of the impurity may be 3e 17 / cm 3 to 1e 20 / cm 3 .

상기 제 2 게이트 절연층(150)은, 상기 p형 게이트 층(130) 상에(또는 위에) 형성될 수 있다.The second gate insulating layer 150 may be formed on (or on) the p-type gate layer 130.

상기 제 2 게이트 절연층은(150), SiO2, SixNy, HfO2, Al2O3, ZnO, AlN 및 Ga2O3 중 적어도 하나의 물질로 이루어진 것일 수 있다.The second gate insulating layer may be made of at least one of (150), SiO 2 , Si x N y , HfO 2 , Al 2 O 3 , ZnO, AlN, and Ga 2 O 3 .

또한, 상기 제 2 게이트 절연층(150)의 두께는, 1 nm ~ 100 nm인 것일 수 있다.In addition, the thickness of the second gate insulating layer 150 may be 1 nm to 100 nm.

상기 반도체 소자(100)는, 상기 제 2 게이트 절연층(150) 상에 형성된 게이트 전극(160, 또는 p-GaN 전극)을 더 포함할 수 있다.The semiconductor device 100 may further include a gate electrode 160 (or a p-GaN electrode) formed on the second gate insulating layer 150.

상기 반도체 소자(100)는, 상기 AlGaN 장벽층(120) 위에 형성된 드레인 전극(180) 및 소스 전극(170)을 더 포함할 수 있다.The semiconductor device 100 may further include a drain electrode 180 and a source electrode 170 formed on the AlGaN barrier layer 120.

상기 소스 전극(170) 및 상기 드레인 전극(180)은 상기 AlGaN 장벽층(120)의 일부 영역 상에 형성되는 것일 수 있다. The source electrode 170 and the drain electrode 180 may be formed on a part of the AlGaN barrier layer 120.

도 3은 본 명세서에 개시된 또 다른 일 실시예에 따른 반도체 소자의 구성을 나타내는 예시도이다.3 is an exemplary view showing a configuration of a semiconductor device according to another embodiment disclosed herein.

도 3을 참조하면, 본 명세서에 개시된 또 다른 일 실시예에 따른 반도체 소자(100)는 상기 AlGaN 장벽층(120) 상에 형성되는 GaN(또는 질화물, 질화물계로 이루어진) 캡층(190)을 더 포함할 수 있다.3, a semiconductor device 100 according to another embodiment disclosed herein further includes a cap layer 190 of GaN (or nitride, nitride based) formed on the AlGaN barrier layer 120 can do.

상기 GaN 캡층(190)은 상기 AlGaN 장벽층(120) 상에 형성되고, GaN 또는 AlGaN등 질화물계 물질을 얇게 성장시킴으로써 형성될 수 있다.The GaN cap layer 190 is formed on the AlGaN barrier layer 120 and may be formed by thinly growing a nitride based material such as GaN or AlGaN.

일 실시예에 따르면, 상기 GaN 캡층(190)의 두께는 0.1nm ~ 100nm 범위, 특히, 2nm ~ 10nm인 것일 수 있다. 상기 GaN 캡층(190)은 표면 누설 전류를 막는 역할을 할 수 있다.According to one embodiment, the thickness of the GaN cap layer 190 may be in the range of 0.1 nm to 100 nm, particularly 2 nm to 10 nm. The GaN cap layer 190 may prevent surface leakage current.

이 경우, 상기 제 1 게이트 절연막(140)은 상기 GaN 캡층(190) 위에 형성될 수 있다.In this case, the first gate insulating layer 140 may be formed on the GaN cap layer 190.

또한, 상기 소스 전극(170) 및 상기 드레인 전극(180)은 상기 GaN 캡층(190) 상에 형성될 수 있다.The source electrode 170 and the drain electrode 180 may be formed on the GaN cap layer 190.

전술한 바와 같이, 상기 드레인 전극(180)에서 소스 전극(170)으로 흐르는 2DEG(CDEG) 전류가 쇼트키(schottky) 게이트 전극(160)의 제어를 통해 발생할 수 있다.A 2DEG (CDEG) current flowing from the drain electrode 180 to the source electrode 170 may be generated through control of the schottky gate electrode 160, as described above.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 반도체 소자(100)는 상기 AlGaN 장벽층(120), 상기 소스 전극(170), 상기 드레인 전극(180) 및 상기 게이트 전극(160)의 일부 영역 상에 형성되는 산화막층(미도시)을 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, the semiconductor device 100 is formed on a part of the AlGaN barrier layer 120, the source electrode 170, the drain electrode 180, and the gate electrode 160 And an oxide layer (not shown).

일 실시예에 따르면, 상기 GaN 채널층(110)은 버퍼층(미도시) 상에 형성되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the GaN channel layer 110 may be formed on a buffer layer (not shown).

또한, 상기 버퍼층은, 기판(미도시) 상에 형성되는 것일 수 있다. In addition, the buffer layer may be formed on a substrate (not shown).

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 GaN 채널층(110)은 상기 버퍼층이 없는 경우, 상기 기판 상에 형성되는 것일 수 있다.In addition, according to one embodiment, the GaN channel layer 110 may be formed on the substrate in the absence of the buffer layer.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 기판은 n형이 될 수도 있고, p형이 될 수도 있으며, 다양한 종류의 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은 절연성 기판, 사파이어 기판, GaN 기판, SiC 기판, AlN 기판 및 Si 기판 중 적어도 하나인 것일 수 있다. 이외에도 다양한 종류의 기판이 본 명세서에 개시된 반도체 소자에 적용될 수 있음이 본 기술분야의 당업자에게 자명하다.Also, according to one embodiment, the substrate may be n-type, p-type, or various types of materials. For example, the substrate may be at least one of an insulating substrate, a sapphire substrate, a GaN substrate, a SiC substrate, an AlN substrate, and a Si substrate. It will be apparent to those skilled in the art that various types of substrates may be applied to the semiconductor devices disclosed herein.

또한, 상기 기판은 상기 반도체 소자(100)의 제작 후에 제거될 수 있다. 따라서, 최종적인 상기 반도체 소자의 구조는 상기 기판이 없는 구조일 수 있다.Further, the substrate can be removed after fabrication of the semiconductor device 100. [ Thus, the final structure of the semiconductor device may be a structure without the substrate.

상기 버퍼층은 기판상에 GaN을 성장시키기 위한 씨드(Seed)가 되는 층으로 핵생성층이라고 할 수 있다.The buffer layer is a seed layer for growing GaN on the substrate and may be referred to as a nucleation layer.

여기서, 상기 버퍼층의 두께는, 1 nm ~ 7 um인 것일 수 있다.Here, the thickness of the buffer layer may be 1 nm to 7 μm.

일 실시예에 따르면, 상기 버퍼층은, AlN으로 이루어진 AlN 버퍼층 및 AlGaN으로 이루어진 AlGaN 버퍼층 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the buffer layer may include at least one of an AlN buffer layer made of AlN and an AlGaN buffer layer made of AlGaN.

상기 AlN 버퍼층은, 서로 다른 온도로 성장된 AlN으로 이루어진 복수의 층을 포함할 수 있다.The AlN buffer layer may include a plurality of layers made of AlN grown at different temperatures.

