KR100506077B1 - 유기금속기상화학증착법에 의한 고품위 ⅲ-족 질화물 박막성장 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 21 세기 광반도체의 혁명으로 각광을 받고 있는 Ⅲ-족 질화물계 화합물(BN, AlN, GaN, InN를 포함한 화합물) 반도체 박막의 성장 방법을 기재한다. 본 발명에 따른 유기금속기상화학증착법에 의한 고품위 Ⅲ-족 질화물 박막 성장 방법은 반응기 내부 압력이 높아지면 수직 방향으로의 성장이 빨라지면서 박막 표면에 미세구멍(pit)들이 많이 생기는 대신에 내부적 결정의 결함들은 줄어들며, 반응기 내부 압력이 낮아지면 수직 방향으로의 성장이 느려지면서 상대적으로 측면으로의 성장이 빨라져 외부적으로 미세구멍(pit)들이 적게 생기는 대신에 내부적 결정의 결함들은 많아지는 실험 결과를 이용하여, 먼저 고압으로 내부적으로 결함이 적은 Ⅲ-족 질화물(Group-Ⅲ nitride) 결정을 성장시킨 다음, 상대적으로 많아진 미세구멍을 저압 성장으로 메워줌으로써, 고품질의 Ⅲ-족 질화물 박막을 얻는다.
Description
본 발명은 Ⅲ-족 질화물계 화합물(BN, AlN, GaN, InN를 포함한 화합물) 반도체 박막의 성장 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박막 성장 단계를 이원화시킴으로써 박막의 특성을 향상시킬 수 있는 유기금속기상화학증착법에 의한 고품위 Ⅲ-족 질화물계 화합물 박막 성장 방법에 관한 것이다.
도 1은 종래의 유기금속기상화학증착법에 의해 성장된 GaN 박막의 수직 단면도이다. 상기 GaN 박막은 도시된 바와 같이, 먼저 사파이어 기판(1) 상에 유기금속기상화학증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition)에 의해 400~600℃에서 GaN 버퍼층(2)을 성장시키고 그 위에 다시 900~1100℃에서 GaN층(3)을 성장시킨다.
이와 같이 유기금속기상화학증착법으로 성장된 Ⅲ-족 질화물(Group-Ⅲ nitride) 박막의 특성은 여러 가지 실험 변수에 의해 변화되는데 특히, 성장 과정에서 반응기 압력의 변화에 따라 초기 성장 기구에 큰 차이가 나타나는 현상을 발견하였다.
GaN 박막의 MOCVD법에 의한 성장에는 여러 가지 방식의 반응기가 사용되고 있는데, 밀착 공간 샤워헤드형 반응기(close spaced showerhead type reactor)가 그 일례이다.
또한, 질화물계 화합물 반도체 소자를 제조함에 있어 가장 기본적인 특성은 결정성으로서 연구자들마다 각자의 반응기, 실험 조건에 맞게 최적화를 하여 사용하고 있다. 그런데 연구 과정에서 다중양자우물(multiple quantum well), p-GaN, AlGaN 등의 성장에 유리한 낮은 반응기 압력 조건에서 결정성이 떨어지는 문제점이 발견되었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, MOCVD법으로 Ⅲ-족 질화물(Group-Ⅲ nitride) 박막을 성장시 반응기 내의 압력을 변화시키는 다단 성장법을 이용하여 박막의 결정성 및 표면 형상이 향상되는 유기금속기상화학증착법에 의한 고품위 Ⅲ-족 질화물 박막 성장 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 유기금속기상화학증착법에 의한 고품위 Ⅲ-족 질화물 박막 성장 방법은, 기판 상에 유기금속기상화학증착법을 이용하는 Ⅲ-족 질화물 박막 성장 방법에 있어서, 상기 기판 상에 Ⅲ-족 질화물 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 Ⅲ-족 질화물 버퍼층 상에 반응기 내부의 압력을 소정값 이상으로 높여 제1의 Ⅲ-족 질화물 박막을 형성하는 단계; 및 상기 제1의 Ⅲ-족 질화물 박막 상에 상기 반응기 내부의 압력을 상기 제1의 Ⅲ-족 질화물 박막 성장시의 압력 보다 소정값 이하로 낮춰 제2의 Ⅲ-족 질화물 박막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 기판은 사파이어 기판이고, 상기 질화물 버퍼층은 AlGaN으로 형성되며, 상기 제1 및 제2의 Ⅲ-족 질화물 박막은 GaN계 질화물로 형성되고, 상기 제1의 Ⅲ-족 질화물 박막은 150~300 Torr의 압력 범위 내에서 성장되며, 상기 제2의 Ⅲ-족 질화물 박막은 80~150 Torr의 압력 범위 내에서 성장되는 것이 바람직하다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 유기금속기상화학증착법에 의한 고품위 Ⅲ-족 질화물 박막 성장 방법을 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 유기금속기상화학증착법에 의해 성장된 Ⅲ-족 질화물 박막의 수직 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유기금속기상화확증착법에 의해 성장된 Ⅲ-족 질화물 박막은 1 단계의 압력이 2 단계의 압력보다 높은 2 단계 성장법을 이용하여 박막의 결정성 및 표면 형상(morphology)이 향상된 특징을 갖는다. 즉, 성장된 Ⅲ-족 질화물 박막이 결정성이 떨어지고 표면 형상이 매끄럽지 못한 문제를 개선하기 위해 1단계에서는 반응기 압력을 높여 박막의 결정성을 향상시키고, 2단계에서는 반응기 압력을 낮추어 기상 반응이 적으면서 급준한 계면을 얻을 수 있고, 두께의 균일성이 우수한 조건에서 소자 구조를 성장시킬 수 있다. 또한, 그 성장 방법 자체는 원료 소모 측면에서도 우수한 재료 절감 효과를 갖는다.
