KR100352375B1 - Method Manufacturing the Heterojunction Bipolar Transistor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 알루미늄 갈륨비소(AlGaAs)/갈륨비소(GaAs)의 화합물반도체로 구성되는 이종접합 쌍극자 트랜지스터(Heterojunction Bipolar Transistor : 이하 HBT 라 함)의 제작방법에 관한 것으로서, HBT 고유의 초고속 특성을 저해하는 외부 베이스(extrinsic base) 표면에서의 재결합 전류발생을 통제하도록 하기 위한 것이다.The present invention relates to a method of fabricating a heterojunction bipolar transistor (Heterojunction Bipolar Transistor: HBT) composed of a compound semiconductor of aluminum gallium arsenide (AlGaAs) / gallium arsenide (GaAs), which inhibits the inherent ultrafast characteristics of HBT. This is to control the recombination current generation at the surface of the extrinsic base.
이러한 본 발명에 따른 이종접합 쌍극자 트랜지스터의 제조방법은, HBT 에피 기판을 제작하는 제 1 단계와; 상기 HBT 에피 기판의 에미터와 베이스 영역을 정의하는 제 2 단계; 상기 HBT 에피 기판 위에 감광막과 저온에서 성장된 유전체 박막을 형성하고 2차례의 플라즈마 식각을 수행하여 오믹금속의 리프트오프를 위한 표면돌출부를 제작하는 제 3 단계; 상기 에미터와 베이스 영역의 표면상에 질화텅스텐/질소의 조성경사를 갖는 질화텅스텐/텅스텐의 금속 다중층으로 구성된 내열성 오믹전극을 형성하는 제 4 단계; 상기 오믹전극을 마스크층으로 사용하여 상기 베이스 영역의 표면에 알루미늄 갈륨비소(AlGaAs) 공핍층을 재성장하는 제 5 단계; 및 상기 단계들의 결과물에 컬렉터전극을 형성하고 소자간 분리를 수행하여 단위 HBT를 제작하는 제 6 단계를 포함하여 이루어진다.Such a method for manufacturing a heterojunction dipole transistor according to the present invention includes a first step of manufacturing an HBT epitaxial substrate; Defining a emitter and a base region of the HBT epitaxial substrate; Forming a photoresist film and a dielectric thin film grown at low temperature on the HBT epitaxial substrate and performing plasma etching twice to fabricate a surface protruding portion for lift-off of the ohmic metal; A fourth step of forming a heat-resistant ohmic electrode composed of a metal multilayer of tungsten nitride / tungsten having a composition gradient of tungsten nitride / nitrogen on the surface of the emitter and the base region; Re-growing an aluminum gallium arsenide (AlGaAs) depletion layer on the surface of the base region using the ohmic electrode as a mask layer; And a sixth step of forming a collector electrode on the result of the above steps and performing unit-to-device separation to produce a unit HBT.
Description
본 발명은 알루미늄 갈륨비소(AlGaAs)/갈륨비소(GaAs)의 화합물반도체로 구성되는 이종접합 쌍극자 트랜지스터(Heterojunction Bipolar Transistor : 이하 HBT 라 함)의 제작방법에 관한 것으로서, HBT 고유의 초고속 특성을 저해하는 외부 베이스(extrinsic base) 표면에서의 재결합 전류발생을 통제하도록 하는 이종접합 쌍극자 트랜지스터의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of fabricating a heterojunction bipolar transistor (Heterojunction Bipolar Transistor: HBT) composed of a compound semiconductor of aluminum gallium arsenide (AlGaAs) / gallium arsenide (GaAs), which inhibits the inherent ultrafast characteristics of HBT. A method of manufacturing a heterojunction dipole transistor to control recombination current generation on an extrinsic base surface.
알루미늄 갈륨비소를 에미터로 갈륨비소를 베이스로 사용하는 AlGaAs/GaAs HBT는 초고속 디지털 및 마이크로파 아날로그 회로에 활발하게 응용되고 있다.HBT를 초고속, 저전력 소모의 회로에 사용하기 위해서는 소자 크기의 축소와 더불어 에미터-베이스의 자기정렬기술이 필수적으로 요구된다. 그러나, 회로 응용시 가장 큰 기술적 문제는 에미터-베이스간 접합 크기의 축소와 함께 전류이득이 감소되는 이른바 에미터 크기 효과가 초래되는 것이다. 에미터 크기효과는 주로 에미터와 베이스간에 노출된 외부 베이스 영역에서의 표면 재결합 전류에 기인한 것으로 알려져 있다. 이에 대한 내용은 "Y. Hiraoka and J. Yoshida, Two-dimensional analysis of emitter-size effect on current gain for AlGaAs/GaAs HBTs, IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-34, p. 721, 1987." 논문에 제시되어 있다.AlGaAs / GaAs HBTs, which use aluminum gallium arsenide as the emitter and gallium arsenide as the base, are being actively applied to ultra-high speed digital and microwave analog circuits. Emitter-based self-alignment techniques are indispensable. However, the biggest technical problem in circuit applications is the reduction of the emitter-base junction size, resulting in the so-called emitter size effect of reduced current gain. The emitter size effect is known to be mainly due to the surface recombination current in the outer base region exposed between the emitter and the base. This is described in "Y. Hiraoka and J. Yoshida, Two-dimensional analysis of emitter-size effect on current gain for AlGaAs / GaAs HBTs, IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-34, p. 721, 1987." Presented in the paper.
