KR20230092791A - 산화니켈의 캐리어 농도 조절 방법 및 그 방법으로 제조된 쇼트키 다이오드 - Google Patents

산화니켈의 캐리어 농도 조절 방법 및 그 방법으로 제조된 쇼트키 다이오드 Download PDF

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Abstract

산화니켈의 캐리어 농도 조절 방법이 개시된다. 산화니켈의 캐리어 농도 조절 방법은 n형 산화갈륨 에피층이 형성된 n형 산화갈륨 기판을 준비하는 단계, 아르곤 및 산소의 제1 혼합 가스 분위기에서, 산화니켈 타겟을 스퍼터링하여 상기 n형 산화갈륨 에피층에 제1 p 산화니켈층을 증착하는 단계 및 아르곤 및 산소의 제2 혼합 가스 분위기에서, 상기 산화니켈 타겟을 스퍼터링하여 상기 n형 산화갈륨 에피층에 제2 p 산화니켈층을 증착하는 단계를 포함한다.

Description

산화니켈의 캐리어 농도 조절 방법 및 그 방법으로 제조된 쇼트키 다이오드{Method of controlling carrier concentration of p-NiO and schottky diode}
본 발명은 산화니켈의 캐리어 농도 조절에 관한 것이다.
전력, 전장 및 가전 산업의 급속한 발전으로 인해, 고성능 전력 반도체 장치에 대한 수요가 폭발적으로 증가했다. 지속적인 연구로 인해, 실리콘카바이드, 질화갈륨을 포함한 초광대역 반도체는 실리콘 기반 전력 반도체보다 높은 성능을 갖게 되었다. 그러나 벌크 단결정 성장이 어렵고, 생산 비용이 높은 단점이 있다.
한편, 산화갈륨은 실리콘카바이드, 질화갈륨에 이어 새롭게 떠오르는 초광대역 반도체 소재로, 실리콘카바이드, 질화갈륨의 밴드갭 폭을 훨씬 넘어서는 약 4.7 내지 약 4.9eV의 밴드갭을 가지며, 이론상 파괴 전계가 8MV/cm로 매우 높다. 산화 갈륨은 특히 다른 초광대역 반도체 소재에 비해 상대적으로 저비용으로 기판 및 에피층 성장이 가능하다. 그러나 적절한 p형 도펀트의 유효 정공 질량이 크고 억셉터 활성화 에너지가 높아서, pn 동종 접합 기반 β-Ga2O3 장치를 구현하기 어렵다.
중국 공개특허공보 제114823925호
본 발명은 p형 산화니켈의 홀 농도를 조절하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 산화니켈의 캐리어 농도 조절 방법이 제공된다. 산화니켈의 캐리어 농도 조절 방법은 n형 산화갈륨 에피층이 형성된 n형 산화갈륨 기판을 준비하는 단계, 아르곤 및 산소의 제1 혼합 가스 분위기에서, 산화니켈 타겟을 스퍼터링하여 상기 n형 산화갈륨 에피층에 제1 p 산화니켈층을 증착하는 단계 및 아르곤 및 산소의 제2 혼합 가스 분위기에서, 상기 산화니켈 타겟을 스퍼터링하여 상기 n형 산화갈륨 에피층에 제2 p 산화니켈층을 증착하는 단계를 포함하되, 상기 제1 혼합 가스의 산소유량비와 상기 제2 혼합 가스의 산소유량비는 상이하며, 상기 제1 p 산화니켈층의 캐리어 농도와 상기 제2 p 산화니켈층의 캐리어 농도는 상이할 수 있다.
일 실시예로, 상기 산소유량비는 0.0% 내지 16.6%에서 조절될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 산화니켈-산화갈륨 이종접합 다이오드 제조 방법이 제공된다. 산화니켈-산화갈륨 이종접합 다이오드 제조 방법은 n형 산화갈륨 에피층이 형성된 n형 산화갈륨 기판을 준비하는 단계, 상기 n형 산화갈륨 에피층 상의 액티브 영역에 복수의 제1 p 산화니켈 블록을 정의하는 제1 마스크를 형성하는 단계, 아르곤 및 산소의 제1 혼합 가스 분위기에서, 산화니켈 타겟을 스퍼터링하여 상기 복수의 제1 p 산화니켈 블록을 형성하는 단계, 상기 n형 산화갈륨 에피층 상의 엣지 영역에 복수의 제2 p 산화니켈 블록을 정의하는 제2 마스크를 형성하는 단계, 아르곤 및 산소의 제2 혼합 가스 분위기에서, 상기 산화니켈 타겟을 스퍼터링하여 상기 복수의 제2 p 산화니켈 블록을 형성하는 단계, 절연층을 상기 엣지 영역에 형성하는 단계, 상기 n형 산화갈륨 에피층의 상면 및 상기 복수의 제1 p 산화니켈 블록과 접하도록, 쇼트키 금속층을 상기 액티브 영역에 적층하는 단계, 상기 액티브 영역에 쇼트키 금속층을 증착하는 단계 및 상기 쇼트키 금속층 상에 애노드 전극 및 상기 n형 산화갈륨 기판의 이면에 캐소드 전극을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 제1 혼합 가스의 산소유량비와 상기 제2 혼합 가스의 산소유량비는 상이하며, 상기 제1 p 산화니켈 블록의 캐리어 농도와 상기 제2 p 산화니켈 블록의 캐리어 농도는 상이할 수 있다.
일 실시예로, 상기 산소유량비는 0.0% 내지 16.6%에서 조절될 수 있다.
