KR100682881B1

KR100682881B1 - 결정 성장 방법

Info

Publication number: KR100682881B1
Application number: KR1020050005024A
Authority: KR
Inventors: 박성수
Original assignee: 삼성코닝 주식회사
Priority date: 2005-01-19
Filing date: 2005-01-19
Publication date: 2007-02-15
Also published as: US20060160334A1; JP2006203196A; US7435666B2; KR20060084500A

Abstract

고품질의 결정성장 반도체웨이퍼 제조방법에 관해 개시된다.

개시된 방법은: 단결정 웨이퍼 상에 단결정 물질에 의한 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 상에 마스크층을 형성하는 단계; 레이저를 이용하여 상기 마스크층에 상기 버퍼층의 표면이 노출되는 다수의 홀을 형성하는 단계; 상기 홀을 통하여 에칭액을 공급하여 상기 홀의 바닥에 노출된 상기 버퍼층 부분에 소정 깊이의 우물을 형성하는 단계; 상기 마스크층을 제거한 후 상기 버퍼층을 열처리하여 상기 우물에 의해 얻어지는 공공부를 갖는 다공성 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 다공질 버퍼층에 목적하는 단결정 레이어를 결정성장법에 의해 형성하는 단계;를 포함한다.

결정, 성장, GaN, 다공성, 버퍼층

Description

결정 성장 방법{Epitaxial growth method}

도 1 내지 도 6은 본 발명에 따른 결정성장방법의 한 실시예를 보이는 공정도이다.

본 발명은 결정성장방법에 관한 것으로 특히 GaN 결정성장 방법에 관한 것이다.

결정성장에 의해 결정층(epitaxial layer)이 형성되는 기판은 결정층과의 격자 부정합 및 열팽창 계수의 차이에 의해 휨이 발생하고 그리고 결정층에는 많은 결정결함이 발생할 수 있다. 따라서 이러한 문제의 개선은 결정성장에 의해 단결정 반도체물질을 형성하는 방법에 있어서의 과제이다.

미국특허 6,579,359는 내부 응력을 흡수하는 다공성 버퍼층을 이용하는 기술을 개시한다. 다공성 버퍼층은 SiC 기판에 형성되고 결정층은 버퍼층 상에 형성된다. 버퍼층은 다공성이므로 결장 부정합 등에 의한 응력(stress)을 흡수한다.

이 방법은 다공성 버퍼층을 아노다이징 등에 의해 형성하므로 도전성 기판이 이용되어야 하며 따라서 기판 재료 선정에 제한이 있다. 이러한 방법은 아노다이징 등의 복잡한 공정을 수반하고 따라서 비용이 높다.

본 발명은 다공성 버퍼층을 용이하게 형성하여 저렴한 비용으로 반도체 결정층을 형성할 수 있는 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 반도체 결정성장방법은:

단결정 웨이퍼 상에 단결정 물질에 의한 버퍼층을 형성하는 단계;

상기 버퍼층 상에 마스크층을 형성하는 단계;

레이저를 이용하여 상기 마스크층에 상기 버퍼층의 표면이 노출되는 다수의 홀을 형성하는 단계;

상기 홀을 통하여 에칭액을 공급하여 상기 홀의 바닥에 노출된 상기 버퍼층 부분에 소정 깊이의 우물을 형성하는 단계;

상기 마스크층을 제거한 후 상기 버퍼층을 열처리하여 상기 우물에 의해 얻어지는 공공부를 갖는 다공질 버퍼층을 형성하는 단계;

상기 다공질 버퍼층에 목적하는 단결정 레이어를 결정성장법에 의해 형성하는 단계;를 포함한다.

상기 본 발명에 있어서, 상기 결정성 물질층은 3족 질화물 반도체이다.

또한, 상기 단결정 웨이퍼는 Si, GaAs, SiC, GaN, 사파이어 기판 중의 어느 하나이며, 바람직하게는 상기 웨이퍼는 사파이어 웨이퍼이며 상기 버퍼층과 단결정 레이어는 동종 물질로 구체적으로 GaN 이다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 마스크층은 포토레지스트로 형성된다.

