아이브이웍스가 이번에는 미국 기업으로 부터 p-GaN regrowth 공정 주문을 받았습니다.

당사는 인공지능으로 자율 생산하는 대형 Hybrid-MBE를 이용해 GaN HEMT 또는 microLED 에피웨이퍼 뿐만 아니라 다양한 selective area growth 서비스에 전문성을 가지고 있습니다. 저희의 p-GaN regrowth 서비스와 n+-GaN regrowth 서비스 등 다양한 구조의 에피웨이퍼 서비스는 이곳에서 실시간으로 디자인하고 바로 견적을 조회할 수 있습니다.

이번 의뢰와 같이 700도 수준의 낮은 온도에서 Gate 영역에만 p-GaN을 selective area growth하는 ‘p-GaN regrowth’ 서비스는 normally-off 동작하는 GaN HEMT를 구현하는 효과적인 기술입니다. 특히, 최근 통신 시장에서 매우 각광받는 RF-GaN HEMT on Si 기술은 모바일 디바이스에 적용하기 위해 대기전력 소모를 최소화하여 저전력으로 동작할 수 있어야 합니다. 이런 저전력 동작을 위해서는 normally-off RF-GaN HEMT 기술이 필요합니다.

Normally-off RF-GaN HEMT를 구현하는 기술 중 대표적인 기술은 gate recess etching을 통해 gate 하부 barrier layer를 얇게 만들어 2DEG 발생을 억제하거나 p-GaN layer를 gate 하부에 위치시켜 2DEG를 deplete하는 기술입니다. Gate recess 방식은 gate length scale-down을 병행해서 뛰어난 RF 성능을 확보할 수 있지만 공정의 복잡성이 존재하고 문턱전압의 안정성과 균일도 확보가 어렵고 gate 누설전류도 다소 높습니다.

p-GaN gate 방식은 p-GaN layer의 두께 때문에 필연적으로 gate와 2DEG 사이 거리가 멀어지고 p-GaN layer에 대한 etching damage로 인해 gate length scale-down에 제한이 있어 RF 성능은 다소 떨어집니다. 하지만 에피웨이퍼 성장 시에는 p-GaN layer까지 성장하고 패터닝 공정으로 gate 영역만 남기고 etching 하는 방법으로 공정의 편의성을 확보할 수 있고, 에피택시 성장으로 p-type 농도와 두께를 정밀제어할 수 있기 때문에 문턱전압 특성과 gate 누설전류 특성을 안정적으로 확보할 수 있습니다. 따라서 RF 특성을 높게 확보하려는 경우에는 gate recess 방식을 사용하고, 안정적인 normally-off 특성과 공정의 편의성이 필요한 경우에는 p-GaN gate 방식을 사용합니다.

아이브이웍스에서 제공하는 p-GaN regrowth 서비스는 p-GaN을 gate 영역에만 regrowth 할 수 있기 때문에 p-GaN layer의 etching damage 없이 narrow 한 p-GaN gate를 형성할 수 있어 p-GaN gate 방식의 RF 특성 저하를 보완할 수 있습니다. 또한, MBE 챔버의 초고진공 환경에서 성장하기 때문에 Mg-doped GaN의 Hydrogen compensation 현상이 거의 발생하지 않습니다. 따라서, 추가적인 Activation 공정 없이 적은 Mg-doping만으로 높은 hole 농도를 확보할 수 있습니다. 그리고 MBE를 이용한 정교한 성장 모드 제어를 통해 3D gate 구조에도 regrowth가 가능합니다.

이번 고객이 제공한 패턴 웨이퍼는 8인치 GaN HEMT on Si으로서 최종적인 소자 구조를 3D gate 구조로 구현하고자 하였습니다. 따라서 p-GaN이 selective growth 되는 영역이 3D FIN 구조로 형성되어 있습니다.

3D FIN channel이 형성된 패턴 웨이퍼는 mask 영역을 SiO₂로 패터닝 하였습니다. SiO₂와 SiN 모두 아이브이웍스의 selective area regrowth에 최적의 mask 물질이라 regrowth 후 mask 영역에는 아무것도 성장되지 않고 오직 mask open 영역에만 p-GaN이 성장됩니다.

3D FIN channel이 narrow 하게 multi-channel로 형성되어 있고 channel 간 간격도 상당히 narrow 한 것으로 확인됩니다. 하지만 저희의 regrowth 경험으로 봤을 때 100㎚ 수준까지는 쉽게 selective aera growth가 가능하고 mask etching이 충분하다면 그 이하 수십㎚에서 수 ㎚ 까지도 growth가 가능할 것으로 생각합니다.

