KR20130137983A - Nitride semiconductor and method thereof - Google Patents
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Abstract
본 명세서는, 기판상에 차례로 적층된 제 1 GaN층, AlGaN층, 제 2 GaN층, 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극을 구비하는 반도체 소자에 있어서, 상기 제 2 GaN층 또는 상기 AlGaN층까지 리세스된 영역 상에 형성되는 게이트 전극 및 상기 제 2 GaN층 상에 형성되는 제 1 산화막층을 통하여 노멀리-오프 특성, 작은 누설 전류 및 큰 항복 전압 특성을 가지는 반도체 소자 및 그 제조방법을 제공한다.
이를 위하여, 일 실시예에 따른 반도체 소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 제 1 GaN층; 상기 제 1 GaN층 상에 형성되는 AlGaN층; 상기 AlGaN층 상에 형성되는 제 2 GaN층; 상기 제 2 GaN층 또는 상기 AlGaN층까지 리세스된 영역 상에 형성되는 게이트 전극; 상기 제 2 GaN층의 일부 영역 상에 형성되는 소스 전극 및 드레인 전극; 및 상기 제 2 GaN층 상에 형성되는 제 1 산화막층을 포함하되, 상기 제 1 산화막층은, 상기 소스 전극 또는 상기 드레인 전극과 상기 리세스된 영역 사이에 형성되는 것일 수 있다.The present specification relates to a semiconductor device including a first GaN layer, an AlGaN layer, a second GaN layer, a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode, which are sequentially stacked on a substrate, the second GaN layer or the AlGaN layer. A semiconductor device having a normally-off characteristic, a small leakage current, and a large breakdown voltage characteristic is provided through a gate electrode formed on a recessed region and a first oxide layer formed on the second GaN layer. .
To this end, the semiconductor device according to an embodiment includes a substrate; A first GaN layer formed on the substrate; An AlGaN layer formed on the first GaN layer; A second GaN layer formed on the AlGaN layer; A gate electrode formed on a region recessed to the second GaN layer or the AlGaN layer; A source electrode and a drain electrode formed on a portion of the second GaN layer; And a first oxide layer formed on the second GaN layer, wherein the first oxide layer is formed between the source electrode or the drain electrode and the recessed region.
Description
본 명세서는 리세스된 게이트 구조 및 인-시츄(in-situ) 산화막을 포함하는 질화물 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present specification relates to a nitride semiconductor device including a recessed gate structure and an in-situ oxide film and a method of manufacturing the same.
질화물 반도체는 실리콘에 비해 높은 임계 전계, 낮은 on저항, 고온, 고주파 동작 특성이 주목되어, 차세대 반도체 소자의 재료로 선행 연구되고 있다.Nitride semiconductors have been studied with high critical electric field, low on resistance, high temperature and high frequency operation characteristics compared with silicon and are being studied as materials of next generation semiconductor devices.
고출력 전력 소자에는 최근에 주류로, 크게 MOSFET와 IGBT가 있으며, GaN 계열로도 HEMT, HFET 및 MOSFET등의 소자가 연구되어 지고 있다. In recent years, high output power devices are mainly mainstream, MOSFETs and IGBTs, and GaN series devices such as HEMTs, HFETs, and MOSFETs have been studied.
HEMT의 경우, 높은 전자의 이동도를 이용하여, 고주파 특성의 통신소자 등에 이용되어 지고 있으나, MOSFET의 경우, 좋은 게이트 산화막의 부재와, 선택적으로 P형, 혹은 N형 영역을 만들기 위한 이온 주입과 열확산 공정의 어려움 등으로 인해, 소자의 특성은 GaN이 갖는 물질적 특성에 비해 그 효과가 두드러지지 못하고 있다.In the case of HEMT, the high electron mobility is used for communication devices having high frequency characteristics, but in the case of MOSFETs, there is a lack of a good gate oxide film, and ion implantation for selectively forming a P-type or N-type region. Due to the difficulty of the thermal diffusion process, the effect of the device is less pronounced than the material properties of GaN.
도 1은 이종접합 전계 효과 트랜지스터(HFET)의 일반적인 구조를 나타내는 예시도이다.1 is an exemplary view showing a general structure of a heterojunction field effect transistor (HFET).
도 1을 참조하면, 일반적인 HFET는 드레인 전극에서 소스 전극으로 흐르는 2DEG 전류를 쇼트키(schottky) 게이트 전극을 통해 스위칭(switching) 동작을 할 수 있다.Referring to FIG. 1, a typical HFET may switch 2DEG current flowing from a drain electrode to a source electrode through a schottky gate electrode.
일반적인 HFET(10)는 기판(미도시), 상기 기판상에 형성된 제 1 GaN층(11), 상기 제 1 GaN층 상에 형성되는 AlGaN층(12), 상기 AlGaN층 상에 형성되는 제 2 GaN층(13), 상기 제 2 GaN층 상에 형성되는 게이트 전극(14), 소스 전극(15) 및 드레인 전극(16)을 포함할 수 있다.The
일반적인 HFET 소자의 경우 Gate 동작을 이용한 쇼트키(schottky) 특성의 퀄리티가 소자의 스위치 특성에 커다란 영향을 줄 수 있다 게이트(Gate)쪽 리키지(leakage)를 최소화하고 공핍 영역을 확대하는 역할이 무엇보다 중요하다. 또한 이종접합 구조에서의 2DEG(two-dimensional electon gas) 채널의 전류 흐름을 평상시에서는 turn-off가 될 수 있도록 문턱전압(공급전압)을 양의 방향으로 이동시키는 기술이 필요하다.In the case of a typical HFET device, the quality of the schottky characteristic using the gate operation can have a big influence on the switch characteristics of the device. What is the role of minimizing the gate side leakage and enlarging the depletion region? More important. In addition, a technique is required to move the threshold voltage (supply voltage) in a positive direction so that the current flow of the two-dimensional electon gas (2DEG) channel in the heterojunction structure can be normally turned off.
또한, 이와 함께 HFET의 누설 전류를 감소시키고, 항복 전압을 최대화시키는 기술이 필요하다.There is also a need for a technique that reduces the leakage current of the HFET and maximizes the breakdown voltage.
본 명세서는 기판상에 차례로 적층된 제 1 GaN층, AlGaN층, 제 2 GaN층, 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극을 구비하는 반도체 소자에 있어서, 상기 제 2 GaN층 또는 상기 AlGaN층까지 리세스된 영역 상에 형성되는 게이트 전극 및 상기 제 2 GaN층 상에 형성되는 제 1 산화막층을 통하여 노멀리-오프 특성, 작은 누설 전류 및 큰 항복 전압 특성을 나타내는 반도체 소자 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.In the present specification, a semiconductor device including a first GaN layer, an AlGaN layer, a second GaN layer, a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode, which are sequentially stacked on a substrate, is recessed to the second GaN layer or the AlGaN layer. To provide a semiconductor device exhibiting a normally-off characteristic, a small leakage current and a large breakdown voltage characteristics through a gate electrode formed on the region and a first oxide layer formed on the second GaN layer and a method of manufacturing the same The purpose is.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 명세서에 따른 반도체 소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 제 1 GaN층; 상기 제 1 GaN층 상에 형성되는 AlGaN층; 상기 AlGaN층 상에 형성되는 제 2 GaN층; 상기 제 2 GaN층 또는 상기 AlGaN층까지 리세스된 영역 상에 형성되는 게이트 전극; 상기 제 2 GaN층의 일부 영역 상에 형성되는 소스 전극 및 드레인 전극; 및 상기 제 2 GaN층 상에 형성되는 제 1 산화막층을 포함하되, 상기 제 1 산화막층은, 상기 소스 전극 또는 상기 드레인 전극과 상기 리세스된 영역 사이에 형성되는 것일 수 있다.A semiconductor device according to the present specification for achieving the above objects, the substrate; A first GaN layer formed on the substrate; An AlGaN layer formed on the first GaN layer; A second GaN layer formed on the AlGaN layer; A gate electrode formed on a region recessed to the second GaN layer or the AlGaN layer; A source electrode and a drain electrode formed on a portion of the second GaN layer; And a first oxide layer formed on the second GaN layer, wherein the first oxide layer is formed between the source electrode or the drain electrode and the recessed region.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제 1 산화막층은, SixNy로 이루어지는 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the first oxide layer may be formed of Si x N y .
