KR20240011387A - Structure of GaN device for high voltage robustness and its fabrication method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 GaN 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 액티브층의 상부에 위치하는 스페이서층을 포함하는 메사 구조와, 메사 구조의 상기 스페이서층의 상부 일부에 배치되는 평면상 트랙 형태의 p-GaN 게이트와, 상기 p-GaN 게이트의 외측에 위치하는 소스 금속층과, 상기 p-GaN 게이트의 내측에 위치하는 드레인 금속층과, 상기 메사 구조의 둘레에 이온주입으로 형성된 아이솔레이션과, 상기 p-GaN 게이트와 상기 드레인 금속층의 사이 영역 상부측에 위치하는 소스 필드 플레이트를 포함할 수 있다.The present invention relates to a GaN semiconductor device and a method of manufacturing the same, and includes a mesa structure including a spacer layer located on top of an active layer, and p-GaN in the form of a planar track disposed on an upper part of the spacer layer of the mesa structure. A gate, a source metal layer located outside the p-GaN gate, a drain metal layer located inside the p-GaN gate, an isolation formed by ion implantation around the mesa structure, and the p-GaN gate. It may include a source field plate located on the upper side of the area between the drain metal layers.

Description

고전압에 강한 GaN 반도체 소자의 구조 및 그 제조방법{Structure of GaN device for high voltage robustness and its fabrication method}Structure of GaN semiconductor device resistant to high voltage and its manufacturing method {Structure of GaN device for high voltage robustness and its fabrication method}

본 발명은 GaN 반도체 소자의 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 와이드 밴드 갭(WBG, Wide Band Gap) 반도체의 HEMT형 에피 구조를 이용하여 고전압에 강한 고성능 전력반도체를 구현할 수 있는 GaN 반도체 소자의 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a GaN semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more specifically, to a GaN semiconductor that can implement a high-performance power semiconductor that is resistant to high voltage by using the HEMT-type epi structure of a wide band gap (WBG) semiconductor. It relates to the structure of the device and its manufacturing method.

반도체 전력소자가 출현한 이후 가격이 저렴하고 신뢰성과 안정도가 우월한 Si 반도체를 이용해 대부분의 전력반도체 소자가 개발되고 사용되어 왔다. 그런데 현대와 미래는 친환경과 에너지 효율에 대한 중요도가 높아지면서 전기차, 드론, 로봇산업이 성장하고 있다. 이와 같이 이동성이 심한 응용과 시스템에는 더욱 효율이 높고, 작고, 가벼운 전력반도체가 필요하게 되었다. 그리하여 SiC, GaN, Ga2O3와 같은 WBG 반도체 물질을 이용하는 새로운 전력반도체를 개발하여 이용하려는 시도가 매우 활발하다. Since the advent of semiconductor power devices, most power semiconductor devices have been developed and used using Si semiconductors, which are inexpensive and have superior reliability and stability. However, as the importance of eco-friendliness and energy efficiency increases in modern and future times, the electric vehicle, drone, and robot industries are growing. These highly mobile applications and systems require more efficient, smaller, and lighter power semiconductors. Therefore, attempts to develop and use new power semiconductors using WBG semiconductor materials such as SiC, GaN, and Ga 2 O 3 are very active.

종래 GaN 반도체 소자 및 그 제조방법에 대하여 살펴보면 다음과 같다.A review of conventional GaN semiconductor devices and their manufacturing methods is as follows.

미국 공개특허 US2010/0019279 A1(2010. 1. 28, Integrated HEMT and lateral fiel-effect rectifier combinations, and systems)에는 오믹과 쇼트키가 연결된 애노드로 정류기(rectifier)를 만들고, 동시에 동일한 쇼트키를 게이트로 제작하는 GaN HEMT 소자를 제시하였다. In the US published patent US2010/0019279 A1 (2010. 1. 28, Integrated HEMT and lateral field-effect rectifier combinations, and systems), a rectifier is created with an anode connected to Ohmic and Schottky, and at the same time, the same Schottky is used as a gate. We presented a GaN HEMT device to be manufactured.

인핸스먼트 모드(Enhancement mode(Normally-off)) 구동을 위해 F- 이온을 쇼트키 하단부에 이온주입하여 임계전압을 제어하는 방식을 이용한다. To drive the enhancement mode (normally-off), a method of controlling the threshold voltage is used by implanting F - ions into the lower part of the Schottky.

그러나 F- 이온으로 형성된 쇼트키 게이트가 임계전압을 일부 양(+)의 값으로 이동하게 제어해 주지만, 이로 인해 상호 콘덕턴스(transconductance)가 감소하거나 소자동작의 신뢰성이 충분히 확보할 수 없는 문제를 예측할 수 있다.However, although the Schottky gate formed of F - ions controls the threshold voltage to move to some positive value, this causes problems such as a decrease in transconductance or insufficient reliability of device operation. It is predictable.

또한, 미국 등록특허 US 8,319,256 B2(Nov. 27, 2012, Layout design for a high power GaN-based FET)에는 통상적인 핑거형태의 구조인 소스, 게이트, 드레인을 배치하고 패드 금속으로 연결시키는 구조를 제시하였다. In addition, US registered patent US 8,319,256 B2 (Nov. 27, 2012, Layout design for a high power GaN-based FET) proposes a structure in which the source, gate, and drain, which are typical finger-shaped structures, are arranged and connected with pad metal. did.

소스-드레인 사이의 스트래이(stray) 전류를 감소시키거나 액티브 영역외의 아이솔레이션(isolation) 기능을 향상시키는 방안은 포함되어 있지 아니한다. It does not include a method to reduce stray current between source and drain or to improve isolation function outside the active region.

다만 메사 형태로 GaN 채널(channel)까지 식각하여 활성영역을 정의한다. 게이트와 드레인의 간격을 조절하여 컷오프 주파수(cut-off frequency)는 1~2GHz, 항복전압은 400V까지 조절하는 동작특성을 보인다.However, the active area is defined by etching the GaN channel in a mesa shape. By adjusting the gap between the gate and drain, the cut-off frequency is adjusted to 1~2GHz and the breakdown voltage is adjusted to 400V.

본 발명과 관련된 논문으로 Effect of device layout on the switching of enhancement mode GaN HEMTs(L. Efthymiou, G. Camuso, F. Udrea, M. Chen, K. Terrill, Proceedings of the 30th Inrenational Symposium on Power Devices & ICs, May 13~17(USA))가 있다.A paper related to the present invention is Effect of device layout on the switching of enhancement mode GaN HEMTs (L. Efthymiou, G. Camuso, F. Udrea, M. Chen, K. Terrill, Proceedings of the 30 th Inrenational Symposium on Power Devices & ICs, May 13-17 (USA)).

GaN HEMT 소자에서 전극의 배치가 D-S-D 구조가 오실레이션(oscillation)에 강한 특성을 보였지만 턴온 저항이 다소 증가하는 면이 있음을 보였다. In the GaN HEMT device, the D-S-D structure of the electrode arrangement showed strong characteristics against oscillation, but the turn-on resistance was shown to be slightly increased.

