KR100352940B1 - 반도체 소자의 절연막 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스퍼터링과 화학 기상 증착법을 이용해 첨가물이 없는 순수한 절연 질화 갈륨을 성장시켜 목표로 하는 절연막을 형성할 수 있도록 한 반도체 소자의 절연막 형성 기법에 관한 것으로, 이를 위하여 본 발명은, 불순물을 첨가하고 화학 기상 증착법을 이용하여 절연 질화 갈륨의 절연막을 기판상에 형성하는 종래 방법과는 달리, 스퍼터링법과 화학 기상 증착법을 이용하여 기판상에 소정 두께의 질화 알루미늄과 질화 갈륨을 순차 성장시켜 목표로 하는 절연막을 형성한다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은, 그 재현성이 확실하면서도 우수한 절연 특성을 갖는 절연막을 형성할 수 있는 것이다.

Description

반도체 소자의 절연막 형성 방법{METHOD FOR FABRICATING INSULATING LAYER OF SEMECONDUCTOR}

본 발명은 반도체 소자의 절연막을 형성하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발광 소자, 고온 및 고속 반도체 소자의 제작에 이용되는 절연 질화 갈륨의 절연막을 형성하는 데 적합한 반소체 소자의 절연막 형성 방법에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 절연 질화 갈륨은 질화 갈륨의 소자 응용에 있어서 상당히 중요한 역할을 담당하고 있으나, 현재까지는 첨가물(또는 불순물)인 아연(Zn) 및 탄소(C)를 첨가하여 n-형의 질화 갈륨을 절연 질화 갈륨으로 변환하여 사용하고 있다. 이러한 방법은 절연 질화 갈륨의 품질을 저하시키면서 필요로 하는 전기적 저항 특성을 얻기 위해서이다.

그러나, 상술한 바와 같이, 첨가물 첨가를 통해 n-형의 질화 갈륨을 절연 질화 갈륨으로 변환하여 사용하는 종래 방법은 공정이 복잡할 뿐 만 아니라 그 재연성이 불확실하기 때문에 실제 공정에서 사용하는 데는 한계를 가질 수밖에 없다는 근본적인 문제를 갖는다.

따라서, 상술한 점을 고려할 때 첨가물이 없는 순수한 절연 질화 갈륨을 성장시켜 절연막을 형성하는 기법이 요구되고 있으나, 이러한 기법에 대해서는 현재까지 전혀 알려진 바가 없는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 스퍼터링과 화학 기상 증착법을 이용해 첨가물이 없는 순수한 절연 질화 갈륨을 성장시켜 목표로 하는 절연막을 형성할 수 있는 반도체 소자의 절연막 형성 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판상에 질화 갈륨의 절연막을 형성하는 방법에 있어서, 절연막 형성을 위한 기판을 준비하는 단계; 스퍼터링 공정을 통해 상기 기판상에 소정 두께의 질화 알루미늄층을 성장시키는 단계; 및 화학 기상 증착 공정을 통해 상기 질화 알루미늄층상에 소정 두께의 질화 갈륨층을 성장시킴으로써, 상기 질화 갈륨층으로 된 절연막을 상기 기판상에 형성하는 단계로 이루어진 반도체 소자의 절연막 형성 방법을 제공한다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 사파이어 기판상에 절연막을 형성하는 과정을 도시한 공정 순서도,

도 2는 사파이어 기판상에 성장시킨 질화 알루미늄의 특성 XRD 패턴을 나타낸 그래프,

도 3은 질화 알루미늄 상에 증착된 질화 갈륨의 특성 XRD 패턴을 나타낸 그래프,

도 4는 본 발명에 따라 기판상에 형성된 절연 질화 갈륨의 전기적 저항 특성을 나타낸 그래프,

도 5는 본 발명에 따라 기판상에 형성된 절연 질화 갈륨의 광학적 발광 특성을 나타낸 그래프.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

