KR100297573B1 - Ⅲ-ⅴ족화합물반도체제작용반응로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하우징과, 반응 가스 공급 수단과, 기판을 지지하는 서셉터와, 서셉터 지지 및 구동 수단과, 반응 가스 배출 수단을 포함하는 화합물 반도체, 특히 GaN계 III족 질화물반도체 제작용 반응로에 관한 것이다. 상기 반응로에서 반응 가스 공급 수단은 암모니아 공급관과, 기타 반응 가스 공급을 위한 샤워 헤드를 포함하고, 암모니아 공급관은 히터관에 의해 둘러싸이고, 상기 공급관과 히터관은 샤워 헤드로부터 기판 바로 위까지 연장되어 화합물 반도체를 형성하기 위한 반응에서 필요한 밀도의 질소 이온의 유동을 제공할 수 있다.

Description

Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 제작용 반응로

본 발명은 일반적으로 반도체 제작 장치의 반응로에 관한 것이다. 더 자세하게는 본 발명은 III-V족 화합물반도체 제작용 반응로에 관한 것이다.

전세계적으로 색채 화상(color imaging), 영상, 그래픽 및 표시 소자 등 발광소자를 이용하는 분야에서, 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue)의 3원색(RGB)를 이용한 전색 디스플레이(full color display)의 실현을 위한 많은 연구가 계속되어 왔다. 전색 디스플레이의 실현을 위해서는 고휘도의 적색 및 녹색 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)와 함께 청색 LED의 실용화가 요구된다.

고휘도 청색 LED 실현을 위해서는 약 450 nm정도의 파장이 요구되기 때문에, 밴드 갭(band gap)이 큰 와이드 갭(wide gap)과 직접천이형 밴드 구조를 가지고 고휘도를 만족할 수 있는 가장 유망한 반도체 재료가 GaN계 III족 질화물반도체이며, AlN, GaN, InN등이 있다. 이들을 이용한 (Al_xGa_1-x)_1-yIn_yN는 전 조성 범위(1≥x≥0, 1≥y≥0)에 걸쳐 직접천이형 밴드 구조를 가지며, x, y 값의 조성 변화에 따라 밴드 갭을 2.0 eV에서 6.2 eV(파장범위, 0.37 μm ∼ 0.65 μm)까지 다양하게 변화시킬 수 있어서 단파장 영역인 청색 발광소자로서 가장 적합하다. 그리고 한가지 물질계(material system)로써 여러 가지 색상 영역을 실현할 수 있으므로 소자 제작기술과 집적화 및 새로운 응용분야에 응용할 수 있다는 장점이 있다.

GaN계 III족 질화물반도체에 관한 종래 기술에 관한 문헌으로는 T. Nakamori, Nikkei Electronics Asia, 6(1), 57(1997), M. Kamp, Compound Semiconductor, 2(5), 22(1996), I. Bhat, Compound Semiconductor, 2(5), 24(1996), S. Nakamura, Microelectronics, J., 25(8), 651(1994) 및 S. Strite and H. Morkoc, J. Vac. Sci. Techmol., B10(4), 1237(1992) 등이 있다.

이러한 종래의 기술에 따른 III족 질화물반도체의 성장 및 이를 이용한 소자 개발은 고품위 에피(EPI) 층을 성장(grow)시킬 수 없어서 큰 발전을 하지 못하였다. 이는 질화물을 형성하기 위한 질소 이온을 얻으려면 1000℃ 이상의 고온이 필요하나, 이러한 높은 온도에서는 다른 공정 유기금속인 In 등이 화합물을 형성하더라도 곧 열분해되고 또한 고온 공정으로 인한 사용 가스들의 대류현상은 양질의 막성장을 어렵게 하기 때문이다.

본 발명의 목적은 전술한 단점을 해결하고 반응로의 온도를 화합물 반도체를 형성하기 위한 적절한 온도로 유지할 수 있는 향상된 III-V족 화합물반도체 제작용 반응로를 제공하는 것이다.

도1은 본 발명에 의한 반응로의 단면도.

도2는 도1의 반응로의 평면도.

도3은 도1의 반응로의 측면도.

도4는 암모니아 공급관 및 히터관의 단면도.

도5는 샤워 헤드의 단면도.