또한, Recessed-gate structure approach toward normally off high-voltage AlGaN/GaN HEMT for power electronic applications(S. Saito, Y. Takada, I. Omura IEEE Trans. on Electronic Devices 2006)에는 종래에 사용된 리세스 ㄱ게겡게이트 소자에 대하여 기재하고 있다. 트렌치 식각과 마찬가지로 리세스(recess) 식각도 재현성과 균일성에 문제가 있으며, 더욱이 리세스된 면적이 커서 소스-게이트 저항과 게이트-드레인 저항이 증가하여 소자의 성능이 감소하는 문제가 있다.In addition, in the Recessed-gate structure approach toward normally off high-voltage AlGaN/GaN HEMT for power electronic applications (S. Saito, Y. Takada, I. Omura IEEE Trans. on Electronic Devices 2006), the conventionally used recess It describes the gate element. Like trench etching, recess etching also has problems with reproducibility and uniformity, and furthermore, because the recessed area is large, source-gate resistance and gate-drain resistance increase, which reduces device performance.

Leakage current paths in isolated AlGaN/GaN heterostructures(J.Moereke, E. Morvan, W. Vandendaele, F. Allain, A. Torres, M. Charles, M. Plissonnier IEEE Trans. on Semiconductor Manufacturing, Vol. 29,No. 4, Nov. 2016)에는 AlGaN/GaN 헤테로 구조에서 누설전류의 path 종(표면전류, 2DEG 전류, GaN 버퍼전류, 핵형성(Nucleation)층의 전류에 대해 분류하고 열처리 전후에 흐르는 누설전류의 성분에 대해 해석하였다. Leakage current paths in isolated AlGaN/GaN heterostructures(J.Moereke, E. Morvan, W. Vandendaele, F. Allain, A. Torres, M. Charles, M. Plissonnier IEEE Trans. on Semiconductor Manufacturing, Vol. 29,No. 4, Nov. 2016) classifies the path types of leakage current in the AlGaN/GaN heterostructure (surface current, 2DEG current, GaN buffer current, and nucleation layer current) and describes the components of leakage current flowing before and after heat treatment. interpreted.

Ar 이온을 이온주입으로 생성된 결함들을 400oC에서 열처리하여 트랩의 밀도를 감소시켜 누설전류가 감소한다.Defects created by ion implantation of Ar ions are heat treated at 400 o C to reduce the density of traps and reduce leakage current.

도면을 참조하여 종래 GaN FET의 구조를 설명하면 다음과 같다.The structure of a conventional GaN FET will be described with reference to the drawings as follows.

도 1은 종래 GaN FET의 평면도와 등가회로도이다.Figure 1 is a top view and equivalent circuit diagram of a conventional GaN FET.

도 1을 참조하면 메사식각이나 이온주입으로 소자의 활성층을 정의하고 소스(100), 게이트(101), 드레인(102)을 제작한다. Referring to Figure 1, the active layer of the device is defined by mesa etching or ion implantation, and the source 100, gate 101, and drain 102 are manufactured.

이런 소자구조에서는 고전압이 인가되는 조건에 게이트 가장자리에서 스트래이(stray) 전류(104)가 발생하여 게이트 드레인 전류(Igd) 및 드레인 소스 전류(Ids)의 누설전류가 증가하고 항복전압을 높이는데 불리하고 신뢰성이 저하되는 문제를 가진다.In this device structure, when a high voltage is applied, a stray current 104 is generated at the edge of the gate, which increases the leakage current of the gate drain current (Igd) and drain-source current (Ids) and is disadvantageous in increasing the breakdown voltage. and has the problem of reduced reliability.

소스 필드 플레이트(SFP: Source Field Plate)(103)를 배치하여 열전자(hot electron)에 의한 트랩(trap) 발생이나 전류 붕괴(currecnt collapse), 임계전압의 변화가 유발되는 정도를 완화시킨다. A source field plate (SFP: Source Field Plate) 103 is disposed to alleviate the degree to which traps, current collapse, and changes in threshold voltage are caused by hot electrons.

그러나 소스 필드 플레이트와 게이트 전극의 사이에서 발생하는 기생 커패시턴스인 소스-게이트 정전용량(Cgs)은 소자의 동작속도를 저하시키게 된다. However, the source-gate capacitance (Cgs), which is a parasitic capacitance occurring between the source field plate and the gate electrode, reduces the operating speed of the device.

상술한 바와 같이, 종래의 기술은 다양한 형태로 진화하고 있다. 이종접합 HEMT 구조의 WBG 반도체를 이용하고 수평형, 수직형, 금속-반도체 접합, 필드 ㅍ프플레이트(field-plate)를 적용하는 시도를 하였다. As described above, conventional technologies are evolving into various forms. An attempt was made to use a WBG semiconductor with a heterojunction HEMT structure and apply horizontal, vertical, metal-semiconductor junctions, and field-plates.

그러나 아직도 고주파 및 고전력 신호를 고효율로 동작하는 GaN FET 전력반도체 소자에 대해서는 신뢰성, 고전압 내성, ESD 내성 등과 같이 아직도 많은 기술개발에 의한 성능개선이 요구되고 있다.However, GaN FET power semiconductor devices that operate high-frequency and high-power signals with high efficiency are still required to improve performance through many technological developments, such as reliability, high voltage resistance, and ESD resistance.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 앞서 설명한 종래 기술들이 가지는 문제점들을 해소할 수 있는 GaN 반도체 소자의 구조 및 그 제조방법을 제공함에 있다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide a GaN semiconductor device structure and manufacturing method that can solve the problems of the prior technologies described above.

특히, 본 발명은 넓은 밴드갭(Wide Band Gap)의 반도체 구조를 이용하여 동일 크기의 소자에서 항복전압을 수 kV까지 증가시킬 수 있으며, 전류의 변동폭을 최소화할 수 있는 GaN 반도체 소자의 구조 및 그 제조방법을 제공함에 목적이 있다.In particular, the present invention uses a semiconductor structure with a wide band gap to increase the breakdown voltage to several kV in a device of the same size, and the structure and structure of a GaN semiconductor device that can minimize the range of current fluctuation. The purpose is to provide a manufacturing method.

또한, 본 발명은 동일 항복전압을 가지는 소자의 경우, 종래에 비하여 소자의 크기를 줄일 수 있으며 따라서 최근의 휴대용 기기, 웨어러블 기기에 적용하기 유리하며, 전력 효율을 높여 에너지 절감 및 친환경 전기-전자 제품에 적용할 수 있는 Gan 반도체 소자의 구조 및 그 제조방법을 제공함에 다른 목적이 있다.In addition, in the case of devices having the same breakdown voltage, the present invention can reduce the size of the device compared to the prior art, so it is advantageous to apply to recent portable devices and wearable devices, and increases power efficiency to save energy and eco-friendly electrical and electronic products. Another purpose is to provide a structure and manufacturing method of a Gan semiconductor device applicable to .

