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KR20220013871A - High-electron-mobility transistor device and method of manufacuring the same - Google Patents

High-electron-mobility transistor device and method of manufacuring the same Download PDF

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KR20220013871A
KR20220013871A KR1020200132954A KR20200132954A KR20220013871A KR 20220013871 A KR20220013871 A KR 20220013871A KR 1020200132954 A KR1020200132954 A KR 1020200132954A KR 20200132954 A KR20200132954 A KR 20200132954A KR 20220013871 A KR20220013871 A KR 20220013871A
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KR
South Korea
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layer
electrode
barrier layer
semiconductor
semiconductor device
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Application number
KR1020200132954A
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Inventor
강수철
안호균
임종원
장성재
정현욱
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한국전자통신연구원
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Abstract

The present invention provides a method for fabricating a semiconductor device having the improved electrical characteristics and reliability. Specifically, the present invention relates to a method for improving performance of a semiconductor device by disposing a material having the high heat dissipation characteristics in a rear via hole. A via hole is made on the back side through an etching process, after fabricating the front part of the semiconductor device. A 2D material with the high heat dissipation characteristics and a metal layer are formed in the via hole. The 2D material layer with the high heat dissipation characteristics formed on the back effectively allows heat, which may be generated near a source, channel, or drain electrode, to escape, thereby minimizing the degradation of the characteristics of the device due to the heat.

Description

고전자 이동도 트랜지스터 소자 및 그 제조 방법{HIGH-ELECTRON-MOBILITY TRANSISTOR DEVICE AND METHOD OF MANUFACURING THE SAME}HIGH-ELECTRON-MOBILITY TRANSISTOR DEVICE AND METHOD OF MANUFACURING THE SAME

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 특히 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT: High-Electron-Mobility Transistor)에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a High-Electron-Mobility Transistor (HEMT).

고전자 이동도 트랜지스터(HEMT: High-Electron-Mobility Transistor, 이하 HEMT)는 서로 다른 에너지 밴드갭(Band-Gap)을 가지는 이종 반도체의 접합을 이용한다. A High-Electron-Mobility Transistor (HEMT, hereinafter, HEMT) uses a junction of heterogeneous semiconductors having different energy band gaps.

이종 반도체 접합에 의해 발생하는 분극(polarization)과 반도체 간의 밴드갭 차이에서 오는 밴드-단절(Band-Discontinuity)이 이종 접합 계면에 2-DEG(2-Dimensional Electron Gas)층을 형성시키는데, 이를 반도체 소자의 채널층으로 사용한다. The polarization caused by the heterogeneous semiconductor junction and the band-discontinuity resulting from the band gap difference between the semiconductors form a 2-Dimensional Electron Gas (2-DEG) layer at the heterojunction interface, which used as the channel layer of

2-DEG층에 존재하는 전자의 농도는 이종 접합되는 반도체 물질들 간의 분극, 밴드-단절뿐만 아니라 반도체층과 베리어층(barrier layer), 그리고 베리어층 위에 형성되는 유전막들의 내부와 계면에 존재하는 전하에도 의존하며, 전자의 농도는 소자의 전기적 특성에 영향을 준다.The concentration of electrons present in the 2-DEG layer is determined by the polarization and band-breaking between the heterojunction semiconductor materials, as well as the charge present in the interior and interface of the semiconductor layer, the barrier layer, and the dielectric films formed on the barrier layer. Also, the concentration of electrons affects the electrical properties of the device.

2-DEG 층에 형성된 전자들은 소스와 드레인 전극 사이에서 이동하며, 소스와 드레인 및 게이트 전극에 인가되는 전압에 의해서 제어된다. 2-DEG층을 이용하는 HEMT소자는 높은 주파수 특성과 높은 전력밀도 및 큰 파괴전압 특성으로 인해 차세대 전력소자로 각광받고 있으나, 높은 전압에 의해 소자내에 발생하는 열이 전자의 이동도를 감소시켜 소자의 특성을 저하시킬 수 있다.Electrons formed in the 2-DEG layer move between the source and drain electrodes, and are controlled by voltages applied to the source, drain, and gate electrodes. A HEMT device using a 2-DEG layer is spotlighted as a next-generation power device due to its high frequency characteristics, high power density, and large breakdown voltage characteristics. can lower

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 후면 바이어홀(via hole)에 다양한 후면전극 공정을 이용하여 반도체소자에 바이어스 전압이 인가되는 상황에서 발생할 수 있는 열의 효과적인 발산으로 안정성 및 신뢰성이 개선된 고전자 이동도 트랜지스터 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention to solve the above problems is to improve stability and reliability by effectively dissipating heat that may occur in a situation where a bias voltage is applied to a semiconductor device using various rear electrode processes in a rear via hole. An object of the present invention is to provide a high electron mobility transistor and a method for manufacturing the same.

본 발명의 또 다른 목적은 구조적으로 안정되며, 전기적 특성이 향상된 고전자 이동도 트랜지스터 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a high electron mobility transistor that is structurally stable and has improved electrical properties and a method for manufacturing the same.