이러한 재결합 전류문제를 해결하기 위한 몇 가지 방법이 제시되었는데 그 중 대표적인 것은 경사구조의 베이스를 사용하는 방법이다. 이 방법은 "O. Nakajima et al., Suppression of emitter size effect on current gain in AlGaAs/GaAs HBTs, Japan. J. Appl. Phys., vol. 24, p. 1368, 1985." 논문에 제시되어 있다.Several methods have been proposed to solve this problem of recombination currents. The representative method is the use of a sloped base. This method is described in "O. Nakajima et al., Suppression of emitter size effect on current gain in AlGaAs / GaAs HBTs, Japan. J. Appl. Phys., Vol. 24, p. 1368, 1985." Presented in the paper.
다른 방법으로서, 에미터-베이스 주변영역을 보호하는 방법이 있는데, 이를 위해 에미터와 베이스 사이에 AlGaAs 공핍층을 적용하거나, 유황계의 표면처리를 시행한다. AlGaAs 공핍층을 적용하는 방법은, 아래의 4개의 논문에 제시되어 있다. 첫 번째 논문은 "H. H. Liu and S. C. Lee, Super-gain AlGaAs/GaAs heterojunction bipolar transistors using an emitter edge-thinning design, Appl. Phys. Lett., vol. 47, p. 839, 1985." 이고, 두 번째 논문은 "W. S. Lee et al., Effect of emitter-base spacing on the current gain of AlGaAs/GaAsheterojunction bipolar transistor, IEEE Electron Device Lett., vol. 10, p. 200, 1989." 이고, 세 번째 논문은 "N. Hayama and K. Honjo, Emitter size effect on the current gain in fully self-aligned AlGaAs/GaAs HBTs with AlGaAs surface passivation layer, IEEE Electron Device Lett., vol. 11, p. 388, 1990." 이고, 네 번째 논문은 "M. T. Fresina et al., Selective self-aligned emitter ledge formation for heterojunction bipolar transistor, IEEE Electron Device Lett., vol. 17, p. 555, 1996." 이다.Another method is to protect the area around the emitter-base. For this purpose, an AlGaAs depletion layer is applied between the emitter and the base, or a sulfur-based surface treatment is performed. The method of applying AlGaAs depletion layer is presented in the following four papers. The first paper, "H. H. Liu and S. C. Lee, Super-gain AlGaAs / GaAs heterojunction bipolar transistors using an emitter edge-thinning design, Appl. Phys. Lett., Vol. 47, p. 839, 1985." And a second paper, "W. S. Lee et al., Effect of emitter-base spacing on the current gain of AlGaAs / GaAsheterojunction bipolar transistor, IEEE Electron Device Lett., Vol. 10, p. 200, 1989." And the third paper, "N. Hayama and K. Honjo, Emitter size effect on the current gain in fully self-aligned AlGaAs / GaAs HBTs with AlGaAs surface passivation layer, IEEE Electron Device Lett., Vol. 11, p. 388 , 1990. " And a fourth paper, "M. T. Fresina et al., Selective self-aligned emitter ledge formation for heterojunction bipolar transistor, IEEE Electron Device Lett., Vol. 17, p. 555, 1996." to be.
유황계 표면처리를 시행하는 방법은, "C. J. Sandroff et al., Dramatic enhancement in the gain of GaAs/AlGaAs heterojunction bipolar transistor by surface chemical passivation, Appl. Phys. Lett., vol. 51, p. 33, 1987." 논문에 제시되어 있다.Sulfur-based surface treatment is described in "CJ Sandroff et al., Dramatic enhancement in the gain of GaAs / AlGaAs heterojunction bipolar transistor by surface chemical passivation, Appl. Phys. Lett., Vol. 51, p. 33, 1987 . " Presented in the paper.
이중 현재까지 가장 일반적으로 사용되는 기술은 AlGaAs 에미터층의 일부를 잔류시켜 공핍층으로 사용하는 것이며 이를 선반(ledge)이라고 표현한다. 도 2의 (A) ~ (D)는 종래 기술에 의한 이종접합 쌍극자 트랜지스터의 제조공정을 도시한 도면이다.The most commonly used technique to date is to retain a portion of the AlGaAs emitter layer and use it as a depletion layer. 2A to 2D are diagrams illustrating a manufacturing process of a heterojunction dipole transistor according to the prior art.
먼저, (A)에 도시된 바와 같이 반절연성 갈륨비소 기판(21)과 완충층(22)과 부컬렉터층(23)과 컬렉터층(24)과 베이스층(25)과 에미터층(26)과 에미터 캡층(27)로 이루어진 HBT 에피 기판 상에 에미터 전극(32)을 형성한다. 다음, (B)에 도시된 바와 같이 에미터 캡층(27)과 에미터층(26)을 식각하는데, 베이스층(25) 표면에서 약 40 ~ 50 nm의 두께만큼 AlGaAs 에미터층(26)이 잔류할 때 식각을 멈춘다.이때, 정확한 AlGaAs 에미터층(26)의 잔류두께를 제어하기가 어렵고, 또한 이를 위해 플라즈마 식각을 사용할 경우 베이스층(25) 표면에 대한 방사선 손상을 초래할 수도 있는 단점이 있다.First, as shown in (A), the semi-insulating gallium arsenide substrate 21, the buffer layer 22, the subcollector layer 23, the collector layer 24, the base layer 25, the emitter layer 26, and the emi The emitter electrode 32 is formed on the HBT epi substrate made of the ter cap layer 27. Next, as shown in (B), the emitter cap layer 27 and the emitter layer 26 are etched, and the AlGaAs emitter layer 26 will remain on the surface of the base layer 25 by a thickness of about 40 to 50 nm. When the etching stops. At this time, it is difficult to control the remaining thickness of the AlGaAs emitter layer 26 accurately, and there is a disadvantage that the plasma etching may cause radiation damage to the surface of the base layer 25.
