KR100454908B1 - 질화갈륨 기판의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화갈륨 기판의 제조방법에 관한 것으로, 이종기판의 상부에 제 1 질화갈륨 박막을 성장시키고, 그 제 1 질화갈륨 박막의 상부에 직선형의 반복적인 마스크 패턴을 증착하는 제 1 단계와; 상기 마스크 패턴으로 마스킹하여, 상기 제 1 질화갈륨 박막과 이종기판의 일부를 식각하는 제 2 단계와; 상기 식각된 이종기판에서 제 2 질화갈륨을 측면 성장시키고, 측면 성장된 제 2 질화갈륨이 측면성장으로 합체(Coalescence)가 이루어지기 전에 성장을 중지시키는 제 3 단계와; 상기 제 3 단계의 측면 성장 속도보다 높은 성장속도로 제 2 질화갈륨을 성장시켜 합체가 이루어진 평탄한 표면을 갖는 제 2 질화갈륨 박막을 형성시키는 제 4 단계로 구성함으로서, 사파이어 기판과 성장된 질화갈륨층의 계면에 빈공간을 형성하여 기판과의 게면에서 발생되는 응력을 감소시킬 수 있고, 결함밀도를 낮출 수 있으며, 기판의 휘어짐을 방지할 수 있는 효과가 발생한다.
Description
본 발명은 질화갈륨 기판의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 성장되는 질화갈륨이 이종기판과 접촉되질 않도록, 상대적으로 온도가 낮은 분위기에서 질화갈륨을 성장시킨 후, 최종적으로 상대적으로 온도가 높은 분위기에서 질화갈륨의 성장을 완료함으로서, 사파이어 기판과 성장된 질화갈륨층의 계면에서 발생되는 응력을 감소시킬 수 있고, 결함밀도를 낮출 수 있으며, 기판의 휘어짐을 방지할 수 있는 질화갈륨 기판의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 질화갈륨과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체는 자외선에서 가시광선에 이르는 광을 방출하는 발광소자 및 수광 소자 이외에도, 고온 및 고출력 전자소자에도 널리 이용되는 물질이다.
이러한 질화물 소자를 제조하기 위해서는 결함밀도가 낮은 단결정 박막의 형성을 필요로 한다. 현재까지는 질화물 반도체 단결정은 사파이어(Al2O3), 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘과 갈륨비소(GaAs) 등의 이종기판에 성장시키고 있다.
그러므로, 이종 에피성장(Hetero epitaxy)에 의해 성장된 질화갈륨 박막 내부에는 매우 높은 밀도의 결정 결함이 존재하게 되고, 이러한 결정 결함들은 광소자 및 전자소자에서 발광 효율을 저하시키거나 전류의 누설 통로로 기능함으로서, 소자의 성능을 저하시키게 된다.
이런, 이종 에피택시 성장에서 결함밀도를 감소시키기 위한 다양한 시도들이 있었으며, 최근, 질화물 반도체 단결정 박막 성장에서 가장 널리 이용되고 있는 것은 측면성장법(Lateral epitaxial overgrowth)이다.
도 1a와 1b는 종래의 측면 성장에 의한 질화물 반도체 단결정 박막 제조 공정도로서, 도 1a에서, 사파이어, 실리콘 카바이드와 실리콘 등의 이종기판(10)의 상부에 제 1 질화갈륨 박막(11)을 성장시키고, 그 제 1 질화갈륨 박막(11)의 상부에 실리콘 산화막(SiO2), 실리콘질화막(Si3O4)과 같은 유전체막 또는 금속 박막으로 직선형의 반복적인 마스크 패턴(12)을 증착한다.