본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.The above and other objects, advantages and features of the present invention, and a method for achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고전자 이동도 트랜지스터 소자는, 기판; 상기 기판의 상부면 상에 적층된 전이층; 상기 전이층 상에 적층된 반도체층; 상기 반도체 층 상에 적층된 베리어층; 상기 베리어층 상에 적층된 보호층; 상기보호층과 상기 베리어층을 관통하여 상기 베리어층과 반도체층에 접하도록 위치한 드레인 전극과 소스 전극; 및 상기 드레인 전극과 소스 전극 사이에 위치하며, 상기 보호층을 관통하는 개구부에 의해 상부로 노출되는 상기 베리어층 상에 배치된 게이트 전극을 포함하고, 반도체 소자의 구동 시에 발생하는 열을 분산 및 방출하기 위해, 상기 기판의 하부면으로부터 상기 상부면으로 연장되는 바이어홀이 형성되고, 상기 기판의 하부면과 상기 바이어홀의 내측면과 바닥면 상에 형성된 후면 전극층을 더 포함한다.A high electron mobility transistor device of the present invention for achieving the above object, the substrate; a transition layer laminated on the upper surface of the substrate; a semiconductor layer stacked on the transition layer; a barrier layer stacked on the semiconductor layer; a protective layer laminated on the barrier layer; a drain electrode and a source electrode passing through the protective layer and the barrier layer to be in contact with the barrier layer and the semiconductor layer; and a gate electrode disposed between the drain electrode and the source electrode and disposed on the barrier layer exposed upward by an opening penetrating the passivation layer, wherein heat generated during driving of a semiconductor device is dispersed and In order to emit the light, a via hole extending from a lower surface of the substrate to the upper surface is formed, and further comprising a rear electrode layer formed on the lower surface of the substrate and the inner surface and the bottom surface of the via hole.

HEMT 소자는 반도체층과 베리어층의 접합에 의해 발생하는 분극 및 에너지 밴드갭 차이로 인해 반도체층과 베리어층의 계면 부근에서 자연적으로 2-DEG층이 생성된다. 이 2-DEG층에 존재하는 전자는 소스, 드레인 및 게이트 전극에 인가되는 전압에 의해서 이동하게 된다. 전압에 의한 전자의 이동에 의해 반도체소자에 열이 발생하며, 드레인 전류가 감소하는 요인이 된다.In the HEMT device, a 2-DEG layer is naturally generated near the interface between the semiconductor layer and the barrier layer due to the difference in polarization and energy bandgap generated by the junction of the semiconductor layer and the barrier layer. Electrons present in the 2-DEG layer are moved by the voltage applied to the source, drain, and gate electrodes. Heat is generated in the semiconductor device by the movement of electrons by the voltage, which causes a decrease in drain current.

본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자(HEMT)는 후면부의 바이어홀과 후면부 전체에 금속 및 2차원 물질층을 가질 수 있으며, 이러한 금속 및 2차원 물질층은 높은 방열특성을 가질 수 있다. 따라서, 반도체 소자의 구동 시 발생하는 열을 효과적으로 분산 및 방출하여 소자의 전기적 특성, 동작 안정성 및 신뢰성을 높일 수 있다.A semiconductor device (HEMT) according to embodiments of the present invention may have a via hole on the rear surface and a metal and two-dimensional material layer on the entire rear surface, and the metal and two-dimensional material layer may have high heat dissipation characteristics. Accordingly, it is possible to effectively disperse and radiate heat generated during driving of the semiconductor device to increase electrical characteristics, operational stability, and reliability of the device.

더하여, 바이어홀과 후면에 형성된 금속 및 2차원 물질 층이 접지 역할을 할 수 있어서 소자의 전기적 안정성이 향상될 수 있다.In addition, since the metal and the two-dimensional material layer formed on the via hole and the rear surface may serve as a ground, electrical stability of the device may be improved.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2n은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 순차적으로 나타낸 단면도들이다.
1 is a cross-sectional view for explaining a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
2A to 2N are cross-sectional views sequentially illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 고전자 이동도 트랜지스터 소자 및 이의 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시된 것이다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.Hereinafter, a high electron mobility transistor device and a method for manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Widths and thicknesses of layers or regions shown in the accompanying drawings are exaggerated for clarity of specification. Like reference numerals refer to like elements throughout the detailed description.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자를 도시한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 반도체 소자(또는, HEMT 소자)는 기판(100), 상기 기판(100) 상에 배치된 전이층(101), 상기 전이층(101) 상에 배치된 반도체층(102), 상기 반도체층(102) 상에 배치된 베리어층(103), 상기 베리어층(103) 상에 순차적으로 배치된 제2 및 제3 보호층(105 및 106)을 포함한다.Referring to FIG. 1 , a semiconductor device (or HEMT device) includes a substrate 100 , a transition layer 101 disposed on the substrate 100 , and a semiconductor layer 102 disposed on the transition layer 101 . , a barrier layer 103 disposed on the semiconductor layer 102 , and second and third protective layers 105 and 106 sequentially disposed on the barrier layer 103 .