도6은 서셉터 지지 및 구동부의 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 반응로

2 : 샤워 헤드

3 : 수냉 재킷 챔버

4 : 서셉터

5 : 서셉터 지지 및 구동부

6 : 암모니아 공급관

7 : 히터관

8 : 내벽

9 : 기판

10 : 동력 공급 통로

11 : 자성 유체 동력 전달부

12 : 히터

13 : 창

14 : 유출구

15 : 기부

16 : 배선

17 : 상부판

18 : 하부판

19, 20 : 개구

21, 38 : 홈

22 : O링

23, 29 : 노즐

24 : 석영 유리창

25 : 히터 지지대

26, 28, 37 : 냉각수 통로

27 : 신속 결합식 밀봉부

30 : 기부

31 : 히터 지지대

32 : 히터 전극

33 : 동력 공급부

34 : 차폐부

35 : 서셉터 축

36 : 구동축

상기 목적은 본 발명에 따르면, 측벽과, 반응로에 반응 원료를 공급하는 반응 원료 공급 수단과, 그 위에 반도체 층이 형성되는 기판을 지지하는 서셉터와, 서셉터를 지지하고 회전시키는 서셉터 지지 및 구동 수단과, 기판을 가열하기 위한 제1 가열 수단과, 반응로로부터 반응 원료를 배출시키는 반응 원료 배출 수단을 포함하는 화합물 반도체 제작용 반응로로서, 반응 원료 공급 수단은 암모니아 공급관과, 암모니아 외의 반응 원료를 공급하기 위한 반응 원료 공급 장치와, 암모니아 공급관을 가열하기 위한 제2 가열 수단을 구비하며, 상기 공급관과 제2 가열 수단은 반응 원료 공급 수단으로부터 기판 바로 위까지 연장되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 제작용 반응로에 의해 달성된다.

본 발명에 의한 GaN계 화합물반도체 제작용 반응로에서는 약 1000˚C의 고온을 요하는 질소 이온 공급원인 암모니아 가스를 열분해하는 부분과, 약 400˚C의 상대적으로 낮은 온도를 요하는 In등 여타 공정 가스가 섞어 화합물을 형성하는 부분을 서로 분리되게 구성함으로써 양질의 막을 성장시킬 수 있게 한다.

도1 내지 도3을 보면 본 발명에 의한 GaN계 화합물 반도체 제작용 반응로(1)가 도시되어 있다. 본 발명의 반응로는 화합물 반도체 형성을 위한 반응공정으로서 유기 금속 기상 증착(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD) 공정에 주로 사용되기 위한 것이나, 상기 목적에 적합한 다른 공정에도 사용될 수 있다. 반응로(1)는 암모니아를 제외한 원료 가스를 분사하는 샤워 헤드(shower head, 2)와, 샤워 헤드의 아래에 위치하고 반응로의 외부벽을 형성하는 이중 수냉 자켓 챔버(3)와, 서셉터(susceptor, 4) 및 이 서셉터(4)를 지지하고 회전시키기 위해, 수냉 자켓 챔버(3)의 아래에 위치한 서셉터 지지 및 구동부(5)를 포함한다. 서셉터(4) 위에는 기판(9)이 위치한다. 샤워 헤드와 서셉터 사이에는 반응 공간을 한정하는 내벽(8)이 위치한다. 도1 및 도4를 참조하면 샤워 헤드(2)에는 대략 그 중심에 암모니아 공급관(6)과, 암모니아 가스를 가열하기 위한 히터관(7)이 암모니아 공급관(6)을 감싸도록 장착된다.

암모니아 공급관(6)은 석영등 고온에서 암모니아와 반응하지 않는 재질로 만들어지며, 히터관(7)은 반응로(1) 안으로 연장된 형태이다. 암모니아는 공급관(6)의 히터관(7)으로 둘러싸인 부분을 통과할 때 열분해가 일어나며, 히터관(7)의 안쪽은 암모니아가 질소 및 수소 이온으로 분해될 수 있는 높은 온도(약 1000˚C)가 된다.히터관(7)으로는 바람직하게는 PBN 코팅 히터가 사용된다. 암모니아 공급관(6)과 히터관(7)은 그 자유 단부가 반응 공간을 관통하여 서셉터(4)의 바로 위에 위치되도록 배치된다. 히터관(7)은 반응로내의 공간의 일부분만을 차지하고 암모니아 공급관(6)을 주로 가열하므로 반응이 일어나는 부분인 서셉터(4)상에 장착된 기판(9)의 온도에는 영향을 미치지 않는다. 이 히터관의 (도시되지 않은) 전원 공급선 및 온도 측정용 열전대는 동력 공급 통로(Power feedthrough, 10)를 통해 외부로 연결된다.

암모니아 가스를 제외한 기타 원료는 운반가스 (주로 수소 또는 질소)와 함께 샤워 헤드(2)를 통하여 공급된다. 암모니아로부터 발생된 질소 이온 가스 및 기타 원료 가스는 반응로(1)의 하부에 위치한 서셉터(4)상의 기판(9)위에 화합물 반도체의 형성에 필요한 막을 형성한다.

