KR0119281B1 - Nitrogen radical generator for nitrogen compound semiconductor manufacturing - Google Patents

Nitrogen radical generator for nitrogen compound semiconductor manufacturing

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KR0119281B1 KR1019940023881A KR19940023881A KR0119281B1 KR 0119281 B1 KR0119281 B1 KR 0119281B1 KR 1019940023881 A KR1019940023881 A KR 1019940023881A KR 19940023881 A KR19940023881 A KR 19940023881A KR 0119281 B1 KR0119281 B1 KR 0119281B1
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박형무
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양승택
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Abstract

본 발명은 초고진공 중에서 질소 래디칼을 생성하는 소오스로서 특히 반응에 활성화된 질소 래디칼을 형성하고 프라즈마 챔버의 자체 형태에 의해 프라즈마를 추출하면서 초음파를 이용해 균일도를 높여 질화물 화합물 반도체 제작시 결정성과 전기적인 특성을 향상시킬 수 있는 질소 래디칼 생성장치에 관한 것이다.The present invention is a source for generating nitrogen radicals in ultra-high vacuum, in particular the formation of activated nitrogen radicals in the reaction and extracting the plasma by its own shape of the plasma chamber to increase the uniformity using ultrasonic waves, crystallinity and electrical properties when manufacturing a nitride compound semiconductor It relates to a nitrogen radical generating device that can improve the.

본 발명은 분자선 에피택시 장비를 이용한 질소 래디칼 발생장치에 있어서, 하전된 질소 래디칼과 화학결합하여 질화물 반도체를 형성할 수 있는 기판; 프라즈마가 밀도차에 의해 상기 기판을 향하여 입사될 수 있도록 원추형상의 구조를 갖는 챔버; 상기 챔버의 외측벽에 형성되어 프라즈마를 형성하기 위한 마그네트; 상기 챔버내로 불활성 가스인 질소를 주입하기 위한 니들밸브; 상기 니들밸브로부터 유입된 질소가스를 침버내로 확산시키기 위한 확산자; 확산된 질소가스를 이온화시키기 위한 필라멘트; 및 형성된 프라즈마와 균일한 분포를 이룰 수 있도록 상기 챔버의 하측외벽에 부착된 초음파 진동자로 구성된다.The present invention provides a nitrogen radical generator using molecular beam epitaxy equipment, comprising: a substrate capable of chemically bonding with charged nitrogen radicals to form a nitride semiconductor; A chamber having a conical structure such that plasma can be incident toward the substrate by a density difference; A magnet formed on an outer wall of the chamber to form a plasma; A needle valve for injecting nitrogen which is an inert gas into the chamber; A diffuser for diffusing nitrogen gas introduced from the needle valve into the chamber; Filaments for ionizing the diffused nitrogen gas; And an ultrasonic vibrator attached to the lower outer wall of the chamber to achieve a uniform distribution with the formed plasma.

Description

질소 화합물 반도체 제조를 위한 질소 래디칼 생성장치Nitrogen radical generator for nitrogen compound semiconductor manufacturing

제1도는 종래의 카우프만형 이온발생장치의 구조를 도시한 도면.1 is a view showing the structure of a conventional Kaufman type ion generating device.

제2도는 본 발명에 의한 질소 래디칼 생성장치의 구조를 도시한 개략도.2 is a schematic view showing the structure of the nitrogen radical generating device according to the present invention.

본 발명은 초고진공 중에서 질소 래디칼을 생성하는 소오스로서 특히 3족 원소와 잘 반응할 수 있는 질소 래디칼을 생성하여 고품질의 질화물 반도체박막을 제조할 수 있는 질소 래디칼 생성장치에 관한 것이다.The present invention relates to a nitrogen radical generating device capable of producing a high quality nitride semiconductor thin film by generating nitrogen radicals capable of reacting well with a group III element as a source for generating nitrogen radicals in ultra-high vacuum.

일반적으로, 주기율표상의 3족과 5족의 화합물과 2족과 6족의 화합물은 4족의 원소와 같은 반도체 특성을 나타내고 있다.In general, the compounds in Groups 3 and 5 and the compounds in Groups 2 and 6 on the periodic table exhibit the same semiconductor characteristics as the elements in Group 4.