102 : 기판

104 : 질화 알루미늄층

106 : 질화 갈륨층

110 : 절연막

본 발명의 상기 및 기타 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명의 핵심 기술요지는, 아연(Zn) 및 탄소(C) 등과 같은 첨가물(또는 불순물)을 첨가하고 화학 기상 증착법을 이용하여 절연 질화 갈륨의 절연막을 기판상에 형성하는 종래 방법과는 달리, 스퍼터링법을 이용하여 사파이어 기판상에 소정 두께의 질화 알루미늄(AlN)층을 성장시키고, 화학 기상 증착법을 이용하여 질화 알루미늄층상에 소정 두께의 질화 갈륨(GaN)층을 성장시킴으로써 우수한 절연특성을 갖는 절연막을 형성한다는 것으로, 이러한 기술적 수단을 통해 본 발명에서 목적으로 하는 바를 쉽게 달성할 수 있다.

이때, 저온에서 성장시킨 질화 알루미늄의 재료 성질과 그 두께가 절연 질화 갈륨의 특성을 제어하는 중요한 요소로 작용한다. 따라서, 적절한 성질을 가진 질화 알루미늄의 성장은, 예를 들어 저항이 250 기가오옴(GΩ)에 이르는 우수한 전기적 특성을 갖는 절연 질화 갈륨의 성장에 매우 중요한 역할을 한다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 사파이어 기판상에 절연막을 형성하는 과정을 도시한 공정 순서도이다.

도 1a를 참조하면, 임의의 공정 조건, 예를 들면 파워 50W, 압력 low 5x10^-3torr 및 저온(예를 들면, 대략 300℃)의 공정 조건에서 알루미늄 타겟, 질소 가스, 아르곤 가스를 사용하는 RF 스퍼터링 공정을 수행함으로써, 기판(예를 들면, 사파이어 기판)(102)상에 소정 두께의 질화 알루미늄층(104)을 성장시킨다.

이때, 기판(102)으로서는 사파이어 뿐 만 아니라 6H-SiC, MgAl₂O_4,Si(111)₂, GaAs(001) 등이 사용될 수 있으며, 그 두께는 대략 330㎛ 내지 500㎛이며, 특히 330㎛인 것이 바람직한 데, 본 실시예에서는 330㎛의 두께를 갖는 사파이어 기판을 사용하였다.

또한, 질화 알루미늄층(104)의 두께는 질화 갈륨층이 우수한 전기적 특성을 가질 수 있도록 설정하는 것이 바람직한 데, 예를 들면 200Å 내지 600Å이 바람직하며, 본 실시예서는 355Å의 두께로 성장시켰다.

따라서, 본 발명의 발명자들은 사파이어 기판(102)상에 성장시킨 질화 알루미늄층(104)의 특성 XRD(X-ray diffraction) 패턴을 측정하였으며, 그 결과는 도 2에 도시된 바와 같다.

즉, 도 2를 참조하면, 스퍼터링법으로 성장시킨 질화 알루미늄은 그 두께에 따라 원자 간격으로 조정할 수 있으며, 또한 그 구조적 성질(피크 부분의 반측폭(FWHM))이 우수하다. 즉, 절연 질화 갈륨에 쓰인 질화 알루미늄은 부분적으로는 스트레인(strain)을 받고 부분적으로는 스트레인이 풀려 있어 그 원자 간격이 각각 다르게 나오기 때문에 도 2에 도시된 바와 같은 XRD 패턴이 나타난다.

다시 도 1b를 참조하면, 트리메틸갈륨 106.4 마이크로몰/분, 암모니아 8,500sccm을 사용하는 화학 기상 증착 공정을, 예를 들면 1020℃의 온도 조건에서 수십분(예를 들면, 대략 30분) 동안 수행하여 질화 알루미늄층(104)의 상부에 소정 두께(예를 들면, 1㎛ 내지 2㎛, 보다 바람직하게는 1㎛)의 절연 질화 갈륨층(106)을 성장시킴으로써 절연막(110)의 형성을 완성하였다. 여기에서, 화학 기상 증착을 위한 갈륨의 전구체로는 트리메틸갈륨(Trimethylgallium : TMGa) 또는 트리에틸갈륨(Triethylgallium : TEGa)을 사용할 수 있으나 본 실시예에서는 트리메틸갈륨을 사용 하였으며, 질소의 전구체로는 암모니아(NH₃)를 사용하였다.