이러한 Ⅲ-족 질화물 반도체 박막을 구체적으로 제조하는 방법은 다음과 같다.
본 발명에 따른 유기금속기상화학증착법에 의한 고품위 Ⅲ-족 질화물 박막 성장 방법에서는 밀착 공간 샤워헤드형 반응기(close spaced showerhead type reactor)를 이용한다.
먼저, 사파이어 등으로 된 기판(11) 위에 400~600℃의 저온에서 20~30 nm 두께의 AlGaN 완충막(12)을 성장시킨 다음 반응기 내의 온도를 1000℃ 정도로 높이고 결정 성장 압력을 150~300 Torr로 변경하여 0.5 μm 이상의 두께를 지닌 제1의 Ⅲ-족 질화물(Group-Ⅲ nitride) 박막(13)을 성장시킨다(제1단계).
다음으로 Ⅲ-족 질화물(Group-Ⅲ nitride) 박막(13) 성장 후에 반응기 내의 온도를 1000℃ 정도로 유지한 채 원료기체의 공급을 중단하고 반응기 압력을 80~150 Torr로 낮추어 제2의 Ⅲ-족 질화물(Group-Ⅲ nitride) 박막(14)을 형성한다(제2단계). 여기서, 상기 AlGaN 완충막(12)은 AlxGa1-xN(0≤x≤1)의 함량비를 갖는다. 또한 사용되는 유기금속화학기상증착법의 반응기는 밀착 공간 샤워헤드형 반응기(close spaced showerhead type reactor)를 이용한다.
이와 같이 제1단계에서 반응기 내의 압력이 증가되면, AlGaN 완충막(12)의 분해가 촉진되어 핵생성층의 전체적인 입자 크기가 커지게 되며 그 밀도는 감소하게 된다. 입자의 크기가 커지게 되면 계면에 형성되는 결함의 밀도가 급격히 감소하게 된다. 또한 반응기 압력이 증가하면서 이송 기체로 사용되는 수소의 해리가 촉진되면서 Ⅲ-족 원소의 표면 이동도가 증가되고 이 때문에 입자 성장이 촉진될 수 있다. 이러한 성장 기구의 변화로 인해 도 3에 나타낸 바와 같이 성장 압력의 증가에 따라 쌍정 회절 패턴(double crystal diffraction pattern)의 반가폭(full width half maximum)이 감소하게 되며 이는 결함 밀도의 감소를 의미한다. 그러나 입자들간의 합체가 일어나면서 입자 계면에 미세 구멍(pit)이 형성될 가능성이 높아지며, 이는 소자 제작시 누설 전류의 원인이 되어 소자 파괴를 촉진시키는 역할을 하게 된다. 결론적으로 Ⅲ-족 질화물(Group-Ⅲ nitride) 성장시 반응기 내부 압력이 높아지면 수직 방향으로의 성장이 빨라지면서 외부적으로 미세구멍(pit)들이 많이 생기는 대신에 내부적 결정의 결함들은 줄어든다.
반면에, 제2단계에서 Ⅲ-족 질화물(Group-Ⅲ nitride) 성장시 반응기 내부 압력이 낮아지면 수직 방향으로의 성장이 느려지면서 상대적으로 측면으로의 성장이 빨라져 외부적으로 미세구멍(pit)들이 적게 생기는 대신에 내부적 결정의 결함들은 많아진다.