추가로, 반도체 소자는 상기 제2 및 제3 보호층(105 및 106)과 상기 베리어층(103)을 관통하여 상기 베리어층(103)과 반도체층(102)에 접하도록 위치한 드레인 전극(202)과 소스 전극(203)을 포함하고, 상기 드레인 전극(202)과 소스 전극(203) 사이에 위치하며, 상기 제2 및 제3 보호층(105, 106)을 관통하는 개구부에 의해 상부로 노출되는 상기 베리어층(103) 상에 배치된 게이트 전극(204)을 포함한다. In addition, the semiconductor device includes a drain electrode 202 positioned to penetrate the second and third protective layers 105 and 106 and the barrier layer 103 to be in contact with the barrier layer 103 and the semiconductor layer 102 . and a source electrode 203 , positioned between the drain electrode 202 and the source electrode 203 , and exposed upward by an opening penetrating the second and third protective layers 105 and 106 . and a gate electrode 204 disposed on the barrier layer 103 .

이하, 도 1에 도시한 반도체 소자(또는, HEMT 소자)의 제조 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, a method of manufacturing the semiconductor device (or HEMT device) shown in FIG. 1 will be described in detail.

도 2a 내지 도 2n은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.2A to 2N are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to an exemplary embodiment of the present invention.

먼저, 도 2a를 참고하면, 상기 기판(100)이 준비된다. 상기 기판(100)의 재질은, 예를 들면, 반도체 소자 제작을 위한 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘(Si), 갈륨나이트라이드(GaN), 사파이어(sapphire), 다이아몬드(diamond) 등일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. First, referring to FIG. 2A , the substrate 100 is prepared. The material of the substrate 100 may be, for example, silicon carbide (SiC), silicon (Si), gallium nitride (GaN), sapphire, diamond, or the like for manufacturing a semiconductor device. not limited

기판(100) 위에는 전이층(101)이 적층될 수 있다. A transition layer 101 may be stacked on the substrate 100 .

전이층(101)은 기판(100)과 후술할 반도체층(102) 사이의 격자 상수 및 열팽창 계수 차이를 완화시키기 위한 일종의 버퍼 역할을 하는 층일 수 있다. 도 2a에서는 단층 구조의 전이층(101)을 도시하고 있으나, 다층 구조 이루어질 수도 있다.The transition layer 101 may be a layer serving as a kind of buffer for alleviating the difference in lattice constant and thermal expansion coefficient between the substrate 100 and the semiconductor layer 102 to be described later. Although FIG. 2A shows the transition layer 101 having a single-layer structure, it may have a multi-layer structure.

전이층(101)의 상부 표면에는 반도체층(102)이 적층될 수 있다. A semiconductor layer 102 may be stacked on the upper surface of the transition layer 101 .

반도체층(102)은, 수십 마이크로미터 이하의 두께를 가질 수 있으며, 예를 들면, AlN, InN, GaN, AlGaN, InGaN, AlInN, AlGaInN, GaAs등을 포함하는 III-V족 화합물 반도체일 수 있으나, 이를 한정하는 것은 아니며, 반도체층(102) 내부에 2-DEG층이 형성될 수 있는 물질이라면 다른 물질층일 수도 있다.The semiconductor layer 102 may have a thickness of several tens of micrometers or less, and may be, for example, a group III-V compound semiconductor including AlN, InN, GaN, AlGaN, InGaN, AlInN, AlGaInN, GaAs, etc. , but is not limited thereto, and as long as the 2-DEG layer can be formed inside the semiconductor layer 102 , it may be another material layer.

반도체층(102) 내부에 형성되는 2-DEG층은 드레인 전극(202)과 소스 전극(203)을 전기적으로 연결하는 채널을 구비한 층일 수 있다. 반도체층(102)은 도핑되지 않은 층일 수 있지만, 경우에 따라서는 소량의 불순물이 첨가된 층일 수 있다.The 2-DEG layer formed in the semiconductor layer 102 may be a layer having a channel electrically connecting the drain electrode 202 and the source electrode 203 . The semiconductor layer 102 may be an undoped layer, but may be a layer to which a small amount of impurities is added in some cases.

반도체층(102)의 상부 표면에는 베리어층(103)이 적층될 수 있다.A barrier layer 103 may be stacked on the upper surface of the semiconductor layer 102 .

베리어층(103)은 반도체층(102)과 이종 접합을 형성한다. The barrier layer 103 forms a heterojunction with the semiconductor layer 102 .

