KR20240061586A - Method for manufacturing power semiconductor devices using template for semiconductor growth - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법에 관한 것으로, 제1 성장기판과 제2 성장기판을 준비하는 준비단계; 상기 제1 성장기판과 상기 제2 성장기판을 본딩층을 통해 접합시키는 접합단계; 상기 제2 성장기판이 시드층으로 기능하도록, 상기 제2 성장기판을 초박형(Ultra-thin)으로 성형하여 템플릿을 제조하는 성형단계; 및 상기 템플릿의 상기 제2 성장기판 위에 전력반도체 소자를 형성시키는 소자형성단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 초박형(Ultra-thin Type)의 사파이어 시드층을 포함하는 반도체 성장용 템플릿을 이용하여 전력반도체 소자를 제조함으로써, 고방열 지지기판이 접합된 전력반도체 소자의 결함이 대폭적으로 저감될 수 있다.The present invention relates to a method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth, comprising the steps of preparing a first growth substrate and a second growth substrate; A bonding step of bonding the first growth substrate and the second growth substrate through a bonding layer; A molding step of manufacturing a template by molding the second growth substrate into an ultra-thin shape so that the second growth substrate functions as a seed layer; and a device forming step of forming a power semiconductor device on the second growth substrate of the template.
According to the present invention, by manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth containing an ultra-thin sapphire seed layer, defects in the power semiconductor device to which the high heat dissipation support substrate is bonded can be significantly reduced. You can.
Description
본 발명은 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법에 관한 것으로, 초박형(Ultra-thin Type)의 사파이어 시드층을 포함하는 반도체 성장용 템플릿을 이용하여 전력반도체 소자를 제조함으로써, 고방열 지지기판이 접합된 전력반도체 소자의 결함이 대폭적으로 저감될 수 있으며, 고성능의 전력반도체 소자의 제조가 가능한 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth. The present invention relates to a method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth including an ultra-thin sapphire seed layer, thereby forming a high heat dissipation support substrate. The present invention relates to a power semiconductor manufacturing method using a template for semiconductor growth in which defects in the bonded power semiconductor devices can be significantly reduced and high-performance power semiconductor devices can be manufactured.
종래의 실리콘(Si) 단결정 성장기판 웨이퍼 상부에 직접적으로 질화갈륨(GaN) 물질계를 성장시키는 기술 기반의 수평형 채널 구조를 갖는 질화갈륨(GaN) 물질계 전력반도체(HEMT, High Electron Mobility Transistor; 고전자이동도트랜지스터) 소자에서, 해당 소자가 고온에서 안정적으로 고전압 및/또는 고속 스위칭 기능을 가지고 구동되기 위해서는 높은 항복전압과 고신뢰성 특성을 갖는 고품질 에피택시 박막 성장 기술을 통해 전력반도체 소자의 누설 전류를 억제하는 설계가 필수적이다.A gallium nitride (GaN) material-based power semiconductor (HEMT, High Electron Mobility Transistor) with a horizontal channel structure based on technology for growing a gallium nitride (GaN) material directly on top of a conventional silicon (Si) single crystal growth substrate wafer. In order for the device to be stably driven with high voltage and/or high-speed switching function at high temperature, the leakage current of the power semiconductor device must be reduced through high-quality epitaxial thin film growth technology with high breakdown voltage and high reliability characteristics. Restraint design is essential.
이를 위해 종래의 그룹3족 질화물 반도체 박막 소재 및 이들 전력반도체 소자 구조는 1) 전기적으로 고저항 특성을 갖는 실리콘(Si) 단결정 성장기판 웨이퍼 구비와, 2) 실리콘(Si) 단결정 성장기판 웨이퍼 표면층과 고온에서의 반응을 통한 Melt-back Etching 현상을 억제하기 위한 질화알루미늄(AlN) 물질계(알루미늄(Al) 조성을 포함하는 질화물 또는 질화산화물)를 포함하는 Melt-back Etching 방지층 성장과, 3) 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 물질계(알루미늄(Al) 또는 갈륨(Ga) 조성을 포함하는 그룹3족 질화물)를 포함하는 크랙 방지용 응축 응력층 성장과, 4) 질화갈륨(GaN) 물질계(갈륨(Ga) 조성을 포함하는 그룹3족 질화물)를 포함하는 전력반도체 활성층 성장이 순서대로 적층 형성된 구조를 갖고 있다.To this end, conventional group III nitride semiconductor thin film materials and their power semiconductor device structures include 1) a silicon (Si) single crystal growth substrate wafer with high electrical resistance characteristics, 2) a silicon (Si) single crystal growth substrate wafer surface layer, and Growth of a melt-back etching prevention layer containing aluminum nitride (AlN) material (nitride or nitride oxide containing aluminum (Al) composition) to suppress the melt-back etching phenomenon through reaction at high temperature, and 3) aluminum gallium nitride (AlGaN) material system (Group 3 nitrides with aluminum (Al) or gallium (Ga) composition), growth of a condensed stress layer for crack prevention, and 4) Gallium nitride (GaN) material system (Group 3 nitrides with gallium (Ga) composition). It has a structure in which the growth of a power semiconductor active layer containing group 3 nitrides (group 3 nitrides) is formed by sequential stacking.
그리고 상술한 질화갈륨(GaN) 물질계를 포함하는 수평형 채널 구조의 전력반도체 활성층(HEMT, High Electron Mobility Transistor; 고전자이동도트랜지스터)은 통상적으로 1) 질화갈륨(GaN) 버퍼층(Buffer Layer), 2) 질화갈륨(GaN) 채널층(Channel Layer; 수평형 트랜지스터), 3) 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 배리어층(Barrier Layer), 4) 캡핑 패시베이션층(Capping Passivation Layer; Depletion Mode) 또는 p형 질화물 반도체층(p-type Nitride Semiconductor Layer; Enhancement Mode)의 4개 영역으로 적층 형성된다.And the power semiconductor active layer (HEMT, High Electron Mobility Transistor) of the horizontal channel structure containing the above-described gallium nitride (GaN) material system typically consists of 1) a gallium nitride (GaN) buffer layer, 2) Gallium Nitride (GaN) Channel Layer (horizontal transistor), 3) Aluminum Gallium Nitride (AlGaN) Barrier Layer, 4) Capping Passivation Layer (Depletion Mode) or p-type nitride It is formed by stacking four areas of a semiconductor layer (p-type Nitride Semiconductor Layer; Enhancement Mode).
즉, 종래의 실리콘(Si) 단결정 성장기판 웨이퍼 상부에 직접적으로 질화갈륨(GaN) 물질계를 성장시키는 그룹3족 질화물 전력반도체 HEMT 소자 구조에서는 질화갈륨(GaN) 채널층 아래에 높은 저항을 가지는 질화갈륨(GaN) 버퍼층 형성과 함께 고저항을 갖는 실리콘(Si) 단결정 성장기판 웨이퍼를 반드시 적용하고 있으나, 하기와 같은 문제점들이 있다.That is, in the Group III nitride power semiconductor HEMT device structure, which grows a gallium nitride (GaN) material system directly on the top of a conventional silicon (Si) single crystal growth substrate wafer, gallium nitride (GaN) with high resistance is placed under the gallium nitride (GaN) channel layer. A silicon (Si) single crystal growth substrate wafer with high resistance is always used along with the formation of a (GaN) buffer layer, but there are the following problems.
첫 번째로, 종래의 그룹3족 질화물(질화갈륨(GaN) 물질계) 전력반도체 HEMT 소자 구조에서는 MOCVD(금속유기화학증기증착) 장비를 사용하여 그룹3족 질화물 전력반도체 성장기판용 실리콘(Si) 단결정 웨이퍼 상부에 질화갈륨(GaN) 물질계 단결정 박막과 전력반도체 소자 구조를 직접적으로 성장시키는 공정을 수행한다. 이때 1000℃ 전후의 고온과 환원 분위기(H2, H+, NH3, 라디칼 이온)에서 기본적으로 갈륨(Ga) 원자가 포함된 질화갈륨(GaN) 물질계 단결정 박막 성장(성막) 공정이 수행되는데, 실리콘(Si) 단결정 웨이퍼 표면층과 갈륨(Ga) 원자 사이에서 비교적 작은 에너지로 활발하게 Si-Ga 금속성 공정 반응(Metallic Eutectic Reaction)이 발생하는 것을 차단하는 Melt-back Etching 방지막 영역이 절대적으로 필요하다.First, in the conventional Group 3 nitride (gallium nitride (GaN) material-based) power semiconductor HEMT device structure, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) equipment is used to produce silicon (Si) single crystals for Group 3 nitride power semiconductor growth substrates. A process is performed to directly grow a gallium nitride (GaN) single crystal thin film and a power semiconductor device structure on the top of the wafer. At this time, a single crystal thin film growth (film formation) process based on gallium nitride (GaN) material containing gallium (Ga) atoms is basically performed at a high temperature of around 1000°C and a reducing atmosphere (H2, H+, NH3, radical ions), and silicon (Si) A melt-back etching prevention film area that blocks active Si-Ga metallic eutectic reactions with relatively low energy between the single crystal wafer surface layer and gallium (Ga) atoms is absolutely necessary.
이러한 Melt-back Etching 방지막 영역은 통상적으로 100nm 전후의 두께를 가지게 되며, MOCVD 챔버 내에서 인시츄 공정(In-situ Process)으로 성장한 질화알루미늄(AlN) 물질층이 대표적이지만, 이외에도 외부의 다른 성막(증착) 공정 장비(Sputter, PLD, ALD)를 사용하여 MOCVD 챔버에 로딩(Loading)하기 전에 그룹3족 질화물 전력반도체 성장기판용 실리콘(Si) 단결정 웨이퍼 상부에 질화알루미늄(AlN) 또는 질소산화알루미늄(AlNO) 물질층을 엑시츄 공정(Ex-situ Process)으로 성막(증착)시킬 수도 있다.This melt-back etching prevention film area typically has a thickness of around 100 nm, and the representative example is the aluminum nitride (AlN) material layer grown through an in-situ process in the MOCVD chamber, but in addition, other external films ( Before loading into the MOCVD chamber using process equipment (Sputter, PLD, ALD), aluminum nitride (AlN) or aluminum nitride oxide (Aluminum nitride (AlN)) is deposited on the top of a silicon (Si) single crystal wafer for a Group 3 nitride power semiconductor growth substrate. The AlNO) material layer can also be formed (deposited) through an ex-situ process.
그러나 전기적으로 고저항 특성을 갖는 성장기판용 실리콘(Si) 단결정 웨이퍼 상부에 상술한 질화알루미늄(AlN) 물질층으로 Melt-back Etching 방지막 영역을 형성할 때, 질화알루미늄(AlN) 성장 시 실리콘(Si) 성장기판 표면을 손상시키는 수준이 덜하지만, 여전히 실리콘(Si) 성장기판 표면에서 전면 또는 국부적으로 Si-Al 금속성 공정 반응이 발생되어 전도성 경계면 물질층을 형성시키고, 이로 인해 연속공정에서 성장되는 질화갈륨(GaN) 물질계의 결정 품질 저하를 야기하는 문제점이 있다. 또한, 실리콘(Si) 성장기판 표면 손상으로 인해 전도성 경계면 물질(Disordered SiAlN) 형성으로 결정 품질 저하(결정성 감소)가 일어나고, 그 결과 주요 결정결함인 “전위” 밀도 증가로 누설전류가 증가되며, 이는 종국적으로 절연파괴 현상을 촉진시키게 되는 문제점이 있다.However, when forming a melt-back etching prevention film area with the above-described aluminum nitride (AlN) material layer on the top of a silicon (Si) single crystal wafer for a growth substrate with high electrical resistance characteristics, when growing aluminum nitride (AlN), silicon (Si) ) Although the level of damage to the surface of the growth substrate is less, Si-Al metallic eutectic reaction still occurs entirely or locally on the surface of the silicon (Si) growth substrate, forming a conductive interface material layer, which causes nitriding to be grown in a continuous process. There is a problem that causes the crystal quality of the gallium (GaN) material system to deteriorate. In addition, damage to the surface of the silicon (Si) growth substrate causes deterioration in crystal quality (reduced crystallinity) due to the formation of a conductive interface material (disordered SiAlN), and as a result, leakage current increases due to an increase in the density of “dislocations”, which are major crystal defects. This ultimately has the problem of promoting insulation breakdown.
두 번째로, 상술한 종래의 그룹3족 질화물(GaN 물질계) 전력반도체 HEMT 소자 구조에서는 물질을 성장(또는 성막)할 때 서로 다른 이종물질 사이의 물질 고유값인 격자상수(Lattice Constant, LC)와 열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)를 고려해서 공정을 진행해야 하는데, 통상적으로 두 물질 사이의 격자상수(LC)와 열팽창계수(CTE) 차이가 클 경우에 성장(성막) 공정 중에 또는 공정 후에 구조적 및 열-기계적 스트레스로 인해 성장(성막)된 물질 박막내에 마이크로(미세) 또는 마크로(거시) 크랙(Crack)이 불가항력적으로 발생하거나 결정품질이 나빠진다. 특히 그룹3족 질화물 전력반도체 성장기판용 Si 단결정 웨이퍼 상부에 질화갈륨(GaN) 물질계 또는 질화알루미늄(AlN) 물질계를 직접적으로 성장(또는 성막)할 때, 열팽창계수(CTE) 및/또는 격자상수(LC) 측면에서 인장응력(Tensile Stress)이 강하게 발생되어 크랙 현상을 쉽게 관찰할 수 있을 뿐만 아니라, 소정의 두께 이상으로 성장하여 높은 항복전압과 고신뢰성 소자를 구현할 수 있는데 인장응력으로 인해서 그룹3족 질화물 전력반도체 소자 구조 두께를 두껍게 할 수가 없다. Second, in the above-described conventional Group III nitride (GaN material-based) power semiconductor HEMT device structure, when growing (or forming a film) a material, the lattice constant (LC), which is the material intrinsic value between different heterogeneous materials, The process must be carried out considering the coefficient of thermal expansion (CTE). Typically, when the difference in lattice constant (LC) and coefficient of thermal expansion (CTE) between two materials is large, during or after the growth (film formation) process. Due to structural and thermo-mechanical stress, micro (fine) or macro (macro) cracks inevitably occur within the grown (film-formed) material thin film or crystal quality deteriorates. In particular, when directly growing (or forming a film) a gallium nitride (GaN) material system or an aluminum nitride (AlN) material system on the top of a Si single crystal wafer for a Group 3 nitride power semiconductor growth substrate, the coefficient of thermal expansion (CTE) and/or lattice constant ( In terms of LC), tensile stress is strongly generated, so not only can the crack phenomenon be easily observed, but it can also grow beyond a certain thickness to realize a high breakdown voltage and high reliability device. Due to the tensile stress, the group 3 The thickness of the nitride power semiconductor device structure cannot be increased.
상술한 인장응력 완화(Relief) 또는 크랙을 억제하는 방안으로 여러 기술들이 고안되어왔지만, 인장응력을 보상(Compensation) 완충시킬 수 있도록 응축응력(Compressive Stress)을 인위적으로 발생시키는 물질 및 공정을 도입하는 방안으로서, 상술한 Melt-back Etching 방지막 영역 위에 알루미늄(Al) 또는 갈륨(Ga) 조성을 포함하는 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 물질계를 이미 공지된 다층 구조로 적층하여 크랙 현상을 억제하는 크랙 방지용 응축 응력층이 도입되어 사용되고 있다.Several technologies have been devised as a way to relieve the above-described tensile stress or suppress cracks, but it is difficult to introduce materials and processes that artificially generate compressive stress to compensate and buffer the tensile stress. As a solution, an aluminum gallium nitride (AlGaN) material system containing an aluminum (Al) or gallium (Ga) composition is laminated on the melt-back etching prevention layer area described above in a known multi-layer structure to create a crack prevention condensation stress layer that suppresses the crack phenomenon. This has been introduced and is being used.
