KR20230055221A - GaN RF HEMT Structure and fabrication method of the same - Google Patents

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KR20230055221A
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조덕호
심규환
최상식
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Abstract

본 발명은 GaN RF HEMT 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 응력 감소 기판(10)과, 제1절연막(22)에 의해 일부가 노출되는 상기 응력 감소 기판(10)의 상부 일부에 상호 소정 간격 이격되어 배치되는 오믹 금속막(21)과, 상기 제1절연막(22) 및 오믹 금속막(21)의 상부에 배치되는 제2절연막(25)에 형성된 윈도우를 통해 상기 응력 감소 기판(10)에 접하는 게이트 금속(26)과, 상기 게이트 금속의 측면측으로 이격되어 배치되는 소스 필드 플레이트(27)와, 상기 소스 필드 플레이트(27)에 접하고, 상기 게이트 금속(26)과는 절연된 상태로 소스측 오믹 금속막(21)의 상부측으로 연장되는 연결 금속선(28)과, 소스측 오믹 금속막(21)과 상기 연결 금속선(28)을 연결하는 영역에 형성되는 소스 전극 및 드레인측 오믹 금속막에 접촉되는 드레인 전극과, 다수의 상기 소스 전극들을 전기적으로 연결하는 에어 브릿지(35)를 포함할 수 있다.The present invention relates to a GaN RF HEMT device and a method for manufacturing the same, wherein a stress reducing substrate 10 and a portion of an upper portion of the stress reducing substrate 10 partially exposed by a first insulating film 22 are separated by a predetermined distance from each other. Contacts the stress reducing substrate 10 through a window formed in the ohmic metal film 21 and the second insulating film 25 disposed above the first insulating film 22 and the ohmic metal film 21. The gate metal 26, the source field plate 27 disposed to be spaced apart from the side surface of the gate metal, and contacting the source field plate 27 and insulated from the gate metal 26, the source-side ohmic It is in contact with the connection metal line 28 extending to the upper side of the metal film 21, the source electrode formed in the region connecting the source-side ohmic metal film 21 and the connection metal line 28, and the drain-side ohmic metal film. It may include a drain electrode and an air bridge 35 electrically connecting a plurality of the source electrodes.

Description

GaN RF HEMT 소자 및 그 제조방법{GaN RF HEMT Structure and fabrication method of the same}GaN RF HEMT device and its manufacturing method {GaN RF HEMT Structure and fabrication method of the same}

본 발명은 GaN RF HEMT 소자의 구조 및 그 제조방법에 관한 것으로, WBG(Wide Band Gap) 반도체의 HEMT(High Electron Mobility Transistor) 에피 구조를 이용하여 고성능의 RF 반도체를 구현하는 새로운 GaN 소자의 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to the structure of a GaN RF HEMT device and its manufacturing method, and to the structure and manufacturing method of a new GaN device that implements a high-performance RF semiconductor using the HEMT (High Electron Mobility Transistor) epitaxial structure of a WBG (Wide Band Gap) semiconductor. It is about its manufacturing method.

이제까지는 가격이 저렴하고 신뢰성과 안정성이 장기간 확보된 Si 반도체나 성능이 우수한 GaAs, InP 계열의 화합물반도체를 이용해 대부분의 RF 반도체 소자가 개발되고 사용되어 왔다. So far, most RF semiconductor devices have been developed and used using Si semiconductors that are inexpensive and have long-term reliability and stability, or GaAs and InP-based compound semiconductors with excellent performance.

그 중에 수 GHz 이상의 고주파에는 GaAs나 InP 계열의 화합물반도체의 성능이 우수하지만 물리적으로 또한 전기적으로 충격에 약하여 불안정한 점이 최대의 약점이다. Among them, the performance of GaAs or InP-based compound semiconductors is excellent at high frequencies of several GHz or higher, but their biggest weakness is that they are physically and electrically vulnerable to shock and unstable.

최근에는 환경과 에너지 효율에 대한 중요도가 높아지고 5G를 비롯한 이동통신과 각종 레이다 산업이 성장하고 있다. 이와 같이 이동성(mobility)이 심한 응용과 시스템에는 더욱 효율이 높고 작아야 하며, 여러 가지 물리적, 열적, 전기적 충격에 강한 RF 반도체가 필요하게 되었다. In recent years, the importance of environment and energy efficiency has increased, and mobile communication including 5G and various radar industries are growing. Such high mobility applications and systems require higher efficiency and smaller RF semiconductors that are resistant to various physical, thermal, and electrical shocks.

그리하여 SiC, GaN, Ga2O3와 같은 WBG 반도체 물질을 이용하는 전력반도체를 개발하여 응용하려는 시도가 활발하다. Thus, attempts to develop and apply power semiconductors using WBG semiconductor materials such as SiC, GaN, and Ga 2 O 3 are active.

관련 기술로서 미국특허 US8,404,508B2(2013년 3월 26일 등록, Enhancement mode GaN HEMT device and method for fabricating the same)에는 단순한 게이트와 게이트를 감싸는 필드 플레이트(field plate)를 배치한 구조로서 전력반도체용으로 사용한다. As a related technology, US patent US8,404,508B2 (registered on March 26, 2013, Enhancement mode GaN HEMT device and method for fabricating the same) has a structure in which a simple gate and a field plate surrounding the gate are arranged, and a power semiconductor use for

고주파를 인가하는 RF 응용에는 필드 플레이트에 의한 전기적 응력완화가 부족하고 게이트와 소스의 사이에 정정용량이 크게 인가되어 고주파 동작에 불리하다.In RF applications that apply high frequencies, electric stress relief by the field plate is insufficient and a large capacitance is applied between the gate and the source, which is disadvantageous to high frequency operation.

또한, 유럽공개특허 EP01965433A3(2009년 7월 29일 공개, High voltage GaN transistor)에는 게이트를 형성하는데 있어서, 연속하는 1차, 2차, 3차의 필드 플레이트를 적용한 소자구조를 제시하여, 동작전압을 600V에서 900V까지 5~6.6 mΩ-cm2 저저항으로 구동하는 성능을 보였다. In addition, European Patent Publication EP01965433A3 (published on July 29, 2009, High voltage GaN transistor) proposes a device structure in which successive primary, secondary, and tertiary field plates are applied in forming a gate, from 600V to 900V with 5~6.6 mΩ-cm 2 low resistance.

다만 게이트의 임계전압을 조절하기 위하여 트랜치 에치(trench etch)를 적용하였는데, 이 방식은 재현성과 균일성을 확보하는데 매우 불리하다.However, trench etch is applied to adjust the threshold voltage of the gate, but this method is very disadvantageous in securing reproducibility and uniformity.

또한, 미국특허 US8,120,064B2(Wide bandgap trnaistor devices with field plates, 2009년 1월 21일 등록)에서는 소자의 단면구조를 게이트 필드 플레이트를 사용하며, 게이트 필드 플레이트(gate field plate)를 1, 2, 3 단계까지 배치하는 형태를 보여준다. In addition, US patent US8,120,064B2 (Wide bandgap transistor devices with field plates, registered on January 21, 2009) uses a gate field plate for the cross-sectional structure of the device, and the gate field plate is 1, 2 , shows the form of arranging up to 3 steps.

소스 필드 플레이트(Source filed plate)가 정전기(ESD)나 전기 응력(Electrical stress)을 완화하는데 더욱 효과적인데, 게이트 필드 플레이트만을 다수개로 설계하여 게이트 동작과 신뢰성이 불안한 상태이다.A source field plate is more effective in alleviating ESD or electrical stress, but gate operation and reliability are unstable because only a plurality of gate field plates are designed.