다음, (C)에 도시된 바와 같이 에미터층 주변에서 일정한 거리(대략 1 um)를 떨어뜨려 나머지 AlGaAs 에미터층(26)을 식각하여 제거하여 외부 베이스층 표면에서의 재결합 전류방지를 위한 공핍층(34)이 형성되도록 하고, 그 옆에 베이스 전극(33)을 증착한다. 그 후, (D)에 도시된 바와 같이 컬렉터 전극(35)과 소자분리를 행한 뒤 선반(ledge)을 적용한 HBT 단위소자의 제작을 완성한다.Next, as shown in (C), a certain distance (approximately 1 um) is dropped around the emitter layer, and the remaining AlGaAs emitter layer 26 is etched and removed to prevent recombination currents on the outer base layer surface. 34) is formed, and the base electrode 33 is deposited next to it. Thereafter, as shown in (D), the device is separated from the collector electrode 35, and the fabrication of the HBT unit device to which the ledge is applied is completed.
종래의 기술로서 갈륨비소(GaAs)에 대한 오믹 접촉으로 집중적인 연구가 진행된 Au-Ge계는 공정(eutectic) 조성(88wt%Au-12wt%Ge)을 갖는 합금박막을 고진공 속에서 증착시키고 열처리를 통해 오믹 접촉을 형성하는 방법인데, 통상 열안정성이 떨어지고, 표면 및 금속-반도체 계면 형상이 불량하여 소자 집적도가 높은 GaAs 소자의 제조공정에 있어서 신뢰성 및 재현성 문제를 야기할 수 있다. 그 성능을 향상시키고자 니켈(Ni), 팔라듐(Pd)과 같은 준귀금속을 확산 방지층으로 삽입 후 합금화 열처리하는 방법이 개발되기도 하였다. 또한 1980년대 중반부터 미국 IBM T.J.Watson 연구소를 중심으로 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo)과 같은 내열금속을 이용한 고온 오믹 접촉계에 대한 연구가 진행되어 왔다. 대부분의 오믹접촉계의 안정화 온도범위는 대략 450oC 이내인 것으로 평가된다. 열적 안정성이 우수한 텅스텐계만 살펴보면, W/Ni/InAs, W/Ni/InAs/Ni, NiInW, Au/WSiN/(Au, Ge,Ni), MoGe(As)W, NiInW, W/Ni/In/Ni, WN/Ni, Au/Pt/Ti, W/Ti, W/Al, NiGe(Au)W, Au/WN/Ge/Ni, Au/WN/Ni/Ge/Ni, Au/WN/Ni/Ge, W-In-Si, Ni/Au/Ge/ZrB2, W/InAs/Ni, W/AuGeNi, W/AuZn, Au/Pt/Ti/WSiN/Au/Ge/Ni, Au/WN/AuGeNi, Au/W/Mo/Ge, MoGeInW, GeInW, NiSiW, Au/WSi2/Ge, Au/WSi/Ni/Ge, Au/WSi/Ge, Au/W60N40/Ge/Ni, W-In, Au/W/Pd/Ge, WInTe, TiWSix, Au/Cr/Au/Ge, AuGe/Nb, Au/LaB6/Mo/Ge, Au/LaB6/Ni/Ge 등이 연구된 바 있다.The Au-Ge system, which has been intensively researched by ohmic contact with gallium arsenide (GaAs) as a conventional technique, deposits an alloy thin film having an eutectic composition (88wt% Au-12wt% Ge) in high vacuum and undergoes heat treatment. A method of forming ohmic contact through the substrate, in which thermal stability is poor and surface and metal-semiconductor interface shapes are poor, which may cause reliability and reproducibility problems in the manufacturing process of GaAs devices having high device integration. In order to improve the performance, a method of alloying heat treatment after inserting quasi-noble metals such as nickel (Ni) and palladium (Pd) into the diffusion barrier layer has been developed. In addition, since the mid-1980s, research on high temperature ohmic contact systems using heat-resistant metals such as tungsten (W), titanium (Ti), and molybdenum (Mo) has been conducted at the IBM TJWatson Research Center. The stabilization temperature range of most ohmic contact systems is estimated to be within approximately 450 ° C. Looking only at tungsten, which has excellent thermal stability, W / Ni / InAs, W / Ni / InAs / Ni, NiInW, Au / WSiN / (Au, Ge, Ni), MoGe (As) W, NiInW, W / Ni / In / Ni, WN / Ni, Au / Pt / Ti, W / Ti, W / Al, NiGe (Au) W, Au / WN / Ge / Ni, Au / WN / Ni / Ge / Ni, Au / WN / Ni / Ge, W-In-Si, Ni / Au / Ge / ZrB 2 , W / InAs / Ni, W / AuGeNi, W / AuZn, Au / Pt / Ti / WSiN / Au / Ge / Ni, Au / WN / AuGeNi, Au / W / Mo / Ge, MoGeInW, GeInW, NiSiW, Au / WSi 2 / Ge, Au / WSi / Ni / Ge, Au / WSi / Ge, Au / W 60 N 40 / Ge / Ni, W- In, Au / W / Pd / Ge, WInTe, TiWSi x , Au / Cr / Au / Ge, AuGe / Nb, Au / LaB 6 / Mo / Ge, Au / LaB 6 / Ni / Ge .
