WO2023113547A1 - 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 형성 방법 및 그 방법으로 제조된 쇼트키 다이오드 - Google Patents

산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 형성 방법 및 그 방법으로 제조된 쇼트키 다이오드 Download PDF

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WO2023113547A1
WO2023113547A1 PCT/KR2022/020606 KR2022020606W WO2023113547A1 WO 2023113547 A1 WO2023113547 A1 WO 2023113547A1 KR 2022020606 W KR2022020606 W KR 2022020606W WO 2023113547 A1 WO2023113547 A1 WO 2023113547A1
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gallium oxide
type
oxide
nickel oxide
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PCT/KR2022/020606
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강태영
경신수
남태진
정유섭
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파워큐브세미 (주)
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70—Bipolar devices
    • H01L29/74—Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
    • H01L29/861—Diodes

Definitions

  • the present invention relates to a heterojunction between nickel oxide and gallium oxide.
  • gallium oxide is a newly emerging super-wideband semiconductor material following silicon carbide and gallium nitride, and has a band gap of about 4.7 to about 4.9 eV, which far exceeds the band gap width of silicon carbide and gallium nitride, and theoretically has a breakdown electric field of 8 MV/ very high in cm.
  • gallium oxide can grow substrates and epitaxial layers at a relatively low cost compared to other ultra-wideband semiconductor materials.
  • a method for forming a nickel oxide-gallium oxide heterojunction includes forming a trench by etching an n-type gallium oxide epitaxial layer epitaxially grown on an n-type gallium oxide substrate with an etching mask, in a mixed gas atmosphere of argon and oxygen, the n-type oxidation forming a p-type nickel oxide region on the bottom surface of the trench by sputtering a nickel oxide target on the gallium epitaxial layer; and sputtering a nickel target on the n-type gallium oxide epitaxial layer in an argon gas atmosphere to form the p-type nickel oxide region
  • a step of forming a nickel layer on it may be included.
  • the etching mask may include a hard mask formed on the n-type gallium oxide epitaxial layer and a photoresist mask formed on the hard mask.
  • the etching mask may be formed with an inclination of the sidewall of the trench in a range of 45 degrees to 70 degrees.
  • the photoresist mask may form a first trench region in the n-type gallium oxide epitaxial layer, and the hard mask may form a second trench region having sidewalls extending from sidewalls of the first trench region.
  • the flow rate of oxygen in the mixed gas may be 9.0% to 23.0%.
  • the flow rate of oxygen in the mixed gas may be 16.6% to 23.0%.
  • a method for manufacturing a nickel oxide-gallium oxide heterojunction diode includes forming a plurality of trenches in an active region and an edge region by etching an n-type gallium oxide epitaxial layer epitaxially grown on an n-type gallium oxide substrate as an etch mask, argon and oxygen Forming a p-type nickel oxide region on the bottom surface of the trench by sputtering a nickel oxide target on the n-type gallium oxide epitaxial layer in a mixed gas atmosphere of, forming an insulating layer defining the active region on the edge region forming a nickel layer on the p-type nickel oxide region and the n-type gallium oxide epitaxial layer by sputtering a nickel target on the active region and the edge region in an argon gas atmosphere, and forming an anode on the upper surface of the nickel layer
  • the method may include forming an electrode
  • the p-type nickel oxide region may include a first p-type nickel oxide region formed in the active region, a second p-type nickel oxide region formed over the active region and the edge region, and a second p-type nickel oxide region formed in the edge region.
  • a 3 p-type nickel oxide region may be included.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a nickel oxide-gallium oxide pn heterojunction Schottky diode as an example.
  • FIG. 2 is a diagram exemplarily illustrating a process of forming a pattern on a hard mask to form a nickel oxide-gallium oxide pn heterojunction.
  • FIG. 3 is a diagram exemplarily illustrating a process of forming a nickel oxide-gallium oxide pn heterojunction on a gallium oxide epitaxial layer according to an embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram exemplarily illustrating a process according to another embodiment of forming a nickel oxide-gallium oxide pn heterojunction on a gallium oxide epitaxial layer.
  • FIG. 5 is a diagram exemplarily illustrating a process of forming a nickel oxide-gallium oxide pn heterojunction on a gallium oxide epitaxial layer according to another embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram exemplarily illustrating a process of adjusting a slope of a sidewall of a trench.
  • FIG. 7 and 8 are views exemplarily illustrating a process of manufacturing a nickel oxide-gallium oxide pn heterojunction Schottky diode.
  • FIG. 9 is a graph showing electrical characteristics of nickel oxide according to oxygen flow rate by way of example.
  • 10 is a graph showing current density measured by applying a forward voltage to a nickel oxide-gallium oxide pn heterojunction Schottky diode.
  • 11 is a graph showing current density measured by applying a reverse voltage to a nickel oxide-gallium oxide pn heterojunction Schottky diode.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a nickel oxide-gallium oxide pn heterojunction Schottky diode as an example.
  • the nickel oxide-gallium oxide pn heterojunction Schottky diode includes an n-type gallium oxide substrate 100, an n-type gallium oxide epitaxial layer 110, and a p-type nickel oxide region 121, 122, 123; 120 generically), an insulating layer 130, a Schottky metal layer 140, an anode electrode 150, and a cathode electrode 160.
  • the n-type gallium oxide substrate 100 is formed of single-crystal ⁇ -gallium oxide ( ⁇ -Ga 2 O 3 ) doped with an n-type dopant.
  • the thickness of the n-type gallium oxide substrate 100 is about 590 ⁇ m, and the n-type dopant concentration may be about 4E18cm -3 .
  • the n-type dopant may be, for example, tin (Sn).
  • the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 is undoped or ⁇ -gallium oxide doped with an n-type dopant epitaxially grown on the main surface of the n-type gallium oxide substrate 100 .
  • the n-type dopant may be, for example, silicon (Si), and the concentration of the n-type dopant may be about 1E16cm -3 .
  • the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 may have a thickness of about 10 ⁇ m.
  • the p-type nickel oxide (NiO x ) region 120 is formed on the bottom surface of the trench (see 111 in FIG. 3 and 112 in FIG. 4 ) extending from the top surface of the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 toward the inside, Depending on the slope of the sidewall of the trench, it may also be formed on the sidewall.
  • the p-type nickel oxide region 120 includes a plurality of first p-type nickel oxide regions 121 formed in the active region of the Schottky diode, a second p-type nickel oxide region 122 formed to surround the active region, and an edge. A plurality of third p-type nickel oxide regions 123 formed in the region may be included.
