KR20230131792A - 니켈-코발트 합금/산화갈륨 기반 전력 반도체 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드 제조 방법은 n+ 산화갈륨 기판상에 n형 도펀트로 도핑된 산화갈륨을 에피택셜 성장시켜 n- 산화갈륨 에피층을 형성하는 단계, 상기 n- 산화갈륨 에피층상에 니켈-코발트 타겟을 스퍼터링하여 니켈-코발트 금속층을 증착하는 단계 및 상기 니켈-코발트 금속층이 형성된 n+ 산화갈륨 기판을 후 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 니켈-코발트 합금 전극에 관한 것이다.
베타-산화갈륨(beta-gallium oxide, β-Ga2O3)은 약 4.8eV의 넓은 에너지 밴드갭을 가지고 있으며, 고내압 및 저 전력손실을 가지는 차세대 전력 반도체용 소재로 기대되고 있는 물질이다. 기존 전력 반도체의 화합물로 사용 된 실리콘 카바이드 및 질화갈륨 대비, 베타-산화갈륨은 약 3배 이상 높은 Breakdown field(8MV/cm)를 가지며, 반도체 성능지수를 나타내는 Baliga’s FOM(3,400)은 GaN 및 SIC 대비 4~10배 높은 값을 가진다.
베타-산화갈륨은 MOSFET, MESFET, 쇼트키 배리어 다이오드 등의 전력반도체 소자에 응용되고 있으며, 특히 금속과 반도체간의 접합으로 형성되는 쇼트키 배리어 다이오드는 순방향 낮은 온 상태의 전압 강화와 스위칭이 빠른 장점이 있다.
종래에는 베어칩(bare chip) 단위의 베타-산화갈륨 기판상에 니켈, 백금 등의 높은 일함수를 가지는 물질을 증착 후, 후열처리 공정을 거쳐 쇼트키 배리어 다이오드 개별 소자를 제작하였다. 그러나, 베어칩 단위 소자에서는 IC 회로 등의 전자기기에 장착할 수 없으며, 외부 충격에 의해 손상 되기 쉬운 상태이다. 이를 방지하지 위해 베어칩 단위의 소자를 리드 프레임 또는 PCB에 접착 후, 베타-산화갈륨 상에 증착된 쇼트키 금속/알루미늄 또는 금에 금속 와이어를 본딩하는 패키징 공정을 거치게 된다. 패키징 공정시, 기존 니켈, 백금 등의 금속은 본딩 후 와이어의 당기는 힘(Bond Pull Test)에 의해서 베타-산화갈륨과의 박리가 발생함으로써, 패키징 공정 Fail이 발생할 수 있다.
본 발명은 와이어 본딩시 금속층 박리를 방지하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드 제조 방법이 제공된다. 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드 제조 방법은 n+ 산화갈륨 기판상에 n형 도펀트로 도핑된 산화갈륨을 에피택셜 성장시켜 n- 산화갈륨 에피층을 형성하는 단계, 상기 n- 산화갈륨 에피층상에 니켈-코발트 타겟을 스퍼터링하여 니켈-코발트 금속층을 증착하는 단계 및 상기 니켈-코발트 금속층이 형성된 n+ 산화갈륨 기판을 후 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 니켈-코발트 금속층의 니켈과 코발트의 wt%는 70:30 내지 85:15일 수 있다.
일 실시예로, 상기 니켈-코발트 금속층은 아르곤 분위기에서 CMFS(Confined Magnetic Field-based Sputtering) 방식으로 증착될 수 있다.
