KR0162865B1 - 반도체 패턴 측면의 에피성장율 조절방법 - Google Patents

반도체 패턴 측면의 에피성장율 조절방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 패턴 측면의 에피성장율 조절방법에 관한 것으로, 패터닝된 GaAs 기판 위에 유기금속화학증착(MOCVD)법에 의해 에핑층을 성장할때 CCl4를 도핑(doping)하므로써, 1) 상기 CCl4유입량에 따라 에핑층의 측면 성장율을 조절할 수 있으며, 또한 소자의 평탄화도 보다 쉽게 이루어질 수 있고, 2) 이를 이용하여 양자세선을 제조할 수 있을 뿐 아니라 상기 양자세선은 ①평면의 양자우물 두께에 비하여 양자세선의 두께가 현격한 차이를 나타내므로 광여기 발광파장(photoluminescence) 또한 큰 차이를 가지게 되어 양자세선의 광학적 성질을 양자우물과 독립적으로 연구할 수 있고, ② 양자세선과 양자우물의 광여기 발광 강도비(IQWR/IQWL)는 여기된 지역의 양자세선과 양자우물의 부피비(VQWR/VQWL)에 비례하는데 본 발명에 의해 제조된 양자세선의 경우는 부피비가 최소 5배이상 향상되므로 광여기 발광 강도비 또한 크게 향상될 수 있으며(여기서 IQWR및 IQWL는 양자세선의 발광강도 및 양자우물의 발광강도를 나타내며, VQWR및 VQWL는 양자세선의 부피비 및 양자우물의 부피비를 나타낸다), ③ 양자우물의 두께를 아주 얇게 하여도 양자세선의 두께를 충분히 두껍게 할 수 있으므로 IILD(impurity induced layer disordering) 기법으로 상기 양자우물을 없애버릴 경우 완전히 고립된 가장 이상적인 형태의 양자세선을 제작할 수 있다는 장점을 지녀 고신뢰성의 반도체 소자를 구현할 수 있게 된다.

Description

반도체 패턴 측면의 에피성장율 조절방법
제1(a)도 내지 제1(d)도는 본 발명에 의한 반도체 소자 상의 메사위에 성장한 다층구조의 CCl4가스 유입량에 따른 결정면성장양상 변화를 주사전자현미경으로 촬영한 단면 구조를 나타낸 것으로
제1(a)도는 CCl4가 도핑되지 않은 경우 다층구조의 결정면 성장양상을 도시한 단면도.
제1(b)도는 CCl4가 0.05cc/min 유입되었을 경우 다층구조의 결정면 성장양상을 도시한 단면도.
제1(c)도는 CCl4가 0.2cc/min 유입되었을 경우 다층구조의 결정면 성장양상을 도시한 단면도.
제1(d)도는 CCl4가 0.3cc/min 유입되었을 경우 다층구조의 결정면 성장양상을 도시한 단면도.
제2도는 CCl4가스를 0.3cc/min 유입하여 반도체 소자 상의 메사 위에 성장시킨 다층구조를 저배율 주사현미경으로 촬영한 단면도.
제3도는 CCl4가스 유입량에 따른 GaAs 에피층의 메사 측면 결정면에서의 성장율(Rfacet)과 패턴하지 않은 (100)면에서의 성장율(R100)의 비(ratio)의 변화를 도시한 그래프.
제4(a)도 내지 제4(d)도는 CCl4가스를 0.3cc/min를 유입하여 메사 위에 성장시킨 다층구조의 성장온도에 따른 성장양상 변화를 주사전자현미경으로 촬영한 단면도를 나타낸 것으로
제4(a)도는 성장온도를 650도로 하였을 경우 다층구조의 성장양상을 도시한 단면도.
제4(b)도는 성장온도를 750도로 하였을 경우 다층구조의 성장양상을 도시한 단면도.
제4(c)도는 성장온도를 800도로 하였을 경우 다층구조의 성장양상을 도시한 단면도.