  • the plurality of first p-type nickel oxide regions 121 serve as a junction barrier
  • the second p-type nickel oxide regions 122 serve as a buffer
  • the plurality of third p-type nickel oxide regions 122 serve as a buffer. (123) may serve as an electric field confinement structure, for example, a guard ring.
  • one side of the second p-type nickel oxide region 122 may contact the Schottky metal layer 130 .
  • the p-type nickel oxide region 120 may be formed by a sputtering process.
  • the p-type nickel oxide region 120 and the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 form a pn heterojunction.
  • the insulating layer 130 is formed on at least a portion of the second p-type nickel oxide region 122 and an upper portion of the edge region to define an active region.
  • the insulating layer 130 fills the trench in which the second p-type nickel oxide region 122 is formed and the trench in which the plurality of third p-type nickel oxide regions 123 are formed. Therefore, at least a portion of the lower surface of the insulating layer 130 is in contact with the second p-type nickel oxide region 122 and the third p-type nickel oxide region 123, and the remaining region is n-type gallium oxide epitaxial layer 110 can be in contact with the upper surface of
  • An inner surface of the second insulating layer 130 may be formed to be inclined downward toward the active region. When viewed from above, the inclined surface may overlap at least a portion of the second p-type nickel oxide region 122 .
  • the Schottky metal layer 140 is on top of the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 in the active region so as to contact the top surface of the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 and the plurality of first p-type nickel oxide regions 121. is formed
  • the upper surfaces of the Schottky metal layer 140 and the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 are in Schottky contact, and the Schottky metal layer 140 and the plurality of first p-type nickel oxide regions 121 are in ohmic contact.
  • the schottky metal layer 140 may extend in a horizontal direction to cover a portion of the insulating layer 130 .
  • the anode electrode 150 is formed on the upper surface of the Schottky metal layer 140, and the cathode electrode 160 is formed on the lower surface of the n-type gallium oxide substrate 100.
  • a silicide layer (not shown) for ohmic contact may be formed between the n-type gallium oxide substrate 100 and the cathode electrode 160 .
  • the plurality of first p-type nickel oxide regions 121 form a pn heterojunction with the n-type gallium oxide epitaxial layer 110, thereby improving breakdown voltage and leakage current characteristics compared to conventional Schottky diodes.
  • the plurality of first p-type nickel oxide regions 121 form a depletion layer due to pn junctions with the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 . Since the depletion layer formed along the periphery of the plurality of first p-type nickel oxide regions 121 blocks a path through which leakage current flows, it has a lower leakage current value than a general Schottky diode.
  • the depletion layer formed along the periphery of the plurality of first p-type nickel oxide regions 121 can relatively reduce an electric field concentrated in a region where the Schottky metal layer 140 and the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 are in contact. can Due to this, it is possible to implement a relatively higher threshold voltage than a general Schottky diode.
  • FIG. 2 is a diagram exemplarily illustrating a process of forming a pattern on a hard mask to form a nickel oxide-gallium oxide pn heterojunction.
  • an n-type gallium oxide epitaxial layer 110 is formed on the main surface of the n-type gallium oxide substrate 100 . Foreign substances are removed by cleaning and plasma treating the n-type gallium oxide substrate 100 .
  • the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 is undoped or ⁇ -gallium oxide doped with an n-type dopant epitaxially grown on the main surface of the n-type gallium oxide substrate 100 .
  • the n-type dopant may be, for example, silicon (Si), and the concentration of the n-type dopant may be about 1E16cm -3 . Meanwhile, the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 may have a thickness of about 10 ⁇ m.
  • the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 is formed by, for example, halide vapor phase epitaxy (HVPE), metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD), mist CVD, molecular beam epitaxy (MBE), pulsed laser deposition (PLD), or the like. It can be deposited on the type gallium oxide substrate 100.
  • HVPE halide vapor phase epitaxy
  • MOCVD metalorganic chemical vapor deposition
  • MBE molecular beam epitaxy
  • PLD pulsed laser deposition
  • a silicon oxide layer 10 is formed on the upper surface of the n-type gallium oxide epitaxial layer 110.
  • the silicon oxide layer 10 may be formed by depositing silicon oxide (SiO 2 ) to a thickness of about 0.7 ⁇ m by chemical vapor deposition or spin coating.
  • a photoresist layer 20 is formed on the upper surface of the silicon oxide layer 10 to a thickness of about 1.6 ⁇ m.
  • the photoresist layer 20 may be formed by soft baking after spin coating the photoresist on the silicon oxide layer 10 .
  • FIG. 3 is a diagram exemplarily illustrating a process of forming a nickel oxide-gallium oxide pn heterojunction on a gallium oxide epitaxial layer according to an embodiment, after the process illustrated in FIG. 2, a hard mask is used as an etching mask Thus, the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 is etched to form the trench 111 and the p-type nickel oxide region 120 on at least a bottom surface of the trench 111 .
  • the photoresist mask 21 is formed by removing the photoresist in the area where the trench 111 is to be formed in the photoresist layer 20.
  • the silicon oxide layer 10 exposed by the photoresist mask 21 is etched to form a hard mask 11.
  • the etching gas is O 2 and C 4 F 8 , and may be supplied to the chamber at a flow rate of about 1:9.
  • the chamber pressure is maintained at about 7 mTorr, and power of about 2 kW can be applied for about 1 minute.
  • An etching rate of the silicon oxide layer 10 may be about 0.23 ⁇ m/min.
  • a buffer process of injecting an etching gas to form a gas atmosphere, an etching process of applying power, and a cooling process may be repeatedly performed.
  • the trench 111 is formed by etching the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 exposed by the hard mask 11.
  • the etching gas is N 2 and BCl 3 , and may be supplied to the chamber at a flow rate of about 1:7.
  • the chamber pressure is maintained at about 5 mTorr, and power of about 500 W may be applied for about 1 minute.
  • the etching rate of the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 is about 0.057 ⁇ m/min, and the etching ratio between the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 and the hard mask 11 may be about 1:1.2.
  • the formed trench 111 may have a critical dimension (CD) of about 2 ⁇ m, a depth of about 0.7 ⁇ m, and a sidewall slope of about 45 degrees.
  • CD critical dimension
  • a buffer process of injecting an etching gas to form a gas atmosphere, an etching process of applying power, and a cooling process may be repeatedly performed.
  • a p-type nickel oxide layer 120' is formed in the trench 111.
  • a p-type nickel oxide layer 120' is formed to a thickness of about 300 nm on the upper surface of the trench 111 and the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 by sputtering a nickel oxide target or a nickel target. are layered During sputtering, the flow rate of oxygen is adjusted between about 0.0% and 23.0%, preferably between about 9.0% and 16.6%, the chamber pressure is maintained at about 5 mTorr, and a power of about 150 W is applied for about 90 minutes.