일 실시예로, 상기 아르곤 및 산소의 제1 혼합 가스 분위기에서, 산화니켈 타겟을 스퍼터링하여 상기 복수의 제1 p 산화니켈 블록을 형성하는 단계는, 상기 액티브 영역에 형성되며 그 하면이 상기 n형 산화갈륨 에피층의 상면과 pn 이종접합을 형성하는 복수의 제1 p+ 산화니켈 블록, 및 상기 액티브 영역을 둘러싸도록 상기 액티브 영역과 상기 엣지 영역의 경계에 형성되며 그 하면이 상기 n형 산화갈륨 에피층의 상면과 pn 이종접합을 형성하는 제2 p+ 산화니켈 블록을 형성하는 단계 및 상기 제1 마스크를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 제2 마스크는 상기 액티브 영역 전체 및 상기 제2 p+ 산화니켈 블록의 일부를 덮도록 형성될 수 있다.
일 실시예로, 상기 아르곤 및 산소의 제2 혼합 가스 분위기에서, 상기 산화니켈 타겟을 스퍼터링하여 상기 복수의 제2 p 산화니켈 블록을 형성하는 단계는, 상기 엣지 영역에 형성되며 그 하면이 상기 n형 산화갈륨 에피층의 상면과 pn 이종접합을 형성하는 복수의 제1 p- 산화니켈 블록, 및 상기 제2 마스크에 의해 노출된 제2 p+ 산화니켈 블록상에 형성된 중첩 영역 및 그 하면이 상기 n형 산화갈륨 에피층의 상면과 pn 이종접합을 형성하는 비중첩 영역으로 구성된 제2 p- 산화니켈 블록을 형성하는 단계 및 상기 제2 마스크를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 절연층을 상기 엣지 영역에 형성하는 단계는 상기 절연층을 상기 엣지 영역 전체 및 상기 중첩 영역의 일부를 덮도록 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, n형 산화갈륨 에피층이 형성된 n형 산화갈륨 기판, 상기 n형 산화갈륨 에피층 상의 액티브 영역 및 상기 액티브 영역과 엣지 영역의 경계에 형성된 복수의 제1 p 산화니켈 블록, 상기 n형 산화갈륨 에피층 상의 상기 엣지 영역에 형성된 복수의 제2 p 산화니켈 블록, 상기 엣지 영역에 형성된 절연층, 상기 n형 산화갈륨 에피층의 상면 및 상기 복수의 제1 p 산화니켈 블록과 접하도록 상기 액티브 영역에 적층되며, 상기 엣지 영역 방향으로 계단 구조의 상면을 가진 쇼트키 금속층, 상기 쇼트키 금속층 상에 형성된 애노드 전극 및 상기 n형 산화갈륨 기판의 이면에 캐소드 전극을 포함하되, 상기 엣지 영역의 가장 안쪽에 위치한 제2 p 산화니켈 블록의 일부는 상기 액티브 영역과 상기 엣지 영역의 경계에 위치한 제1 p 산화니켈 블록의 일부와 중첩되도록 형성될 수 있다.
일 실시예로, 상기 복수의 제1 p 산화니켈 블록은 아르곤 및 산소의 제1 혼합 가스 분위기에서, 산화니켈 타겟을 스퍼터링하여 형성되고, 상기 복수의 제2 p 산화니켈 블록은 아르곤 및 산소의 제2 혼합 가스 분위기에서, 상기 산화니켈 타겟을 스퍼터링하여 형성되고, 상기 제1 혼합 가스의 산소유량비와 상기 제2 혼합 가스의 산소유량비는 상이하며, 상기 제1 p 산화니켈 블록의 캐리어 농도와 상기 제2 p 산화니켈 블록의 캐리어 농도는 상이할 수 있다.
일 실시예로, 상기 산소유량비는 0.0% 내지 16.6%에서 조절될 수 있다.
일 실시예로, 상기 복수의 제1 p 산화니켈 블록은 상기 액티브 영역에 형성되며 그 하면이 상기 n형 산화갈륨 에피층의 상면과 pn 이종접합을 형성하는 복수의 제1 p+ 산화니켈 블록, 및 상기 액티브 영역을 둘러싸도록 상기 액티브 영역과 상기 엣지 영역의 경계에 형성되며 그 하면이 상기 n형 산화갈륨 에피층의 상면과 pn 이종접합을 형성하는 제2 p+ 산화니켈 블록을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 복수의 제2 p 산화니켈 블록은 상기 엣지 영역에 형성되며 그 하면이 상기 n형 산화갈륨 에피층의 상면과 pn 이종접합을 형성하는 복수의 제1 p- 산화니켈 블록, 및 상기 제2 p+ 산화니켈 블록 상에 형성된 중첩 영역 및 그 하면이 상기 n형 산화갈륨 에피층의 상면과 pn 이종접합을 형성하는 비중첩 영역으로 구성된 제2 p- 산화니켈 블록을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 절연층은 상기 제1 p 산화니켈 블록의 일부와 중첩된 제2 p 산화니켈 블록의 일부를 덮도록 측면 방향으로 연장될 수 있다.
일 실시예로, 상기 쇼트키 금속층은 상기 절연층의 일부를 덮도록 측면 방향으로 연장될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, p형 산화니켈의 홀 농도를 조절할 수 있어 다양한 홀 농도를 갖는 p형 영역을 형성할 수 있다.