이 경우, 상기 서로 다른 온도로 성장된 AlN으로 이루어진 복수의 층의 개수는, 2 ~ 5인 것일 수 있다.In this case, the number of the plurality of layers made of AlN grown at different temperatures may be 2 to 5.

즉, 상기 AlN 버퍼층은 다양한 조건에서 성장될 수 있다. 예를 들어, 상기 AlN 버퍼층은, 저온으로 성장된 제 1 AlN층 및 상기 제 1 AlN층 상에 형성되고, 고온으로 성장된 제 2 AlN층을 포함할 수 있다.That is, the AlN buffer layer can be grown under various conditions. For example, the AlN buffer layer may include a first AlN layer grown at a low temperature and a second AlN layer grown at a high temperature formed on the first AlN layer.

상기 AlGaN 버퍼층은, Al의 조성이 서로 다른 AlGaN으로 이루어진 복수의 층을 포함할 수 있다.The AlGaN buffer layer may include a plurality of layers made of AlGaN having different Al compositions.

여기서, 상기 Al의 조성이 서로 다른 AlGaN으로 이루어진 복수의 층의 개수는, 2 ~ 5인 것일 수 있다.Here, the number of the plurality of layers made of AlGaN having different compositions of Al may be 2 to 5.

상기 AlN 버퍼층 및 상기 AlGaN 버퍼층 중 적어도 하나의 Al 조성은 적층 방향에 따라 다양하게 변화할 수 있다.The Al composition of at least one of the AlN buffer layer and the AlGaN buffer layer may vary in various directions depending on the stacking direction.

예를 들어, 상기 AlN 버퍼층 및 상기 AlGaN 버퍼층 중 적어도 하나의 Al 조성은 적층 방향으로 특정 기울기를 가지고 연속적으로 감소되는 것일 수 있다.For example, the Al composition of at least one of the AlN buffer layer and the AlGaN buffer layer may be continuously decreased with a specific slope in the stacking direction.

또한, 예를 들어, 상기 AlN 버퍼층 및 상기 AlGaN 버퍼층 중 적어도 하나의 Al 조성은, 적층 방향으로 불연속적으로 감소되는 것일 수 있다(예를 들어 계단식으로 불연속적인 감소).Also, for example, the Al composition of at least one of the AlN buffer layer and the AlGaN buffer layer may be discontinuously reduced (for example, a discontinuous decrease in the stacking direction) in the stacking direction.

상기 산화막층은 표면 누설 전류를 감소시키는 역할을 할 수 있다. The oxide layer may serve to reduce surface leakage current.

여기서, 상기 산화막층은, 상기 소스 전극(170) 또는 상기 드레인 전극(180)과 상기 게이트 전극(160) 사이에 형성되는 것일 수 있다. The oxide layer may be formed between the source electrode 170 or the drain electrode 180 and the gate electrode 160.

상기 산화막층은 다양한 물질 또는 조성비로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 산화막층은, SiO2, SixNy(예를 들어, Si3N4), HfO2, Al2O3, ZnO 및 Ga2O3 중 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다.The oxide layer may have a variety of materials or composition ratios. For example, the oxide layer may be formed of at least one of SiO 2 , Si x N y (for example, Si 3 N 4 ), HfO 2 , Al 2 O 3 , ZnO, and Ga 2 O 3 .

일 실시예에 따르면, 상기 산화막층의 두께는, 2nm ~ 200nm 범위이며, 특히(또는, 바람직하게는), 상기 산화막층의 두께는 2nm ~ 100nm 일 수 있다.According to one embodiment, the thickness of the oxide layer is in the range of 2 nm to 200 nm, and in particular (or preferably) the thickness of the oxide layer is in the range of 2 nm to 100 nm.

또한, 상기 산화막층은 다양한 방법으로 형성될 수 있는다, 예를 들어, 상기 산화막층은 유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE), 힐라이드 기상 성장법(HVPE), PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition), 스퍼터링(Sputtering) 및 ALD(atomic layer deposition) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다.For example, the oxide layer may be formed by various methods such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), helium vapor deposition (HVPE), and PECVD Plasma-enhanced chemical vapor deposition (CVD), sputtering, and atomic layer deposition (ALD).

또한, 상기 제 1 게이트 절연층(140) 및 상기 제 2 게이트 절연층(150)은, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD) 및 ALD(atomic layer deposition) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다.The first gate insulating layer 140 and the second gate insulating layer 150 may be formed based on at least one of metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) and atomic layer deposition (ALD).

본 명세서에 개시된 일 The work disclosed herein 실시예에In the embodiment 따른 반도체 소자의 제조방법에 대한 설명 Description of a method of manufacturing a semiconductor device according to

본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법은, GaN 채널층 상에 AlGaN 장벽층을 형성시키는 단계, 상기 AlGaN 장벽층 상의 일부 영역에 정의된 게이트 영역에 제 1 게이트 절연층을 형성시키는 단계, 상기 제 1 게이트 절연층 상에 p형 도펀트로 도핑되며, AlxGa1 - xN(0≤x≤1)으로 이루어지는 p형 게이트 층을 형성시키는 단계 및 상기 p형 게이트 층 상에 제 2 게이트 절연층을 형성시키는 단계를 포함할 수 있다.A method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment disclosed herein includes forming an AlGaN barrier layer on a GaN channel layer, forming a first gate insulating layer in a gate region defined in a portion of the AlGaN barrier layer Forming a p-type gate layer doped with a p-type dopant on the first gate insulating layer and made of Al x Ga 1 -xN (0 ? X ? 1), and forming a p- 2 gate insulating layer.

일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법은, 상기 제 2 게이트 절연층 상에 게이트 전극을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment may further include forming a gate electrode on the second gate insulating layer.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 p형 도펀트는, Mg, C, Zn 및 Fe 중 적어도 하나인 것일 수 있다.According to an embodiment, the p-type dopant may be at least one of Mg, C, Zn, and Fe.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 p형 도펀트의 농도는, 1e12/cm3 ~ 1e21/cm3 인 것일 수 있다.Also, according to one embodiment, the concentration of the p-type dopant may be 1 12 / cm 3 to 1 21 / cm 3 .

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 p형 게이트 층의 두께는, 1 nm ~ 1 um인 것일 수 있다.Also, according to one embodiment, the thickness of the p-type gate layer may be 1 nm to 1 μm.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 게이트 절연층은, AlN 및 SixNy 중 적어도 하나의 물질로 이루어진 것일 수 있다.According to an embodiment, the first gate insulating layer may be made of at least one of AlN and Si x N y .

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 게이트 절연층의 두께는, 0.1 nm ~ 5 nm인 것일 수 있다.Also, according to one embodiment, the thickness of the first gate insulating layer may be 0.1 nm to 5 nm.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제 2 게이트 절연층은, SiO2, SixNy, HfO2, Al2O3, ZnO, AlN 및 Ga2O3 중 적어도 하나의 물질로 이루어진 것일 수 있다.According to an embodiment, the second gate insulating layer may be made of at least one of SiO 2 , Si x N y , HfO 2 , Al 2 O 3 , ZnO, AlN, and Ga 2 O 3 .

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제 2 게이트 절연층의 두께는, 1 nm ~ 100 nm인 것일 수 있다.According to an embodiment, the thickness of the second gate insulating layer may be 1 nm to 100 nm.