그러나 상술한 종래의 그룹3족 질화물(GaN 물질계) 전력반도체 HEMT 소자 구조의 크랙 방지용 응축 응력층은, 높은 알루미늄(Al) 비율을 가지는 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 물질계 형성 시 고품질로 두꺼운 층을 성장시키기 어렵고, 결정 품질 감소로 전위가 발생되어 누설전류 증가를 촉진시키는 문제점이 있다.However, the crack-prevention condensation stress layer of the conventional Group 3 nitride (GaN material system) power semiconductor HEMT device structure is used to grow a thick layer with high quality when forming an aluminum gallium nitride (AlGaN) material system with a high aluminum (Al) ratio. It is difficult, and there is a problem in that dislocations are generated due to a decrease in crystal quality, which promotes an increase in leakage current.
세 번째로, 종래의 그룹3족 질화물(GaN 물질계) 전력반도체 HEMT 소자 구조에서는 질화갈륨(GaN) 채널층 아래의 누설전류 억제를 위해, 통상적으로 높은 저항을 갖도록 철(Fe) 또는 탄소(C) 등의 불순물을 과다 도핑(Doping)시킨 질화갈륨(GaN) 버퍼층을 형성시키게 된다.Third, in the conventional Group 3 nitride (GaN material-based) power semiconductor HEMT device structure, iron (Fe) or carbon (C) is usually used to have high resistance to suppress leakage current under the gallium nitride (GaN) channel layer. A gallium nitride (GaN) buffer layer heavily doped with impurities such as is formed.
그러나 종래의 그룹3족 질화물(GaN 물질계) 전력반도체 HEMT 소자 구조에 따르면, 과다하게 도핑(Doping)된 철(Fe) 또는 탄소(C) 등의 불순물로 인해 질화갈륨(GaN) 물질계의 결정 품질이 매우 저하되며, 치명적인 결정 결함, 즉 전위 밀도 증가로 누설전류 증가를 촉진시키게 되는 문제점이 있다. 또한, 저(低) 결정 품질의 질화갈륨(GaN) 버퍼층으로 인해 그 위에 연속공정으로 성장되는 질화갈륨(GaN) 채널층 및 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 배리어층 역시 낮은 결정 품질을 갖게 되는 문제점이 있다.However, according to the conventional Group 3 nitride (GaN material system) power semiconductor HEMT device structure, the crystal quality of the gallium nitride (GaN) material system is poor due to impurities such as excessively doped iron (Fe) or carbon (C). It is very degraded, and there is a problem in that it promotes an increase in leakage current due to a fatal crystal defect, that is, an increase in dislocation density. In addition, due to the low crystal quality of the gallium nitride (GaN) buffer layer, there is a problem in that the gallium nitride (GaN) channel layer and aluminum gallium nitride (AlGaN) barrier layer, which are grown on top of the gallium nitride (GaN) buffer layer in a continuous process, also have low crystal quality. .
이에 따라, 결정 품질의 고도화를 위해 GaN on GaN 방식으로 제조된 전력반도체 소자 다음으로 결정 품질이 좋은 GaN on Sapphire 방식이 널리 이용되고 있으며, 해당 방식에서의 에피택시 성막 기술은 이미 많이 개발되어 성숙된 상태이나, GaN on Sapphire 방식의 유일한 단점으로 사파이어의 방열능이 좋지 않아 고출력 제품에 응용하기에는 한계가 존재한다. Accordingly, in order to improve crystal quality, the GaN on Sapphire method, which has the best crystal quality, is widely used next to power semiconductor devices manufactured using the GaN on GaN method, and the epitaxial film deposition technology for this method has already been developed and matured. However, the only drawback of the GaN on Sapphire method is that sapphire's heat dissipation ability is poor, so there is a limit to its application to high-output products.
이를 극복하고자 종래에는 고방열능을 갖춘 탄화실리콘(SiC), 실리콘(Si) 성장기판을 이용하여 고출력 제품을 개발하고 있으나, 성능, 결정 품질, 결함 및 원가 등의 측면에서 사파이어 성장기판 위에서 성장된 에피택시 대비 열위에 있는 실정이다.To overcome this, high-output products have been developed using silicon carbide (SiC) and silicon (Si) growth substrates with high heat dissipation ability. However, in terms of performance, crystal quality, defects, and cost, it is necessary to develop products grown on sapphire growth substrates. It is inferior to epitaxy.
나아가 전력반도체 소자의 방열능을 향상시키기 위해 성장기판을 완전히 제거하고 고방열 지지기판을 접합하는 경우에는 전력반도체 소자의 방열능은 대폭 개선될 수 있는 이점은 있지만, 성장기판 제거 및 고방열 지지기판을 접합하는 공정 중에 열-기계적 충격 또는 물질 확산으로 인하여 전력반도체 소자의 장기 신뢰성에 악영향을 미치게 되는 문제점이 존재한다.Furthermore, in order to improve the heat dissipation performance of the power semiconductor device, if the growth substrate is completely removed and a high heat dissipation support substrate is bonded, the heat dissipation performance of the power semiconductor device can be greatly improved. There is a problem that adversely affects the long-term reliability of the power semiconductor device due to thermo-mechanical shock or material diffusion during the bonding process.
본 발명의 목적은, 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 초박형(Ultra-thin Type)의 사파이어 시드층을 포함하는 반도체 성장용 템플릿을 이용하여 전력반도체 소자를 제조함으로써, 고방열 지지기판이 접합된 전력반도체 소자의 결함이 대폭적으로 저감될 수 있으며, 고성능의 전력반도체 소자의 제조가 가능한 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법을 제공함에 있다.The purpose of the present invention is to solve the above-described conventional problems, by manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth containing an ultra-thin sapphire seed layer, thereby providing a high heat dissipation support substrate. The present invention provides a method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth, in which defects in bonded power semiconductor devices can be significantly reduced and high performance power semiconductor devices can be manufactured.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 제1 성장기판과 제2 성장기판을 준비하는 준비단계; 상기 제1 성장기판과 상기 제2 성장기판을 본딩층을 통해 접합시키는 접합단계; 상기 제2 성장기판이 시드층으로 기능하도록, 상기 제2 성장기판을 초박형(Ultra-thin)으로 성형하여 템플릿을 제조하는 성형단계; 및 상기 템플릿의 상기 제2 성장기판 위에 전력반도체 소자를 형성시키는 소자형성단계를 포함하는, 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법에 의해 달성된다.The above object is, according to the present invention, a preparation step of preparing a first growth substrate and a second growth substrate; A bonding step of bonding the first growth substrate and the second growth substrate through a bonding layer; A molding step of manufacturing a template by molding the second growth substrate into an ultra-thin shape so that the second growth substrate functions as a seed layer; and a device forming step of forming a power semiconductor device on the second growth substrate of the template. This is achieved by a method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth.
또한, 상기 제1 성장기판과 상기 제2 성장기판은, 사파이어 기판일 수 있다.Additionally, the first growth substrate and the second growth substrate may be sapphire substrates.
또한, 성형된 상기 제2 성장기판의 두께는, 50㎛ 미만일 수 있다.Additionally, the thickness of the molded second growth substrate may be less than 50㎛.
또한, 상기 제1 성장기판의 상면과 상기 제2 성장기판의 하면 중 적어도 어느 하나에는, 희생분리층이 배치될 수 있다.Additionally, a sacrificial separation layer may be disposed on at least one of the upper surface of the first growth substrate and the lower surface of the second growth substrate.
또한, 상기 소자형성단계는, 상기 본딩층과 상기 제1 성장기판을 상기 제2 성장기판으로부터 분리시키고, 상기 제2 성장기판과 지지기판을 접합층을 통해 접합시킬 수 있다.Additionally, in the device forming step, the bonding layer and the first growth substrate may be separated from the second growth substrate, and the second growth substrate and the support substrate may be bonded through a bonding layer.
또한, 상기 접합층의 상면 또는 하면 중 적어도 하나 이상에는, 상기 접합층의 접합력을 강화하고 응축응력을 유발하는 강화층이 배치될 수 있다.Additionally, a reinforcing layer may be disposed on at least one of the upper and lower surfaces of the bonding layer to strengthen the bonding force of the bonding layer and cause condensation stress.
또한, 상기 소자형성단계는, 상기 제2 성장기판에 비아홀을 형성시킨 후, 상기 비아홀에 방열부를 형성시킬 수 있다.Additionally, in the device forming step, a via hole may be formed in the second growth substrate, and then a heat dissipation portion may be formed in the via hole.
또한, 상기 방열부는, 연결부를 통해 상기 전력반도체 소자의 전극과 연결될 수 있다.Additionally, the heat dissipation unit may be connected to the electrode of the power semiconductor device through a connection part.
또한, 상기 소자형성단계는, 초박형으로 성형된 상기 제2 성장기판과 지지기판을 접합층을 통해 접합시키는 제1 단계와, 상기 제2 성장기판의 하면에 배치된 희생분리층으로부터 상기 본딩층과 상기 제1 성장기판을 분리시키는 제2 단계와, 상기 희생분리층 위에 반도체층을 성장시키거나, 상기 희생분리층이 제거된 경우 상기 제2 성장기판 위에 상기 반도체층을 성장시키는 제3 단계와, 성장된 상기 반도체층에 대하여 팹(Fab) 공정을 수행함으로써 상기 제2 성장기판 위에 전력반도체 소자를 형성시키는 제4 단계를 포함할 수 있다.In addition, the device forming step includes a first step of bonding the ultra-thin molded second growth substrate and the support substrate through a bonding layer, and the bonding layer and the sacrificial separation layer disposed on the lower surface of the second growth substrate. a second step of separating the first growth substrate, and a third step of growing a semiconductor layer on the sacrificial isolation layer, or growing the semiconductor layer on the second growth substrate when the sacrificial isolation layer is removed; It may include a fourth step of forming a power semiconductor device on the second growth substrate by performing a fab process on the grown semiconductor layer.
또한, 상기 소자형성단계는, 초박형으로 성형된 상기 제2 성장기판 위에 반도체층을 성장시키는 제1 단계와, 성장된 상기 반도체층에 대하여 팹(Fab) 공정을 수행함으로써 상기 제2 성장기판 위에 전력반도체 소자를 형성시키는 제2 단계와, 상기 전력반도체 소자의 상부와 제1 임시기판을 접착층을 통해 접착시키는 제3 단계와, 상기 제2 성장기판의 하면에 배치된 희생분리층으로부터 상기 본딩층과 상기 제1 성장기판을 분리시키는 제4 단계와, 상기 희생분리층과 지지기판을 제1 접합층을 통해 접합시키는 제5 단계와, 상기 전력반도체 소자의 상부로부터 상기 접착층과 상기 제1 임시기판을 분리시키는 제6 단계를 포함할 수 있다.In addition, the device forming step includes a first step of growing a semiconductor layer on the ultra-thin molded second growth substrate, and performing a fab process on the grown semiconductor layer to generate power on the second growth substrate. A second step of forming a semiconductor device, a third step of bonding the upper part of the power semiconductor device and the first temporary substrate through an adhesive layer, and the bonding layer and the sacrificial separation layer disposed on the lower surface of the second growth substrate. A fourth step of separating the first growth substrate, a fifth step of bonding the sacrificial separation layer and the support substrate through a first bonding layer, and bonding the adhesive layer and the first temporary substrate from the top of the power semiconductor device. A sixth step of separation may be included.
또한, 상기 제5 단계는, 상기 희생분리층과 상기 지지기판을 상기 접합층을 통해 접합시키고, 상기 지지기판과 제2 임시기판을 하부접합층을 통해 접합시키며, 상기 제6 단계는, 상기 전력반도체 소자의 상부로부터 상기 접착층과 상기 제1 임시기판을 분리시킨 후, 상기 하부접합층으로부터 상기 제2 임시기판을 분리시킬 수 있다.Additionally, in the fifth step, the sacrificial separation layer and the support substrate are bonded through the bonding layer, and the support substrate and the second temporary substrate are bonded through the lower bonding layer, and the sixth step is to bond the power After separating the adhesive layer and the first temporary substrate from the top of the semiconductor device, the second temporary substrate can be separated from the lower adhesive layer.
또한, 상기 제3 단계는, 상기 전력반도체 소자의 상부에 보호층을 형성시킨 후, 상기 보호층과 상기 제1 임시기판을 상기 접착층을 통해 접착시킬 수 있다.Additionally, in the third step, after forming a protective layer on the power semiconductor device, the protective layer and the first temporary substrate may be adhered through the adhesive layer.
또한, 상기 제5 단계는, 상기 희생분리층에 표면 거칠기(Surface Texture) 패턴을 형성시킨 후, 상기 희생분리층과 지지기판을 접합층을 통해 접합시킬 수 있다.Additionally, in the fifth step, after forming a surface texture pattern on the sacrificial separation layer, the sacrificial separation layer and the support substrate can be bonded through a bonding layer.
또한, 상기 반도체층은, 버퍼층, 채널층 및 배리어층 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Additionally, the semiconductor layer may include at least one of a buffer layer, a channel layer, and a barrier layer.
본 발명에 따르면, 초박형(Ultra-thin Type)의 사파이어 시드층을 포함하는 반도체 성장용 템플릿을 이용하여 전력반도체 소자를 제조함으로써, 고방열 지지기판이 접합된 전력반도체 소자의 결함이 대폭적으로 저감될 수 있으며, 고성능의 전력반도체 소자의 제조가 가능한 효과가 있다.According to the present invention, by manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth containing an ultra-thin sapphire seed layer, defects in the power semiconductor device to which the high heat dissipation support substrate is bonded can be significantly reduced. This has the effect of enabling the manufacture of high-performance power semiconductor devices.
또한, 본 발명에 따르면, 그룹3족 질화물 반도체 성장 시, 사파이어 성장기판과의 격자상수(LC) 및 열팽창계수(CTE) 차이에 의해 발생된 열-기계적 기인성 스트레스(Thermo-mechanical Induced Stress)가 완전히 해소될 수 있는 반도체 성장용 템플릿이 제공될 수 있어, 제조된 전력반도세 소자의 불량률이 현저하게 낮아질 수 있다.In addition, according to the present invention, when growing a Group 3 nitride semiconductor, the thermo-mechanical induced stress caused by the difference in lattice constant (LC) and coefficient of thermal expansion (CTE) with the sapphire growth substrate is completely eliminated. A template for semiconductor growth that can be solved can be provided, so the defect rate of the manufactured power semiconductor device can be significantly lowered.
한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다.Meanwhile, the effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and various effects may be included within the range apparent to those skilled in the art from the contents described below.
도 1은 본 발명의 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법의 순서도이고,
도 2는 본 발명의 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법에 의해 템플릿이 제조되는 과정을 도시한 것이고,
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법의 소자형성단계의 순서도이고,
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법의 템플릿 위에 전력반도체 소자가 형성되는 과정을 도시한 것이고,
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법의 소자형성단계의 순서도이고,
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법의 템플릿 위에 전력반도체 소자가 형성되는 과정을 도시한 것이고,
도 7은 본 발명의 제2 실시예 또는 제3 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법의 희생분리층에 표면 거칠기(Surface Texture) 패턴이 형성되는 것을 도시한 것이고,
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법의 소자형성단계의 순서도이고,
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법의 템플릿 위에 전력반도체 소자가 형성되는 과정을 도시한 것이고,
도 10은 본 발명의 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법의 제2 성장기판에 방열부가 형성된 것을 도시한 것이고,
도 11은 본 발명의 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법의 제2 성장기판에 방열부와 연결부가 형성된 것을 도시한 것이다.1 is a flowchart of a method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth according to first to third embodiments of the present invention;
Figure 2 shows the process of manufacturing a template by a power semiconductor device manufacturing method using a template for semiconductor growth according to the first to third embodiments of the present invention;
Figure 3 is a flowchart of the device forming step of the power semiconductor device manufacturing method using a template for semiconductor growth according to the first embodiment of the present invention;
Figure 4 shows the process of forming a power semiconductor device on a template in the method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth according to the first embodiment of the present invention;
Figure 5 is a flowchart of the device formation step of the power semiconductor device manufacturing method using a template for semiconductor growth according to the second embodiment of the present invention;
Figure 6 shows the process of forming a power semiconductor device on a template in the method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth according to the second embodiment of the present invention;
Figure 7 shows the formation of a surface texture pattern on the sacrificial isolation layer in the method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth according to the second or third embodiment of the present invention;
Figure 8 is a flowchart of the device formation step of the power semiconductor device manufacturing method using a template for semiconductor growth according to the third embodiment of the present invention;
Figure 9 shows the process of forming a power semiconductor device on the template of the power semiconductor device manufacturing method using a template for semiconductor growth according to the third embodiment of the present invention;
Figure 10 shows a heat dissipation portion formed on a second growth substrate in the method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth according to the first to third embodiments of the present invention;
Figure 11 shows a heat dissipation portion and a connection portion formed on a second growth substrate in the method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth according to the first to third embodiments of the present invention.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail through illustrative drawings. When adding reference numerals to components in each drawing, it should be noted that identical components are given the same reference numerals as much as possible even if they are shown in different drawings.