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 게이트 전극은, 상기 제 1 산화막층의 일측 상부와 접촉하는 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the gate electrode may be in contact with an upper portion of one side of the first oxide layer.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 리세스된 영역 상에 형성되는 제 2 산화막층을 더 포함하되, 상기 게이트 전극은, 상기 제 2 산화막층 상에 형성되는 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the method may further include a second oxide layer formed on the recessed region, wherein the gate electrode may be formed on the second oxide layer.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제 2 산화막층은, SiO2, Si3N4, HfO2, Al2O3, ZnO 및 Ga2O3 중 적어도 하나로 이루어지는 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the second oxide layer may be formed of at least one of SiO 2 , Si 3 N 4 , HfO 2 , Al 2 O 3 , ZnO, and Ga 2 O 3 .
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제 1 산화막층은, 상기 제 2 GaN층의 형성 후 인-시츄(in-situ)로 형성되는 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the first oxide layer may be formed in-situ after the formation of the second GaN layer.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제 1 산화막층의 두께는, 1nm ~ 500nm이고, 상기 제 2 산화막층의 두께는, 2nm ~ 200nm인 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the thickness of the first oxide layer may be 1 nm to 500 nm, and the thickness of the second oxide layer may be 2 nm to 200 nm.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제 1 산화막층 또는 상기 제 2 산화막층은, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE), 힐라이드 기상 성장법(HVPE), PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition), 스퍼터링(Sputtering) 및 ALD(atomic layer deposition) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the first oxide layer or the second oxide layer may be formed of an organic metal vapor deposition method (MOCVD), a molecular beam epitaxial growth method (MBE), a helide vapor deposition method (HVPE), or a PECVD (Plasma). It may be formed based on at least one of enhanced chemical vapor deposition (SPE), sputtering, and atomic layer deposition (ALD).
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 리세스된 영역의 깊이는, 1nm ~ 1000nm인 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the depth of the recessed region may be 1 nm to 1000 nm.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 리세스된 영역은, 트렌치(trench) 형태, 브이-그루브(V-groove) 형태 및 반원 형태 중 적어도 하나의 형태를 구비하는 것일 수 있다.As an example associated with the present specification, the recessed region may have at least one of a trench form, a V-groove form, and a semicircle form.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 기판은, 절연성 기판, 사파이어(Sapphire) 기판, GaN 기판, SiC 기판 및 Si 기판 중 적어도 하나인 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the substrate may be at least one of an insulating substrate, a sapphire substrate, a GaN substrate, a SiC substrate, and a Si substrate.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제 1 GaN층의 두께는, 1um ~ 10um인 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the thickness of the first GaN layer may be 1 μm to 10 μm.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 반도체 소자는 상기 제 1 GaN층 상에 C, Fe 및 Mg 도펀트 중 적어도 하나의 도펀트를 주입하여 형성된 고-저항 GaN층을 더 포함할 수 있다.As an example related to the present specification, the semiconductor device may further include a high-resistance GaN layer formed by injecting at least one dopant among C, Fe, and Mg dopants on the first GaN layer.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 적어도 하나의 도펀트의 농도는, 1e17/cm3 ~ 1e19/cm3인 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the concentration of the at least one dopant may be 1e 17 / cm 3 to 1e 19 / cm 3 .
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 AlGaN층은, 2nm ~ 100nm인 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the AlGaN layer may be 2 nm to 100 nm.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제 2 GaN층의 두께는, 2nm ~ 10nm인 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the thickness of the second GaN layer may be 2 nm to 10 nm.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 명세서에 따른 반도체 소자의 제조방법은, 기판 상에 제 1 GaN층을 형성시키는 단계; 상기 제 1 GaN층 상에 AlGaN층을 형성시키는 단계; 상기 AlGaN층 상에 제 2 GaN층을 형성시키는 단계; 상기 제 2 GaN층 상에 제 1 산화막층을 형성시키는 단계; 상기 1 산화막층을 선택적으로 식각하여 소스 및 드레인 영역을 정의하는 단계; 상기 소스 및 드레인 영역 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성시키는 단계; 선택적인 식각을 근거로 상기 제 2 GaN층 또는 상기 AlGaN층까지 리세스된 영역을 형성시키는 단계; 및 상기 리세스된 영역 상에 게이트 전극을 형성시키는 단계를 포함할 수 있다.A method of manufacturing a semiconductor device according to the present specification for achieving the above objects comprises the steps of forming a first GaN layer on a substrate; Forming an AlGaN layer on the first GaN layer; Forming a second GaN layer on the AlGaN layer; Forming a first oxide layer on the second GaN layer; Selectively etching the first oxide layer to define a source and a drain region; Forming a source electrode and a drain electrode on the source and drain regions; Forming a recessed region up to the second GaN layer or the AlGaN layer based on the selective etching; And forming a gate electrode on the recessed region.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 게이트 전극은, 상기 제 1 산화막층의 일측 상부와 접촉하는 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the gate electrode may be in contact with an upper portion of one side of the first oxide layer.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 리세스된 영역 상에 게이트 전극을 형성시키는 단계는, 상기 리세스된 영역 상에 제 2 산화막층을 형성시키는 단계; 및 상기 제 2 산화막층 상에 게이트 전극을 형성시키는 단계를 포함하는 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the forming of the gate electrode on the recessed region may include forming a second oxide layer on the recessed region; And forming a gate electrode on the second oxide layer.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제 2 GaN층은, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD)을 근거로 한 증착 장비에 의해 형성되고, 상기 제 1 산화막층은, 상기 제 2 GaN층의 형성 후 상기 증착 장비 내에서 인-시츄(in-situ)로 형성되는 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the second GaN layer is formed by deposition equipment based on an organic metal vapor deposition method (MOCVD), and the first oxide layer is formed after the formation of the second GaN layer. It may be formed in-situ in the deposition equipment.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제 1 GaN층, 상기 AlGaN층 및 상기 제 2 GaN층은, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE), 힐라이드 기상 성장법(HVPE), PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition), 스퍼터링(Sputtering) 및 ALD(atomic layer deposition) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다.As an example related to the present specification, the first GaN layer, the AlGaN layer, and the second GaN layer may include an organic metal vapor deposition method (MOCVD), a molecular beam epitaxial growth method (MBE), and a helide vapor deposition method (HVPE). It may be formed based on at least one of plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD), sputtering, and atomic layer deposition (ALD).
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 기판상에 차례로 적층된 제 1 GaN층, AlGaN층, 제 2 GaN층, 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극을 구비하는 반도체 소자에 있어서, 상기 제 2 GaN층 또는 상기 AlGaN층까지 리세스된 영역 상에 형성되는 게이트 전극 및 상기 제 2 GaN층 상에 형성되는 제 1 산화막층을 통하여 노멀리-오프 특성, 작은 누설 전류 및 큰 항복 전압 특성을 가지는 반도체 소자 및 그 제조방법을 제공한다.According to one embodiment disclosed herein, a semiconductor device comprising a first GaN layer, an AlGaN layer, a second GaN layer, a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode sequentially stacked on a substrate, wherein the second GaN layer Or a semiconductor device having a normally-off characteristic, a small leakage current, and a large breakdown voltage characteristic through a gate electrode formed on a region recessed to the AlGaN layer and a first oxide film formed on the second GaN layer; It provides a manufacturing method.