베리어층(103)은, 예를 들면, 질화물들 중에서 Al, Ga, In 및 B 중 적어도 하나를 포함하며 2-DEG층의 전자 농도를 높이기 위한 단층 또는 다층 구조를 가질 수 있다. 일례로, 베리어층(103)은 InGaN, AlGaN, AlInGaN, AlInN, AlN 등으로 구성된 다양한 질화물 중 하나 이상을 포함하는 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다. The barrier layer 103 may include, for example, at least one of Al, Ga, In, and B among nitrides, and may have a single-layer or multi-layer structure for increasing the electron concentration of the 2-DEG layer. For example, the barrier layer 103 may be formed in a single-layer or multi-layer structure including at least one of various nitrides including InGaN, AlGaN, AlInGaN, AlInN, AlN, and the like.

베리어층(103)의 두께는 수십 나노미터 이하일 수 있으며, 소량의 불순물이 첨가된 층이거나 첨가되지 않은 층일 수도 있다. The thickness of the barrier layer 103 may be several tens of nanometers or less, and may be a layer to which a small amount of impurities is added or a layer to which a small amount of impurities is not added.

반도체층(102)과 베리어층(103)은 격자상수가 다른 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 베리어층(103)은 반도체층(102) 보다 넓은 밴드 갭을 가진다.The semiconductor layer 102 and the barrier layer 103 may include semiconductor materials having different lattice constants, and the barrier layer 103 has a wider band gap than the semiconductor layer 102 .

반도체층(102)과 베리어층(103)의 이종 접합 시 계면에서 발생하는 분극과 에너지 밴드 갭의 차이에서 발생하는 밴드-절단에 의해서 반도체층(102)에 2-DEG층이 생성된다. A 2-DEG layer is formed in the semiconductor layer 102 by band-cutting generated from the difference in polarization and energy band gap occurring at the interface during the heterojunction of the semiconductor layer 102 and the barrier layer 103 .

2-DEG층은 HEMT 소자에서 소스 전극과 드레인 전극을 전기적으로 연결하고 전자가 이동하는 채널로 사용된다.The 2-DEG layer electrically connects the source electrode and the drain electrode in the HEMT device and is used as a channel through which electrons move.

도면에 도시하지는 않았으나, 반도체층(102)과 베리어층(103) 사이에는 계면층(Interfacial Layer)이 더 배치될 수 있다. Although not shown in the drawings, an interfacial layer may be further disposed between the semiconductor layer 102 and the barrier layer 103 .

계면층은 반도체층(102)과 베리어층(103)의 계면 특성을 개선하여 2-DEG층의 전자 농도 및 전자 이동도를 향상시킬 수 있다. 계면층은 수 나노미터 두께 이하의 AlN등과 같은 물질일 수 있다.The interfacial layer may improve the interfacial properties of the semiconductor layer 102 and the barrier layer 103 to improve electron concentration and electron mobility of the 2-DEG layer. The interfacial layer may be a material such as AlN or the like having a thickness of several nanometers or less.

이어, 도 2b를 참고하면, 베리어층(103) 위에 전도성을 가지는 금속 패턴(201)들이 증착 공정을 통해 형성(패터닝 또는 증착)된다. Next, referring to FIG. 2B , conductive metal patterns 201 are formed (patterned or deposited) on the barrier layer 103 through a deposition process.

금속 패턴(201)들은 그 위치에 따라서 도 1에 도시한 드레인 전극 (202)과 소스 전극(203)으로 사용된다. The metal patterns 201 are used as the drain electrode 202 and the source electrode 203 shown in FIG. 1 according to their positions.

금속 패턴들(201)은, 예를 들면, 하나 이상의 Ti, Al, Ni, Au, Pd, Cu, Co, Pt 또는 이들의 합금일 수 있다. 증착되는 금속 패턴(201)들의 두께는 수 나노미터에서 수 마이크로미터 이하일 수 있다. The metal patterns 201 may be, for example, one or more of Ti, Al, Ni, Au, Pd, Cu, Co, Pt, or an alloy thereof. The deposited metal patterns 201 may have a thickness of several nanometers to several micrometers or less.

금속 패턴(201)들은 후술되는 급속 열처리에 의해서 베리어층(103)과 반도체층(102) 내부로 확산되어 전자가 소스 전극(203)에서 반도체층(102)의 2-DEG층을 통해 드레인 전극(202)으로 이동할 수 있도록 한다.The metal patterns 201 are diffused into the barrier layer 103 and the semiconductor layer 102 by rapid heat treatment, which will be described later, so that electrons are transferred from the source electrode 203 through the 2-DEG layer of the semiconductor layer 102 to the drain electrode ( 202) to move it.

이어, 도 2c를 참고하면, 상기 베리어층(103)과 금속 패턴들(201)을 덮는 제1 보호층(104)이 증착공정을 통해 형성된다. 증착 공정은, 예를 들면, PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 공정, PVD(Physical Vapor Deposition) 공정, PLD(Pulsed Laser Deposition) 공정, CVD(Chemical Vapor Deposition) 공정, ALD 공정 중 어느 하나이거나, 이들의 조합일 수 있다.Next, referring to FIG. 2C , a first protective layer 104 covering the barrier layer 103 and the metal patterns 201 is formed through a deposition process. The deposition process is, for example, any one of a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) process, a physical vapor deposition (PVD) process, a pulsed laser deposition (PLD) process, a chemical vapor deposition (CVD) process, and an ALD process, or these may be a combination of

제1 보호층(104)은, 예를 들면, SiO, SiN, 높은 유전율을 가지는 유전체 중 하나 이상을 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다. The first protective layer 104 may have, for example, a single-layer or multi-layer structure including at least one of SiO, SiN, and a dielectric having a high dielectric constant.