또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Additionally, when describing embodiments of the present invention, if detailed descriptions of related known configurations or functions are judged to impede understanding of the embodiments of the present invention, the detailed descriptions will be omitted.
또한, 본 발명의 실시예의 구성요소를 설명함에 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.Additionally, when describing components of embodiments of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, sequence, or order of the component is not limited by the term.
지금부터는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법(S100)에 대해 상세히 설명한다.From now on, with reference to the attached drawings, a method (S100) for manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth according to the first embodiment of the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명의 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법에 의해 템플릿이 제조되는 과정을 도시한 것이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법(S100)의 소자형성단계(S140)의 순서도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법(S100)의 템플릿 위에 전력반도체 소자가 형성되는 과정을 도시한 것이고, 도 10은 본 발명의 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법의 제2 성장기판에 방열부가 형성된 것을 도시한 것이고, 도 11은 본 발명의 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법의 제2 성장기판에 방열부와 연결부가 형성된 것을 도시한 것이다.1 is a flowchart of a method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth according to first to third embodiments of the present invention, and FIG. 2 is a semiconductor device manufacturing method according to first to third embodiments of the present invention. It shows the process of manufacturing a template by a power semiconductor device manufacturing method using a template for growth, and Figure 3 shows a device of the power semiconductor device manufacturing method (S100) using a template for semiconductor growth according to the first embodiment of the present invention. This is a flow chart of the forming step (S140), and Figure 4 shows the process of forming a power semiconductor device on the template of the power semiconductor device manufacturing method (S100) using a template for semiconductor growth according to the first embodiment of the present invention. FIG. 10 shows a heat dissipation portion formed on a second growth substrate in the method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth according to the first to third embodiments of the present invention, and FIG. It shows that a heat dissipation part and a connection part are formed on a second growth substrate in the method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth according to Examples 1 to 3.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법(S100)은, 준비단계(S110)와, 접합단계(S120)와, 성형단계(S130)와, 소자형성단계(S140)를 포함한다.As shown in Figures 1 and 2, the power semiconductor device manufacturing method (S100) using a template for semiconductor growth according to the first embodiment of the present invention includes a preparation step (S110), a bonding step (S120), It includes a forming step (S130) and a device forming step (S140).
준비단계(S110)는 제1 성장기판(11a)과 제2 성장기판(11b)을 준비하는 단계이다.The preparation step (S110) is a step of preparing the first growth substrate 11a and the second growth substrate 11b.
여기서 제1 성장기판(11a)과 제2 성장기판(11b)은 사파이어(Sapphire) 기판으로 마련되는데, 이러한 사파이어 기판은 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off, LLO) 공정에서 레이저 빔(단일 파장 광)이 흡수없이 100% 투과(이론 상)될 수 있는 광학적으로 투명하고 고온 내열성을 갖는 기판으로, α-phase Al2O3 사파이어(ScAlMgO4 포함)등으로 마련될 수 있다. 또한, 성장기판은 상부에 성장되는 그룹3족 질화물 반도체 에피택시 박막 내부에 결정결함을 최소화하기 위해 마이크로단위(Microscale) 또는 나노단위(Nanoscale)에서 다양한 디멘션(크기와 형상)으로 규칙 또는 불규칙하게 패터닝된 돌기 형상을 갖는 것도 바람직하다.Here, the first growth substrate 11a and the second growth substrate 11b are prepared as sapphire substrates, and this sapphire substrate is used by a laser beam (single wavelength light) in the laser lift off (LLO) process. It is an optically transparent and high-temperature heat-resistant substrate that can transmit 100% without absorption (in theory), and can be made of α-phase Al 2 O 3 sapphire (including ScAlMgO 4 ). In addition, the growth substrate is patterned regularly or irregularly with various dimensions (size and shape) at the microscale or nanoscale to minimize crystal defects inside the group III nitride semiconductor epitaxial thin film grown on top. It is also desirable to have a protruding shape.
또한, 제1 성장기판(11a)은 캐리어 사파이어(Carrier Sapphire) 기판의 역할을 하는 것으로, 제2 성장기판(11b)에 비해 상대적으로 높은 품질을 요건으로 하지 않지만, 양면이 폴리싱되어 광학적으로 투명할 것을 요건으로 한다.In addition, the first growth substrate 11a serves as a carrier sapphire substrate and does not require relatively high quality compared to the second growth substrate 11b, but is optically transparent as both sides are polished. It is a requirement.
그리고 제2 성장기판(11b)은 성장 사파이어(Growth Sapphire) 기판의 역할을 하는 것으로, 이후의 단계에서 초박형(Ultra-thin Type)으로 성형되어 시드층(Seed Layer)으로 기능한다. 이러한 제2 성장기판(11b)은 질화갈륨(GaN) 등의 그룹3족 질화물 반도체가 성장되는 면이 상면이 되도록 배치되어야 하며, 고품질로 양면이 폴리싱되어 광학적으로 투명할 것을 요건으로 한다.And the second growth substrate 11b serves as a growth sapphire substrate, and is molded into an ultra-thin type in a later step to function as a seed layer. This second growth substrate 11b must be placed so that the surface on which a group III nitride semiconductor such as gallium nitride (GaN) is grown is the upper surface, and both sides must be polished with high quality to be optically transparent.
접합단계(S120)는 제1 성장기판(11a)과 제2 성장기판(11b)을 본딩층(12)을 통해 접합시키는 단계이다.The bonding step (S120) is a step of bonding the first growth substrate 11a and the second growth substrate 11b through the bonding layer 12.
보다 상세하게, 본딩층(12)은 제1 성장기판(11a)의 상면 또는 제2 성장기판(11b)의 하면에 형성된 후, 제1 성장기판(11a)과 제2 성장기판(11b)을 접합시킬 수 있으며, 바람직하게는 제1 성장기판(11a)의 상면에 제1 본딩층(12a)을 형성시키고, 제2 성장기판(11b)의 하면에 제2 본딩층(12b)을 형성시킨 후, 제1 본딩층(12a)과 제2 본딩층(12b)을 300℃ 미만의 온도에서 가압하여 서로 접합시켜 본딩층(12)을 형성시킴으로써 제1 성장기판(11a)과 제2 성장기판(11b)을 접합시킬 수 있다.In more detail, the bonding layer 12 is formed on the upper surface of the first growth substrate 11a or the lower surface of the second growth substrate 11b, and then bonds the first growth substrate 11a and the second growth substrate 11b. Preferably, after forming the first bonding layer (12a) on the upper surface of the first growth substrate (11a) and forming the second bonding layer (12b) on the lower surface of the second growth substrate (11b), The first bonding layer 12a and the second bonding layer 12b are pressed and bonded to each other at a temperature of less than 300° C. to form the bonding layer 12, thereby forming the first growth substrate 11a and the second growth substrate 11b. can be joined.
이러한 본딩층(12)은 그룹3족 질화물 반도체층(110)의 성장 온도(1000℃ 전후)에서도 용융 또는 분해되지 않음과 동시에 성장 공정 시 오염 등 이슈가 없는 물질로 형성되는 것이 바람직하며, 구체적으로 본딩층(12)을 형성하는 물질은 그룹3족 질화물 반도체를 성장시키는 MOCVD 챔버(1000℃ 이상의 온도 및 환원 분위기)에서 물성 변화가 없는 유전체(Dielectric) 물질을 우선적으로 선정하는데, 예를 들면, 산화실리콘(SiO2, 0.8ppm), 질화실리콘(SiNx, 3.8ppm), 탄화질화실리콘(SiCN, 3.8-4.8ppm), 질화알루미늄(AlN, 4.6ppm), 산화알루미늄(Al2O3, 6.8ppm), 더 나아가서는 표면 개선을 위해 SOG(Spin On Glass, 액상 SiO2), HSQ(Hydrogen Silsesquioxane) 등의 FOx(Flowable Oxides)를 포함할 수 있다.This bonding layer 12 is preferably formed of a material that does not melt or decompose even at the growth temperature (around 1000°C) of the group 3 nitride semiconductor layer 110 and does not cause issues such as contamination during the growth process. Specifically, The material forming the bonding layer 12 is preferentially selected as a dielectric material that does not change physical properties in the MOCVD chamber (temperature above 1000°C and reducing atmosphere) in which group III nitride semiconductors are grown, for example, oxidation. Silicon (SiO 2 , 0.8ppm), silicon nitride ( SiN ), and furthermore, to improve the surface, FOx (Flowable Oxides) such as SOG (Spin On Glass, liquid SiO 2 ) and HSQ (Hydrogen Silsesquioxane) may be included.
또한, 제1 성장기판(11a)의 상면과 제2 성장기판(11b)의 하면 중 적어도 어느 하나에는 희생분리층(13)이 배치될 수 있다.Additionally, a sacrificial isolation layer 13 may be disposed on at least one of the upper surface of the first growth substrate 11a and the lower surface of the second growth substrate 11b.
즉, 희생분리층(13)은 본딩층(12)의 상면, 하면 또는 상면과 하면 모두에 배치될 수 있는데, 이 경우 접합단계(S120)는 제1 성장기판(11a)의 상면에 희생분리층(13)을 형성시킨 후 희생분리층(13)의 상면에 제1 본딩층(12a)을 형성시키고, 제2 성장기판(11b)의 하면에 희생분리층(13)을 형성시킨 후 희생분리층(13)의 하면에 제2 본딩층(12b)을 형성시킨 다음, 제1 본딩층(12a)과 제2 본딩층(12b)을 서로 접합시켜 본딩층(12)을 형성시킴으로써 제1 성장기판(11a)과 제2 성장기판(11b)을 접합시킬 수 있다. 다만, 이러한 희생분리층(13)은 본딩층(12)을 통해 성장기판의 분리가 가능할 경우에는 생략될 수 있음은 물론이다.That is, the sacrificial isolation layer 13 may be disposed on the upper surface, the lower surface, or both the upper and lower surfaces of the bonding layer 12. In this case, the bonding step (S120) is performed by separating the sacrificial isolation layer on the upper surface of the first growth substrate 11a. After forming (13), the first bonding layer (12a) is formed on the upper surface of the sacrificial separation layer (13), and the sacrificial separation layer (13) is formed on the lower surface of the second growth substrate (11b). A second bonding layer (12b) is formed on the lower surface of (13), and then the first bonding layer (12a) and the second bonding layer (12b) are bonded to each other to form the bonding layer (12), thereby forming a first growth substrate ( 11a) and the second growth substrate 11b can be bonded. However, it goes without saying that the sacrificial separation layer 13 may be omitted if the growth substrate can be separated through the bonding layer 12.
여기서 희생분리층(13)은 레이저 리프트 오프(LLO) 또는 케미컬 리프트 오프(CLO) 기법을 이용하여 성장기판을 분리하는 경우에 희생되어 분리되는 층으로, 우선적으로 레이저 리프트 오프(LLO) 기법을 이용하는 것이 바람직하며, 이러한 희생분리층(13)은 그룹3족 질화물 반도체층(110)의 성장 온도 전후에서도 용융 또는 분해되지 않음과 동시에 성장 공정 시 오염 등 이슈가 없는 물질로 형성되는 것이 바람직하다.Here, the sacrificial separation layer 13 is a layer that is sacrificed and separated when the growth substrate is separated using the laser lift-off (LLO) or chemical lift-off (CLO) technique, and preferentially uses the laser lift-off (LLO) technique. It is preferable that the sacrificial isolation layer 13 is formed of a material that does not melt or decompose even before or after the growth temperature of the group III nitride semiconductor layer 110 and at the same time does not cause issues such as contamination during the growth process.
한편, 성장기판의 분리에 레이저 리프트 오프(LLO) 기법이 이용되는 경우, 희생분리층(13)은 열-화학 분해 반응이 일어나 희생 분리가 가능한 물질로 구성되며, 예를 들면 사파이어 성장기판의 경우에는 질화갈륨(GaN), 질화인듐갈륨(InGaN), 질화알루미늄갈륨(AlGaN), 질화인듐알루미늄(InAlN) 등의 그룹3족 질화물 반도체 물질로 구성될 수 있다.On the other hand, when the laser lift-off (LLO) technique is used to separate the growth substrate, the sacrificial separation layer 13 is made of a material capable of sacrificial separation by a thermo-chemical decomposition reaction, for example, in the case of a sapphire growth substrate. It may be composed of a Group 3 nitride semiconductor material such as gallium nitride (GaN), indium gallium nitride (InGaN), aluminum gallium nitride (AlGaN), and indium aluminum nitride (InAlN).
또한, 성장기판의 분리에 케미컬 리프트 오프(CLO) 기법이 이용되는 경우, 희생분리층(13)은 습식 식각이 가능한 질화크롬(CrN), 질화티타늄(TiN) 등을 포함하는 물질로 구성될 수 있다.In addition, when a chemical lift-off (CLO) technique is used to separate the growth substrate, the sacrificial separation layer 13 may be made of a material containing chromium nitride (CrN), titanium nitride (TiN), etc., which can be wet etched. there is.
성형단계(S130)는 제2 성장기판(11b)이 반도체 시드층(Seed Layer)으로 기능하도록, 제2 성장기판(11b)을 초박형(Ultra-thin Type)으로 성형함으로써 템플릿을 제조하는 단계이다.The forming step (S130) is a step of manufacturing a template by molding the second growth substrate 11b into an ultra-thin type so that the second growth substrate 11b functions as a semiconductor seed layer.
전력반도체 소자의 방열능을 향상시키기 위해 성장기판을 완전히 제거하고 고방열 지지기판(14)을 접합하는 경우에는 전력반도체 소자의 방열능은 대폭 개선될 수 있는 이점은 있지만, 성장기판 제거 및 고방열 지지기판(14)을 접합하는 공정 중에 열-기계적 충격 또는 물질 확산으로 인하여 전력반도체 소자의 장기 신뢰성에 악영향을 미칠 수 있다.In order to improve the heat dissipation ability of the power semiconductor device, when the growth substrate is completely removed and the high heat dissipation support substrate 14 is bonded, there is an advantage that the heat dissipation ability of the power semiconductor device can be greatly improved. During the process of bonding the support substrate 14, the long-term reliability of the power semiconductor device may be adversely affected due to thermo-mechanical shock or material diffusion.
이에 따라, 본 발명에서는 템플릿 위에 그룹3족 질화물 반도체층(110)을 성장시켜 전력반도체 소자 구조를 형성시키되, 템플릿의 성장기판을 모두 제거하지 않고 초박형의 제2 성장기판(11b)을 남겨둔 후 제2 성장기판(11b)의 하부에 고방열 지지기판(14)을 접합함으로써, 고방열 지지기판(14)을 접합하는 공정 중에 열-기계적 충격 또는 물질 확산으로 인하여 전력반도체 소자의 장기 신뢰성에 악영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.Accordingly, in the present invention, a power semiconductor device structure is formed by growing a group III nitride semiconductor layer 110 on a template, but the ultra-thin second growth substrate 11b is left without removing all of the growth substrate of the template. 2 By bonding the high heat dissipation support substrate 14 to the lower part of the growth substrate 11b, the long-term reliability of the power semiconductor device may be adversely affected due to thermo-mechanical shock or material diffusion during the process of bonding the high heat dissipation support substrate 14. You can prevent it from happening.
이때, 성형된 사파이어 제2 성장기판(11b)의 두께는 전력반도체 소자의 방열을 위해 50㎛ 미만의 두께를 가지도록 성형되는 것이 바람직하다.At this time, the thickness of the molded sapphire second growth substrate 11b is preferably less than 50 μm for heat dissipation of the power semiconductor device.