특히, 본 명세서에 개시된 반도체 소자에 따르면, 제 2 GaN층 또는 AlGaN층까지 리세스된 영역 상에 형성되는 게이트 전극을 통해, 공핍 영역이 확대되어 문턱전압(공급전압)이 양의 방향으로 이동되는 이점(또는 노멀리-오프 특성)이 있다.In particular, according to the semiconductor device disclosed in this specification, through the gate electrode formed on the recessed region up to the second GaN layer or AlGaN layer, the depletion region is enlarged so that the threshold voltage (supply voltage) is moved in the positive direction. There is an advantage (or normally-off characteristic).
또한, MOCVD 질화물 박막 성장 후 바로 성장되는 인-시츄(In-situ) 산화막을 근거로 누설전류 및 항복 전압 특성이 개선되는 이점이 있을 수 있다.In addition, leakage current and breakdown voltage characteristics may be improved based on an in-situ oxide film grown immediately after MOCVD nitride thin film growth.
도 1은 이종접합 전계 효과 트랜지스터(HFET)의 일반적인 구조를 나타내는 예시도이다.
도 2(a)는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 구조를 나타내는 예시도이다.
도 2(b)는 본 명세서에 개시된 또 다른 일 실시예에 따른 반도체 소자의 구조를 나타내는 예시도이다.
도 3은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 리세스 영역의 다양한 형태를 나타내는 예시도이다.
도 4는 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 5a ~ 도 5h는 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조방법을 나타내는 예시도이다.1 is an exemplary view showing a general structure of a heterojunction field effect transistor (HFET).
2A is an exemplary diagram illustrating a structure of a semiconductor device according to an exemplary embodiment disclosed herein.
2B is an exemplary view illustrating a structure of a semiconductor device according to still another embodiment disclosed herein.
3 is an exemplary view illustrating various types of recess regions according to an exemplary embodiment disclosed herein.
4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with embodiments disclosed herein.
5A to 5H are exemplary views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with embodiments disclosed herein.
본 명세서에 개시된 기술은 이종접합 전계효과 트랜지스터 및 그 제조방법에 적용될 수 있다. 그러나 본 명세서에 개시된 기술은 이에 한정되지 않고, 상기 기술의 기술적 사상이 적용될 수 있는 모든 질화물계 반도체 소자 및 그 제조방법에 적용될 수 있다. 특히, 제 2 GaN층 또는 AlGaN층까지 리세스된 영역 상에 형성되는 게이트 전극을 통해, 공핍 영역이 확대되어 노멀리-오프 특성을 가지고, MOCVD 질화물 박막 성장 후 바로 성장되는 인-시츄(In-situ) 산화막을 근거로 누설전류 및 항복 전압 특성이 개선되는 반도체 소자 및 그 제조방법에 적용될 수 있다.The technique disclosed herein can be applied to a heterojunction field effect transistor and a method of manufacturing the same. However, the technology disclosed in the present specification is not limited thereto, and may be applied to all nitride based semiconductor devices to which the technical spirit of the technology may be applied and a method of manufacturing the same. In particular, through the gate electrode formed on the region recessed to the second GaN layer or the AlGaN layer, the depletion region is enlarged to have a normally-off characteristic, and is grown in-situ immediately after growth of the MOCVD nitride thin film. situ) It can be applied to a semiconductor device and a method of manufacturing the same that the leakage current and breakdown voltage characteristics are improved based on the oxide film.
구체적으로 본 명세서에 개시된 기술은, 질화물 반도체 전력 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 이종접합 구조의 HFET 소자를 제작하면서 발생하는 0V에서의 항시 on 동작을 off 스위치로 제어하기 위해 recess구조를 형성하고 누설 전류 증가와 항복 전압 감소를 최소화하기 위해 MOCVD 질화물 박막 성장 후 바로 산화막을 In-situ로 성장하는 데 그 목적이 있을 수 있다.Specifically, the technology disclosed in the present disclosure relates to a nitride semiconductor power device and a method of manufacturing the same, and includes a recess structure for controlling an always-on operation at 0V generated during fabrication of a heterojunction HFET device by using an off switch. The goal may be to grow the oxide film in-situ immediately after the growth of the MOCVD nitride film to minimize leakage current increase and breakdown voltage reduction.
또한, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자는, 고온에서 device를 작동할 시 2DEG의 캐리어 농도 수나 이동도의 감소가 적어서 안정적인 신뢰성 소자를 구현하는데 장점을 가지고 있다. In addition, the semiconductor device according to the exemplary embodiment disclosed herein has an advantage of implementing a stable reliability device because the number of carrier concentrations or mobility of the 2DEG is small when the device is operated at a high temperature.
이종 접합 구조의 질화물 반도체 전력 소자에서 표면의 누설 전류를 줄이기 위한 방법으로 여러 산화막이 사용될 수 있다. Various oxide films may be used as a method for reducing surface leakage current in a nitride semiconductor power device having a heterojunction structure.
대표적인 산화막으로는 SiO2, Si3N4, HfO2 또는 Al2O3등이 있을 수 있으며, 증착 장비로는 PECVD, ICP-CVD, Sputter, ALD등이 사용될 수 있다. Representative oxide film may be SiO 2 , Si 3 N 4 , HfO 2 or Al 2 O 3 and the like, PECVD, ICP-CVD, Sputter, ALD, etc. may be used as the deposition equipment.
MOCVD 질화물 박막성장을 한 이후에 장비 내에서 바로 산화막을 증착할 경우(예를 들어, 인-시츄 산화막)에는 활성층의 stress 이완으로 인해 표면에서 발생할 수 있는 V-defect을 막아줄 수 있으며, 박막과 산화막의 계면에서 발생할 수 있는 오염을 사전에 방지할 수 있으며, Ga2O3등의 residual oxide가 생길 수 있는 여지를 사전에 방지할 수 있다. If the oxide film is deposited directly in the equipment after MOCVD nitride film growth (eg in-situ oxide film), it can prevent the V-defect that may occur on the surface due to stress relaxation of the active layer. Contamination that can occur at the interface of the oxide film can be prevented in advance, and the possibility of residual oxide such as Ga 2 O 3 can be prevented in advance.
한편, 이종접합 구조 질화물 반도체의 normally-off동작을 위해서 여러 가지 기술이 사용될 수 있다. 예를 들어, p-GaN gate, recessed gate, MIS구조, quaternary 활성층등이 있을 수 있다. Meanwhile, various techniques may be used for the normally-off operation of the heterojunction structure nitride semiconductor. For example, there may be a p-GaN gate, recessed gate, MIS structure, quaternary active layer.
본 명세서에 개시된 기술은, 리세스드 게이트(recessed gate) 구조를 적용하여 활성층을 일부 또는 전부 식각을 하여 Vth를 0V 이상으로 가져가는 것을 목적으로 하고 있으며, 이에 대한 산화막 증착을 In-situ로 적용함으로써 고품질의 normally-off 소자를 만들 수 있는 장점이 있을 수 있다.The technique disclosed herein aims to bring Vth to 0 V or more by applying a recessed gate structure to partially or fully etch the active layer, and by applying oxide deposition to In-situ. There may be advantages to making high quality normally-off devices.
