KR100320541B1 - 질화물계 화합물 반도체기판의 제조방법 - Google Patents

질화물계 화합물 반도체기판의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질화물계 화합물 반도체기판의 제조방법에 관한 것으로서 용융석영기판의 상부 표면에 요철을 형성하는 공정과, 상기 용융석영기판의 요철이 형성된 표면 상에 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방법으로 질화물계 화합물반도체층을 결정 성장하는 공정과, 상기 질화물계 화합물반도체층이 잔류하도록 용융석영기판을 선택적으로 습식 식각하는 공정과, 상기 질화물계 화합물반도체층의 상부 및 하부 표면을 연마하여 기판을 형성하는 공정을 구비한다. 따라서, 요철면을 갖는 용융석영기판을 이용하여 결정 성장하므로 대면적을 가지며, 또한, 크랙 등의 결함을 감소하여 형성되는 전자소자의 동작 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있으며, 또한, 화합물반도체만으로 형성되므로 소자의 형성이 용이하다.

Description

질화물계 화합물 반도체기판의 제조방법
본 발명은 질화물계 화합물 반도체기판의 제조방법에 관한 것으로써, 특히, 용융석영(fused quartz) 기판을 사용하여 단결정 상의 질화물계 화합물 반도체를 대면적의 판 상으로 형성할 수 있는 질화물계 화합물 반도체기판의 제조방법에 관한 것이다.
최근에 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 및 질화인듐(InN) 등의 질화물계 화합물 반도체는 열적 및 화학적으로 안정하고 대체로 에너지 밴드 갭이 큰 특성을 가지므로 새로운 화합물반도체 물질로 많이 연구되고 있다.
상기에서 질화물계 화합물 반도체 재료는 열적 및 화학적으로 안정한 특성에 의해 고온 및 고전류 동작시 전기적으로 안정하므로 HBT (Heterojunction Bipolar Transistor), HEMT(High Electron Mobility Transistor) 및 MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor) 등의 전자 소자의 재료로 사용되고 있다.
또한, 질화물계 화합물반도체 재료 중 GaN 및 AlN 등은 직접 천이형 반도체로 실온에서 에너지 밴드 갭이 각각 3.4eV와 6.2eV 정도로 크다. 따라서, GaN 및 AlN 등은 청색의 가시영역에서 자외 파장의 짧은 파장대의 빛을 발생하므로 고휘도의 레이저 다이오드(LD)와 청색 및 자외영역의 단파장 발광 다이오드(LED)를 제조할 수 있으며, 또한, UV 검출기(Ultra Violet detector)를 제조하는 데 유용하다.
그러나, GaN 등의 질화물계 화합물 반도체물질은 융점이 2400℃ 이상으로 매우 높으며 질소의 분해압이 융점에서 약 10만 기압 정도로 매우 높아 용융 성장 방법에 의해 단결정 상으로 성장하기 어렵다.
따라서, 질화물계 화합물 반도체물질을, 예를 들면, GaN을 1000∼1500℃의 고온에서 갈륨(Ga)과 암모니아(NH3) 가스를 직접 반응시켜 Ga 용액 표면에서 결정화되도록하여 벌크 상태의 단결정 상으로 성장하였다. 이러한 방법에 의해 성장된 단결정 상의 GaN은 수 mm 크기의 침상형(needle)을 가지므로 소자를 형성하기 어렵다.
단결정 상의 GaN을 성장하는 다른 방법으로, 1500∼1600℃의 고온에서 20000기압 정도의 질소 감압상태에서 갈륨(Ga) 용액에 질소(N2)를 용해시켜 표면에서 결정화하는 방법이 개발되었다. 이 방법에 의해 단결정 상의 GaN는 수 mm×수 mm 정도의 작은 면적과 100㎛ 정도의 얇은 두께를 갖는 판상으로 1회 공정에 의해 1장만 성장되므로 가공성 및 생산성이 저하되었다.
