KR100327379B1 - 질화갈륨 반도체 기판 제조 방법 - Google Patents

Abstract

청색 및 녹색 대역 파장을 갖는 질화갈륨 반도체 기판의 제조 방법에 대한 것으로, 기판 위에 성장시킨 질화갈륨막 상의 일정 영역들에 제 1마스크 패턴들을 형성하고 이 제 1마스크 패턴들을 마스크로 질화갈륨막을 일정 깊이로 제거하여 트랜치(trench)들을 형성한다. 그리고 나서, 제 1마스크 패턴들을 제거하고 트랜치들의 측면을 제외한 질화갈륨막 전면 위에 제 2마스크 패턴들을 형성한 후, 제 2마스크 패턴이 형성된 질화갈륨막 상에 1차 질화갈륨막을 성장시키고, 2차 질화갈륨막을 성장시키는 단계를 포함한다.

따라서, 이와 같은 제조 방법을 따르면, 두꺼운 질화갈륨 기판을 이용할 수 있는 이점이 있고, 균열(crack)과 같은 고밀도 결정성 결함 및 손상을 줄인 고품질의 질화갈륨 반도체 기판을 제조할 수 있다.

Description

질화갈륨 반도체 기판 제조 방법{method for fabricating GaN semiconductor substrate}

본 발명은 청색 대역 파장을 갖는 화합물 반도체 소자 제작을 위한 고품질의 질화갈륨 반도체 기판 제조 방법에 관한 것이다.

종래에는 질화갈륨계 화합물 반도체를 이용한 청색 발광소자의 개발을 위해 사파이어와 같은 반도체 기판 위에 질화알루미늄(AlN) 혹은 GaAl_1-xN(0≤x≤1)의 완충층(buffer layer)을 키운 뒤, 질화갈륨을 성장시키는 방법이 일반적이었다. 그러나, 완충층을 이용하더라도 사파이어와 질화갈륨과의 격자 부정합(latticemismatch) 및 열팽창 계수(thermal expansion coefficient)의 큰 차이가 발생하여, 반도체 기판위로 성장된 질화갈륨 박막 성장층 내에 고밀도의 전파 전위(threading dislocation)등의 결정성 결함이 존재하게 된다.

이런 문제를 회피할 수 있는 방법으로 반도체 기판 상에 벌크 질화갈륨(bulk GaN)을 성장시킨 뒤, 이를 기판으로 사용한 동종 박막 성장(homoepitaxy)방법이 있다. 이 방법은 동종 박막 성장의 이점으로, 격자 부정합 및 열팽창 계수의 차이에 의해 발생한 전파 전위 발생의 문제점을 줄일 수 있다. 그러나, 양질의 대형 벌크 질화갈륨 단결정을 얻는 것이 매우 어렵다는 문제점이 있어 아직도 동종 박막 성장을 이용한 고품질 질화갈륨 기판이 상용화되고 있지 않으며, 이런 기판의 현실화를 위해 현재 전 세계적으로 치열한 연구개발이 이루어지고 있다.

프리-스탠딩 질화갈륨 기판 구현에 주로 사용되는 방법은 기판 상에 박막 성장속도가 매우 빠른 할로겐 기상 박막 성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy)으로 두꺼운 질화갈륨 결정막을 성장한 후, 사파이어를 기계적인 표면연마(polishing)로 제거하거나 또는 레이저의 사용으로 질화갈륨으로부터 분리하는 후공정 과정이 포함된 방법이다.

그러나, 이상에서 설명한 종래 기술에 따른 질화갈륨 반도체 기판 제조 방법에는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 할로겐 기상 박막 성장법을 이용하여 고온(약 1000℃)에서 질화갈륨 결정막을 형성시킨 후 빠른 속도로 기판의 온도를 내리면 사파이어와 질화갈륨의격자 부정합 및 열팽창 계수의 차이로 인하여 매우 큰 스트레스(stress)가 생기고, 이로 인해 성장된 질화갈륨에 고밀도의 결정성 결함이 존재하게 된다.