즉, 본 명세서에 개시된 기술은 인-시츄(In-situ) 산화막과 리세스드 ㄱ게겡게이트(recessed gate) 구조를 적용하여 고출력 소자를 만드는데 그 목적이 있을 수 있다.That is, the technique disclosed in the present specification may be aimed at making a high output device by applying an in-situ oxide film and a recessed gate structure.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 명세서에 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. It is noted that the technical terms used herein are used only to describe specific embodiments and are not intended to limit the scope of the technology disclosed herein. Also, the technical terms used herein should be interpreted as being generally understood by those skilled in the art to which the presently disclosed subject matter belongs, unless the context clearly dictates otherwise in this specification, Should not be construed in a broader sense, or interpreted in an oversimplified sense. In addition, when a technical term used in this specification is an erroneous technical term that does not accurately express the concept of the technology disclosed in this specification, it should be understood that technical terms which can be understood by a person skilled in the art are replaced. Also, the general terms used in the present specification should be interpreted in accordance with the predefined or prior context, and should not be construed as being excessively reduced in meaning.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. Also, the singular forms "as used herein include plural referents unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprising ", or" comprising "and the like should not be construed as necessarily including the various elements or steps described in the specification, Or may be further comprised of additional components or steps.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. Furthermore, terms including ordinals such as first, second, etc. used in this specification can be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예들을 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals are used to designate identical or similar elements, and redundant description thereof will be omitted.
또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 그 기술의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다. Further, in the description of the technology disclosed in this specification, a detailed description of related arts will be omitted if it is determined that the gist of the technology disclosed in this specification may be obscured. It is to be noted that the attached drawings are only for the purpose of easily understanding the concept of the technology disclosed in the present specification, and should not be construed as limiting the spirit of the technology by the attached drawings.
본 명세서에 개시된 The 실시예들에In embodiments 따른 반도체 소자에 대한 설명 Description of semiconductor devices according to
본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 반도체 소자는, 기판, 상기 기판 상에 형성되는 제 1 GaN층, 상기 제 1 GaN층 상에 형성되는 AlGaN층, 상기 AlGaN층 상에 형성되는 제 2 GaN층, 상기 제 2 GaN층 또는 상기 AlGaN층까지 리세스된 영역 상에 형성되는 게이트 전극, 상기 제 2 GaN층의 일부 영역 상에 형성되는 소스 전극 및 드레인 전극 및 상기 제 2 GaN층 상에 형성되는 제 1 산화막층을 포함하되, 상기 제 1 산화막층은, 상기 소스 전극 또는 상기 드레인 전극과 상기 리세스된 영역 사이에 형성되는 것일 수 있다.A semiconductor device according to embodiments disclosed herein may include a substrate, a first GaN layer formed on the substrate, an AlGaN layer formed on the first GaN layer, a second GaN layer formed on the AlGaN layer, A gate electrode formed on a region recessed to the second GaN layer or the AlGaN layer, a source electrode and a drain electrode formed on a partial region of the second GaN layer, and a first formed on the second GaN layer Including an oxide layer, wherein the first oxide layer may be formed between the source electrode or the drain electrode and the recessed region.
즉, 본 명세서에 개시된 기술은, 질화물 반도체 소자(특히, HFET 소자) 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 소스와 게이트, 드레인 표면 사이에 흐르는 누설 전류를 막기 위해서는, PECVD 또는 스퍼터(Sputter, 또는 스퍼터링)를 사용하여 산화막을 올리는 방식도 있을 수 있으나, 특히, 본 명세서에 개시된 기술은, MOCVD로 질화물 박막을 성장한 후 바로 장비 내에서 산화막을 증착 한 이후에, 소자 제작 공정상에서 게이트 산화막을 오픈하거나, 활성층의 일부 또는 전부를 식각(etching)하여 리세스(recess)를 형성함으로써 고출력의 노멀리-오프(normally-off) 소자를 개시한다.That is, the technology disclosed herein relates to a nitride semiconductor device (particularly an HFET device) and a method of manufacturing the same. Specifically, in order to prevent leakage current flowing between the source, the gate, and the drain surface, there may be a method of raising an oxide film using PECVD or sputtering or sputtering, but in particular, the technique disclosed herein is MOCVD. Immediately after the nitride film is grown, the oxide film is deposited in the device, and then a gate oxide film is opened in the device fabrication process, or a part or all of the active layer is etched to form a recess to generate a high power. Disclosed is a normally-off device.
본 명세서에 개시된 반도체 소자 및 그 제조방법에 따르면, 노멀리-오프(normally-off) 소자를 구현함에 있어, 표면 누설 전류를 줄이고, 활성층의 스트레스(stress) 이완으로 인한 디펙트(defect)를 인-시츄(In-situ) 산화막이 방지를 하여 줌으로써 거리에 따른 항복전압의 증가 효과를 최대한 가져올 수 있는 이점이 있을 수 있다.According to the semiconductor device disclosed in the present specification and a method of manufacturing the same, in implementing a normally-off device, a surface leakage current is reduced and defects due to stress relaxation of an active layer are identified. By preventing in-situ oxide film, there may be an advantage that the effect of increasing the breakdown voltage with distance may be maximized.
도 2(a)는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자의 구조를 나타내는 예시도이다.2A is an exemplary diagram illustrating a structure of a semiconductor device according to an exemplary embodiment disclosed herein.
도 2(a)를 참조하면, 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 반도체 소자(100)는 기판(110), 상기 기판(110)상에 형성된 제 1 GaN층(120), 상기 제 1 GaN층(120) 상에 형성되는 AlGaN층(130), 상기 AlGaN층(130) 상에 형성되는 제 2 GaN층(140), 상기 제 2 GaN층(140) 또는 상기 AlGaN층(130)까지 리세스된 영역(R110) 상에 형성되는 게이트 전극(160), 상기 제 2 GaN층(140)의 일부 영역 상에 형성되는 소스 전극(170) 및 드레인 전극(180) 및 상기 제 2 GaN층(140) 상에 형성되는 제 1 산화막층(151)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2A, a
여기서, 상기 제 1 산화막층(151)은, 상기 소스 전극(170) 또는 상기 드레인 전극(180)과 상기 리세스된 영역(R110) 사이에 형성되는 것일 수 있다.The
또한, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자(100)는 상기 드레인 전극(180)에서 소스 전극(170)으로 흐르는 2DEG 전류를 쇼트키(schottky) 게이트 전극을 통해 스위칭(switching) 동작을 할 수 있다.In addition, the
일 실시예에 따르면, 상기 기판(110)은 다양한 종류의 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(110)는 절연성 기판, 사파이어 기판, GaN 기판, SiC 기판 및 Si 기판 중 적어도 하나인 것일 수 있다. 이외에도 다양한 종류의 기판이 본 명세서에 개시된 반도체 소자에 적용될 수 있음이 본 기술분야의 당업자에게 자명하다.According to an embodiment, the
또한, 상기 기판(110)은 상기 반도체 소자(100)의 제작 후에 제거될 수 있다. 따라서, 최종적인 상기 반도체 소자(100)의 구조는 상기 기판(110)이 없는 구조일 수 있다.In addition, the
상기 제 1 GaN층(120)은 GaN으로 이루어질 수 있으며, 1um ~ 10um의 두께를 가질 수 있다.The
상기 제 1 GaN층(120)은 다양한 방식(또는 방법)으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 GaN층(120)은 질화물 반도체 결정을 선택적으로 성장시키는 방법을 통하여 형성될 수 있는데, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE) 및 힐라이드 기상 성장법(HVPE) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다. 다만, 상기 제 1 GaN(120)의 결정성을 고려하면, 디바이스 제작에는 MOCVD법이 사용되는 것이 일반적일 수 있다.The
일 실시예에 따르면, 상기 반도체 소자(100)는 상기 제 1 GaN층(120) 상에 C, Fe 및 Mg 도펀트 중 적어도 하나의 도펀트를 주입하여 형성된 고-저항 GaN층(미도시)을 더 포함할 수 있다.In example embodiments, the
여기서, 상기 적어도 하나의 도펀트의 농도는, 1e17/cm3 ~ 1e19/cm3인 것일 수 있다.Here, the concentration of the at least one dopant may be 1e 17 / cm 3 ~ 1e 19 / cm 3 .