상기 단결정 레이어의 형성하는 방법은 바람직하게 기상법(vapor deposition)이며, 구체적으로 HVPE(Halide or Hydride vapor phase epitaxy), MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 방법 중의 어느 하나를 적용한다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 결정성장방법을 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 준비된 단결정 예를 들어 Si, GaAs, SiC, GaN 또는 사파이어 웨이퍼(1) 위에 동종(예를 들어 GaN 웨이퍼에 GaN 결정층 성장) 또는 이종 적층(예를 들어 사파이어 웨이퍼에 GaN 결정층 성장) 방법에 의해 단결정 반도체층, 예를 들어 3족 질화물 반도체, 구체적으로 GaN 결정층에 의한 버퍼층(2)을 형성한다.

구체적으로 GaN 버퍼층(2)을 형성하기 위하여 HVPE (Halide or Hydride vapor phase epitaxy)의 반응기 내에 사파이어 웨이퍼를 장착한 후, 반응기 내부 온도를 성장 온도인 약 1050℃까지 올린다.

그런 후, GaCl과 NH₃ 즉 Ⅲ 족과 Ⅳ족을 1:20 의 비율로 N₂ 가스와 혼합하여 약 3분 동안 반응기 내부에 흘려 사파이어 웨이퍼(1) 상에 두께 2~3 um 인 GaN 결정층 즉 버퍼층(2)을 성장시킨다. 이 후 반응기를 상온까지 냉각시키고, 버퍼층 (2)이 형성된 사파이어 웨이퍼(1)를 반응기로부터 꺼낸다.

도 2에 도시된 바와 같이 상기 버퍼층(2) 위에 마스크층(3)을 형성한다. 마스크층은 스핀코팅 등에 의해 포토레지스트로 형성하는 것이 바람직하다.

도 3도에 도시된 바와 같이 갈바노미터를 갖춘 자외선(UV) 장치를 이용해 상기 포토레지스트에 의한 마스크층(3)에 다수의 홀(3a)을 형성한다. 이때에 홀(3a)의 직경은 수 십 nm의 크기를 가지도록 조절한다.

도 4에 도시된 바와 같이 에칭에 의해 상기 버퍼층(2)의 상부 부분에 소정 깊이의 우물(2a)을 형성한다. 이러한 우물(2a)을 형성하기 위하여 에칭률(Etch rate)이 마스크(2)에 비해 GaN 레이어(1)에 대해 높은 용해도를 가지는 에칭액을 이용한다. 따라서 에칭하는 과정에서 마스크층(3)에 덮이지 않은 버퍼층(2)의 부분들이 빠른 속도로 식각된다. 이러한 에칭이 우물(2a)의 직경과 깊이가 수십 nm 가 되도록 에칭을 진행한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기와 같이 그 상부에 다수의 우물(2a)이 형성된 후에는 먼저 상기 마스크층(3)은 벗겨낸다(strip). 이 이후에 상기 버퍼층(2)을 급속 열처리(RTA, rapid thermal annealing)한다. 이를 위하여 예를 들어 사파이어 웨이퍼(1)를 NH₃ 분위기의 퍼니스(furnace)에 장입한 상태에서 850℃ 이상의 온도 하에서 어닐링(annealing)한다. 이러한 열처리에 의하면 버퍼층(2)의 표면에 형성된 상기 우물(2a)들은 대부분 폐쇄됨으로써 버퍼층(2)에 매몰된 공공부(2a')가 얻어지고 따라서 버퍼층(2)의 표면이 매끈하게 형성된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 버퍼층(2) 위에 일반적인 결정성장법에 의해 목적하는 결정물질층(4)을 형성한다. 상기 결정물질층(4)은 하부의 버퍼층(2)과 동종 또는 이종일 수 있다. 바람직하게 예를 들어 3족 질화물 반도체 물질로서 GaN 결정층(4)을 상기 GaN 레이어(2) 위에 형성하기 위하여 상기 사파이어 웨이퍼(1)를 HVPE 반응기 내에 장작 한 후, HCl를 Ga과 반응시켜 GaCl를 형성시키고, GaCl과 NH₃ 가스를 반응시킴으로써 GaN 레이어(2)의 표면에 수 um 두께의 GaN 결정물질층(3)을 성장시킨다. 결정성장 시, 수평방향의 결정 성장 속도를 수직방향 성장 속도보다 크도록 조건을 조절한다.

결정 성장이 완료되면 HVPE 반응기를 상온까지 냉각시킨 후 GaN 반도체 결정 물질층(3)이 성장된 사파이어 웨이퍼(1)를 반응기로부터 꺼낸다.

