KR100707166B1 - ＧａＮ 기판의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

프리스탠딩 GaN 기판의 제조방법에 관해 개시된다. GaN 기판의 제조방법은 반응기 내에서 HCl 및 NH3 가스 분위기에서 GaN 기판을 표면처리 다공성 GaN 층을 형성하는 단계; 상기 반응 챔버 내에서 인시튜 GaN 성장층을 형성하는 단계; 그리고 냉각에 의해 상기 다공성 GaN과 상기 GaN 성장층을 분리하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면 다공성 GaN 층의 형성 및 두꺼운 GaN 층의 형성 과정이 단일 반응기 내에서 인시튜로 진행된다. 이러한 본 발명의 방법은 종래에 비해 매우 단순화된다. 이와 같이 전체 공정이 하나의 챔버 내에서 이루어 질 뿐 아니라 특히 또한 GaN 표면처리 및 성장이 HVPE 공정가스를 이용하여 진행되므로 비용면에서 크게 절감된다. 또한 GaN 기판의 분리가 냉각에 의해 자발적으로 이루어 지므로 크랙이 없는 양질의 GaN 기판을 높은 수율로 얻을 수 있다.
GaN, Porous, Freestanding, in situ, separation

Description

ＧａＮ 기판의 제조방법{Fabrication method of GaN substrate}
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 제1실시예에 따른 GaN 제조 방법의 공정도이다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 제2실시예에 따른 GaN 제조 방법의 공정도이다.
도 3은 본 발명에 의해 제조된 다공성 GaN 의 SEM이미지이다.
도 4a는 본 발명에 의해 제조된 다공성GaN/두꺼운 GaN층의 SEM 이미지이다.
도 4b는 도 4a에서 다공성 GaN층의 부분 확대 SEM 이미지이다.
도 4c는 도 4b에 표시된 점선 사각 테두리 부분의 확대해 보인 SEM 이미지이다.
도 5는 본 발명에 의해 제조된 프리스탠딩 GaN 기판의 이미지이다.
1. Strain relaxation in GaN Layers grown on porous GaN sublayers (MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 4, 14(1999))
2. In-plane bandgap control in porous GaN through electroless wet chemical etching(Volume 80, Number 6, 11 February 2002, Applied Physics Letters )
3. Preparation of Freestanding GaN Wafers by Hydride Vapor Phase Epitaxy with Void-Assisted Separation(Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42 (2003) pp. L1-L3 Part 2, No. 1A/B, 15 January 2003)
본 발명은 GaN 기판의 제조방법에 관한 것으로서 상세히는 기판 표면을 처리하여 다공성층을 형성하여 프리스탠딩 GaN 기판의 제조방법에 관한 것이다.
청색 및 UV 계열 발광소자 등의 기판 재료로 사용되는 GaN 기판 제조에 관한 다양한 방법이 제안되어 있다. 이들 대부분의 종래 방법들은 SiC, 사파이어(sapphire) 등의 기판에 다공성 GaN 을 형성한 후 이 위에 두꺼운 GaN 을 성장하는 단계 및 UV 레이져 등을 이용해 두꺼운 GaN을 리프트 오프하여 프리스탠딩 GaN 을 얻는 단계를 갖는다.
Mynbaeva 등은 SiC 기판 위에 GaN 을 성장시키는 방법을 제시한다. 이 방법은 다공성 GaN을 형성하기 위하여 자외선 자극(excitation) 분위기에 HF 용액을 이용한다. 따라서, 이 방법은 성막공정 외의 별도의 습식식각공정이 요구되며 따라서 크리닝 등의 추가 공정이 복잡하다.(참조 : 문헌정보 1.)
Xiuling Li 등은 Pt 등의 금속을 이용한 무전극 에칭(metal-assisted electroless wet etching)법에 의해 다공성 GaN을 형성하는 방법을 제시한다. 이 방법은 역시 별도의 금속막 형성 및 에칭 공정을 요구하기 때문에 공정이 복잡하다.(참조 : 문헌정보 2.)
한편, 이상과 같이 다른 기판에 성장되는 두꺼운 GaN을 분리하기 위한 다양한 방법이 제안되었다. GaN 을 사파이어 기판 등으로부터 분리하기 위하여 기판 전체를 약 1000℃ 정도로 가열한 상태에서 UV 레이저를 가열하는 방법이 있다. 이러한 자외선과 열을 이용하여 리프트 오프는 공정에는 수 시간이 소용되게 된다. 더욱이 이러한 종래 리프트 오프 방법은 자칫 리프트 오프 과정 중 열적 불균형 등의 이유에 의해 GaN 층이 깨질 확률이 높다.
Yuichi Oshima 등은 VAS(Void Assisted Separation)을 제시한다(참조 : 문헌정보 3). 이 방법은 다공성 GaN의 용이한 분리를 위하여 GaN 템플리트 기판 위에 한 별도(ex-situ)의 TiN 나노넷(nanonet) 형성 이후 별도로 두꺼운 GaN을 형성한다. 이 방법은 비교적 양질의 프리스탠딩 GaN 을 얻을 수 있으나, 공정이 복잡하고 메탈에 의한 오염 위험이 있으며 제조비용이 높다.