  • a photoresist mask 22 is formed in the trench 111 in which the p-type nickel oxide layer 120' is formed, and the p-type nickel oxide layer stacked on the upper surface of the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 120' is removed by etching.
  • FIG. 4 is a diagram exemplarily illustrating a process according to another embodiment of forming a nickel oxide-gallium oxide pn heterojunction on a gallium oxide epitaxial layer. ) may be etched to form the trench 111 and the p-type nickel oxide region 120 on at least the bottom surface of the trench 111 .
  • the photoresist layer 20 is formed on the upper surface of the n-type gallium oxide epitaxial layer 110, and the photoresist in the region where the trench 111 is to be formed is removed from the photoresist layer 20 to obtain a photoresist A mask 21 is formed.
  • the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 exposed by the photoresist mask 21 is etched to form a trench 111.
  • the polymer generated during etching is deposited on the sidewall of the trench 111 , so the sidewall slope may be about 45 degrees.
  • a p-type nickel oxide layer 120' is formed in the trench 111.
  • a p-type nickel oxide layer 120' is formed to a thickness of about 300 nm on the upper surface of the trench 111 and the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 by sputtering a nickel oxide target or a nickel target. are layered
  • a photoresist mask 22 is formed in the trench 111 in which the p-type nickel oxide layer 120' is formed, and the p-type nickel oxide layer stacked on the upper surface of the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 120' is removed by etching.
  • FIG. 5 exemplarily shows a process according to another embodiment of forming a nickel oxide-gallium oxide pn heterojunction on a gallium oxide epitaxial layer.
  • a hard mask and a photoresist are formed.
  • the trench 111 and the p-type nickel oxide region 120 may be formed on at least a bottom surface of the trench 111 by etching the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 using it as an etch mask.
  • the photoresist mask 21 is formed by removing the photoresist in the area where the trench 111 is to be formed in the photoresist layer 20.
  • the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 exposed by the hard mask 11 and the photoresist mask 21 stacked thereon is etched to form a first trench region 111'.
  • the first trench region 111' is formed by the photoresist mask 21. Since the photoresist mask 21 is also etched at a constant rate, the thickness of the photoresist mask 21 may be adjusted according to the depth of the first trench region 111'.
  • a second trench region 113 having a sidewall extending from the sidewall of the first trench region 112 is formed with the hard mask 11 .
  • the first trench region 112 and the second trench region 113 constitute a trench 111 .
  • a p-type nickel oxide layer 120' is formed in the trench 111.
  • a p-type nickel oxide layer 120' is formed to a thickness of about 300 nm on the upper surface of the trench 111 and the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 by sputtering a nickel oxide target or a nickel target. are layered During sputtering, the flow rate of oxygen is adjusted between about 0.0% and 23.0%, preferably between about 9.0% and 16.6%, the chamber pressure is maintained at about 5 mTorr, and a power of about 150 W is applied for about 90 minutes.
  • a photoresist mask 22 is formed in the trench 111 in which the p-type nickel oxide layer 120' is formed, and the p-type nickel oxide layer stacked on the upper surface of the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 120' is removed by etching.
  • FIG. 6 is an enlarged view of portion A of FIG. 5 and illustrates a process of adjusting a slope of a sidewall of a trench by way of example.
  • the slope of the sidewall from the entrance to the bottom surface of the first trench region 112 is determined by the thickness of the photoresist mask 21, and the second trench region 113
  • the sidewall slope of is determined by a combination of the sidewall slope of the first trench region 112 and the hard mask 11 . Accordingly, when the hard mask 11 and the photoresist mask 21 are used as etch masks, the sidewall of the trench 111 may have an inclination of about 45 degrees to about 70 degrees.
  • the trench sidewall slope is illustrated.
  • the first trench regions 112a, 112b, and 112c formed by the photoresist mask 21 have sidewalls inclined at about 45 degrees due to polymer generated by the photoresist.
  • the depths of the first trench regions 112a, 112b, and 112c increase, and the depths of the second trench regions 113a, 113b, and 113c conversely become shallow.
  • the sidewall inclined at about 45 degrees due to the polymer is also etched downward.
  • the entire sidewall of the trench 111 approaches a curved surface. Therefore, sidewall inclinations ⁇ 1 , ⁇ 2 , and ⁇ 3 may be measured using tangent lines tangent to the curved surface.
  • the sidewall inclination ⁇ 1 approaches about 70 degrees
  • the thickness of the hard mask 11 is the thinnest
  • the sidewall inclination ⁇ 3 approaches about 45 degrees.
  • the depth of the trench 111 composed of the first trench region 112 and the second trench region 113 may also be adjusted.
  • the entrance edge and the bottom edge of the trench 111 are formed at an obtuse angle, so that the electric field concentration on the entrance edge and the bottom edge is alleviated, and the depth of the p-type nickel oxide region 120, that is, the n-type gallium oxide epitaxial
  • the vertical distance from the upper surface of the layer 110 to the position where the p-type nickel oxide region 120 is formed can be adjusted.
  • FIG. 7 and 8 are views exemplarily illustrating a process of manufacturing a nickel oxide-gallium oxide pn heterojunction Schottky diode.
  • an insulating material layer 130 ′ is formed on the entire upper surface of the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 .
  • the insulating material layer 130 ′ may be formed by depositing, for example, silicon oxide (SiO 2 ), phosphosilicate glass (PSG), borosilicate glass (BSG), or borophosphosilicate glass (BPSG).
  • a photoresist mask 30 is formed on the top surface of the insulating material layer 130'.
  • the photoresist mask 30 defines an etched region in the insulating material layer 130'.
  • the insulating material layer 130' is etched to form the insulating layer 130, and the photoresist layer 30 is removed.
  • the insulating layer 130 may be formed by etching a side surface of the insulating material layer 130 ′ toward the active region with a downward slope.
  • a Schottky metal layer 140 is formed on the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 and the insulating layer 130 in the active region.
  • the Schottky metal layer 140 is deposited to a thickness of about 100 nm on the n-type gallium oxide epitaxial layer 110 and the insulating layer 130 in the active region by sputtering a nickel target.
  • the flow rate of argon is maintained at about 20 sccm
  • the chamber pressure is maintained at about 5 mTorr
  • power of about 100 W may be applied for about 8 minutes.
  • the anode electrode 150 is formed on the Schottky metal layer 140 .
  • the anode electrode 150 is formed of metal (Ti, Au, Al) or metal alloy.
  • a photoresist layer 40 is formed on the anode electrode 150.
  • the photoresist layer 40 may extend in a lateral direction to overlap the third p-type nickel oxide region 123 formed at the innermost part of the edge region.