이들을 III-V족 화합물 반도체와 II-VI족 화합물 반도체라고 하는데 원소 반도체에 비하여 발광특성, 수광특성이 뛰어나고 고속성을 가지므로 광소자 및 마이크로 웨이브 소자로 쓰이고 있다.These compounds are referred to as group III-V compound semiconductors and group II-VI compound semiconductors, and are used as optical devices and microwave devices because they have excellent light emission characteristics, light reception characteristics, and high speed compared with element semiconductors.

주기율표상에서 같은 칼럼에 있는 원소가 결합한 화합물 반도체중 결합한 칼럼의 위에서 아랫방향으로의 재료간 성질은 아래에 있는 화합물일수록 밴드캡이 작아지고 결합력이 작으며 녹는점이 낮아진다.On the periodic table, among the compound semiconductors in which the elements in the same column are bonded, the inter-material properties from the top to the bottom of the bonded column are smaller in the band cap, the smaller the bonding force, and the lower the melting point.

한편, 주기율표의 좌우방향의 재료는 안쪽에서 결합한 III-V족 화합물 반도체보다 바깥쪽인 II-VI족 화합물 반도체 재료가 밴드캡이 크고 결합력이 크며 녹는 점이 높은 특성으 가지고 있다.On the other hand, the material in the left and right directions of the periodic table has a characteristic that the group II-VI compound semiconductor material outside the group III-V compound semiconductor bonded inward has a large band cap, a large bonding force, and a high melting point.

따라서, 화합물 반도체는 결합하는 원소의 양 및 종류에 따라 그 전기적, 광학적 특성이 달라지므로 이 다양성을 이용하여 시스템이 요구하는 특성이 소자를 만들 수 있는 장점이 있다.Accordingly, since the compound semiconductor has different electrical and optical properties depending on the amount and type of elements to be bonded, there is an advantage that the characteristics required by the system can be used to make the device using this diversity.

이러한 화합물 반도체 가운데 III-V족 화합물 반도체의 일종인 질소화합물 반도체는 5족인 질소와 3족의 원소가 결합되어 만들어진다.Among these compound semiconductors, a nitrogen compound semiconductor, which is a kind of group III-V compound semiconductor, is made by combining nitrogen of Group 5 and elements of Group 3.

특히, 질화갈륨(GaN)은 직접전이형의 밴드갭을 가지므로 이를 이용하여 레이저 다이오드를 제작하면 푸른빛을 생성할 수 있다.In particular, gallium nitride (GaN) has a bandgap of direct transition type, so that laser light can be produced by using the laser diode.

따라서, 현재 광방출 다이오드나 레이저 다이오드 중에서 천연색을 표시하기 위한 빛의 삼원색중 실현의 가능성이 있는 파란색 계통의 광방출 다이오드도 레이저 다이오드를 실현할 수 있기 때문에 다양한 응용범위를 갖는 중요한 재료이다.Therefore, blue light-emitting diodes, which have the possibility of realizing among the three primary colors of light for displaying natural colors among light-emitting diodes or laser diodes, can also realize laser diodes, and thus are important materials having various application ranges.

이의 제조방법은 분자선 에피택시(NBE), 유기금속 화학증착(MOCVD) 및 액상 에피택시(LPE)등이 있다.Its manufacturing methods include molecular beam epitaxy (NBE), organometallic chemical vapor deposition (MOCVD) and liquid phase epitaxy (LPE).

이들 가운데 분자선 에피택시 방법은 서로다른 원소를 독립적으로 초고진공 중에서 분자선 또는 래디칼 등을 만들어 기판상에 입사시켜 성장하는 방법이다.Among them, the molecular beam epitaxy method is a method in which different elements are independently grown in ultra-high vacuum to make molecular beams or radicals and incident on a substrate.

이러한 분자선 에피택시 장비를 이용하여 질소화합물 반도체를 제조하기 위한 질소의 분자선 발생장치는 아직도 연구단계에 머물고 있는 실정이다.The molecular beam generator of nitrogen for manufacturing nitrogen compound semiconductors using such molecular beam epitaxy equipment is still in the research stage.