한편, 제2 성장기판(11b)의 성형은 후술하는 사파이어 기판의 연마 공정으로 성형될 수 있다. 이때, 성형되는 최종 두께(F)는 제1 성장기판(11a)의 두께(A), 제2 성장기판(11b)의 두께(B), 연마 성형에 앞서(前) 접합된 기판의 총 두께(C) 및 제2 성장기판(11b)의 목표 두께(D)를 통해 다음과 같이 계산될 수 있다.Meanwhile, the second growth substrate 11b can be formed through a sapphire substrate polishing process that will be described later. At this time, the final thickness (F) to be molded is the thickness (A) of the first growth substrate (11a), the thickness (B) of the second growth substrate (11b), and the total thickness of the bonded substrate prior to polishing molding ( C) and the target thickness (D) of the second growth substrate 11b can be calculated as follows.
ⅰ) 제2 성장기판(11b)의 두께(B) - 제2 성장기판(11b)의 목표 두께(D) = 연마로 제거할 사파이어 기판 두께(E)i) Thickness (B) of the second growth substrate (11b) - Target thickness (D) of the second growth substrate (11b) = Thickness of the sapphire substrate to be removed by polishing (E)
ⅱ) 연마 성형에 앞서(前) 접합된 기판의 총 두께(C) - 연마로 제거할 사파이어 기판 두께(E) = 연마 후 제2 성장기판(11b)의 최종 두께(F)ii) Total thickness of the bonded substrate prior to polishing (C) - Sapphire substrate thickness to be removed by polishing (E) = Final thickness of the second growth substrate 11b after polishing (F)
또한, 구체적인 공정 과정은 다음과 같으나, 이에 한정되지 않고 제2 성장기판(11b)을 최종 두께(F)로 성형하기 위한 것이라면 제한되지 않는다. 먼저, 제2 성장기판(11b) 사파이어를 빠른 속도로 기계적 연마하는 랩핑(Lapping) 공정을 거친 다음, 제2 성장기판(11b)이 정확한 초박형(Ultra-thin)의 최종 두께(F)를 갖도록 기계적 연마(Mechanical Polishing) 공정을 시행한다. 이후, 최종 성형 단계로서 그룹3족 질화물 반도체의 에피택시 성장이 가능하도록 하기 위해, 제2 성장기판(11b)의 표면이 0.5nm 이하의 표면 거칠기를 가지도록 화학적-기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, CMP) 공정을 시행하여 성형 공정을 마무리한다.In addition, the specific process process is as follows, but is not limited thereto, as long as it is for molding the second growth substrate 11b to the final thickness (F). First, the sapphire of the second growth substrate 11b is mechanically polished at a high speed through a lapping process, and then the second growth substrate 11b is mechanically polished to have an accurate ultra-thin final thickness (F). A mechanical polishing process is performed. Thereafter, in order to enable epitaxial growth of the group III nitride semiconductor as the final forming step, the surface of the second growth substrate 11b is chemically mechanically polished (CMP) to have a surface roughness of 0.5 nm or less. ) process is carried out to complete the molding process.
또한 필요에 따라, CMP 공정을 마친 후에 그룹3족 질화물 반도체 에피택시 박막 품질의 고도화를 위해, 제2 성장기판(11b) 사파이어 상면에 마이크로단위(Microscale) 또는 나노단위(Nanoscale)에서 다양한 디멘션(크기와 형상)으로 규칙 또는 불규칙하게 패터닝된 돌기 형상을 갖는 것도 바람직하다.In addition, if necessary, in order to improve the quality of the group III nitride semiconductor epitaxial thin film after completing the CMP process, various dimensions (sizes) in the microscale or nanoscale are added to the sapphire upper surface of the second growth substrate 11b. It is also desirable to have a protrusion shape patterned regularly or irregularly.
소자형성단계(S140)는 제조된 템플릿의 제2 성장기판(11b) 위에 전력반도체 소자를 형성시키는 단계이다. 본 실시예에서는 HEMT 구조를 예로써 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 MOSFET, JFET 등의 스위칭 또는 무선 증폭기를 위한 전력반도체 소자, MiniLED 또는 MicroLED와 같은 반도체 발광 소자, AlN 기반 통신용 필터 등에도 본 발명의 템플릿이 응용될 수 있다.The device forming step (S140) is a step of forming a power semiconductor device on the second growth substrate 11b of the manufactured template. In this embodiment, the HEMT structure is described as an example, but it is not limited to this, and the template of the present invention can also be used in power semiconductor devices for switching or wireless amplifiers such as MOSFET and JFET, semiconductor light emitting devices such as MiniLED or MicroLED, and AlN-based communication filters. This can be applied.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 소자형성단계(S140)는 보다 상세하게, 제1 단계(S141)와, 제2 단계(S142)와, 제3 단계(S143)와, 제4 단계(S144)를 포함한다.As shown in FIGS. 3 and 4, the device forming step (S140) is in more detail, the first step (S141), the second step (S142), the third step (S143), and the fourth step ( S144).
제1 단계(S141)는 초박형으로 성형된 제2 성장기판(11b)과 최종 지지기판(14)을 접합층(15)을 통해 접합시키는 단계이다.The first step (S141) is a step of bonding the ultra-thin molded second growth substrate 11b and the final support substrate 14 through the bonding layer 15.
여기서 최종 지지기판(14)은 탄화실리콘(SiC), 실리콘(Si), AlNcera 등의 기판 중 제조하고자 하는 전력반도체 소자의 목적에 맞는 기판을 선택할 수 있다. 이 중에서 AlNcera 기판은 HEMT 적층 구조와 열팽창계수가 매칭되어 적층 구조 두께 증가와, 조성 균일도 개선, 고방열능과 원가 절감, IC 공정 가능 등의 이점으로 인해 우선적으로 선택될 수 있다.Here, the final support substrate 14 can be selected from among silicon carbide (SiC), silicon (Si), and AlNcera substrates that suit the purpose of the power semiconductor device to be manufactured. Among these, the AlNcera substrate can be selected preferentially due to its advantages such as increased thickness of the stacked structure by matching the thermal expansion coefficient with the HEMT stacked structure, improved composition uniformity, high heat dissipation ability and cost reduction, and enabling IC processing.
또한, 접합층(15)은 그룹3족 질화물 반도체층(110)의 성장 온도(1000℃ 전후)에서도 용융 또는 분해되지 않음과 동시에 성장 공정 시 오염 등 이슈가 없는 물질로 형성되는 것이 바람직하며, 구체적으로 접합층(15)을 형성하는 물질은 그룹3족 질화물 반도체를 성장시키는 MOCVD 챔버(1000℃ 이상의 온도 및 환원 분위기)에서 물성 변화가 없는 유전체(Dielectric) 물질을 우선적으로 선정하는데, 예를 들면, 산화실리콘(SiO2, 0.8ppm), 질화실리콘(SiNx, 3.8ppm), 탄화질화실리콘(SiCN, 3.8-4.8ppm), 질화알루미늄(AlN, 4.6ppm), 산화알루미늄(Al2O3, 6.8ppm), 더 나아가서는 표면 개선을 위해 SOG(Spin On Glass, 액상 SiO2), HSQ(Hydrogen Silsesquioxane) 등의 FOx(Flowable Oxides)를 포함할 수 있다.In addition, the bonding layer 15 is preferably formed of a material that does not melt or decompose even at the growth temperature (around 1000°C) of the group 3 nitride semiconductor layer 110 and does not cause issues such as contamination during the growth process. The material forming the bonding layer 15 is preferentially selected as a dielectric material that does not change physical properties in the MOCVD chamber (temperature over 1000°C and reducing atmosphere) in which group III nitride semiconductors are grown. For example, Silicon oxide (SiO 2 , 0.8ppm), silicon nitride ( SiN ppm), and furthermore, for surface improvement, FOx (Flowable Oxides) such as SOG (Spin On Glass, liquid SiO 2 ) and HSQ (Hydrogen Silsesquioxane) may be included.
보다 상세하게, 접합층(15)은 제2 성장기판(11b)의 상면 또는 최종 지지기판(14)의 하면에 형성된 후, 제2 성장기판(11b)과 최종 지지기판(14)을 접합시킬 수 있으며, 바람직하게는 제2 성장기판(11b)의 상면에 제1 접합층(15a)을 형성시키고, 최종 지지기판(14)의 하면에 제2 접합층(15b)을 형성시킨 후, 제1 접합층(15a)과 제2 접합층(15b)을 300℃ 미만의 온도에서 가압하여 서로 접합시켜 접합층(15)을 형성시킴으로써 제2 성장기판(11b)과 최종 지지기판(14)을 서로 접합시킬 수 있다.More specifically, the bonding layer 15 can be formed on the upper surface of the second growth substrate 11b or the lower surface of the final support substrate 14, and then bond the second growth substrate 11b and the final support substrate 14. Preferably, the first bonding layer 15a is formed on the upper surface of the second growth substrate 11b, the second bonding layer 15b is formed on the lower surface of the final support substrate 14, and then the first bonding layer is formed. The layer 15a and the second bonding layer 15b are pressed and bonded to each other at a temperature of less than 300° C. to form the bonding layer 15, thereby bonding the second growth substrate 11b and the final support substrate 14 to each other. You can.
한편, 접합층(15)의 상면 또는 하면 중 적어도 하나 이상, 즉 접합층(15)과 최종 지지기판(14) 사이 또는 접합층(15)과 제2 성장기판(11b) 사이 중 적어도 하나 이상에는 접합층(15)의 접합력을 강화하고 응축응력을 유발하는 강화층이 배치될 수 있다. 이러한 강화층을 구성하는 물질은 그룹3족 질화물 반도체층(110)의 성장 온도(1000℃ 전후)에서도 용융되지 않으며, 그룹3족 질화물 반도체층(110)의 성장에 문제가 없는 물질 중에서 선택될 수 있다.Meanwhile, at least one of the upper or lower surface of the bonding layer 15, that is, between the bonding layer 15 and the final support substrate 14 or between the bonding layer 15 and the second growth substrate 11b A reinforcing layer that strengthens the bonding force of the bonding layer 15 and causes condensation stress may be disposed. The material constituting this reinforcement layer does not melt even at the growth temperature (around 1000°C) of the group 3 nitride semiconductor layer 110, and can be selected from materials that do not cause problems in the growth of the group 3 nitride semiconductor layer 110. there is.
여기서 강화층은 보다 상세하게, 최종 지지기판 위에 배치되는 응축 응력층과, 응축 응력층 위에 배치되는 접합 강화층을 포함한다.Here, the reinforcement layer includes, in more detail, a condensation stress layer disposed on the final support substrate and a bonding reinforcement layer disposed on the condensation stress layer.
응축 응력층은 응축응력을 유발하는 층으로, 최종 지지기판(14)의 열팽창계수보다 더 큰 값을 갖는 유전체 물질, 예를 들면 질화알루미늄(AlN, 4.6ppm), 질화산화알루미늄(AlNO, 4.6-6.8ppm), 산화알루미늄(Al2O3, 6.8ppm), 탄화실리콘(SiC, 4.8ppm), 탄화질화실리콘(SiCN, 3.8-4.8ppm), 질화갈륨(GaN, 5.6ppm), 질화산화갈륨(GaNO, 5.6-6.8ppm) 등의 인장응력을 완화, 즉 응축응력을 유발하는 물질로 구성되는데, 이는 스트레스 조절을 통한 제품의 품질 개선을 유도하는 역할을 한다.The condensation stress layer is a layer that causes condensation stress, and is a dielectric material with a higher value of thermal expansion coefficient than the final support substrate 14, such as aluminum nitride (AlN, 4.6 ppm), aluminum nitride oxide (AlNO, 4.6- 6.8ppm), aluminum oxide (Al 2 O 3 , 6.8ppm), silicon carbide (SiC, 4.8ppm), silicon carbonitride (SiCN, 3.8-4.8ppm), gallium nitride (GaN, 5.6ppm), gallium nitride oxide ( It is composed of materials that relieve tensile stress, that is, cause condensation stress, such as GaNO, 5.6-6.8ppm), which plays a role in improving product quality through stress control.
접합 강화층은 제2 성장기판(11b)이 접합층(15)을 통해 최종 지지기판(14)과 접합될 때, 접합력을 강화하기 위해 도입되는 층으로, 접합 강화층 위에 제2 접합층(15b)이 형성되며, 접합 강화층을 구성하는 물질은 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiNx) 등에서 우선적으로 선정하는 것이 바람직하다.The bonding reinforcement layer is a layer introduced to strengthen the bonding force when the second growth substrate 11b is bonded to the final support substrate 14 through the bonding layer 15, and the second bonding layer 15b is formed on the bonding strengthening layer. ) is formed, and the material constituting the bond reinforcement layer is preferably selected from silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN x ), etc.
한편, 본 발명에서는 경우에 따라 접합 강화층 또는 응축 응력층이 생략될 수 있으며, 경우에 따라 강화층 전체가 생략되어 최종 지지기판(14)과 접합층(15)이 직접 접할 수 있다. 이러한 경우는 접합층(15)으로 실리콘(Si) 등의 최종 지지기판(14)의 열팽창계수보다 큰 물질을 성막하여 접합 기능과 함께 응축응력을 유발하는 구조일 수 있다.Meanwhile, in the present invention, the bonding reinforcement layer or the condensation stress layer may be omitted in some cases, and in some cases, the entire reinforcing layer may be omitted so that the final support substrate 14 and the bonding layer 15 can be in direct contact. In this case, the bonding layer 15 may be formed of a material with a higher thermal expansion coefficient than the final support substrate 14, such as silicon (Si), to function as a bonding layer and cause condensation stress.
제2 단계(S142)는 제2 성장기판(11b)의 하면에 배치된 희생분리층(13)으로부터 본딩층(12)과 제1 성장기판(11a)을 분리시키는 단계이다. 여기서 제1 성장기판(11a)의 분리에는 희생분리층(13)의 물질에 따라 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off, LLO) 기법 또는 케미컬 리프트 오프(Chemical Lift Off, CLO) 기법을 이용할 수 있다.The second step (S142) is a step of separating the bonding layer 12 and the first growth substrate 11a from the sacrificial separation layer 13 disposed on the lower surface of the second growth substrate 11b. Here, the first growth substrate 11a can be separated using a laser lift off (LLO) technique or a chemical lift off (CLO) technique depending on the material of the sacrificial separation layer 13.
여기서 레이저 리프트 오프(LLO) 기법이란, 균일한 광출력 및 빔 프로파일, 그리고 단일 파장을 갖는 자외선(UV) 레이저 빔을 투명한 성장기판 후면에 조사하여 성장기판을 분리하는 기법으로, 본 실시예에서 제1 성장기판(11a)이 분리될 때 최종 지지기판(14)과 접합된 그룹3족 질화물 반도체층(110) 내부는 스트레스가 완전하게 해소된 상태로, 최종 지지기판(14)과 함께 평탄한(Flat) 상태를 유지한다. 이후, 제1 성장기판(11a)의 분리에 따른 손상 영역과 오염된 표면 잔류물, 저품질 단결정 박막 영역을 가능한 완전하게 제거하는 것이 바람직하다.Here, the laser lift-off (LLO) technique is a technique of separating the growth substrate by irradiating an ultraviolet (UV) laser beam with uniform light output, beam profile, and single wavelength to the back of the transparent growth substrate. In this embodiment, the laser lift-off (LLO) technique is used. 1 When the growth substrate 11a is separated, the inside of the Group 3 nitride semiconductor layer 110 bonded to the final support substrate 14 is in a state where stress is completely relieved, and is flat along with the final support substrate 14. ) maintain the status. Thereafter, it is desirable to completely remove the damaged area, contaminated surface residue, and low-quality single crystal thin film area resulting from the separation of the first growth substrate 11a as much as possible.