그리고 관련 종래기술의 다른 예로서 Effects of gate shaping and consequent process changes on AlGaN/GaN HEMT reliability(J. Moreke, M. Tapajna, M. Uren, Y. Umesh, M. Kuball, IPSS(Physica Status Solids) Vol. A209, No. 12, pp. 2646-2652(2012))가 있다.And as another example of related prior art, Effects of gate shaping and consequent process changes on AlGaN/GaN HEMT reliability (J. Moreke, M. Tapajna, M. Uren, Y. Umesh, M. Kuball, IPSS (Physica Status Solids) Vol A209, No. 12, pp. 2646-2652 (2012)).

게이트의 모양이 네모구조, 기울어진(slanted) 구조, 리세스 경사(recess slanted) 구조들에 대해 제시되어 수직인 네모형에 비교하여 기울어진 구조의 안정성을 보여준다. 그러나 게이트의 안정성을 위해 게이트 하단부의 형태도 정밀한 관리가 필요하다.Gate shapes are presented for quadrilateral, slanted and recess slanted structures to show the stability of slanted structures compared to vertical quadrilaterals. However, for the stability of the gate, the shape of the lower part of the gate also needs precise management.

또한, Recessed-gate structure approach toward normally off high-voltage AlGaN/GaN HEMT for power electronic applications(S. Saito, Y. Takada, I. Omura로서 IEEE Trans. on Electronic Devices, 2006)에는 리세스 게이트 구조로 제작된 소자에 대해 기재하고 있다.In addition, a recessed-gate structure approach toward normally off high-voltage AlGaN/GaN HEMT for power electronic applications (S. Saito, Y. Takada, and I. Omura, IEEE Trans. on Electronic Devices, 2006) is fabricated with a recessed gate structure. It is written about the element that has been made.

트랜치 식각과 마찬가지로 리세스 식각도 재현성과 균일성에 문제가 있으며, 더욱이 리세스된 면적이 커서 소스-게이트 저항과 게이트-드레인 저항이 증가하여 소자의 성능이 감소하는 문제가 있다.Like the trench etching, the recess etching also has problems in reproducibility and uniformity, and furthermore, since the recessed area is large, the source-gate resistance and the gate-drain resistance increase, thereby reducing the performance of the device.

그리고 High breakdown voltage AlGaN-GaN HEMTs achieved by multiple fiels plates(H. Xing, Y. Dora, A. Chini, S. Heikman, S. Keller, U.K. Mishra, IEEE Device Lwtters Vol. 25, No. 4, (2004))에는 전기적 응력제어가 충분하지 못하고 필드 플레이트가 차례로 세 번이나 제작되어야 하므로 공정이 복잡하고 비용도 많이 필요로 된다.And High breakdown voltage AlGaN-GaN HEMTs achieved by multiple fiels plates(H. Xing, Y. Dora, A. Chini, S. Heikman, S. Keller, U.K. Mishra, IEEE Device Lwtters Vol. 25, No. 4, (2004 )), the electrical stress control is not sufficient, and the field plate must be manufactured three times in turn, which makes the process complicated and expensive.

이 밖에, 종래의 기술로서 대표적인 노멀리 온(normally-on, depletion mode) GaN FET 소자는, 가장 오래되고 쉽게 제작할 수 있는 간단한 구조인데 노멀리 온으로 동작하는 한계가 있다. In addition, a normally-on, depletion mode GaN FET device, which is a representative conventional technology, is the oldest and has a simple structure that can be easily manufactured, but has limitations in operating in a normally-on mode.

노멀리 오프(Normally-off, enhancement mode)로 구동시키기 위해서 Si MOSFET와 함께 조합하는 캐스코드(Cascode) 회로로 제작하여 사용한다. 따라서 부피가 커지고 성능을 높이는데 한계가 있으면 제품의 단가가 증가한다. In order to drive normally-off (enhancement mode), it is manufactured and used as a cascode circuit combined with Si MOSFET. Therefore, if the volume increases and the performance is limited, the unit price of the product increases.

상술한 바와 같이, 종래의 기술은 다양한 형태로 개발되고 있다. 이종접합 HEMT 구조의 WBG 반도체를 이용하고 수평형, 수직형, 금속-반도체 접합, 필드 플레이트를 적용하는 시도를 하였다. As described above, the prior art has been developed in various forms. An attempt was made to apply a horizontal, vertical, metal-semiconductor junction, and field plate using a heterojunction HEMT structured WBG semiconductor.

그러나 아직도 고주파 및 고전력 신호를 고효율로 동작하는 GaN RF HEMT 반도체 소자에 대해서는 아직도 많은 기술개발에 의한 성능개선이 필요하다.However, for GaN RF HEMT semiconductor devices that operate high-frequency and high-power signals with high efficiency, performance improvement by many technological developments is still required.

특히, 종래 기계적 응력(mechanical stress)과 전기적 응력(electrical stress) 문제는 GaN 반도체 소자에 있어서 수율과 신뢰성을 감소시키는 중대한 원인인 바, 이를 제어하기 위한 여러 가지 기술이 시도되고 있으나 아직 충분하지 않은 상황이다. In particular, conventional mechanical stress and electrical stress problems are a significant cause of reducing yield and reliability in GaN semiconductor devices, and various techniques for controlling them have been attempted, but are not yet sufficient. am.

따라서 GaN 반도체 소자의 응용을 확대시키기 위해 소자의 구조는 물론이고 제작공정에 있어서 기계적 응력(mechanical stress)과 전기적 응력(electrical stress)를 완화시키는 방안이 요구되고 있다.Therefore, in order to expand the application of GaN semiconductor devices, there is a need for a method of relieving mechanical stress and electrical stress in the manufacturing process as well as the structure of the device.

상술된 종래기술의 사례와 같이 GaN RF 반도체 소자에 대하여 다양한 구조와 물질의 형태에 대한 기술개발을 진행해왔다. 그러나 종래의 반도체 소자는 여러 가지 개선을 필요로 하는 문제점이 있다. As in the case of the prior art described above, technology development has been conducted for various structures and material types for GaN RF semiconductor devices. However, conventional semiconductor devices have problems requiring various improvements.

예를 들어 구동전압과 구동전류가 낮거나 열적으로 불안정하거나, 비선형적으로 동작하거나, 열을 많이 발생시키고 전기효율이 낮은 경우이다. For example, the driving voltage and driving current are low, thermally unstable, non-linearly operated, or generate a lot of heat and have low electrical efficiency.

특히 상술한 바와 같이 기계적 응력과 전기적 응력으로 인한 제조공정의 수율이 낮거나 신뢰성이 저하되는 문제는 상당한 기술적 진보를 요구하고 있다. In particular, as described above, the problem of low yield or low reliability of the manufacturing process due to mechanical stress and electrical stress requires significant technological progress.

현재 이런 기술적 한계로 인하여 GaN RF 반도체용 드라이버 회로를 특별히 고안하여 사용해야 하기 때문에, 호환성 부족과 부가적인 전력소모의 문제가 응용 확대에 걸림돌이 되고 있다. Currently, because a driver circuit for GaN RF semiconductors must be specially designed and used due to these technical limitations, the problem of lack of compatibility and additional power consumption becomes an obstacle to the expansion of applications.