상기 AlGaN층(130)은 상기 제 1 GaN층(120) 상에 형성될 수 있다. 상기 AlGaN층(130)은 활성층의 역할을 할 수 있다.The
일 실시예에 따르면, 상기 AlGaN층(130)의 두께는, 2nm ~ 100nm 범위, 바람직한 것은 15nm ~ 30nm 사이로 조정하는 것이 바람직할 수 있다.According to an embodiment, the thickness of the
상기 AlGaN층(130)은 다양한 물질과 조성으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 AlGaN층(130)는 AlxGa1 - xN으로 이루어진 것일 수 있다. 이외에도 다양한 물질 또는 조성비로써 상기 AlGaN층(130)이 이루어질 수 있음이 본 기술분야의 당업자에게 자명하다.The
상기 제 2 GaN층(140)은 상기 AlGaN층(130) 상에 형성되고, GaN을 얇게 성장시킴으로써 형성될 수 있다.The
일 실시예에 따르면, 상기 제 2 GaN(140)의 두께는 0nm ~ 100nm 범위, 바람직한 것은 2nm ~ 10nm인 것일 수 있다. 상기 제 2 GaN층(140)은 표면 누설 전류를 막는 역할을 할 수 있다.According to one embodiment, the thickness of the
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자(100)는 상기 제 2 GaN층(140) 또는 상기 AlGaN층(130)까지 리세스된 영역(R110) 상에 형성되는 게이트 전극(160)을 포함할 수 있다. 상기 게이트(160)을 리세스드 게이트(recessed gate)라고 할 수 있다.The
이러한 리세스드 게이트는, 2DEG 근처의 공핍 영역을 확대시켜 문턱전압(공급전압)이 양의 방향으로 이동되는 이점(또는 노멀리-오프 특성)을 제공할 수 있다.Such a recessed gate can provide an advantage (or normally-off characteristic) in that the threshold voltage (supply voltage) is shifted in the positive direction by enlarging the depletion region near 2DEG.
여기서, 상기 리세스된 영역(R110)의 깊이는, 1nm ~ 1000nm인 것일 수 있다.Here, the depth of the recessed region R110 may be 1 nm to 1000 nm.
일 실시예에 따르면, 상기 반도체 소자(100)는 상기 제 2 GaN층(140)의 일부 영역 상에 형성되는 소스 전극(170) 및 드레인 전극(180)을 포함할 수 있다.In example embodiments, the
전술한 바와 같이, 상기 드레인 전극(180)에서 소스 전극(170)으로 흐르는 2DEG 전류가 쇼트키(schottky) 게이트 전극(160)의 제어를 통해 발생할 수 있다.As described above, a 2DEG current flowing from the
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 반도체 소자(100)는 상기 제 2 GaN층(140) 상에 형성되는 제 1 산화막층(151)을 포함할 수 있다.In addition, according to an exemplary embodiment, the
여기서, 상기 제 1 산화막층(151)은, 상기 소스 전극(170) 또는 상기 드레인 전극(180)과 상기 리세스된 영역(R110) 사이에 형성되는 것일 수 있다.The
상기 제 1 산화막층(151)은 다양한 물질 또는 조성비로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 산화막층(151)은, SixNy로 이루어지는 것일 수 있다.The
또한, 일 실시예에 따르면, 도 2(a)에서와 같이, 상기 게이트 전극(160)은, 상기 제 1 산화막층(151)의 일측 상부와 접촉하는 것일 수 있다.In addition, according to an embodiment, as shown in FIG. 2A, the
구체적으로, 상기 게이트 전극(160)은 상기 리세스 영역(R110) 및 상기 제 1 산화막층(151)의 일부 영역 상에 걸쳐 형성될 수 있다.In detail, the
상기 제 1 산화막층(151)은, 상기 제 2 GaN층(140)의 형성 후 인-시츄(in-situ)로 형성되는 것일 수 있다.The
예를 들어, 상기 제 2 GaN층(140)은, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD)을 근거로 한 증착 장비에 의해 형성될 수 있고, 상기 제 1 산화막층(151)은, 상기 제 2 GaN층(140)의 형성 후 상기 증착 장비 내에서 인-시츄(in-situ)로 형성되는 것일 수 있다. For example, the
구체적으로, 상기 인-시츄 제 1 산화막층(151)은 활성층의 stress 이완으로 인해 표면에서 발생할 수 있는 V-defect을 막아줄 수 있으며, 박막과 산화막의 계면에서 발생할 수 있는 오염을 사전에 방지할 수 있으며, Ga2O3등의 residual oxide가 생길 수 있는 여지를 사전에 방지할 수 있다. 즉, 인-시츄(In-situ) 산화막을 근거로 누설전류 및 항복 전압 특성이 개선될 수 있다.Specifically, the in-situ
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 산화막층(151)의 두께는, 1nm ~ 500nm인 것일 수 있다.In addition, according to an embodiment, the thickness of the
또한, 상기 제 1 산화막층(151)은 다양한 방법으로 형성될 수 있는다, 예를 들어, 상기 제 1 산화막층(1510)은 유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE), 힐라이드 기상 성장법(HVPE), PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition), 스퍼터링(Sputtering) 및 ALD(atomic layer deposition) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다.In addition, the
도 2(b)는 본 명세서에 개시된 또 다른 일 실시예에 따른 반도체 소자의 구조를 나타내는 예시도이다.2B is an exemplary view illustrating a structure of a semiconductor device according to still another embodiment disclosed herein.
도 2(b)를 참조하면, 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 반도체 소자(100')는 기판(110), 상기 기판(110)상에 형성된 제 1 GaN층(120), 상기 제 1 GaN층(120) 상에 형성되는 AlGaN층(130), 상기 AlGaN층(130) 상에 형성되는 제 2 GaN층(140), 상기 제 2 GaN층(140) 또는 상기 AlGaN층(130)까지 리세스된 영역(R110) 상에 형성되는 제 2 산화막층(152), 상기 제 2 산화막층(152) 상에 형성되는 게이트 전극(160), 상기 제 2 GaN층(140)의 일부 영역 상에 형성되는 소스 전극(170) 및 드레인 전극(180) 및 상기 제 2 GaN층(140) 상에 형성되는 제 1 산화막층(151)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2B, the
여기서, 상기 제 1 산화막층(151)은, 상기 소스 전극(170) 또는 상기 드레인 전극(180)과 상기 리세스된 영역(R110) 사이에 형성되는 것일 수 있다.The
도 2(b)에 개시된 반도체 소자(100')가 도 2(a)에 개시된 반도체 소자(100)와 다른 점은 상기 리세스된 영역(R110)상에 제 2 산화막층(152)가 존재하고, 상기 제 2 산화막층(152)상에 게이트 전극(160)이 형성된다는 점이 될 수 있다.The
이를 통해, 상기 반도체 소자(100')는 MIS(metal-insulator-semiconductor)구조를 구비할 수 있다. 이에 반해, 도 2(a)에 개시된 반도체 소자(100)는 MES(metal-semiconductor) 구조라고 할 수 있다.Through this, the
상기 MIS구조를 위한 제 2 산화막층(152)은 PECVD나 Sputter, ALD 이용하여 증착이 될 수 있다.The
상기 제 2 산화막층(152)은 다양한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 산화막층(152)는 SiO2, Si3N4, HfO2, Al2O3, ZnO 및 Ga2O3 중 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다.The
일 실시예에 따르면, 상기 제 2 산화막층(152)의 두께는 2nm ~ 200nm일 것일 수 있으며, 바람직한 것은 2nm ~ 100nm일 수 있다.According to one embodiment, the thickness of the
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제 2 산화막층(152)은, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE), 힐라이드 기상 성장법(HVPE), PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition), 스퍼터링(Sputtering) 및 ALD(atomic layer deposition) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다.In addition, according to an embodiment, the
도 3은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 리세스 영역의 다양한 형태를 나타내는 예시도이다.3 is an exemplary view illustrating various types of recess regions according to an exemplary embodiment disclosed herein.