제4(d)도는 성장온도를 850도로 하였을 경우 다층구조의 성장양상을 도시한 단면도.
제5도는 성장온도에 따른 GaAs 에피층의 메사 측면에서의 성장율(Rfacet)과 패턴하지 않은 (100)면에서의 성장율(R100)의 비(ratio)의 변화를 도시한 그래프.
제6(a)도 내지 제6(d)도는 본 발명에 의한 반도체 소자의 V홈 위에 성장한 다층구조의 CCl4가스 유입량에 따른 결정면 성장양상 변화를 주사전자현미경으로 촬영한 단면 구조를 나타낸 것으로
제6(a)도는 CCl4가 도핑되지 않은 경우 다층구조의 결정면 성장양상을 도시한 단면도.
제6(b)도는 CCl4가 0.1cc/min 유입되었을 경우 다층구조의 결정면 성장양상을 도시한 단면도.
제6(c)도는 CCl4가 0.2cc/min 유입되었을 경우 다층구조의 결정면 성장양상을 도시한 단면도.
제6(d)도는 CCl4가 0.3cc/min 유입되었을 경우 다층구조의 결정면 성장양상을 도시한 단면도.
제7(a)도 내지 제7(d)도는 CCl4가스 0.3cc/min를 유입하여 V홈 위에 성장시킨 다층구조의 성장온도에 따른 성장양상 변화를 주사전자현미경으로 촬영한 단면도를 나타낸 것으로
제7(a)도는 성장온도를 700도로 하였을 경우 다층구조의 성장양상을 도시한 단면도.
제7(b)도는 성장온도를 750도로 하였을 경우 다층구조의 성장양상을 도시한 단면도.
제7(c)도는 성장온도를 800도로 하였을 경우 다층구조의 성장양상을 도시한 단면도.
제7(d)도는 성장온도를 850도로 하였을 경우 다층구조의 성장양상을 도시한 단면도.
제8도는 CCl4를 유입시키면서 V홈에 성장시킨 양자세선의 구조를 투과전자현미경으로 촬영한 단면도.
본 발명은 반도체 패턴 측면의 에피성장율 조절방법에 관한 것으로, 특히 패터닝(patterning)된 갈륨아세나이드(GaAs) 기판 위에 유기금속화학증착(metalorganic chemical deposition:이하 MOCVD라 한다)법으로 에피층을 성장시킬때 CCl4가스 유입(또는 도핑)에 의해 패턴의 측면 성장율(growth rate)을 조절함과 동시에 이를 이용하여 양자세선(quantumwire) 제조를 가능하도록 한 반도체 패턴 측면의 에피성장율 조절방법에 관한 것이다.
최근 화합물 반도체를 기반으로 한 광전소자의 제작에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나 이러한 광전소자를 제작할 때에는 여러가지 복잡한 소자 제조공정이 뒤따르게 된다.
최근 활발하게 진행되고 있는 선택 에피(selective epitaxy)성장 기술은 복잡한 소자 제조공정 없이 한번의 성장에 의하여 원하는 에피층 구조를 3차원적으로 형성할 수 있고, 소자의 복잡한 구조가 에피 성장중에 형성되므로 소자의 제조공정 중에 발생될 수 있는 계면의 손상을 방지할 수 있는 등 여러가지 큰 장점이 있다.
이러한 선택 에피성장법중의 하나인 비평면 성장(non-planar growth)은 기판에 미리 메사나 V홈 모양의 패턴을 형성하고 에피층을 성장시키는 방법이다. 상기 성장법은 측면 구조를 가진 소자 제작에 큰 장점이 있는데 이 성장법을 이용하면 낮은 문턱전류의 레이저 다이오드(low threshold current laser diode)나 낮은 도파 손실의 광도파로(optical wave guide)등의 제작에 응용될 수 있다.
최근 비평면 성장법을 이용하여 양자세선 구조를 구현하고자 하는 노력이 활발하게 진행되고 있으며, 상기 방법으로 V홈에 단면이 초생달 모양인 양자세선을 형성하여 이 구조를 활성구조로 한 낮은 문턱전류의 레이저 다이오드가 제작된 바 있다.