한편, 통상 p형 GaAs 베이스층에 대한 오믹 접촉으로서는 가장 흔히 쓰이는 AuZn, AuBe 외에 Ag/WN/Pt, Au/Cr, Au/Ti/TiN/Pt, Au/Mo/Ti, Au/Ag/Ti, W/Pd/In/Pd, W, Ti/W, Ti/WSi, Al-Sn-Ni, Al-Ni-Sn, Au/Pd 등이 사용되고 있으며, p형 InGaAs 베이스층에 대한 오믹 접촉으로서는 Pt/Ti, Pt/Pd, Pt, Pt/Ti, Au/Ti, Au/Pt/Ti, Au/Pt/Ti/W, Au/Pt/Ti, Ni/AuZn/Ni, Al/Ti/Ge/Pd, TiWN/Al/Zn/Ni, W, W(Zn), Ge/Pd, Au/LaB6/Au/Pd, AuGe/Pd, Au/ZrB2/Pt/Zn/Pt, Au/Cr 등이 발표된 바 있다.On the other hand, as the ohmic contact to the p-type GaAs base layer, in addition to the most commonly used AuZn, AuBe, Ag / WN / Pt, Au / Cr, Au / Ti / TiN / Pt, Au / Mo / Ti, Au / Ag / Ti, W / Pd / In / Pd, W, Ti / W, Ti / WSi, Al-Sn-Ni, Al-Ni-Sn, Au / Pd, etc. are used, and Pt / is an ohmic contact to the p-type InGaAs base layer. Ti, Pt / Pd, Pt, Pt / Ti, Au / Ti, Au / Pt / Ti, Au / Pt / Ti / W, Au / Pt / Ti, Ni / AuZn / Ni, Al / Ti / Ge / Pd, TiWN / Al / Zn / Ni, W, W (Zn), Ge / Pd, Au / LaB 6 / Au / Pd, AuGe / Pd, Au / ZrB 2 / Pt / Zn / Pt, Au / Cr There is a bar.
이상에서 살펴본 바와 같이 화합물반도체에 대한 오믹접촉에 대한 연구가 30여년에 걸쳐 수 백건 이상 이루어져 왔지만, 본 발명에서와 같이 화합물반도체 HBT기판상에 WNx/WNx→0/W로 구성된 n형의 에미터 및 컬렉터 오믹 전극과 p형의 베이스 오믹전극이 동시에 구현되는 연구논문이나 특허는 발표된 적이 없다.As described above, more than hundreds of studies on ohmic contact with compound semiconductors have been made for over 30 years, but as in the present invention, an n-type compound composed of WN x / WN x → 0 / W is formed on a compound semiconductor HBT substrate. There have been no published research papers or patents on emitter and collector ohmic electrodes and p-type base ohmic electrodes.
상술한 내용을 정리해보면, 전세계가 산업 사회에서 정보화 사회로 급속히변화하면서 대량의 멀티미디어 정보를 실시간적으로 유통시키기 위한 필요성이 절박해지고 있으며, 이를 위한 정보통신시스템과 시스템에 실장되는 핵심 전자부품의 초고속화 및 초고주파화는 필연적이다. 갈륨비소와 같은 화합물반도체를 이용한 HBT 소자는 초고속과 초고주파 특성뿐만 아니라 대전류 구동능력, 높은 파괴전압, 신호의 선형성, 균일한 동작전압 등의 장점을 갖고 있기 때문에 통신용 핵심 소자로서 활발하게 응용되고 있다. 이러한 HBT 소자 고유의 장점을 살리기 위해서는 제작과정에 수반되는 각종 기생요소, 예를 들어 기생 저항이나 기생 커패시턴스 혹은 외부 베이스에서의 표면 재결합전류 발생 등을 제거해야만 한다.In summary, as the world changes rapidly from industrial society to information society, the necessity for distributing a large amount of multimedia information in real time is urgent, and the ultra-high speed of core electronic components mounted in information communication system and system for this is needed. Tue and ultra-high frequency are inevitable. HBT devices using compound semiconductors such as gallium arsenide are actively applied as core devices for communication because they have advantages such as high speed and high frequency characteristics, high current driving capability, high breakdown voltage, signal linearity, and uniform operating voltage. In order to take advantage of the inherent advantages of the HBT device, various parasitic elements involved in the manufacturing process, for example, parasitic resistance, parasitic capacitance, or surface recombination current generation in an external base, must be eliminated.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, HBT 소자의 전기적 특성에 중대한 영향을 미치는 외부 베이스 영역의 표면재결합 전류 발생문제를 효과적으로 대처하는 이종접합 쌍극자 트랜지스터의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.Accordingly, the present invention has been made to solve the problems of the prior art, a method of manufacturing a heterojunction dipole transistor that effectively copes with the problem of generation of surface recombination current in the outer base region, which significantly affects the electrical characteristics of the HBT device. It is to provide.
또한, 에미터 전극과 베이스 전극을 고온에서의 안정성 및 낮은 저항 특성을 갖도록 금속재료를 구성하면서 또한 스퍼터링 증착방법과 리프트오프 방법을 함께 사용하여 에피 기판 상에 동시에 형성하고, 이를 마스크층으로 하여 알루미늄갈륨비소 공핍층을 기판 상에 재성장함으로써 HBT 제작공정의 효율을 향상시키는 이종접합 쌍극자 트랜지스터의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.In addition, the emitter electrode and the base electrode are formed on the epi substrate at the same time by using a sputter deposition method and a lift-off method together while forming a metal material to have stability at high temperature and low resistance. The present invention provides a method of manufacturing a heterojunction dipole transistor that improves the efficiency of an HBT fabrication process by regrowing a gallium arsenide depletion layer on a substrate.