일 실시예로, 상기 후 열처리는 500도에서 1분간 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드가 제공된다. 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드는 n+ 산화갈륨 기판, n+ 산화갈륨 기판상에 n형 도펀트로 도핑하여 에피택셜 성장된 n- 산화갈륨 에피층, 상기 n- 산화갈륨 에피층상에 증착된 니켈-코발트 금속층, 상기 니켈-코발트 금속층상에 증착된 애노드 전극층 및 상기 n+ 산화갈륨 기판의 하면에 증착된 캐소드 전극층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 산화갈륨 기반 쇼트키 다이오드의 특성을 유지하면서도 쇼트키 금속층의 물리적 밀착력이 강화되어 와이어 본딩시 박리 현상을 현저히 감소시킬 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 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 2는 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드의 제조 과정을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 3은 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드의 항복전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5a, 5b, 6a 및 6b는 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드의 척 온도 변화에 따른 전기 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 와이어 본딩된 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드의 사진이다.
도 1은 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 2는 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드의 제조 과정을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 3은 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드의 항복전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5a, 5b, 6a 및 6b는 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드의 척 온도 변화에 따른 전기 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 와이어 본딩된 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드의 사진이다.
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 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드(100)는 n+ 산화갈륨 기판(110), n- 산화갈륨 에피층(120), 니켈-코발트 합금층(130), 애노드 전극층(140), 및 캐소드 전극층(150)을 포함할 수 있다.
n+ 산화갈륨 기판(110)은 n형 도펀트로 도핑된 단결정 β산화갈륨(β으로 형성된다. n+ 산화갈륨 기판(110)의 두께는 약 415 μm이며, n형 도펀트 농도는 약 4.5x1018cm-3일 수 있다. n형 도펀트는, 예를 들어, 주석(Sn)일 수 있다.
n- 산화갈륨 에피층(120)은 n+ 산화갈륨 기판(110)의 주면에 에피택셜 성장되며, n형 도펀트로 도핑된 베타-산화갈륨이다. n형 도펀트는, 예를 들어, 규소(Si)일 수 있으며, n형 도펀트의 농도는 약 2.2x1016cm-3일 수 있다. 한편, n- 산화갈륨 에피층(120)의 두께는 약 10μm일 수 있다.
니켈-코발트 합금층(130)은 n- 산화갈륨 에피층(120)에 증착되는 쇼트키 금속층이다. 니켈-코발트 합금층(130)은 Ni:Co=85:15 wt% 내지 Ni:Co=70:30 wt%로 구성될 수 있다. 니켈은 높은 일함수를 가지며, 따라서, n- 산화갈륨 에피층(120)과 쇼트키 접합을 형성할 수 있다. 한편, 코발트는 베타 산화갈륨과의 물리적 밀착력이 우수하여, 와이어 본딩시 쇼트키 금속층 박리를 방지할 수 있다.
애노드 전극층(140)은 니켈-코발트 합금층(130)의 상면에 형성되며, 캐소드 전극층(150)은 n+ 산화갈륨 기판(110)의 하면에 형성된다. 애노드 전극층(140)은 Au를 약 300nm 두께로 증착하여 형성될 수 있다. 캐소드 전극층(150)은 복수의 금속층, 예를 들어, Ti를 약 10nm 두께로 적층한 후 Ti층상에 Au를 약 40nm 두께로 적층하여 형성될 수 있다.
도 2는 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드의 제조 과정을 예시적으로 도시한 도면이다.
S10에서, n- 산화갈륨 에피층(120)을 n+ 산화갈륨 기판(110) 상에 에피택셜 성장시켜 형성한다. N- 산화갈륨 에피층(120)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 n+ 산화갈륨 기판(110)상에 형성될 수 있다.
S20에서, 니켈-코발트 타겟을 CMFS(Confined Magnetic Field-based Sputtering)하여 니켈-코발트 합금층(130)을 n- 산화갈륨 에피층(120) 상에 증착한다. 스퍼터링은 약 3mTorr의 작동 압력, 약 15sccm의 아르곤 유량, 30W의 직류 전력으로 실행될 수 있다. 니켈-코발트 합금은 강자성체이므로, 공지의 스퍼터링을 사용하여 증착하면, 니켈-코발트 타겟이 마그넷에 의해 자화되어 타겟 표면에서의 정상적인 B-field (N-S-N)가 형성되지 못한다. CMFS는 강자성체 타겟 증착에 유리할 뿐 아니라, 전자빔 증발(EBE)에 비해 산화갈륨층에 손상을 상대적으로 덜 유발하면서도 니켈 원자가 산화갈륨층 상에 상대적으로 잘 확산되도록 한다.