상기 마스크 패턴(12)이 증착된 후에, 제 2 질화갈륨 박막을 성장시키면, 마스크 패턴(12)이 존재하지 않는 노출된 제 1 질화갈륨 박막(11)의 표면에서는 질화갈륨이 성장이 되고, 상기 마스크 패턴(12)에서는 측면 성장이 이루어져, 전체적으로 평탄한 표면을 갖는 제 2 질화갈륨 박막(13)을 제조할 수 있다.(도 1b)
도 1b의 점선은 결함을 표시하고 있고, 이 결함들 중, 마스크 패턴(12)이 없는 제 2 질화갈륨 박막(13)에서는 결함(14)이 상부로 전파되지만, 마스크 패턴(12)의 하부에 있는 제 1 질화갈륨 박막의 영역(16)에서는 결함의 전파가 억제되고, 측면 성장에 의해 결함이 없는 영역이 된다.
그리고, 측면 성장된 부분들이 만나는 영역에서는 새로운 결함(15)이 형성되어 제 2 질화갈륨 박막(13)의 표면으로 전파된다.
이러한 마스크를 이용한 측면 성장법은 부분적으로 결함밀도가 작은 영역을 얻는데 효과가 있지만, 마스크 상부로 측면 성장하면서, 마스크와의 반응에 의해 응력이 발생하고, 상기 도 1b에 도시된 바와 같은 결함이 생성하는 등의 문제를 지니고 있다.
특히, 마스크 물질이 고온과 암모니아의 질화갈륨 성장 분위기에서 열화될 가능성이 높기 때문에, 측면 성장되는 영역에서의 결함밀도의 감소가 완전하지 않으며, 결정학적인 기울어짐(Crystallographic tilting)등과 같은 현상이 발생되고 있다.
따라서, 마스크에 의한 응력이 많이 존재하면, 기판이 휘어지는 현상이 일어나 단결정 박막으로 소자를 제조하는 공정 수행시 많은 어려움이 있어 생산 수율이 저하되는 등의 문제점을 낳게 된다.
도 2a 내지 2c는 종래의 마스크 없이 질화물 반도체 단결정 박막 제조 공정도로서, 사파이어, 실리콘 카바이드와 실리콘 등의 이종기판(20)의 상부에 제 1 질화갈륨 박막(21)을 성장시키고(도 2a), 그 제 1 질화갈륨 박막(21)의 상부에 도 1a에 도시된 실리콘 산화막(SiO2), 실리콘질화막(Si3O4)과 같은 유전체막 또는 금속 박막으로 직선형의 반복적인 마스크 패턴을 증착하여, 이종기판(20)이 노출되도록 식각하고, 마스크 패턴은 제거한다.(도 2b)
그런 다음, 제 2 질화갈륨 박막(22)을 측면 성장시킨다.(도 2c)
이때, 원래 존재하는 제 1 질화갈륨 박막(21) 부분의 결함만 남고, 측면 성장에 의해 이루어진 부분은 결함밀도가 낮은 영역이 된다.
이 방법은 유전체나 금속 박막과 같은 마스크층이 없으므로, 마스크층과 측면 성장하는 질화갈륨 사이의 응력이 형성되는 문제점은 발생하지 않는다.
그러나, 기판의 표면과 측면 성장하는 질화갈륨이 만나게 되고('A'영역), 이로 인한 응력이 발생하여 결함을 형성하거나 기판이 휘어지는 등의 문제를 발생시킨다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 성장되는 질화갈륨이 이종기판과 접촉되질 않도록, 상대적으로 온도가 낮은 분위기에서 질화갈륨을 성장시킨 후, 최종적으로 상대적으로 온도가 높은 분위기에서 질화갈륨의 성장을 완료함으로서, 사파이어 기판과 성장된 질화갈륨층의 계면에 빈공간을 형성되고, 이 빈공간은 기판과의 계면에서 발생되는 응력을 감소시킬 수 있고, 결함밀도를 낮출 수 있으며, 기판의 휘어짐을 방지할 수 있는 질화갈륨 기판의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 이종기판의 상부에 제 1 질화갈륨 박막을 성장시키고, 그 제 1 질화갈륨 박막의 상부에 직선형의 반복적인 마스크 패턴을 증착하는 제 1 단계와;
상기 마스크 패턴으로 마스킹하여, 상기 제 1 질화갈륨 박막과 이종기판의 일부를 식각하는 제 2 단계와;
상기 식각된 이종기판에서 제 2 질화갈륨을 측면 성장시키고, 측면 성장된 제 2 질화갈륨이 측면성장으로 합체(Coalescence)가 이루어지기 전에 성장을 중지시키는 제 3 단계와;
상기 제 3 단계의 측면 성장 속도보다 높은 성장속도로 제 2 질화갈륨을 성장시켜 합체가 이루어진 평탄한 표면을 갖는 제 2 질화갈륨 박막을 형성시키는 제 4 단계로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조방법이 제공된다.