이하에서, 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명된다. 이해를 돕기 위해, 첨부된 전체 도면에 걸쳐, 동일한 구성 요소에는 동일한 도면 부호가 할당되었다. 첨부된 도면에 도시된 구성은 본 발명을 설명하기 위해 예시적으로 구현된 실시예에 불과하며, 본 발명의 범위를 이에 한정하기 위한 것은 아니다. 특히, 첨부된 도면들은, 발명의 이해를 돕기 위해서, 일부 구성 요소를 다소 과장하여 표현하고 있다. 도면은 발명을 이해하기 위한 수단이므로, 도면에 표현된 구성 요소의 폭이나 두께 등은 실제 구현시 달라질 수 있음을 이해하여야 한다. 한편, 발명의 상세한 설명 전체에 걸쳐서 동일한 구성 요소는 동일한 도면 부호를 참조하여 설명된다.
도 1은 p형 산화니켈의 캐리어 농도 측정에 사용된 pn 이종접합 다이오드 및 쇼트키 다이오드를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 2는 산소 유량을 조절하여 제조된 p형 산화니켈의 캐리어 농도 측정치를 나타낸 그래프이다.
도 3은 산소 유량을 조절하여 제조된 pn 이종접합 다이오드에 역방향 전압을 인가하여 측정한 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 산소 유량을 조절하여 제조된 pn 이종접합 다이오드에 순방향 전압을 인가하여 측정한 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 산소 유량을 조절하여 제조된 pn 이종접합 다이오드의 턴온 전압을 나타낸 그래프이다.
도 6은 산소 유량을 조절하여 제조된 pn 이종접합 다이오드의 커패시턴스 측정치를 나타낸 그래프이다.
도 7은 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 쇼트키 다이오드를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9는 도 7의 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 쇼트키 다이오드를 제조하는 과정을 예시적으로 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 요소 "위(on)"에 존재하는 것으로 또는 "위로(onto)" 확장되는 것으로 기술되는 경우, 그 요소는 다른 요소의 직접 위에 있거나 직접 위로 확장될 수 있고, 또는 중간의 개입 요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 하나의 요소가 다른 요소 "바로 위(directly on)"에 있거나 "바로 위로(directly onto)" 확장된다고 언급되는 경우, 다른 중간 요소들은 존재하지 않는다. 또한, 하나의 요소가 다른 요소에 "연결(connected)"되거나 "결합(coupled)"된다고 기술되는 경우, 그 요소는 다른 요소에 직접 연결되거나 직접 결합될 수 있고, 또는 중간의 개입 요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 하나의 요소가 다른 요소에 "직접 연결(directly connected)"되거나 "직접 결합(directly coupled)"된다고 기술되는 경우에는 다른 중간 요소가 존재하지 않는다.
"아래의(below)" 또는 "위의(above)" 또는 "상부의(upper)" 또는 "하부의(lower)" 또는 "수평의(horizontal)" 또는 "측면의(lateral)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적인 용어들은 여기에서 도면에 도시된 바와 같이 하나의 요소, 층 또는 영역의 다른 요소, 층 또는 영역에 대한 관계를 기술하는데 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면에 묘사된 방향(orientation)에 부가하여 장치의 다른 방향을 포괄하기 위한 의도를 갖는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 p형 산화니켈의 캐리어 농도 측정에 사용된 pn 이종접합 다이오드 및 쇼트키 다이오드를 예시적으로 도시한 도면이다.
pn 이종접합 다이오드는 n형 산화갈륨 기판, n형 산화갈륨 기판의 주면에 형성된 n형 산화갈륨 에피층, n형 산화갈륨 에피층에 형성된 p형 산화니켈층, p형 산화니켈층상에 형성된 애노드 전극 및 n형 산화갈륨 기판의 이면에 형성된 캐소드 전극을 포함한다. 쇼트키 다이오드는 n형 산화갈륨 기판, n형 산화갈륨 기판의 주면에 형성된 n형 산화갈륨 에피층, n형 산화갈륨 에피층에 형성된 쇼트키 금속층, 쇼트키 전극상에 형성된 애노드 전극 및 n형 산화갈륨 기판의 이면에 형성된 캐소드 전극을 포함한다.
pn 이종접합 다이오드의 애노드 전극은 니켈로 형성되며, p형 산화니켈층에 오믹 접촉한다. pn 이종접합 다이오드의 제조시, p형 산화니켈층 및 애노드 전극은 in-situ 형성된다. 접합 영역을 정의한 포토 레지스트 마스크를 n형 산화갈륨 에피층에 형성한 후, 아르곤 및 산소의 혼합 가스 분위기에서, p형 산화니켈층은 산화니켈 타겟을 RF 마그네트론 스퍼터링하여 포토 레지스트 마스크 및 노출된 n형 산화갈륨 에피층 상에 약 300 nm 두께로 적층된다. 스퍼터링시, 산소의 유량은 약 0.0% 내지 23.0% 사이에서 조정되고, 챔버 압력은 약 5 mTorr로 유지되며, 약 150 W의 전력이 약 90분간 인가될 수 있다.
pn 이종접합 다이오드의 애노드 전극 및 쇼트키 다이오드의 쇼트키 금속층은, 아르곤 분위기에서, 니켈 타겟을 스퍼터링하여 접합 영역의 n형 산화갈륨 에피층 상에 약 100 nm 두께로 적층된다. 스퍼터링시, 아르곤의 유량은 약 20 sccm으로 유지되고, 챔버 압력은 약 5 mTorr로 유지되며, 약 100 W의 전력이 약 8분간 인가될 수 있다.