한편, 애노드 전극층(140) 및 캐소드 전극층(150)은 전자빔 증발로 형성될 수 있다.
S30에서, 니켈-코발트 합금층이 형성된 n+ 산화갈륨 기판(110)을 후 열처리한다. 후 열처리는 아르곤 분위기에서 약 100mTorr의 작동 압력, 약 500도의 공정 온도, 약 1분 동안 실행될 수 있다.
도 3은 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 샘플 #1은 열처리를 하지 않은 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드이고, 샘플 #2는 후 열처리한 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드(Ni:Co=85:15 wt%), 샘플 #3은 후 열처리한 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드(Ni:Co=70:30 wt%)이며, 샘플 #4는 열처리한 니켈/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드이다. 샘플 #2 내지 #4는 전형적인 쇼트키 다이오드 특성을 나타내며, 역방향 전압 인가시 매우 작은 누설 전류가 발생하는 반면, 샘플 #1은 역방향 전압 인가시 상당한 누설 전류가 발생한다. 이로부터 후 열처리가 쇼트키 배리어 형성에 크게 기여함을 알 수 있다. 샘플 #2 내지 #4는 약 1V 이상에서 모두 턴온되며, 턴온 후 흐르는 전류 밀도도 큰 차이를 보이지 않는다.
도 4는 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드의 항복전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 샘플 #2의 항복 전압은 약 -508V로, 샘플 #4의 항복 전압과 거의 유사한 반면, 샘플 #2의 항복 전압은 약 -216V로 샘플 #2 및 #4보다 매우 작다. 이는, 니켈과 코발트의 비율이 쇼트키 다이오드의 전기적 특성에 큰 영향을 미치는 것으로 해석할 수 있다. 다시 말해, 쇼트키 배리어 높이는 니켈의 비율이 증가할수록 높아지며, 물리적 밀착력은 코발트의 비율이 증가할수록 강해질 것으로 예측된다. 샘플 #2와 #3의 특성은 다음과 같다.
| 샘플# | 합금 두께/ 열처리 온도 |
Ron@2V | SBH(eV) | Ideality factor (n) | Von(V) | On/off ratio | 항복전압(V) |
| #2 | 160nm/500℃ | 17mΩ.cm2 | 1.35 | 1.07 | 1.13 | 109 | -508 |
| #3 | 160nm/500℃ | 32mΩ.cm2 | 1.22 | 1.24 | 1.14 | 108 | -216 |
도 5a, 5b, 6a 및 6b는 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드의 척 온도 변화에 따른 전기 특성을 나타낸 그래프이다.도 5a 및 도 5b는 샘플 #2의 열 안정성을 나타내며, 도 6a 및 6b는 샘플 #3의 열 안정성을 나타낸다. 열 안정성은 전류-전압을 측정하는 프로브 스테이션의 척(Chuck) 온도를 변화시키면서 측정할 수 있다. 척 온도는 약 30도부터 20도씩 증가시켜 약 170도까지 변화시켰다.
도 5a에서, 척을 미가열(상온)한 상태에서 역방향 전압을 인가하면, 누설 전류 밀도가 가장 낮게 측정된다. 척 온도를 증가시켜 샘플 #2에 전달되는 열을 증가하면, 누설 전류 밀도는 증가하는 경향을 나타낸다. 도 5b에서, 척을 미가열한 상태에서 순방향 전압을 인가하면, 샘플 #2가 약 1V에서 턴온되는 반면, 척 온도가 증가하면, 턴온 전압이 1V 이하로 이동하는 경향을 나타낸다.