제1 보호층(104)은 후술되는 급속 열처리 시에 발생할 수 있는 금속 패턴들(201)의 산화를 방지하고, 베리어층(103)의 손상을 최소화하기 위해서 사용될 수 있다.The first passivation layer 104 may be used to prevent oxidation of the metal patterns 201 that may occur during rapid heat treatment, which will be described later, and to minimize damage to the barrier layer 103 .

이어, 도 2d를 참고하면, 급속 열처리 공정을 통해 베리어층(103)에 형성된 금속 패턴(201)이 베리어층(103)과 반도체층(102)으로 확산되어 드레인 전극(202, 드레인 영역)과 소스 전극(203, 소스 영역)으로 형성된다.Next, referring to FIG. 2D , the metal pattern 201 formed on the barrier layer 103 through a rapid heat treatment process is diffused into the barrier layer 103 and the semiconductor layer 102 to form a drain electrode 202 (drain region) and a source. electrode 203 (source region).

급속 열처리 방법으로, 금속 패턴들(201)이 합금을 형성하고, 반도체층(102)과 베리어층(103)으로 확산될 수 있는 방법이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 이때, 열처리의 온도는 1100도 이하일 수 있다.As a rapid heat treatment method, any method in which the metal patterns 201 can form an alloy and diffuse into the semiconductor layer 102 and the barrier layer 103 may be used without particular limitation. In this case, the temperature of the heat treatment may be 1100 degrees or less.

일 예로, 드레인 전극(202)과 소스 전극(203)을 형성하는 방법으로, 드레인 및 소스 전극(202 및 203)의 패턴은 포토리소그래피 공정을 이용하여 형성할 수 있고, 드레인 및 소스 전극(202 및 203)의 패턴 형성 후, 전자빔 증착기를 이용해 오믹메탈인 Ti/Al/Ni/Au를 증착하고 리프트-오프(lift-off) 공정을 실시할 수 있다. As an example, as a method of forming the drain electrode 202 and the source electrode 203 , the patterns of the drain and source electrodes 202 and 203 may be formed using a photolithography process, and the drain and source electrodes 202 and 203 may be formed using a photolithography process. 203), ohmic metal Ti/Al/Ni/Au may be deposited using an electron beam evaporator, and a lift-off process may be performed.

드레인 및 소스 전극(202 및 203)은 급속 열처리 공정을 통해 오믹컨택을 형성할 수 있으며, 급속 열처리 공정은 1100도 이하, 예를 들면, 850도, 30초간 진공분위기에서 이루어질 수 있다. 도면에 도시하지는 않았으나, 드레인 및 소스 전극(202 및 203)을 형성한 후 이온주입 또는 식각 공정을 이용해 소자 격리를 실시할 수도 있다.The drain and source electrodes 202 and 203 may form an ohmic contact through a rapid heat treatment process, and the rapid heat treatment process may be performed at 1100 degrees or less, for example, 850 degrees or less, in a vacuum atmosphere for 30 seconds. Although not shown in the drawings, device isolation may be performed using an ion implantation or etching process after the drain and source electrodes 202 and 203 are formed.

이어, 도 2e를 참고하면, 급속 열처리 공정이 완료된 후, 식각 공정을 통해 제1 보호층(104)을 제거한다. 식각 공정은, 예를 들면, 건식 식각, 습식 식각 또는 건식과 습식 식각 방법의 혼용일 수 있다.Next, referring to FIG. 2E , after the rapid heat treatment process is completed, the first passivation layer 104 is removed through an etching process. The etching process may be, for example, dry etching, wet etching, or a mixture of dry and wet etching methods.

이어, 도 2f를 참고하면, 제1 보호층(104)의 제거에 따라 상부로 노출되는 베리어층(103), 드레인 전극(202) 및 소스 전극(203) 상에 제2 보호층(105)을 증착한다. 증착 공정은, 예를 들면, PVD(Physical Vapor Deposition) 공정, PLD(Pulsed Laser Deposition) 공정, CVD(Chemical Vapor Deposition) 공정, ALD 공정 중 어느 하나이거나, 이들의 조합일 수 있다.Next, referring to FIG. 2F , a second passivation layer 105 is formed on the barrier layer 103 , the drain electrode 202 , and the source electrode 203 exposed to the upper portion according to the removal of the first passivation layer 104 . to deposit The deposition process may be, for example, any one of a physical vapor deposition (PVD) process, a pulsed laser deposition (PLD) process, a chemical vapor deposition (CVD) process, and an ALD process, or a combination thereof.