도 2는 산소 유량을 조절하여 제조된 p형 산화니켈의 캐리어 농도 측정치를 나타낸 그래프이다.
p형 산화니켈층(120')은 증착시 산소 유량에 따라 홀 농도가 조절될 수 있다. 도 2는 아르곤-산소 혼합 가스에서 산소 유량비를 약 0.0%, 약 2.4%, 약 4.7%, 약 9.0%, 약 16.6%, 약 23.0%로 조절하면서 증착된 p형 산화니켈층의 홀 농도를 나타내며, 표 1은 각 산소 유량비에 따른 공정 파라미터를 나타낸다.
산소 유량비 0.0% 2.4% 4.7% 9.0% 16.6% 23.0%
공정 시간(분) 37 66 85 89 90 92
증착율(nm/min) 8.1 4.5 3.5 3.4 3.3 3.2
홀 농도(cm-3) 1.8x1013 1.2x1015 1.0x1016 3.7x1018 1.05x1019 1.03x1019
도 2를 참조하면, 산소 유량비가 증가할수록 홀 농도가 증가한다. 약 9.0% 내지 약 23.0%의 산소 유량비 범위에서의 홀 농도는 약 0.0% 내지 약 4.7%의 산소 유량비 범위에서의 홀 농도보다 크게 증가한다. 따라서 산소 유량비는 설계에 의해 요구되는 캐리어 농도를 구현하기 위해 약 0.0% 내지 약 16.6%의 범위에서 조절될 수 있다.도 3은 산소 유량을 조절하여 제조된 pn 이종접합 다이오드에 역방향 전압을 인가하여 측정한 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 산소 유량비가 증가할수록 역방향 전압 인가시 항복 전압 및 누설 전류가 감소함을 관찰할 수 있다. 약 16.6%의 산소 유량비로 제조된 pn 이종접합 다이오드의 항복 전압은 약 -465V로, 약 9.0%의 산소 유량비로 제조된 pn 이종접합 다이오드의 항복 전압 약 -461V와 큰 차이가 없다. 반면, 산소 유량비가 약 2.4%로 제조된 pn 이종접합 다이오드의 항복 전압은 약 -641V이며, 산소 유량비가 약 0.0%로 제조된 pn 이종접합 다이오드의 항복 전압은 약 -772V이다. No NiO 곡선은 쇼트키 다이오드의 역방향 전압 특성이다.
도 4는 산소 유량을 조절하여 제조된 pn 이종접합 다이오드에 순방향 전압을 인가하여 측정한 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 산소유량비가 증가할수록 순방향 전압 인가시 전류 밀도는 증가하며, 오믹 접촉 금속층, 즉, 애노드 전극과의 접촉 저항은 감소함을 알 수 있다. 약 2.4% 내지 약 16.6% 산소유량비로 제조된 pn 이종접합 다이오드에서, 순방향 전류 밀도는 통상적인 다이오드 전압-전류밀도 곡선의 형태를 나타내는 반면, 약 0.0% 산소유량비로 제조된 pn 이종접합 다이오드의 전압-전류밀도 곡선에서는 험프가 발생하였다. 이는 낮은 홀 농도로 인해 오믹 접촉 금속층과 p형 산화갈륨층간에 큰 접촉 저항이 발생하였기 때문이다. No NiO 곡선은 쇼트키 다이오드의 순방향 전압 특성이다.
도 5는 산소 유량을 조절하여 제조된 pn 이종접합 다이오드의 턴온 전압을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 산소유량비가 증가할수록 턴온 전압은 증가함을 알 수 있다. 쇼트키 다이오드의 턴온 전압은 약 1.0V이고, 약 9.0% 산소유량비로 제조된 pn 이종접합 다이오드의 턴온 전압은 약 2.0V이며, 약 16.6% 산소유량비로 제조된 pn 이종접합 다이오드의 턴온 전압은 약 2.2V이다. No NiO 곡선은 쇼트키 다이오드의 턴온 전압을 나타낸다.
도 6은 산소 유량을 조절하여 제조된 pn 이종접합 다이오드의 커패시턴스 측정치를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 산소유량비 변화에 따른 전압-커패시턴스 관계를 알 수 있다. 전압(V)-커패시턴스(C) 곡선은 0V에서의 공핍 영역의 크기를 나타낸다. 0V에서 커패시턴스값이 클수록 공핍 영역의 크기가 감소한다. 따라서 산소유량비 약 0.0%로 제조된 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 쇼트키 다이오드의 공핍 영역이 가장 큼을 알 수 있다.
한편, V-1/C2 곡선의 x축 절편은 다이오드의 빌트인 전압 VBI을 나타낸다. 산소유량비가 증가할수록 VBI가 감소함을 알 수 있다. 약 16.6% 산소유량비로 제조된 pn 이종접합 다이오드의 VBI는 약 2.2V이고, 약 9.0% 산소유량비로 제조된 pn 이종접합 다이오드의 VBI는 약 2.35V이다. 약 0.0% 산소유량비로 제조된 pn 이종접합 다이오드의 VBI는 측정할 수 없었다.