또한, 케미컬 리프트 오프(CLO) 기법이란, 제1 성장기판(11a)의 후면을 기계적 연마(Grinding & Polishing)한 후, 남은 박형의 제1 성장기판(11a)을 습식 식각 방법을 이용하여 완전히 제거하는 기법이다.In addition, the chemical lift-off (CLO) technique refers to mechanically grinding and polishing the back of the first growth substrate 11a, and then completely removing the remaining thin first growth substrate 11a using a wet etching method. This is a technique.
이후, 희생분리층(13)은 선택적으로 제거될 수 있으며, 희생분리층(13)이 그룹3족 질화물 반도체로 이루어진 경우에는 제거되지 않아도 무방하다. Thereafter, the sacrificial isolation layer 13 may be selectively removed, and if the sacrificial isolation layer 13 is made of a group 3 nitride semiconductor, it may not be removed.
제3 단계(S143)는 희생분리층(13) 위에 그룹3족 질화물 반도체층(110)을 단층 또는 다층으로 성장시키거나, 제2 단계(S142)에서 희생분리층(13)이 제거된 경우 제2 성장기판(11b) 위에 그룹3족 질화물 반도체층(110)을 단층 또는 다층으로 성장시키는 단계이다.In the third step (S143), the group III nitride semiconductor layer 110 is grown as a single layer or multilayer on the sacrificial isolation layer 13, or when the sacrificial isolation layer 13 is removed in the second step (S142). 2 This is the step of growing the group III nitride semiconductor layer 110 as a single layer or multilayer on the growth substrate 11b.
여기서 그룹3족 질화물 반도체층(110)은 버퍼층(111), 채널층(112) 및 배리어층(113) 중 적어도 하나를 포함하며, 제2 성장기판(11b) 위에 버퍼층(111), 채널층(112) 및 배리어층(113)이 순서대로 적층된 구조일 수 있다.Here, the group 3 nitride semiconductor layer 110 includes at least one of the buffer layer 111, the channel layer 112, and the barrier layer 113, and the buffer layer 111 and the channel layer ( 112) and the barrier layer 113 may be stacked in order.
이러한 그룹3족 질화물 반도체층(110)은 단층 또는 다층의 그룹3족 질화물 반도체로 구성되며, 고온(HT) 및 고저항(HR) 특성을 갖는 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄갈륨(AlGaN), 질화알루미늄(AlN), 초격자 구조의 질화알루미늄갈륨/질화갈륨(AlGaN/GaN SLs), 초격자 구조의 질화알루미늄/질화갈륨(AlN/GaN SLs), 초격자 구조의 질화알루미늄갈륨/질화알루미늄(AlGaN/AlN SLs), 질화인듐갈륨(InGaN), 질화인듐알루미늄(InAlN), 질화갈륨/질화인듐알루미늄(GaN/InAlN), 질화알루미늄스칸듐(AlScN), 질화갈륨/질화알루미늄스칸듐(GaN/AlScN) 등으로 구성될 수 있다. 이러한 그룹3족 질화물 반도체층(110)은 치명적인 결정결함, 즉 관통 전위(최초 성장기판과의 수직방향으로 존재) 밀도를 저감시키는 것이 결정적인 품질 인자이다(≤ Low 108/㎠). 예를 들면, 본 실시예에서 그룹3족 질화물 반도체층(110)의 버퍼층(111)은 질화갈륨(GaN) 또는 질화알루미늄(AlN)으로, 채널층(112)은 질화갈륨(GaN)으로, 배리어층(113)은 질화알루미늄갈륨(AlGaN)으로 형성될 수 있다.This group 3 nitride semiconductor layer 110 is composed of a single or multi-layer group 3 nitride semiconductor, such as gallium nitride (GaN), aluminum gallium nitride (AlGaN), etc., which have high temperature (HT) and high resistance (HR) characteristics. Aluminum nitride (AlN), superlattice aluminum gallium nitride/gallium nitride (AlGaN/GaN SLs), superlattice aluminum gallium nitride/gallium nitride (AlN/GaN SLs), superlattice aluminum gallium nitride/aluminum nitride ( AlGaN/AlN SLs), indium gallium nitride (InGaN), indium aluminum nitride (InAlN), gallium nitride/indium aluminum nitride (GaN/InAlN), aluminum scandium nitride (AlScN), gallium nitride/aluminum scandium nitride (GaN/AlScN) It may be composed of etc. For the Group 3 nitride semiconductor layer 110, reducing the density of critical crystal defects, that is, penetration dislocations (existing in a direction perpendicular to the initial growth substrate), is a critical quality factor (≤ Low 108/cm2). For example, in this embodiment, the buffer layer 111 of the group 3 nitride semiconductor layer 110 is made of gallium nitride (GaN) or aluminum nitride (AlN), the channel layer 112 is made of gallium nitride (GaN), and the barrier layer 112 is made of gallium nitride (GaN) or aluminum nitride (AlN). Layer 113 may be formed of aluminum gallium nitride (AlGaN).
제4 단계(S144)는 성장된 그룹3족 질화물 반도체층(110)에 대하여 팹(Fab) 공정 및 칩(Chip) 공정을 수행함으로써 제2 성장기판(11b) 위에 전력반도체 소자를 형성시키는 단계이다.The fourth step (S144) is a step of forming a power semiconductor device on the second growth substrate 11b by performing a fab process and a chip process on the grown group III nitride semiconductor layer 110. .
즉, 제4 단계(S144)에서는 HEMT, MOSFET, JFET 등의 소자 구조에 따라 필요한 경우 그룹3족 질화물 반도체층(110)을 식각한 후, 그룹3족 질화물 반도체층(110)과 전기적으로 연결되는 복수의 전극(120)(HEMT의 경우 소스전극(121), 드레인전극(122), 게이트전극(123) 등)을 형성하고, 그룹3족 질화물 반도체층(110) 또는 복수의 전극(120)들의 일부를 덮는 패시베이션층(130)을 형성시키는 등의 팹 공정과 칩 공정을 수행함으로써 초박형의 제2 성장기판(11b) 위에 전력반도체 소자 구조를 형성시킨다. That is, in the fourth step (S144), if necessary according to the device structure of the HEMT, MOSFET, JFET, etc., the group 3 nitride semiconductor layer 110 is etched and then electrically connected to the group 3 nitride semiconductor layer 110. A plurality of electrodes 120 (source electrode 121, drain electrode 122, gate electrode 123, etc. in the case of HEMT) are formed, and the group 3 nitride semiconductor layer 110 or the plurality of electrodes 120 are formed. A power semiconductor device structure is formed on the ultra-thin second growth substrate 11b by performing a fab process and a chip process, such as forming a passivation layer 130 that partially covers it.
한편, 도 10에 도시된 바와 같이, 최종 지지기판(14)과 접합층(15)이 각각 전도성인 경우(예: Metallic Substrate, Metal Bonding), 본 발명의 소자형성단계(S140)는(예를 들면, 제4 단계(S144)는) 전력반도체 소자 구조를 형성시킨 다음, 제2 성장기판(11b)에 비아홀을 형성시킨 후, 비아홀에 방열부(140)를 형성시킬 수 있다.Meanwhile, as shown in FIG. 10, when the final support substrate 14 and the bonding layer 15 are each conductive (e.g., Metallic Substrate, Metal Bonding), the device forming step (S140) of the present invention (e.g. For example, in the fourth step (S144), a power semiconductor device structure may be formed, a via hole may be formed in the second growth substrate 11b, and then a heat dissipation portion 140 may be formed in the via hole.
구체적으로 제4 단계(S144)에서는, 상부에 전력반도체 소자 구조가 형성되지 않은 제2 성장기판(11b)의 일 영역에 레이저 드릴링(Laser drilling) 가공을 통해 비아홀을 형성시킨 후, 비아홀에 금속 물질의 충진시켜 방열부(140)를 형성시킴으로써 추가적인 방열 통로를 형성할 수 있다. 여기서 비아홀에 충진되는 금속 물질은 방열 기능을 하는 물질이라면 제한되지는 않는다.Specifically, in the fourth step (S144), a via hole is formed through laser drilling in an area of the second growth substrate 11b on which the power semiconductor device structure is not formed, and then a metal material is placed in the via hole. By filling the heat dissipation portion 140, an additional heat dissipation passage can be formed. Here, the metal material filled in the via hole is not limited as long as it is a material that has a heat dissipation function.
또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 전력반도체 소자의 구조가 수직형 구조인 경우, 제4 단계(S144)에서는 전력반도체 소자의 전극(120) 중 발열량이 높은 전극(120)을 연결부(150)를 통해 방열부(140)와 연결시킬 수 있으며, 예를 들면 HEMT 구조의 경우 드레인전극(122)을 연결부(150)를 통해 방열부(140)와 연결시킬 수 있다. 즉, 연결부(150)는 드레인 패드(Drain Pad)의 역할을 하며, 이러한 드레인 패드의 하부에 복수의 방열부(140)를 배치시킴으로써 칩 사이즈의 축소 및 방열능 개선의 효과가 기대된다. 여기서 연결부(150)는 드레인전극(122)에서 발생하는 열을 방열부(140)로 전달할 수 있는 물질이라면 제한되지는 않으며, 방열부(140)와 동일한 물질로 형성될 수도 있다.In addition, as shown in FIG. 11, when the structure of the power semiconductor device is a vertical structure, in the fourth step (S144), the electrode 120 with high calorific value among the electrodes 120 of the power semiconductor device is connected to the connection portion 150. It can be connected to the heat dissipation unit 140 through, and for example, in the case of a HEMT structure, the drain electrode 122 can be connected to the heat dissipation unit 140 through the connection part 150. That is, the connection portion 150 functions as a drain pad, and by disposing a plurality of heat dissipation portions 140 below the drain pad, the effect of reducing chip size and improving heat dissipation performance is expected. Here, the connection part 150 is not limited as long as it is made of a material that can transfer heat generated from the drain electrode 122 to the heat dissipation part 140, and may be formed of the same material as the heat dissipation part 140.
지금부터는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법(S200)에 대해 상세히 설명한다.From now on, with reference to the attached drawings, a method (S200) for manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth according to a second embodiment of the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명의 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법에 의해 템플릿이 제조되는 과정을 도시한 것이고, 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법(S200)의 소자형성단계(S140)의 순서도이고, 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법(S200)의 템플릿 위에 전력반도체 소자가 형성되는 과정을 도시한 것이고, 도 7은 본 발명의 제2 실시예 또는 제3 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법의 희생분리층(13)에 표면 거칠기(Surface Texture) 패턴이 형성되는 것을 도시한 것이고, 도 10은 본 발명의 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법의 제2 성장기판에 방열부가 형성된 것을 도시한 것이고, 도 11은 본 발명의 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법의 제2 성장기판에 방열부와 연결부가 형성된 것을 도시한 것이다.1 is a flowchart of a method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth according to first to third embodiments of the present invention, and FIG. 2 is a semiconductor device manufacturing method according to first to third embodiments of the present invention. It shows the process of manufacturing a template by a power semiconductor device manufacturing method using a template for growth, and Figure 5 shows a device of the power semiconductor device manufacturing method (S200) using a template for semiconductor growth according to the second embodiment of the present invention. This is a flow chart of the forming step (S140), and Figure 6 shows the process of forming a power semiconductor device on the template of the power semiconductor device manufacturing method (S200) using a template for semiconductor growth according to the second embodiment of the present invention. Figure 7 shows the formation of a surface texture pattern on the sacrificial isolation layer 13 in the power semiconductor device manufacturing method using a template for semiconductor growth according to the second or third embodiment of the present invention. , FIG. 10 shows a heat dissipation portion formed on a second growth substrate in the power semiconductor device manufacturing method using a template for semiconductor growth according to the first to third embodiments of the present invention, and FIG. It shows that a heat dissipation portion and a connection portion are formed on a second growth substrate in the method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth according to the first to third embodiments.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법(S200)은, 준비단계(S210)와, 접합단계(S220)와, 성형단계(S230)와, 소자형성단계(S240)를 포함한다.As shown in Figures 1 and 2, the power semiconductor device manufacturing method (S200) using a template for semiconductor growth according to the second embodiment of the present invention includes a preparation step (S210), a bonding step (S220), It includes a forming step (S230) and a device forming step (S240).
여기서 템플릿을 제조하기 위한 준비단계(S210)와, 접합단계(S220)와, 성형단계(S230)의 내용은 상술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법(S100)과 동일하므로, 중복 설명은 생략한다.Here, the contents of the preparation step (S210), the bonding step (S220), and the forming step (S230) for manufacturing the template are described in detail in the power semiconductor device manufacturing method using the template for semiconductor growth according to the first embodiment of the present invention. Since it is the same as (S100), redundant description is omitted.
소자형성단계(S240)는 제조된 템플릿의 제2 성장기판(11b) 위에 전력반도체 소자를 형성시키는 단계이다. 본 실시예에서는 HEMT 구조를 예로써 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 MOSFET, JFET 등의 스위칭 또는 무선 증폭기를 위한 전력반도체 소자, MiniLED 또는 MicroLED와 같은 반도체 발광 소자, AlN 기반 통신용 필터 등에도 본 발명의 템플릿이 응용될 수 있다.The device forming step (S240) is a step of forming a power semiconductor device on the second growth substrate 11b of the manufactured template. In this embodiment, the HEMT structure is described as an example, but it is not limited to this, and the template of the present invention can also be used in power semiconductor devices for switching or wireless amplifiers such as MOSFET and JFET, semiconductor light emitting devices such as MiniLED or MicroLED, and AlN-based communication filters. This can be applied.
도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 소자형성단계(S240)는 보다 상세하게, 제1 단계(S241)와, 제2 단계(S242)와, 제3 단계(S243)와, 제4 단계(S244)와, 제5 단계(S245)와, 제6 단계(S246)를 포함한다.As shown in FIGS. 5 to 7, the device forming step (S240) is in more detail, the first step (S241), the second step (S242), the third step (S243), and the fourth step ( S244), the fifth step (S245), and the sixth step (S246).
제1 단계(S141)는 템플릿의 초박형으로 성형된 제2 성장기판(11b) 위에 그룹3족 질화물 반도체층(110)을 단층 또는 다층으로 성장시키는 단계이다.The first step (S141) is a step of growing the group III nitride semiconductor layer 110 as a single layer or multilayer on the second growth substrate 11b formed into an ultra-thin template.
여기서 그룹3족 질화물 반도체층(110)은 버퍼층(111), 채널층(112) 및 배리어층(113) 중 적어도 하나를 포함하며, 제2 성장기판(11b) 위에 버퍼층(111), 채널층(112) 및 배리어층(113)이 순서대로 적층된 구조일 수 있다.Here, the group 3 nitride semiconductor layer 110 includes at least one of the buffer layer 111, the channel layer 112, and the barrier layer 113, and the buffer layer 111 and the channel layer ( 112) and the barrier layer 113 may be stacked in order.
이러한 그룹3족 질화물 반도체층(110)은 단층 또는 다층의 그룹3족 질화물 반도체로 구성되며, 고온(HT) 및 고저항(HR) 특성을 갖는 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄갈륨(AlGaN), 질화알루미늄(AlN), 초격자 구조의 질화알루미늄갈륨/질화갈륨(AlGaN/GaN SLs), 초격자 구조의 질화알루미늄/질화갈륨(AlN/GaN SLs), 초격자 구조의 질화알루미늄갈륨/질화알루미늄(AlGaN/AlN SLs), 질화인듐갈륨(InGaN), 질화인듐알루미늄(InAlN), 질화갈륨/질화인듐알루미늄(GaN/InAlN), 질화알루미늄스칸듐(AlScN), 질화갈륨/질화알루미늄스칸듐(GaN/AlScN) 등으로 구성될 수 있다. 이러한 그룹3족 질화물 반도체층(110)은 치명적인 결정결함, 즉 관통 전위(최초 성장기판과의 수직방향으로 존재) 밀도를 저감시키는 것이 결정적인 품질 인자이다(≤ Low 108/㎠). 예를 들면, 본 실시예에서 그룹3족 질화물 반도체층(110)의 버퍼층(111)은 질화갈륨(GaN) 또는 질화알루미늄(AlN)으로, 채널층(112)은 질화갈륨(GaN)으로, 배리어층(113)은 질화알루미늄갈륨(AlGaN)으로 형성될 수 있다.This group 3 nitride semiconductor layer 110 is composed of a single or multi-layer group 3 nitride semiconductor, such as gallium nitride (GaN), aluminum gallium nitride (AlGaN), etc., which have high temperature (HT) and high resistance (HR) characteristics. Aluminum nitride (AlN), superlattice aluminum gallium nitride/gallium nitride (AlGaN/GaN SLs), superlattice aluminum gallium nitride/gallium nitride (AlN/GaN SLs), superlattice aluminum gallium nitride/aluminum nitride ( AlGaN/AlN SLs), indium gallium nitride (InGaN), indium aluminum nitride (InAlN), gallium nitride/indium aluminum nitride (GaN/InAlN), aluminum scandium nitride (AlScN), gallium nitride/aluminum scandium nitride (GaN/AlScN) It may be composed of etc. For the Group 3 nitride semiconductor layer 110, reducing the density of critical crystal defects, that is, penetration dislocations (existing in a direction perpendicular to the initial growth substrate), is a critical quality factor (≤ Low 108/cm2). For example, in this embodiment, the buffer layer 111 of the group 3 nitride semiconductor layer 110 is made of gallium nitride (GaN) or aluminum nitride (AlN), the channel layer 112 is made of gallium nitride (GaN), and the barrier layer 112 is made of gallium nitride (GaN) or aluminum nitride (AlN). Layer 113 may be formed of aluminum gallium nitride (AlGaN).