제2 보호층(105)은 SiO, SiN, 높은 유전율을 가지는 유전체 중 하나 이상을 포함하는 단층 또는 다층 구조일 수 있다.The second protective layer 105 may have a single-layer or multi-layer structure including at least one of SiO, SiN, and a dielectric having a high dielectric constant.

이어, 도 2g를 참고하면, 상기 소스 전극(203), 드레인 전극(202)에 바이어스 전압을 인가하기 위해서, 드레인 전극(202)과 소스 전극(203)의 상부 표면에 증착된 제2 보호층(105)을 식각 공정을 통해 제거한다. 식각 공정은, 예를 들면, 건식 식각, 습식 식각 또는 건식과 습식 식각 방법의 혼용일 수 있다.Next, referring to FIG. 2G , in order to apply a bias voltage to the source electrode 203 and the drain electrode 202 , a second protective layer ( 105) is removed through an etching process. The etching process may be, for example, dry etching, wet etching, or a mixture of dry and wet etching methods.

이어, 도 2h를 참고하면, 게이트 전극을 배치하기 위해, 소스 전극(203)과 드레인 전극(202) 사이의 적절한 위치에서 베리어층(103) 상에 증착된 제2 보호층(105)을 식각 공정을 통해 제거하여, 개구부(OP1)를 형성한다.Next, referring to FIG. 2H , in order to dispose the gate electrode, the second protective layer 105 deposited on the barrier layer 103 is etched at an appropriate position between the source electrode 203 and the drain electrode 202 . and removed to form an opening OP1.

식각 공정은, 예를 들면, 건식 식각, 습식 식각 또는 건식과 습식 식각 방법의 혼용일 수 있다. 게이트 전극을 배치하기 위한 제2 보호층(105)의 식각 면적과 두께는 수백 마이크로미터 이하일 수 있다.The etching process may be, for example, dry etching, wet etching, or a mixture of dry and wet etching methods. The etched area and thickness of the second passivation layer 105 for disposing the gate electrode may be several hundred micrometers or less.

이어, 도 2i를 참고하면, 상기 개구부(OP1)에 의해 상부로 노출되는 베리어층(103) 위에, 게이트 전극(204)이 형성된다. 상기 게이트 전극(204)은 Ti, Al, Ni, Au, Pd, Cu, Co, Pt 또는 이들의 합금일 수 있다. Next, referring to FIG. 2I , a gate electrode 204 is formed on the barrier layer 103 exposed upwardly by the opening OP1 . The gate electrode 204 may be made of Ti, Al, Ni, Au, Pd, Cu, Co, Pt, or an alloy thereof.

게이트 전극(204)은 저항을 낮추기 위해서 상부의 폭이 하부의 폭보다 큰 T자형 또는 Г자형 등으로도 제공될 수 있다.In order to reduce resistance, the gate electrode 204 may be provided in a T-shape or a Г-shape in which the width of the upper part is greater than the width of the lower part.

게이트 전극(204)의 배선 패턴은 포토리소그래피 및 전자빔 리소그래피 공정을 이용하여 형성할 수 있고, 배선 패턴 형성 후, 전자빔 증착기를 이용해 Ni 또는 Pt를 포함하는 다층 금속을 증착하고 리프트-오프(lift-off) 공정을 실시할 수 있다.The wiring pattern of the gate electrode 204 may be formed using photolithography and electron beam lithography processes. After the wiring pattern is formed, a multilayer metal including Ni or Pt is deposited using an electron beam evaporator and lift-off ) process can be carried out.

이어, 도 2j를 참조하면, 제2 보호층(105), 게이트 전극(204), 소스 전극(203), 드레인 전극(202)을 덮는 제3 보호층(106)이 증착 공정을 통해 형성된다. 증착 공정은, 예를 들면, PVD(Physical Vapor Deposition) 공정, PLD(Pulsed Laser Deposition) 공정, CVD(Chemical Vapor Deposition) 공정, ALD 공정 중 어느 하나이거나, 이들의 조합일 수 있다.Next, referring to FIG. 2J , a third passivation layer 106 covering the second passivation layer 105 , the gate electrode 204 , the source electrode 203 , and the drain electrode 202 is formed through a deposition process. The deposition process may be, for example, any one of a physical vapor deposition (PVD) process, a pulsed laser deposition (PLD) process, a chemical vapor deposition (CVD) process, and an ALD process, or a combination thereof.

상기 제3 보호층(106)은 제작된 반도체 소자를 보호하는 역할을 하며 SiO, SiN 또는 고유전율을 가지는 유전체를 증착하여 형성한다. 제3 보호층(106)의 두께는 수백 나노미터 이하일 수 있다.The third protective layer 106 serves to protect the manufactured semiconductor device and is formed by depositing SiO, SiN, or a dielectric having a high dielectric constant. The thickness of the third passivation layer 106 may be several hundred nanometers or less.