따라서, 사파이어기판 또는 실리콘기판 상에 넓은 면적과 두꺼운 두께를 가져 기판으로 사용할 수 있는 단결정 상의 질화물계 화합물 반도체기판을 이종에피택셜(heteroepitaxial) 방법으로 성장하는 방법이 개발되었다. 즉, GaN, AlN 또는 InN 등의 질화물계 화합물 반도체를 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방법에 의해 사파이어기판 상에 직접, 또는, 실리콘기판 상에 버퍼층을 형성한 후 이종에피택셜 방법으로 성장한다. 상기에서 모기판(mother substrate)으로 사용된 사파이어기판 상에 직접 성장된 것은 기판으로 사용된다. 그러나, 실리콘기판 상에 형성된 것은 모기판으로 사용된 실리콘기판을 불산 등의 용액으로 식각하고 남은 질화물계 화합물 반도체가 기판이 된다.
그러나, 종래의 사파이어기판 및 실리콘기판을 모기판 상에 이종에피택셜 성장된 질화물계 화합물 반도체기판은 모기판과 격자 상수와 열팽창계수의 차이에 매우 크다. 그러므로, 결정 성장된 질화물계 화합물 반도체기판은 크랙 등의 결함이 발생되어 전자소자의 동작 특성에 저하되는 문제점이 있었다. 그리고, 종래 기술에 의해 결정 성장된 질화물계 화합물 반도체기판은 사파이어기판 및 실리콘기판이 가격이 비싸므로 경제성이 저하될 뿐만 아니라 면적이 한정되므로 대면적으로 형성하기 어려운 문제점이 있었다. 또한, 사파이어는 전기적으로 부도체이므로 뒷면 전극 형성이 불가능하며 경도가 매우 높기 때문에 기계적인 소자 형성시 가공성이 저하되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 크랙 등의 결함을 감소시켜 형성되는 전자소자의 동작 특성에 저하되는 것을 방지할 수 있는 질화물계 화합물 반도체기판의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 경제적으로 대면적을 갖는 질화물계 화합물 반도체기판의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 소자 형성시 가공성을 향상시킬 수 있는 질화물계 화합물 반도체기판의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 화합물 반도체기판의 제조방법은 용융석영기판의 상부 표면에 요철을 형성하는 공정과, 상기 용융석영기판의 요철이 형성된 표면 상에 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방법으로 질화물계 화합물반도체층을 결정 성장하는 공정과, 상기 질화물계 화합물반도체층이 잔류하도록 용융석영기판을 선택적으로 습식 식각하는 공정과, 상기 질화물계 화합물반도체층의 상부 및 하부 표면을 연마하여 기판을 형성하는 공정을 구비한다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화물계 화합물 반도체기판의 제조방법은 용융석영기판의 상부 표면에 요철을 형성하는 공정과, 상기 용융석영기판의 요철이 형성된 표면 상에 질화물계 화합물반도체로 이루어진 버퍼층을 형성하는 공정과, 상기 버퍼층 상에 HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방법으로 질화물계 화합물반도체층을 결정 성장하는 공정과, 상기 질화물계 화합물반도체층 및 버퍼층이 잔류하도록 용융석영기판을 선택적으로 습식 식각하는 공정과, 상기 버퍼층과 상기 질화물계 화합물반도체층의 상부 및 하부 표면을 연마하여 기판을 형성하는 공정을 구비한다.
도 1도는 본 발명에 사용된 HVPE 장치의 구조 및 온도구배를 도시한 개략도
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 화합물 반도체기판의 제조 방법을 도시하는 공정도
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화물계 화합물 반도체기판의 제조 방법을 도시하는 공정도
도 4는 본 발명에 따라 제조된 질화갈륨기판의 X-선 회절 패턴을 측정하여 도시한 도면
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 사용된 HVPE 장치 내의 반응관(11)의 구조 및 온도구배를 도시한 개략도이다.
본 발명에 사용된 HVPE 장치는 수평형 3단 구조를 갖는 전기로 내에 반응관(11)이 설치되며, 이 반응관(11) 내에 소오스 물질(source material), 예를 들면, Ga, Al 또는 In이 담긴 보트(15)가 위치하며 일측 외부로부터 제 1 반응가스인 염산(HCl) 가스를 공급하는 제 1 가스공급관(13)이 설치된다. 그리고, 반응관(11) 내에 모기판으로 사용되는 용융석영기판(21)이 위치되며, 상기 일측 외부로부터 이 용융석영기판(21)이 위치하는 부분에 제 2 반응가스인 암모니아(NH3)가스를 공급하는 제 2 가스공급관(17)이 설치된다. 또한, 반응관(11)의 일측에는 분위기 가스인 질소(N2)를 주입하는 흡기구(19)가 설치되고 타측에는 용융석영기판(21) 상에 질화물계 화합물반도체기판(도시되지 않음)을 성장시킬 때 반응하지 않고 남는 가스를 외부로 배출하는 배기구(23)가 설치된다.