도 7은 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 쇼트키 다이오드를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 쇼트키 다이오드는 n형 산화갈륨 기판(100), n형 산화갈륨 에피층(110), p+ 산화니켈 블록(120, 121), p- 산화니켈 블록(130, 131), 절연층(140), 쇼트키 금속층(150), 애노드 전극(160) 및 캐소드 전극(170)을 포함할 수 있다.
n형 산화갈륨 기판(100)은 n형 도펀트로 도핑된 단결정 β-산화갈륨(β-Ga2O3)으로 형성된다. n형 산화갈륨 기판(100)의 두께는 약 590 μm이며, n형 도펀트 농도는 약 4E18 cm-3일 수 있다. n형 도펀트는, 예를 들어, 주석(Sn) 또는 규소(Si)일 수 있다.
n형 산화갈륨 에피층(110)은 n형 산화갈륨 기판(100)의 주면에 에피택셜 성장된 도핑되지 않거나, n형 도펀트로 도핑된 β-산화갈륨이다. n형 도펀트는, 예를 들어, 규소(Si)일 수 있으며, n형 도펀트의 농도는 약 1E16 cm-3일 수 있다. 한편, n형 산화갈륨 에피층(110)의 두께는 약 10 μm일 수 있다.
p형 산화니켈(NiOx) 영역은 p+ 산화니켈 블록(120, 121) 및 p- 산화니켈 블록(130, 131)을 포함한다. p형 산화니켈 블록은 n형 산화갈륨 에피층(110)의 상면에 형성되어, n형 산화갈륨 에피층(110)과 pn 이종접합을 형성한다. 제1 p+ 산화니켈 블록(120)은 쇼트키 다이오드의 액티브 영역에 복수 형성되며, 제2 p+ 산화니켈 블록(121)은 액티브 영역을 부분적으로 또는 전체적으로 둘러싸도록 액티브 영역과 엣지 영역의 경계에 형성되어 액티브 영역을 정의한다. 제1 p- 산화니켈 블록(130)은 엣지 영역에 복수 형성되며, 제2 p- 산화니켈 블록(131)은 제2 p+ 산화니켈 블록(121)과 부분적으로 중첩되도록 엣지 영역의 가장 안쪽에 형성된다. 상세하게, 제2 p- 산화니켈 블록(131)은 제2 p+ 산화니켈 블록(121)의 상면에 형성된 제2 p- 산화니켈 블록(131)의 중첩 영역(131a)과 n형 산화갈륨 에피층(110)의 상면에 형성된 제2 p- 산화니켈 블록(131)의 비중첩 영역(131b)으로 구성된다. 여기서, 제2 p- 산화니켈 블록(131)의 중첩 영역(131a)은 엣지 영역에서 액티브 영역 방향으로 제2 p+ 산화니켈 블록(121)을 넘어 액티브 영역까지 연장되지 않는다.
복수의 제1 p+ 산화니켈 블록(120)은 접합 장벽(Junction barrier)의 역할을 하며, 제2 p+ 산화니켈 블록(121)은 버퍼의 역할을 한다. 한편, 복수의 제1 p- 산화니켈 블록(130)은 전계 제한 구조, 예를 들어, 가드링의 역할을 하며, 제2 p- 산화니켈 블록(131)은 제2 p+ 산화니켈 블록(121)과 함께 전계를 분산시키는 역할을 한다. p+ 산화니켈 블록(120, 121) 및 p- 산화니켈 블록(130, 131)은 산소유량비를 조절하여 상이한 캐리어 농도를 가질 수 있다.
절연층(140)은 제2 p- 산화니켈 블록(131)의 적어도 일부 및 엣지 영역의 상부에 형성된다. 절연층(140)은 복수의 제1 p- 산화니켈 블록(130) 사이에 형성된 공간을 충진한다. 따라서, 절연층(140) 하면의 적어도 일부 영역은 제1 p- 산화니켈 블록(130) 및 제2 p- 산화니켈 블록(131)과 접하며, 나머지 영역은 n형 산화갈륨 에피층(110)의 상면과 접할 수 있다. 절연층(140)은 엣지 영역에서 액티브 영역 방향으로 제2 p- 산화니켈 블록(131) 중 제2 p+ 산화니켈 블록(121)과 접한 제2 p- 산화니켈 블록(131)의 중첩 영역(131a)까지 연장되되, 제2 p- 산화니켈 블록(131)의 중첩 영역(131a)을 넘어서 제2 p+ 산화니켈 블록(121)까지 연장되지는 않는다.
쇼트키 금속층(150)은 n형 산화갈륨 에피층(110)의 상면 및 복수의 제1 p+ 산화니켈 블록(120)과 접하도록, 액티브 영역의 n형 산화갈륨 에피층(110)의 상부에 형성된다. 쇼트키 금속층(150)과 n형 산화갈륨 에피층(110)의 상면은 쇼트키 접촉하며, 쇼트키 금속층(150)과 복수의 제1 p+ 산화니켈 블록(120)은 오믹 접촉한다. 액티브 영역에서, 쇼트키 메탈층(140)은 수평 방향으로 연장될 수 있다.
한편, 액티브 영역과 엣지 영역의 경계에서, 쇼트키 금속층(150)은 계단 구조로 형성된다. 액티브 영역과 엣지 영역의 경계에서, 제2 p+ 산화니켈 블록(121)의 하면 전체는 n형 산화갈륨 에피층(110) 상면에 접하고, 제2 p- 산화니켈 블록(131)의 일부, 즉, 제2 p- 산화니켈 블록(131)의 비중첩 영역(131b)의 하면은 엣지 영역의 n형 산화갈륨 에피층(110) 상면에 접하고, 제2 p- 산화니켈 블록(131)의 나머지, 즉, 제2 p- 산화니켈 블록(131)의 중첩 영역(131a)의 하면은 제2 p+ 산화니켈 블록(121)의 상면 일부에 접하며, 절연층(140)의 하면 일부는 제2 p- 산화니켈 블록(131)의 중첩 영역(131a)의 상면 일부에 접한다. 이로 인해, 쇼트키 금속층(150)은 엣지 영역에 가까워질수록 상승하는 계단 구조의 상면을 갖게 된다. 쇼트키 금속층(150)은 절연층(140)의 상면 일부와 접하도록 연장되어 필드 플레이트 역할을 할 수 있다.