따라서 이러한 GaN RF 반도체 소자의 동작특성과 관련한 상기의 기계적 전기적 응력으로 인한 문제를 해결할 수 있는 고성능의 신소자로의 발전은 매우 중요하다.Therefore, it is very important to develop a high-performance new device that can solve the problems caused by mechanical and electrical stress related to the operation characteristics of these GaN RF semiconductor devices.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 기계적 응력과 전기적 응력을 완화시킬 수 있는 GaN RF HEMT 소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide a GaN RF HEMT device capable of relieving mechanical stress and electrical stress and a manufacturing method thereof.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 GaN RF HEMT 소자는, 응력 감소 기판(10)과, 제1절연막(22)에 의해 일부가 노출되는 상기 응력 감소 기판(10)의 상부 일부에 상호 소정 간격 이격되어 배치되는 오믹 금속막(21)과, 상기 제1절연막(22) 및 오믹 금속막(21)의 상부에 배치되는 제2절연막(25)에 형성된 윈도우를 통해 상기 응력 감소 기판(10)에 접하는 게이트 금속(26)과, 상기 게이트 금속의 측면측으로 이격되어 배치되는 소스 필드 플레이트(27)와, 상기 소스 필드 플레이트(27)에 접하고, 상기 게이트 금속(26)과는 절연된 상태로 소스측 오믹 금속막(21)의 상부측으로 연장되는 연결 금속선(28)과, 소스측 오믹 금속막(21)과 상기 연결 금속선(28)을 연결하는 영역에 형성되는 소스 전극 및 드레인측 오믹 금속막에 접촉되는 드레인 전극과, 다수의 상기 소스 전극들을 전기적으로 연결하는 에어 브릿지(35)를 포함할 수 있다.A GaN RF HEMT device according to an aspect of the present invention for solving the above problems is a stress reducing substrate 10 and an upper portion of the stress reducing substrate 10 partially exposed by the first insulating film 22 The stress is reduced through a window formed in the ohmic metal film 21 disposed at a predetermined distance apart from each other and the second insulating film 25 disposed on the first insulating film 22 and the ohmic metal film 21. A gate metal 26 in contact with the substrate 10, a source field plate 27 disposed to be spaced apart from the side surface of the gate metal, and in contact with the source field plate 27 and insulated from the gate metal 26 The connection metal line 28 extending to the upper side of the source-side ohmic metal film 21, and the source electrode and drain side formed in the region connecting the source-side ohmic metal film 21 and the connection metal line 28 It may include a drain electrode contacting the ohmic metal film and an air bridge 35 electrically connecting the plurality of source electrodes.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 GaN RF HEMT 소자 제조방법은, a) 응력 감소 기판(10)을 제작하는 단계와, b) 응력 감소 기판의 상부에 오믹 금속막(21)을 부분적으로 형성하여, 소스와 드레인을 정의하는 단계와, c) 상기 소스 및 드레인의 사이에 게이트 금속(26)을 형성하고, 게이트 금속(26)과 드레인 사이에 소스 필드 플레이트(27)를 형성하는 단계와, d) 상기 소스 필드 플레이트(27)에 접하며, 상기 게이트 금속(26)과는 절연되는 연결 금속선(28)을 소스 측으로 연장하는 단계와, e) 상기 소스측 오믹 금속막(21)에 상기 연결 금속선(28)과 연결되는 소스 전극을 형성함과 아울러 드레인측 오믹 금속막(21)에 드레인 전극을 형성하는 단계와, f) 상기 소스 전극을 연결하는 에어 브릿지를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, a GaN RF HEMT device manufacturing method according to another aspect of the present invention includes the steps of a) fabricating a stress reducing substrate 10, and b) partially forming an ohmic metal film 21 on top of the stress reducing substrate , defining a source and a drain; c) forming a gate metal 26 between the source and drain, and forming a source field plate 27 between the gate metal 26 and the drain; d ) extending a connection metal line 28 in contact with the source field plate 27 and insulated from the gate metal 26 toward the source side; e) the connection metal line to the source-side ohmic metal film 21 ( 28) and forming a drain electrode on the drain-side ohmic metal film 21 as well as forming a source electrode connected to the source electrode, and f) forming an air bridge connecting the source electrode.

본 발명은 기계적 응력을 웨이퍼에서 단위칩 수준으로 감소 시키고, 전기적 응력을 극소화하며, 낮은 온저항, 높은 임계전압, 안정한 게이트 구동전압을 제공한다. The present invention reduces mechanical stress from wafer to unit chip level, minimizes electrical stress, and provides low on-resistance, high threshold voltage, and stable gate driving voltage.

따라서, 기계적 응력과 전기적 응력의 문제를 해결하여 공정수율과 신뢰성을 향상시키는 효과가 있으며, 특별한 드라이버 회로를 사용하지 않고도 동작의 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다.Therefore, there is an effect of improving process yield and reliability by solving problems of mechanical stress and electrical stress, and there is an effect of securing operation stability without using a special driver circuit.

도 1 내지 도 17은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 GaN RF HEMT 소자의 제조공정 수순 단면도이다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 평면 구성도이다.
도 19는 도 18의 단면 구성도이다.
도 20 내지 도 25는 본 발명과 종래 기술의 비교한 특성 그래프이다.
1 to 17 are cross-sectional views of a manufacturing process of a GaN RF HEMT device according to a preferred embodiment of the present invention.
18 is a plan configuration diagram according to an embodiment of the present invention.
Fig. 19 is a cross-sectional configuration diagram of Fig. 18;
20 to 25 are characteristic graphs comparing the present invention and the prior art.

이하, 본 발명 GaN RF HEMT 소자 및 그 제조방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a GaN RF HEMT device and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시 예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이며, 아래에 설명되는 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시 예는 본 발명을 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art, and the embodiments described below may be modified in many different forms, and the embodiments of the present invention The scope is not limited to the examples below. Rather, these embodiments are provided so that this invention will be thorough and complete, and will fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시 예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는"포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. Terms used in this specification are used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. As used herein, the singular form may include the plural form unless the context clearly indicates otherwise. Also, when used herein, "comprise" and/or "comprising" specifies the presence of the recited shapes, numbers, steps, operations, elements, elements, and/or groups thereof. and does not exclude the presence or addition of one or more other shapes, numbers, operations, elements, elements and/or groups. As used herein, the term "and/or" includes any one and all combinations of one or more of the listed items.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 영역 및/또는 부위들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부위들은 이들 용어에 의해 한정되지 않음은 자명하다. 이들 용어는 특정 순서나 상하, 또는 우열을 의미하지 않으며, 하나의 부재, 영역 또는 부위를 다른 부재, 영역 또는 부위와 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 영역 또는 부위는 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 영역 또는 부위를 지칭할 수 있다.Although terms such as first and second are used in this specification to describe various members, regions, and/or regions, it is obvious that these members, parts, regions, layers, and/or regions are not limited by these terms. . These terms do not imply any particular order, top or bottom, or superiority or inferiority, and are used only to distinguish one element, region or region from another element, region or region. Thus, a first element, region or region described in detail below may refer to a second element, region or region without departing from the teachings of the present invention.

이하, 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 실시 예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to drawings schematically illustrating embodiments of the present invention. In the drawings, variations of the depicted shape may be expected, depending, for example, on manufacturing techniques and/or tolerances. Therefore, the embodiments of the present invention should not be construed as being limited to the specific shape of the region shown in this specification, but should include, for example, a change in shape caused by manufacturing.

도 1 내지 도 17은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 GaN RF HEMT 소자의 제조공정 수순 단면도이다.1 to 17 are cross-sectional views of a manufacturing process of a GaN RF HEMT device according to a preferred embodiment of the present invention.

먼저, 도 1에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(11)의 상부에 시드층(12), 완충층(13), GaN 액티브층(14), AlGaN층(15), 절연막층(16)을 순차적으로 형성한다.First, as shown in FIG. 1, a seed layer 12, a buffer layer 13, a GaN active layer 14, an AlGaN layer 15, and an insulating film layer 16 are sequentially formed on the top of a semiconductor substrate 11. form

반도체 기판(11)은 Si, 사파이어(sapphire), SiC, AlN 등을 사용할 수 있다.The semiconductor substrate 11 may use Si, sapphire, SiC, AlN, or the like.