그러나 상기 비평형 성장법을 이용하여 원하는 구조를 형성하고자 할때 에피층의 수직방향의 성장율인 에피층 두께는 반응가스의 유입량이나 성장시간 조절을 통하여 조절할 수 있지만, 수평방향(에피층에 대한 측면방향)을 조절할 수 있는 적절한 방법이 없었다.
MOCVD의 경우, 반응 원료 가스의 V/III 비(V/III ratio: 5족 원료 유입량/3족 원료 유입량) 및 성장온도 조절을 통하여 약간 조절이 가능하지만 재현성이 좋지 않을 뿐 아니라 조절범위도 수평성장율/수직성장율이 2를 넘지 않아 V홈에 양자세선 구조를 형성할 때에 그 양자세선의 모양이나 크기를 조절할 방법이 없고 오직 성장조건에 의존해야 하는 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, MOCVD법에 의한 에피성장중에 CCl4가스를 소량 첨가(또는 도핑)함으로써 패턴의 측면 성장율을 조절할 수 있을 뿐 아니라 이를 이용하여 양자세선 구조를 제조할 수 있는 반도체 패턴 측면의 에피성장율 조절방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 패턴 측면의 에피성장율 조절방법은 패터닝된 GaAs 기판 위에 MOCVD법에 의해 온도범위 500∼900℃에서 에피층을 성장할때 CCl4를 도핑하여 가스유량조절기로 유입범위(CCl4유입량/3족원료유입량 = 0.1∼100)에서 상기 유기금속 화학중착장치의 반응관에 에피층 성장중에 유입시켜 상기 CCl4유입량에 따라 에피층의 측면 성장율을 조절가능토록 하고, 또한 평탄화가 보다 쉽게 이루어지도록 한 것을 특징으로 한다.
상기 공정 결과, 에피층 패턴의 측면 성장율(growth rate)을 조절할 수 있을 뿐 아니라 이를 이용하여 양자세선(quantum wire) 구조를 갖는 반도체 소자를 제조할 수 있게 된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
(100) 방위의 GaAs 기판 위에 광노광법(photholithography) 및 습식에칭법으로 [011] 방향에 평행하게 메사 및 V홈을 형성한 후 그 위에 에피층을 MOCVD법에 의해 성장시킨다. 이때 고순도 수소를 수송가스(carrier gas)로 하며, 총 유량은 분당 5리터이다.
3족 유기금속 원료로는 트리메틸갈륨(trimethylgallium;TMGa), 트리메틸알루미늄(trimethylaluminium;TMAl)이 사용되며, 5족 원료로는 수소에 10%로 희석된 비소가스(arsine)가 사용되고, CCl4는 수소에 1000ppm으로 희석된 가스를 사용한다.
여기서 성장온도는 650℃에서 850℃ 사이에 변화를 주어가며 성장시키고, 상기 CCl4가스의 유량은 0에서 0.3cc/min 까지 변화를 준다.
본 발명의 경우 2종류의 에피층 성장시료가 필요로 되어지는데, 그 하나는 GaAs/Al0.5Ga0.5As 다층(multilayer) 구조를 성장시킨 것을 들수 있다. 이 경우에는 GaAs 및 Al0.5Ga0.5As 에피층 모두 CCl4가스를 유입시키면서 성장시키게 되는데, 이와같이 다층구조를 성장시키는 이유는 주사전자현미경(scanning electron microscope;SEM)에 의한 에피층 단면관찰을 통하여 성장중의 결정면 발달상황(fact evolution)을 쉽게 알수 있기 때문이다.
다른 하나는 5개의 양자우물이 있는 시료인데, V홈이 형성된 GaAs 기판 위에 먼저 100nm 두께의 GaAs 완충층을 성장시키고 다음에 500nm의 Al0.5Ga0.5As층을 성장시킨다. 그다음 5nm GaAs 양자우물/50nm Al0.5Ga0.5As 장벽층을 5주기 성장시키고, 그 위에 200nm의 Al0.5Ga0.5As층을 성장시키고 마지막으로 표면산화를 막기 위하여 20nm의 GaAs 덮개층을 성장시킨다.