한편, 도 6a에서, 샘플 #3은 모든 온도에서 낮은 누설 전류 밀도를 나타낸다. 도 6b에서, 척 온도가 증가할수록 턴온 전압이 좌측으로 이동하는 경향이 나타나며, 이는 샘플 #2에서 확인한 경향과 일치한다. 즉, 온도 증가에 따른 턴온 전압 감소는 쇼트키 배리어 높이가 온도에 영향을 받음을 나타낸다.
도 7은 와이어 본딩된 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드의 사진이다.
도 7의 (a)는 샘플 #2에 Au 와이어로 본딩한 상태를 촬영한 사진이며, (b)는 샘플 #3에 Au 와이어로 본딩한 상태를 촬영한 사진이다. 두 샘플 모두에서, 와이어로 인한 니켈-크롬 금속층 박리 현상이 발생하지 않았다. 반면, (c)는 샘플 #1에 와이어 본딩 후 니켈 금속층이 박리된 상태를 촬영한 사진이다.
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 (7)
- n+ 산화갈륨 기판상에 n형 도펀트로 도핑된 산화갈륨을 에피택셜 성장시켜 n- 산화갈륨 에피층을 형성하는 단계;
상기 n- 산화갈륨 에피층상에 니켈-코발트 타겟을 스퍼터링하여 니켈-코발트 금속층을 증착하는 단계; 및
상기 니켈-코발트 금속층이 형성된 n+ 산화갈륨 기판을 후 열처리하는 단계를 포함하는 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드 제조 방법. - 청구항 1에 있어서, 상기 니켈-코발트 금속층의 니켈과 코발트의 wt%는 70:30 내지 85:15인 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 니켈-코발트 금속층은 아르곤 분위기에서 CMFS(Confined Magnetic Field-based Sputtering) 방식으로 증착되는 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 후 열처리는 500도에서 1분간 수행되는 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드 제조 방법.
- n+ 산화갈륨 기판;
n+ 산화갈륨 기판상에 n형 도펀트로 도핑하여 에피택셜 성장된 n- 산화갈륨 에피층;
상기 n- 산화갈륨 에피층상에 증착된 니켈-코발트 금속층;
상기 니켈-코발트 금속층상에 증착된 애노드 전극층; 및
상기 n+ 산화갈륨 기판의 하면에 증착된 캐소드 전극층을 포함하는 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드. - 청구항 5에 있어서, 상기 니켈-코발트 금속층의 니켈과 코발트의 wt%는 70:30 내지 85:15인 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드.
- 청구항 5에 있어서, 상기 니켈-코발트 금속층은 아르곤 분위기에서 CMFS(Confined Magnetic Field-based Sputtering) 방식으로 증착되는 니켈-코발트 합금/산화갈륨 쇼트키 배리어 다이오드.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR20220028760 | 2022-03-07 | ||
| KR1020220028760 | 2022-03-07 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| KR20230131792A true KR20230131792A (ko) | 2023-09-14 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230029864A KR20230131792A (ko) | 2022-03-07 | 2023-03-07 | 니켈-코발트 합금/산화갈륨 기반 전력 반도체 장치 및 그 제조 방법 |
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| KR (1) | KR20230131792A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118136691A (zh) * | 2024-05-06 | 2024-06-04 | 华南师范大学 | 一种复合终端结构的氧化镓肖特基二极管及其制备方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102275146B1 (ko) | 2019-05-20 | 2021-07-08 | 파워큐브세미 (주) | 쇼트키 다이오드 및 그의 제조방법 |
-
2023
- 2023-03-07 KR KR1020230029864A patent/KR20230131792A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN118136691A (zh) * | 2024-05-06 | 2024-06-04 | 华南师范大学 | 一种复合终端结构的氧化镓肖特基二极管及其制备方法 |
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