반도체 기판(11)의 상부에 AlGaN/GaN HEMT의 에피구조를 성장하는데 있어서 이종접합이므로 사용되는 기판(11)의 종류에 따라 격자상수의 차이와 열팽창계수의 차이가 존재하게 된다.In growing the epitaxial structure of AlGaN/GaN HEMT on the top of the semiconductor substrate 11, there is a difference in lattice constant and thermal expansion coefficient depending on the type of substrate 11 used because it is a heterojunction.

따라서, 에피층과 반도체 기판(11)의 사이에 발생하는 기계적 응력에 의해 전체적으로 반도체 기판(11)까지 휘어지고 심한 경우에는 웨이퍼의 가장자리부터 크랙이 발생하게 된다. Therefore, due to the mechanical stress generated between the epitaxial layer and the semiconductor substrate 11, the entire semiconductor substrate 11 is bent, and in severe cases, cracks occur from the edge of the wafer.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 시드층(12)과 완충층(13)의 성장과정에서 응력을 최소화하려고 시도하고 있다. 그러나 아직도 반도체 기판(11)과 AlGaN/GaN HEMT 에피층 사이에는 기계적 응력이 통상 0.1~0.8 MPa 수준으로 발생한다. In order to solve this problem, attempts are being made to minimize stress during the growth process of the seed layer 12 and the buffer layer 13. However, mechanical stress still occurs between the semiconductor substrate 11 and the AlGaN/GaN HEMT epitaxial layer at a level of 0.1 to 0.8 MPa.

완충층(13)으로 저온 GaN, AlyGa1-yN, GaN/AlyGa1-yN 초격자층을 성장하여 이용할 수 있고 이들이 복합된 여러 형태로 응용될 수 있다. Low-temperature GaN, Al y Ga 1-y N, and GaN/Al y Ga 1-y N superlattice layers can be grown and used as the buffer layer 13 and can be applied in various forms in which they are combined.

이어서 2DEG가 발생되는 액티브층(14)을 성장시킨다. 액티브층(14)은 undoped-Ga층이다.Subsequently, the active layer 14 where 2DEG is generated is grown. The active layer 14 is an undoped-Ga layer.

이어서 연속적으로 액티브층(14)의 상부에 AlxGa1-xN층(15, 이하 AlGan층이라 약칭함)을 성장시킨다.Subsequently, an Al x Ga 1-x N layer (15, hereinafter abbreviated as an AlGan layer) is continuously grown on the active layer 14 .

여기에서 Al의 함량인 x에 의해 조절되는 AlxGa1-xN 에피층(15)은 스페이서층이라고도 한다.Here, the Al x Ga 1-x N epitaxial layer 15 controlled by x, the Al content, is also referred to as a spacer layer.

상술된 AlGaN(15)층의 상부에는 절연막층(16)을 증착하여 표면을 보호한다.An insulating film layer 16 is deposited on top of the above-described AlGaN (15) layer to protect the surface.

절연막층(16)은 SPF(surface passivation film)이라고 하며, 산화막 또는 ㅈ질화막을 사용할 수 있다.The insulating film layer 16 is called SPF (surface passivation film), and an oxide film or a nitride film may be used.

주로 절연막층(16)은 SiON과 같은 절연체 박막을 사용하며 두께는 30~200nm 수준으로 조절한다.Mainly, the insulating film layer 16 uses an insulator thin film such as SiON, and the thickness is adjusted to a level of 30 to 200 nm.

본 발명은 2DEG를 형성시키기 위한 AlGaN층(15)에서 Al의 함량(x)은 0.1~0.4 사이에서 제어하고 두께는 10~40nm로 조절하여 운반자의 채널층 인 2DEG의 밀도와 이동도를 조절한다. In the present invention, the Al content (x) in the AlGaN layer 15 for forming the 2DEG is controlled between 0.1 and 0.4 and the thickness is controlled between 10 and 40 nm to control the density and mobility of the 2DEG, which is the channel layer of the carrier. .

이로써 GaN 액티브층(14)/AlxGa1-xN층(15) 사이에 GaN측으로 2DEG가 형성되어 소자제작을 위한 HEMT 에피구조가 완성된다. 본 발명에서 2DEG층 전자의 밀도는 >9x1012cm-2, 이동도는 >1900cm2/Vsec의 수준으로 HEMT 에피구조를 성장하여 이용한다. As a result, a 2DEG is formed on the GaN side between the GaN active layer 14/Al x Ga 1-x N layer 15 to complete the HEMT epitaxial structure for device fabrication. In the present invention, the 2DEG layer has an electron density of >9x10 12 cm −2 and a mobility of >1900 cm 2 /Vsec, and the HEMT epistructure is grown and used.

그 다음, 도 2에서는 광사진전사로 PR(Photoresist) 패턴을 형성하고, 이 PR 패턴을 이용하여 상기 형성된 절연막층(16), AlGaN층(15), GaN 액티브층(14), 완충층(13) 및 시드층(12)의 일부를 식각하여 반도체 기판(11)의 상부 일부를 노출시킨다.Next, in FIG. 2, a photoresist (PR) pattern is formed by phototransfer, and the formed insulating film layer 16, AlGaN layer 15, GaN active layer 14, and buffer layer 13 are formed using the PR pattern. A portion of the seed layer 12 is etched to expose an upper portion of the semiconductor substrate 11 .

즉, 에지 트림(edge trim)을 형성한다.That is, an edge trim is formed.

이와 같은 방법을 이용하여 가장자리에 집중되어 존재하는 결함부위를 제거하고 응력이 다소 완화되어 안정한 가장자리의 처리가 이루어진다. Using this method, defective areas concentrated on the edge are removed, and the stress is somewhat relieved to achieve stable edge treatment.

따라서, 소자공정 과정에 있어서 외부의 충격이 있더라도 크랙, 슬립, 결함으로부터 발현되어 전파되는 공정중 기판 파괴현상을 방지할 수 있다.Therefore, in the process of device processing, even if there is an external impact, it is possible to prevent substrate destruction during the process of cracks, slips, and defects that are manifested and propagated.

그 다음, 도 3에 도시한 바와 같이 제조할 소자 칩들의 스크라이브 레인(scribe lane) 형성을 위하여, 광사진전사 및 식각공정을 통해 절연막층(16), AlGaN층(15), GaN 액티브층(14)의 일부를 식각하여, 하부의 완충층(13)을 노출시킨다.Then, as shown in FIG. 3, in order to form scribe lanes of device chips to be manufactured, an insulating film layer 16, an AlGaN layer 15, and a GaN active layer 14 are formed through phototransfer and etching processes. ) is etched to expose the lower buffer layer 13.

이 과정에서 역시 AlGaN/GaN HEMT 에피층과 반도체 기판(11)의 사이에 인가되어 있는 기계적 응력이 부분적으로 완화된다.In this process, the mechanical stress applied between the AlGaN/GaN HEMT epitaxial layer and the semiconductor substrate 11 is also partially relieved.

그 다음, 도 4에 도시한 바와 같이 절연막층(16), AlGaN층(15) 및 GaN 액티브층(14)이 식각된 스크라이브 레인의 중앙에 위치하는 트랜치 구조를 형성하여, 하부의 반도체 기판(11)의 일부를 노출시킨 후, 트랜치 절연막(17)을 형성한다.Then, as shown in FIG. 4, a trench structure is formed in the center of the scribe lane in which the insulating film layer 16, the AlGaN layer 15, and the GaN active layer 14 are etched, and the semiconductor substrate 11 below. After exposing a part of ), a trench insulating film 17 is formed.