여기서, 상기 GaAs 양자우물층을 성장시킬 때에는 0.3cc/min의 CCl4를 유입(또는 도핑)하면서 성장시키고 다른 모든 층은 도핑을 하지 않는다. 성장한 시료는 다층구조인 경우 단면을 주사전자현미경으로 관찰하고, 양자우물 구조의 단면은 투과전자현미경(transmission electronmicroscope;TEM)으로 관찰한다.
제1(a)도 내지 제1(d)도는 본 발명에 의한 반도체 소자의 메사 위에 성장한 다층구조의 CCl4가스 도핑(doping)에 따른 결정면 발달상황(facet evolution)을 나타낸 사진으로, 제1(a)도는 CCl4가 도핑되지 않은 경우 다층구조의 결정면 성장양상을 도시한 단면도를, 제1(b)도는 CCl4가 0.05cc/min 유입되었을 경우 다층구조의 결정면 성장양상을 도시한 단면도를 제1(c)도는 CCl4가 0.2cc/min 유입되었을 경우 다층구조의 결정면 성장양상을 도시한 단면도를, 제1(d)도는 CCl4가 0.3cc/min 유입되었을 경우 다층구조의 결정면 성장양상을 도시한 단면도를 나타낸다. 이때 성장온도는 700℃로, 사진에서 어두운 부분은 GaAs을 나타내며 밝은 부분은 Al0.5Ga0.5As을 나타낸다.
상기 도면에서 알수 있듯이 CCl4가 성장중에 유입(도핑)되면 제1(나)도 내지 제1(라)도에 도시된 바와 같이 특히나 GaAs 에피층의 측면 성장율이 크게 증가하여 결정면 발달상황이 극적으로 변화하게 된다. 이때 Al0.5Ga0.5As 에피층의 측면 성장율도 증가하나 GaAs보다는 증가율이 작다.
제2도는 CCl4가스를 0.3cc/min 유입시킨 시료의 저배율주사현미경 사진을 나타낸 것으로, CCl4유입에 의해 극단적으로 변화된 다층구조의 형상을 보여준다. 제1(a)도에 도시된 바와 같이 CCl4를 도핑하지 않은 경우, 성장이 끝난 메사(mesa) 윗부분의 폭은 약 8㎛이나 제1(d)도에 도시된 바와 같이 0.3cc/min의 CCl4를 유입한 시료는 그 폭이 무려 57㎛로 커진다.
제3도는 상기 GaAs 에피층의 메사 측면 결정면에서의 성장율(Rfacet)과 패턴하지 않은 (100)면에서의 성장율(R100)의 비(rate)를 CCl4유입량에 따라 그래프로 만든 것이다. 상기 도면에 도시된 바와 같이 초기에는 Rfacet/R100가 급격하게 증가하나 CCl4유입량 0.2cc/min 부터는 포화되는 경향을 보임을 알수 있다. 이때 최대 Rfacet/R100는 약 5.5에 이른다. 따라서 CCl4유입량에 따라 특히 GaAs 에피층의 측면 성장율을 자유롭게 제어할 수 있음을 알수 있으며, 이 변수는 광전소자 설계에 매우 유용하게 사용된다.
제4(a)도 내지 제4(d)도는 반도체 소자에 CCl4가스 0.3cc/min를 유입하면서 메사 위에 성장시킨 다층구조의 성장온도에 따른 의존성을 주사전자현미경으로 촬영한 사진을 나타낸 것으로, 제4(a)도는 성장온도를 650도(℃)로 하였을 경우 다층구조의 성장양상을 도시한 단면도를, 제4(b)도는 성장온도를 750도(℃)로 하였을 경우 다층구조의 성장양상을 도시한 단면도를, 제4(c)도는 성장온도를 800도(℃)로 하였을 경우 다층구조의 성장양상을 도시한 단면도를, 제4(d)도는 성장온도를 850도(℃)로 하였을 경우 다층구조의 성장양상을 도시한 단면도를 나타낸다. 상기 도면에서는 성장온도가 증가함에 따라 GaAs 에피층의 측면 성장율이 급격하게 감소됨을 알수 있다.