제1도는 카우프만형의 이온발생장치를 개략적으로 도시한 것으로서, 불활성 가스를 이온화하는데 이용이 되고 있는 장치이다.1 schematically shows a Kaufman-type ion generating device, which is used to ionize an inert gas.

즉, 가스주입구(1)로 들어간 가스는 가열된 필라멘트(2)에서 나오는 열전자에 의해 충격을 당하고 이온화되며, 이들은 다시 자석(3)의 자기장에 의해 원형운동을 하면서 다른 중성분자, 원자 및 이온과 충돌하여 프라즈마를 챔버(4)내에서 형성하게 된다.That is, the gas entering the gas inlet 1 is bombarded and ionized by the hot electrons from the heated filament 2, which in turn undergoes a circular motion by the magnetic field of the magnet 3 and with other heavy atoms, atoms and ions. The collision causes plasma to form in the chamber 4.

이때, 캐소드(5)에 추출하려는 이온과 같은 전하를 걸어 반발력을 형성하고, 출구부분의 그리드(6)에는 인력이 작용하는 전장을 인가하여 이온(7)을 추출한다.At this time, a charge such as ions to be extracted is applied to the cathode 5 to form a repulsive force, and an electric field in which an attractive force is applied to the grid 6 of the outlet portion extracts the ions 7.

이러한 구성을 갖는 종래의 이온 및 래디칼을 발생하는 장치는 그리드(6)에 의한 평행가속으로 넓은 면적의 기판을 사용할때에는 상대적으로 큰 소오스를 요구하게 되어 화합물 반도체를 성장하기 위해 적어도 5개 이상의 소오스가 요구되는 바, 이들을 성장장치에 부착하는 것을 기하학적으로 거의 불가능하여 1 내지 3 이하의 소오스만 장착하여 에칭이나 중착의 단일 목적으로만 이용되고 있다.A conventional ion and radical generating device having such a configuration requires a relatively large source when using a large area substrate with parallel acceleration by the grid 6, so that at least five or more sources are required to grow the compound semiconductor. As required, it is almost impossible to attach them to the growth apparatus geometrically so that only one to three or less sources are mounted and used only for the single purpose of etching or deposition.

즉, 종래 장치는 발생된 프라즈마에서 질소와 같은 한가지 하전입자만 추출할 수 있기 때문에 비효율적이다.That is, the conventional apparatus is inefficient because only one charged particle such as nitrogen can be extracted from the generated plasma.

또한, 이온의 추출 및 가속은 한가지 전하만을 가진 입자만이 가능하므로 이온화율에 의존하여 소모성이 큰 단점을 가지고 있으며, 하전된 입자가 가속전압에 의해 추출되어 그라드를 통과할때 통과입자가 그라드를 충격하여 그리드의 구멍은 사용할수록 크기가 달라져서 장시간 사용이 불가능한 문제점이 있었다.In addition, the extraction and acceleration of ions has a disadvantage in that it is possible to use only a particle having only one charge, and it is very consumable depending on the ionization rate, and when the charged particles are extracted by the acceleration voltage and pass through the grad, the passing particles can There was a problem that the hole of the grid is impacted and the size is changed as it is used for a long time is impossible.