  • a cathode electrode 160 is formed on the lower surface of the n-type gallium oxide substrate 100.
  • the cathode electrode 160 is formed of metal (Ti, Au, Al) or metal alloy.
  • FIG. 9 is a graph exemplarily showing electrical characteristics of nickel oxide according to oxygen flow rate
  • FIG. 10 is a graph showing current density measured by applying a forward voltage to a nickel oxide-gallium oxide pn heterojunction Schottky diode
  • 11 is a graph showing current density measured by applying a reverse voltage to a nickel oxide-gallium oxide pn heterojunction Schottky diode.
  • the hole concentration and resistivity of the p-type nickel oxide layer 120' may be adjusted according to the oxygen flow rate during deposition.
  • 9 is a graph of the p-type nickel oxide layer 120' deposited while controlling the oxygen flow rate in the argon-oxygen mixture gas to about 0.0%, about 2.4%, about 4.7%, about 9.0%, about 16.6%, and about 23.0%. Hall concentration and resistivity are shown, and Table 1 shows the process parameters and the measured breakdown voltage according to each oxygen flow rate.
  • the hole concentration in the oxygen flow rate range of about 9.0% to about 23.0% is greatly increased than the hole concentration in the oxygen flow rate range of about 0.0% to about 4.7%, and the specific resistance in the oxygen flow rate range of about 16.6% to about 23.0%. is greatly reduced than the specific resistance in the oxygen flow rate range of about 0.0% to about 9.0%.
  • the breakdown voltage is highest in the range of about 9.0% to about 23.0% of the oxygen flow rate. Therefore, the oxygen flow rate can be adjusted in the range of about 9.0% to about 23.0%, preferably in the range of about 16.6% to about 23.0%. Referring to FIG.
  • the reverse voltage-current characteristics of nickel oxide-gallium oxide pn heterojunction Schottky diodes manufactured with an oxygen flow rate of about 9.0% to about 16.6% have a breakdown voltage of about 700V or more, whereas an oxygen flow rate of about 0.0% to about 4.7% of the nickel oxide-gallium oxide pn heterojunction Schottky diode has a breakdown voltage of 700V or less.
  • the leakage current of the nickel oxide-gallium oxide pn heterojunction Schottky diode manufactured with an oxygen flow ratio of about 16.6% to about 23.0% is maintained constant until right before the breakdown voltage, while the nickel oxide-gallium oxide manufactured with other oxygen flow ratios
  • the leakage current increases steadily.

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Abstract

산화니켈-산화갈륨 이종접합 형성 방법이 개시된다. 산화니켈-산화갈륨 이종접합 형성 방법은 n형 산화갈륨 기판에 에피 성장된 n형 산화갈륨 에피층을 식각 마스크로 식각하여 트렌치를 형성하는 단계, 아르곤 및 산소의 혼합 가스 분위기에서, 상기 n형 산화갈륨 에피층에 산화니켈 타겟을 스퍼터링하여 상기 트렌치의 바닥면에 p형 산화니켈 영역을 형성하는 단계 및 아르곤 가스 분위기에서, 상기 n형 산화갈륨 에피층에 니켈 타겟을 스퍼터링하여 상기 p형 산화니켈 영역상에 니켈층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

산화니켈-산화갈륨 PN 이종접합 형성 방법 및 그 방법으로 제조된 쇼트키 다이오드
본 발명은 산화니켈과 산화갈륨간 이종 접합에 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.
본 발명의 일 측면에 따르면, 산화니켈-산화갈륨 이종접합 형성 방법이 제공된다. 산화니켈-산화갈륨 이종접합 형성 방법은 n형 산화갈륨 기판에 에피 성장된 n형 산화갈륨 에피층을 식각 마스크로 식각하여 트렌치를 형성하는 단계, 아르곤 및 산소의 혼합 가스 분위기에서, 상기 n형 산화갈륨 에피층에 산화니켈 타겟을 스퍼터링하여 상기 트렌치의 바닥면에 p형 산화니켈 영역을 형성하는 단계 및 아르곤 가스 분위기에서, 상기 n형 산화갈륨 에피층에 니켈 타겟을 스퍼터링하여 상기 p형 산화니켈 영역상에 니켈층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 식각 마스크는 상기 n형 산화갈륨 에피층상에 형성된 하드 마스크 및 상기 하드 마스크상에 형성된 포토 레지스트 마스크로 구성될 수 있다.
일 실시예로, 상기 식각 마스크는 상기 트렌치의 측벽 기울기를 45도 내지 70도 범위에서 형성될 수 있다.
일 실시예로, 상기 포토 레지스트 마스크는 상기 n형 산화갈륨 에피층에 제1 트렌치 영역을 형성하며, 상기 하드 마스크는 상기 제1 트렌치 영역의 측벽에서부터 연장된 측벽을 갖는 제2 트렌치 영역을 형성할 수 있다.
일 실시예로, 상기 혼합 가스에서 산소의 유량비는 9.0% 내지 23.0%일 수 있다.
일 실시예로, 상기 혼합 가스에서 산소의 유량비는 16.6% 내지 23.0%일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 산화니켈-산화갈륨 이종접합 다이오드 제조 방법이 제공된다. 산화니켈-산화갈륨 이종접합 다이오드 제조 방법은, n형 산화갈륨 기판에 에피 성장된 n형 산화갈륨 에피층을 식각 마스크로 식각하여 액티브 영역 및 엣지 영역에 복수의 트렌치를 형성하는 단계, 아르곤 및 산소의 혼합 가스 분위기에서, 상기 n형 산화갈륨 에피층에 산화니켈 타겟을 스퍼터링하여 상기 트렌치의 바닥면에 p형 산화니켈 영역을 형성하는 단계, 상기 액티브 영역을 정의하는 절연층을 상기 엣지 영역에 형성하는 단계, 아르곤 가스 분위기에서, 상기 액티브 영역 및 상기 엣지 영역에 니켈 타겟을 스퍼터링하여 상기 p형 산화니켈 영역 및 상기 n형 산화갈륨 에피층상에 니켈층을 형성하는 단계 및 상기 니켈층의 상면에 애노드 전극 및 상기 n형 산화갈륨 기판의 하면에 캐소드 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 p형 산화니켈 영역은 상기 액티브 영역에 형성된 제1 p형 산화니켈 영역, 상기 액티브 영역과 상기 엣지 영역에 걸쳐 형성된 제2 p형 산화니켈 영역, 및 상기 엣지 영역에 형성된 제3 p형 산화니켈 영역을 포함할 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 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 쇼트키 다이오드를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 2는 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합을 형성하기 위해 하드 마스크상에 패턴을 형성하는 과정을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 3은 산화갈륨 에피층에 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합을 형성하는 일 실시예에 따른 과정을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 4는 산화갈륨 에피층에 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합을 형성하는 다른 실시예에 따른 과정을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 5는 산화갈륨 에피층에 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합을 형성하는 다른 실시예에 따른 과정을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 6은 트렌치의 측벽 기울기를 조절하는 과정을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 7 및 도 8은 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 쇼트키 다이오드를 제조하는 과정을 예시적으로 도시한 도면이다.