도 1a 내지 도 1k는 본 발명의 한 실시예에 따른 이종접합 쌍극자 트랜지스터의 제조공정을 나타내는 공정도,1A to 1K are process diagrams illustrating a manufacturing process of a heterojunction dipole transistor according to an embodiment of the present invention;
도 2는 종래 기술에 의한 이종접합 쌍극자 트랜지스터의 제조공정을 도시한 공정도이다.2 is a process chart showing a manufacturing process of a heterojunction dipole transistor according to the prior art.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※※ Explanation of code about main part of drawing ※
1 : 반절연성 갈륨비소 기판 (Semi-insulating GaAs Substrate)1: Semi-insulating GaAs Substrate
2 : 완충층 (Buffer Layer)2: Buffer Layer
3 : 부컬렉터층 (Subcollector Layer)3: Subcollector Layer
4 : 컬렉터층 (Collector Layer)4: Collector Layer
5 : 베이스층 (Base Layer)5: Base Layer
6 : 에미터층 (Emitter Layer)6: emitter layer
7 : 에미터 캡층 (Emitter Cap Layer)7: Emitter Cap Layer
8 : 고중합 감광막 (Polymeric Photoresist)8: Polymeric Photoresist
9 : 유전체막 (Dielectric Film Deposited at Room Temperature)9: dielectric film deposited at room temperature
10 : 마스크 감광막 (Photoresist as the Masking Layer)10: Photoresist as the Masking Layer
11 : 텅스텐 금속 다중층 (Tungsten Metal Layers, WNx/WNx→0/W)11: Tungsten Metal Layers (WNx / WN x → 0 / W)
12 : 에미터 전극 (Emitter Electrode)12 Emitter Electrode
13 : 베이스 전극 (Base Electrode)13: Base Electrode
14 : 알루미늄갈륨비소 공핍층 (AlGaAs Depletion Layer)14: AlGaAs Depletion Layer
15 : 컬렉터 전극 (Collector Electrode)15: Collector Electrode
16 : 소자분리영역 (Isolation Area)16: Isolation Area
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이종접합 쌍극자 트랜지스터의 제조방법은, GaAs와 AlGaAs로 구성된 화합물반도체 이종접합 쌍극자 트랜지스터(HBT)를 제작하는 방법에 있어서, HBT 에피 기판을 제작하는 제 1 단계와; 상기 HBT 에피 기판의 에미터와 베이스 영역을 정의하는 제 2 단계; 상기 HBT 에피 기판 위에 감광막과 저온에서 성장된 유전체 박막을 형성하고 2차례의 플라즈마 식각을 수행하여 오믹금속의 리프트오프를 위한 표면돌출부를 제작하는 제 3 단계; 상기 에미터와 베이스 영역의 표면상에 질화텅스텐/질소의 조성경사를 갖는 질화텅스텐/텅스텐의 금속 다중층으로 구성된 내열성 오믹전극을 형성하는 제 4 단계; 상기 오믹전극을 마스크층으로 사용하여 상기 베이스 영역의 표면에 알루미늄 갈륨비소(AlGaAs) 공핍층을 재성장하는 제 5 단계; 및 상기 단계들의 결과물에 컬렉터전극을 형성하고 소자간 분리를 수행하여 단위 HBT를 제작하는 제 6 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a method of manufacturing a heterojunction dipole transistor according to the present invention is a method of manufacturing a compound semiconductor heterojunction dipole transistor (HBT) consisting of GaAs and AlGaAs, the first step of manufacturing an HBT epitaxial substrate Wow; Defining a emitter and a base region of the HBT epitaxial substrate; Forming a photoresist film and a dielectric thin film grown at low temperature on the HBT epitaxial substrate and performing plasma etching twice to fabricate a surface protruding portion for lift-off of the ohmic metal; A fourth step of forming a heat-resistant ohmic electrode composed of a metal multilayer of tungsten nitride / tungsten having a composition gradient of tungsten nitride / nitrogen on the surface of the emitter and the base region; Re-growing an aluminum gallium arsenide (AlGaAs) depletion layer on the surface of the base region using the ohmic electrode as a mask layer; And a sixth step of forming a collector electrode on the resultant of the above steps and performing separation between devices to produce a unit HBT.
양호하게는, 상기 제 3 단계는, 상기 에미터와 베이스 영역의 표면상의 제 1 층에 감광막층을 도포하고 제 2 층에 얇은 유전체층을 상온에서 성장시키는 단계와, 상기 유전체층에 비등방성 패턴을 형성하고 상기 감광막층을 등방성 식각하여 오믹전극이 형성될 영역에 표면돌출부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the third step includes applying a photoresist layer to a first layer on the surface of the emitter and base region and growing a thin dielectric layer on the second layer at room temperature, and forming an anisotropic pattern on the dielectric layer. And isotropically etching the photoresist layer to form a surface protrusion in the region where the ohmic electrode is to be formed.
양호하게는, 상기 제 4 단계는, 상기 HBT 에피 기판 상의 제 1 층에는 질화텅스텐 금속, 제 2 층에는 질소의 조성경사를 갖는 질화텅스텐 금속, 제 3 층에는 순수 텅스텐금속을 증착하는 단계와, 상기 유전체층 상에 형성된 표면돌출부에 의해 금속배선의 단락을 유도한 다음 리프트오프하는 단계를 포함하여, 낮은 오믹 접촉저항과 고온 안정성을 갖는 에미터 전극과 베이스 전극을 형성하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the fourth step includes depositing a tungsten nitride metal having a composition gradient of nitrogen in a first layer on the HBT epitaxial substrate, a nitrogen in a second layer, and a pure tungsten metal in a third layer; Including a step of inducing a short circuit of the metal wiring by the surface protruding portion formed on the dielectric layer, characterized in that to form the emitter electrode and the base electrode having a low ohmic contact resistance and high temperature stability.