도 1a와 1b는 종래의 측면 성장에 의한 질화물 반도체 단결정 박막 제조 공정도이다.
도 2a 내지 2c는 종래의 마스크 없이 질화물 반도체 단결정 박막 제조 공정도이다.
도 3은 본 발명에 따른 질화갈륨 기판을 성장시키는 온도의 분포도이다.
도 4a 내지 4e는 본 발명에 따른 질화물 반도체 단결정 박막 제조 공정도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10, 20, 30 : 이종기판 11, 21, 31 : 제 1 질화갈륨 박막
12, 32 : 마스크 패턴 13, 22, 33 : 제 2 질화갈륨 박막
14 : 결함
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 질화갈륨 기판을 성장시키는 온도의 분포도로서, 먼저, 상대적으로 낮은 온도(T1℃)에서 질화갈륨을 제 1 단계 성장시킨 후, 최종적으로 상대적으로 높은 온도(T2℃)에서 제 2 단계 성장시켜 질화갈륨의 성장을 완료시켜, 질화갈륨이 성장되는 기판과 성장된 질화갈륨 사이 계면에 발생되는 응력을 감소시키는 빈 공간을 형성하는 것을 특징으로 한다.
도 4a 내지 4e는 본 발명에 따른 질화물 반도체 단결정 박막 제조 공정도로서, 사파이어, 실리콘 카바이드와 실리콘 등의 이종기판(30)의 상부에 제 1 질화갈륨 박막(31)을 성장시키고(도 4a), 그 제 1 질화갈륨 박막(31)의 상부에 실리콘 산화막(SiO2), 실리콘질화막(Si3O4)과 같은 유전체막 또는 금속 박막으로 직선형의 반복적인 마스크 패턴(32)을 증착한다.(도 4b)
그 후에, 상기 마스크 패턴(32)으로 마스킹하여, 상기 제 1 질화갈륨박막(31)과 이종기판(30)의 일부(도 4c에 도시된 두께 't')를 식각하여, 돌출된 제 1 질화갈륨 박막(31')을 형성한다.(도 4c)
여기서, 상기 이종기판(30)은 10㎚ ~ 2㎛ 두께 범위로 식각하는 것이 바람직하다.
그 다음에, 온도 T1℃에서 제 2 질화갈륨을 성장시키고, 측면 성장된 제 2 질화갈륨박막(33)이 측면성장으로 합체(Coalescence)가 이루어지기 전에 성장을 중지시킨다.(도 4d)
마지막으로, 성장 온도를 올려서 T2℃, 측면 성장 속도를 상기 T1℃온도에서보다 빠르도록 하여 제 2 질화갈륨을 성장시켜 합체가 이루어진 평탄한 표면을 갖는 제 2 질화갈륨 박막(33)을 형성시킨다.(도 4e)
이렇게 합체가 이루어진 제 2 질화갈륨 박막(33)이 형성되면, 성장된 제 2 질화갈륨 박막(33)과 이종기판(30)의 사이에는 빈공간(50)이 형성된다.