제2 단계(S142)는 성장된 그룹3족 질화물 반도체층(110)에 대하여 팹(Fab) 공정 및 칩(Chip) 공정을 수행함으로써 제2 성장기판(11b) 위에 전력반도체 소자를 형성시키는 단계이다.The second step (S142) is a step of forming a power semiconductor device on the second growth substrate 11b by performing a fab process and a chip process on the grown group III nitride semiconductor layer 110. .
즉, 제2 단계(S142)에서는 HEMT, MOSFET, JFET 등의 소자 구조에 따라 필요한 경우 그룹3족 질화물 반도체층(110)을 식각한 후, 그룹3족 질화물 반도체층(110)과 전기적으로 연결되는 복수의 전극(120)(HEMT의 경우 소스전극(121), 드레인전극(122), 게이트전극(123) 등)을 형성하고, 그룹3족 질화물 반도체층(110) 또는 복수의 전극(120)들의 일부를 덮는 패시베이션층(130)을 형성시키는 등의 팹 공정과 칩 공정을 수행함으로써 초박형의 제2 성장기판(11b) 위에 전력반도체 소자 구조를 형성시킨다.That is, in the second step (S142), if necessary according to the device structure of the HEMT, MOSFET, JFET, etc., the group 3 nitride semiconductor layer 110 is etched and then electrically connected to the group 3 nitride semiconductor layer 110. A plurality of electrodes 120 (source electrode 121, drain electrode 122, gate electrode 123, etc. in the case of HEMT) are formed, and the group 3 nitride semiconductor layer 110 or the plurality of electrodes 120 are formed. A power semiconductor device structure is formed on the ultra-thin second growth substrate 11b by performing a fab process and a chip process, such as forming a passivation layer 130 that partially covers it.
한편, 팹 공정 완료 후 사파이어 시드 영역인 제2 성장기판(11b) 영역은 Laser Scribe 또는 패턴 식각 등의 공정으로 반드시 분리가 되어야 하며, 분리가 안될 경우 최종 기판이 금속일 때 물질 차이로 다이가 절단되는 이슈가 발생할 수 있다.Meanwhile, after completion of the fab process, the second growth substrate (11b) area, which is the sapphire seed area, must be separated by a process such as laser scribing or pattern etching. If separation is not possible, the die may be cut due to material differences when the final substrate is metal. Issues may arise.
제3 단계(S143)는 형성된 전력반도체 소자의 상부와 중간 임시기판(17)을 접착층(18)을 통해 접착시키는 단계이다.The third step (S143) is a step of bonding the upper part of the formed power semiconductor device to the intermediate temporary substrate 17 through the adhesive layer 18.
여기서 중간 임시기판(17)은 최종 지지기판(14)과 동등하거나 유사한 열팽창계수(CTE)를 가진 것으로 형성되되 최종 지지기판(14)과의 열팽창계수(CTE)의 차이가 최대 2ppm 차이를 넘지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 중간 임시기판(17) 물질로 사파이어가 바람직하며, 탄화실리콘 또는 지지기판(14)과 2ppm 이하의 차이를 갖도록 열팽창계수(CTE)가 조절된 유리(Glass)가 포함될 수 있다.Here, the intermediate temporary substrate 17 is formed to have a coefficient of thermal expansion (CTE) equal to or similar to that of the final support substrate 14, and the difference in coefficient of thermal expansion (CTE) from the final support substrate 14 does not exceed a maximum of 2 ppm. It is desirable to do so. Sapphire is preferred as the material for this intermediate temporary substrate 17, and silicon carbide or glass whose coefficient of thermal expansion (CTE) is adjusted to have a difference of 2ppm or less from that of the support substrate 14 may be included.
또한, 접착층(18)은 다양한 접착 물질로 마련될 수 있으며, 예를 들면 Metallic Bonding, Adhesive Bonding, Direct Bonding 등 다양한 접착 방식에 따른 물질로 마련될 수 있으며, 중간 임시기판(17)은 제1 성장기판(11a)의 물질과 열팽창계수 차이가 클수록 낮은 온도에서 접합하는 것이 필요하게 되므로, 가능한 낮은 온도에서 접합될 수 있는 물질로 마련되는 것이 바람직하다.In addition, the adhesive layer 18 may be prepared from various adhesive materials, for example, materials according to various adhesive methods such as Metallic Bonding, Adhesive Bonding, and Direct Bonding, and the intermediate temporary substrate 17 may be formed of a first growth material. The larger the difference in thermal expansion coefficient from the material of the substrate 11a, the more necessary it is to bond at a lower temperature. Therefore, it is desirable to use a material that can be bonded at as low a temperature as possible.
이때, 제3 단계(S143)는 전력반도체 소자 구조를 보호하기 위해, 전력반도체 소자의 상부에 보호층(19)을 형성시킨 후, 보호층(19)과 중간 임시기판(17)을 접착층(18)을 통해 접착시킬 수 있다.At this time, in the third step (S143), in order to protect the power semiconductor device structure, a protective layer 19 is formed on the upper part of the power semiconductor device, and then the protective layer 19 and the intermediate temporary substrate 17 are bonded to the adhesive layer 18. ) can be bonded through.
이러한 보호층(19)은 이후의 공정에서 접착층(18) 제거 시, 전력반도체 소자를 보호하는 역할을 하는 것으로, 최종 전력반도체 소자 구조에 포함될 수도 있고 제거될 수도 있으며, 최종 전력반도체 소자 구조에 포함되는 경우에는 고저항성으로 패시베이션층(130)의 역할을 할 수 있는 물질로 마련되어야 하고, 제거되는 경우에는 별도로 형성된 패시베이션층(130)에 손상이 가지 않도록 제거되는 것이 필요하다(즉, 제거가 용이하거나 식각 선택비가 높아야 한다). 한편, 보호층(19)의 대표적인 물질로는 SiO2, SiNx, AlN 등으로 마련될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.This protective layer 19 serves to protect the power semiconductor device when the adhesive layer 18 is removed in the subsequent process, and may be included in or removed from the final power semiconductor device structure, and may be included in the final power semiconductor device structure. In this case, it must be made of a material that can function as the passivation layer 130 with high resistance, and in the case of removal, it must be removed so as not to damage the separately formed passivation layer 130 (i.e., easy to remove). or the etch selectivity must be high). Meanwhile, representative materials of the protective layer 19 may include SiO 2 , SiN x , AlN, etc., but are not limited thereto.
보다 상세하게, 접착층(18)은 보호층(19)의 상면 또는 중간 임시기판(17)의 하면에 형성된 후, 제2 성장기판(11b)과 최종 지지기판(14)을 접합시킬 수 있으며, 바람직하게는 보호층(19)의 상면에 제1 접착층(18a)을 형성시키고, 중간 임시기판(17)의 하면에 제2 접착층(18b)을 형성시킨 후, 제1 접착층(18a)과 제2 접착층(18b)을 300℃ 미만의 온도에서 가압하여 서로 접착시켜 접착층(18)을 형성시킴으로써 보호층(19)과 중간 임시기판(17)을 서로 접착시킬 수 있다. 또한, 중간 임시기판(17)과 접착층(18) 사이에는 희생분리층(13)이 배치될 수 있다.In more detail, the adhesive layer 18 may be formed on the upper surface of the protective layer 19 or the lower surface of the intermediate temporary substrate 17, and then bond the second growth substrate 11b and the final support substrate 14, preferably. In other words, the first adhesive layer 18a is formed on the upper surface of the protective layer 19 and the second adhesive layer 18b is formed on the lower surface of the intermediate temporary substrate 17, and then the first adhesive layer 18a and the second adhesive layer are formed. The protective layer 19 and the intermediate temporary substrate 17 can be bonded to each other by pressing and bonding the (18b) to each other at a temperature of less than 300° C. to form the adhesive layer 18. Additionally, a sacrificial separation layer 13 may be disposed between the intermediate temporary substrate 17 and the adhesive layer 18.
제4 단계(S144)는 제2 성장기판(11b)의 하면에 배치된 희생분리층(13)으로부터 본딩층(12)과 제1 성장기판(11a)을 분리시키는 단계이다. 여기서 제1 성장기판(11a)의 분리에는 희생분리층(13)의 물질에 따라 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off, LLO) 기법 또는 케미컬 리프트 오프(Chemical Lift Off, CLO) 기법을 이용할 수 있다.The fourth step (S144) is a step of separating the bonding layer 12 and the first growth substrate 11a from the sacrificial separation layer 13 disposed on the lower surface of the second growth substrate 11b. Here, the first growth substrate 11a can be separated using a laser lift off (LLO) technique or a chemical lift off (CLO) technique depending on the material of the sacrificial separation layer 13.
이후, 제2 성장기판(11b) 하면에 배치된 희생분리층(13)은 방열능 향상을 목적으로 제거될 수 있으며, 제거가 필요하지 않은 경우에는 남겨진 상태로 이후의 공정에서 최종 지지기판(14)과 접합될 수도 있다.Thereafter, the sacrificial separation layer 13 disposed on the lower surface of the second growth substrate 11b can be removed for the purpose of improving heat dissipation performance, and if removal is not necessary, it is left in the final support substrate 14 in the subsequent process. ) can also be combined with.
제5 단계(S245)는 희생분리층(13)과 최종 지지기판(14)을 접합층(15)을 통해 접합시키거나, 제4 단계(S144)에서 희생분리층(13)이 제거된 경우에는 제2 성장기판(11b)과 최종 지지기판(14)을 접합층(15)을 통해 접합시키는 단계이다.In the fifth step (S245), the sacrificial separation layer 13 and the final support substrate 14 are bonded through the bonding layer 15, or when the sacrificial separation layer 13 is removed in the fourth step (S144). This is the step of bonding the second growth substrate 11b and the final support substrate 14 through the bonding layer 15.
여기서 최종 지지기판(14)은 고방열능의 세라믹 기판(AlN, SiC, Diamond), 금속 기판(Mo, Cu, MoCu, CuW), 단결정 기판(Si, SiC), 복합 기판(CMC) 등의 기판 중 제조하고자 하는 전력반도체 소자의 목적에 맞는 기판을 선택할 수 있다. Here, the final support substrate 14 is a substrate such as a ceramic substrate with high heat dissipation ability (AlN, SiC, Diamond), a metal substrate (Mo, Cu, MoCu, CuW), a single crystal substrate (Si, SiC), and a composite substrate (CMC). You can select a substrate that suits the purpose of the power semiconductor device you want to manufacture.
또한, 접합층(15)은 고방열능을 위해 Metallic Bonding(Eutectic Bonding, Diffusion Bonding, Direct Bonding 등)을 하는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, the bonding layer 15 is preferably made of a material that performs metallic bonding (Eutectic Bonding, Diffusion Bonding, Direct Bonding, etc.) for high heat dissipation ability.
보다 상세하게, 접합층(15)은 제2 성장기판(11b)의 하면(또는 희생분리층(13)의 하면) 또는 최종 지지기판(14)의 상면에 형성된 후, 제2 성장기판(11b)과 최종 지지기판(14)을 접합시킬 수 있으며, 바람직하게는 제2 성장기판(11b)의 하면(또는 희생분리층(13)의 하면)에 제1 접합층(15a)을 형성시키고, 최종 지지기판(14)의 상면에 제2 접합층(15b)을 형성시킨 후, 제1 접합층(15a)과 제2 접합층(15b)을 300℃ 미만의 온도에서 가압하여 서로 접합시켜 접합층(15)을 형성시킴으로써 제2 성장기판(11b)(또는 희생분리층(13))과 최종 지지기판(14)을 서로 접합시킬 수 있다.More specifically, the bonding layer 15 is formed on the lower surface of the second growth substrate 11b (or the lower surface of the sacrificial separation layer 13) or the upper surface of the final support substrate 14, and then formed on the second growth substrate 11b. and the final support substrate 14 can be bonded, and preferably, the first bonding layer 15a is formed on the lower surface of the second growth substrate 11b (or the lower surface of the sacrificial separation layer 13), and the final support substrate 14 is bonded to the final support substrate 14. After forming the second bonding layer 15b on the upper surface of the substrate 14, the first bonding layer 15a and the second bonding layer 15b are bonded to each other by pressing at a temperature of less than 300° C. to form a bonding layer 15. ), the second growth substrate 11b (or sacrificial separation layer 13) and the final support substrate 14 can be bonded to each other.
한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 성장기판(11b) 하면에 배치된 희생분리층(13)이 질화갈륨(GaN) 등의 그룹3족 질화물인 경우, 제5 단계(S245)는 접합 면적의 확대를 위해, 희생분리층(13)에 표면 거칠기(Surface Texture) 패턴을 형성시킨 후, 희생분리층(13)과 최종 지지기판(14)을 접합층(15)을 통해 접합시킬 수 있다.Meanwhile, as shown in FIG. 7, when the sacrificial isolation layer 13 disposed on the lower surface of the second growth substrate 11b is a group 3 nitride such as gallium nitride (GaN), the fifth step (S245) is bonding. In order to expand the area, after forming a surface texture pattern on the sacrificial separation layer 13, the sacrificial separation layer 13 and the final support substrate 14 can be bonded through the bonding layer 15. .
한편, 접합층(15)의 상면 또는 하면 중 적어도 하나 이상, 즉 접합층(15)과 최종 지지기판(14) 사이 또는 접합층(15)과 제2 성장기판(11b) 사이 중 적어도 하나 이상에는 접합층(15)의 접합력을 강화하고 응축응력을 유발하는 강화층이 배치될 수 있다. 이러한 강화층을 구성하는 물질은 그룹3족 질화물 반도체층(110)의 성장 온도(1000℃ 전후)에서도 용융되지 않으며, 그룹3족 질화물 반도체층(110)의 성장에 문제가 없는 물질 중에서 선택될 수 있다.Meanwhile, at least one of the upper or lower surface of the bonding layer 15, that is, between the bonding layer 15 and the final support substrate 14 or between the bonding layer 15 and the second growth substrate 11b A reinforcing layer that strengthens the bonding force of the bonding layer 15 and causes condensation stress may be disposed. The material constituting this reinforcement layer does not melt even at the growth temperature (around 1000°C) of the group 3 nitride semiconductor layer 110, and can be selected from materials that do not cause problems in the growth of the group 3 nitride semiconductor layer 110. there is.
여기서 강화층은 보다 상세하게, 접합 강화층과 응축 응력층을 포함하며, 이하의 내용은 상술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법(S100)과 동일하므로, 중복 설명은 생략한다.Here, the reinforcement layer includes a bond reinforcement layer and a condensation stress layer in more detail, and the following details are the same as the power semiconductor device manufacturing method (S100) using the template for semiconductor growth according to the first embodiment of the present invention described above. Therefore, redundant description is omitted.