따라서, 본 발명은 이러한 종래의 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 발생된 질소 플라즈마를 챔버의 자체형태에 의해 추출하고, 초음파를 인가하여 균일도를 높여 고품질의 질소화합물 반도체를 제작할 수 있는 질소 래디칼 생성장치를 제공하는 것이다.Therefore, the present invention has been made to solve such a conventional problem, the object is to extract the generated nitrogen plasma by its own shape of the chamber, by applying ultrasonic waves to increase the uniformity to produce a high quality nitrogen compound semiconductor It is to provide a nitrogen radical generating device.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 분자선 에피택시 장비를 이용한 질소 래디칼 발생장치에 있어서, 하전된 질소 래디칼과 화학 결합하여 질화물 반도체를 형성할 수 있는 기판; 프라즈마가 밀도차에 의해 상기 기판을 향하여 입사될 수 있도록 원추형상의 구조를 갖는 챔버; 상기 챔버의 외측벽에 형성되어 프라즈마를 형성하기 위한 마그네트; 상기 챔버내로 불활성 가스인 질소를 주입하기 위한 니들밸브; 상기 니들밸브로부터 유입된 질소가스를 챔버내로 확산시키기 위한 확산자; 확산된 질소가스를 이온화시키기 위한 필라멘트; 및 형성된 프라즈마가 균일한 분포를 이룰 수 있도록 상기 챔버의 하측외벽에 부착된 초음파 진동자로 구성된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a nitrogen radical generating device using a molecular beam epitaxy device, comprising: a substrate capable of chemically bonding with charged nitrogen radicals to form a nitride semiconductor; A chamber having a conical structure such that plasma can be incident toward the substrate by a density difference; A magnet formed on an outer wall of the chamber to form a plasma; A needle valve for injecting nitrogen which is an inert gas into the chamber; A diffuser for diffusing nitrogen gas introduced from the needle valve into the chamber; Filaments for ionizing the diffused nitrogen gas; And an ultrasonic vibrator attached to the lower outer wall of the chamber so that the formed plasma can achieve a uniform distribution.

본 발명에 의하면 고품질의 질소래디칼을 발생시켜 분자선 에피택시에 의한 질화물 화합물 반도체 제조시에 결정성이 높고, 전기적 특성이 좋은 질화물 화합물 반도체를 제조할 수 있다.According to the present invention, it is possible to produce a nitride compound semiconductor having high crystallinity and good electrical properties in the production of a nitride compound semiconductor by molecular beam epitaxy by generating high quality nitrogen radicals.

본 발명의 질소 래디칼 발생장치의 특징은 원추형의 높은 음전압을 인가할 수 있는 탄탈륨 챔버형태를 가지면서, 프라즈마를 자체형태에 의하여 추출하고, 초음파 진동자를 이용하여 추출되는 프라즈마의 균일도를 높여서 기판에 성장되는 에피택셜층의 특성을 향상시키는 것이다.A characteristic of the nitrogen radical generating device of the present invention is to have a tantalum chamber shape capable of applying a conical high negative voltage, extract the plasma by its own shape, and increase the uniformity of the plasma extracted by the ultrasonic vibrator on the substrate. It is to improve the characteristics of the grown epitaxial layer.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제2도는 본 발명에 의한 질소 래디칼 생성장치의 구조를 도시한 것으로서, 기판에 대하여 원추형의 고음전압 탄탈륨 침버(14)를 채용하고 높은 음전압을 인가하면 니들밸브(11)로 제어된 질소가스가 유입되어 확산자(19)를 통과하여 챔버내로 확산된 후 가열된 필라멘트(12)로부터 방출되는 열전자들에 의해 충격을 당하여 이온화되며, 설치된 마그네트(13)의 자장내에서 원형운동을 일으키며 중성원자, 이온화된 원자 및 전자들이 어우러져 프라즈마를 형성하게 된다.FIG. 2 shows the structure of the nitrogen radical generating device according to the present invention. When the conical high negative voltage tantalum needle 14 is applied to a substrate and a high negative voltage is applied, the nitrogen gas controlled by the needle valve 11 is applied. After being introduced and diffused through the diffuser 19 into the chamber, it is ionized by a shock caused by the thermal electrons emitted from the heated filament 12, causing a circular motion in the magnetic field of the installed magnet 13, Ionized atoms and electrons combine to form a plasma.

형성된 프라즈마는 원추형 챔버(14)내에 존재하므로 자체의 밀도차가 존재하고 밀도차에 의한 흐름이 형성되어 기판을 향해 입사하게 된다.Since the formed plasma exists in the conical chamber 14, there exists a density difference of its own and a flow by the density difference is formed and is incident toward the substrate.

이때, 챔버(14)의 하단외벽에 부착된 초음파 진동자(17)에 의하여, 프라즈마는 소밀파의 형태를 가지면서 균일한 분포를 이루게 된다.At this time, by the ultrasonic vibrator 17 attached to the bottom outer wall of the chamber 14, the plasma has a uniform shape while having a form of a small wave.

