KR100451724B1 - method for forming GaN on semiconductor substrate - Google Patents

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Abstract

Si 또는 GaAs 기판 위에 GaN을 형성하는 방법에 관한 것으로, Si 또는 GaAs 기판과, GaN가 성장된 사파이어 기판을 준비한 다음, Si 또는 GaAs 기판 위에 제 1 반응층을, 사파이어 기판의 GaN 위에 제 2 반응층을 각각 성장시킨다. 이어, Si 또는 GaAs 기판의 제 1 반응층과 사파이어 기판의 제 2 반응층이 마주보도록 Si 또는 GaAs 기판의 제 1 반응층 위에 제 2 반응층 및 GaN가 성장된 사파이어 기판을 올린 후, 압력을 가하면서 열처리하여 제 1 반응층과 제 2 반응층을 접합시키고, GaN로부터 사파이어 기판을 제거함으로써, 열적이나 전기적으로 우수한 Si 또는 GaAs 기판 위에 GaN를 용이하게 형성시킬 수 있을 뿐만 아니라, GaN에서도 벽개 형성이 용이하다.A method of forming GaN on a Si or GaAs substrate, comprising preparing a Si or GaAs substrate and a GaN-grown sapphire substrate, and then forming a first reaction layer on the Si or GaAs substrate and a second reaction layer on the GaN of the sapphire substrate. Grow each. Subsequently, the sapphire substrate on which the second reaction layer and GaN are grown is placed on the first reaction layer of the Si or GaAs substrate so that the first reaction layer of the Si or GaAs substrate and the second reaction layer of the sapphire substrate face each other. By joining the first reaction layer and the second reaction layer by heat treatment while removing the sapphire substrate from GaN, GaN can be easily formed on a thermally or electrically excellent Si or GaAs substrate, and cleavage is also formed in GaN. It is easy.

Description

반도체 기판 위에 ＧａＮ을 형성하는 방법{method for forming GaN on semiconductor substrate}Method for forming GaN on semiconductor substrate

본 발명은 GaN을 형성하는 방법에 관한 것으로, 특히 Si 또는 GaAs 기판 위에 GaN을 형성하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of forming GaN, and more particularly, to a method of forming GaN on a Si or GaAs substrate.

일반적으로, 고집적 마이크로 시스템을 제작하기 위해서는 열적 특성이나 전기적 특성이 우수한 Si 또는 GaAs 기판이 사파이어 기판에 비해 훨씬 더 유리하다.In general, Si or GaAs substrates having excellent thermal or electrical properties are much more advantageous than sapphire substrates to fabricate highly integrated microsystems.

하지만, 현재에는 GaN를 성장시킬 때 가장 많이 사용하는 기판이 사파이어 기판이다.However, at present, the most commonly used substrate for growing GaN is sapphire substrate.

그 이유는 사파이어 기판이 높은 온도 안정성을 가지고 있으며 GaN와 유사한 결정 구조를 가지고 있기 때문이다.The reason is that the sapphire substrate has high temperature stability and has a crystal structure similar to GaN.

이에 비해, Si 또는 GaAs 기판은 에피층의 특성이 나빠져서 GaN을 기판 위에바로 성장시키기가 힘들다.In contrast, Si or GaAs substrates have poor epitaxial properties, making it difficult to grow GaN directly onto the substrate.

이러한 특성을 극복하기 위하여 현재 GaN와 InP의 접합 방법, Pd-In 코팅된 Si과 사파이어의 접합 방법 등 다양한 웨이퍼 본딩 기술들을 이용하고 있다.In order to overcome these characteristics, various wafer bonding techniques, such as a bonding method of GaN and InP and a bonding method of Pd-In coated Si and sapphire, are used.

그러나, GaN와 InP의 접합 방법은 InP가 Si이나 GaAs에 비해 매우 무르고 여러 가지 공정조건에서 많은 문제를 일으키는 단점이 있으며, Pd-In 코팅된 Si과 사파이어의 접합 방법은 고온 공정에서 많은 문제를 일으킨다.However, the method of joining GaN and InP has the disadvantage that InP is much softer than Si or GaAs and causes many problems under various process conditions. The method of joining Pd-In coated Si and sapphire causes many problems in high temperature process. .