서셉터(4)는 고속으로 회전하는데 이는 기판(9) 위에서 적층 성장(Epitaxy)막이 성장하는데 필요하다. 서셉터(4)는 (도시되지 않은) 서셉터 회전 모터와 자성 유체 동력 전달부(Ferrofluidic feedthrough, 11)로 연결되며, 이로써 회전 및 진공 씰(seal)이 원활하게 된다.

서셉터(4)는 별도의 히터(12)를 구비하며, 서셉터(4)상에 장착된 기판(9)은 이 히터(12)로 가열됨으로써 암모니아 가스가 열분해되는 온도와는 완전히 독립적으로 조절된다. 기판(9)의 온도는 샤워 헤드(2) 상의 창(13)에 고정된 (도시되지 않은) 고온계(Pyrometer)를 통하여 측정한다.

수냉 자켓 챔버(3)에는 서셉터(4)보다 낮은 위치에 유출구(14)가 구비되어 있다. 이 유출구(14)는 (도시되지 않은) 펌프에 연결되어 반응로 내의 반응가스는 내벽(8)과 서셉터(4) 사이의 틈을 통해 유동하여 외부로 배출된다. 따라서 반응에 필요한 압력이 유지되고 반응 가스가 계속 공급된다.

공급관(6)의 자유 단부를 서셉터(4) 가까이 위치시킴으로써 공급관의 자유단부로부터 내벽(8)과 서셉터(4) 사이의 틈을 통한 질소 가스 유동이 서셉터(4)에 장착된 기판(9) 바로 위에서 이루어지게 하여 화합물 반도체 형성 반응에 필요한 질소 이온의 밀도를 증가시킨다. 질소 이온의 밀도는 또한 질소 가스 유동이 이와 같이 이루어짐에 의해 반응로(1) 내에서의 체류 시간이 단축되므로 암모니아 가스로의 환원이 감소된다는 것과, 질소 가스 유동이 샤워 헤드(2)로부터의 다른 원료 가스들의 유동에 의해 기판(9)을 향한 방향으로 밀착하도록 가압된다는 것에 의해서도 증가한다.

도면에서는 암모니아 공급관(6)이 반응로(1)의 중심에 위치한 것으로 도시되었으나 암모니아 공급관(6)의 위치는 다른 원료 가스의 유동을 방해하지 않고 기판(9)상에서 질소 가스의 균일한 유동을 보장하는 한 반응로 내의 어느 장소에나 위치할 수 있다. 예를 들어 암모니아 공급관(6)은 히터관과 함께 서셉터의 중심에서 자유 단부가 서셉터와 같은 평면이거나 약간 돌출하도록 위치하여 샤워 헤드를 단순화하여 그 크기를 감소시키고 반응로 전체의 크기를 감소시킬 수 있다.

도4는 암모니아 공급관(6)과 이를 둘러싸는 히터관(7)을 확대 도시한다. 히터관(7)은 그 한 단부에서 히터관보다 큰 두께와 직경을 갖는 플랜지형의 기부(15)에 연결된다. 기부(15)는 히터관의 배선(16)과 연결되고, 배선으로부터 히터를 작동시키는 동력을 전달하고, 고온의 히터관(7)을 주변부와 절연하며, 후술하는 히터 지지대(25)에 히터관(7)을 장착하는 역할을 한다.

도5는 샤워 헤드(2)의 세부를 도시한다. 샤워 헤드(2)는 볼트로 서로 결합된 상부판(17)과 하부판(18)을 포함한다. 하부판(18)은 수냉 자켓 챔버(3)와 볼트 체결로 결합된다. 상부판(17)에는 (도시되지 않은) 고온계를 고정하기 위한 창(13)과, 히터관(7)의 동력 공급 통로(10)와, 반응로(1)의 열로부터 샤워 헤드(2)를 보호하기 위한 냉각수 통로(28)가 마련된다. 동력 공급 통로(10) 내의 (도시되지 않은) 배선은 상부판(17)의 개구(19) 및 하부판(18)의 개구(20)을 통해 히터관(7)에 연결된다. 동력 공급 통로(10)의 상부에는 암모니아 공급관(6)을 지지하고 반응로(1) 및 히터관(7)의 열로부터 이하에 설명되는 신속 결합식 밀봉부 등을 보호하기 위한 냉각수 통로(26)가 위치하고, 냉각수 통로의 상부에는 주위로부터 암모니아 공급관(6)을 밀봉하는 신속 결합식 밀봉부(quick coupling seal, 27)가 위치하고, 이는 냉각수 통로(26)의 상부에 나사체결된다. 하부판(18)에는 상부판(17) 및 하부판(18)의 밀봉을 위한 O링(22)을 수용하는 홈(21)들이 제공되고, 원료 및 그 운반 가스를 반응로(1)의 내벽(8) 안의 공간으로 분사하는 다수의 노즐(23)들과, 내벽(8)과 수냉 자켓 챔버(3) 사이의 공간으로 운반 가스를 분사하는 노즐(29)들과, 고온계를 위한 석영 유리창(24)들과, 히터관(7)을 지지하는 히터 지지대(25)가 장착된다. 노즐(29)은 운반 가스의 유동을 내벽(8)과 수냉 자켓 챔버(3) 사이의 공간에 형성하여, 반도체 형성을 위한 원료의 유동이 기판(9)상에 집중되게 한다. 히터 지지대(25)의 재질로는 전기 및 열에 대한 절연이 가능하고, 반응로(1)로 공급되는 원료 및 가스와 반응하지 않는 세라믹이 사용된다. 본 발명의 반응로(1)의 진공 밀봉을 위한 O링으로는 통상 바이톤 O링 시일(Viton O-ring seal)이 사용된다.