이어, 도 2k를 참조하면, 상기 소스 전극(203), 드레인 전극(202), 그리고 게이트 전극(204)에 바이어스 전압을 인가하기 위해, 각 전극의 상부면 상에 형성된 제3 보호층(106)을 식각 공정을 통해 제거한다. 식각 공정은, 예를 들면, 건식 식각, 습식 식각 또는 건식과 습식 식각 방법의 혼용일 수 있다.Next, referring to FIG. 2K , in order to apply a bias voltage to the source electrode 203 , the drain electrode 202 , and the gate electrode 204 , a third protective layer 106 is formed on the upper surface of each electrode. is removed through an etching process. The etching process may be, for example, dry etching, wet etching, or a mixture of dry and wet etching methods.

각 전극의 윗면의 넓이가 작아서 선택적인 식각이 어려운 경우 각 전극에 전기적으로 연결된 다른 부분을 식각할 수도 있다.When selective etching is difficult due to the small area of the upper surface of each electrode, other portions electrically connected to each electrode may be etched.

이어, 도 2l을 참조하면, 도 2k의 제조 공정까지 완성된 상기 반도체 소자의 후면에서 소스 전극(203) 방향으로 수직하게 연장되는 바이어홀(H)을 식각 공정을 통해 형성한다. 식각 공정은, 건식 식각, 습식 식각 또는 건식과 습식 식각 방법의 혼용일 수 있다.Next, referring to FIG. 2L , a via hole H extending vertically in the direction of the source electrode 203 from the rear surface of the semiconductor device completed up to the manufacturing process of FIG. 2K is formed through an etching process. The etching process may be dry etching, wet etching, or a mixture of dry and wet etching methods.

도 2l에서는 바이어홀(H)의 깊이(또는 높이)가 기판(100) 및 전이층(101)을 관통하여 반도체층(102)의 일부까지 연장되는 예를 도시하고 있으나, 베리어층(103)까지 이어질 수 있으며, 바이어홀(H)의 깊이와 너비(폭)은 공정 변수 조정을 통해 다양하게 설계 변경이 가능하다. 2L shows an example in which the depth (or height) of the via hole H penetrates the substrate 100 and the transition layer 101 and extends to a portion of the semiconductor layer 102 , but up to the barrier layer 103 . In addition, the depth and width (width) of the via hole (H) can be changed in various designs by adjusting the process parameters.

이어, 도 2m를 참조하면, 기판(100)의 후면과 바이어홀(H)의 내측면 및 바닥면에 제1 후면 전극층(205)을 증착 공정을 통해 형성한다. 증착 공정은, 예를 들면, PVD(Physical Vapor Deposition) 공정, PLD(Pulsed Laser Deposition) 공정, CVD(Chemical Vapor Deposition) 공정, ALD 공정 중 어느 하나이거나, 이들의 조합일 수 있다.Next, referring to FIG. 2M , a first rear electrode layer 205 is formed on the rear surface of the substrate 100 and the inner surface and bottom surface of the via hole H through a deposition process. The deposition process may be, for example, any one of a physical vapor deposition (PVD) process, a pulsed laser deposition (PLD) process, a chemical vapor deposition (CVD) process, and an ALD process, or a combination thereof.

제1 후면 전극층(205)은 금속 또는 2차원 물질일 수도 있다. 2차원 물질은, 예를 들면, 그래핀(graphene), 이황화몰리브덴(MoS2)과 같은 단원자층으로 이루어진 재질로 높은 전도도와 방열특성을 갖는 물질일 수 있다.The first back electrode layer 205 may be made of a metal or a two-dimensional material. The two-dimensional material is, for example, a material made of a monoatomic layer such as graphene and molybdenum disulfide (MoS 2 ), and may be a material having high conductivity and heat dissipation characteristics.

이어, 도 2n을 참조하면, 기판(100)의 후면부에 형성된 제1 후면 전극층(205)의 전면에 걸쳐 제2 후면 전극층(206)을 증착 공정을 통해 형성한다.Next, referring to FIG. 2N , a second rear electrode layer 206 is formed over the entire surface of the first rear electrode layer 205 formed on the rear surface of the substrate 100 through a deposition process.

제1 후면 전극층(205)와 마찬가지로 제2 후면 전극층(206)은 금속이거나 2차원 물질을 이용할 수 있다. 후면전극층의 경우 제1 후면전극층(205)와 제2 후면 전극층(206) 뿐만 아니라, 단층 또는 다층 구조로 제공될 수 있다. Like the first back electrode layer 205 , the second back electrode layer 206 may be a metal or a two-dimensional material. The back electrode layer may be provided in a single-layer or multi-layer structure as well as the first back electrode layer 205 and the second back electrode layer 206 .