도9는 산소 유량에 따른 산화니켈의 전기적 특성을 예시적으로 도시한 그래프이다.
도 10은 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 쇼트키 다이오드에 순방향 전압을 인가하여 측정한 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 11은 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 쇼트키 다이오드에 역방향 전압을 인가하여 측정한 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
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 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 쇼트키 다이오드를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 쇼트키 다이오드는 n형 산화갈륨 기판(100), n형 산화갈륨 에피층(110), p형 산화니켈 영역(121, 122, 123; 120으로 총칭), 절연층(130), 쇼트키 금속층(140), 애노드 전극(150) 및 캐소드 전극(160)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 4E18cm-3일 수 있다. n형 도펀트는, 예를 들어, 주석(Sn)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 1E16cm-3일 수 있다. 한편, n형 산화갈륨 에피층(110)의 두께는 약 10μm일 수 있다.
p형 산화니켈(NiOx) 영역(120)은 n형 산화갈륨 에피층(110)의 상면으로부터 내부를 향해 연장된 트렌치(도 3의 111, 도 4의 112 참조)의 바닥면에 형성되며, 트렌치의 측벽 기울기에 따라 측벽에도 형성될 수 있다. p형 산화니켈 영역(120)은 쇼트키 다이오드의 액티브 영역에 형성되는 복수의 제1 p형 산화니켈 영역(121), 액티브 영역을 둘러싸도록 형성되는 제2 p형 산화니켈 영역(122) 및 엣지 영역에 형성되는 복수의 제3 p형 산화니켈 영역(123)을 포함할 수 있다. 복수의 제1 p형 산화니켈 영역(121)은 접합 장벽(Junction barrier)의 역할을 하고, 제2 p형 산화니켈 영역(122)은 버퍼의 역할을 하며, 복수의 제3 p형 산화니켈 영역(123)은 전계 제한 구조, 예를 들어, 가드링의 역할을 할 수 있다. 여기서, 제2 p형 산화니켈 영역(122)의 일측은 쇼트키 금속층(130)에 접촉할 수 있다. p형 산화니켈 영역(120)은 스퍼터링 공정에 의해 형성될 수 있다. p형 산화니켈 영역(120)과 n형 산화갈륨 에피층(110)은 pn 이종접합을 형성한다.
절연층(130)은 제2 p형 산화니켈 영역(122)의 적어도 일부 및 엣지 영역의 상부에 형성되어, 액티브 영역을 정의한다. 절연층(130)은 제2 p형 산화니켈 영역(122)이 형성된 트렌치 및 복수의 제3 p형 산화니켈 영역(123)이 형성된 트렌치의 내부를 충진한다. 따라서, 절연층(130)의 하면의 적어도 일부 영역은 제2 p형 산화니켈 영역(122) 및 제3 p형 산화니켈 영역(123)과 접하며, 나머지 영역은 n형 산화갈륨 에피층(110)의 상면과 접할 수 있다. 제2 절연층(130)의 내측면은 액티브 영역을 향해 하향 경사지게 형성될 수 있다. 위에서 볼 때, 경사면은 제2 p형 산화니켈 영역(122)의 적어도 일부와 중첩될 수 있다.
쇼트키 금속층(140)은 n형 산화갈륨 에피층(110)의 상면 및 복수의 제1 p형 산화니켈 영역(121)과 접하도록, 액티브 영역의 n형 산화갈륨 에피층(110)의 상부에 형성된다. 쇼트키 금속층(140)과 n형 산화갈륨 에피층(110)의 상면은 쇼트키 접촉하며, 쇼트키 금속층(140)과 복수의 제1 p형 산화니켈 영역(121)은 오믹 접촉한다. 쇼트키 메탈층(140)은, 절연층(130)의 일부를 덮도록 수평 방향으로 연장될 수 있다.
애노드 전극(150)은 쇼트키 메탈층(140)의 상면에 형성되며, 캐소드 전극(160)은 n형 산화갈륨 기판(100)의 하면에 형성된다. 오믹 접촉을 위한 실리사이드층(미도시)는 n형 산화갈륨 기판(100)과 캐소드 전극(160) 사이에 형성될 수 있다.
이하에서는 복수의 제2 도전형 접합 영역(120)을 가진 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 쇼트키 다이오드의 동작을 설명한다.
복수의 제1 p형 산화니켈 영역(121)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 p형 산화니켈 영역(121)은 n형 산화갈륨 에피층(110)과의 pn 접합으로 인해 공핍층을 형성한다. 복수의 제1 p형 산화니켈 영역(121)의 주변을 따라 형성된 공핍층은 누설전류가 흐를 수 있는 경로를 차단하기 때문에, 일반적인 쇼트키 다이오드에 비해 낮은 누설전류 값을 가진다. 특히, 복수의 제1 p형 산화니켈 영역(121)의 주변을 따라 형성된 공핍층은 쇼트키 금속층(140)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 2는 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합을 형성하기 위해 하드 마스크상에 패턴을 형성하는 과정을 예시적으로 도시한 도면이다.
(A)에서, n형 산화갈륨 에피층(110)이 n형 산화갈륨 기판(100)의 주면에 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.
(B)에서, 산화규소층(10)이 n형 산화갈륨 에피층(110)의 상면에 형성된다. 산화규소층(10)은 화학 기상 증착 또는 스핀 코팅에 의해 산화규소(SiO2)를 약 0.7 μm 두께로 증착하여 형성될 수 있다.
(C)에서, 포토 레지스트층(20)이 산화규소층(10)의 상면에 약 1.6 μm 두께로 형성된다. 포토 레지스트층(20)은 포토 레지스트를 산화규소층(10)에 스핀 코팅한 후 소프트 베이크하여 형성될 수 있다.
도 3은 산화갈륨 에피층에 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합을 형성하는 일 실시예에 따른 과정을 예시적으로 도시한 도면으로, 도 2에 예시된 과정 이후에, 하드 마스크를 식각 마스크로 사용하여 n형 산화갈륨 에피층(110)를 식각하여 트렌치(111) 및 트렌치(111)의 적어도 바닥면에 p형 산화니켈 영역(120)이 형성될 수 있다.