따라서 종래의 가스래디칼 발생장치에서는 챔버내에서 발생된 프라즈마에서 한가지의 하전입자만을 그리드에 전압을 가하여 추출할 수 있는데 반하여, 본 발명에서는 중성원자, 프러스, 마이너스 하전입자 및 전자 등의 혼합체인 프라즈마 자체를 원추형 프라즈마 챔버형태에 의하여 자체적으로 질소 래디칼을 기판에 입사시킬 수 있고, 초음파 진동자를 이용하여 균일한 분포를 형성할 수 있는 것이다.Therefore, in the conventional gas radical generating device, only one charged particle can be extracted from the plasma generated in the chamber by applying a voltage to the grid, whereas in the present invention, the plasma itself, which is a mixture of neutral atoms, pruses, negatively charged particles, and electrons, is extracted. It is possible to inject nitrogen radicals into the substrate itself by the conical plasma chamber shape, it is possible to form a uniform distribution by using an ultrasonic vibrator.

또한, 원추형의 챔버를 채용하므로 추출된 프라즈마의 확산으로 넓은 면적에 대하여 입사시킬 수 있으므로 발생장치를 작게 만들 수 있으며 주입된 가스를 거의 이용하므로 효율이 높아진다.In addition, since the conical chamber is adopted, the generator can be made small due to the diffusion of the extracted plasma, so that the generator can be made small.

이상 설명한 바와같이 본 발명에 의하면, 불활성 기체인 질소를 반응하기 쉬운 질소 래디칼로 형성시켜 주면서 원추형 하전챔버를 이용하므로서 프라즈마를 챔버의 자체형태에 의해 추출하고, 초음파를 인가하여 균일도를 높인 프라즈마를 넓은 면적으로 확산시키므로서 발생장치를 작게 만들 수 있을 뿐만아니라, 성장이 어려운 질화물 반도체를 낮은 온도에서, 좋은 결정성을 가지며 전기적특성이 향상된 고품질의 박막으로 제조할 수 있는 효과를 발휘한다.As described above, according to the present invention, by using a conical charge chamber while forming nitrogen as an inert gas into an easy-to-react nitrogen radical, the plasma is extracted by the chamber's own form, and the ultrasonic wave is applied to increase the uniformity of the plasma. By diffusing the area, the generator can be made small, and the nitride semiconductor, which is difficult to grow, can be produced at a low temperature with a high quality thin film having good crystallinity and improved electrical characteristics.

Claims (1)

분자선 에피택시 장비를 이용한 질소 래디칼 발생장치에 있어서, 하전된 질소 래디칼과 화학결합하여 질화물 반도체를 형성할 수 있는 기판; 프라즈마가 밀도차에 의해 상기 기판을 향하여 입사될 수 있도록 원추형상의 구조를 갖는 챔버; 상기 챔버의 외측벽에 형성되어 프라즈마를 형성하기 위한 마그네트; 상기 챔버내로 불활성 가스인 질소를 주입하기 위한 니들밸브; 상기 니들밸브로부터 유입된 질소가스를 챔버내로 확산시키기 위한 확산자; 확산된 질소가스를 이온화시키기 위한 필라멘트; 및 형성된 프라즈마가 균일한 분포를 이룰 수 있도록 상기 챔버의 하측외벽에 부착된 초음파 진동자로 구성된 것을 특징으로하는 질소 래디칼 생성장치.An apparatus for generating nitrogen radicals using molecular beam epitaxy equipment, comprising: a substrate capable of chemically bonding with charged nitrogen radicals to form a nitride semiconductor; A chamber having a conical structure such that plasma can be incident toward the substrate by a density difference; A magnet formed on an outer wall of the chamber to form a plasma; A needle valve for injecting nitrogen which is an inert gas into the chamber; A diffuser for diffusing nitrogen gas introduced from the needle valve into the chamber; Filaments for ionizing the diffused nitrogen gas; And an ultrasonic vibrator attached to the lower outer wall of the chamber so that the formed plasma can achieve a uniform distribution.
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