애노드 전극(160)은 쇼트키 메탈층(140)의 상면에 형성되며, 캐소드 전극(170)은 n형 산화갈륨 기판(100)의 하면에 형성된다. 오믹 접촉을 위한 실리사이드층(미도시)는 n형 산화갈륨 기판(100)과 캐소드 전극(170) 사이에 형성될 수 있다.
이하에서는 복수의 복수의 제1 p+ 산화니켈 블록(120)을 가진 다이오드의 동작을 설명한다.
복수의 제1 p+ 산화니켈 블록(120)은 n형 산화갈륨 에피층(110)과 pn 이종접합을 형성하여, 기존 쇼트키 다이오드와 비교할 때, 항복전압과 누설전류 특성을 향상시킬 수 있다. 역방향 전압 인가시, 복수의 제1 p+ 산화니켈 블록(120)은 n형 산화갈륨 에피층(110)과의 pn 접합으로 인해 공핍층을 형성한다. 복수의 제1 p+ 산화니켈 블록(120)의 하면을 따라 형성된 공핍층은 누설전류가 흐를 수 있는 경로를 차단하기 때문에, 일반적인 쇼트키 다이오드에 비해 낮은 누설전류 값을 가진다. 특히, 복수의 제1 p+ 산화니켈 블록(120)의 하면을 따라 형성된 공핍층은 쇼트키 금속층(150)과 n형 산화갈륨 에피층(110)이 접하는 영역에 집중되는 전계를 상대적으로 감소시킬 수 있다. 이로 인해, 일반적인 쇼트키 다이오드보다 상대적으로 높은 임계전압을 구현할 수 있다.
도 8 및 도 9는 도 7의 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 쇼트키 다이오드를 제조하는 과정을 예시적으로 도시한 도면이다.
(a)에서, n형 산화갈륨 에피층(110)은 n형 산화갈륨 기판(100)의 주면에 형성되며, p+ 마스크(10)는 n형 산화갈륨 에피층(110)의 상면에 형성된다.
n형 산화갈륨 기판(100)을 세정 및 플라즈마 처리하여 이물질을 제거한다. n형 산화갈륨 에피층(110)은 n형 산화갈륨 기판(100)의 주면에 에피택셜 성장된 도핑되지 않거나, n형 도펀트로 도핑된 β-산화갈륨이다. n형 도펀트는, 예를 들어, 규소(Si)일 수 있으며, n형 도펀트의 농도는 약 1E16cm-3일 수 있다. 한편, n형 산화갈륨 에피층(110)의 두께는 약 10μm일 수 있다. n형 산화갈륨 에피층(110)은, 예를 들어, HVPE(Halide vapor phase epitaxy), MOCVD(Metalorganic chemical vapor deposition), Mist CVD, MBE(Molecular Beam Epitaxy), PLD(Pulsed laser deposition) 등에 의해 n형 산화갈륨 기판(100)상에 증착될 수 있다.
p+ 마스크(10)는 포토 레지스트를 n형 산화갈륨 에피층(110) 상에 약 1.6 μm 두께로 스핀 코팅한 후 포토, 현상 및 식각 공정을 거쳐 형성될 수 잇다. p+ 마스크(10)는 제1 및 제2 p+ 산화니켈 블록(120, 121)을 정의한다.
(b)에서, p+ 산화니켈층(120')이 p+ 마스크(10) 및 p+ 마스크에 의해 정의된 제1 및 제2 p+ 산화니켈 블록(120, 121)에 형성된다. 아르곤 및 산소의 혼합 가스 분위기에서, p+ 산화니켈층(120')은 산화니켈 타겟 또는 니켈 타겟을 스퍼터링하여 적층된다. 스퍼터링시, 산소의 유량은 약 9.0% 내지 16.6% 사이에서 조정될 수 있고, 챔버 압력은 약 5 mTorr로 유지되며, 약 150 W의 전력이 약 90분간 인가될 수 있다.
스퍼터링 후 p+ 마스크(10)는 식각 또는 리프트오프되어 제1 및 제2 p+ 산화니켈 블록(120, 121)이 형성된다.
(c)에서, p- 마스크(20)가 n형 산화갈륨 에피층(110)의 상면에 형성된다. p- 마스크(20)는 p+ 마스크(10)와 같은 방식으로 형성된다. p- 마스크(20)는 액티브 영역 전체 및 제2 p+ 산화니켈 블록(121) 일부를 커버하기 위해 제1 p+ 산화니켈 블록(120)의 상면 및 제2 p+ 산화니켈 블록(121)의 상면 일부에도 형성되며, 엣지 영역에서는, n형 산화갈륨 에피층(110)의 상면에 형성된다.
(d)에서, p- 산화니켈층(130')이 p- 마스크(20) 및 p- 마스크에 의해 정의된 제1 및 제2 p- 산화니켈 블록(130, 131)에 형성된다. 아르곤 및 산소의 혼합 가스 분위기에서, p- 산화니켈층(130')은 산화니켈 타겟을 스퍼터링하여 적층된다. 스퍼터링시, 산소의 유량은 약 0.0% 내지 9.0% 사이에서 조정될 수 있고, 챔버 압력은 약 5 mTorr로 유지되며, 약 150 W의 전력이 약 90분간 인가될 수 있다.