(a1)에서, 포토 레지스트층(20)에서 트렌치(111)가 형성될 영역의 포토 레지스트를 제거하여 포토 레지스트 마스크(21)가 형성된다.
(a2)에서, 포토 레지스트 마스크(21)에 의해 노출된 산화규소층(10)을 식각하여 하드 마스크(11)가 형성된다. 식각 가스는 O2와 C4F8이며, 약 1:9 비율의 유량으로 챔버에 공급될 수 있다. 챔버 압력은 약 7 mTorr로 유지되며, 약 2kW의 전력이 약 1분간 인가될 수 있다. 산화규소층(10)의 식각율은 약 0.23 μm/min일 수 있다. 식각 가스를 주입하여 가스 분위기를 형성하는 버퍼 공정, 전력을 인가하는 식각 공정 및 냉각 공정은 반복적으로 수행될 수 있다.
(a3)에서, 포토 레지스트 마스크(20)가 제거된다.
(a4)에서, 하드 마스크(11)에 의해 노출된 n형 산화갈륨 에피층(110)을 식각하여 트렌치(111)가 형성된다. 식각 가스는 N2와 BCl3이며, 약 1:7 비율의 유량으로 챔버에 공급될 수 있다. 챔버 압력은 약 5 mTorr로 유지되며, 약 500 W의 전력이 약 1분간 인가될 수 있다. n형 산화갈륨 에피층(110)의 식각율은 약 0.057 μm/min이며, n형 산화갈륨 에피층(110)과 하드 마스크(11)간 식각비는 약 1:1.2일 수 있다. 형성된 트렌치(111)의 CD(Critical dimension)은 약 2 μm이고, 깊이는 약 0.7 μm일 수 있으며, 측벽 기울기는 약 45 도일 수 있다. 식각 가스를 주입하여 가스 분위기를 형성하는 버퍼 공정, 전력을 인가하는 식각 공정 및 냉각 공정은 반복적으로 수행될 수 있다.
(a5)에서, 하드 마스크(11)가 제거된다.
(a6)에서, p형 산화니켈층(120')이 트렌치(111)에 형성된다. 아르곤 및 산소의 혼합 가스 분위기에서, p형 산화니켈층(120')은 산화니켈 타겟 또는 니켈 타겟을 스퍼터링하여 트렌치(111) 및 n형 산화갈륨 에피층(110)의 상면에 약 300 nm 두께로 적층된다. 스퍼터링시, 산소의 유량은 약 0.0% 내지 23.0% 사이, 바람직하게는 약 9.0% 내지 16.6% 사이에서 조정되고, 챔버 압력은 약 5 mTorr로 유지되며, 약 150 W의 전력이 약 90분간 인가될 수 있다.
(a7)에서, 포토 레지스트 마스크(22)가 p형 산화니켈층(120')이 형성된 트렌치(111)에 형성되어, n형 산화갈륨 에피층(110)의 상면에 적층된 p형 산화니켈층(120')이 에칭으로 제거된다.
(a8)에서, 포토 레지스트 마스크(22)를 제거한다.
도 4는 산화갈륨 에피층에 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합을 형성하는 다른 실시예에 따른 과정을 예시적으로 도시한 도면으로, 포토 레지스트를 식각 마스크로 사용하여 n형 산화갈륨 에피층(110)를 식각하여 트렌치(111) 및 트렌치(111)의 적어도 바닥면에 p형 산화니켈 영역(120)이 형성될 수 있다.
(b1)에서, 포토 레지스트층(20)이 n형 산화갈륨 에피층(110)의 상면에 형성되며, 포토 레지스트층(20)에서 트렌치(111)가 형성될 영역의 포토 레지스트를 제거하여 포토 레지스트 마스크(21)가 형성된다.
(b2)에서, 포토 레지스트 마스크(21)에 의해 노출된 n형 산화갈륨 에피층(110)을 식각하여 트렌치(111)가 형성된다. 하드 마스크(11)를 이용한 식각 공정과 비교할 때, 식각시 발생한 폴리머가 트렌치(111)의 측벽에 적층되어, 측벽 기울기는 약 45 도일 수 있다.
(b3)에서, 포토 레지스트 마스크(21)가 제거된다.
(b4)에서, p형 산화니켈층(120')이 트렌치(111)에 형성된다. 아르곤 및 산소의 혼합 가스 분위기에서, p형 산화니켈층(120')은 산화니켈 타겟 또는 니켈 타겟을 스퍼터링하여 트렌치(111) 및 n형 산화갈륨 에피층(110)의 상면에 약 300 nm 두께로 적층된다.
(b5)에서, 포토 레지스트 마스크(22)가 p형 산화니켈층(120')이 형성된 트렌치(111)에 형성되어, n형 산화갈륨 에피층(110)의 상면에 적층된 p형 산화니켈층(120')이 에칭으로 제거된다.
(b6)에서, 포토 레지스트 마스크(22)를 제거한다.
도 5는 산화갈륨 에피층에 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합을 형성하는 또 다른 실시예에 따른 과정을 예시적으로 도시한 도면으로, 도 2에 예시된 과정 이후에, 하드 마스크 및 포토 레지스트를 식각 마스크로 사용하여 n형 산화갈륨 에피층(110)를 식각하여 트렌치(111) 및 트렌치(111)의 적어도 바닥면에 p형 산화니켈 영역(120)이 형성될 수 있다.
(c1)에서, 포토 레지스트층(20)에서 트렌치(111)가 형성될 영역의 포토 레지스트를 제거하여 포토 레지스트 마스크(21)이 형성된다.
(c2)에서, 포토 레지스트 마스크(21)에 의해 노출된 산화규소층(10)을 식각하여 하드 마스크(11)가 형성된다.
(c3)에서, 하드 마스크(11) 및 그 상부에 적층된 포토 레지스트 마스크(21)에 의해 노출된 n형 산화갈륨 에피층(110)을 식각하여 제1 트렌치 영역(111')이 형성된다. 제1 트렌치 영역(111')은 포토 레지스트 마스크(21)에 의해 형성된다. 포토 레지스트 마스크(21)도 일정 비율로 식각되므로, 포토 레지스트 마스크(21)의 두께는 제1 트렌치 영역(111')의 깊이에 따라 조절될 수 있다.
(c4)에서, 하드 마스크(11)로 제1 트렌치 영역(112)의 측벽에서부터 연장된 측벽을 갖는 제2 트렌치 영역(113)이 형성된다. 제1 트렌치 영역(112)과 제2 트렌치 영역(113)은 트렌치(111)를 구성한다.