용융석영기판(21) 상에 질화물계 화합물반도체기판을 형성할 때에 상술한 HVPE 장치의 동작을 설명한다. 상기에서 용융석영기판(21) 상에 성장되는 질화물계 화합물반도체를 GaN을 예로하여 설명한다.
반응관(11) 내에 용융석영기판(21)을 위치하고, 제 1 가스공급관(15) 내부에 소오스 물질이 담긴 보트(15)를 위치한다. 그리고, 반응관(11) 내부를 10-3토르(torr) 정도의 진공을 이루도록 배기한다. 그 다음, 전기로의 온도를 승온하는 데, 전기로의 온도가 600℃ 정도가 승온되면 흡기구(19)를 통해 반응관(11) 내에 분위기 가스인 질소(N2) 가스를 주입한다. 그 후, 계속해서 승온하여 보트(15)가 위치하는 부분이 800∼900oC 정도이고, 용융석영기판(21)이 위치되는 부분이 950∼1100oC 정도로 유지되어 도 1에 도시된 온도 구배를 갖도록 한다. 이 때, 보트(15) 내의 소오스 물질은 용융된 상태가 된다.
상술한 상태에서 제 1 가스공급관(13) 내부에 염산(HCl) 가스를, 제 2 가스공급관(17)에 암모니아(NH3) 가스를 공급한다. 이 때, 제 1 가스공급관(13) 내부로 공급되는 염산(HCl) 가스는 보트(15) 내에 용융된 소오스 물질, 예를 들면, Ga와 반응하여 염화갈륨(GaCl)가 가스 상태로 생성된다. 그리고, 제 1 가스공급관(13) 내에서 생성된 염화갈륨(GaCl) 가스는 제 2 가스공급관(17)을 통해 공급되는 암모니아(NH3) 가스와 반응하여 용융석영기판(21) 상에 GaN을 결정성장시킨다. 상기에서 반응되지 않은 가스는 배출구(23)를 통해 외부로 배출한다.
GaN의 성장시간이 경과되면 염산(HCl) 가스의 공급을 중단하고 전기로의 온도를 3∼10℃/분 정도의 속도로 서서히 냉각시켜 600℃ 정도가 되면 암모니아(NH3) 가스와 질소(N2) 가스의 공급도 중단하므로써 용융석영기판(21) 상에 질화물계 화합물반도체기판을 결정 성장하는 것을 완료한다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 장치를 사용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 화합물 반도체기판을 제조하는 방법을 도시하는 공정도이다.
도 2a를 참조하면, 용융석영기판(31)의 상부 표면을 저속 회전 연마기에서 입경이 0.1∼10㎛ 정도인 보론카바이드, 탄화규소 또는 다이아몬드 분말을 슬러리 상태로 공급하면서 회전 연마하여 요철면(33)을 이루도록 한다. 그리고, 용융석영기판(31)의 상부 표면에 형성된 요철면(33)을 불산(HF) 등의 에칭 용액으로 30∼90분 정도 에칭하여 표면의 거칠기를 0.1∼0.5㎛ 정도가 되도록 한다. 상기에서 용융석영기판(31)은 대면적을 가진다.
도 2b를 참조하면, 용융석영기판(31)의 요철면(33) 상에 HVPE 방법에 의해 GaN, AlN 또는 InN 등의 질화물계 화합물반도체층(35)을 형성한다. 화합물반도체층(35)은 950∼1100oC 정도의 온도와 질소(N2) 가스 분위기에서 Ga, Al 또는 In 등의 소오스 물질을 염산(HCl) 가스 및 암모니아(NH3) 가스와 반응시켜 600∼800㎛ 정도의 두께를 갖도록 형성한다.
상기에서 용융석영기판(31)은 비정질 상이고 상부 표면에 요철면(33)을 가지므로 성장되는 질화물계 화합물반도체의 핵(nuclear) 생성을 균일하게 유도하므로 화합물반도체층(35)은 육방정계의 c-축 방향으로 배향된 단결정 상으로 성장된다. 또한, 용융석영기판(31)은 요철면(33)에 의해 상부 표면적이 증가되므로 용융석영기판(31)과 화합물반도체층(35) 사이의 열팽창 계수 및 격자 상수의 차이에 의해 화합물반도체층(35)에 크랙(creak)이 발생되는 것을 억제한다.