본 발명의 목적은 이러한 문제들을 해결하기 위한 것으로, Si 또는 GaAs 기판 위에 GaN을 용이하게 형성할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to solve these problems, to provide a method for easily forming GaN on a Si or GaAs substrate.

본 발명의 다른 목적은 GaN의 벽개 형성을 용이하게 할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for facilitating cleavage of GaN.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 따른 GaN 형성 방법을 보여주는 공정 단면도1A to 1D are cross-sectional views illustrating a method of forming GaN according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 GaN을 형성하기 위하여 사용되는 장치를 보여주는 도면2 shows an apparatus used to form GaN according to the present invention.

본 발명에 따른 반도체 기판 위에 GaN을 형성하는 방법은 Si 또는 GaAs 기판과, GaN가 성장된 사파이어 기판을 준비하는 단계와, Si 또는 GaAs 기판 표면과 GaN 표면이 마주보도록 Si 또는 GaAs 기판 위에 GaN가 성장된 사파이어 기판을 올린 후, 압력을 가하면서 열처리하여 Si 또는 GaAs 기판과 GaN를 접합시키는 단계와, GaN로부터 사파이어 기판을 제거하는 단계로 이루어진다.A method of forming GaN on a semiconductor substrate according to the present invention includes preparing a Si or GaAs substrate, a sapphire substrate on which GaN is grown, and growing GaN on a Si or GaAs substrate so that the surface of the Si or GaAs substrate and the GaN surface face each other. After the sapphire substrate is raised, heat treatment is performed under pressure to bond the Si or GaAs substrate and GaN, and the sapphire substrate is removed from GaN.

여기서, Si 또는 GaAs 기판과 GaN를 접합하기 전에, Si 또는 GaAs 기판과, GaN가 성장된 사파이어 기판을 세척한 후, Si 또는 GaAs 기판 표면과 GaN 표면을 친수성화하는 단계를 더 진행할 수도 있다.Here, before bonding the Si or GaAs substrate and GaN, the step of washing the Si or GaAs substrate and the GaN-grown sapphire substrate may be further performed to hydrophilize the surface of the Si or GaAs substrate and the GaN surface.

그리고, 사파이어 기판 제거시에는 엑시머 레이저(eximer laser)를 사용한다.An excimer laser is used to remove the sapphire substrate.

본 발명에 따른 반도체 기판 위에 GaN을 형성하는 방법은 Si 또는 GaAs 기판과, GaN가 성장된 사파이어 기판을 준비하는 단계와, Si 또는 GaAs 기판 위에 제 1 반응층을, 사파이어 기판의 GaN 위에 제 2 반응층을 각각 성장시키는 단계와, Si 또는 GaAs 기판의 제 1 반응층과 사파이어 기판의 제 2 반응층이 마주보도록 Si 또는 GaAs 기판의 제 1 반응층 위에 제 2 반응층 및 GaN가 성장된 사파이어 기판을 올린 후, 압력을 가하면서 열처리하여 제 1 반응층과 제 2 반응층을 접합시키는 단계와, GaN로부터 상기 사파이어 기판을 제거하는 단계로도 이루어질 수 있다.The method for forming GaN on a semiconductor substrate according to the present invention comprises the steps of preparing a Si or GaAs substrate, a sapphire substrate with GaN grown, a first reaction layer on the Si or GaAs substrate, a second reaction on the GaN of the sapphire substrate Growing the layers, and sapphire substrates having the second reaction layer and GaN grown on the first reaction layer of the Si or GaAs substrate to face the first reaction layer of the Si or GaAs substrate and the second reaction layer of the sapphire substrate. After raising, the step may be performed by applying heat under pressure to bond the first and second reaction layers, and removing the sapphire substrate from GaN.

여기서, 제 1 반응층은 InGaP, InGaAs 중 어느 하나이고, 제 2 반응층은 InGaP이고, 제 1, 제 2 반응층의 두께는 5 - 15nm로 한다.Here, the first reaction layer is either InGaP or InGaAs, the second reaction layer is InGaP, and the thickness of the first and second reaction layers is 5 to 15 nm.