또한, 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법은, 상기 AlGaN 장벽층의 일부 영역 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the method of fabricating a semiconductor device according to an embodiment may further include forming a source electrode and a drain electrode on a part of the AlGaN barrier layer.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 게이트 절연층 및 상기 제 2 게이트 절연층은, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD) 및 ALD(atomic layer deposition) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다.According to an embodiment, the first gate insulating layer and the second gate insulating layer may be formed based on at least one of metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) and atomic layer deposition (ALD).

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 GaN 채널층, 상기 AlGaN 장벽층 및 상기 p형 게이트 층, 중 적어도 하나는, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE), 힐라이드 기상 성장법(HVPE), PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition), 스퍼터링(Sputtering) 및 ALD(atomic layer deposition) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다.According to one embodiment, at least one of the GaN channel layer, the AlGaN barrier layer, and the p-type gate layer may be formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), helium vapor deposition (HVPE), Plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD), sputtering, and atomic layer deposition (ALD).

도 4는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 나타내는 순서도이다.4 is a flowchart showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment disclosed herein.

도 4를 참조하면, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법은 다음과 같은 단계로 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 4, a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment disclosed herein may include the following steps.

먼저, GaN 채널층 상에 AlGaN 장벽층을 형성시킬 수 있다(S110).First, an AlGaN barrier layer may be formed on the GaN channel layer (S110).

다음으로, 상기 AlGaN 장벽층 상의 일부 영역에 정의된 게이트 영역에 제 1 게이트 절연층을 형성시킬 수 있다(S120).Next, a first gate insulating layer may be formed in a gate region defined in a part of the AlGaN barrier layer (S120).

다음으로, 상기 제 1 게이트 절연층 상에 p형 도펀트로 도핑되며, AlxGa1 -xN(0≤x≤1)으로 이루어지는 p형 게이트 층을 형성시킬 수 있다(S130).Next, a p-type gate layer doped with a p-type dopant and made of Al x Ga 1 -x N (0? X? 1) may be formed on the first gate insulating layer (S130).

다음으로, 상기 p형 게이트 층 상에 제 2 게이트 절연층을 형성시킬 수 있다(S140).Next, a second gate insulating layer may be formed on the p-type gate layer (S140).

일 실시예에 따르면, 상기 제 2 게이트 절연층 상에 게이트 전극을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, the method may further include forming a gate electrode on the second gate insulating layer.

일 실시예에 따르면, 상기 AlGaN 장벽층 및 상기 제 1 게이트 절연층 사이에 GaN 캡층을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, the method may further include forming a GaN cap layer between the AlGaN barrier layer and the first gate insulating layer.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 AlGaN 장벽층의 일부 영역 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성시키는 단계를 더 포함gkf 수 있다.Also, according to an embodiment, it is possible to further include forming a source electrode and a drain electrode on a part of the AlGaN barrier layer.

도 5a ~ 도 5g는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 나타내는 예시도이다.5A to 5G are views illustrating an example of a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment disclosed herein.

도 5a ~ 도 5g를 참조하면, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법은 기판(미도시) 상에 차례로 GaN 채널층(110), AlGaN 장벽층(120), 제 1 게이트 절연층(140), p형 게이트 층(130) 및 제 2 게이트 절연층(150)을 형성시키는 단계로 이루어질 수 있다.5A through 5G, a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment disclosed herein includes sequentially forming on a substrate (not shown) a GaN channel layer 110, an AlGaN barrier layer 120, Layer 140, the p-type gate layer 130 and the second gate insulating layer 150. [0064]

전술된 바와 같이, 상기 기판은 상기 반도체 소자(100)의 제작 후에 제거될 수 있다. 따라서, 최종적인 상기 반도체 소자의 구조는 상기 기판이 없는 구조일 수 있다.As described above, the substrate can be removed after fabrication of the semiconductor device 100. Thus, the final structure of the semiconductor device may be a structure without the substrate.

본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법은, 상기 제 2 게이트 절연층(150) 상에 게이트 전극(160)을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment disclosed herein may further include forming a gate electrode 160 on the second gate insulating layer 150. [

또한, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법은 상기 AlGaN 장벽층(120)의 일부 영역 상에 소스 전극(170) 및 드레인 전극(180)을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다. The method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment disclosed herein may further include forming a source electrode 170 and a drain electrode 180 on a part of the AlGaN barrier layer 120 .

상기 반도체 소자가 GaN 캡층(190)을 더 포함하는 경우, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법은 상기 GaN 캡층(190)의 일부 영역 상에 소스 전극(170) 및 드레인 전극(180)을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다. A method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment disclosed herein may include forming a source electrode 170 and a drain electrode 170 on a part of the GaN cap layer 190, 180 may be formed.

또한, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법은 상기 AlGaN 장벽층(120, 또는 GaN 캡층(190)), 상기 소스 전극(170), 상기 드레인 전극(180) 및 상기 게이트 전극(160)의 일부 영역 상에 산화막층(미도시)을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment disclosed herein may further include forming the AlGaN barrier layer 120 (or the GaN cap layer 190), the source electrode 170, the drain electrode 180, (Not shown) may be formed on a part of the oxide semiconductor layer 160.

자세한 공정 순서를 도 5a ~ 도 5g를 참조하여 구체적으로 상술하면, 먼저, 기판(미도시)상에 MOCVD 박막 성장 장비를 가지고 GaN 채널층(110)을 형성(또는 성장)시킬 수 있다(도 5a).5A to 5G, a GaN channel layer 110 can be formed (or grown) with an MOCVD thin film growth apparatus on a substrate (not shown) (FIG. 5A ).

전술된 바와 같이, 상기 기판은 n형이 될 수도 있고, p형이 될 수도 있으며, 기판의 종류는 Si, SiC, Sapphire, GaN(예를 들어, Freestanding GaN) 기판, AlN 기판 등이 될 수 있다.As described above, the substrate may be n-type or p-type, and the substrate may be Si, SiC, sapphire, GaN (e.g., Freestanding GaN) substrate, AlN substrate, or the like .

상기 GaN 채널층(110)을 이루는 GaN은 MOCVD법으로 불리는 유기 금속기상 성장법으로 제작하는 것이 일반적일 수 있다.GaN constituting the GaN channel layer 110 may be formed by an organic metal vapor phase growth method called MOCVD.

이 경우, Ga의 원료인 TMGa, N의 원료인 NH3를 리액터 안에서 고온으로 합성시켜 상기 GaN 채널층(110)이 에피 성장으로 형성될 수 있다.In this case, the GaN channel layer 110 can be formed by epitaxial growth by synthesizing NH 3 , which is a raw material of Ga, as a raw material of Ga, NH 3 in a reactor at a high temperature.

상기 GaN 채널층(110)은 0.5um ~ 10um의 두께를 가질 수 있다. 특히(또는 바람직하게는), 상기 GaN 채널층(110)은 0.6um ~ 3um의 두께를 가질 수 있다.The GaN channel layer 110 may have a thickness of 0.5 to 10 um. Particularly (or preferably), the GaN channel layer 110 may have a thickness of 0.6 um to 3 um.