트랜치 구조는 하부의 반도체 기판(11)까지 완전하게 도달하여 성장된 AlGaN/GaN 에피층이 완전히 절단된다. 그리하여 제작하는 HEMT 소자의 크기로 전면 웨이퍼에서 AlGaN/GaN 에피층이 단락이 이루어지므로 단위칩 수준으로 국부적으로 기계적 응력이 국한되게 된다.The trench structure completely reaches the lower semiconductor substrate 11, and the grown AlGaN/GaN epitaxial layer is completely cut. Therefore, since the AlGaN/GaN epitaxial layer is short-circuited on the front wafer due to the size of the HEMT device to be manufactured, mechanical stress is locally localized at the unit chip level.

이처럼 단위칩 수준으로 격리가 이루어지면서 에피층과 반도체 기판(11)의 사이에 인가되었던 기계적 응력이 이완되게 된다. 응력이 이완되고 가장자리의 결함이 제거된 상태가 되면 웨이퍼의 뒤틀림(warpage)이 감소하며 공정단계에 받을 수 있는 기계적 충격에 대해서도 강해진다. As the isolation is performed at the unit chip level, the mechanical stress applied between the epitaxial layer and the semiconductor substrate 11 is relaxed. When the stress is relaxed and the defects on the edge are removed, the warpage of the wafer is reduced and the mechanical shock that can be received during the process step is also strengthened.

따라서 응력이완과 뒤틀림의 감소 현상으로 소자 제작공정에 대한 공정의 균일도와 수율이 모두 개량되게 된다.Therefore, both the uniformity and yield of the device fabrication process are improved due to the phenomenon of stress relaxation and reduction of warpage.

이처럼 도 4에 도시한 구조는 응력 감소 기판(Stress Relieved HEMT substrate, 이하, SRHS라 약칭함, 10)를 형성한다.As such, the structure shown in FIG. 4 forms a Stress Relieved HEMT substrate (hereinafter referred to as SRHS, 10).

도 5는 SRHS(10)의 상부에 오믹접합을 위한 금속접합을 형성하는 과정을 보여준다. 5 shows a process of forming a metal junction for an ohmic junction on the top of the SRHS 10.

광사진전사 및 식각 또는 리프트 오프(lift-off) 공정으로 형성하는 오믹금속막(21)으로는 Ti, Ni, Al, Pt, Pd, Mo, Ta 등의 금속을 단일층 내지는 Ti/TiN, Ti/Ni/Ti/Al과 같이 2개 이상의 복합층으로 구성하여 사용한다. As the ohmic metal film 21 formed by phototransfer and etching or lift-off process, a single layer of metal such as Ti, Ni, Al, Pt, Pd, Mo, Ta or Ti/TiN, Ti It is composed of two or more composite layers such as /Ni/Ti/Al.

그 다음, 도 6에 도시한 바와 같이 상기 도 5의 구조 상부 전면에 제1절연막(22)을 증착하여 표면을 패시베이션(passivation)하고, 이어서 800oC 이상의 고온에서 1~5 min 동안 급속열처리하여 저항이 낮은 오믹접촉을 형성한다.Then, as shown in FIG. 6, a first insulating film 22 is deposited on the entire upper surface of the structure of FIG. 5 to passivate the surface, followed by rapid heat treatment at a high temperature of 800 ° C or higher for 1 to 5 min. It forms an ohmic contact with low resistance.

정전류가 흐를 때 발생하는 열을 최소화하려면 접촉저항을 줄여야 하고, 또한 전기적인 충격과 열적인 충격으로부터 소자가 안정한 동작을 하기 위해서 우선적으로 접촉저항이 낮고 물리적으로 안정한 전자이동(electro-migration)에 강한 금속접합이 중요하다.In order to minimize the heat generated when constant current flows, contact resistance must be reduced, and in order to ensure stable operation of the device from electrical and thermal shock, contact resistance is low and physically stable and strong against electro-migration. Metal bonding is important.

그 다음, 도 7에 도시한 바와 같이 소자의 AlGaN/GaN 부분에 이온주입을 위해 이온주입 영역을 한정하는 PR 패턴을 광사진전사로 형성하고, Then, as shown in FIG. 7, a PR pattern defining an ion implantation region is formed by photo-transfer for ion implantation in the AlGaN / GaN portion of the device,

소자격리를 위하여 Ar, P와 같은 이온화 원자를 60~200 keV의 높은 에너지로 >1x1015 cm-2 이온량의 조건으로 이온주입하여, 이온주입 영역(23)을 형성한다.For device isolation, ionized atoms such as Ar and P are ion-implanted with high energy of 60 to 200 keV under the condition of >1x10 15 cm −2 ion amount to form the ion implantation region 23 .

그 다음, 도 8에 도시한 바와 같이 제1게이트 접합패턴에 대한 광사진전사로 패턴을 형성하고 식각을 하여 제1게이트 접합 부분의 콘택 윈도우(contact window, 24)를 형성한다.Then, as shown in FIG. 8 , a pattern is formed by photo-transfer to the first gate junction pattern, and a contact window 24 of the first gate junction is formed by etching.

그 다음, 도 9에 도시한 바와 같이 제2절연막(25)을 증착하고 제2게이트 접합에 대한 광사진전사로 패턴을 형성하고 식각하여 드레인 측으로 필드 플레이트를 크게할 수 있는 스텝구조의 제2게이트 콘택 윈도우(contact window)를 형성한다.Then, as shown in FIG. 9, a second gate having a stepped structure capable of depositing a second insulating film 25, forming a pattern by photo-transfer to the second gate junction, and etching it to enlarge the field plate toward the drain. Forms a contact window.

제2게이트 패턴을 이용하여 게이트 길이를 감소시킬 수 있고, 독특한 형태의 게이트 필드 플레이트(Gate field plate, GFP)의 모양을 정할 수 있다. The gate length can be reduced using the second gate pattern, and the shape of a unique gate field plate (GFP) can be determined.

본 실시예에서 제1 게이트 접합와 제2 게이트 접합의 패턴을 이용한 구조를 설명하였으나, 제1 게이트 패턴만을 이용한 소자의 제작도 가능하다.Although the structure using the patterns of the first gate junction and the second gate junction has been described in this embodiment, it is also possible to fabricate a device using only the first gate pattern.

그 다음, 도 10에 도시한 바와 같이 게이트 금속(26)을 리프트 오프 또는 식각 방식으로 형성한다.Then, as shown in FIG. 10, the gate metal 26 is formed by lift-off or etching.

게이트 금속(26)의 패턴을 광사진전사로 형성하고 PR 마스크를 이용하여 게이트 금속막박을 형성한다. 이때 게이트 금속과 더불어서 동시에 소스 필드 플레이트(27)가 게이트의 옆의 드레인 방향으로 T-형의 형태로 형성된다.A pattern of the gate metal 26 is formed by photo-transfer, and a gate metal film is formed using a PR mask. At this time, along with the gate metal, the source field plate 27 is formed in a T-shape in the drain direction next to the gate.

게이트 금속(26)으로는 Ni/Pt/Ti/Al 내지 Ni.Pt/Ni/Pt/Au, Ni/Pt/Ti/WTi와 같이 다층의 이종금속을 증착하여 이용한다. 이때 게이트의 저항을 낮추기 위해서 주전도층인 Al, Au, WTi층의 두께는 1~2um 이상이 되도록 조절한다.As the gate metal 26, a multi-layered dissimilar metal such as Ni/Pt/Ti/Al, Ni.Pt/Ni/Pt/Au, or Ni/Pt/Ti/WTi is deposited and used. At this time, in order to lower the resistance of the gate, the thickness of the Al, Au, and WTi layers, which are the main conductive layers, is adjusted to be 1 to 2 μm or more.