도 4a 및 도 4b에는 실제 GaN 박막에서 관찰되는 미세 구멍의 양상을 나타내고 있다. 즉, 도 4b에 도시된 바와 같이, 높은 압력에서 제1단계로 성장된 GaN 표면에서는 미세 구멍이 관찰된 반면, 도 4a에 도시된 바와 같이, 제2단계로 성장된 GaN 표면에서는 미세 구멍이 거의 관찰되지 않았다.
이와 같은 실험의 결과를 바탕으로 본 발명의 성장법에서는 제1단계의 고압 성장에서 외부적으로 미세 구멍은 많지만 내부적으로 결함이 적은 질화물 결정을 성장시키고, 이러한 미세한 구멍을 제2단계 반응기 압력을 낮추는 저압 성장으로 메움으로서 소자 구조 성장에 적합한 양질의 GaN 박막을 확보할 수 있는 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 유기금속기상화학증착법에 의한 고품위 Ⅲ-족 질화물 박막 성장 방법은 반응기 내부 압력이 높아지면 수직 방향으로의 성장이 빨라지면서 외부적으로 미세구멍(pit)들이 많이 생기는 대신에 내부적 결정의 결함들은 줄어들며, 반응기 내부 압력이 낮아지면 수직 방향으로의 성장이 느려지면서 상대적으로 측면으로의 성장이 빨라져 외부적으로 미세구멍(pit)들이 적게 생기는 대신에 내부적 결정의 결함들은 많아지는 실험 결과를 바탕으로, 먼저 고압으로 내부적으로 결함이 적은 Ⅲ-족 질화물(Group-Ⅲ nitride) 결정을 성장시킨 다음, 상대적으로 많아진 미세구멍을 저압 성장으로 메워줌으로써, 고품질의 Ⅲ-족 질화물 박막의 소자를 얻을 수 있는 장점을 가진다. 즉, 고압 성장 공정과 저압 성장 공정에서 각 공정 변수의 장점만을 취함으로써 박막 특성의 향상을 얻을 수 있는 것이다.
도 1은 종래의 유기금속기상화확증착법에 의해 성장된 GaN 박막의 수직 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 유기금속기상화학증착법에 의해 성장된 GaN 박막의 수직 단면도,
도 3은 도 2의 GaN 박막의 X-ray (10-12면) 반치폭 변화를 나타내는 그래프,
그리고 도 4a 및 도 4b는 각각 200 Torr 압력 및 200 Torr 압력 및 200 Torr + 100 Torr 압력에서 성장된 GaN 박막들의 SEM(Scanning Electron Microscope) 영상들이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1. 사파이어 기판(Sapphire substrate)
2. AlGaN 버퍼(buffer)층
3. GaN 박막
11. 사파이어 기판(Sapphire substrate)
12. AlGaN 버퍼(buffer)층
13. 제1 GaN 박막
14. 제2 GaN 박막
Claims (5)
- 기판 상에 유기금속기상화학증착법을 이용하는 Ⅲ-족 질화물 박막 성장 방법에 있어서,상기 기판 상에 Ⅲ-족 질화물 버퍼층을 형성하는 단계;상기 Ⅲ-족 질화물 버퍼층 상에 반응기 내부의 압력을 소정값 이상으로 높여 제1의 Ⅲ-족 질화물 박막을 형성하는 단계; 및상기 제1의 Ⅲ-족 질화물 박막 상에 상기 반응기 내부의 압력을 상기 제1의 Ⅲ-족 질화물 박막 성장시의 압력 보다 소정값 이하로 낮춰 제2의 Ⅲ-족 질화물 박막을 형성하는 단계;를 포함하며,상기 제1의 Ⅲ-족 질화물 박막은 150~300 Torr의 압력 범위 내에서 성장되고, 상기 제2의 Ⅲ-족 질화물 박막은 80~150 Torr의 압력 범위 내에서 성장되는 것을 특징으로 하는 유기금속기상화학증착법에 의한 고품위 Ⅲ-족 질화물 박막 성장 방법.
- 제1항에 있어서,상기 기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 유기금속기상화학증착법에 의한 고품위 Ⅲ-족 질화물 박막 성장 방법.
- 제1항에 있어서,상기 질화물 버퍼층은 AlGaN으로 형성된 것을 특징으로 하는 유기금속기상화학증착법에 의한 고품위 Ⅲ-족 질화물 박막 성장 방법.
- 제1항에 있어서,상기 제1 및 제2의 Ⅲ-족 질화물 박막은 GaN계 질화물로 형성된 것을 특징으로 하는 유기금속기상화학증착법에 의한 고품위 Ⅲ-족 질화물 박막 성장 방법.
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