상기와 같은 방법에 의해 얻은 GaN 결정물질층을 실제 측정한 결과, 결함 밀도는 기존의 5×10⁹/㎠에서 약 5×10⁷/㎠으로 감소하였으며, 그리고 기존의 방법에 의해 얻어진 GaN 층에 존재하는 스트레인 스트레스도 약 1/5로 감소하였다.

상기와 같은 과정을 거친 웨이퍼에 직접 광 소자를 제작할 수도 있으며, 아니면 프리스탠딩 웨이퍼(freestanding GaN wafer)를 얻기 위해 상기 사파이어 기판(1)을 다시 HVPE 반응기에 장착한 후 이미 얻어진 GaN 결정물질층(4) 위에 300 um이상의 두께로 GaN 결정물질층을 더 성장한다. 이 이후에 일반적으로 알려진 레이져 리프트오프(laser lift-off)에 의해 사파이어 웨이퍼를 제거한 결과 결함 밀도가 약 5×10⁵/㎠인 고 품질의 프리스탠딩 GaN 웨이퍼를 얻을 수 있었다.

상기와 같은 본 발명은 단결정 웨이퍼에 에칭에 의한 다공성 버퍼층을 갖는 결정성 물질층을 형성하며, 특히 웨이퍼에 다공성 버퍼층을 갖는 결정성 물질층을 형성하기 위하여 마스크층을 형성한다. 이러한 본 발명은 에칭 및 열처리에 의해 다공성 버퍼층을 형성하며 따라서 기판 재료의 선정 폭이 넓다.

이러한 본 발명에 의하면 결정성장기판의 결정결함 밀도와 응력 그리고 휨 및 크랙이 감소함으로써 수율이 높고 고품위의 결정성장 반도체 웨이퍼를 얻을 수 있게 된다. 또한, 위와 같은 물리적 특성의 향상에 의해 보다 큰 직경의 결정성장 반도체 웨이퍼의 제조가 가능하다.

이러한 본 발명은 타의 기판에 의존하여 제조되는 단결정 반도체 웨이퍼, 예를 들어 GaN과 같은 3족 질화물 반도체 웨이퍼의 제조에 적합하다.

이러한 본원 발명의 이해를 돕기 위하여 몇몇의 모범적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었으나, 이러한 실시예들은 단지 넓은 발명을 예시하고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이며, 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 구조와 배열에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이며, 이는 다양한 다른 수정이 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.

Claims

단결정 웨이퍼 상에 단결정 물질에 의한 버퍼층을 형성하는 단계;

상기 버퍼층 상에 마스크층을 형성하는 단계;

레이저를 이용하여 상기 마스크층에 상기 버퍼층의 표면이 노출되는 다수의 홀을 형성하는 단계;

상기 홀을 통하여 에칭액을 공급하여 상기 홀의 바닥에 노출된 상기 버퍼층 부분에 소정 깊이의 우물을 형성하는 단계;

상기 마스크층을 제거한 후 상기 버퍼층을 열처리하여 상기 우물에 의해 얻어지는 공공부를 갖는 다공성 버퍼층을 형성하는 단계;

상기 다공질 버퍼층에 목적하는 단결정 레이어를 결정성장법에 의해 형성하는 단계;를 포함하는 결정성장방법.
제 1 항에 있어서,

상기 결정성 물질층은 3족 질화물 반도체인 것을 특징으로 하는 결정성장방법.
제 1 항에 있어서,

상기 웨이퍼는 Si, GaAs, SiC, GaN 기판 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 결정성장방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 단결정 레이어 및 결정성 물질층은 GaN 인 것을 특징으로 하는 결정성장방법.
제 4 항에 있어서,

상기 마스크층은 Si, Al, Co, Cr, Pt 중의 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정성장방법.
제 1 항에 있어서,

상기 마스크 물질은 상기 단결정 레이어에 비해 에칭률이 낮은 것을 특징으로 하는 결정성장방법.
제 1 항에 있어서,

상기 결정성 물질층은 기상법(vapor deposition) 법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 결정성장방법.
제 7 항에 있어서,

상기 기상법은 HVPE(Halide or Hydride vapor phase epitaxy), MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 결정성장방법.
제 1 항에 있어서,

상기 열처리는 850℃ 이상의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 결정성장방법.
제 1 항에 있어서,

상기 마스크층은 포토레지스트로 형성하는 것을 특징으로 하는 결정성장방법.