그 다음, 도 11에 도시한 바와 같이, 소스 금속과 소스 필드 플레이트를 전기적으로 연결하기 위한 연결 금속선(28)을 형성한다. 연결 금속선(28)은 Al, Ni, Ti, Au와 같은 금속을 단일층 내지는 다층구조로 조합하여 이용할 수 있다.Then, as shown in FIG. 11, a connection metal line 28 for electrically connecting the source metal and the source field plate is formed. The connection metal line 28 may be used by combining metals such as Al, Ni, Ti, and Au in a single layer or multi-layer structure.

그 다음, 도 12에 도시한 바와 같이, 제3절연막(29)을 증착하고, 소스 및 드레인측 오믹접합과의 콘택 윈도우를 오픈하고, 소스와 드레인의 금속배선을 위한 금속박막을 증착하고 광사진전사 및 식각 또는 리프트 오프(lift-off) 방식으로 제1금속층(30)을 형성한다.Then, as shown in FIG. 12, a third insulating film 29 is deposited, a contact window with the ohmic junction on the source and drain sides is opened, a metal thin film for metal wiring of the source and drain is deposited, and an optical photograph is taken. The first metal layer 30 is formed by transfer and etching or lift-off.

상기 제1금속층(30)은 두께가 2~6 um인 금속박막을 증착하여 패턴을 만들고 식각하여 형성한다.The first metal layer 30 is formed by depositing a metal thin film having a thickness of 2 to 6 um to form a pattern and etching it.

제1금속층(30)은 Ai, Ti/Al, Ni/Au, Ti/Al/Ni/Au와 같이 다양한 금속 소재를 단일층 내지는 다층으로 조합하여 이용한다. The first metal layer 30 uses a combination of various metal materials such as Ai, Ti/Al, Ni/Au, and Ti/Al/Ni/Au in a single layer or multiple layers.

그 다음, 도 13에 도시한 바와 같이, 상기 구조의 상부 전면에 제4절연막(31)을 증착한다. Then, as shown in FIG. 13, a fourth insulating film 31 is deposited on the entire upper surface of the structure.

이때 반도체 기판측과 금속선과의 전기적 간섭에 대한 문제를 고려하여 제4절연막(31)의 두께는 1~3um 정도로 두께를 조절한다.At this time, considering the problem of electrical interference between the semiconductor substrate side and the metal line, the thickness of the fourth insulating film 31 is adjusted to about 1 to 3 μm.

그 다음, 도 14에 도시한 바와 같이, 광사진전사를 이용해 포토레지스트 패턴(32)을 형성한다. 포토레지스트 패턴(32)은 두 소자의 상부 및 두 소자 사이에 위치하는 제1금속층(30)의 상부를 덮는 구조이다.Then, as shown in FIG. 14, a photoresist pattern 32 is formed using photophototransfer. The photoresist pattern 32 is a structure covering the top of two devices and the top of the first metal layer 30 positioned between the two devices.

포토레지스트 패턴(32) 양측의 제4절연막(31)의 일부를 제거하여, 소자의 양측에 각각 위치하는 제1금속층(30)의 상부 일부를 노출시킨다.A portion of the fourth insulating layer 31 on both sides of the photoresist pattern 32 is removed to expose an upper portion of the first metal layer 30 positioned on both sides of the device.

그 다음, 도 15에 도시한 바와 같이, Ni를 증착하여 Ni층(33)을 형성한다.Then, as shown in FIG. 15, Ni layer 33 is formed by depositing Ni.

그 다음, 포토레지스트 패턴(34)을 형성하여 에어브리지를 형성할 수 있는 공간을 한정한다.Then, a photoresist pattern 34 is formed to limit a space where an air bridge can be formed.

상기 Ni층(33)은 전기도금(electroplating)을 수행하기 위한 것이다.The Ni layer 33 is for performing electroplating.

Ni 층(33)은 두께가 30nm 이상이고 스텝 커버리지(step coverage)가 양호한 상태가 되도록 조절하여 증착한다. The Ni layer 33 is deposited with a thickness of 30 nm or more and adjusted to have a good step coverage.

그 다음, 도 16에 도시한 바와 같이, 전기도금을 이용하여 에어 브릿지(35)를 형성한다. 에어 브릿지(35)는 보통 Au를 전기도금하여 2~4um의 두께로 형성하여 저항을 최소화한다.Then, as shown in FIG. 16, an air bridge 35 is formed using electroplating. The air bridge 35 is usually formed with a thickness of 2 to 4 μm by electroplating Au to minimize resistance.

그 다음, 도 17에 도시한 바와 같이 포토레지스트 패턴들(32, 34)과, 노출된 Ni층(33)을 제거한다.Then, as shown in FIG. 17, the photoresist patterns 32 and 34 and the exposed Ni layer 33 are removed.

도 18은 본 발명의 평면 구성도이다.18 is a plan configuration diagram of the present invention.

소스와 드레인 부분이 각각 3개와 2개씩 교번하여 형성되어 있고, 게이트가 4개로 구성되어 있다. 실제 제품은 이렇게 목적하는 전류의 수준에 따라 수의 단위 소자의 직렬 또는 병렬 구조로 제작된다. The source and drain portions are formed by alternating three and two, respectively, and the gate is composed of four. Actual products are manufactured in a series or parallel structure of a number of unit elements according to the level of the desired current.

여기에서 소스와 소스 필드 플레이트(27)를 연결하는 연결금속선(28)은 소스패드의 가장자리측면으로 배치되었다.Here, the connecting metal line 28 connecting the source and the source field plate 27 is disposed on the edge side of the source pad.

도 19는 상기 도 17에 도시한 단면 구조를 양측으로 배치한 소자의 전체적인 단면 구성도로서, 도 18의 평면도의 구성과 동일한 소자이다.FIG. 19 is an overall cross-sectional configuration diagram of an element in which the cross-sectional structure shown in FIG. 17 is disposed on both sides, and is the same element as the plan view of FIG. 18 .

다수의 소스-드레인과, T형상의 게이트 필드 플레이트로 형성된 게이트가 있으며, 그 옆에는 형의 소스 필드 플레이트가 배치되어 있다. 소스 패드들은 에어 브릿지(35)로 모두 연결되어 소스 전극의 저항을 최소화한다.There is a gate formed of a plurality of source-drain and T-shaped gate field plates, and a triangular source field plate is disposed next to it. The source pads are all connected by an air bridge 35 to minimize the resistance of the source electrode.

도 20은 Si(111) 기판에 성장된 GaN HEMT 에피층에서 기계적 응력(mechanical stress)의 이완(relief)이 엣지 트림(edge trim), 스크라이브 레인(scribe lane), 트랜치 분리(trench separation)의 단계에 따라 이루어짐을 설명한다. 20 shows the relief of mechanical stress in the GaN HEMT epitaxial layer grown on the Si (111) substrate in the steps of edge trim, scribe lane, and trench separation. It is explained that it is done according to

본 발명은 기계적 응력을 기판의 수준에서 단위 칩의 단위영역으로 지역화 시키며, 스크라이브 레인과 트랜치의 폭을 50um/10um, 100um/30um, 200um/50um과 같이 제어함에 따라 응력이 감소함을 알 수 있다.The present invention localizes the mechanical stress from the substrate level to the unit area of the unit chip, and it can be seen that the stress is reduced by controlling the width of the scribe lane and the trench to 50um/10um, 100um/30um, and 200um/50um. .

스크라이브 레인(scribe lane)이 커지는 경우 유효면적이 감소하게 되므로, 적정한 수준의 최적화가 요구된다.Since the effective area decreases when the scribe lane increases, an appropriate level of optimization is required.