이때, 질화 알루미늄 위에 화학 기상 증착법으로 성장시킨 질화 갈륨의 구조적 성질은 피크의 반측폭과 모양으로 알 수 있는 데, 질화 알루미늄층(104) 상에 증착된 질화 갈륨층(106)의 특성 XRD 패턴을 보여주는 도 3으로부터 명백한 바와 같이, 절연 질화 갈륨이 구조적으로 안정됨(또는 우수함)을 알 수 있으며, 또한 질화 갈륨의 성장시에 질화 알루미늄이 손상되지 않았음을 명확하게 알 수 있다.

또한, 본 발명의 발명자들은 사파이어 기판상에 형성된 절연막의 전기적 특성을 체크하기 위해, 성장된 절연 질화 갈륨의 시트 저항을 측정하였다. 그 측정 결과, 시트 저항은, 일예로서 도 4에 도시된 바와 같이, 대략 250GΩ으로 측정되었으며, 불순물을 첨가하는 종래 방법과는 달리, 불순물을 첨가하지 않음에도 불구하고 질화 갈륨에서의 절연 특성(또는 전기적 특성)이 우수함을 알 수 있었다.

더욱이, 본 발명의 발명자들은 광학적 발광 특성을 측정하였으며, 그 측정 결과는 도 5에 도시된 바와 같이 나타났다. 즉, 본 발명에 따라 RF 스퍼터링법과 화학 기상 증착법으로 성장시킨 절연 질화 갈륨은 종래 방법에 따라 화학 기상 증착법을 이용하여 성장한 질화 갈륨의 광학적 성질과 거의 유사한 결과를 얻을 수 있었다.

따라서, 본 발명에 따라 RF 스퍼터링과 화학 기상 증착을 이용하여 성장시킨 절연 질화 갈륨은 발광 소자 뿐 만 아니라 고온 및 고속 반도체 소자의 제작 등 매우 폭 넓은 응용 분야에 적용할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 불순물을 첨가하고 화학 기상 증착법을 이용하여 절연 질화 갈륨의 절연막을 기판상에 형성하는 종래 방법과는 달리, 스퍼터링법과 화학 기상 증착법을 이용하여 사파이어 기판상에 소정 두께의 질화 알루미늄과 질화 갈륨을 순차 성장시켜 목표로 하는 절연막을 형성함으로써, 그 재현성이 확실하면서도 우수한 절연 특성을 갖는 절연막을 기판상에 형성할 수 있다.

Claims (4)

1. 기판상에 질화 갈륨의 절연막을 형성하는 방법에 있어서,

   절연막 형성을 위한 기판을 준비하는 단계;

   스퍼터링 공정을 통해 상기 기판상에 소정 두께의 질화 알루미늄층을 성장시키는 단계; 및

   화학 기상 증착 공정을 통해 상기 질화 알루미늄층상에 소정 두께의 질화 갈륨층을 성장시킴으로써, 상기 질화 갈륨층으로 된 절연막을 상기 기판상에 형성하는 단계로 이루어진 반도체 소자의 절연막 형성 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은, 사파이어, 6H-SiC, MgAl₂O_4,Si(111)₂, GaAs(001) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 절연막 형성 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 질화 알루미늄층의 두께 범위는 200Å 내지 600Å인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 절연막 형성 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 화학 기상 증착 공정은, 갈륨의 전구체로서 트리메틸갈륨 또는 트리에틸갈륨을 사용하고, 질소의 전구체로서 암모니아를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 절연막 형성 방법.