제5도는 CCl4를 0.3cc/min 유입하였을때 GaAs 에피층의 Rfacet/R100의 성장온도 의존성을 나타낸 그래프로 도핑하지 않은 경우의 결과도 함께 도시되어 있다. CCl4를 도핑한 시료의 경우, 성장온도 650℃에서의 Rfacet/R100는 무려 8배에 이른다. 즉, 도핑하지 않은 경우와 얼마나 큰 차이를 보이는지 확연하게 알수 있고, CCl4를 도핑하면 성장온도에 의해서도 측면 성장율을 조절할 수 있음을 알 수 있다.
제6(a)도 내지 제6(d)도는 V홈에서의 CCl4가스 유입량에 따른 결정면 발달을 나타내는 주사전자현미경 사진을 나타낸 것으로, 제6(a)도는 CCl4가 도핑되지 않은 경우 다층구조의 결정면 성장양상을 도시한 단면도를, 제6(b)도는 CCl4가 0.1cc/min 유입되었을 경우 다층구조의 결정면 성장양상을 도시한 단면도를, 제6(c)도는 CCl4가 0.2cc/min 유입되었을 경우 다층구조의 결정면 성장양상을 도시한 단면도를, 제4(d)도는 CCl4가 0.3cc/min 유입되었을 경우 다층구조의 결정면 성장양상을 도시한 단면도를 나타낸다.
상기 도면에서는 제6(a)도에 도시된 바와 같이 도핑하지 않은 경우에는 흔히 볼수 있는 반도체 소자의 특징을 가지나 CCl4를 유입시키면 측면 성장율이 계속 증가함을 알수 있다.
즉, 제6(a)도에서와 같이 CCl4를 도핑하지 않을 경우에는 5번째 GaAs 성장이 끝난후 평탄화되지만 제6(b)도에서는 세번째 GaAs층의 성장이 끝난 후에, 제6(c)도에서 부터는 2번째 GaAs 성장이 끝난후에 평탄화된다. 따라서 CCl4로 도핑하므로써, 소자의 평탄화를 조절할 수 있게 된다.
패턴이 없는 영역의 GaAs 두께와 V홈에서의 GaAs층의 두께를 비교하여 살펴보면 거의 고립된 양자세선 구조를 형성할 수 있음을 알 수 있다.
제7(a)도 내지 제7(d)도는 CCl4를 0.3cc/min를 유입하면서 V홈 위에 성장시킨 다층구조의 성장온도에 따른 성장양상 변화를 주사전자현미경으로 촬영한 단면도를 나타낸 것으로 제7(a)도는 성장온도를 700도(℃)로 하였을 경우 다층구조의 성장양상을 도시한 단면도를, 제7(b)도는 성장온도를 750도(℃)로 하였을 경우 다층구조의 성장양상을 도시한 단면도를, 제7(c)도는 성장온도를 800도(℃)로 하였을 경우 다층구조의 성장양상을 도시한 단면도를, 제7(d)도는 성장온도를 850도(℃)로 하였을 경우 다층구조의 성장양상을 도시한 단면도를 나타낸다. 상기 도면에서는 성장온도가 증가함에 따라 GaAs 에피층의 측면 성장율이 감소됨을 알 수 있다.
CCl4를 유입시킨 경우 얻을 수 있는 상기와 같은 독특한 현상은 여러가지 소자설계에 응용가능성이 다양하지만, 우선 일예로서 양자세선 구조를 갖는 반도체 소자에 이를 적용시키면 제8도에 도시된 바와 같은 결과를 얻을 수 있다.