보다 양호하게는, 상기 제 5 단계는, 상기 3중층의 텅스텐계 오믹전극을 마스크층으로 하여 실리콘(Si) 도핑농도가 2 ~ 3 x 1016cm-3정도인 알루미늄 갈륨비소 공핍층을 50 ~ 60 nm 의 두께로 성장하는 것을 특징으로 한다.More preferably, in the fifth step, the aluminum gallium arsenide depletion layer having a silicon (Si) doping concentration of 2 to 3 x 10 16 cm -3 is 50 to 3 using the tungsten-based ohmic electrode of the triple layer as a mask layer. It is characterized by growing to a thickness of 60 nm.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 한 실시예에 따른 "이종접합 쌍극자 트랜지스터의 제조방법"을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method of manufacturing a heterojunction dipole transistor according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1a 내지 도 1k 는 본 발명의 한 실시예에 따른 이종접합 쌍극자 트랜지스터(Heterojunction Bipolar Transistor, 이하 HBT 라 함)의 제조공정을 도시한 공정도이다.1A to 1K are flowcharts illustrating a manufacturing process of a heterojunction bipolar transistor (HBT) according to an embodiment of the present invention.
도 1a 는 전기적으로 반절연성(semi-insulating)을 나타내는 주기율표상 3족-5족, 갈륨비소(GaAs)로 구성된 화합물반도체 기판(1) 위에 형성시킨 통상적인 HBT 소자의 에피 구조를 도시한 단면도이다. HBT 에피기판은 MBE(molecular beam epitaxy)나 MOCVD(metal-organic chemical beam epitaxy) 등 다양한 성장방법을 통해 제작될 수 있으며, 본 발명의 경우 일반적인 HBT 구조와 동일한 방법으로 에피 구조를 성장한다. 즉, 우선 기판(1) 상에 갈륨비소(GaAs) 혹은 알루미늄 갈륨비소(AlGaAs) 완충층(2)을 성장하고, 이후 GaAs에 의한 부컬렉터층(3), 컬렉터층(4), 베이스층(5)을 차례로 적층한 후 AlGaAs 에미터층(6)과 GaAs 혹은 InGaAs(인듐갈륨비소) 에미터캡층(7)의 순서에 따라 표면 쪽으로 순차적으로 성장하여 완성한다.FIG. 1A is a cross-sectional view showing the epi structure of a conventional HBT element formed on a compound semiconductor substrate 1 composed of Groups III-5, Gallium Arsenide (GaAs) on the periodic table, which is electrically semi-insulating. . The HBT epitaxial substrate may be manufactured through various growth methods such as molecular beam epitaxy (MBE) or metal-organic chemical beam epitaxy (MOCVD). In the present invention, the epitaxial structure is grown by the same method as the general HBT structure. That is, first, a gallium arsenide (GaAs) or aluminum gallium arsenide (AlGaAs) buffer layer 2 is grown on the substrate 1, and then the sub-collector layer 3, the collector layer 4, and the base layer 5 by GaAs are grown. ) Is sequentially stacked and then grown in order toward the surface according to the order of the AlGaAs emitter layer 6 and the GaAs or InGaAs (indium gallium arsenide) emitter cap layer (7).
연이어 도 1b 에 도시된 바와 같이 습식 화공약품(wet chemical)이나 플라즈마 식각같은 일반적인 메사 식각(mesa etching)방법에 의해 에미터 캡층(7)과 에미터층(6)을 제거하여 베이스층(5)의 표면이 노출되도록 한다. 다음, 도 1c에 도시된 바와 같이 에미터와 베이스 영역 전체 부분에 1차로 통상적인 고중합 감광막(polymeric photoresist)(8)을 0.6 ~ 0.8 um 정도의 두께로 도포하고 용매를 경화 열처리에 의해 제거한다. 연이어 저온 증착이 가능한 방법으로서 전자 사이클로트론 공명(electron cyclotron: ECR) 플라즈마 CVD 혹은 레이저 인가형 CVD 방법을 사용하여 실리콘 산화막(SiO2) 혹은 실리콘 질화막(Si3N4)같은 유전체 박막(9)을 0.2 ~ 0.3 um 정도의 두께로 상온에서 증착한다.Subsequently, as illustrated in FIG. 1B, the emitter cap layer 7 and the emitter layer 6 are removed by a general mesa etching method such as wet chemical or plasma etching. Allow the surface to be exposed. Next, as shown in FIG. 1C, a conventional polymeric photoresist 8 is first applied to the entire portion of the emitter and the base region to a thickness of about 0.6 to 0.8 um, and the solvent is removed by curing heat treatment. . As a method for subsequent low temperature deposition, a dielectric thin film 9 such as a silicon oxide film (SiO 2 ) or a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) is 0.2 using an electron cyclotron (ECR) plasma CVD or a laser-applied CVD method. Deposit at room temperature with a thickness of about 0.3 um.
계속하여 도 1d 에 도시된 바와 같이 감광막(10)을 패턴 형성을 위한 마스크로서 사용하여 1.1 ~ 1.2 um 정도의 두께로 에피 기판 전면에 도포하고 리소그라피 기술을 활용하여 에미터와 베이스 전극이 형성될 영역을 정의한다. 도 1e 에서는 CF계의 프레온(Freon) 개스를 사용하여 이방성(anisotropic)이 크도록 앞서의 유전체 박막층(9)을 1차 플라즈마 식각으로써 선택적으로 제거한다. 여기서 중요한 공정조건은 유전체막 식각시 본래 정의하였던 감광막 패턴의 폭보다 넓어지지 않고 수직방향으로만 식각이 진행되도록 유지하는 것이다. 이러한 상태로 완성된 이방성 식각된 상태가 도 1e 에 도시되어 있다. 만일 유전체막 식각 후 과식각에 의해아래의 감광막(8)이 약간 제거되거나 측방향으로 넓어지더라도 별다른 영향을 미치지는 않는다.Subsequently, as shown in FIG. 1D, the photoresist film 10 is applied as a mask for pattern formation, and is coated on the entire surface of the epi substrate with a thickness of about 1.1 to 1.2 um, and the region where the emitter and the base electrode are to be formed by using lithography technology. Define. In FIG. 1E, the above dielectric thin film layer 9 is selectively removed by primary plasma etching so that anisotropic is large by using CF-based Freon gas. An important process condition here is to maintain the etching process only in the vertical direction without being wider than the width of the photoresist pattern originally defined during the dielectric film etching. An anisotropic etched state completed in this state is shown in FIG. 1E. If the lower photoresist film 8 is slightly removed or laterally widened by the over etching after the dielectric film etching, it does not have any influence.