둘째, 동종 성장의 이점으로 인해 원리적으로는 격자 부정합 및 열팽창 계수의 차이에 기인한 결정성 결함의 발생을 줄일 수 있으나, 사파이어 기판을 제거하는 표면연마 과정에서 균열과 같은 많은 양의 결함 및 손상이 발생한다. 이러한 문제점들이 상위층 성장 시 전달되어 고품질 소자 구현이 어렵게 된다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 사파이어 기판 위에 두꺼운 질화갈륨을 성장시킬 때와 사파이어를 제거하기 위한 후공정 과정에서 발생되는 결정성 결함 밀도를 줄인 고품질의 프리-스탠딩 질화갈륨 반도체 기판을 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a 내지 도 1e는 본 발명에 따른 질화갈륨(GaN) 반도체 제조 공정을 보여주는 공정 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1:제 1마스크 패턴 2:트랜치(trench)들이 형성된 질화갈륨막

3:제 2마스크 패턴 4:1차 질화갈륨막 5:2차 질화갈륨막

본 발명은 기판 위에 질화갈륨막을 성장시키고, 질화갈륨막의 일정 영역들에 제 1마스크 패턴들을 형성한 후, 제 1마스크 패턴들을 마스크로 질화갈륨막을 일정 깊이로 식각하여 트랜치(trench)들을 형성하고, 제 1마스크 패턴들을 제거한다. 그리고, 트랜치들의 측면을 제외한 질화갈륨막 전면에 제 2마스크 패턴들을 형성하고, 1차 합체(coalescence)시점까지 질화갈륨막을 성장시키는 1차 질화갈륨막에 2차 합체 시점까지 질화갈륨막을 성장시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체 기판 제조 방법이다.

여기서, 제 1, 제 2마스크 패턴들은 SiO₂, SiN_x등으로 구성되고, 제 2마스크패턴들의 두께는 약 0.01㎛∼1㎛로 형성하며, 질화갈륨막은 할로겐 기상 박막 성장법을 이용하여 성장시킨다.

본 발명은 마스크 패턴들 위쪽으로는 전위가 전파하지 않는 원리를 이용, 질화갈륨 박막을 측면 성장시키는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체 기판 제조방법으로 결정성 결함밀도가 존재하지 않는 질화갈륨 반도체 기판을 제조할 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 질화갈륨 반도체 기판 제조 방법의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

벌크 기판용 질화갈륨을 제조하기 위해 많이 사용되는 할로겐 기상 박막 성장법으로 사파이어 기판 위에 빠른 속도로 두꺼운 질화갈륨 박막을 성장시킬 경우 고밀도의 결정성 결함이 발생하게 된다.

이렇게 성장된 질화갈륨을 프리-스탠딩 기판형으로 만들기 위해서는 사파이어 기판을 제거해야 하며, 이 과정에서 균열과 같은 결함이 추가로 발생하게 되어 고품질의 소자 제작에 많은 어려움이 있다.

이런 문제점들을 극복하기 위해 본 발명에서는 기존의 방법을 변형하여 고품질의 질화갈륨 프리-스탠딩 기판을 얻는 방법을 제시한다.

도 1a 내지 도 1e는 본 발명에 따른 질화갈륨 반도체 기판 제조 공정을 보여주는 공정단면도이다.

일반적으로, 할로겐 기상 박막 성장법를 이용하여 성장시킨 기존의 프리-스탠딩 질화갈륨 기판 상에 바로 질화갈륨 후막을 성장시킬 경우, 결정성 결함이 질화 갈륨 후막으로 전파된다.

이것을 극복하기 위해, 본 발명에서는 먼저 도 1a에 도시된 바와 같이, 기판 위에 프리-스탠딩 질화갈륨막을 형성하고, 제 1마스크 패턴(1)들로 소정 영역의 질화갈륨막을 노출시킨다. 여기서, 제 1마스크 패턴(1)들은 SiO₂, 또는 SiN_x등으로 이루어지고, 제 1마스크 패턴(1)들은 일정 간격을 가지고 일 방향으로 형성한다.

이어, 도 1b에 도시된 바와 같이, 제 1마스크 패턴(1)들을 마스크로 노출된 질화갈륨막을 일정 깊이로 식각한다.

그리고, 도 1c에 도시된 바와 같이, 트랜치들이 형성된 질화갈륨 기판(2)의 트랜치들의 측면을 제외한 전면 위에 SiO₂나 SiN_x등으로 이루어진 제 2마스크 패턴들을 형성한다. 여기서, 제 2마스크 패턴(3)들의 두께 t는 0.01㎛<t<1㎛ 로 한다.