도6은 서셉터 지지 및 구동부(5)를 상세히 도시한다. 서셉터 지지 및 구동부(5)는 수냉 자켓 챔버(3)의 하부에 밀착되고, 서셉터 지지 및 구동을 위한 부품들이 장착되는 기부(30)를 갖는다. 서셉터(4)는 그 하부 중심에 연결된 서셉터 축(35)과, 서셉터 축과 연결되고 기부(30)의 하부에 장착된 자성 유체 동력 전달부(11)와, 자성 유체 전달부를 (도시되지 않은) 서셉터 회전 모터에 연결하는 구동축(36)을 통해, 서셉터 회전 모터로부터 회전력을 공급받아 고속 회전한다. 기부(30)의 상부면에는 기부와 수냉 자켓 챔버(3) 사이의 밀봉을 위한 O링을 수용하는 홈(38)과, 서셉터(4)상의 기판(9)의 가열을 위해 서셉터 아래의 위치한 히터(12)를 지지하는 히터 지지대(31)가 제공된다. 히터(12)로는 통상 PBN 히터가 사용된다. 히터(12)는 히터 전극(power line, 32)과, 기부(30)를 관통하여 기부에 장착되고 히터에 동력을 공급하고 절연 및 진공 밀봉의 역할을 하는 동력 공급부(power feedthrough, 33)를 통해 외부와 연결된다. 히터(12)는 그 측면 및 하부에서 열확산 방지를 위한 차폐부(shielder, 34)에 의해 둘러싸인다. 기부(30)의 내부에는 냉각수 통로(37)가 제공되어 반응로를 그 하부에서 냉각하는 역할을 한다.

전술한 구성에 의해 본 발명에 의한 반응로는 암모니아의 열분해에 필요한 고온과 화합물 반도체의 형성에 필요한 상대적인 저온을 반응로 내에서 적절하게 유지함으로써 GaN계 화합물 반도체의 고품위 에피층 성장을 가능하게 하는 효과를 갖는다.

본 발명이 III-V족 화합물반도체 제작용 반응로에 관해 설명되었으나, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범주에서 벗어나지 않는 범위내에서 예를 들어 다른 조성의 반도체 제작용 반응로에도 이용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (4)

1. 측벽과, 반응로에 반응 원료를 공급하는 반응 원료 공급 수단과, 반도체 층이 형성되는 기판(9)을 지지하는 서셉터(4)와, 서셉터(4)를 지지하고 회전시키는 서셉터 지지 및 구동 수단과, 기판(9)을 가열하기 위한 제1 가열 수단과, 반응로로부터 반응 원료를 배출시키는 반응 원료 배출 수단을 포함하는 화합물 반도체 제작용 반응로(1)에 있어서,

   반응 원료 공급 수단은 암모니아 공급관(6)과, 암모니아 외의 반응 원료를 공급하기 위한 반응 원료 공급 장치와, 암모니아 공급관(6)을 가열하기 위한 제2 가열 수단을 구비하며, 상기 공급관과 제2 가열 수단은 반응 원료 공급 수단으로부터 기판(9) 바로 위까지 연장되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 제작용 반응로.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2 가열 수단은 암모니아 공급관(6)을 둘러싸는 히터관(7)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 제작용 반응로.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 측벽은 반응로(1)를 냉각하기 위한 수냉 재킷 챔버(3)를 포함하고, 상기 반응 원료 공급 장치는 원료 및 가스의 주입을 위한 노즐(23)을 포함하고 수냉 재킷 챔버(3)의 한 단부에 부착되는 샤워 헤드(2)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 제작용 반응로.
4. 제3항에 있어서, 상기 샤워 헤드(2)는 상기 암모니아 공급관(6)의 장착을 위한 개구(19, 20)를 포함하고, 상기 히터관(7)의 지지를 위한 히터 지지대(25)와, 상기 히터관(7)에 동력을 공급하는 동력 공급 통로(10)가 상기 샤워 헤드(2)에 장착되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 제작용 반응로.