계속하여 도 1f 에 도시된 바와 같이 유전체막 식각을 위한 마스크로 사용하였던 감광막(10)을 제거하고 유전체막(9)을 마스크로 사용하여 2차 플라즈마 식각과정을 수행하는데, O2, N2O, O3등의 산소계 개스 플라즈마를 활용하여 위의 유전체막 식각 때와는 달리 등방성 식각(즉, 수직방향만큼 수평 방향으로도 되는 식각)을 유도하면 도 1f 에 도시된 바와 같이 유전체막(9) 아래의 하부 감광막(8)에 표면입구가 돌출된 형상이 달성된다. 본 과정에서 산소 플라즈마는 특별히 에너지를 크게 하지 않는 한 유전체막에 손상을 주지 않는다. 이러한 표면 돌출구조는 이후의 공정 단계에서 텅스텐계 금속증착을 위해 높은 에너지의 수직 지향성을 갖는 스퍼터링(sputtering)에 의한 오믹 전극 형성시 리프트오프를 위해 유리하게 작용한다. 통상적인 리프트오프 방식대로 감광막만에 의한 표면 돌출구조는 스퍼터링시 높은 에너지 빔에 의해 손상되기 때문에 미세하고 균일한 패턴을 달성하기 어려운 단점이 있다. 또한, 일반적인 방식대로 기판 전면에 텅스텐 전극금속을 스퍼터링 방법으로 증착하고 플라즈마 식각에 의해 패턴을 형성하게 되면 과식각이나 방사선 손상에 의해 깨끗한 반도체 표면을 얻기가 힘든다.Continuing to removing the photoresist layer (10) previously used as a mask for the dielectric layer etch as shown in Figure 1f, and by using the dielectric film 9 as a mask, performing a second plasma etching process, O 2, N 2 O Unlike when the dielectric film is etched by using an oxygen-based gas plasma, such as O 3 , the isotropic etching (that is, the etching may be performed in the horizontal direction by the vertical direction) is performed, as shown in FIG. 1F. The shape in which the surface inlet protrudes from the lower photosensitive film 8 below is achieved. In this process, the oxygen plasma does not damage the dielectric film unless the energy is increased particularly. This surface protrusion serves advantageously for liftoff in forming ohmic electrodes by sputtering with high energy vertical directivity for tungsten based metal deposition in subsequent process steps. In the conventional lift-off method, the surface protruding structure using only the photoresist film has a disadvantage in that it is difficult to achieve a fine and uniform pattern because it is damaged by a high energy beam during sputtering. In addition, when a tungsten electrode metal is deposited on the front surface of a substrate by a sputtering method and a pattern is formed by plasma etching, it is difficult to obtain a clean semiconductor surface due to overetching or radiation damage.
이어서, 도 1g 에 도시된 바와 같이 에미터와 베이스에 대한 오믹 전극으로서, 기판으로부터 제 1 층에 질화텅스텐(WNx)금속(13)을, 제 2 층에 질소의 조성경사를 갖는 질화텅스텐(WNx→0)금속(14)을, 제 3 층에 텅스텐(W)금속(15)을 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 방식으로 웨이퍼 전면에 증착한다. 여기서, 기지금속으로 사용한 질화텅스텐 금속층은 내열성과 고온 안정성이 우수할 뿐만 아니라 순수 텅스텐에 비해 기판에 대한 응력(stress)이 작아 유리하며, 이어서 질소의 조성이 제 1 의 x로부터 제 3 층의 순서 텅스텐의 0까지 변화하는 경사구조를 갖는 질화텅스텐을 중간에 사용함으로써 전기적 저항이 매우 낮은 최상층의 순수텅스텐으로부터 전자의 이동이 원활하도록 도모한다.Then, as shown in FIG. 1G, as an ohmic electrode for the emitter and the base, tungsten nitride having a composition gradient of tungsten nitride (WN x ) metal 13 in the first layer and nitrogen in the second layer ( The WN x → 0 ) metal 14 is deposited on the front surface of the wafer by reactive sputtering with a tungsten (W) metal 15 on the third layer. Here, the tungsten nitride metal layer used as the base metal is not only excellent in heat resistance and high temperature stability, but also has a small stress on the substrate as compared to pure tungsten, and the composition of nitrogen is then ordered from the first x to the third layer. The use of tungsten nitride having an inclined structure that changes to zero of tungsten is used in the middle to facilitate the movement of electrons from the pure tungsten of the uppermost layer with very low electrical resistance.