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 GaN 반도체 소자의 구조는, 액티브층의 상부에 위치하는 스페이서층을 포함하는 메사 구조와, 메사 구조의 상기 스페이서층의 상부 일부에 배치되는 평면상 트랙 형태의 p-GaN 게이트와, 상기 p-GaN 게이트의 외측에 위치하는 소스 금속층과, 상기 p-GaN 게이트의 내측에 위치하는 드레인 금속층과, 상기 메사 구조의 둘레에 이온주입으로 형성된 아이솔레이션과, 상기 p-GaN 게이트와 상기 드레인 금속층의 사이 영역 상부측에 위치하는 소스 필드 플레이트를 포함할 수 있다.The structure of a GaN semiconductor device according to one aspect of the present invention for solving the above problems includes a mesa structure including a spacer layer located on top of an active layer, and a mesa structure disposed on an upper part of the spacer layer of the mesa structure. An isolation formed by ion implantation around the p-GaN gate in the form of a planar track, a source metal layer located on the outside of the p-GaN gate, a drain metal layer located on the inside of the p-GaN gate, and the mesa structure. And, it may include a source field plate located on the upper side of the area between the p-GaN gate and the drain metal layer.

본 발명의 실시 예에서, 상기 소스 금속층과 상기 드레인 금속층 각각의 하부에는 소스 이온주입층과 드레인 이온주입층이 위치하며, 소스 이온주입층과 소스 금속층, 드레인 이온주입층과 드레인 금속층은 각각 오믹 접촉을 형성할 수 있다.In an embodiment of the present invention, a source ion implantation layer and a drain ion implantation layer are located below each of the source metal layer and the drain metal layer, and the source ion implantation layer, the source metal layer, the drain ion implantation layer, and the drain metal layer are each in ohmic contact. can be formed.

본 발명의 실시 예에서, 상기 p-GaN 게이트에는 쇼트키 다이오드가 직렬 연결될 수 있다.In an embodiment of the present invention, a Schottky diode may be connected in series to the p-GaN gate.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 GaN 반도체 소자의 제조방법은, a) 액티브층의 상부에 스페이서층, p-GaN 에피층을 순차 형성한 후, p-GaN 에피층, 스페이서층 및 액티브층의 일부를 식각하여 메사 구조를 형성하는 단계와, b) 상기 p-GaN 에피층을 패터닝하여, 평면상 트랙 형상의 p-GaN 게이트를 형성하는 단계와, c) 오믹 접합 구조의 소스와 드레인의 형성한 후, 상기 메사 구조의 둘레에 아이솔레이션을 형성하는 단계와, d) 상기 p-GaN 게이트와 드레인의 사이 영역 상부에 소스 필드 플레이트를 형성하고, 소스 필드 플레이트와 게이트를 연결하는 배선 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the method of manufacturing a GaN semiconductor device according to another aspect of the present invention includes a) sequentially forming a spacer layer and a p-GaN epi layer on top of the active layer, and then forming the p-GaN epi layer, the spacer layer, and the active layer. forming a mesa structure by etching a portion, b) patterning the p-GaN epi layer to form a p-GaN gate in the shape of a planar track, and c) forming a source and drain of an ohmic junction structure. Then, forming an isolation around the mesa structure; d) forming a source field plate on the upper part of the region between the p-GaN gate and the drain, and forming a wiring pattern connecting the source field plate and the gate. May include steps.

본 발명의 실시 예에서, 상기 c) 단계의 오믹 접합 구조의 소스 및 드레인 제조는, 이온주입을 통해 소스 이온주입층과 드레인 이온주입층을 형성한 후, 상기 소스 이온주입층과 드레인 이온주입층 상에 오믹 금속인 소스 금속층과 드레인 금속층을 형성할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the source and drain of the ohmic junction structure in step c) are manufactured by forming a source ion implantation layer and a drain ion implantation layer through ion implantation, and then forming the source ion implantation layer and the drain ion implantation layer. A source metal layer and a drain metal layer, which are ohmic metals, may be formed thereon.

본 발명의 실시 예에서, 상기 소스 이온주입층은 트랙형 p-GaN 게이트의 외측에 위치하고, 상기 드레인 이온주입층은 p-GaN 게이트의 내측에 위치하도록 제조할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the source ion implantation layer may be manufactured to be located outside the track-type p-GaN gate, and the drain ion implantation layer may be manufactured to be located inside the p-GaN gate.

본 발명의 실시 예에서, 상기 c) 단계에서, 상기 아이솔레이션의 제조는, 고에너지의 이온주입과 열처리를 통해 활성화할 수 있다.In an embodiment of the present invention, in step c), the production of the isolation can be activated through high-energy ion implantation and heat treatment.

본 발명은 밴드갭이 큰(WBG: Wide Band Gap) 이종접합 구조의 반도체에서 운반자의 이동도가 높은 2DEG(Two Dimensional Electron Gas) 채널을 이용하여 종래의 반도체 소자들의 문제점들을 해소할 수 있는 GaN 전력반도체 소자 구조와 그 제조 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.The present invention provides GaN power that can solve the problems of conventional semiconductor devices by using a 2DEG (Two Dimensional Electron Gas) channel with high carrier mobility in a semiconductor with a wide band gap (WBG) heterojunction structure. It has the effect of providing a semiconductor device structure and its manufacturing method.

특히 본 발명은, 넓은 밴드갭의 반도체에 의해 동일한 크기에서 항복전압을 수 kV까지 높게 할 수 있고, 전류의 변동폭을 최소화할 수 있고, 소자의 크기도 최소화 할 수 있어, 최근의 휴대용(portable), 웨어러블(wearable) 기기에 장착하기 유리하고 더욱 전력효율을 높여 에너지 절감 및 친환경 전기-전자 제품으로 발전할 수 있는 효과가 있다.In particular, the present invention can increase the breakdown voltage to several kV for the same size by using a semiconductor with a wide band gap, minimize the range of current fluctuation, and minimize the size of the device, making it possible to use the latest portable device. , It is advantageous to be mounted on wearable devices and has the effect of further increasing power efficiency, which can save energy and develop into eco-friendly electrical and electronic products.

도 1은 종래 GaN 반도체 소자의 평면도 및 등가회로도이다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 GaN 반도체 소자의 제조공정 수순 단면도이다.
도 8은 본 발명 GaN 반도체 소자의 평면도이다.
도 9는 본 발명의 일부 단면도이다.
도 10은 본 발명을 제조하기 위해 설계한 전력소자 칩의 평면배치도 및 등가회로이다.
도 11 내지 도 13은 본 발명과 종래 GaN 반도체 소자의 특성 비교 그래프이다.
1 is a plan view and equivalent circuit diagram of a conventional GaN semiconductor device.
2 to 7 are cross-sectional views showing the manufacturing process of a GaN semiconductor device according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 8 is a plan view of the GaN semiconductor device of the present invention.
Figure 9 is a partial cross-sectional view of the present invention.
Figure 10 is a plan layout diagram and equivalent circuit of a power device chip designed to manufacture the present invention.
11 to 13 are graphs comparing characteristics of the present invention and conventional GaN semiconductor devices.