도 3을 참조하면, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 반도체 소자(100a ~ 100c)는 기판(110), 상기 기판(110)상에 형성된 제 1 GaN층(120), 상기 제 1 GaN층(120) 상에 형성되는 AlGaN층(130), 상기 AlGaN층(130) 상에 형성되는 제 2 GaN층(140), 상기 제 2 GaN층(140) 또는 상기 AlGaN층(130)까지 리세스된 영역(R110a ~ R110c) 상에 형성되는 제 2 산화막층(152a ~ 152c), 상기 제 2 산화막층(152a ~ 152c) 상에 형성되는 게이트 전극(160), 상기 제 2 GaN층(140)의 일부 영역 상에 형성되는 소스 전극(170) 및 드레인 전극(180) 및 상기 제 2 GaN층(140) 상에 형성되는 제 1 산화막층(151a ~ 151c)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, the
여기서, 상기 제 1 산화막층(151a ~ 151c)은, 상기 소스 전극(170) 또는 상기 드레인 전극(180)과 상기 리세스된 영역(R110a ~ R110c) 사이에 형성되는 것일 수 있다.The
즉, 상기 반도체 소자(100a ~100c)는 상기 제 2 GaN층(140) 또는 상기 AlGaN층(130)까지 리세스된 영역을 구비할 수 있다.That is, the
또한, 상기 리세스된 영역은, 트렌치(trench) 형태, 브이-그루브(V-groove) 형태 및 반원 형태 중 적어도 하나의 형태를 구비하는 것일 수 있다.In addition, the recessed region may include at least one of a trench form, a V-groove form, and a semicircle form.
도 3(a)참조하면, 일 실시예에 따른 반도체 소자(110a)는 트렌치 형태의 리세스 영역(R110a)를 구비하고 있다.Referring to FIG. 3A, the semiconductor device 110a includes a trench region R110a having a trench shape.
또한, 도 3(b)참조하면, 일 실시예에 따른 반도체 소자(110b)는 브이-그루브 형태의 리세스 영역(R110b)를 구비하고 있다.In addition, referring to FIG. 3B, the semiconductor device 110b includes a recess region R110b having a V-groove shape.
또한, 도 3(c)참조하면, 일 실시예에 따른 반도체 소자(110c)는 반원 형태의 리세스 영역(R110c)를 구비하고 있다.In addition, referring to FIG. 3C, the semiconductor device 110c includes a semicircular recessed region R110c.
본 명세서에 개시된 The 실시예들에In embodiments 따른 반도체 소자의 제조방법에 대한 설명 Description of manufacturing method of semiconductor device according to
본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조방법은, 기판 상에 제 1 GaN층을 형성시키는 단계, 상기 제 1 GaN층 상에 AlGaN층을 형성시키는 단계, 상기 AlGaN층 상에 제 2 GaN층을 형성시키는 단계, 상기 제 2 GaN층 상에 제 1 산화막층을 형성시키는 단계, 상기 1 산화막층을 선택적으로 식각하여 소스 및 드레인 영역을 정의하는 단계, 상기 소스 및 드레인 영역 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성시키는 단계, 선택적인 식각을 근거로 상기 제 2 GaN층 또는 상기 AlGaN층까지 리세스된 영역을 형성시키는 단계 및 상기 리세스된 영역 상에 게이트 전극을 형성시키는 단계를 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a semiconductor device according to the embodiments disclosed herein, forming a first GaN layer on a substrate, forming an AlGaN layer on the first GaN layer, second GaN on the AlGaN layer Forming a layer, forming a first oxide layer on the second GaN layer, selectively etching the first oxide layer to define a source and drain region, a source electrode on the source and drain region, and Forming a drain electrode, forming a recessed region up to the second GaN layer or the AlGaN layer based on the selective etching, and forming a gate electrode on the recessed region .
일 실시예에 따르면, 상기 게이트 전극은, 상기 제 1 산화막층의 일측 상부와 접촉하는 것일 수 있다.In example embodiments, the gate electrode may be in contact with an upper portion of one side of the first oxide layer.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 리세스된 영역 상에 게이트 전극을 형성시키는 단계는, 상기 리세스된 영역 상에 제 2 산화막층을 형성시키는 단계 및 상기 제 2 산화막층 상에 게이트 전극을 형성시키는 단계를 포함할 수 있다.Further, according to one embodiment, forming a gate electrode on the recessed region may include forming a second oxide layer on the recessed region and forming a gate electrode on the second oxide layer. It may include the step of.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제 2 GaN층은, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD)을 근거로 한 증착 장비에 의해 형성되고, 상기 제 1 산화막층은, 상기 제 2 GaN층의 형성 후 상기 증착 장비 내에서 인-시츄(in-situ)로 형성되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the second GaN layer is formed by deposition equipment based on organic metal vapor deposition (MOCVD), and the first oxide layer is formed after the formation of the second GaN layer. It may be formed in-situ in the deposition equipment.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 GaN층, 상기 AlGaN층 및 상기 제 2 GaN층은, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE), 힐라이드 기상 성장법(HVPE), PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition), 스퍼터링(Sputtering) 및 ALD(atomic layer deposition) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것일 수 있다.In addition, according to an embodiment, the first GaN layer, the AlGaN layer, and the second GaN layer may include an organic metal vapor deposition method (MOCVD), a molecular beam epitaxial growth method (MBE), and a helide vapor deposition method (HVPE). It may be formed based on at least one of plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD), sputtering, and atomic layer deposition (ALD).
도 4는 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조방법을 나타내는 순서도이다.4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with embodiments disclosed herein.
도 4를 참조하면, 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조방법은 다음과 같은 단계로 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 4, a method of manufacturing a semiconductor device according to embodiments disclosed herein may be performed by the following steps.
먼저, 기판 상에 제 1 GaN층을 형성시킬 수 있다(S110).First, a first GaN layer may be formed on a substrate (S110).
다음으로, 상기 제 1 GaN층 상에 AlGaN층을 형성시킬 수 있다(S120).Next, an AlGaN layer may be formed on the first GaN layer (S120).
다음으로, 상기 AlGaN층 상에 제 2 GaN층을 형성시킬 수 있다(S130).Next, a second GaN layer may be formed on the AlGaN layer (S130).
다음으로, 상기 제 2 GaN층 상에 제 1 산화막층을 형성시킬 수 있다(S140).Next, a first oxide layer may be formed on the second GaN layer (S140).
다음으로, 상기 1 산화막층을 선택적으로 식각하여 소스 및 드레인 영역을 정의할 할 수 있다(S150).Next, the source and drain regions may be defined by selectively etching the one oxide layer (S150).
다음으로, 상기 소스 및 드레인 영역 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성시킬 수 있다(S160).Next, a source electrode and a drain electrode may be formed on the source and drain regions (S160).