스퍼터링 후 p- 마스크(20)는 식각 또는 리프트오프되어 제1 및 제2 p- 산화니켈 블록(130, 131)이 형성된다.
(e)에서, 절연층(140)이 n형 산화갈륨 에피층(110)의 엣지 영역에 형성된다. 절연층(140)은 엣지 영역에서 액티브 영역 방향으로 제2 p- 산화니켈 블록(131) 중 제2 p+ 산화니켈 블록(121)과 접한 제2 p- 산화니켈 블록(131)의 중첩 영역(131a)까지 연장되되, 제2 p- 산화니켈 블록(131)의 중첩 영역(131a)을 넘어서 제2 p+ 산화니켈 블록(121)까지 연장되지는 않는다. 제2 절연층(140)은 예를 들어, 산화 규소(SiO2), PSG(Phosphosilicate glass), BSG(Borosilicate glass), BPSG(Borophosphosilicate glass) 등을 증착하여 형성될 수 있다.
(f)에서, 쇼트키 금속층(150)이 액티브 영역에서 n형 산화갈륨 에피층(110), 제1 p+ 산화니켈 블록(120) 및 제2 p- 산화니켈 블록(131)과 중첩되지 않은 제2 p+ 산화니켈 블록(120) 상에 그리고 엣지 영역에서 절연층(140)과 중첩되지 않은 제2 p- 산화니켈 블록(131) 및 절연층(140) 상에 형성된다. 아르곤 분위기에서, 쇼트키 금속층(150)은 니켈 타겟을 스퍼터링하여 약 100 nm 두께로 적층된다. 스퍼터링시, 아르곤의 유량은 약 20 sccm으로 유지되고, 챔버 압력은 약 5 mTorr로 유지되며, 약 100 W의 전력이 약 8분간 인가될 수 있다.
다음으로, 애노드 전극(160)은 쇼트키 금속층(150) 상에 형성되며, 캐소드 전극(170)은 n형 산화갈륨 기판(100)의 이면에 형성된다. 애노드 전극(160) 및 캐소드 전극(170)은 금속(Ti, Au, Al) 또는 금속 합금으로 형성된다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (15)

  1. n형 산화갈륨 에피층이 형성된 n형 산화갈륨 기판을 준비하는 단계;
    아르곤 및 산소의 제1 혼합 가스 분위기에서, 산화니켈 타겟을 스퍼터링하여 상기 n형 산화갈륨 에피층에 제1 p 산화니켈층을 증착하는 단계; 및
    아르곤 및 산소의 제2 혼합 가스 분위기에서, 상기 산화니켈 타겟을 스퍼터링하여 상기 n형 산화갈륨 에피층에 제2 p 산화니켈층을 증착하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 혼합 가스의 산소유량비와 상기 제2 혼합 가스의 산소유량비는 상이하며,
    상기 제1 p 산화니켈층의 캐리어 농도와 상기 제2 p 산화니켈층의 캐리어 농도는 상이한 산화니켈의 캐리어 농도 조절 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 산소유량비는 0.0% 내지 16.6%에서 조절되는 산화니켈의 캐리어 농도 조절 방법.
  3. n형 산화갈륨 에피층이 형성된 n형 산화갈륨 기판을 준비하는 단계;
    상기 n형 산화갈륨 에피층 상의 액티브 영역에 복수의 제1 p 산화니켈 블록을 정의하는 제1 마스크를 형성하는 단계;
    아르곤 및 산소의 제1 혼합 가스 분위기에서, 산화니켈 타겟을 스퍼터링하여 상기 복수의 제1 p 산화니켈 블록을 형성하는 단계;
    상기 n형 산화갈륨 에피층 상의 엣지 영역에 복수의 제2 p 산화니켈 블록을 정의하는 제2 마스크를 형성하는 단계;
    아르곤 및 산소의 제2 혼합 가스 분위기에서, 상기 산화니켈 타겟을 스퍼터링하여 상기 복수의 제2 p 산화니켈 블록을 형성하는 단계;
    절연층을 상기 엣지 영역에 형성하는 단계;
    상기 n형 산화갈륨 에피층의 상면 및 상기 복수의 제1 p 산화니켈 블록과 접하도록, 쇼트키 금속층을 상기 액티브 영역에 적층하는 단계;
    상기 액티브 영역에 쇼트키 금속층을 증착하는 단계; 및
    상기 쇼트키 금속층 상에 애노드 전극 및 상기 n형 산화갈륨 기판의 이면에 캐소드 전극을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 혼합 가스의 산소유량비와 상기 제2 혼합 가스의 산소유량비는 상이하며,
    상기 제1 p 산화니켈 블록의 캐리어 농도와 상기 제2 p 산화니켈 블록의 캐리어 농도는 상이한 산화니켈-산화갈륨 이종접합 다이오드 제조 방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 산소유량비는 0.0% 내지 16.6%에서 조절되는 산화니켈-산화갈륨 이종접합 다이오드 제조 방법.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 아르곤 및 산소의 제1 혼합 가스 분위기에서, 산화니켈 타겟을 스퍼터링하여 상기 복수의 제1 p 산화니켈 블록을 형성하는 단계는,
    상기 액티브 영역에 형성되며 그 하면이 상기 n형 산화갈륨 에피층의 상면과 pn 이종접합을 형성하는 복수의 제1 p+ 산화니켈 블록, 및 상기 액티브 영역을 둘러싸도록 상기 액티브 영역과 상기 엣지 영역의 경계에 형성되며 그 하면이 상기 n형 산화갈륨 에피층의 상면과 pn 이종접합을 형성하는 제2 p+ 산화니켈 블록을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 마스크를 제거하는 단계를 포함하는 산화니켈-산화갈륨 이종접합 다이오드 제조 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 제2 마스크는 상기 액티브 영역 전체 및 상기 제2 p+ 산화니켈 블록의 일부를 덮도록 형성되는 산화니켈-산화갈륨 이종접합 다이오드 제조 방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 아르곤 및 산소의 제2 혼합 가스 분위기에서, 상기 산화니켈 타겟을 스퍼터링하여 상기 복수의 제2 p 산화니켈 블록을 형성하는 단계는,
    상기 엣지 영역에 형성되며 그 하면이 상기 n형 산화갈륨 에피층의 상면과 pn 이종접합을 형성하는 복수의 제1 p- 산화니켈 블록, 및 상기 제2 마스크에 의해 노출된 제2 p+ 산화니켈 블록상에 형성된 중첩 영역 및 그 하면이 상기 n형 산화갈륨 에피층의 상면과 pn 이종접합을 형성하는 비중첩 영역으로 구성된 제2 p- 산화니켈 블록을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 마스크를 제거하는 단계를 포함하는 산화니켈-산화갈륨 이종접합 다이오드 제조 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 절연층을 상기 엣지 영역에 형성하는 단계는
    상기 절연층을 상기 엣지 영역 전체 및 상기 중첩 영역의 일부를 덮도록 형성하는 단계를 포함하는 산화니켈-산화갈륨 이종접합 다이오드 제조 방법.