이하, 본 발명 GaN 반도체 소자의 구조 및 그 제조방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the structure and manufacturing method of the GaN semiconductor device of the present invention will be described in detail with reference to the attached 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 into various other forms, and the embodiments of the present invention may be modified. The scope is not limited to the examples below. Rather, these examples are provided to make the present invention more faithful and complete and to fully convey the spirit of the present 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. The terms used herein are used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. As used herein, the singular forms include the plural forms unless the context clearly indicates otherwise. Additionally, when used herein, “comprise” and/or “comprising” means specifying the presence of stated features, numbers, steps, operations, members, elements and/or groups thereof. and does not exclude the presence or addition of one or more other shapes, numbers, operations, members, 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, second, etc. are used herein to describe various members, regions, and/or portions, it is obvious that these members, parts, regions, layers, and/or portions are not limited by these terms. . These terms do not imply any particular order, superiority or inferiority, or superiority or inferiority, and are used only to distinguish one member, region or portion from another member, region or portion. Accordingly, a first member, region or portion described below may refer to a second member, region or portion 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 showing embodiments of the present invention. In the drawings, variations of the depicted shape may be expected, for example, depending on manufacturing techniques and/or tolerances. Accordingly, embodiments of the present invention should not be construed as being limited to the specific shape of the area shown in this specification, but should include, for example, changes in shape resulting from manufacturing.

도 2 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 GaN 반도체 소자의 제조공정 수순 단면도이다.2 to 7 are cross-sectional views showing the manufacturing process of a GaN semiconductor device according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2 내지 도 7을 각각 참조하면, 먼저 도 2에 도시한 바와 같이 반도체 기판(1)의 상부에 완충층(2)과 액티브층(3)을 성장시키고, 액티브층(3)의 상부에 스페이서층(4)과 p-GaN 에피층(5)을 순차 성장시킨다.Referring to FIGS. 2 to 7 , first, a buffer layer 2 and an active layer 3 are grown on top of the semiconductor substrate 1 as shown in FIG. 2, and a spacer layer is grown on top of the active layer 3. (4) and the p-GaN epi layer (5) are grown sequentially.

반도체 기판(1)은 Si, 사파이어(sapphire), SiC, AlN 등 알려진 반도체 웨이퍼를 사용할 수 있다.The semiconductor substrate 1 may use known semiconductor wafers such as Si, sapphire, SiC, and AlN.

그 다음, 액티브층(3)인 도핑되지 않은 GaN층의 형성시 기판(1)의 종류에 따라 격자상수의 차이와 열팽창계수의 차이에 의해 응력이 기판과 에피층 사이에 발생하게 된다. 이러한 응력에 의해 전체적으로 기판까지 휘어지고 심한 경우 크랙이 발생하게 되므로 이를 에피성장의 과정에서 완충층(2)을 성장하여 격자상수와 열팽창계수의 차이에 의한 문제 발생을 최소화한다.Next, when forming the undoped GaN layer, which is the active layer 3, stress is generated between the substrate and the epi layer due to differences in lattice constants and thermal expansion coefficients depending on the type of substrate 1. Due to this stress, the entire substrate is bent and, in severe cases, cracks occur. Therefore, the buffer layer 2 is grown during the epitaxial growth process to minimize problems caused by differences in lattice constant and thermal expansion coefficient.

이때 사용하는 완충층(2)은 저온 GaN, AlyGa1-yN, GaN/AlyGa1-yN 초격자층 등의 구조로 성장하여 이용할 수 있으며, 이들이 복합된 복수 층의 구조로도 제조될 수 있다.The buffer layer 2 used at this time can be grown in a structure such as low-temperature GaN, Al y Ga 1-y N, or GaN/Al y Ga 1-y N superlattice layer, and can also be used as a composite multi-layer structure. can be manufactured.

그 다음, undoped-GaN을 성장시켜 액티브층(3)을 형성한다. 액티브층(3)과 응력완화를 위한 완충층(2)의 에피성장은 종래에 알려진 에피기술을 활용할 수 있다. Next, undoped-GaN is grown to form the active layer (3). The epitaxial growth of the active layer 3 and the buffer layer 2 for stress relief can utilize conventionally known epitaxial technology.

이어서 연속적으로 액티브층(3)의 상부에는 AlxGa1-xN의 스페이서(spacer)층(4)을 성장한다. 여기에서 Al의 함량인 x에 의해 조절되는 AlxGa1-xN 에피층을 스페이서층(4)이라고 부르며 이하 간략하게 표기하기 위해 AlGaN으로 기술한다.Subsequently, a spacer layer 4 of Al x Ga 1-x N is continuously grown on top of the active layer 3. Here, the Al

스페이서층(4)의 상부에는 p-형 불순물이 1017~1019 cm-3으로 도핑된 p-GaN 에피층(5)을 성장시킨다.On top of the spacer layer 4, a p-GaN epi layer 5 doped with p-type impurities at 10 17 to 10 19 cm -3 is grown.

2DEG를 형성시키기 위한 상기 스페이서층(4)에서 Al의 함량(x)은 0.1~0.4 사이에서 제어하고, 두께는 10~40nm로 조절하여 운반자의 채널층인 2DEG의 밀도와 이동도를 조절한다. In the spacer layer 4 for forming 2DEG, the Al content (x) 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 2DEG, which is the channel layer of the carrier.

이로써 GaN/AlxGa1-xN 사이에 GaN측으로 2DEG가 형성되어 소자제작을 위한 HEMT 에피구조가 완성된다. As a result, 2DEG is formed on the GaN side between GaN/Al x Ga 1-x N, completing the HEMT epi structure for device fabrication.

본 발명에서 2DEG층 전자의 밀도는 >9x1012 cm-2, 이동도는 >1900 cm2/Vsec의 수준으로 HEMT 에피구조를 성장시킨다.In the present invention, the HEMT epistructure is grown to a level where the electron density of the 2DEG layer is >9x10 12 cm -2 and the mobility is >1900 cm 2 /Vsec.

그 다음, 도 3에 도시한 바와 같이 상기 p-GaN 에피층(5)과, 그 하부의 스페이서층(4) 및 액티브층(3)의 일부를 식각하여 메사(mesa) 패턴을 형성한다.Next, as shown in FIG. 3, the p-GaN epitaxial layer 5 and a portion of the spacer layer 4 and active layer 3 below are etched to form a mesa pattern.

메사 패턴의 형성에 사용하는 식각은, BCl3, Cl2를 주요 반응가스로 하는 ICP(Inductive Coupled Plasma)를 이용하여 식각한다. 메사 패턴의 높이는 100~500nm의 높이가 되도록 한다.The etching used to form the mesa pattern is done using ICP (Inductive Coupled Plasma), which uses BCl 3 and Cl 2 as main reaction gases. The height of the mesa pattern should be 100 to 500 nm.

그 다음, 도 4에 도시한 바와 같이 광사진전사로 PR(Photoresist) 패턴을 형성하고, 이 PR 패턴을 이용하여 상기 p-GaN 에피층(5)을 식각하여 p-GaN 게이트(6)를 형성한다. Next, as shown in FIG. 4, a PR (Photoresist) pattern is formed by optical photo transfer, and the p-GaN epi layer 5 is etched using this PR pattern to form a p-GaN gate 6. do.