다음으로, 선택적인 식각을 근거로 상기 제 2 GaN층 또는 상기 AlGaN층까지 리세스된 영역을 형성시킬 수 있다(S170).Next, a region recessed to the second GaN layer or the AlGaN layer may be formed based on the selective etching (S170).
다음으로, 상기 리세스된 영역 상에 게이트 전극을 형성시킬 수 있다(S180)Next, a gate electrode may be formed on the recessed region (S180).
도 5a ~ 도 5h는 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조방법을 나타내는 예시도이다.5A to 5H are exemplary views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with embodiments disclosed herein.
도 5a ~ 도 5h를 참조하면, 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조방법은 인-시츄(In-situ) 산화막을 사용하되, 게이트 영역 아래를 산화막만 오픈하여 노멀리-오프(normally-off)를 구현하지 않고, 활성층 일부 또는 전부를 식각하여 리세스(recess) 구조를 형성하는 방법일 수 있다.5A to 5H, a method of fabricating a semiconductor device according to the exemplary embodiments disclosed herein uses an in-situ oxide layer, but normally opens the oxide layer under the gate region. It may be a method of forming a recess structure by etching part or all of the active layer without implementing normally-off.
자세한 공정 순서는 도 5a ~ 도 5h를 참조하여 구체적으로 상술하면, 먼저, 기판(110)상에 MOCVD 박막 성장 장비를 가지고 질화갈륨 박막(또는 1 GaN층(120))을 성장(또는 형성)시킬 수 있다.(도 5a)A detailed process sequence will be described in detail with reference to FIGS. 5A to 5H. First, a gallium nitride thin film (or 1 GaN layer 120) may be grown (or formed) with the MOCVD thin film growth equipment on the
상기 기판(110)은 n형이 될 수도 있고, p형이 될 수도 있으며, 기판의 종류는 Si, SiC, Sapphire, GaN 기판등이 될 수 있다.The
상기 제 1 GaN층(120)을 이루는 GaN은 MOCVD법으로 불리는 유기 금속기상 성장법으로 제작하는 것이 일반적일 수 있다.GaN constituting the
이 경우, Ga의 원료인 TMGa, N의 원료인 NH3를 리액터 안에서 고온으로 합성시켜 상기 제 1 GaN층(120)이 에피 성장이 될 수 있다. In this case, the
일 실시예에 따르면, n형 GaN의 두께는 1 ~ 10um인 것일 수 있다.According to one embodiment, the thickness of the n-type GaN may be 1 ~ 10um.
또 다른 일 실시예에 따르면, n형의 GaN에 C, Fe 또는 Mg 도판트(dopant)를 사용하여 누설 전류를 막기 위한 고-저항 GaN층(또는 High- resistivity GaN)을 성장시킬 수 있다.According to another embodiment, a high-resistance GaN layer (or high-resistivity GaN) for preventing leakage current may be grown by using C, Fe, or Mg dopant on n-type GaN.
이 경우, 상기 도펀트의 불순물 농도는 1e17/cm3 ~ 1e19/cm3의 범위, 바람직한 것은 1e17/cm3 ~ 1e18/cm3인 것일 수 있다.In this case, the impurity concentration of the dopant may be in the range of 1e 17 / cm 3 to 1e 19 / cm 3 , preferably 1e 17 / cm 3 to 1e 18 / cm 3 .
다음으로, GaN 채널 층(또는 제 1 GaN층(120))을 성장시킨 후에는 활성층의 AlGaN층(130)을 성장시킬 수 있다(도 5b).Next, after the GaN channel layer (or the first GaN layer 120) is grown, the
일 실시예에 따르면, 상기 AlGaN층(130)의 두께는 2nm ~ 100nm 범위, 바람직한 것은 15nm~30nm인 것일 수 있다.According to an embodiment, the thickness of the
또한, 상기 활성층을 성장시킨 후에는 표면 누설 전류를 막기 위해서 GaN cap(또는 제 2 GaN층(140))을 성장시킬 수 있다(도 5c).In addition, after the active layer is grown, a GaN cap (or a second GaN layer 140) may be grown to prevent surface leakage current (FIG. 5C).
일 실시예에 따르면, 상기 제 2 GaN층(140)은 0nm ~ 100nm 범위, 바람직한 것은 2nm ~ 10nm인 것일 수 있다.According to one embodiment, the
다음으로, 상기 제 2 GaN층(140) 상에 제 1 산화막층(151)을 형성시킬 수 있다(도 5d).Next, a
상기 제 1 산화막층(151)은 다양한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 산화막층(151)은 SixNy로 이루어질 수 있다.The
이 경우, 상기 제 1 산화막층(151)을 이루는 SixNy은 MOCVD 장비를 근거로 SiH4과 NH3를 사용하여 성장될 수 있다.In this case, Si x N y constituting the
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 산화막층(151)의 두께는 2nm ~ 500nm 범위일 수 있고, 바람직한 것은 5nm ~ 200nm인 것일 수 있다.According to one embodiment, the thickness of the
다음으로, 소스 전극(170)와 드레인 전극(180)을 증착하기 위해 상기 제 1 산화막층(151, 또는, SixNy)의 일부 영역을 오픈하고 오믹 전극을 증착할 수 있다(도 5e).Next, to deposit the
다음으로, 게이트 아래 영역을 리세스(recess) 구조로 형성하기 위해서 상기 제 1 산화막층(151)을 오픈하고 건식(dry) 식각법을 이용하여 상기 제 2 GaN층(140) 또는 활성층(또는 AlGaN층(130) 일부 또는 전부까지 식각할 수 있다(도 5f). 이를 통해 리세스된 영역(R110)이 형성될 수 있다.Next, the
다음으로, MIS구조를 위한 제 2 산화막층(152)을 상기 리세스된 영역(R110) 상에 형성시킬 수 있다(도 5g).Next, a
상기 제 2 산화막층(152)은 다양한 방법으로 증착될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 산화막층(152)는 PECVD나 Sputter, ALD 이용하여 증착될 수 있다. The
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제 2 산화막층(152)는 다양한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 산화막층(152)는 SiO2, Si3N4, HfO2, Al2O3, ZnO 및 Ga2O3 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다.In addition, according to an embodiment, the
일 실시예에 따르면, 상기 제 2 산화막층(152)의 두께는 2nm ~ 200일 수 있고, 바람직한 것은 2nm ~ 100nm인 것일 수 있다. According to an embodiment, the thickness of the
마지막으로, 게이트 전극을 상기 제 2 산화막층(152) 및 상기 제 1 산화막층(151) 상에 걸쳐 형성 시킬 수 있다(도 5h).Finally, a gate electrode may be formed over the
이를 통해, MIS구조를 만들어 In-situ 산화막을 이용한 리세스드(recessed) MIS-HFET 소자가 최종적으로 완성될 수 있다.Through this, a MIS structure can be made and finally a recessed MIS-HFET device using an in-situ oxide film can be finally completed.
본 발명의 범위는 본 명세서에 개시된 실시 예들로 한정되지 아니하고, 본 발명은 본 발명의 사상 및 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있다.The scope of the present invention is not limited to the embodiments disclosed herein, and the present invention can be modified, changed, or improved in various forms within the scope of the present invention and the claims.