그리고, 각 기판에 제 1, 제 2 반응층을 형성한 다음, 제 1 반응층이 성장된 Si 또는 GaAs 기판과, 제 2 반응층 및 GaN가 성장된 사파이어 기판을 세척한 후, 제 1 반응층의 표면과 제 2 반응층의 표면을 친수성화하는 단계를 더 진행할 수도 있으며, 사파이어 기판 제거시에는 엑시머 레이저(eximer laser)를 사용한다.After forming the first and second reaction layers on each substrate, the Si or GaAs substrate on which the first reaction layer was grown, the sapphire substrate on which the second reaction layer and GaN were grown, and the first reaction layer were washed. The step of hydrophilizing the surface of the surface and the surface of the second reaction layer may be further performed, and an excimer laser is used to remove the sapphire substrate.

이와 같이 본 발명은 열적이나 전기적으로 우수한 Si 또는 GaAs 기판 위에 GaN를 용이하게 형성시킬 수 있을 뿐만 아니라, GaN에서도 벽개 형성이 용이하다.As described above, the present invention can not only easily form GaN on a thermally or electrically excellent Si or GaAs substrate, but also easily form cleavage in GaN.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Referring to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention having the features as described above are as follows.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 따른 GaN 형성 방법을 보여주는 공정 단면도로서, 먼저 도 1a에 도시된 바와 같이 Si 또는 GaAs 기판과, GaN가 성장된 사파이어 기판을 준비한다.1A to 1D are cross-sectional views illustrating a method of forming GaN according to the present invention. First, as shown in FIG. 1A, a Si or GaAs substrate and a GaN-grown sapphire substrate are prepared.

이어, Si 또는 GaAs 기판 위에는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 MO-MBE 등의 화합물 반도체 에피탁시 장비를 이용하여 제 1 반응층인 InGaP 또는 InGaAs 등을 약 1 - 15nm 두께로 성장시키는데 여기서는 약 10nm로 성장시킨다.Subsequently, on the Si or GaAs substrate, InGaP or InGaAs, which is a first reaction layer, may be formed using equipment for compound semiconductor epitaxy such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), or MO-MBE. It grows to a thickness of 15 nm, where it grows to about 10 nm.

여기서, 기판이 Si인 경우에는 제 1 반응층을 InGaP로 성장시키고, 기판이 GaAs인 경우에는 제 1 반응층을 InGaAs으로 성장시킨다.Here, when the substrate is Si, the first reaction layer is grown with InGaP, and when the substrate is GaAs, the first reaction layer is grown with InGaAs.

그리고, 사파이어 기판 위에 성장된 GaN 위에는 상기와 동일한 장비를 이용하여 제 2 반응층인 InGaP을 약 1 - 15nm 두께로 성장시키는데 여기서는 약 10nm로 성장시킨다.On the GaN grown on the sapphire substrate, InGaP, which is a second reaction layer, is grown to a thickness of about 1 to 15 nm using the same equipment as described above, where it is grown to about 10 nm.

이와 같이, 반응층을 Si 또는 GaAs 기판과 사파이어 기판에 각각 성장시키는 이유에 대해서는 후술하기로 한다.As described above, the reason for growing the reaction layer on the Si or GaAs substrate and the sapphire substrate will be described later.

하지만, 상기 제 1 반응층과 제 2 반응층을 각 기판 위에 성장시키지 않아도 본 발명을 수행하는데는 큰 문제가 되지 않는다.However, even if the first reaction layer and the second reaction layer are not grown on each substrate, there is no big problem in carrying out the present invention.

그 다음 공정으로, 제 1 반응층이 성장된 기판과 제 2 반응층이 성장된 기판을 TCE, 아세톤, 메탄올의 순서로 세척한 후, HF와 DI(초순수)의 혼합물에 담구어 친수성 표면을 형성한다.In the next process, the substrate on which the first reaction layer is grown and the substrate on which the second reaction layer is grown are washed in the order of TCE, acetone and methanol, and then immersed in a mixture of HF and DI (ultra pure water) to form a hydrophilic surface. do.

이 때, 친수성의 정도를 알아보기 위하여 웨팅 각도(wetting angle)를 측정해 본다.At this time, the wetting angle (wetting angle) is measured to determine the degree of hydrophilicity.