여기에서 식각 마스크로 사용하는 패턴으로 포토레지스트는 광사진전사라는 반도체 공정에서 통상적으로 사용하는 공정을 사용한다. 그리고 이하 제조공정 공정단계에서도 동일하게 광사진전사를 이용하며 본 발명에 특이하게 한정되는 기술이 아니고 통상적인 기술의 한 종류이므로 광사진전사와 관련해서는 이하 전 제조공정에서 상세한 설명을 하지 않기로 한다.Here, the photoresist pattern used as the etching mask uses a process commonly used in the semiconductor process called photophotographic transfer. In addition, optical photo transfer is also used in the manufacturing process steps below, and since it is not a technology specifically limited to the present invention but a type of common technology, no detailed explanation will be given regarding the photo photo transfer in the entire manufacturing process below.

그 다음, 도 5와 같이 소스 이온주입층(7)과 드레인 이온주입층(8)을 형성한다.Next, a source ion implantation layer 7 and a drain ion implantation layer 8 are formed as shown in FIG. 5.

상기 p-GaN 게이트(6)의 평면 형상은 사각의 윈도우 프레임 형상일 수 있으며, 소스 이온주입층(7)은 p-GaN 게이트(6)의 둘레측 하부의 액티브층(3) 일부까지 주입한다.The planar shape of the p-GaN gate 6 may be in the shape of a square window frame, and the source ion implantation layer 7 is implanted up to a portion of the active layer 3 below the circumferential side of the p-GaN gate 6. .

이후에 설명되는 바와 같이 p-GaN 게이트(6)는 평면상 사각 윈도우 프레임의 일부는 라운드 형상으로 전체적으로 타원형 형상을 가질 수도 있다.As will be explained later, the p-GaN gate 6 may have an overall oval shape with a portion of the square window frame in plan being round.

또한 드레인 이온주입층은 p-GaN 게이트(6)의 안쪽 영역 하부의 액티브층(3)의 일부까지 이온을 주입하여 형성한다. Additionally, the drain ion implantation layer is formed by implanting ions into a portion of the active layer 3 below the inner region of the p-GaN gate 6.

이때의 이온주입은 n형 이온을 주입한다.At this time, ion injection injects n-type ions.

특히 n형 불순물로 Si+을 10~30 keV의 낮은 에너지 조건으로 이온주입한다.In particular, Si + as an n-type impurity is ion implanted under low energy conditions of 10 to 30 keV.

그 다음, 절연막(도면 미도시)을 증착하고, 절연막의 패시베이션(passivation)을 이용하여 900~1200℃의 고온에서 1~5 min 열처리하여 이온주입된 Si 불순물(dopant)을 활성화한다. Next, an insulating film (not shown) is deposited, and the ion-implanted Si dopant is activated by heat treatment at a high temperature of 900 to 1200°C for 1 to 5 minutes using passivation of the insulating film.

절연막은 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘질화막(Si3N4)인 유전체 박막을 사용하며 두께는 30~200nm 수준으로 조절한다. 절연막은 표면을 안정화하여 전류 붕괴(current collapse) 현상을 해소시키고, 쇼트키(Schottky) 접촉의 특성을 일정하게 유지한다. The insulating film uses a dielectric thin film of silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N 4 ), and the thickness is adjusted to 30-200 nm. The insulating film stabilizes the surface, eliminates the current collapse phenomenon, and keeps the characteristics of Schottky contact constant.

넓은 밴드갭(WBG) 반도체 표면의 불안정한 상태는 전기적인 특성이 동작하는 가운데 변화하게 함으로 계면 및 표면에 대한 패시베이션(passivation)과 박막증착에 의한 패시베이션은 안정한 소자를 제작하는데 중요하다. The unstable state of the wide bandgap (WBG) semiconductor surface causes its electrical properties to change during operation, so passivation of the interface and surface and passivation by thin film deposition are important for manufacturing stable devices.

반도체 표면에 존재하는 원자결합이나 트랩(trap)들은 반도체에 인가되는 전압에 따라 운반자를 포획하거나 방출하는 형상을 일으키게 되고, 그로 인하여 소자에 흐르는 전류밀도가 변화하게 된다. Atomic bonds or traps present on the surface of a semiconductor create a shape that captures or releases carriers depending on the voltage applied to the semiconductor, resulting in a change in the current density flowing through the device.

위의 열처리를 통해 표면을 안정화할 수 있다.The surface can be stabilized through the above heat treatment.

그 다음, 절연층을 증착하고, 광사진전사로 패턴을 형성한 후, 식각을 통해 상기 소스 이온주입층(7)과 드레인 이온주입층(8)의 상부를 노출시키는 윈도우를 형성한다.Next, an insulating layer is deposited, a pattern is formed by optical photo transfer, and then a window exposing the top of the source ion implantation layer 7 and the drain ion implantation layer 8 is formed through etching.

윈도우 형성시 오믹접촉되는 영역에 플라즈마에 의한 결함이 생성되는 문제를 해소하기 위하여 ICP(Inductive Coupled Plasma) 건식식각과 습식식각을 조합하여 이용할 수 있다.To solve the problem of defects being created by plasma in the ohmic contact area when forming a window, a combination of ICP (Inductive Coupled Plasma) dry etching and wet etching can be used.

그 다음, 금속층을 증착하고, 식각하여 상기 소스 이온주입층(7)의 상부에 위치하는 소스 금속층(9)과 드레인 이온주입층(8)의 상부에 위치하는 드레인 금속층(10)을 형성한다.Next, a metal layer is deposited and etched to form a source metal layer 9 located on top of the source ion implantation layer 7 and a drain metal layer 10 located on top of the drain ion implantation layer 8.

상기 소스 금속층(9)은 소스 이온주입층(7)과 오믹 접촉되며, 동일하게 드레인 금속층(10)은 드레인 이온주입층(8)과 오믹 접촉된다.The source metal layer 9 is in ohmic contact with the source ion implantation layer 7, and similarly, the drain metal layer 10 is in ohmic contact with the drain ion implantation layer 8.

오믹 접촉을 위한 금속으로 Ti, Ni, Al, Pt, Pd, Mo, Ta 또는 Au 단일층을 사용하거나 Ti/TiN, Ti/Ni/Ti/Al, Ti/Au/TiN과 같이 2개 이상의 복합층을 사용할 수 있다.Use a single layer of Ti, Ni, Al, Pt, Pd, Mo, Ta or Au as the metal for ohmic contact, or two or more composite layers such as Ti/TiN, Ti/Ni/Ti/Al, Ti/Au/TiN can be used.

상기 소스 금속층(9)과 드레인 금속층(10)을 형성한 후에는 400~900oC의 고온에서 1~5 min 동안 급속열처리하여 저항이 낮은 오믹접촉을 형성한다.After forming the source metal layer 9 and the drain metal layer 10, they are rapidly heat treated at a high temperature of 400 to 900 o C for 1 to 5 min to form an ohmic contact with low resistance.