도 21은 오프 스테이트 전기적 응력(off-state electrical stress)을 인가한 후에 펄스 모드(pulse mode)로 I-V특성을 측정한 결과 그래프이다.21 is a graph of I-V characteristics measured in a pulse mode after off-state electrical stress is applied.

게이트의 전압(Vgs)을 인계전압(Vth) 이하로 유지한 off 상태에서 드레인에 일정 수준을 초과하는 전압(Vds-q)을 인가하여 전기적 응력을 4ms 동안 인가하고 이어서 여러 게이트 전압(Vgs-q)의 인가하는 3ms 동안의 고요한(quiescent) 상태의 조건에서 드레인-소스 전압(Vds-q)에서 드레인전류(Ids)를 측정한다. In the off state where the gate voltage (Vgs) is maintained below the takeover voltage (V th ), a voltage exceeding a certain level (V ds-q ) is applied to the drain to apply electrical stress for 4 ms, and then several gate voltages (V Drain current (I ds ) is measured at drain-source voltage (V ds-q ) under the condition of a quiescent state for 3 ms while gs-q ) is applied.

오프 스테이트 상태에서 드레인에 인가된 전압에 의해 게이트 하단부에 전기장이 집속되어 열전자(hot electron)가 생성된다. 전기적 응력에 의해 생성된 열전자들은 상부의 AlGaN층(15)과 절연막층(16)으로 트랩되고, 또한 GaN 액티브층(14)으로도 트랩현상이 일어나게 된다. In the off-state state, an electric field is focused at the bottom of the gate by the voltage applied to the drain, and hot electrons are generated. Hot electrons generated by electrical stress are trapped by the upper AlGaN layer 15 and the insulating film layer 16, and trapping also occurs in the GaN active layer 14.

이러한 트랩으로 인하여 주변의 2DEG층에는 전자밀도가 감소하게 되고 마찬가지로 펄스 모드의 I-V 특성에서 전류밀도가 심각하게 감소하게 된다.Due to these traps, the electron density is reduced in the surrounding 2DEG layer, and the current density is also severely reduced in the I-V characteristic of the pulse mode.

도 22는 전기적 응력이 인가되지 아니한 초기의 소자에 있어서 DC, 펄스 동작에 대한 I-V 특성을 보여준다. 소자의 게이트와 드레인 사이의 절연막과 GaN 에피층에 전자가 전기적 응력에 의해 트랩되지 않은 초기의 상태이므로 DC와 펄스 동작의 특성이 거의 동일한 상태를 유지한다.22 shows I-V characteristics for DC and pulse operation in the initial device to which no electrical stress is applied. Since electrons are not trapped by electrical stress in the insulating film between the gate and drain of the device and the GaN epitaxial layer, the characteristics of DC and pulse operation remain almost the same.

도 23은 종래 소자의 오프 스테이트 전기적 응력(off-state electrical stress)을 인가한 후에 펄스 모드(pulse mode)로 I-V특성을 측정결과이다.23 is a result of measuring I-V characteristics in a pulse mode after applying an off-state electrical stress of a conventional device.

DC와 펄스 모드에서 측정된 결과는 확연히 다르다. 특히 펄스 모드로 측정된 결과는 온저항(Ron)이 심각한 수준으로 증가하여 그레인 전류의 구동능력이 심하게 감소하였다. The results measured in DC and pulse modes are significantly different. In particular, as a result measured in the pulse mode, the on-resistance (R on ) increased to a serious level, and the driving ability of the grain current was severely reduced.

이는 전기적 응력에 대해 약한 종래의 소자가, 게이트와 드레인 사이에 존재하는 2DEG의 상하부의 AlGaN, 절연막, GaN층에 전자가 트랩되어 2DEG 농도가 감소해 채널의 전류흐름이 급감했기 때문이다. This is because electrons are trapped in the AlGaN, insulating film, and GaN layer above and below the 2DEG existing between the gate and the drain in the conventional device, which is weak against electrical stress, and the 2DEG concentration decreases, resulting in a sharp decrease in the current flow through the channel.

도 24는 본 발명의 I-V 특성이다. 24 is an I-V characteristic of the present invention.

오프 스테이트 전기적 응력(off-state electrical stress)을 가한 후에 측정된 펄스 모드의 I-V 특성이 DC 모드에서 측정된 결과와 거의 대등한 수준을 유지한다. 이는 본 발명의 경우에 T-shape의 게이트 필드 플레이트와 소스 필드 플레이트의 구조로 설계되어 전기적 응력이 완화되기 때문이다. After applying the off-state electrical stress, the I-V characteristics of the pulse mode measured are almost equivalent to those measured in the DC mode. This is because, in the case of the present invention, the structure of the T-shape gate field plate and the source field plate is designed to relieve electrical stress.

또한, 저저항 오믹접합과 소스와 게이트 사이의 커패시턴스(CSG) 성분을 최소화하여 전류구동력을 높여 순방향 동작에서 작은 온저항(Ron)으로 소자의 효율을 극대화할 수 있도록 한다. In addition, by minimizing the low-resistance ohmic junction and the capacitance ( CSG ) component between the source and the gate, the efficiency of the device can be maximized with a small on-resistance (R on ) in forward operation by increasing the current driving force.

이와 같이 소자의 전류구동 능력은 100 mA/mm 이상으로 온저항(Ron)을 5 mΩcm2 이하로 제어한다. As such, the current driving capability of the device is 100 mA/mm or more, and the on-resistance (R on ) is controlled to 5 mΩcm 2 or less.

도 25는 본 발명과 종래 소자의 RF 특성 비교 그래프이다.25 is a graph comparing RF characteristics between the present invention and a conventional device.

이에 도시한 바와 같이 전기적 응력의 분산의 차이가 있는 종래기술과 본 발명의 RF 특성을 비교하여 전류이득(current gain)인 H21과 전력이득(power gain)인 Mason’s gain의 U의 특성을 설명하는 사례이다. As shown therein, by comparing the RF characteristics of the present invention with the prior art having a difference in the distribution of electrical stress, the current gain H 21 and the power gain U of Mason's gain are explained. It is a case.

전류이득과 전력이득이 단위가 되는 제한에서 ft와 fmax를 정의한다. Define f t and f max in the limit where current gain and power gain become units.

종래의 기술에 비해 본 발명의 경우 ft와 fmax가 증가한 성능의 개량효과를 보인다. 유효게이트의 길이와 게이트-드레인 간격을 줄일 수 있으며, 게이트-소스 정전용량(Cgs)이 작아서 소자의 고주파 동작성능이 개량된다.Compared to the prior art, in the case of the present invention, f t and f max are increased to show the effect of improving performance. The effective gate length and gate-drain interval can be reduced, and the gate-source capacitance (C gs ) is small, so the high-frequency operation performance of the device is improved.

위에서 설명된 바와 같이 본 발명에서는 HEMT 구조의 2DEG의 높은 이동도의 운반자에 의해 고주파 및 고전압에서 높은 전도(conduction)로 소자의 동작에 대한 원인을 제공한다. 이는 동급의 회로에 있어서 효율을 높이고 수동소자의 크기를 축소시키므로 고출력 RF 시스템의 부피를 최소화할 수 있게 한다. 본 발명의 소자는 성능과 장점은 고속으로 동작하는 고주파-고전력의 무선회로에 필수적이라할 수 있다.As described above, in the present invention, the high-mobility carrier of the 2DEG of the HEMT structure provides a cause for the operation of the device with high conduction at high frequency and high voltage. This increases efficiency and reduces the size of passive elements in equivalent circuits, thereby minimizing the volume of a high-power RF system. The performance and advantages of the device of the present invention can be said to be essential for high frequency-high power wireless circuits operating at high speed.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정, 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.It is obvious to those skilled in the art that the present invention is not limited to the above embodiments and can be variously modified or modified and implemented within the scope of the technical gist of the present invention. will be.