여기서, 상기 GaN 채널층(110)에는 semi-insulating한 특성을 만들어 주기 위해서 Fe, Mg 또는 Carbon이 도핑될 수 있다. 상기 GaN 채널층(110) 또한 한가지의 온도로 성장되거나 2 ~ 5가지 연속적 혹은 불연속적인 온도로 성장될 수 있다.Here, the GaN channel layer 110 may be doped with Fe, Mg or Carbon to form semi-insulating characteristics. The GaN channel layer 110 may also be grown to one temperature or to two to five continuous or discontinuous temperatures.

다음으로, 상기 GaN 채널층(110)을 성장시킨 후에는 이종접합 부분의 2DEG 층을 만들기 위한 활성층인 AlGaN 장벽층(120)을 성장시킬 수 있다(도 5b).Next, after the GaN channel layer 110 is grown, an AlGaN barrier layer 120, which is an active layer for forming a hetero-junction 2DEG layer, can be grown (FIG. 5B).

상기 AlGaN 장벽층(120)의 두께는, 0.1nm ~ 100nm 범위일 수 있다. 특히(또는 바람직하게는), 상기 AlGaN 장벽층(140)의 두께는, 1nm ~ 20nm 범위일 수 있다.The thickness of the AlGaN barrier layer 120 may range from 0.1 nm to 100 nm. In particular (or preferably), the thickness of the AlGaN barrier layer 140 may range from 1 nm to 20 nm.

상기 AlGaN 장벽층(120)은 다양한 조성으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 AlGaN 장벽층(120)의 Al의 조성은, 1% ~ 100%인 것일 수 있다. 이외에도 다양한 조성비로써 상기 AlGaN 장벽층(120)이 이루어질 수 있음이 본 기술분야의 당업자에게 자명하다.The AlGaN barrier layer 120 may have a variety of compositions. For example, the composition of Al in the AlGaN barrier layer 120 may be 1% to 100%. It is apparent to those skilled in the art that the AlGaN barrier layer 120 may be formed at various composition ratios.

상기 AlGaN 장벽층(120)은, Al의 조성이 서로 다른 AlGaN으로 이루어진 복수의 층을 포함하는 것일 수 있다.The AlGaN barrier layer 120 may include a plurality of layers made of AlGaN having different Al compositions.

여기서, 상기 Al의 조성이 서로 다른 AlGaN으로 이루어진 복수의 층의 개수는, 2 ~ 5인 것일 수 있다.Here, the number of the plurality of layers made of AlGaN having different compositions of Al may be 2 to 5.

또한, 상기 AlGaN 장벽층(120)의 Al 조성은, 적층 방향으로 특정 기울기를 가지고 연속적으로 감소되는 것일 수 있다.In addition, the Al composition of the AlGaN barrier layer 120 may be continuously decreased with a specific slope in the stacking direction.

또한, 상기 AlGaN 장벽층(120)의 Al 조성은, 적층 방향으로 불연속적으로 감소되는 것일 수 있다.In addition, the Al composition of the AlGaN barrier layer 120 may be discontinuously decreased in the stacking direction.

상기 AlGaN 장벽층(120)은 다양한 방식(또는 방법)으로 형성될 수 있다. The AlGaN barrier layer 120 may be formed in a variety of ways (or methods).

예를 들어, 상기 AlGaN 장벽층(120)은 질화물 반도체 결정을 선택적으로 성장시키는 방법을 통하여 형성될 수 있는데, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE) 및 힐라이드 기상 성장법(HVPE) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다. 다만, 상기 AlGaN 장벽층(120)의 결정성을 고려하면, 디바이스 제작에는 MOCVD법이 사용되는 것이 일반적일 수 있다.For example, the AlGaN barrier layer 120 may be formed by selectively growing a nitride semiconductor crystal. The AlGaN barrier layer 120 may be formed by a metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD), a molecular beam epitaxial growth (MBE) (HVPE). &Lt; / RTI &gt; However, considering the crystallinity of the AlGaN barrier layer 120, MOCVD may be used for device fabrication.

상기 AlGaN 장벽층(120)은 상기 GaN 채널층(110)과의 격자 상수 차이로 인한 piezo-polarization등으로 2DEG를 형성해주는 층으로써 Al 조성과 두께에 따라서 2DEG density가 결정될 수 있다. The AlGaN barrier layer 120 forms a 2DEG due to a piezo-polarization due to a difference in lattice constant with respect to the GaN channel layer 110. The 2DEG density can be determined according to the Al composition and thickness.

다음으로, 상기 AlGaN 장벽층(120) 상에 GaN 또는 AlGaN등 질화물계 물질을 얇게 성장시켜 GaN 캡층(190)을 형성시킬 수 있다(도 5c).Next, a nitride based material such as GaN or AlGaN may be grown on the AlGaN barrier layer 120 to form a GaN cap layer 190 (FIG. 5C).

일 실시예에 따르면, 상기 GaN 캡층(190)의 두께는 0.1nm ~ 100nm 범위, 특히, 2nm ~ 10nm인 것일 수 있다. 상기 GaN 캡층(190)은 표면 누설 전류를 막는 역할을 할 수 있다.According to one embodiment, the thickness of the GaN cap layer 190 may be in the range of 0.1 nm to 100 nm, particularly 2 nm to 10 nm. The GaN cap layer 190 may prevent surface leakage current.

다음으로, 상기 GaN 캡층(190)을 성장시킨 후, 제 1 게이트 절연층(140)을 형성시킬 수 있다(도 6d).Next, after the GaN cap layer 190 is grown, a first gate insulating layer 140 may be formed (FIG. 6D).

상기 제 1 게이트 절연층(140)은, 식각 데미지(etch damage) 감소를 위한 1차 버퍼층(buffer layer) 버퍼층 역할을 할 수 있다.The first gate insulating layer 140 may serve as a first buffer layer buffer layer for reducing etch damage.

상기 제 1 게이트 절연층(140)은, 상기 AlGaN 장벽층(120) 또는 상기 GaN 캡층(190) 상의 일부 영역에 정의된 게이트 영역에 형성되는 것일 수 있다.The first gate insulating layer 140 may be formed in the gate region defined in the AlGaN barrier layer 120 or a portion of the GaN cap layer 190.

상기 일부 영역은, 상기 p형 게이트 층(130)이 형성되는 게이트 영역으로 정의된 영역일 수 있다.The partial region may be a region defined as a gate region where the p-type gate layer 130 is formed.

상기 제 1 게이트 절연층(140)은 MOCVD 법으로 성장될 수 있으며, 0.1nm ~ 5nm 두께의 얇은 절연막(또는 절연층)일 수 있다.The first gate insulating layer 140 may be grown by MOCVD and may be a thin insulating layer (or insulating layer) having a thickness of 0.1 nm to 5 nm.

상기 제 1 게이트 절연층(140)은, AlN 및 SixNy 중 적어도 하나의 물질로 이루어진 것일 수 있다.The first gate insulating layer 140 may be made of at least one of AlN and Si x N y .

상기 제 1 게이트 절연층(140)이 형성된 후, 상기 제 1 게이트 절연층(140) 위에 노멀리-오프(normally-off) 동작을 위한 p형 게이트 층(130)이 성장될 수 있다(도 5e).After the first gate insulating layer 140 is formed, a p-type gate layer 130 for a normally-off operation may be grown on the first gate insulating layer 140 ).