제8도는 5개의 양자우물 구조가 있는 에피층을 V홈에서 본 투과전자현미경 사진을 나타낸 것으로, 패턴을 하지 않은 평면에서는 5nm 두께에 불과한 양자우물이 V홈에서는 폭 16nm, 두께 28nm의 초승달 양자세선으로 형성됨을 알수 있다. 이때 두께 향상지수(양자세선 두께/양자우물 두께)는 5.5배에 이르며, 보통의 양자세선의 경우 상기 지수가 2를 넘지않기 때문에 이 수치는 대단히 큰 값임을 알수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 패터닝된 GaAs 기판 위에 유기금속화학증착법으로 에피층을 성장시킬때 CCl4가스를 도핑시킴으로써 상기 에피층 패턴의 측면 성장율을 조절할 수 있을 뿐 아니라, 이를 이용하여 제조된 상기 양자세선은 평면의 양자우물 두께에 비하여 양자세선의 두께가 현격한 차이를 나타내므로 광여기 발광파장(photoluminescence) 또한 큰 차이를 가지게 되어 양자세선의 광학적 성질을 양자우물과 독립적으로 연구할 수 있으며, 양자세선과 양자우물의 광여기 발광 강도비(IQWR/IQWL)는 여기된 지역의 양자세선과 양자우물의 부피비(VQWR/VQWL)에 비례하는데 본 발명에 의해 제조된 양자세선의 경우는 부피비가 최소 5배이상 향상되므로 광여기 발광 강도비 또한 크게 향상될 수 있으며(여기서 IQWR및 IQWL는 양자세선의 발광강도 및 양자우물의 발광강도를 나타내며, VQWR및 VQWL는 양자세선의 부피비 및 양자우물의 부피비를 나타낸다), 양자우물의 두께를 아주 얇게 하여도 양자세선의 두께를 충분히 두껍게 할 수 있으므로 IILD(impurity induced layer disordering) 기법으로 상기 양자우물을 없애버릴 경우 완전히 고립된 가장 이상적인 형태의 양자세선을 제작할 수 있다는 장점을 지닌 고신뢰성의 반도체 소자를 구현할 수 있게 된다.

Claims (6)

  1. 반도체 제조공정에 있어서, 각각의 크기가 100마이크로이하의 크기로 패터닝된 GaAs 기판 위에 유기금속화학증착법에 의해 온도범위 500-900℃에서 에피층을 성장할때 CCl4를 가스유량조절기로 유입범위(CCl4유입량/3족원료 유입량 =0.01∼100)에서 상기 유기금속증착장치의 반응관에 에피층 성장중에 유입시켜 상기 CCl4유입량에 따라 에피층의 측면 성장율을 조절가능토록 하고, 또한 평탄화가 보다 쉽게 이루어지도록 한 것을 특징으로 반도체 패턴 측면의 에피성장율 조절방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 GaAs 기판은 광노광법 및 습식식각으로 에칭하여 100마이크로미터 이하로 패터닝됨을 특징으로 반도체 패턴 측면의 에피성장율 조절방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 에피층은 3족 유기금속 원료인 트리메틸갈륨 및 트리메틸알루미늄과 5족 원료인 비소가스를 이용한 유기금속화학증착법으로 형성됨을 특징으로 반도체 패턴 측면의 에피성장율 조절방법.
  4. 제1항에 있어서, 패터닝된 상기 GaAs 기판은 메사 형태 또는 V홈 형태 또는 이들의 조합중 어는 하나로 형성됨을 특징으로 반도체 패턴 측면의 에피성장율 조절방법.
  5. 제4항에 있어서, V홈 형태를 갖는 상기 GaAs 기판 상에 형성된 에피층은 GaAs 양자우물에만 CCl4가 도핑됨을 특징으로 반도체 패턴 측면의 에피성장율 조절방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, V홈 형태를 갖는 상기 GaAs 기판에는 CCl4를 도핑하여 성장시킨 양자우물을 이용하여 양자세선이 형성됨을 특징으로 반도체 패턴 측면의 에피성장율 조절방법.
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