(c5)에서, 하드 마스크(11)가 제거된다.
(c6)에서, p형 산화니켈층(120')이 트렌치(111)에 형성된다. 아르곤 및 산소의 혼합 가스 분위기에서, p형 산화니켈층(120')은 산화니켈 타겟 또는 니켈 타겟을 스퍼터링하여 트렌치(111) 및 n형 산화갈륨 에피층(110)의 상면에 약 300 nm 두께로 적층된다. 스퍼터링시, 산소의 유량은 약 0.0% 내지 23.0% 사이, 바람직하게는 약 9.0% 내지 16.6% 사이에서 조정되고, 챔버 압력은 약 5 mTorr로 유지되며, 약 150 W의 전력이 약 90분간 인가될 수 있다.
(c7)에서, 포토 레지스트 마스크(22)가 p형 산화니켈층(120')이 형성된 트렌치(111)에 형성되어, n형 산화갈륨 에피층(110)의 상면에 적층된 p형 산화니켈층(120')이 에칭으로 제거된다.
(c8)에서, 포토 레지스트 마스크(22)를 제거한다.
도 6은 도 5의 A 부분을 확대한 것으로, 트렌치의 측벽 기울기를 조절하는 과정을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4에 예시된 공정과 비교하면, 제1 트렌치 영역(112)의 입구부터 바닥면까지의 측벽 기울기는 포토 레지스트 마스크(21)의 두께에 의해 결정되며, 제2 트렌치 영역(113)의 측벽 기울기는 제1 트렌치 영역(112)의 측벽 기울기 및 하드 마스크(11)의 조합에 의해 결정된다. 따라서, 하드 마스크(11) 및 포토 레지스트 마스크(21)를 식각 마스크로 사용하면, 트렌치(111)의 측벽 기울기는 약 45도 내지 약 70 도 사이일 수 있다.
도 6의 (a), (b), (c)는 포토 레지스트 마스크(21)의 두께와 하드 마스크(11)의 두께의 합은 유지하면서, 포토 레지스트 마스크(21)의 두께를 증가시킨 경우의 트렌치 측벽 기울기를 예시하고 있다. 포토 레지스트 마스크(21)에 의해 형성되는 제1 트렌치 영역(112a, 112b, 112c)은 포토 레지스트에 의해 생성된 폴리머로 인해 약 45도 경사진 측벽이 형성된다. 포토 레지스트의 두께가 증가할수록 제1 트렌치 영역(112a, 112b, 112c)의 깊이가 깊어지며, 제2 트렌치 영역 제1 트렌치 영역(113a, 113b, 113c)의 깊이는 역으로 얕아진다. 포토 레지스트 마스크(21)에 의한 식각이 완료되면, 하드 마스크(11)에 의한 식각이 시작된다. 하드 마스크에 의한 식각 과정에서 폴리머로 인해 약 45도 경사진 측벽도 하향으로 식각된다. 이로 인해 트렌치(111)의 측벽은 전체적으로 곡면에 가까워진다. 따라서 곡면에 접하는 접선을 이용하여 측벽 기울기 θ1, θ2, θ3를 측정할 수 있다. 포토 레지스트 마스크(21)의 두께가 가장 얇은 경우의 측벽 기울기 θ1은 약 70도에 가까워지며, 하드 마스크(11)의 두께가 가장 얇은 경우의 측벽 기울기 θ3는 약 45도에 가까워진다.
한편, 제1 트렌치 영역(112)과 제2 트렌치 영역(113)으로 구성된 트렌치(111)의 깊이 역시 조절될 수 있다. 이로 인해, 트렌치(111)의 입구 모서리 및 바닥 모서리는 둔각으로 형성되어, 입구 모서리 및 바닥 모서리에 대한 전계 집중이 완화되며, p형 산화니켈 영역(120)의 깊이, 즉, n형 산화갈륨 에피층(110)의 상면으로부터 p형 산화니켈 영역(120)이 형성된 위치까지의 수직 거리를 조절할 수 있게 된다.
도 7 및 도 8은 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 쇼트키 다이오드를 제조하는 과정을 예시적으로 도시한 도면이다.
(D)에서, 도 3 내지 6에 예시된 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 형성 과정이 완료된 후, 절연 물질층(130')이 n형 산화갈륨 에피층(110) 상면 전체에 형성된다. 절연 물질층(130')은 예를 들어, 산화 규소(SiO2), PSG(Phosphosilicate glass), BSG(Borosilicate glass), BPSG(Borophosphosilicate glass) 등을 증착하여 형성될 수 있다.
(E)에서, 포토 레지스트 마스크(30)가 절연 물질층(130') 상면에 형성된다. 포토 레지스트 마스크(30)는 절연 물질층(130')에 식각 영역을 정의한다.
(F)에서, 절연 물질층(130')이 식각되어 절연층(130)이 형성되며, 포토 레지스트층(30)이 제거된다. 절연층(130)은 절연 물질층(130')의 액티브 영역을 향하는 측면이 하향 경사지게 식각하여 형성될 수 있다.
(G)에서, 쇼트키 금속층(140)이 액티브 영역의 n형 산화갈륨 에피층(110) 및 절연층(130) 상에 형성된다. 아르곤 분위기에서, 쇼트키 금속층(140)은 니켈 타겟을 스퍼터링하여 액티브 영역의 n형 산화갈륨 에피층(110) 및 절연층(130) 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.
애노드 전극(150)은 쇼트키 금속층(140) 상에 형성된다. 애노드 전극(150)은 금속(Ti, Au, Al) 또는 금속 합금으로 형성된다.
(H)에서, 포토 레지스트층(40)이 애노드 전극(150) 상에 형성된다. 위에서 볼 때, 포토 레지스트층(40)은 엣지 영역의 가장 안쪽에 형성된 제3 p형 산화니켈 영역(123)에 중첩되도록 측면 방향으로 연장될 수 있다.
(I)에서, 포토 레지스트층(40)이 형성되지 않은 쇼트키 메탈층(140) 및 애노드 금속층(150)이 제거된다.
(J)에서, 캐소드 전극(160)이 n형 산화갈륨 기판(100)의 하면에 형성된다. 캐소드 전극(160)은 금속(Ti, Au, Al) 또는 금속 합금으로 형성된다.