Au와 같은 금속을 오믹에 이용하는 경우는 위의 공정과는 다르게 리프트 오프(lift-off) 공정을 사용할 수 있다.When using a metal such as Au for ohmic, a lift-off process can be used, unlike the above process.

리프트 오프 공정을 사용할 때에는 리프트 오프(lift-off)용 PR 패턴을 형성하기 위한 리소그래피를 해야 하고, 오믹금속을 증착하고, 솔벤트 용액으로 증착된 오믹 금속을 리프트 오프시킨다.When using a lift-off process, lithography must be performed to form a PR pattern for lift-off, an ohmic metal is deposited, and the deposited ohmic metal is lifted off with a solvent solution.

오믹 접합을 사용하는 이유로서, 정전류가 흐를 때 발생하는 열을 최소화하려면 접촉저항을 줄여야 하고, 또한 전기적인 충격과 열적인 충격으로부터 소자가 안정한 동작을 하기 위해서 우선적으로 접촉저항이 낮고 물리적으로 안정한 일렉트로 마이그레이션(electro-migration)에 강한 금속접합이 중요하기 때문이다.The reason for using ohmic junction is to reduce the contact resistance in order to minimize the heat generated when a constant current flows, and also to ensure stable operation of the device from electrical and thermal shock, it is preferable to use an electromagnetic junction with low contact resistance and a physically stable electromagnetic junction. This is because metal bonding that is resistant to migration (electro-migration) is important.

그 다음, 도 6에 도시한 바와 같이 고에너지의 이온을 국부적으로 메사 구조의 둘레를 따라 주입하여 아이솔레이션(isolation, 11)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 6, high-energy ions are locally injected along the perimeter of the mesa structure to form isolation 11.

좀 더 구체적으로, 광사진전사로 형성된 PR 마스크를 이용하여 Ar+, P+, N+, Kr+, Fe+와 같은 이온을 20keV 이상의 고에너지로 1x1014 cm-2 이상의 고밀도로 주입하여 아이솔레이션(11)을 형성한다. More specifically , isolation ( _ _ 11) is formed.

이온주입후에 저온에서 불안정한 경함과 트랩을 안정화하기 위하여 400~800oC의 온도에서 열처리한다.After ion implantation, heat treatment is performed at a temperature of 400 to 800 o C to stabilize the hardness and trap, which are unstable at low temperatures.

그 다음, 도 7에 도시한 바와 같이 다층의 절연층(도면 미도시)을 형성하고 패터닝하여 소스 금속층(9)과 드레인 금속층(10) 각각에 접속되는 배선패턴(12)을 형성함과 아울러 배선패턴(12)의 하부 일부에 위치하는 소스 필드 플레이트(13)를 형성한다.Next, as shown in FIG. 7, a multi-layer insulating layer (not shown) is formed and patterned to form a wiring pattern 12 connected to each of the source metal layer 9 and the drain metal layer 10, as well as wiring A source field plate 13 located in the lower part of the pattern 12 is formed.

상기 배선패턴(12)과 소스 필드 플레이트(13)는 알려진 금속접합 및 배선화 단계를 거쳐 제조될 수 있다. 예를 들어 SiO2 산화막을 증착하고, 광사진전사로 패턴을 형성하고, 식각하여 배선패턴을 위한 콘택 윈도우(contact window)에 텅스텐 플러그(W-plug)를 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정으로 형성한 후, 두께가 2~6um인 금속박막을 증착하여 패턴을 만들고 식각하여 배선패턴(12)과 소스 필드 플레이트(13)를 형성할 수 있다.The wiring pattern 12 and the source field plate 13 can be manufactured through known metal bonding and wiring steps. For example, a SiO 2 oxide film is deposited, a pattern is formed by optical photo transfer, and a tungsten plug (W-plug) is formed in the contact window for the wiring pattern using a CMP (Chemical Mechanical Polishing) process by etching. Afterwards, a metal thin film with a thickness of 2 to 6 μm is deposited to create a pattern and etched to form the wiring pattern 12 and the source field plate 13.

소스 필드 플레이트(13)는 소스 금속층(9)에 연결되는 배선패턴(12)의 하부에만 위치한다.The source field plate 13 is located only at the bottom of the wiring pattern 12 connected to the source metal layer 9.

소스 금속층(9)에 연결되는 배선패턴(12)은 p-GaN 게이트(6)의 상부를 지나 드레인 금속층(10) 측으로 확장된 구조이며, 소스 필드 플레이트(13)는 p-GaN 게이트(6)와 드레인 금속층(10)의 사이 영역에 위치하는 것으로 한다.The wiring pattern 12 connected to the source metal layer 9 has a structure extending beyond the top of the p-GaN gate 6 toward the drain metal layer 10, and the source field plate 13 is connected to the p-GaN gate 6. It is assumed to be located in the area between and the drain metal layer 10.

상기 배선패턴(12)과 소스 필드 플레이트(13)를 형성하기 위한 금속재료는, Al, Ti/Al, Ni/Au, Ti/Al/Ni/Au와 같이 다양한 구조의 단일층 또는 다층 구조를 사용할 수 있다.The metal material for forming the wiring pattern 12 and the source field plate 13 may have a single-layer or multi-layer structure of various structures such as Al, Ti/Al, Ni/Au, and Ti/Al/Ni/Au. You can.

이때 역시 식각으로 패턴을 형성하는 방식이나 리프트 오프 공정기법을 이용할 수 있다.At this time, a method of forming a pattern by etching or a lift-off process technique can be used.

도 8은 본 발명 GaN 반도체 소자의 평면 구성도이고, 도 9는 도 8에서 A-A 단면과 B-B단면을 나타내는 단면도이다.FIG. 8 is a plan view of the GaN semiconductor device of the present invention, and FIG. 9 is a cross-sectional view showing the A-A cross section and the B-B cross section in FIG. 8.

도 8과 도 9에 각각 도시한 바와 같이, p-GaN 게이트(6)는 모서리가 라운드형인 트랙(육상 경기장의 트랙) 구조로 형성되고, 소스 필드 플레이트(13)가 p-GaN 게이트(6)와 드레인 금속층(10)의 사이에 배치된다.As shown in FIGS. 8 and 9, respectively, the p-GaN gate 6 is formed in a track structure (track of an athletics stadium) with rounded corners, and the source field plate 13 is formed on the p-GaN gate 6. and the drain metal layer 10.

따라서 드레인 금속층(10)에 고전압이 인가되는 경우, 소스 필드 플레이트(13)와 트랙형의 p-GaN 게이트(6)에 의해 일정하고 균일한 전계를 유지할 수 있다.Therefore, when a high voltage is applied to the drain metal layer 10, a constant and uniform electric field can be maintained by the source field plate 13 and the track-shaped p-GaN gate 6.

또한, 본 발명은 p-GaN 게이트(6)의 라운드의 양단 끝 부분에 아이솔레이션(11)이 형성되어 있어, 드레인 전류를 트랙형 p-GaN 게이트(6)의 안쪽 영역으로 구속한다.In addition, in the present invention, isolation 11 is formed at both ends of the round of the p-GaN gate 6, thereby restricting the drain current to the inner region of the track-type p-GaN gate 6.