제1 후면 전극층(205)과 제2 후면 전극층(206)은 동일하거나 다른 물질로 구성될 수 있다. 다른 물질로 구성되는 경우, 제1 후면 전극층(205)은 금속 물질인 경우, 제2 후면 전극층(206)은 2차원 물질일 수 있다. 반대로, 제1 후면 전극층(205)은 2차원 물질인 경우, 제2 후면 전극층(206)은 금속 물질로 구성할 수 있다.The first back electrode layer 205 and the second back electrode layer 206 may be made of the same or different materials. When made of another material, the first rear electrode layer 205 may be a metal material, and the second rear electrode layer 206 may be a two-dimensional material. Conversely, when the first rear electrode layer 205 is a two-dimensional material, the second rear electrode layer 206 may be formed of a metal material.

이처럼 높은 전도도와 방열특성을 갖는 후면 전극층(205, 206)은 반도체 소자의 후면에 형성함으로써, 반도체 소자의 구동 시에 발생하는 열을 분산 및 방출할 수 있다. 이때, 반도체 소자의 후면에서 상면으로 연장되는 바이어홀(H)을 형성하고, 그 바이어홀(H)을 구성하는 측면과 바닥면에 후면 전극층(205, 206)을 형성함으로써, 반도체 소자의 구동 시에 발생하는 열을 분산 및 방출할 수 있고, 그로 인해, 반도체 소자의 전기적 특성, 동작 안정성 및 신뢰성을 더욱 높일 수 있다. The rear electrode layers 205 and 206 having such high conductivity and heat dissipation characteristics are formed on the rear surface of the semiconductor device, thereby dispersing and dissipating heat generated during driving of the semiconductor device. At this time, by forming a via hole (H) extending from the rear surface to the upper surface of the semiconductor device, and forming the rear electrode layers (205, 206) on the side and bottom surfaces constituting the via hole (H), when driving the semiconductor device It is possible to dissipate and dissipate heat generated in the semiconductor device, thereby further improving electrical characteristics, operational stability, and reliability of the semiconductor device.

더하여, 후면 전극층(205, 206)은 금속 및 2차원 물질 층이 접지 역할을 할 수 있어서 소자의 전기적 안정성이 향상될 수 있다.In addition, since the back electrode layers 205 and 206 may serve as a grounding layer of a metal and a two-dimensional material, electrical stability of the device may be improved.

도 2a 내지 도 2n의 제조방법은 다양하게 변형될 수 있다.The manufacturing method of FIGS. 2A to 2N may be variously modified.

이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various modifications and variations are possible by those skilled in the art to which the present invention pertains without departing from the essential characteristics of the present invention.

따라서, 본 발명에 표현된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Accordingly, the embodiments expressed in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to explain, and the scope of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed by the following claims, and all technical ideas that are equivalent to or within the equivalent range should be construed as being included in the scope of the present invention.

100: 기판 101: 전이층
102: 반도체층 103: 베리어층
104: 제1 보호층 105: 제2 보호층
106: 제3 보호층 201: 전도성 금속
202: 소스 전극 203: 드래인 전극
204: 게이트 전극 205: 제1 후면 전극
206: 제2 후면 전극
100: substrate 101: transition layer
102: semiconductor layer 103: barrier layer
104: first protective layer 105: second protective layer
106: third protective layer 201: conductive metal
202: source electrode 203: drain electrode
204: gate electrode 205: first rear electrode
206: second rear electrode

Claims (1)

기판;
상기 기판의 상부면 상에 적층된 전이층;
상기 전이층 상에 적층된 반도체층;
상기 반도체 층 상에 적층된 베리어층;
상기 베리어 층 상에 적층된 보호층;
상기보호층과 상기 베리어층을 관통하여 상기 베리어층과 반도체층에 접하도록 위치한 드레인 전극과 소스 전극; 및
상기 드레인 전극과 소스 전극 사이에 위치하며, 상기 보호층을 관통하는 개구부에 의해 상부로 노출되는 상기 베리어층 상에 배치된 게이트 전극을 포함하고,
반도체 소자의 구동 시에 발생하는 열을 분산 및 방출하기 위해, 상기 기판의 하부면으로부터 상기 상부면으로 연장되는 바이어홀이 형성되고, 상기 기판의 하부면과 상기 바이어홀 내측면과 바닥면 상에 형성된 후면 전극층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고전자 이동도 트랜지스터 소자.
Board;
a transition layer laminated on the upper surface of the substrate;
a semiconductor layer stacked on the transition layer;
a barrier layer stacked on the semiconductor layer;
a protective layer laminated on the barrier layer;
a drain electrode and a source electrode passing through the protective layer and the barrier layer to be in contact with the barrier layer and the semiconductor layer; and
a gate electrode disposed between the drain electrode and the source electrode and disposed on the barrier layer exposed upward by an opening penetrating the passivation layer;
A via hole extending from the lower surface of the substrate to the upper surface is formed in order to dissipate and dissipate heat generated when the semiconductor device is driven, and on the lower surface of the substrate, the inner surface and the bottom surface of the via hole. The high electron mobility transistor device further comprising the formed back electrode layer.
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WO2023242994A1 (en) * 2022-06-15 2023-12-21 三菱電機株式会社 Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device
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