도 2c를 참조하면, 용융석영기판(31)을 불산 등의 에칭 용액으로 제거한다. 이 때, 용융석영기판(31)은 선택적으로 제거되어 화합물반도체층(35)만 남게된다.
화합물반도체층(35)을 300∼400㎛ 정도의 두께가 되도록 상부 및 하부 표면을 연마하여 질화물계 화합물반도체기판(37)을 완성한다. 상기에서 화합물반도체기판(37)은 화합물반도체층(35)을 입경이 0.1∼10㎛ 정도인 보론카바이드, 탄화규소 또는 다이아몬드 분말을 슬러리 상태로 공급하면서 회전 연마하므로써 형성된다.
그리고, 화합물반도체기판(37)의 상부 및 하부 표면을 입경이 0.05∼0,1㎛ 정도인 산화알루미늄 분말을 슬러리 상태로 공급하면서 회전 연마하여 경면 처리한다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화물계 화합물 반도체기판의 제조 방법을 도시하는 공정도이다.
도 3a를 참조하면, 도 2a 공정을 진행한 후, 용융석영기판(31)의 요철면(33) 상에 GaN, AlN 또는 InN 등의 질화물계 화합물반도체를 HVPE 방법에 의해 성장하여 버퍼층(39)을 형성한다. 상기에서 버퍼층(39)은 800∼900oC 정도의 온도와 질소(N2) 가스 분위기에서 Ga, Al 또는 In 등의 소오스 물질을 염산(HCl) 가스 및 암모니아(NH3) 가스와 반응시켜 5∼20㎛ 정도의 두께를 갖도록 성장하므로써 형성된다.
상기에서 버퍼층(37)을 500∼700oC 정도의 온도에서 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 방법으로 형성할 수도 있다.
도 3b를 참조하면, 버퍼층(37) 상에 HVPE 방법에 의해 GaN, AlN 또는 InN 등의 질화물계 화합물반도체층(35)을 형성한다. 화합물반도체층(35)은 950∼1100oC 정도의 온도와 질소(N2) 가스 분위기에서 Ga, Al 또는 In 등의 소오스 물질을 염산(HCl) 가스 및 암모니아(NH3) 가스와 반응시켜 600∼800㎛ 정도의 두께를 갖도록 형성한다.
상기에서, 화합물반도체층(35)은 육방정계의 c-축 방향으로 배향된 단결정 상으로 성장된다. 또한, 상기에서 버퍼층(37)은 용융석영기판(31)과 화합물반도체층(35) 사이의 열팽창 계수 및 격자 상수의 차이를 완충하여 화합물반도체층(35) 내에 크랙(creak)이 발생되는 것을 억제하여 막질을 향상시킨다.
도 3c를 참조하면, 화합물반도체층(35) 및 버퍼층(39)을 제외한 용융석영기판(31)을 불산 등의 에칭 용액으로 선택적으로 제거한다.
도 3d를 참조하면, 버퍼층(39)을 제거하고 화합물반도체층(35)을 300∼400㎛ 정도의 두께가 되도록 상부 및 하부 표면을 연마하여 질화물계 화합물반도체기판(37)을 완성한다. 상기에서 화합물반도체기판(37)은 화합물반도체층(35) 및 버퍼층(39)을 입경이 0.1∼10㎛ 정도인 보론카바이드, 탄화규소 또는 다이아몬드 분말을 슬러리 상태로 공급하면서 회전 연마하므로써 형성된다.
그리고, 화합물반도체기판(37)의 상부 및 하부 표면을 입경이 0.05∼0,1㎛ 정도인 산화알루미늄 분말을 슬러리 상태로 공급하면서 회전 연마하여 경면 처리한다.
도 4는 발명에 따라 제조된 화합물반도체기판 중 질화갈륨기판의 X-선 회절 패턴을 측정하여 도시한 도면이다.