그리고, 도 1b에 도시된 바와 같이 Si 또는 GaAs 기판의 제 1 반응층과 사파이어 기판의 제 2 반응층이 마주보도록 Si 또는 GaAs 기판의 제 1 반응층 위에 제 2 반응층 및 GaN가 성장된 사파이어 기판을 올린다.As shown in FIG. 1B, a sapphire substrate on which a second reaction layer and GaN are grown on the first reaction layer of the Si or GaAs substrate to face the first reaction layer of the Si or GaAs substrate and the second reaction layer of the sapphire substrate Raise up.

이 때, 두 기판은 반데르발스(van der vaals) 힘으로 부착된다.At this time, the two substrates are attached by van der vaals force.

이와 같이, 반데르발스 힘으로 부착된 기판들은 도 2에 도시된 장치를 이용하여 압력을 가하면서 열처리하면 제 1 반응층과 제 2 반응층의 표면 원자간의 결합이 공유결합으로 바뀌게 된다.As described above, when the substrates attached with van der Waals forces are heat-treated under pressure using the apparatus shown in FIG. 2, the bond between the surface atoms of the first reaction layer and the second reaction layer is changed to a covalent bond.

여기서, 제 1, 제 2 반응층 없이, Si 또는 GaAs 기판 표면과 사파이어 기판의 GaN 표면을 직접 접합하지 않는 이유는 이들 두 표면간의 반응성이 낮기 때문이다.The reason for not directly bonding the Si or GaAs substrate surface and the GaN surface of the sapphire substrate without the first and second reaction layers is that the reactivity between these two surfaces is low.

그러므로, 원자의 이동도가 큰 In이 포함된 화합물간에 본딩을 시켜야 표면 상태가 약간 나쁘더라도 두 기판이 잘 부착된다.Therefore, bonding between compounds containing In, which has high mobility of atoms, makes the two substrates adhere well even if the surface condition is slightly bad.

하지만, 반응층이 없이 본 발명을 수행하여도 우수한 GaN를 형성할 수 있다.However, even when the present invention is performed without the reaction layer, excellent GaN can be formed.

또한, 도 2에 도시된 장치에서, 돔(dome)의 형태가 원형으로 된 이유는 접합된 두 시편(sample)에 골고루 압력을 주기 위해서이다.In addition, in the device shown in FIG. 2, the reason for the circular shape of the dome is to apply pressure evenly to the two bonded samples.

돔은 알루미늄이나 그래파이트(graphite)로 제작되며, 이 장치가 압력을 일으키는 원동력은 온도 상승시 고정대(fixture), 시편, 돔, 플레이트(plate)의 열팽창에 의해 발생한다.The dome is made of aluminum or graphite, and the driving force that causes the device's pressure is generated by thermal expansion of the fixture, specimen, dome, and plate as the temperature rises.

필요에 따라서는 약 10분에서 약 10시간 정도 열처리 공정을 수행한다.If necessary, the heat treatment is performed for about 10 minutes to about 10 hours.

이와 같은 방법으로, 두 기판을 접합하고 나서, 도 1c 및 도 1d에 도시된 바와 같이 레이저(laser)를 사용하여 GaN로부터 사파이어 기판을 제거한다.In this manner, after joining the two substrates, a sapphire substrate is removed from GaN using a laser as shown in FIGS. 1C and 1D.

본 발명에서는 사파이어 기판을 투과하고 GaN에 흡수되는 파장(약 350nm 이하)을 가지는 엑시머 레이저(eximer laser)를 사용한다.In the present invention, an excimer laser having a wavelength (about 350 nm or less) passing through the sapphire substrate and absorbed by GaN is used.

그리고, 마지막으로 사파이어 기판을 리프트-오프(lift-off)한 후에GaN 위에 남아있을 수도 있는 Ga 등의 레저듀(residue)를 화학 에칭으로 제거하여 매끄러운 GaN 표면을 형성한다.Finally, after the lift-off of the sapphire substrate, a residue such as Ga, which may remain on the GaN, is removed by chemical etching to form a smooth GaN surface.