100: 반도체 소자 120: 제 1 GaN층
130: AlGaN층 140: 제 2 GaN층
151: 제 1 산화막층 152: 제 2 산화막층
160: 게이트 전극100
130: AlGaN layer 140: second GaN layer
151: first oxide film layer 152: second oxide film layer
160: gate electrode
Claims (21)
상기 기판 상에 형성되는 제 1 GaN층;
상기 제 1 GaN층 상에 형성되는 AlGaN층;
상기 AlGaN층 상에 형성되는 제 2 GaN층;
상기 제 2 GaN층 또는 상기 AlGaN층까지 리세스된 영역 상에 형성되는 게이트 전극;
상기 제 2 GaN층의 일부 영역 상에 형성되는 소스 전극 및 드레인 전극; 및
상기 제 2 GaN층 상에 형성되는 제 1 산화막층을 포함하되,
상기 제 1 산화막층은,
상기 소스 전극 또는 상기 드레인 전극과 상기 리세스된 영역 사이에 형성되는 것인 반도체 소자.Board;
A first GaN layer formed on the substrate;
An AlGaN layer formed on the first GaN layer;
A second GaN layer formed on the AlGaN layer;
A gate electrode formed on a region recessed to the second GaN layer or the AlGaN layer;
A source electrode and a drain electrode formed on a portion of the second GaN layer; And
Including a first oxide layer formed on the second GaN layer,
The first oxide film layer,
And formed between the source electrode or the drain electrode and the recessed region.
SixNy로 이루어지는 것인 반도체 소자.The method of claim 1, wherein the first oxide film layer,
A semiconductor device comprising Si x N y .
상기 제 1 산화막층의 일측 상부와 접촉하는 것인 반도체 소자.The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device is in contact with the upper portion of one side of the first oxide film layer.
상기 리세스된 영역 상에 형성되는 제 2 산화막층을 더 포함하되,
상기 게이트 전극은,
상기 제 2 산화막층 상에 형성되는 것인 반도체 소자.The method of claim 1,
Further comprising a second oxide layer formed on the recessed region,
The gate electrode
The semiconductor device is formed on the second oxide film layer.
SiO2, Si3N4, HfO2, Al2O3, ZnO 및 Ga2O3 중 적어도 하나로 이루어지는 것인 반도체 소자.The method of claim 4, wherein the second oxide film layer,
And at least one of SiO 2 , Si 3 N 4 , HfO 2 , Al 2 O 3 , ZnO, and Ga 2 O 3 .
상기 제 2 GaN층의 형성 후 인-시츄(in-situ)로 형성되는 것인 반도체 소자.The method of claim 1, wherein the first oxide film layer,
The semiconductor device is formed in-situ after the formation of the second GaN layer.
상기 제 1 산화막층의 두께는,
1nm ~ 500nm이고,
상기 제 2 산화막층의 두께는,
2nm ~ 200nm인 것인 반도체 소자.The method according to claim 1 or 4,
The thickness of the first oxide film layer,
1 nm to 500 nm,
The thickness of the second oxide film layer is,
A semiconductor device of 2nm to 200nm.
상기 제 1 산화막층 또는 상기 제 2 산화막층은,
유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE), 힐라이드 기상 성장법(HVPE), PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition), 스퍼터링(Sputtering) 및 ALD(atomic layer deposition) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것인 반도체 소자.The method according to claim 1 or 4,
The first oxide film layer or the second oxide film layer,
At least one of organic metal vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxial growth (MBE), helide vapor deposition (HVPE), plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD), sputtering, and atomic layer deposition (ALD) The semiconductor device is formed based on.
1nm ~ 1000nm인 것인 반도체 소자.The method of claim 1, wherein the depth of the recessed area,
A semiconductor device of 1 nm to 1000 nm.
트렌치(trench) 형태, 브이-그루브(V-groove) 형태 및 반원 형태 중 적어도 하나의 형태를 구비하는 것인 반도체 소자.The method of claim 1, wherein the recessed area,
A semiconductor device having at least one of a trench form, a V-groove form and a semicircle form.
절연성 기판, 사파이어(Sapphire) 기판, GaN 기판, SiC 기판 및 Si 기판 중 적어도 하나인 것인 반도체 소자.The method of claim 1, wherein the substrate,
At least one of an insulating substrate, a sapphire substrate, a GaN substrate, a SiC substrate, and a Si substrate.
1um ~ 10um인 것인 반도체 소자.The method of claim 1, wherein the thickness of the first GaN layer is
A semiconductor device of 1um to 10um.
상기 제 1 GaN층 상에 C, Fe 및 Mg 도펀트 중 적어도 하나의 도펀트를 주입하여 형성된 고-저항 GaN층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.The method of claim 1,
And a high-resistance GaN layer formed by implanting at least one dopant of C, Fe, and Mg dopants on the first GaN layer.
1e17/cm3 ~ 1e19/cm3인 것인 반도체 소자.The method of claim 13, wherein the concentration of the at least one dopant is
1e17 / cm3 to 1e19 / cm3.
2nm ~ 100nm인 것인 반도체 소자.The method of claim 1, wherein the AlGaN layer,
Wherein the thickness of the semiconductor element is 2 nm to 100 nm.
2nm ~ 10nm인 것인 반도체 소자.The thickness of the second GaN layer,
And is 2 nm to 10 nm.
상기 제 1 GaN층 상에 AlGaN층을 형성시키는 단계;
상기 AlGaN층 상에 제 2 GaN층을 형성시키는 단계;
상기 제 2 GaN층 상에 제 1 산화막층을 형성시키는 단계;
상기 1 산화막층을 선택적으로 식각하여 소스 및 드레인 영역을 정의하는 단계;
상기 소스 및 드레인 영역 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성시키는 단계;
선택적인 식각을 근거로 상기 제 2 GaN층 또는 상기 AlGaN층까지 리세스된 영역을 형성시키는 단계; 및
상기 리세스된 영역 상에 게이트 전극을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.Forming a first GaN layer on the substrate;
Forming an AlGaN layer on the first GaN layer;
Forming a second GaN layer on the AlGaN layer;
Forming a first oxide layer on the second GaN layer;
Selectively etching the first oxide layer to define a source and a drain region;
Forming a source electrode and a drain electrode on the source and drain regions;
Forming a recessed region up to the second GaN layer or the AlGaN layer based on the selective etching; And
Forming a gate electrode on the recessed region.
상기 제 1 산화막층의 일측 상부와 접촉하는 것인 반도체 소자.The method of claim 17, wherein the gate electrode,
The semiconductor device is in contact with the upper portion of one side of the first oxide film layer.
상기 리세스된 영역 상에 제 2 산화막층을 형성시키는 단계; 및
상기 제 2 산화막층 상에 게이트 전극을 형성시키는 단계를 포함하는 것인 반도체 소자의 제조방법.The method of claim 17, wherein forming a gate electrode on the recessed region comprises:
Forming a second oxide layer on the recessed region; And
Forming a gate electrode on the second oxide layer.
유기 금속 기상 성장법(MOCVD)을 근거로 한 증착 장비에 의해 형성되고,
상기 제 1 산화막층은,
상기 제 2 GaN층의 형성 후 상기 증착 장비 내에서 인-시츄(in-situ)로 형성되는 것인 반도체 소자의 제조방법.The method of claim 17, wherein the second GaN layer,
Formed by deposition equipment based on organometallic vapor deposition (MOCVD),
The first oxide film layer,
And forming the second GaN layer in-situ in the deposition apparatus.
상기 제 1 GaN층, 상기 AlGaN층 및 상기 제 2 GaN층은,
유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피성장법(MBE), 힐라이드 기상 성장법(HVPE), PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition), 스퍼터링(Sputtering) 및 ALD(atomic layer deposition) 중 적어도 하나를 근거로 형성되는 것인 반도체 소자.
18. The method of claim 17,
The first GaN layer, the AlGaN layer and the second GaN layer,
At least one of organic metal vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxial growth (MBE), helide vapor deposition (HVPE), plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD), sputtering, and atomic layer deposition (ALD) The semiconductor device is formed based on.
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