마지막으로 순수 텅스텐을 증착하면 유전체층(9)의 표면 돌출부에서 3중의 금속층(11)의 단락이 발생하고, 계속하여 아세톤(acetone) 용액을 사용하여 하부 감광막(8)을 제거하면 기판상에 증착된 전극 외에도 불필요한 금속층까지 함께 제거되어 도 1h 에 도시된 바와 같이 에미터 전극(12)과 베이스전극(13)이 동시에 형성된다. 따라서, 1회의 금속증착에 의해 HBT 의 에미터와 베이스 오믹전극이 고품질로 달성될 수 있으므로 제조단가의 절감 및 제작공정의 재현성 향상이 가능하다.Finally, the deposition of pure tungsten causes a short circuit of the triple metal layer 11 at the surface protrusion of the dielectric layer 9, followed by removal of the lower photoresist film 8 using an acetone solution. In addition to the electrode, even the unnecessary metal layer is removed together, so that the emitter electrode 12 and the base electrode 13 are simultaneously formed as shown in FIG. 1H. Therefore, the emitter and base ohmic electrode of the HBT can be achieved with high quality by one metal deposition, thereby reducing the manufacturing cost and improving the reproducibility of the manufacturing process.
본 발명에 의한 오믹 접촉은 통상적인 고성능 HBT에서는 각 활성영역 상에 높은 도핑농도를 유지하므로 특별한 열처리 없이도 낮은 접촉저항을 얻을 수 있지만, 특수 목적에 따라 열처리가 필요한 경우에 약 500OC 정도까지의 높은 온도에서 급속 열처리(RTA : Rapid Thermal Alloying)를 할 경우에는 별다른 저항의 증가없이 10-6Ω-cm2이하의 낮은 접촉비저항이 달성 가능하다.Ohmic contact according to the present invention, the conventional high-performance HBT maintaining a high doping concentration on the respective active region, so up to about 500 O C degree in the case, but to obtain a low contact resistance, the heat treatment according to the special purposes required without the need for special heat treatment In case of rapid thermal alloying (RTA) at high temperature, low contact resistivity of less than 10 -6 Ω-cm 2 can be achieved without increasing resistance.
이후 도 1i 에 도시된 바와 같이 텅스텐계 오믹전극을 마스크층으로 하여 알루미늄 갈륨비소 공핍층(14)을 HBT 기판 상에 재성장한다. 이때, 알루미늄 갈륨비소 공핍층의 실리콘(Si) 도핑농도는 2 ~ 3 x 1016cm-3정도이며, 통상 에미터로 사용되는 농도인 2 ~ 5 x 1017cm-3보다 낮게 하여 재결합 전류의 공핍효과를 좋게 하며, 두께는 50 ~ 60 nm 로 성장한다. 기존에 에미터층을 식각하여 베이스층 위의 잔류 AlGaAs층을 공핍층으로 사용할 경우 두께를 식각에 의해 정밀하게 제어하기 어렵고 또한 건식 식각 등의 방법을 사용할 경우 기판에 대한 손상 등이 초래되기 때문에 본 발명에서의 고온에서 안정된 오믹전극을 활용하여 자기정렬형 재성장 공핍층에 의한 베이스 표면 재결합 전류발생 억제방법은 매우 효과적일 수 있다.Thereafter, as shown in FIG. 1I, the aluminum gallium arsenide depletion layer 14 is regrown on the HBT substrate using the tungsten-based ohmic electrode as a mask layer. At this time, the silicon (Si) doping concentration of the aluminum gallium arsenide depletion layer is about 2 to 3 x 10 16 cm -3 , and lower than the concentration of 2 to 5 x 10 17 cm -3 , which is usually used as an emitter, Good depletion effect, thickness grows 50 ~ 60 nm. When the residual AlGaAs layer on the base layer is used as a depletion layer by etching the conventional emitter layer, it is difficult to precisely control the thickness by etching, and when the dry etching method is used, damage to the substrate is caused. The method of suppressing the base surface recombination current generation by the self-aligned regrowth depletion layer by utilizing the ohmic electrode stable at high temperature in can be very effective.
이후 재래적인 방법에서처럼 도 1j 에 도시된 바와 같이 베이스 메사 식각 후 컬렉터 전극(15)을 형성하고, 도 1k 에 도시된 바와 같이 메사 식각이나 이온주입(ion implantation)을 이용하여 소자간 전기적 절연(isolation) 영역(16)을 형성하면, 새로운 오믹전극과 재성장 공핍층 제조방법을 이용한 이종접합 쌍극자 트랜지스터의 제작이 완료된다.Thereafter, as shown in FIG. 1J, the collector electrode 15 is formed after etching the base mesa as shown in FIG. 1J, and electrical isolation between devices is performed by using mesa etching or ion implantation as shown in FIG. 1K. When the region 16 is formed, fabrication of the heterojunction dipole transistor using the new ohmic electrode and the regrowth depletion layer manufacturing method is completed.
위에서 양호한 실시예에 근거하여 이 발명을 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 이 발명이 속하는 분야의 숙련자에게는 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 것이며, 위와 같은 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the invention has been described above based on the preferred embodiments thereof, these embodiments are intended to illustrate rather than limit the invention. It will be apparent to those skilled in the art that various changes, modifications, or adjustments to the above embodiments can be made without departing from the spirit of the invention. Therefore, the protection scope of the present invention will be limited only by the appended claims, and should be construed as including all such changes, modifications or adjustments.
이상과 같이 본 발명에 의하면, HBT 소자의 성능에 결정적인 역할을 하는 활성영역, 즉 에미터, 베이스간의 기생효과를 사전에 제거함으로써 초고속 특성을 구현하는데 기술적인 기여를 할 수 있고, 아울러 기존의 제작방법에 비해 효율적으로 공정 단계를 줄임으로써 제작단가의 절감이 가능한 경제적 효과를 갖는다.As described above, according to the present invention, the parasitic effect between the active area, that is, the emitter and the base, which plays a decisive role in the performance of the HBT device can be removed in advance, and a technical contribution can be made to implement the ultra-high speed characteristics. Compared to the method, the manufacturing cost can be reduced by reducing the process steps.
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