  9. n형 산화갈륨 에피층이 형성된 n형 산화갈륨 기판;
    상기 n형 산화갈륨 에피층 상의 액티브 영역 및 상기 액티브 영역과 엣지 영역의 경계에 형성된 복수의 제1 p 산화니켈 블록;
    상기 n형 산화갈륨 에피층 상의 상기 엣지 영역에 형성된 복수의 제2 p 산화니켈 블록;
    상기 엣지 영역에 형성된 절연층;
    상기 n형 산화갈륨 에피층의 상면 및 상기 복수의 제1 p 산화니켈 블록과 접하도록 상기 액티브 영역에 적층되며, 상기 엣지 영역 방향으로 계단 구조의 상면을 가진 쇼트키 금속층;
    상기 쇼트키 금속층 상에 형성된 애노드 전극; 및
    상기 n형 산화갈륨 기판의 이면에 캐소드 전극을 포함하되,
    상기 엣지 영역의 가장 안쪽에 위치한 제2 p 산화니켈 블록의 일부는 상기 액티브 영역과 상기 엣지 영역의 경계에 위치한 제1 p 산화니켈 블록의 일부와 중첩되도록 형성된 산화니켈-산화갈륨 이종접합 다이오드.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 복수의 제1 p 산화니켈 블록은 아르곤 및 산소의 제1 혼합 가스 분위기에서, 산화니켈 타겟을 스퍼터링하여 형성되고, 상기 복수의 제2 p 산화니켈 블록은 아르곤 및 산소의 제2 혼합 가스 분위기에서, 상기 산화니켈 타겟을 스퍼터링하여 형성되고,
    상기 제1 혼합 가스의 산소유량비와 상기 제2 혼합 가스의 산소유량비는 상이하며, 상기 제1 p 산화니켈 블록의 캐리어 농도와 상기 제2 p 산화니켈 블록의 캐리어 농도는 상이한 산화니켈-산화갈륨 이종접합 다이오드.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 산소유량비는 0.0% 내지 16.6%에서 조절되는 산화니켈-산화갈륨 이종접합 다이오드.
  12. 청구항 9에 있어서, 상기 복수의 제1 p 산화니켈 블록은
    상기 액티브 영역에 형성되며 그 하면이 상기 n형 산화갈륨 에피층의 상면과 pn 이종접합을 형성하는 복수의 제1 p+ 산화니켈 블록, 및
    상기 액티브 영역을 둘러싸도록 상기 액티브 영역과 상기 엣지 영역의 경계에 형성되며 그 하면이 상기 n형 산화갈륨 에피층의 상면과 pn 이종접합을 형성하는 제2 p+ 산화니켈 블록을 포함하는 산화니켈-산화갈륨 이종접합 다이오드.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 복수의 제2 p 산화니켈 블록은
    상기 엣지 영역에 형성되며 그 하면이 상기 n형 산화갈륨 에피층의 상면과 pn 이종접합을 형성하는 복수의 제1 p- 산화니켈 블록, 및
    상기 제2 p+ 산화니켈 블록 상에 형성된 중첩 영역 및 그 하면이 상기 n형 산화갈륨 에피층의 상면과 pn 이종접합을 형성하는 비중첩 영역으로 구성된 제2 p- 산화니켈 블록을 포함하는 산화니켈-산화갈륨 이종접합 다이오드.
  14. 청구항 9에 있어서, 상기 절연층은
    상기 제1 p 산화니켈 블록의 일부와 중첩된 제2 p 산화니켈 블록의 일부를 덮도록 측면 방향으로 연장되는 산화니켈-산화갈륨 이종접합 다이오드.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 쇼트키 금속층은
    상기 절연층의 일부를 덮도록 측면 방향으로 연장되는 산화니켈-산화갈륨 이종접합 다이오드.
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CN114823925A (zh) 2022-02-28 2022-07-29 西安电子科技大学 基于p型岛和超结结构的混合pin肖特基二极管及制备方法

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