그리고 나서, 도 1d에 도시된 바와 같이, 질화갈륨을 성장시키면, 도 1c에서 형성한 제 2마스크 패턴(3)들로 인하여 측면 성장이 우세한 조건에서 질화갈륨이 성장된다. 이 때, 질화갈륨 성장은 MOCVD(Metalorganic Chemical Vapor Deposition), MBD(Molecular Beam Epitaxy), 할로겐 기상 박막 성장법등을 이용하는 것이 적합하다.

위와 같이 질화갈륨을 성장시키면, 제 2마스크 패턴(3)들 위에서는 핵융합이 일어나지 않으므로 제 2마스크 패턴들 사이에 노출된 질화갈륨을 원점으로 질화갈륨이 측면 성장하게 되어 도 1d와 같이 핵들이 성장하여 이웃하는 핵과 합쳐지는 과정을 반복하는 1차 합체(coalesce)가 이루어져 1차 질화갈륨막(4)을 형성한다.

여기서, 질화갈륨 내의 전파 전위 같은 결함은 대다수 수직 방향으로 전달되므로 측면 성장된 질화갈륨에는 결함 밀도가 매우 낮다.

이어, 도 1e에 도시된 바와 같이 지속적으로 질화갈륨을 성장시키면, 표면에 노출되어 있는 제 2마스크 패턴(3)들 위에서는 핵융합이 일어나지 않으므로 제 2마스크 패턴(3)들 사이의 창(window)을 통해서 질화갈륨이 성장하게 되어, 제 2마스크 패턴들 위쪽에는 다시 한번 질화갈륨의 측면 성장을 통해 질화갈륨의 2차 합체가 이루어지게 된다.

이렇게 2차 질화갈륨막(5)을 성장시키면 제 2마스크 패턴(3)들 위쪽으로는 전위가 전파하지 못하므로, 원리상으로 전파 전위가 존재하지 않는 고품질 질화갈륨막을 얻을 수 있게 된다.

이 위에 소자(발광 다이오드 또는 레이저 다이오드)를 제작하면 프리-스탠딩 기판 위에 전파 전위 밀도가 적은 질화갈륨막을 바탕으로 하는 소자를 얻을 수 있게 된다. 필요에 따라 최상층의 질화갈륨막을 두껍게 성장시키고, 아래쪽에 높은 결함 밀도가 존재하고 있는 패턴이 형성된 질화갈륨을 제거하면 전파 전위 밀도를 상당히 감소시킨 프리-스탠딩 기판을 제조할 수 있다.

본 발명의 제조 방법과 같이, 할로겐 기상 박막공정으로 성장시킨 프리-스탠딩 질화갈륨 결정층 위에 적당한 두께의 질화갈륨막을 측면 성장시키면, 동종 성장의 이점으로 인해 격자 부정합 및 열팽창 계수의 차이에 기인한 결정성 결함의 발생을 줄여 두꺼운 질화갈륨 기판을 이용할 수 있는 이점이 있고, 사파이어 기판 위에 두꺼운 질화갈륨을 성장시킬 때와 사파이어를 제거하기 위한 후공정 과정에서 발생되는 균열과 같은 고밀도 결정성 결함 및 손상을 줄인 고품질의 질화갈륨 반도체 기판을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 기판 위에 질화갈륨막을 성장시키는 단계;

   상기 질화갈륨막의 일정 영역들에 제 1마스크 패턴들을 형성하는 단계;

   상기 제 1마스크 패턴들을 마스크로 상기 질화갈륨막을 일정 깊이로 제거하여 트랜치(trench)들을 형성하고, 상기 제 1마스크 패턴들을 제거하는 단계;

   상기 트랜치들의 측면을 제외한 질화갈륨막 전면에 제 2마스크 패턴들을 형성하고, 제 1차 합체(coalescence)시점까지 상기 질화갈륨막을 성장시키는 단계;

   상기 1차 합체된 질화갈륨막에 2차 합체 시점까지 질화갈륨막을 성장시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체 기판 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1마스크 패턴들은 일정 간격을 가지고 일 방향으로 형성하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체 기판 제조 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 제 1마스크 패턴들과 제 2마스크 패턴들은 는 SiO₂나 SiN_x중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체 기판 제조 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 제 2마스크 패턴들의 두께는 0.01㎛∼1㎛로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체 기판 제조 방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 질화갈륨막은 MOCVD(Metalorganic Chemical Vapor Deposition), MBD(Molecular Beam Epitaxy), 할로겐 기상 박막 성장법 중 어느 한 방법으로 성장시키는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 반도체 기판 제조 방법.