제6 단계(S246)는 건식 또는 습식 식각을 통해 전력반도체 소자의 상부로부터 접착층(18)과 중간 임시기판(17)을 분리시키고, 필요한 경우 보호층(19)을 선택적으로 제거시키는 단계이다.The sixth step (S246) is a step of separating the adhesive layer 18 and the intermediate temporary substrate 17 from the top of the power semiconductor device through dry or wet etching, and selectively removing the protective layer 19 if necessary.
한편, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 소자형성단계(S240)는(예를 들면, 제6 단계(S246)는) 방열부(140)를 형성시킬 수 있는데, 이하의 내용은 상술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법(S100)과 동일하므로, 중복 설명은 생략한다.Meanwhile, as shown in FIGS. 10 and 11, the device forming step (S240) of the present invention (for example, the sixth step (S246)) can form the heat dissipation portion 140, as described below. is the same as the power semiconductor device manufacturing method (S100) using the template for semiconductor growth according to the first embodiment of the present invention described above, so redundant description is omitted.
지금부터는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법(S300)에 대해 상세히 설명한다.From now on, with reference to the attached drawings, a method (S300) for manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth according to a third embodiment of the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명의 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법에 의해 템플릿이 제조되는 과정을 도시한 것이고, 도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법(S300)의 소자형성단계(S140)의 순서도이고, 도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법(S300)의 템플릿 위에 전력반도체 소자가 형성되는 과정을 도시한 것이고, 도 10은 본 발명의 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법의 제2 성장기판(11b)에 방열부(140)가 형성된 것을 도시한 것이다.1 is a flowchart of a method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth according to first to third embodiments of the present invention, and FIG. 2 is a semiconductor device manufacturing method according to first to third embodiments of the present invention. It shows the process of manufacturing a template by the power semiconductor device manufacturing method using a template for growth, and Figure 8 shows a device of the power semiconductor device manufacturing method (S300) using a template for semiconductor growth according to the third embodiment of the present invention. This is a flowchart of the forming step (S140), and Figure 9 shows the process of forming a power semiconductor device on the template of the power semiconductor device manufacturing method (S300) using a template for semiconductor growth according to the third embodiment of the present invention. Figure 10 shows the heat dissipation portion 140 formed on the second growth substrate 11b in the method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth according to the first to third embodiments of the present invention.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법(S300)은, 준비단계(S310)와, 접합단계(S320)와, 성형단계(S330)와, 소자형성단계(S340)를 포함한다.As shown in Figures 1 and 2, the power semiconductor device manufacturing method (S300) using a template for semiconductor growth according to the third embodiment of the present invention includes a preparation step (S310), a bonding step (S320), It includes a forming step (S330) and a device forming step (S340).
여기서 템플릿을 제조하기 위한 준비단계(S310)와, 접합단계(S320)와, 성형단계(S330)의 내용은 상술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법(S100)과 동일하므로, 중복 설명은 생략한다.Here, the contents of the preparation step (S310), the bonding step (S320), and the forming step (S330) for manufacturing the template are described in detail in the power semiconductor device manufacturing method using the template for semiconductor growth according to the first embodiment of the present invention. Since it is the same as (S100), redundant description is omitted.
소자형성단계(S340)는 제조된 템플릿의 제2 성장기판(11b) 위에 전력반도체 소자를 형성시키는 단계이다. 본 실시예에서는 HEMT 구조를 예로써 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 MOSFET, JFET 등의 스위칭 또는 무선 증폭기를 위한 전력반도체 소자, MiniLED 또는 MicroLED와 같은 반도체 발광 소자, AlN 기반 통신용 필터 등에도 본 발명의 템플릿이 응용될 수 있다.The device forming step (S340) is a step of forming a power semiconductor device on the second growth substrate 11b of the manufactured template. In this embodiment, the HEMT structure is described as an example, but it is not limited to this, and the template of the present invention can also be used in power semiconductor devices for switching or wireless amplifiers such as MOSFET and JFET, semiconductor light emitting devices such as MiniLED or MicroLED, and AlN-based communication filters. This can be applied.
도 8 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 소자형성단계(S340)는 보다 상세하게, 제1 단계(S341)와, 제2 단계(S342)와, 제3 단계(S343)와, 제4 단계(S344)와, 제5 단계(S345)와, 제6 단계(S346)를 포함한다.As shown in Figures 8 and 9, the device forming step (S340) is in more detail, the first step (S341), the second step (S342), the third step (S343), and the fourth step ( S344), the fifth step (S345), and the sixth step (S346).
여기서 제1 단계(S341)와, 제2 단계(S342)는 상술한 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법(S200)과 동일하므로, 중복 설명은 생략한다.Here, the first step (S341) and the second step (S342) are the same as the power semiconductor device manufacturing method (S200) using the template for semiconductor growth according to the second embodiment of the present invention described above, so duplicate descriptions are omitted. .
제3 단계(S343)는 형성된 전력반도체 소자의 상부와 제1 임시기판(17a)을 접착층(18)을 통해 접착시키는 단계이다.The third step (S343) is a step of bonding the upper part of the formed power semiconductor device and the first temporary substrate 17a through the adhesive layer 18.
여기서 제1 임시기판(17a)은 최종 지지기판(14)과 동등하거나 유사한 열팽창계수(CTE)를 가진 것으로 형성되되 최종 지지기판(14)과의 열팽창계수(CTE)의 차이가 최대 2ppm 차이를 넘지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 제1 임시기판(17a) 물질로 사파이어가 바람직하며, 탄화실리콘 또는 지지기판(14)과 2ppm 이하의 차이를 갖도록 열팽창계수(CTE)가 조절된 유리(Glass)가 포함될 수 있다.Here, the first temporary substrate 17a is formed to have a coefficient of thermal expansion (CTE) equal to or similar to that of the final support substrate 14, and the difference in coefficient of thermal expansion (CTE) from the final support substrate 14 does not exceed a maximum difference of 2 ppm. It is desirable to avoid this. The material for the first temporary substrate 17a is preferably sapphire, and may include silicon carbide or glass whose coefficient of thermal expansion (CTE) is adjusted to have a difference of 2ppm or less from that of the support substrate 14.
또한, 접착층(18)은 다양한 접착 물질로 마련될 수 있으며, 예를 들면 Metallic Bonding, Adhesive Bonding, Direct Bonding 등 다양한 접착 방식에 따른 물질로 마련될 수 있으며, 제1 임시기판(17a)은 제1 성장기판(11a)의 물질과 열팽창계수 차이가 클수록 낮은 온도에서 접합하는 것이 필요하게 되므로, 가능한 낮은 온도에서 접합될 수 있는 물질로 마련되는 것이 바람직하다.In addition, the adhesive layer 18 may be prepared with various adhesive materials, for example, metallic bonding, adhesive bonding, direct bonding, etc., and the first temporary substrate 17a may be prepared with the first temporary substrate 17a. Since the greater the difference in thermal expansion coefficient from the material of the growth substrate 11a, bonding at a lower temperature becomes necessary, it is preferable to use a material that can be bonded at as low a temperature as possible.
이때, 제3 단계(S343)는 전력반도체 소자 구조를 보호하기 위해, 전력반도체 소자의 상부에 보호층(19)을 형성시킨 후, 보호층(19)과 제1 임시기판(17a)을 접착층(18)을 통해 접착시킬 수 있다.At this time, in the third step (S343), in order to protect the power semiconductor device structure, a protective layer 19 is formed on the upper part of the power semiconductor device, and then the protective layer 19 and the first temporary substrate 17a are attached with an adhesive layer ( It can be bonded through 18).
이러한 보호층(19)은 이후의 공정에서 접착층(18) 제거 시, 전력반도체 소자를 보호하는 역할을 하는 것으로, 최종 전력반도체 소자 구조에 포함될 수도 있고 제거될 수도 있으며, 최종 전력반도체 소자 구조에 포함되는 경우에는 고저항성으로 패시베이션층(130)의 역할을 할 수 있는 물질로 마련되어야 하고, 제거되는 경우에는 별도로 형성된 패시베이션층(130)에 손상이 가지 않도록 제거되는 것이 필요하다(즉, 제거가 용이하거나 식각 선택비가 높아야 한다). 한편, 보호층(19)의 대표적인 물질로는 SiO2, SiNx, AlN 등으로 마련될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.This protective layer 19 serves to protect the power semiconductor device when the adhesive layer 18 is removed in the subsequent process, and may be included in or removed from the final power semiconductor device structure, and may be included in the final power semiconductor device structure. In this case, it must be made of a material that can function as the passivation layer 130 with high resistance, and in the case of removal, it must be removed so as not to damage the separately formed passivation layer 130 (i.e., easy to remove). or the etch selectivity must be high). Meanwhile, representative materials of the protective layer 19 may include SiO 2 , SiN x , AlN, etc., but are not limited thereto.
보다 상세하게, 접착층(18)은 보호층(19)의 상면 또는 제1 임시기판(17a)의 하면에 형성된 후, 제2 성장기판(11b)과 최종 지지기판(14)을 접합시킬 수 있으며, 바람직하게는 보호층(19)의 상면에 제1 접착층(18a)을 형성시키고, 제1 임시기판(17a)의 하면에 제2 접착층(18b)을 형성시킨 후, 제1 접착층(18a)과 제2 접착층(18b)을 300℃ 미만의 온도에서 가압하여 서로 접착시켜 접착층(18)을 형성시킴으로써 보호층(19)과 제1 임시기판(17a)을 서로 접착시킬 수 있다. 또한, 제1 임시기판(17a)과 접착층(18) 사이에는 희생분리층(13)이 배치될 수 있다.More specifically, the adhesive layer 18 can be formed on the upper surface of the protective layer 19 or the lower surface of the first temporary substrate 17a, and then bond the second growth substrate 11b and the final support substrate 14, Preferably, the first adhesive layer 18a is formed on the upper surface of the protective layer 19, and the second adhesive layer 18b is formed on the lower surface of the first temporary substrate 17a, and then the first adhesive layer 18a and the second adhesive layer 18b are formed on the lower surface of the first temporary substrate 17a. 2 The protective layer 19 and the first temporary substrate 17a can be bonded to each other by pressing and bonding the adhesive layer 18b to each other at a temperature of less than 300° C. to form the adhesive layer 18. Additionally, a sacrificial separation layer 13 may be disposed between the first temporary substrate 17a and the adhesive layer 18.
제4 단계(S344)는 제2 성장기판(11b)의 하면에 배치된 희생분리층(13)으로부터 본딩층(12)과 제1 성장기판(11a)을 분리시키는 단계이다. 여기서 제1 성장기판(11a)의 분리에는 희생분리층(13)의 물질에 따라 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off, LLO) 기법 또는 케미컬 리프트 오프(Chemical Lift Off, CLO) 기법을 이용할 수 있다.The fourth step (S344) is a step of separating the bonding layer 12 and the first growth substrate 11a from the sacrificial separation layer 13 disposed on the lower surface of the second growth substrate 11b. Here, the first growth substrate 11a can be separated using a laser lift off (LLO) technique or a chemical lift off (CLO) technique depending on the material of the sacrificial separation layer 13.
이후, 제2 성장기판(11b) 하면에 배치된 희생분리층(13)은 방열능 향상을 목적으로 제거될 수 있으며, 제거가 필요하지 않은 경우에는 남겨진 상태로 이후의 공정에서 최종 지지기판(14)과 접합될 수도 있다.Thereafter, the sacrificial separation layer 13 disposed on the lower surface of the second growth substrate 11b can be removed for the purpose of improving heat dissipation performance, and if removal is not necessary, it is left in the final support substrate 14 in the subsequent process. ) can also be combined with.
제5 단계(S345)는 희생분리층(13)과 최종 지지기판(14)을 접합층(15)을 통해 접합시키거나, 제4 단계(S144)에서 희생분리층(13)이 제거된 경우에는 제2 성장기판(11b)과 최종 지지기판(14)을 접합층(15)을 통해 접합시킴과 동시에, 최종 지지기판(14)과 제2 임시기판(17b)을 하부접합층(20)을 통해 접합시키는 단계이다.In the fifth step (S345), the sacrificial separation layer 13 and the final support substrate 14 are bonded through the bonding layer 15, or when the sacrificial separation layer 13 is removed in the fourth step (S144). The second growth substrate 11b and the final support substrate 14 are bonded through the bonding layer 15, and the final support substrate 14 and the second temporary substrate 17b are bonded through the lower bonding layer 20. This is the joining step.
여기서 최종 지지기판(14)은 고방열능의 세라믹 기판(AlN, SiC, Diamond), 금속 기판(Mo, Cu, MoCu, CuW), 단결정 기판(Si, SiC), 복합 기판(CMC) 등의 기판 중 제조하고자 하는 전력반도체 소자의 목적에 맞는 기판을 선택할 수 있으며, 제2 임시기판(17b)은 상술한 제1 임시기판(17a)과 동일한 물질로 마련되는 것이 바람직하다.Here, the final support substrate 14 is a substrate such as a ceramic substrate with high heat dissipation ability (AlN, SiC, Diamond), a metal substrate (Mo, Cu, MoCu, CuW), a single crystal substrate (Si, SiC), and a composite substrate (CMC). A substrate suitable for the purpose of the power semiconductor device to be manufactured can be selected, and the second temporary substrate 17b is preferably made of the same material as the first temporary substrate 17a described above.
또한, 접합층(15)과 하부접합층(20)은 고방열능을 위해 Metallic Bonding(Eutectic Bonding, Diffusion Bonding, Direct Bonding 등)을 하는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, the bonding layer 15 and the lower bonding layer 20 are preferably made of a material that performs metallic bonding (Eutectic Bonding, Diffusion Bonding, Direct Bonding, etc.) for high heat dissipation ability.
보다 상세하게, 제1 접합층(15a)은 제2 성장기판(11b)의 하면(또는 희생분리층(13)의 하면) 또는 최종 지지기판(14)의 상면에 형성된 후, 제2 성장기판(11b)과 최종 지지기판(14)을 접합시킬 수 있으며, 바람직하게는 제2 성장기판(11b)의 하면(또는 희생분리층(13)의 하면)에 제1 접합층(15a)을 형성시키고, 최종 지지기판(14)의 상면에 제2 접합층(15b)을 형성시킨 후, 제1 접합층(15a)과 제2 접합층(15b)을 300℃ 미만의 온도에서 가압하여 서로 접합시켜 접합층(15)을 형성시킴으로써 제2 성장기판(11b)(또는 희생분리층(13))과 최종 지지기판(14)을 서로 접합시킬 수 있다.More specifically, the first bonding layer 15a is formed on the lower surface of the second growth substrate 11b (or the lower surface of the sacrificial separation layer 13) or the upper surface of the final support substrate 14, and then the second growth substrate ( 11b) and the final support substrate 14 can be bonded, and preferably, the first bonding layer 15a is formed on the lower surface of the second growth substrate 11b (or the lower surface of the sacrificial separation layer 13), After forming the second bonding layer 15b on the upper surface of the final support substrate 14, the first bonding layer 15a and the second bonding layer 15b are bonded to each other by pressing at a temperature of less than 300° C. to form a bonding layer. By forming (15), the second growth substrate 11b (or sacrificial separation layer 13) and the final support substrate 14 can be bonded to each other.
또한, 하부접합층(20)은 최종 지지기판(14)의 하면 또는 제2 임시기판(17b)의 상면에 형성된 후, 최종 지지기판(14)과 제2 임시기판(17b)을 접합시킬 수 있으며, 바람직하게는 최종 지지기판(14)의 하면에 제1 하부접합층(20a)을 형성시키고, 제2 임시기판(17b)(또는 제2 임시기판(17b)의 상면에 형성되는 희생분리층(13))의 상면에 제2 하부접합층(20b)을 형성시킨 후, 제1 하부접합층(20a)과 제2 하부접합층(20b)을 300℃ 미만의 온도에서 가압하여 서로 접합시켜 하부접합층(20)을 형성시킴으로써 최종 지지기판(14)과 제2 임시기판(17b)(또는 희생분리층(13))을 서로 접합시킬 수 있다.In addition, the lower bonding layer 20 can be formed on the lower surface of the final support substrate 14 or the upper surface of the second temporary substrate 17b, and then bond the final support substrate 14 and the second temporary substrate 17b. , Preferably, the first lower bonding layer 20a is formed on the lower surface of the final support substrate 14, and the sacrificial separation layer (20a) is formed on the upper surface of the second temporary substrate 17b (or the second temporary substrate 17b). 13) After forming the second lower bonding layer (20b) on the upper surface of), the first lower bonding layer (20a) and the second lower bonding layer (20b) are bonded to each other by pressing at a temperature of less than 300° C. to form lower bonding. By forming the layer 20, the final support substrate 14 and the second temporary substrate 17b (or the sacrificial separation layer 13) can be bonded to each other.