상기 p형 게이트 층(130)은, GaN 계열(또는 질화물계 계열)의 물질에 p형 도펀트를 도핑시킨 물질로, 게이트 층으로 사용될 수 있다. 따라서, p-GaN 게이트 층이라고도 할 수 있다.The p-type gate layer 130 may be a GaN-based (or nitride-based) material doped with a p-type dopant and may be used as a gate layer. Therefore, it may be referred to as a p-GaN gate layer.

상기 p형 게이트 층(130)은 p형 도펀트로 도핑된 GaN 또는 AlGaN 층일 수 있다. 따라서, p형 도펀트로 도핑되며, AlxGa1 - xN(0≤x≤1)으로 이루어지는 층을 의미할 수 있다. 특히, 상기 p형 게이트 층(130)의 조성 x는 0 ~ 0.5인 것일 수 있다. The p-type gate layer 130 may be a GaN or AlGaN layer doped with a p-type dopant. Therefore, it may be a layer doped with a p-type dopant and composed of Al x Ga 1 - x N (0 ? X ? 1). In particular, the composition x of the p-type gate layer 130 may be 0 to 0.5.

상기 p형 게이트 층을 가지는 반도체 소자(예를 들어, HEMT 또는 HFET 소자)는 2DEG 밀도(density)의 감소 없이 노멀리-오프(normally-off) 특성을 유지할 수 있다는 장점을 가질 수 있다.A semiconductor device (e.g., a HEMT or an HFET device) having the p-type gate layer may have the advantage that the normally-off characteristic can be maintained without reducing the 2DEG density.

상기 p-GaN 게이트 층(또는 p형 게이트 층, 130)의 두께는, 1nm ~ 1um인 것일 수 있다. 특히, 상기 p형 게이트 층(130)의 두께는, 1nm ~ 200nm인 것일 수 있다.The thickness of the p-GaN gate layer (or the p-type gate layer 130) may be 1 nm to 1 um. In particular, the p-type gate layer 130 may have a thickness of 1 nm to 200 nm.

또한, 상기 p형 게이트 층(130)에 도핑된 p형 도펀트는, Mg, C, Zn 및 Fe 중 적어도 하나인 것일 수 있다.The p-type dopant doped in the p-type gate layer 130 may be at least one of Mg, C, Zn, and Fe.

예를 들어, 상기 p형 게이트 층(130)에 도핑된 p형 도펀트의 불순물 농도는 1e12/cm3 ~ 1e21/cm3인 것일 수 있다. 특히, 상기 불순물의 농도는 3e17/cm3 ~ 1e20/cm3인 것일 수 있다.For example, the impurity concentration of the p-type dopant doped in the p-type gate layer 130 may be 1e 12 / cm 3 to 1e 21 / cm 3 . In particular, the concentration of the impurity may be 3e 17 / cm 3 to 1e 20 / cm 3 .

다음으로, 상기 p형 게이트 층(130) 위에 MOCVD법 이나 ALD 법을 이용하여 제 2 게이트 절연층(150)을 형성시킬 수 있다(도 5f).Next, a second gate insulating layer 150 may be formed on the p-type gate layer 130 by MOCVD or ALD (FIG. 5F).

상기 제 2 게이트 절연층(150)은, 상기 p형 게이트 층(130) 상에(또는 위에) 형성될 수 있다.The second gate insulating layer 150 may be formed on (or on) the p-type gate layer 130.

상기 제 2 게이트 절연층은(150), SiO2, SixNy, HfO2, Al2O3, ZnO, AlN 및 Ga2O3 중 적어도 하나의 물질로 이루어진 것일 수 있다.The second gate insulating layer may be made of at least one of (150), SiO 2 , Si x N y , HfO 2 , Al 2 O 3 , ZnO, AlN, and Ga 2 O 3 .

또한, 상기 제 2 게이트 절연층(150)의 두께는, 1 nm ~ 100 nm인 것일 수 있다.In addition, the thickness of the second gate insulating layer 150 may be 1 nm to 100 nm.

다음으로, 게이트 전극(160), 소스 전극(170) 및 드레인 전극(180)을 증착시키기 위해 에칭 또는 식각 공정을 진행할 수 있다.Next, an etching or etching process may be performed to deposit the gate electrode 160, the source electrode 170, and the drain electrode 180.

일 실시예에 따르면, 상기 AlGaN 장벽층(120) 또는 GaN 캡층(190) 상의 일부 영역에 게이트 영역을 정의하고 나머지 부분을 Cl2와 BCl3 기반의 개스(gas)를 이용하여 상기 제 1 게이트 절연층(140)까지 식각이 진행될 수 있다(도 6g 참조).According to one embodiment, a gate region may be defined in a portion of the AlGaN barrier layer 120 or the GaN cap layer 190 and the remaining portion may be formed in the first gate insulation layer 130 using a gas based on Cl 2 and BCl 3. Etching can proceed to the layer 140 (see FIG. 6G).

다음으로, 상기 AlGaN 장벽층(120) 상에 소스 전극(170) 및 드레인 전극(180)을 형성시키거나, 상기 GaN 캡층(150) 상에 소스 전극(170) 및 드레인 전극(180)을 형성시킬 수 있다(도 6g).Next, a source electrode 170 and a drain electrode 180 are formed on the AlGaN barrier layer 120, or a source electrode 170 and a drain electrode 180 are formed on the GaN cap layer 150 (Fig. 6G).

상기 소스 전극(170), 상기 드레인 전극(180)은 오믹 콘택을 형성할 수 있으며, 예를 들어, Ti/Al 기반의 구조가 사용될 수 있다. 또한, 이후 열처리가 될 수 있다.The source electrode 170 and the drain electrode 180 may form an ohmic contact. For example, a Ti / Al-based structure may be used. Further, heat treatment can be performed thereafter.

또한, 상기 제 2 게이트 절연층(150) 상에 게이트 전극(160)을 형성시킬 수 있다(도 6g). 즉, 오믹 영역 형성 후 남아있는 게이트 영역 위에 게이트 전극이 형성되고, 게이트 전극은 W, TiN 등의 일함수가 높은 금속 혹은 Ni 등의 금속으로 이루어질 수 있다.In addition, the gate electrode 160 may be formed on the second gate insulating layer 150 (FIG. 6G). That is, a gate electrode is formed on the remaining gate region after the formation of the ohmic region, and the gate electrode may be formed of a metal having a high work function such as W, TiN, or a metal such as Ni.

상기 소스 전극(170), 드레인 전극(180) 및 게이트 전극(160)의 증착은 오믹 전극을 E-beam을 이용하여 이루어질 수 있다.The source electrode 170, the drain electrode 180, and the gate electrode 160 may be deposited using an E-beam as an ohmic electrode.

또한, 추가적으로, passivation을 위하여 상기 AlGaN 장벽층(120)(상기 GaN 캡층(150)이 증착된 경우에는, 상기 GaN 캡층(150)), 상기 소스 전극(170), 상기 드레인 전극(180) 및 상기 게이트 전극(160)의 일부 영역 상에 산화막층(미도시)을 형성시킬 수 있다.In addition, in addition, the AlGaN barrier layer 120 (when the GaN cap layer 150 is deposited, the GaN cap layer 150), the source electrode 170, the drain electrode 180, An oxide film layer (not shown) may be formed on a part of the gate electrode 160.