도9는 산소 유량에 따른 산화니켈의 전기적 특성을 예시적으로 도시한 그래프이고, 도 10은 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 쇼트키 다이오드에 순방향 전압을 인가하여 측정한 전류 밀도를 나타낸 그래프이며, 도 11은 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 쇼트키 다이오드에 역방향 전압을 인가하여 측정한 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
p형 산화니켈층(120')은 증착시 산소 유량에 따라 홀 농도 및 비저항이 조절될 수 있다. 도 9는 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 산화니켈층(120')의 홀 농도 및 비저항을 나타내며, 표 1은 각 산소 유량비에 따른 공정 파라미터 및 측정된 항복전압을 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
비저항(ohm·cm) 98,400 994 564 96 42 44
항복전압(V) 623 683 570 705 713 678
도 9 내지 도 11을 함께 참조하면, 산소 유량비가 증가할수록 홀 농도는 증가하는 반면, 비저항은 감소한다. 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 증가되며, 약 16.6% 내지 약 23.0%의 산소 유량비 범위에서의 비저항은 약 0.0% 내지 약 9.0%의 산소 유량비 범위에서의 비저항보다 크게 감소된다. 한편, 항복전압은 약 9.0% 내지 약 23.0%의 산소 유량비 범위에서 가장 크다. 따라서 산소 유량비는 약 9.0% 내지 약 23.0%의 범위에서 조절될 수 있으며, 바람직하게는 약 16.6% 내지 약 23.0%의 범위에서 조절될 수 있다.도 10을 참조하면, 산소유량비가 약 2.4% 내지 약 23.0%로 제조된 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 쇼트키 다이오드의 순방향 전압-전류 특성은 거의 유사하며, 턴 온 전압은 약 2.0V 내외임을 확인할 수 있다. 한편, 산소를 공급하지 않은(산소유량비=0.0%) 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 쇼트키 다이오드의 순방향 전압-전류 특성은 범프가 발생하였으며, 약 4V에 가까운 턴 온 전압을 갖는다.도 11을 참조하면, 산소유량비가 약 9.0% 내지 약 16.6%로 제조된 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 쇼트키 다이오드의 역방향 전압-전류 특성은 약 700V 이상의 항복전압을 가지는데 반해, 산소유량비가 약 0.0% 내지 약 4.7%로 제조된 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 쇼트키 다이오드는 700V이하의 항복전압을 가진다. 한편, 산소유량비가 약 16.6% 내지 약 23.0%로 제조된 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 쇼트키 다이오드의 누설 전류는 항복전압 직전까지 일정하게 유지되는 반면, 그 외의 산소유량비로 제조된 산화니켈-산화갈륨 pn 이종접합 쇼트키 다이오드의 경우, 누설 전류가 꾸준히 증가함을 알 수 있다.
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 (11)

  1. n형 산화갈륨 기판에 에피 성장된 n형 산화갈륨 에피층을 식각 마스크로 식각하여 트렌치를 형성하는 단계;
    아르곤 및 산소의 혼합 가스 분위기에서, 상기 n형 산화갈륨 에피층에 산화니켈 타겟을 스퍼터링하여 상기 트렌치의 바닥면에 p형 산화니켈 영역을 형성하는 단계; 및
    아르곤 가스 분위기에서, 상기 n형 산화갈륨 에피층에 니켈 타겟을 스퍼터링하여 상기 p형 산화니켈 영역상에 니켈층을 형성하는 단계를 포함하는 산화니켈-산화갈륨 이종접합 형성 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 식각 마스크는 상기 n형 산화갈륨 에피층상에 형성된 하드 마스크 및 상기 하드 마스크상에 형성된 포토 레지스트 마스크로 구성되며,
    상기 식각 마스크는 상기 트렌치의 측벽 기울기를 45도 내지 70도 범위에서 형성하게 하는 산화니켈-산화갈륨 이종접합 형성 방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 포토 레지스트 마스크는 상기 n형 산화갈륨 에피층에 제1 트렌치 영역을 형성하며, 상기 하드 마스크는 상기 제1 트렌치 영역의 측벽에서부터 연장된 측벽을 갖는 제2 트렌치 영역을 형성하는 산화니켈-산화갈륨 이종접합 형성 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 혼합 가스에서 산소의 유량비는 9.0% 내지 23.0%인 산화니켈-산화갈륨 이종접합 형성 방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 혼합 가스에서 산소의 유량비는 16.6% 내지 23.0%인 산화니켈-산화갈륨 이종접합 형성 방법.
  6. n형 산화갈륨 기판에 에피 성장된 n형 산화갈륨 에피층을 식각 마스크로 식각하여 액티브 영역 및 엣지 영역에 복수의 트렌치를 형성하는 단계;
    아르곤 및 산소의 혼합 가스 분위기에서, 상기 n형 산화갈륨 에피층에 산화니켈 타겟을 스퍼터링하여 상기 트렌치의 바닥면에 p형 산화니켈 영역을 형성하는 단계;
    상기 액티브 영역을 정의하는 절연층을 상기 엣지 영역에 형성하는 단계;
    아르곤 가스 분위기에서, 상기 액티브 영역 및 상기 엣지 영역에 니켈 타겟을 스퍼터링하여 상기 p형 산화니켈 영역 및 상기 n형 산화갈륨 에피층상에 니켈층을 형성하는 단계; 및
    상기 니켈층의 상면에 애노드 전극 및 상기 n형 산화갈륨 기판의 하면에 캐소드 전극을 형성하는 단계를 포함하는 산화니켈-산화갈륨 이종접합 다이오드 제조 방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 식각 마스크는 상기 n형 산화갈륨 에피층상에 형성된 하드 마스크 및 상기 하드 마스크상에 형성된 포토 레지스트 마스크로 구성되며,
    상기 식각 마스크는 상기 트렌치의 측벽 기울기를 45도 내지 70도 범위에서 형성하게 하는 산화니켈-산화갈륨 이종접합 다이오드 제조 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 포토 레지스트 마스크는 상기 n형 산화갈륨 에피층에 제1 트렌치 영역을 형성하며, 상기 하드 마스크는 상기 제1 트렌치 영역의 측벽에서부터 연장된 측벽을 갖는 제2 트렌치 영역을 형성하는 산화니켈-산화갈륨 이종접합 다이오드 제조 방법.
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 혼합 가스에서 산소의 유량비는 9.0% 내지 23.0%인 산화니켈-산화갈륨 이종접합 다이오드 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 혼합 가스에서 산소의 유량비는 16.6% 내지 23.0%인 산화니켈-산화갈륨 이종접합 다이오드 제조 방법.
  11. 청구항 6에 있어서, 상기 p형 산화니켈 영역은
    상기 액티브 영역에 형성된 제1 p형 산화니켈 영역,
    상기 액티브 영역과 상기 엣지 영역에 걸쳐 형성된 제2 p형 산화니켈 영역, 및
    상기 엣지 영역에 형성된 제3 p형 산화니켈 영역을 포함하는 산화니켈-산화갈륨 이종접합 다이오드 제조 방법.
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