따라서 p-GaN 게이트(6) 양단의 가장자리에서 발생할 수 있는 스트래이(stray current)가 거의 제거된다. Therefore, stray current that may occur at the edges of both ends of the p-GaN gate 6 is almost eliminated.

또한 메사 구조의 둘레에도 아이솔레이션(11)이 형성되어 있어 절연 성능을 향상시킬 수 있다.In addition, isolation 11 is formed around the mesa structure, so insulation performance can be improved.

도 10은 본 발명을 제조하기 위해 설계한 전력소자 칩의 평면배치도 및 등가회로이다.Figure 10 is a plan layout diagram and equivalent circuit of a power device chip designed to manufacture the present invention.

도 10을 참조하면, 게이트에 하나 이상의 쇼트키 다이오드를 직렬로 연결하여 게이트의 임계전압을 조절한다. Referring to FIG. 10, the threshold voltage of the gate is adjusted by connecting one or more Schottky diodes in series to the gate.

게이트와 소스의 사이에는 pn다이오드를 배치하여 게이트 전극을 고전압의 ESD로부터 방호한다. A pn diode is placed between the gate and source to protect the gate electrode from high voltage ESD.

PN 다이오드는 소스패드의 하단부의 영역에 배치하여 FET 소자의 제조공정에 정합시키고 칩의 면적이 최소가 되도록 조절한다. The PN diode is placed in the lower area of the source pad to match the manufacturing process of the FET device and is adjusted to minimize the chip area.

도 11은 본 발명과 종래 GaN 반도체 소자의 I-V 특성 비교 그래프이다.Figure 11 is a graph comparing I-V characteristics of the present invention and a conventional GaN semiconductor device.

도 11을 참조하면, 종래 GaN 반도체 소자는 일정한 전압 이상이 인가된 포화(saturation) 동작 영역임에도 불구하고 드레인 전류가 조금씩 증가하는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 11, it can be seen that the drain current of a conventional GaN semiconductor device gradually increases even though it is in a saturation operating region where a certain voltage or more is applied.

이는 게이트 전압의 변조(modulation)와 스트래이(stray) 전류에 의한 성분에 의한 것으로 해석할 수 있으며 회로응용에 있어서 선형성과 신뢰성을 높이는데 불리하다.This can be interpreted as being caused by the modulation of the gate voltage and the stray current component, and is disadvantageous in improving linearity and reliability in circuit applications.

이에 대하여 본 발명에 의한 GaN 반도체 소자는 스트래이 전류가 감소하여 포화영역에서 드레인 전류의 선형성이 개량되어 전류 과밀(current crowding)이 감소하고 항복전압이 높아진다. In contrast, in the GaN semiconductor device according to the present invention, the stray current is reduced and the linearity of the drain current in the saturation region is improved, thereby reducing current crowding and increasing the breakdown voltage.

이렇게 개량된 IV 특성으로 본 발명에 따른 GaN 반도체 소자는 선형성이 우수하여, 장기적 동작이나 고온에서의 동작에 대해 안정성이 크게 향상된다.With these improved IV characteristics, the GaN semiconductor device according to the present invention has excellent linearity, greatly improving stability for long-term operation or operation at high temperatures.

도 12는 본 발명과 종래 GaN 반도체 소자의 게이트 바이어스에 대한 트랜스 콘덕턴스를 비교한 그래프이다.Figure 12 is a graph comparing the transconductance with respect to gate bias of the present invention and a conventional GaN semiconductor device.

본 발명에 따른 GaN 반도체 소자는 게이트에 배치된 쇼트키 다이오드에 의하여 게이트 바이어스의 증가에 따라 임계전압이 증가하는 방향으로 동작한다. The GaN semiconductor device according to the present invention operates in a direction in which the threshold voltage increases as the gate bias increases due to the Schottky diode disposed on the gate.

이에 대하여 종래 GaN 반도체 소자는 임계전압이 변화되지 않는다.In contrast, the threshold voltage of conventional GaN semiconductor devices does not change.

이는 본 발명에서 게이트에 추가된 쇼트키 접합으로 최대 피크치(Gm,max)는 감소하지만 게이트의 구동전압을 높여서 소자 구동전압의 폭이 확대됨을 뜻한다.This means that in the present invention, the maximum peak value (Gm,max) is reduced by the Schottky junction added to the gate, but the width of the device driving voltage is expanded by increasing the driving voltage of the gate.

따라서 본 발명은 회로설계에 있어서 편의성, 효율성, 안정성을 높여주게 된다.Therefore, the present invention increases convenience, efficiency, and stability in circuit design.

GaN 반도체 소자에 금속접합으로 형성되는 쇼트키 게이트의 금속 물질은 Ni, Pd, W, Ti, Pt, Mo 내지는 이들이 하나 이상으로 조합된 다층구조를 사용한다. 이와 같이 쇼트키 게이트를 구성하는 금속 물질은 각각 일함수(work function)가 다르므로 그 종류와 조합에 따라 하나의 쇼트키 다이오드에서 0.5~0.7V 정도의 전압의 차이를 발생하도록 제작할 수 있다.The metal material of the Schottky gate, which is formed by metal bonding to a GaN semiconductor device, uses a multilayer structure of Ni, Pd, W, Ti, Pt, Mo, or a combination of one or more thereof. As the metal materials that make up the Schottky gate each have different work functions, they can be manufactured to generate a voltage difference of about 0.5 to 0.7 V in one Schottky diode depending on their type and combination.

도 13은 본 발명과 종래 GaN 반도체 소자의 ESD 성능을 비교한 그래프이다.Figure 13 is a graph comparing the ESD performance of the present invention and a conventional GaN semiconductor device.

ESD 성능은 각 GaN 반도체 소자의 게이트 단에서 TLP(Transmission Line Pulse) 측정 데이터로서 소자의 ESD I-V 성능을 확인할 수 있다.ESD performance is TLP (Transmission Line Pulse) measurement data at the gate stage of each GaN semiconductor device, and the ESD I-V performance of the device can be confirmed.

종래 GaN 반도체 소자의 경우 Vt(triggering voltage), Ipp(peak pulse current)가 작은 ESD에 약한 특성을 보인다. In the case of conventional GaN semiconductor devices, Vt (triggering voltage) and Ipp (peak pulse current) are small and show weak characteristics against ESD.

그러나 본 발명 GaN 반도체 소자의 경우 다이나믹 저항(Rd)이 크게 감소하여 Ipp가 크게 증가하여 강력한 ESD 내성을 갖는다. However, in the case of the GaN semiconductor device of the present invention, the dynamic resistance (Rd) is greatly reduced and Ipp is greatly increased, resulting in strong ESD resistance.

이는 소스-게이트 사이에 배치된 PN 다이오드에 의해 바이패스(by-pass) 효과로 종래 문턱전압에 비하여 더 큰 문턱전압을 가지기 때문이며, ESD를 빠르게 해소시킬 수 있다.This is because it has a larger threshold voltage than the conventional threshold voltage due to a bypass effect caused by the PN diode placed between the source and gate, and ESD can be quickly resolved.