상기 도면은 육방정계의 질화갈륨은 X-선의 회절각이 34.6° 및 72.9°일 때 c-축에 해당하는 (0002)면과 (0004)면으로 부터 회절 피크가 측정된다. 이것은 본 발명에 따른, 즉, 용융석영기판을 사용하여 HVPE 방법으로 성장시킨 질화물계 화합물반도체기판이 c-축 방향으로 배향된 단결정 상인 것을 나타내는 것이다.
따라서, 본 발명은 요철면을 갖는 용융석영기판을 이용하여 결정 성장하므로 대면적을 가지며, 또한, 크랙 등의 결함을 감소하여 형성되는 전자소자의 동작 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있는 질화물계 화합물 반도체기판을 형성할 수 있는 잇점이 있다. 또한, 화합물반도체만으로 형성되므로 소자의 형성이 용이한 잇점이 있다.

Claims (10)

  1. 용융석영기판의 상부 표면에 요철을 형성하는 공정과,
    상기 용융석영기판의 요철이 형성된 표면 상에 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방법으로 질화물계 화합물반도체층을 결정 성장하는 공정과,
    상기 질화물계 화합물반도체층이 잔류하도록 용융석영기판을 선택적으로 습식 식각하는 공정과,
    상기 질화물계 화합물반도체층의 상부 및 하부 표면을 연마하여 기판을 형성하는 공정을 구비하는 질화물계 화합물반도체기판의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서 상기 용융석영기판의 상부 표면에 요철을 형성하는 공정은,
    상기 용융석영기판의 상부 표면을 입경이 0.1∼10㎛ 정도인 보론카바이드, 탄화규소 또는 다이아몬드 분말을 슬러리 상태로 공급하면서 회전 연마하여 요철을 형성하는 단계와,
    상기 용융석영기판 상부를 불산 용액으로 30∼90분 정도 에칭하여 거칠기가 0.1∼0.5㎛ 정도가 되도록 에칭하는 단계를 구비하는 질화물계 화합물반도체기판의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서 상기 질화물계 화합물반도체층을 GaN, AlN 또는 InN으로 형성하는 질화물계 화합물반도체기판의 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서 상기 화합물반도체층을 950∼1100oC 정도의 온도와 질소(N2) 가스 분위기에서 Ga, Al 또는 In의 소오스 물질을 염산(HCl) 가스 및 암모니아(NH3) 가스와 반응시켜 600∼800㎛ 정도 두께로 형성하는 질화물계 화합물반도체기판의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서 상기 기판을 상기 화합물반도체층이 300∼400㎛ 정도의 두께가 되도록 입경이 0.1∼10㎛ 정도인 보론카바이드, 탄화규소 또는 다이아몬드 분말을 슬러리 상태로 공급하면서 연마하여 형성하는 질화물계 화합물반도체기판의 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서 상기 기판의 상부 및 하부 표면을 입경이 0.05∼0,1㎛ 정도인 산화알루미늄 분말을 슬러리 상태로 공급하면서 연마하여 경면 처리하는 공정을 더 구비하는 질화물계 화합물반도체기판의 제조방법.
  7. 용융석영기판의 상부 표면에 요철을 형성하는 공정과,
    상기 용융석영기판의 요철이 형성된 표면 상에 질화물계 화합물반도체로 이루어진 버퍼층을 형성하는 공정과,
    상기 버퍼층 상에 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방법으로 질화물계 화합물반도체층을 결정 성장하는 공정과,
    상기 질화물계 화합물반도체층 및 버퍼층이 잔류하도록 용융석영기판을 선택적으로 습식 식각하는 공정과,
    상기 버퍼층과 상기 질화물계 화합물반도체층의 상부 및 하부 표면을 연마하여 기판을 형성하는 공정을 구비하는 질화물계 화합물반도체기판의 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서 상기 버퍼층을 GaN, AlN 또는 InN으로 형성하는 질화물계 화합물반도체기판의 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서 상기 버퍼층을 800∼900oC 정도의 온도에서 HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방법으로 형성하는 질화물계 화합물반도체기판의 제조방법.
  10. 청구항 8에 있어서 상기 버퍼층을 500∼700oC 정도의 온도에서 500∼900oC 정도의 온도에서 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 방법으로 형성하는 질화물계 화합물반도체기판의 제조방법.
KR1019980034651A 1998-08-26 1998-08-26 질화물계 화합물 반도체기판의 제조방법 KR100320541B1 (ko)

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