이와 같이 본 발명의 GaN 형성 방법은 Si 또는 GaAs 기판 위에 전자 회로를 구현하고 GaN의 여러 소자를 집적시키는 분야 등에 이용할 수 있다.As described above, the GaN forming method of the present invention can be used to implement an electronic circuit on a Si or GaAs substrate and integrate various GaN devices.

본 발명은 GaN에 사용되는 사파이어 기판의 문제점을 극복하고 Si 또는 GaAs 기판의 열적, 전기적으로 우수한 성질을 GaN와 함께 사용할 수 있는 이점이 있다.The present invention has the advantage of overcoming the problems of the sapphire substrate used for GaN and using the thermally and electrically excellent properties of the Si or GaAs substrate with GaN.

또한, GaN 기판이 아주 얇은 경우(약 100nm 이하)에 GaN 기판이 컴플라이언트(compliant) 기판이 되어, 기존의 사파이어 기판 위에서 격자 부정합(lattice mismatch)에 의해 제작하기 힘들었던 GaN 성장을 용이하게 할 수 있다.In addition, when the GaN substrate is very thin (about 100 nm or less), the GaN substrate becomes a compliant substrate, thereby facilitating the growth of GaN, which was difficult to fabricate by lattice mismatch on the existing sapphire substrate. .

그리고, 레이저 다이오드 등에서, Si 또는 GaAs 기판을 사용함으로써, 기존의 GaN에서의 벽개 형성을 용이하게 할 수 없는 단점을 개선할 수 있는 효과가 있다.And, in the laser diode or the like, by using a Si or GaAs substrate, there is an effect that can improve the disadvantage that can not easily form cleavage in the existing GaN.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the technical spirit of the present invention.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the embodiments, but should be defined by the claims.

Claims (8)

삭제delete 삭제delete 삭제delete Si 또는 GaAs 기판과, GaN가 성장된 사파이어 기판을 이용한 GaN 형성방법에 있어서,In the GaN formation method using a Si or GaAs substrate and a sapphire substrate with GaN grown, 상기 Si 또는 GaAs 기판 위에 제 1 반응층을, 상기 사파이어 기판의 GaN 위에 제 2 반응층을 각각 성장시키는 제 1 단계;A first step of growing a first reaction layer on the Si or GaAs substrate and a second reaction layer on GaN of the sapphire substrate; 상기 제 1 반응층이 성장된 Si 또는 GaAs 기판과, 상기 제 2 반응층 및 GaN가 성장된 사파이어 기판을 세척한 후, 상기 제 1 반응층의 표면과 상기 제 2 반응층의 표면을 친수성화하는 제 2 단계;After washing the Si or GaAs substrate on which the first reaction layer is grown, the sapphire substrate on which the second reaction layer and GaN are grown, and hydrophilizing the surface of the first reaction layer and the surface of the second reaction layer Second step; 상기 친수성화된 Si 또는 GaAs 기판의 제 1 반응층과 상기 사파이어 기판의 제 2 반응층이 마주보도록 상기 Si 또는 GaAs 기판의 제 1 반응층 위에 상기 제 2 반응층 및 GaN가 성장된 사파이어 기판을 올린 후, 압력을 가하면서 열처리하여 상기 제 1 반응층과 제 2 반응층을 접합시키는 제 3 단계; 그리고The sapphire substrate on which the second reaction layer and GaN were grown was placed on the first reaction layer of the Si or GaAs substrate to face the first reaction layer of the hydrophilized Si or GaAs substrate and the second reaction layer of the sapphire substrate. A third step of bonding the first reaction layer and the second reaction layer by applying heat treatment while applying pressure; And 상기 GaN로부터 상기 사파이어 기판을 제거하는 제 4 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 GaN 형성방법.And a fourth step of removing the sapphire substrate from the GaN. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 반응층은 InGaP, InGaAs 중 어느 하나이고, 상기 제 2 반응층은 InGaP인 것을 특징으로 하는 GaN 형성 방법.The method of claim 4, wherein the first reaction layer is one of InGaP and InGaAs, and the second reaction layer is InGaP. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 반응층의 두께는 5 - 15nm인 것을 특징으로 하는 GaN 형성방법.The GaN forming method according to claim 5, wherein the first and second reaction layers have a thickness of 5 to 15 nm. 삭제delete 삭제delete
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