따라서 종래의 기술에 의한 다이나믹 온저항(Ron,pa)에 비해 본 발명에 의한 다이나믹 온저항(Ron,ta)의 값을 크게 감소시킬 수 있다. 이렇게 감소된 다이나믹 온저항은 Ipp를 증가시키고, Vhold(holding voltage)는 감소시켜서 결국 ESD 내성을 키우게 된다. Therefore, the value of dynamic on-resistance (Ron,ta) according to the present invention can be greatly reduced compared to the dynamic on-resistance (Ron,pa) according to the conventional technology. This reduced dynamic on-resistance increases Ipp and reduces Vhold (holding voltage), ultimately increasing ESD resistance.

이처럼 ESD 내성이 강화된 본 발명은 HBM(Human Body Model) 8kV의 수준을 만족시키게 된다. 이러한 부가적 소자의 집적화를 통하여 AEC Q101의 규격을 만족시켜 소비재는 물론 자동차와 같은 산업재에도 활용이 가능한 GaN 소자의 동작을 확보할 수 있다.In this way, the present invention with enhanced ESD resistance satisfies the HBM (Human Body Model) level of 8kV. Through the integration of these additional devices, it is possible to ensure the operation of GaN devices that meet the specifications of AEC Q101 and can be used in consumer products as well as industrial products such as automobiles.

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-mentioned embodiments and can be implemented with various modifications and variations without departing from the technical gist of the present invention. will be.

1:반도체 기판 2:완충층
3:액티브층 4:스페이서층
5:p-GaN 에피층 6:p-GaN 게이트
7:소스 이온주입층 8:드레인 이온주입층
9:소스 금속층 10:드레인 금속층
11:아이솔레이션 12:배선패턴
13:소스 필드 플레이트
1: Semiconductor substrate 2: Buffer layer
3: Active layer 4: Spacer layer
5:p-GaN epi layer 6:p-GaN gate
7: Source ion implantation layer 8: Drain ion implantation layer
9: Source metal layer 10: Drain metal layer
11: Isolation 12: Wiring pattern
13: Source field plate

Claims (7)

액티브층의 상부에 위치하는 스페이서층을 포함하는 메사 구조;
메사 구조의 상기 스페이서층의 상부 일부에 배치되는 평면상 트랙 형태의 p-GaN 게이트;
상기 p-GaN 게이트의 외측에 위치하는 소스 금속층;
상기 p-GaN 게이트의 내측에 위치하는 드레인 금속층;
상기 메사 구조의 둘레에 이온주입으로 형성된 아이솔레이션; 및
상기 p-GaN 게이트와 상기 드레인 금속층의 사이 영역 상부측에 위치하는 소스 필드 플레이트를 포함하는 GaN 반도체 소자.
A mesa structure including a spacer layer located on top of the active layer;
a p-GaN gate in the form of a planar track disposed on an upper portion of the spacer layer having a mesa structure;
a source metal layer located outside the p-GaN gate;
A drain metal layer located inside the p-GaN gate;
Isolation formed around the mesa structure by ion implantation; and
A GaN semiconductor device including a source field plate located on an upper side of a region between the p-GaN gate and the drain metal layer.
제1항에 있어서,
상기 소스 금속층과 상기 드레인 금속층 각각의 하부에는 소스 이온주입층과 드레인 이온주입층이 위치하며,
소스 이온주입층과 소스 금속층, 드레인 이온주입층과 드레인 금속층은 각각 오믹 접촉을 형성하는 GaN 반도체 소자.
According to paragraph 1,
A source ion implantation layer and a drain ion implantation layer are located below each of the source metal layer and the drain metal layer,
A GaN semiconductor device in which the source ion implantation layer, source metal layer, drain ion implantation layer, and drain metal layer each form ohmic contact.
제1항에 있어서,
상기 p-GaN 게이트에는 쇼트키 다이오드가 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 GaN 반도체 소자.
According to paragraph 1,
A GaN semiconductor device characterized in that a Schottky diode is connected in series to the p-GaN gate.
a) 액티브층의 상부에 스페이서층, p-GaN 에피층을 순차 형성한 후, p-GaN 에피층, 스페이서층 및 액티브층의 일부를 식각하여 메사 구조를 형성하는 단계;
b) 상기 p-GaN 에피층을 패터닝하여, 평면상 트랙 형상의 p-GaN 게이트를 형성하는 단계;
c) 오믹 접합 구조의 소스와 드레인의 형성한 후, 상기 메사 구조의 둘레에 아이솔레이션을 형성하는 단계; 및
d) 상기 p-GaN 게이트와 드레인의 사이 영역 상부에 소스 필드 플레이트를 형성하고, 소스 필드 플레이트와 게이트를 연결하는 배선 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 GaN 반도체 소자 제조방법.
a) sequentially forming a spacer layer and a p-GaN epi layer on top of the active layer, then etching a portion of the p-GaN epi layer, spacer layer, and active layer to form a mesa structure;
b) patterning the p-GaN epitaxial layer to form a p-GaN gate in a planar track shape;
c) forming an isolation around the mesa structure after forming the source and drain of the ohmic junction structure; and
d) A GaN semiconductor device manufacturing method comprising forming a source field plate on an upper part of a region between the p-GaN gate and the drain, and forming a wiring pattern connecting the source field plate and the gate.
제4항에 있어서,
상기 c) 단계의 오믹 접합 구조의 소스 및 드레인 제조는,
이온주입을 통해 소스 이온주입층과 드레인 이온주입층을 형성한 후,
상기 소스 이온주입층과 드레인 이온주입층 상에 오믹 금속인 소스 금속층과 드레인 금속층을 형성하는 것을 특징으로 하는 GaN 반도체 소자 제조방법.
According to clause 4,
The source and drain fabrication of the ohmic junction structure in step c) includes,
After forming a source ion implantation layer and a drain ion implantation layer through ion implantation,
A method of manufacturing a GaN semiconductor device, characterized in that forming a source metal layer and a drain metal layer of an ohmic metal on the source ion implantation layer and the drain ion implantation layer.
제5항에 있어서,
상기 소스 이온주입층은 트랙형 p-GaN 게이트의 외측에 위치하고,
상기 드레인 이온주입층은 p-GaN 게이트의 내측에 위치하도록 제조하는 것을 특징으로 하는 GaN 반도체 소자 제조방법.
According to clause 5,
The source ion implantation layer is located outside the track-type p-GaN gate,
A GaN semiconductor device manufacturing method, characterized in that the drain ion implantation layer is manufactured to be located inside the p-GaN gate.
제4항에 있어서,
상기 c) 단계에서,
상기 아이솔레이션의 제조는,
고에너지의 이온주입과 열처리를 통해 활성화하는 것을 특징으로 하는 GaN 반도체 소자 제조방법.
According to clause 4,
In step c) above,
Manufacturing of the isolation is,
A GaN semiconductor device manufacturing method characterized by activation through high-energy ion implantation and heat treatment.
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