일 실시예에 따르면, 상기 GaN 채널층(110), 상기 AlGaN 장벽층(120), 상기 p형 게이트 층(130) 및 상기 GaN 캡층(190) 중 적어도 하나는, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE), 힐라이드 기상 성장법(HVPE), PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition), 스퍼터링(Sputtering) 및 ALD(atomic layer deposition) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다.At least one of the GaN channel layer 110, the AlGaN barrier layer 120, the p-type gate layer 130, and the GaN cap layer 190 may be formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) , Molecular beam epitaxy (MBE), helix vapor deposition (HVPE), plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), sputtering, and atomic layer deposition (ALD) .

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 게이트 절연층(140) 및 상기 제 2 게이트 절연층(150)은, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD) 및 ALD(atomic layer deposition) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the first gate insulating layer 140 and the second gate insulating layer 150 are formed on at least one of metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) and atomic layer deposition (ALD) May be formed.

본 명세서에 개시된 기술을 정리하면, 질화물 반도체는 높은 임계 전계와 높은 포화전자 이동도를 갖기 때문에, 이를 이용해 제작되는 반도체 소자는 높은 항복 전압과 큰 전류 특성을 나타낼 것으로 예상된다. 대표적 예는 AlGaN/GaN의 이종접합 구조를 바탕으로 제작되는 HFET 소자를 들 수 있다.In summary, the nitride semiconductor has a high critical electric field and a high saturation electron mobility, so that a semiconductor device fabricated using the nitride semiconductor is expected to exhibit a high breakdown voltage and a large current characteristic. A representative example is an HFET device fabricated on the basis of a heterojunction structure of AlGaN / GaN.

HFET 소자는 전압, 전류 특성이 우수하여 고출력 전력 소자로 사용하기 위해 많은 시도가 이루어지고 있으나, MOSFET 및 IGBT 등 기존의 다른 소자와는 달리 노멀리 온(Normally-on) 형태를 가지는 단점이 있다. 노멀리 온 소자의 경우 회로를 구성하는데에 있어 복잡도가 높아져 제작이 어렵기 때문에, 문턱전압을 높이기 위한 방안으로 플라즈마 처리, 게이트 리세스 및 p-type GaN계 에피택셜 층(또는 전술된 p형 게이트 층) 성장 등의 방안이 있을 수 있다.  HFET devices have excellent voltage and current characteristics, and many attempts have been made to use them as high-output power devices. However, HFET devices have a drawback in that they have a normally-on mode, unlike conventional devices such as MOSFETs and IGBTs. In order to increase the threshold voltage, a plasma treatment, a gate recess and a p-type GaN epitaxial layer (or a p-type GaN-based epitaxial layer as described above) Layer) growth and so on.

웨이퍼 성장 단계에서 적용 가능한 방식인 p-type GaN계 에피택셜 층 성장 방식(또는 p형 게이트 구조 방식)은, 배리어 층인 AlGaN(또는, AlGaN 장벽층) 위에 p-type GaN계 층(또는 p형 게이트 층)을 증착한 웨이퍼를 바탕으로 공정이 진행된다. The p-type GaN epitaxial layer growth method (or the p-type gate structure method), which is a method applicable in the wafer growing step, is a method in which a p-type GaN-based layer (or a p-type gate layer structure) is formed on AlGaN (or AlGaN barrier layer) Layer is deposited on the wafer.

p-type GaN계 층의 게이트 영역을 제외한 나머지를 식각하게 되면 유사 p-n 접합을 형성할 수 있는데, 이 유사 p-n 접합을 통해 2DEG(2-Dimensional Electron Gas)의 농도를 낮추어 문턱전압이 높아질 수 있다.A similar p-n junction can be formed by etching the rest of the p-type GaN layer except for the gate region. The threshold voltage can be increased by lowering the concentration of 2DEG (2-Dimensional Electron Gas) through the p-n junction.

하지만 p형 게이트 구조를 이용한 기술의 경우, 2DEG의 감소없이 normally-off상태를 유지할 수 있다는 점에서 장점이 있지만, epitaxial layer 성장기술의 고도화가 필요하고, pn junction이 누설전류 제어 및 p-type GaN etch시 발생하는 etch damage에 대한 제어가 어려울 수 있다.However, in the case of the p-type gate structure, it is advantageous in that the normally-off state can be maintained without decreasing the 2DEG. However, the epitaxial layer growth technique needs to be advanced and the pn junction is controlled by the leakage current control and the p- Control of etch damage during etch may be difficult.

즉, p-type gate HFET 소자는 2DEG density의 감소 없이 normally-off 특성을 유지할 수 있다는 장점이 있지만, pn junction의 공핍층(depletion)을 이용하여 normally-off 특성을 유지하기 때문에, pn-junction barrier를 넘는 게이트 전압이 가해졌을 때는 순방향 전류가 발생할 수 있다. That is, the p-type gate HFET device can maintain the normally-off characteristic without decreasing the 2DEG density. However, since the depletion of the pn junction maintains the normally-off characteristic, the pn-junction barrier A forward current may be generated.

게이트 전류가 증가한다는 것은 원치 않는 손실이 발생한다는 뜻이기 때문에 소자의 효율이 떨어질 수 있다.Increasing the gate current means that unwanted losses occur, which can reduce the efficiency of the device.

본 명세서에 개시된 기술은, GaN를 이용한 질화물 반도체 전력 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The technique disclosed in this specification relates to a nitride semiconductor power device using GaN and a method of manufacturing the same.

구체적으로, 본 명세서에 개시된 기술은, p-GaN(또는 p형 게이트 층)/AlGaN(또는 AlGaN 장벽층)/GaN(또는 GaN 채널층) 구조의 epitaxial 구조를 이용하여 2DEG의 감소없이 normally-off 상태의 소자를 제작하고, pn junction으로 인해 발생하는 누설전류를 감소시키기 위해 metal gate와 p-GaN gate(또는 p형 게이트 층) 사이에 절연막(또는 절연층)을 포함하는 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.Specifically, the techniques disclosed herein utilize an epitaxial structure of p-GaN (or p-type gate layer) / AlGaN (or AlGaN barrier layer) / GaN (or GaN channel layer) (Or an insulating layer) between a metal gate and a p-GaN gate (or a p-type gate layer) to fabricate a device with a pn junction and reduce a leakage current caused by a pn junction, .

상기 절연막(또는 절연층)은 고순도의 특성을 유지하기 위해 MOCVD법이나 ALD 법을 이용하여 생성될 수 있다.The insulating layer (or insulating layer) may be formed using MOCVD or ALD to maintain high purity characteristics.

즉, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자는, p형 게이트 층과 AlGaN 장벽층 사이에 MOCVD법으로 etch damage 감소 목적의 절연막(또는 절연층)을 형성시킨 구조를 가진다. That is, the semiconductor device according to one embodiment disclosed herein has a structure in which an insulating film (or an insulating layer) for reducing etch damage is formed between a p-type gate layer and an AlGaN barrier layer by MOCVD.