저희는 고객 웨이퍼에 p-GaN regrowth를 하기 전에 p-doping 조건을 확인하기 위한 p-GaN Test 웨이퍼를 고객이 제공한 웨이퍼와 동일한 물질, 동일한 구경의 웨이퍼를 이용해 성장해 결과를 확인한 후 고객 웨이퍼를 성장하기 때문에 공정의 정확도가 매우 높습니다.

이번 고객이 제공한 패턴 웨이퍼와 동일하게 8인치 Si(111) 웨이퍼를 사용해 p-GaN test 구조를 성장했습니다. p-GaN test 구조는 Hall 측정을 위해 p-GaN의 두께를 580 nm로 두껍게 성장하고 하부에 절연 특성의 버퍼 구조를 Si 웨이퍼 위에 성장했습니다.

Si 웨이퍼에 GaN을 성장하는 것은 다른 웨이퍼(SiC, Sapphire, GaN 등) 위에 성장하는 것보다 매우 까다롭습니다. Si 웨이퍼와 III-N 박막 사이의 격자상수 차이와 결정구조 차이를 극복해야 하고 열팽창 특성과 박막 스트레스를 정교하게 제어하면서도 버퍼 구조의 절연 특성도 유지해야 합니다. 그리고 Si 웨이퍼에 Gallium이 접촉되면 melt-back etching 현상이 발생하기 때문에 Si 웨이퍼가 Gallium에 노출되지 않도록 시스템을 운영해야 합니다.

당사는 GaN on Si epitaxy 플랫폼에 독창적인 특허기술 InAlN/AlN 초격자 버퍼 기술을 적용해 서비스하고 있습니다. InAlN/AlN 초격자 버퍼는 초격자 밴드갭 에너지를 높게 유지해 절연 특성을 높이면서 InAlN와 AlN의 격자상수 차이를 이용해 박막의 스트레스를 정교하게 제어할 수 있습니다. 이를 통해서 RF GaN HEMT on Si 및 DC Power GaN HEMT on Si 에피웨이퍼 구조에 다양하게 적용할 수 있습니다.

p-GaN test 구조를 성장한 결과 정확한 growth rate과 p-type doping 특성이 확인되었습니다. SIMS 측정에서 Mg가 약 5e19 cm^-3으로 충분히 doping 되었고, 앞에서 설명했듯이 Hybrid-MBE 환경이기 때문에 Hydrogen 양이 매우 낮은 것을 볼 수 있습니다. Hall 측정에서 hole 농도 1.0e18 cm^-3이 확인되어 고객이 원하는 충분한 doping 특성이 확인되어 고객의 패턴 웨이퍼에 같은 조건으로 p-GaN regrowth 50㎚ 성장을 진행합니다.

IVWorks는 자체 개발한 Hybrid-MBE를 이용해 p-GaN을 성장합니다. 현재 4세대 Hybrid-MBE까지 개발되어 2인치, 4인치, 6인치, 8인치, 12인치 구경까지 에피택시 서비스를 제공할 수 있습니다. 또한 IVWorks는 에피웨이퍼 생산 전 과정을 자체 개발한 인공지능 에이전트 시스템 Domm 프레임워크에 통합함으로써 완전한 자율 생산 체계를 구축하고 있습니다.

고객에게 제공받은 패턴 웨이퍼의 p-GaN gate 영역과 그 외 selective area growth 검증용 패턴 영역에 완벽하게 p-GaN regrowth가 완료되었습니다. Mask 영역에는 아무것도 성장이 안되는 selective area growth가 완벽하게 구현되었고 3D FIN channel 영역에 성장된 p-GaN은 50nm 두께로 3D FIN 구조에 맞춰 side-wall과 top surface에 epitaxial contact 되도록 성장이 완료되었습니다.

8인치 RF GaN HEMT on Si의 3D FIN channel 영역에 p-GaN을 selective regrowth 완료한 웨이퍼를 진공 포장한 후에 고객에게 발송 완료했습니다. 아이브이웍스의 p-GaN regrowth는 2인치 웨이퍼부터 12인치 웨이퍼까지 GaN HEMT on Si, SiC, GaN, Sapphire 모두 대응이 가능합니다.

문의 │아이브이웍스 홈페이지 QNA 또는 www.domm.ai/contact