한편, 제2 성장기판(11b) 하면에 배치된 희생분리층(13)이 질화갈륨(GaN) 등의 그룹3족 질화물인 경우, 제5 단계(S245)는 접합 면적의 확대를 위해, 희생분리층(13)에 표면 거칠기(Surface Texture) 패턴을 형성시킨 후, 희생분리층(13)과 최종 지지기판(14)을 접합층(15)을 통해 접합시킬 수 있다.Meanwhile, when the sacrificial isolation layer 13 disposed on the lower surface of the second growth substrate 11b is a group 3 nitride such as gallium nitride (GaN), the fifth step (S245) is a sacrificial separation layer to expand the bonding area. After forming a surface texture pattern on the layer 13, the sacrificial separation layer 13 and the final support substrate 14 can be bonded through the bonding layer 15.
한편, 접합층(15)의 상면 또는 하면 중 적어도 하나 이상, 즉 접합층(15)과 최종 지지기판(14) 사이 또는 접합층(15)과 제2 성장기판(11b) 사이 중 적어도 하나 이상에는 접합층(15)의 접합력을 강화하고 응축응력을 유발하는 강화층이 배치될 수 있다. 이러한 강화층을 구성하는 물질은 그룹3족 질화물 반도체층(110)의 성장 온도(1000℃ 전후)에서도 용융되지 않으며, 그룹3족 질화물 반도체층(110)의 성장에 문제가 없는 물질 중에서 선택될 수 있다.Meanwhile, at least one of the upper or lower surface of the bonding layer 15, that is, between the bonding layer 15 and the final support substrate 14 or between the bonding layer 15 and the second growth substrate 11b A reinforcing layer may be disposed to strengthen the bonding force of the bonding layer 15 and cause condensation stress. The material constituting this reinforcement layer does not melt even at the growth temperature (around 1000°C) of the group 3 nitride semiconductor layer 110, and can be selected from materials that do not cause problems in the growth of the group 3 nitride semiconductor layer 110. there is.
여기서 강화층은 보다 상세하게, 접합 강화층과 응축 응력층을 포함하며, 이하의 내용은 상술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법(S100)과 동일하므로, 중복 설명은 생략한다.Here, the reinforcement layer includes a bond reinforcement layer and a condensation stress layer in more detail, and the following details are the same as the power semiconductor device manufacturing method (S100) using the template for semiconductor growth according to the first embodiment of the present invention described above. Therefore, redundant description is omitted.
제6 단계(S346)는 건식 또는 습식 식각을 통해 전력반도체 소자의 상부로부터 접착층(18)과 제1 임시기판(17a)을 분리시키고, 하부접합층(20)으로부터 제2 임시기판(17b)을 분리시킨 후, 필요한 경우 보호층(19)을 선택적으로 제거시키는 단계이다. 이때, 하부접합층(20) 하면의 희생분리층(13)은 제거되는 것이 바람직하며, 최종 지지기판(14) 하면의 하부접합층(20)은 전도성 Metallic Bonding 물질인 경우 제거되지 않고 본딩패드 기능을 수행할 수 있다.In the sixth step (S346), the adhesive layer 18 and the first temporary substrate 17a are separated from the upper part of the power semiconductor device through dry or wet etching, and the second temporary substrate 17b is separated from the lower adhesive layer 20. After separation, this is a step of selectively removing the protective layer 19, if necessary. At this time, it is preferable that the sacrificial separation layer 13 on the bottom of the lower bonding layer 20 is removed, and if the lower bonding layer 20 on the bottom of the final support substrate 14 is made of a conductive metallic bonding material, it is not removed and functions as a bonding pad. can be performed.
한편, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 소자형성단계(S240)는(예를 들면, 제6 단계(S246)는) 방열부(140)를 형성시킬 수 있는데, 이하의 내용은 상술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법(S100)과 동일하므로, 중복 설명은 생략한다.Meanwhile, as shown in FIGS. 10 and 11, the device forming step (S240) of the present invention (for example, the sixth step (S246)) can form the heat dissipation portion 140, as described below. Since is the same as the power semiconductor device manufacturing method (S100) using the template for semiconductor growth according to the first embodiment of the present invention described above, redundant description will be omitted.
이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.In the above, just because all the components constituting the embodiment of the present invention have been described as being combined or operated in combination, the present invention is not necessarily limited to this embodiment. That is, as long as it is within the scope of the purpose of the present invention, all of the components may be operated by selectively combining one or more of them.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.In addition, terms such as “include,” “comprise,” or “have” described above mean that the corresponding component may be present, unless specifically stated to the contrary, and therefore do not exclude other components. Rather, it should be interpreted as being able to include other components. All terms, including technical or scientific terms, unless otherwise defined, have the same meaning as generally understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Commonly used terms, such as terms defined in a dictionary, should be interpreted as consistent with the contextual meaning of the related technology, and should not be interpreted in an idealized or overly formal sense unless explicitly defined in the present invention.
그리고 이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.The above description is merely an illustrative explanation of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention but are for illustrative purposes, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted in accordance with the claims below, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of rights of the present invention.
S100 : 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법
S110 : 준비단계
S120 : 접합단계
S130 : 성형단계
S140 : 소자형성단계
S141 : 제1 단계
S142 : 제2 단계
S143 : 제3 단계
S144 : 제4 단계
11a : 제1 성장기판
11b : 제2 성장기판
12 : 본딩층
12a : 제1 본딩층
12b : 제2 본딩층
13 : 희생분리층
14 : 지지기판
15 : 접합층
15a : 제1 접합층
15b : 제2 접합층
110 : 그룹3족 질화물 반도체층
111 : 버퍼층
112 : 채널층
113 : 배리어층
120 : 전극
121 : 소스 전극
122 : 드레인 전극
123 : 게이트 전극
130 : 패시베이션층
140 : 방열부
150 : 연결부
S200 : 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법
S210 : 준비단계
S220 : 접합단계
S230 : 성형단계
S240 : 소자형성단계
S241 : 제1 단계
S242 : 제2 단계
S243 : 제3 단계
S244 : 제4 단계
S245 : 제5 단계
S246 : 제6 단계
17 : 임시기판
18 : 접착층
18a : 제1 접착층
18b : 제2 접착층
19 : 보호층
S300 : 본 발명의 제3 실시예에 따른 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법
S310 : 준비단계
S320 : 접합단계
S330 : 성형단계
S340 : 소자형성단계
S341 : 제1 단계
S342 : 제2 단계
S343 : 제3 단계
S344 : 제4 단계
S345 : 제5 단계
S346 : 제6 단계
17a : 제1 임시기판
17b : 제2 임시기판
20 : 하부접합층
20a : 제1 하부접합층
20b : 제2 하부접합층S100: Method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth according to the first embodiment of the present invention
S110: Preparation stage
S120: Bonding step
S130: Forming step
S140: Device formation step
S141: Step 1
S142: Second stage
S143: Step 3
S144: Step 4
11a: first growth substrate
11b: second growth substrate
12: bonding layer
12a: first bonding layer
12b: second bonding layer
13: Sacrificial separation layer
14: Support substrate
15: bonding layer
15a: first bonding layer
15b: second bonding layer
110: Group 3 nitride semiconductor layer
111: buffer layer
112: channel layer
113: barrier layer
120: electrode
121: source electrode
122: drain electrode
123: gate electrode
130: Passivation layer
140: heat dissipation unit
150: connection part
S200: Method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth according to the second embodiment of the present invention
S210: Preparation stage
S220: Bonding step
S230: Forming step
S240: Device formation step
S241: Step 1
S242: Second stage
S243: Step 3
S244: Step 4
S245: Step 5
S246: Step 6
17: Temporary board
18: Adhesive layer
18a: first adhesive layer
18b: second adhesive layer
19: protective layer
S300: Method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth according to the third embodiment of the present invention
S310: Preparation stage
S320: Bonding step
S330: Forming stage
S340: Device formation step
S341: Step 1
S342: Second stage
S343: Stage 3
S344: Step 4
S345: Stage 5
S346: Step 6
17a: first temporary substrate
17b: second temporary board
20: lower bonding layer
20a: first lower bonding layer
20b: second lower bonding layer
Claims (14)
상기 제1 성장기판과 상기 제2 성장기판을 본딩층을 통해 접합시키는 접합단계;
상기 제2 성장기판이 시드층으로 기능하도록, 상기 제2 성장기판을 초박형(Ultra-thin)으로 성형하여 템플릿을 제조하는 성형단계; 및
상기 템플릿의 상기 제2 성장기판 위에 전력반도체 소자를 형성시키는 소자형성단계를 포함하는, 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법.A preparation step of preparing a first growth substrate and a second growth substrate;
A bonding step of bonding the first growth substrate and the second growth substrate through a bonding layer;
A molding step of manufacturing a template by molding the second growth substrate into an ultra-thin shape so that the second growth substrate functions as a seed layer; and
A method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth, comprising a device forming step of forming a power semiconductor device on the second growth substrate of the template.
상기 제1 성장기판과 상기 제2 성장기판은,
사파이어 기판인, 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법.In claim 1,
The first growth substrate and the second growth substrate,
Method for manufacturing power semiconductor devices using a sapphire substrate, a template for semiconductor growth.
성형된 상기 제2 성장기판의 두께는,
50㎛ 미만인, 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법.In claim 1,
The thickness of the molded second growth substrate is,
Method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth that is less than 50㎛.
상기 제1 성장기판의 상면과 상기 제2 성장기판의 하면 중 적어도 어느 하나에는,
희생분리층이 배치되는, 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법.In claim 1,
On at least one of the upper surface of the first growth substrate and the lower surface of the second growth substrate,
A method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth in which a sacrificial separation layer is disposed.
상기 소자형성단계는,
상기 본딩층과 상기 제1 성장기판을 상기 제2 성장기판으로부터 분리시키고, 상기 제2 성장기판과 지지기판을 접합층을 통해 접합시키는, 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법.In claim 1,
The device formation step is,
A method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth, wherein the bonding layer and the first growth substrate are separated from the second growth substrate, and the second growth substrate and the support substrate are bonded through a bonding layer.
상기 접합층의 상면 또는 하면 중 적어도 하나 이상에는,
상기 접합층의 접합력을 강화하고 응축응력을 유발하는 강화층이 배치되는, 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법. In claim 5,
On at least one of the upper and lower surfaces of the bonding layer,
A method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth, in which a reinforcing layer that strengthens the bonding force of the bonding layer and causes condensation stress is disposed.
상기 소자형성단계는,
상기 제2 성장기판에 비아홀을 형성시킨 후, 상기 비아홀에 방열부를 형성시키는, 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법.In claim 1,
The device formation step is,
A method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth, comprising forming a via hole in the second growth substrate and then forming a heat dissipation portion in the via hole.
상기 방열부는,
연결부를 통해 상기 전력반도체 소자의 전극과 연결되는, 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법.In claim 7,
The heat dissipation unit,
A method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth, which is connected to the electrode of the power semiconductor device through a connection part.
상기 소자형성단계는,
초박형으로 성형된 상기 제2 성장기판과 지지기판을 접합층을 통해 접합시키는 제1 단계와,
상기 제2 성장기판의 하면에 배치된 희생분리층으로부터 상기 본딩층과 상기 제1 성장기판을 분리시키는 제2 단계와,
상기 희생분리층 위에 반도체층을 성장시키거나, 상기 희생분리층이 제거된 경우 상기 제2 성장기판 위에 상기 반도체층을 성장시키는 제3 단계와,
성장된 상기 반도체층에 대하여 팹(Fab) 공정을 수행함으로써 상기 제2 성장기판 위에 전력반도체 소자를 형성시키는 제4 단계를 포함하는, 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법.In claim 1,
The device formation step is,
A first step of bonding the ultra-thin molded second growth substrate and the support substrate through a bonding layer;
a second step of separating the bonding layer and the first growth substrate from the sacrificial separation layer disposed on the lower surface of the second growth substrate;
a third step of growing a semiconductor layer on the sacrificial isolation layer, or growing the semiconductor layer on the second growth substrate when the sacrificial isolation layer is removed;
A method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth, comprising a fourth step of forming a power semiconductor device on the second growth substrate by performing a fab process on the grown semiconductor layer.
상기 소자형성단계는,
초박형으로 성형된 상기 제2 성장기판 위에 반도체층을 성장시키는 제1 단계와,
성장된 상기 반도체층에 대하여 팹(Fab) 공정을 수행함으로써 상기 제2 성장기판 위에 전력반도체 소자를 형성시키는 제2 단계와,
상기 전력반도체 소자의 상부와 제1 임시기판을 접착층을 통해 접착시키는 제3 단계와,
상기 제2 성장기판의 하면에 배치된 희생분리층으로부터 상기 본딩층과 상기 제1 성장기판을 분리시키는 제4 단계와,
상기 희생분리층과 지지기판을 제1 접합층을 통해 접합시키는 제5 단계와,
상기 전력반도체 소자의 상부로부터 상기 접착층과 상기 제1 임시기판을 분리시키는 제6 단계를 포함하는, 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법.In claim 1,
The device formation step is,
A first step of growing a semiconductor layer on the ultra-thin second growth substrate,
A second step of forming a power semiconductor device on the second growth substrate by performing a fab process on the grown semiconductor layer;
A third step of adhering the upper part of the power semiconductor device and the first temporary substrate through an adhesive layer,
a fourth step of separating the bonding layer and the first growth substrate from the sacrificial separation layer disposed on the lower surface of the second growth substrate;
A fifth step of bonding the sacrificial separation layer and the support substrate through a first bonding layer,
A method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth, comprising a sixth step of separating the adhesive layer and the first temporary substrate from the top of the power semiconductor device.
상기 제5 단계는,
상기 희생분리층과 상기 지지기판을 상기 접합층을 통해 접합시키고, 상기 지지기판과 제2 임시기판을 하부접합층을 통해 접합시키며,
상기 제6 단계는,
상기 전력반도체 소자의 상부로부터 상기 접착층과 상기 제1 임시기판을 분리시킨 후, 상기 하부접합층으로부터 상기 제2 임시기판을 분리시키는, 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법.In claim 10,
The fifth step is,
The sacrificial separation layer and the support substrate are bonded through the bonding layer, and the support substrate and the second temporary substrate are bonded through the lower bonding layer,
The sixth step is,
A method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth, wherein the adhesive layer and the first temporary substrate are separated from the upper part of the power semiconductor device, and then the second temporary substrate is separated from the lower adhesive layer.
상기 제3 단계는,
상기 전력반도체 소자의 상부에 보호층을 형성시킨 후, 상기 보호층과 상기 제1 임시기판을 상기 접착층을 통해 접착시키는, 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법.In claim 10,
The third step is,
A method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth, wherein a protective layer is formed on the top of the power semiconductor device and then the protective layer and the first temporary substrate are bonded through the adhesive layer.
상기 제5 단계는,
상기 희생분리층에 표면 거칠기(Surface Texture) 패턴을 형성시킨 후, 상기 희생분리층과 지지기판을 접합층을 통해 접합시키는, 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법.In claim 10,
The fifth step is,
A method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth, wherein a surface texture pattern is formed on the sacrificial isolation layer and then the sacrificial isolation layer and the support substrate are bonded through a bonding layer.
상기 반도체층은,
버퍼층, 채널층 및 배리어층 중 적어도 하나를 포함하는, 반도체 성장용 템플릿을 이용한 전력반도체 소자 제조 방법.The method of claim 9 or 10,
The semiconductor layer is,
A method of manufacturing a power semiconductor device using a template for semiconductor growth, including at least one of a buffer layer, a channel layer, and a barrier layer.
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