위의 방법으로 제작된 소자의 경우 고순도의 절연막(또는 절연층)/보호막(또는 보호층)으로 인해 누설전류 최소화와 고신뢰성의 확보가 가능하다.In the case of the device fabricated by the above method, leakage current can be minimized and high reliability can be secured due to a high purity insulating film (or insulating layer) / protective film (or protective layer).

이는 특히 2DEG의 캐리어 농도 수나 전자이동도가 감소하는 것을 방지하면서도 , 고전압에서 작동될 소자의 안정성을 높여준다는 것에 기존의 방식보다 장점이 있다. This is especially advantageous over conventional methods in that the stability of the device to be operated at high voltage is enhanced while preventing the number of carrier concentration or electron mobility of the 2DEG from decreasing.

본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 질화물 반도체 소자 및 제작 방법에 관한 것으로, p형 도펀트로 도핑된 GaN 또는 AlGaN으로 이루어지는 p형 게이트 층의 상층부 및 하층부에 절연막(또는 절연층)을 형성하여 반도체 소자의 기본적인 특성을 유지하면서 게이트 전류 감소 및 에칭 데미지(etching damage)를 감소시킬 수 있는 질화물 반도체 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.According to one embodiment disclosed herein, a nitride semiconductor device and a method for fabricating the same are disclosed. In the nitride semiconductor device and method of manufacturing the same, an insulating film (or an insulating layer) is formed on upper and lower portions of a p-type gate layer made of GaN or AlGaN doped with a p- A nitride semiconductor device capable of reducing gate current and etching damage while maintaining basic characteristics of a device, and a method for manufacturing the same.

특히, 본 명세서에 개시된 반도체 소자에 따르면, p형 게이트 층의 상층부 및 하층부에 절연막(또는 절연층)이 포함된 구조를 구비하는 질화물계 반도체 소자를 제공함으로써, 상기 p형 게이트 층을 포함하는 이종 접합 반도체 소자(예를 들어, HFET)의 장점을 최대한 살리면서, 게이트 전류의 감소 방지와 p형 게이트 층에 대한 식각 공정 진행시 발생하는 식각 데미지(etching damage)를 감소시킬 수 있는 이점이 있다.In particular, according to the semiconductor device disclosed in this specification, by providing a nitride-based semiconductor device having a structure in which an insulating film (or an insulating layer) is included in the upper and lower layers of a p-type gate layer, There is an advantage that it is possible to prevent the decrease of the gate current and to reduce the etching damage which occurs when the etching process for the p-type gate layer proceeds while making the most of advantages of the junction semiconductor device (for example, HFET).

또한, MOCVD 또는 ALD법을 이용하여 상기 절연막(또는 절연층)을 형성시킴에 의해 고품질의 절연체 생성 및 소자특성이 향상되는 이점이 있다.Further, by forming the insulating film (or insulating layer) using MOCVD or ALD, there is an advantage that high-quality insulator and device characteristics are improved.

본 발명의 범위는 본 명세서에 개시된 실시 예들로 한정되지 아니하고, 본 발명은 본 발명의 사상 및 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있다.The scope of the present invention is not limited to the embodiments disclosed herein, and the present invention can be modified, changed, or improved in various forms within the scope of the present invention and the claims.

100: 반도체 소자 110: GaN 채널층
120: AlGaN 장벽층 130: p형 게이트 층
140: 제 1 게이트 절연층 150: 제 2 게이트 절연층
100: Semiconductor device 110: GaN channel layer
120: AlGaN barrier layer 130: p-type gate layer
140: first gate insulating layer 150: second gate insulating layer

Claims (36)