여기서, T2℃ 〉 T1℃ 이며, 상기 T1℃는 900℃ ~ 1100℃이고, 상기 T2℃는 910℃ ~ 1120℃ 인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 도 4e에서 제 2 질화갈륨 성장시키는 압력보다 상기 도 4d의 제 2 질화갈륨 성장시키는 압력이 크도록 하여, 도 4e의 제 2 질화갈륨의 측면 성장 속도를 도 4d의 제 2 질화갈륨의 측면 성장 속도보다 높게 할 수 있다.
그러므로, 본 발명은 낮은 측면성장 속도에서 제 2 질화갈륨을 성장시킨 후, 합체가 이루어지기 전에, 성장을 중지시키고, 보다 높은 측면성장 속도에서 제 2질화갈륨을 성장시켜 합체와 평탄화를 시키는데 발명의 사상이 있다.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 질화물 반도체 기판을 촬영한 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope; SEM)의 사진도로서, 질화갈륨 박막층(40)과 사파이어 기판(30)의 계면에는 빈 공간(50)이 형성되어 있다.
따라서, 본 발명은 상기 상대적으로 온도가 낮은 T1℃에서 질화갈륨을 성장시킴으로서, 질화갈륨의 성장속도를 낮게 하여 이종기판에 접촉되지 않고, 주로 위로 성장시키고, 상대적으로 온도가 T1℃보다 높은 T2℃에서 질화갈륨을 성장시겨 최종의 질화갈륨 박막을 형성할 수 있게 된다.
이렇게 성장되는 질화갈륨이 이종기판과 접촉되질 않아서, 빈 공간이 형성되며, 이 빈 공간은 기판과의 계면에서 발생되는 응력을 감소시킬 수 있어, 결함밀도를 낮출 수 있게 된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 성장되는 질화갈륨이 이종기판과 접촉되질 않도록, 상대적으로 온도가 낮은 분위기에서 질화갈륨을 성장시킨 후, 최종적으로 상대적으로 온도가 높은 분위기에서 질화갈륨의 성장을 완료함으로서, 사파이어 기판과 성장된 질화갈륨층의 계면에서 발생되는 응력을 감소시킬 수 있고, 결함밀도를 낮출 수 있으며, 기판의 휘어짐을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
Claims (5)
- 이종기판의 상부에 제 1 질화갈륨 박막을 성장시키고, 그 제 1 질화갈륨 박막의 상부에 직선형의 반복적인 마스크 패턴을 증착하는 제 1 단계와;상기 마스크 패턴으로 마스킹하여, 상기 제 1 질화갈륨 박막과 이종기판의 일부를 식각하는 제 2 단계와;상기 식각된 이종기판에서 제 2 질화갈륨을 측면 성장시키고, 측면 성장된 제 2 질화갈륨이 측면성장으로 합체(Coalescence)가 이루어지기 전에 성장을 중지시키는 제 3 단계와;상기 제 3 단계의 측면 성장 속도보다 높은 성장속도로 제 2 질화갈륨을 성장시켜 합체가 이루어진 평탄한 표면을 갖는 제 2 질화갈륨 박막을 형성시키는 제 4 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 단계의 이종기판은 사파이어, 실리콘 카바이드와 실리콘 중 선택된 하나의 물질로 이루어진 것이며,상기 마스크 패턴은 유전체막 또는 금속 박막인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 제 2 단계에서 이종기판은 10㎚ ~ 2㎛ 두께 범위로 식각하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 제 4 단계가 상기 제 3 단계보다 제 2 질화갈륨의 측면 성장 속도가 높도록, 상기 제 3 단계에서는 900℃ ~ 1100℃ 온도로 제 2 질화갈륨을 측면성장시키고, 상기 제 4 단계에서는 910℃ ~ 1120℃ 온도로 제 2 질화갈륨을 측면성장시키는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 제 4 단계가 상기 제 3 단계보다 제 2 질화갈륨의 측면 성장 속도가 높도록, 상기 제 3 단계의 제 2 질화갈륨 성장시키는 압력보다 상기 제 4 단계의 제 2 질화갈륨 성장시키는 압력이 큰 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조 방법.
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