11:반도체 기판 12:시드층
13:완충층 14:GaN 액티브층
15:AlGaN층 16:절연막층
17:트랜치 절연막 10:응력 감소 기판
21:오믹 금속막 22:제1절연막
23:이온주입영역 24:콘택 윈도우
25:제2절연막 26:게이트 금속
27:소스 필드 플레이트 28:연결 금속선
29:제3절연막 30:제1금속층
31:제4절연막 32, 34:포토레지스트 패턴
33:Ni층 35:에어 브릿지
11: semiconductor substrate 12: seed layer
13: buffer layer 14: GaN active layer
15: AlGaN layer 16: insulating film layer
17: trench insulation film 10: stress reduction substrate
21: ohmic metal film 22: first insulating film
23: ion implantation area 24: contact window
25: second insulating film 26: gate metal
27: source field plate 28: connecting metal wire
29: third insulating film 30: first metal layer
31: fourth insulating film 32, 34: photoresist pattern
33: Ni layer 35: Air bridge

Claims (5)

응력 감소 기판(10);
제1절연막(22)에 의해 일부가 노출되는 상기 응력 감소 기판(10)의 상부 일부에 상호 소정 간격 이격되어 배치되는 오믹 금속막(21);
상기 제1절연막(22) 및 오믹 금속막(21)의 상부에 배치되는 제2절연막(25)에 형성된 윈도우를 통해 상기 응력 감소 기판(10)에 접하는 게이트 금속(26);
상기 게이트 금속의 측면측으로 이격되어 배치되는 소스 필드 플레이트(27);
상기 소스 필드 플레이트(27)에 접하고, 상기 게이트 금속(26)과는 절연된 상태로 소스측 오믹 금속막(21)의 상부측으로 연장되는 연결 금속선(28);
소스측 오믹 금속막(21)과 상기 연결 금속선(28)을 연결하는 영역에 형성되는 소스 전극 및 드레인측 오믹 금속막에 접촉되는 드레인 전극; 및
다수의 상기 소스 전극들을 전기적으로 연결하는 에어 브릿지(35)를 포함하는 GaN RF HEMT 소자.
stress reducing substrate 10;
an ohmic metal film 21 spaced apart from each other by a predetermined interval on a part of the upper part of the stress reducing substrate 10, a part of which is exposed by the first insulating film 22;
a gate metal 26 in contact with the stress reducing substrate 10 through a window formed in the second insulating film 25 disposed on the first insulating film 22 and the ohmic metal film 21;
a source field plate (27) spaced apart from the side surface of the gate metal;
a connection metal line 28 in contact with the source field plate 27 and extending to an upper side of the source-side ohmic metal film 21 while being insulated from the gate metal 26;
a source electrode formed in a region connecting the source-side ohmic metal film 21 and the connection metal line 28 and a drain electrode contacting the drain-side ohmic metal film; and
A GaN RF HEMT device including an air bridge 35 electrically connecting a plurality of the source electrodes.
제1항에 있어서,
상기 응력 감소 기판(10)은,
반도체 기판(11);
반도체 기판(11)의 상부 일부에서 순차 적층되며, 상호 소정 간격 이격된 시드층(12) 및 완충층(13);
상기 시드층(12) 및 완충층(13)의 사이에 위치하는 트랜치 절연막(17); 및
상기 완충층(13)의 중앙 상부에 순차 적층된 GaN 액티브층(14), AlGaN층(15), 절연막층(16)을 포함하는 GaN RF HEMT 소자.
According to claim 1,
The stress reducing substrate 10,
semiconductor substrate 11;
a seed layer 12 and a buffer layer 13 sequentially stacked on a portion of the upper portion of the semiconductor substrate 11 and spaced apart from each other at a predetermined interval;
a trench insulating layer 17 positioned between the seed layer 12 and the buffer layer 13; and
A GaN RF HEMT device including a GaN active layer 14, an AlGaN layer 15, and an insulating film layer 16 sequentially stacked on the upper center of the buffer layer 13.
제1항에 있어서,
상기 소스 필드 플레이트는,
'T'형인 것을 특징으로 하는 GaN RF HEMT 소자.
According to claim 1,
The source field plate,
GaN RF HEMT device, characterized in that 'T' type.
a) 응력 감소 기판(10)을 제작하는 단계;
b) 응력 감소 기판의 상부에 오믹 금속막(21)을 부분적으로 형성하여, 소스와 드레인을 정의하는 단계;
c) 상기 소스 및 드레인의 사이에 게이트 금속(26)을 형성하고, 게이트 금속(26)과 드레인 사이에 'T'형 소스 필드 플레이트(27)를 형성하는 단계;
d) 상기 소스 필드 플레이트(27)에 접하며, 상기 게이트 금속(26)과는 절연되는 연결 금속선(28)을 소스 측으로 연장하는 단계;
e) 상기 소스측 오믹 금속막(21)에 상기 연결 금속선(28)과 연결되는 소스 전극을 형성함과 아울러 드레인측 오믹 금속막(21)에 드레인 전극을 형성하는 단계; 및
f) 상기 소스 전극을 연결하는 에어 브릿지를 형성하는 단계를 포함하는 GaN RF HEMT 소자 제조방법.
a) fabricating a stress reducing substrate 10;
b) partially forming an ohmic metal film 21 on top of the stress reducing substrate to define a source and a drain;
c) forming a gate metal 26 between the source and the drain, and forming a 'T' shaped source field plate 27 between the gate metal 26 and the drain;
d) extending a connection metal line 28 that contacts the source field plate 27 and is insulated from the gate metal 26 toward the source side;
e) forming a source electrode connected to the connection metal line 28 on the source-side ohmic metal film 21 and forming a drain electrode on the drain-side ohmic metal film 21; and
f) a GaN RF HEMT device manufacturing method comprising the step of forming an air bridge connecting the source electrode.
제4항에 있어서,
상기 a) 단계는,
a-1) 반도체 기판(11)의 상부에 시드층(12), 완충층(13), GaN 액티브층(14), AlGaN층(15), 절연막층(16)을 순차 형성하는 단계;
a-2) 상기 절연막층(16)부터 상기 시드층(12)까지의 적층 구조를 패터닝하여, 상기 반도체 기판(11)의 일부에 위치하는 시드층(12), 완충층(13), GaN 액티브층(14), AlGaN층(15), 절연막층(16) 적층 구조를 형성하는 단계;
a-3) 상기 절연막층(16)부터 상기 GaN 액티브층(14)까지의 적층 구조에서 소자 형성 영역을 구분하는 트랜치를 형성하는 단계; 및
a-4) 상기 트랜치의 형성으로 노출되는 완충층(13)의 중앙부분에서 하부의 반도체 기판(11)에 이르는 트랜치 절연막(17)을 형성하는 단계를 포함하는 GaN RF HEMT 소자 제조방법.
According to claim 4,
In step a),
a-1) sequentially forming a seed layer 12, a buffer layer 13, a GaN active layer 14, an AlGaN layer 15, and an insulating film layer 16 on the semiconductor substrate 11;
a-2) The stacked structure from the insulating film layer 16 to the seed layer 12 is patterned, and the seed layer 12, buffer layer 13, and GaN active layer located on a part of the semiconductor substrate 11 (14), forming a laminated structure of an AlGaN layer 15 and an insulating film layer 16;
a-3) forming a trench dividing an element formation region in a stacked structure from the insulating film layer 16 to the GaN active layer 14; and
a-4) a GaN RF HEMT device manufacturing method comprising the step of forming a trench insulation film 17 extending from the central portion of the buffer layer 13 exposed by the formation of the trench to the lower semiconductor substrate 11.
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