GaN 채널층;
상기 GaN 채널층 상에 형성된 AlGaN 장벽층;
상기 AlGaN 장벽층 상의 일부 영역에 정의된 게이트 영역에 형성되고, 제 1 게이트 절연층;
상기 제 1 게이트 절연층 상에 형성된 p형 도펀트로 도핑되며, AlxGa1 - xN(0≤x≤1)으로 이루어지는 p형 게이트 층; 및
상기 p형 게이트 층 상에 형성된 제 2 게이트 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
A GaN channel layer;
An AlGaN barrier layer formed on the GaN channel layer;
A first gate insulating layer formed in a gate region defined in a partial region on the AlGaN barrier layer;
A p-type gate layer doped with a p-type dopant formed on the first gate insulating layer and made of Al x Ga 1 - x N (0 ? X ? 1); And
And a second gate insulating layer formed on the p-type gate layer.
제1항에 있어서,
상기 제 2 게이트 절연층 상에 형성된 게이트 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
The method according to claim 1,
And a gate electrode formed on the second gate insulating layer.
제1항에 있어서, 상기 p형 도펀트는,
Mg, C, Zn 및 Fe 중 적어도 하나인 것인 반도체 소자.
The method of claim 1, wherein the p-
Mg, C, Zn, and Fe.
제1항에 있어서, 상기 p형 도펀트의 농도는,
1e12/cm3 ~ 1e21/cm3 인 것인 반도체 소자.
The method of claim 1, wherein the concentration of the p-
1e 12 / cm 3 to 1e 21 / cm 3 .
제1항에 있어서, 상기 p형 게이트 층의 두께는,
1 nm ~ 1 um인 것인 반도체 소자.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness of the p-
1 nm to 1 um.
제1항에 있어서, 상기 제 1 게이트 절연층은,
AlN 및 SixNy 중 적어도 하나의 물질로 이루어진 것인 반도체 소자.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first gate insulating layer
AlN, and Si x N y .
제1항에 있어서, 상기 제 1 게이트 절연층의 두께는,
0.1 nm ~ 5 nm인 것인 반도체 소자.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness of the first gate insulating layer
0.1 nm to 5 nm.
제1항에 있어서, 상기 제 2 게이트 절연층은,
SiO2, SixNy, HfO2, Al2O3, ZnO, AlN 및 Ga2O3 중 적어도 하나의 물질로 이루어진 것인 반도체 소자.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second gate insulating layer
And at least one of SiO 2 , Si x N y , HfO 2 , Al 2 O 3 , ZnO, AlN, and Ga 2 O 3 .
제1항에 있어서, 상기 제 2 게이트 절연층의 두께는,
1 nm ~ 100 nm인 것인 반도체 소자.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness of the second gate insulating layer
1 nm to 100 nm.
제1항에 있어서,
상기 AlGaN 장벽층의 일부 영역 상에 형성되는 소스 전극 및 드레인 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
The method according to claim 1,
And a source electrode and a drain electrode formed on a part of the AlGaN barrier layer.
제1항에 있어서, 상기 GaN 채널층의 두께는,
0.5um ~ 10um인 것인 반도체 소자.
The GaN substrate according to claim 1,
0.5um to 10um.
제1항에 있어서, 상기 GaN 채널층은,
Mg, C 및 Fe 중 적어도 하나의 도펀트로 도핑되는 것인 반도체 소자.
2. The GaN substrate according to claim 1,
Mg, &lt; / RTI &gt; C and Fe.
제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 도펀트 농도는,
3e17/cm3 ~ 1e20/cm3인 것인 반도체 소자.
13. The method of claim 12, wherein the at least one dopant concentration is selected from the group consisting of:
3e 17 / cm 3 to 1e 20 / cm 3 .
제1항에 있어서, 상기 AlGaN 장벽층의 두께는,
0.1nm ~ 100nm인 것인 반도체 소자.
2. The method of claim 1, wherein the thickness of the AlGaN barrier layer
0.1 to 100 nm.
제1항에 있어서, 상기 AlGaN 장벽층은,
Al의 조성이 서로 다른 AlGaN으로 이루어진 복수의 층을 포함하는 것인 반도체 소자.
2. The method of claim 1, wherein the AlGaN barrier layer comprises:
And a plurality of layers made of AlGaN having different compositions of Al.
제15항에 있어서, 상기 Al의 조성이 서로 다른 AlGaN으로 이루어진 복수의 층의 개수는,
2 ~ 5인 것인 반도체 소자.
16. The method according to claim 15, wherein the number of the plurality of layers made of AlGaN,
2 &lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서, 상기 AlGaN 장벽층의 Al 조성은,
적층 방향으로 특정 기울기를 가지고 연속적으로 감소되는 것인 반도체 소자.
2. The AlGaN barrier layer according to claim 1,
And is continuously reduced with a specific inclination in the stacking direction.
제1항에 있어서, 상기 AlGaN 장벽층의 Al 조성은,
적층 방향으로 불연속적으로 감소되는 것인 반도체 소자.
2. The AlGaN barrier layer according to claim 1,
And is discontinuously reduced in the stacking direction.
제1항에 있어서, 상기 GaN 채널층은,
버퍼층 상에 형성된 것인 반도체 소자.
2. The GaN substrate according to claim 1,
Wherein the semiconductor layer is formed on the buffer layer.
제17항에 있어서, 상기 버퍼층의 두께는,
1 nm ~ 7 um인 것인 반도체 소자.
The method as claimed in claim 17,
1 nm to 7 [mu] m.
제17항에 있어서, 상기 버퍼층은,
AlN으로 이루어진 AlN 버퍼층 및 AlGaN으로 이루어진 AlGaN 버퍼층 중 적어도 하나를 포함하는 것인 반도체 소자.
The method as claimed in claim 17,
An AlN buffer layer made of AlN and an AlGaN buffer layer made of AlGaN.
제1항에 있어서, 상기 GaN 채널층은,
기판 상에 형성되는 것인 반도체 소자.
2. The GaN substrate according to claim 1,
And is formed on a substrate.
제22항에 있어서, 상기 기판은,
Si, SiC, Sapphire 및 GaN 중 적어도 하나로 이루어지는 것인 반도체 소자.
23. The method of claim 22,
Si, SiC, Sapphire, and GaN.
제1항에 있어서, 상기 제 1 게이트 절연층 및 상기 제 2 게이트 절연층은,
유기 금속 기상 성장법(MOCVD) 및 ALD(atomic layer deposition) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것인 반도체 소자.
The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the first gate insulating layer and the second gate insulating layer
And at least one of metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) and atomic layer deposition (ALD).
GaN 채널층 상에 AlGaN 장벽층을 형성시키는 단계;
상기 AlGaN 장벽층 상의 일부 영역에 정의된 게이트 영역에 제 1 게이트 절연층을 형성시키는 단계;
상기 제 1 게이트 절연층 상에 p형 도펀트로 도핑되며, AlxGa1 - xN(0≤x≤1)으로 이루어지는 p형 게이트 층을 형성시키는 단계; 및
상기 p형 게이트 층 상에 제 2 게이트 절연층을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
Forming an AlGaN barrier layer on the GaN channel layer;
Forming a first gate insulating layer in a gate region defined in a portion of the AlGaN barrier layer;
Forming a p-type gate layer doped with a p-type dopant on the first gate insulating layer and made of Al x Ga 1 - x N (0 ? X ? 1); And
And forming a second gate insulating layer on the p-type gate layer.
제25항에 있어서,
상기 제 2 게이트 절연층 상에 게이트 전극을 형성시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
26. The method of claim 25,
And forming a gate electrode on the second gate insulating layer.
제25항에 있어서, 상기 p형 도펀트는,
Mg, C, Zn 및 Fe 중 적어도 하나인 것인 반도체 소자의 제조방법.
26. The method of claim 25, wherein the p-
Mg, C, Zn, and Fe.
제25항에 있어서, 상기 p형 도펀트의 농도는,
1e12/cm3 ~ 1e21/cm3 인 것인 반도체 소자의 제조방법.
26. The method of claim 25, wherein the concentration of the p-
1e 12 / cm 3 to 1e 21 / cm 3 .
제25항에 있어서, 상기 p형 게이트 층의 두께는,
1 nm ~ 1 um인 것인 반도체 소자의 제조방법.
26. The method of claim 25, wherein the thickness of the p-
1 nm to 1 [mu] m.
제25항에 있어서, 상기 제 1 게이트 절연층은,
AlN 및 SixNy 중 적어도 하나의 물질로 이루어진 것인 반도체 소자의 제조방법.
The semiconductor device according to claim 25, wherein the first gate insulating layer
AlN, and Si x N y .
제25항에 있어서, 상기 제 1 게이트 절연층의 두께는,
0.1 nm ~ 5 nm인 것인 반도체 소자의 제조방법.
26. The method according to claim 25, wherein the thickness of the first gate insulating layer
0.1 nm to 5 nm.
제25항에 있어서, 상기 제 2 게이트 절연층은,
SiO2, SixNy, HfO2, Al2O3, ZnO, AlN 및 Ga2O3 중 적어도 하나의 물질로 이루어진 것인 반도체 소자의 제조방법.
The semiconductor device according to claim 25, wherein the second gate insulating layer
Wherein the first electrode is made of at least one of SiO 2 , Si x N y , HfO 2 , Al 2 O 3 , ZnO, AlN and Ga 2 O 3 .
제25항에 있어서, 상기 제 2 게이트 절연층의 두께는,
1 nm ~ 100 nm인 것인 반도체 소자의 제조방법.
26. The method according to claim 25, wherein the thickness of the second gate insulating layer
1 nm to 100 nm.
제25항에 있어서,
상기 AlGaN 장벽층의 일부 영역 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
26. The method of claim 25,
And forming a source electrode and a drain electrode on a partial region of the AlGaN barrier layer.
제25항에 있어서, 상기 제 1 게이트 절연층 및 상기 제 2 게이트 절연층은,
유기 금속 기상 성장법(MOCVD) 및 ALD(atomic layer deposition) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것인 반도체 소자의 제조방법.
The semiconductor device according to claim 25, wherein the first gate insulating layer and the second gate insulating layer
(MOCVD), and atomic layer deposition (ALD).
제25항에 있어서, 상기 GaN 채널층, 상기 AlGaN 장벽층 및 상기 p형 게이트 층, 중 적어도 하나는,
유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE), 힐라이드 기상 성장법(HVPE), PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition), 스퍼터링(Sputtering) 및 ALD(atomic layer deposition) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것인 반도체 소자의 제조방법.
26. The method of claim 25, wherein at least one of the GaN channel layer, the AlGaN barrier layer, and the p-
At least one of metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), helium vapor deposition (HVPE), plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), sputtering, and atomic layer deposition Wherein the semiconductor device is formed on the basis of a predetermined pattern.
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