본 발명의 목적은 제작공정이 단순하고 비용이 저렴할 뿐 아니라 수율이 높은 프리스탠딩 GaN 기판의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 단일 공정에 의해 프리스탠딩 GaN 기판을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 프리스탠딩 GaN 기판의 제조방법은:
반응기 내에 GaN 기판을 마련하는 단계;
상기 반응기에 HCl 및 NH3 가스를 공급하여 상기 GaN 기판을 상기 가스들에 의해 표면 처리하여 상기 GaN 기판 위에 표면 처리에 의한 다공성 GaN 층을 형성하는 단계;
상기 다공성 GaN 층 위에 GaN 결정성장층을 형성하는 단계;
상기 GaN 결정성장층이 형성된 GaN 기판을 냉각하여 상기 GaN 결정성장층을 상기 기판으로 부터 분리하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 GaN 기판을 마련하는 단계는: 상기 반응기 내에 반도체 기판을 설치하고 반도체 기판의 표면에 GaN 층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게 상기 반도체 기판은 사파이어, SiC 또는 GaN 기판이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 프리스탠딩 GaN 기판의 제조방법의 실시 예를 설명한다.
도 1a 에 도시된 바와 같이 GaN 층(11)이 그 상면에 형성되는 반도체 기판, 예를 들어 사파이어 기판(10)을 준비한다. 여기에서 반도체 기판(10)으로 사파이어 외에 GaN 기판 또는 SiC 기판이 적용될 수 있다. 상기 사파이어 기판(10)은 결정층 성장을 위한 시작 기판(starting substrate)이다. 바람직하게는 HVPE(hydride vapor phase epitaxy) 장치의 반응기에 상기 사파이어 기판(10)을 로딩한 후 N2 캐리어 가스와 함께 GaCl 가스와 NH3 가스를 소스로 공급하여 GaN 층(11)을 상기 사파이어 기판(10)의 표면에 성장한다. (또는, MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)방법에 의해 사파이어 기판 위에 GaN층을 형성한 기판을 사용한다.)
도 1b 에 도시된 바와 같이 GaN층(11)의 성장이 완료된 후, 상기 반응기 내 에 분위기 가스로서 HCl 가스와 NH3 가스를 투입하여 인시튜(in-situ)로 GaN 결정성장층(11)의 표면을 처리한다. 이러한 표면처리에 의하면 도 1c에 도시된 바와 같이 기판(10)의 표면에 다공성 GaN 층(11a)이 형성된다. 상기 표면처리에 대한 상세내용은 다음에 기술한다.
도 1d 에 도시된 바와 같이 상기 반응기 내에서 인시튜 두꺼운 GaN 결정성장을 실시한다. 이를 위하여 Ga 소스 및 N 소스 가스를 공급하여 통상의 방법으로 상기 다공성 GaN 층(11a) 위에 두꺼운 GaN 결정성장층(12)을 형성한다.
도 1e에 도시된 바와 같이 반응기 내에서 상기 기판(10)을 냉각시킨다. 이때의 냉각은 자연 냉각이 바람직하다. 이러한 냉각에 의해 기판(10)으로부터 상기 GaN 결정성장층(12)이 분리되게 된다. 도 1f에 도시된 바와 같이, 분리된 GaN 결정성장층(12)은 프리스탠딩 GaN 기판으로서 반도체 소자의 제조에 사용될 것이다. 상기 분리된 GaN 결정성장층(12)은 일반적 공정에서와 같이 폴리싱 과정을 거치게 된다.
다음의 실시예는 GaN 웨이퍼를 두꺼운 GaN층 형성을 위한 시작 기판(starting substrate)로 적용하는 공정이다.
도 2a 에 도시된 바와 같이 HVPE의 반응기 내에 GaN 기판(10')을 로딩한다.
도 2b 에 도시된 바와 같이 반응기에 HCl 가스와 NH3 가스를 투입하여 상기 GaN 층(11')을 표면처리 한다. 이러한 표면처리에 의하면 도 2c에 도시된 바와 같이 기판(11')의 표면에 다공성 GaN 층(11a)이 형성된다.
도 2d 에 도시된 바와 같이 상기 반응챔버 내에 GaN 결정성장을 위한 소스를 공급하여 상기 다공성 GaN 층(11a) 위에 두꺼운 GaN 성장층(12)을 형성한다.
도 2e에 도시된 바와 같이 반응기 내에서 상기 기판(10')을 냉각시킨다. 이러한 냉각에 의해 기판(10)으로 부터 상기 GaN 결정성장층(12)이 쉽게 분리되게 된다. 도 2f에 도시된 바와 같이, 분리된 GaN 결정성장층(12)은 프리스탠딩 GaN 기판으로서 반도체 소자의 제조에 사용될 것이다. 상기 분리된 GaN 결정성장층(12)은 일반적 공정에서와 같이 폴리싱 등의 과정을 거치게 된다.
위의 두 실시예에서 설명된 바와 같이 본 발명의 방법은 다공성 GaN 층을 형성하기 위한 기판이 GaN 웨이퍼 또는 사파이어 등 반도체 기판이다.
위의 공정에서 사용되는 설비는 HVPE(Hydride Vapor Phase Expitaxy) 장치로서 이 설비 내에서 다공성 GaN 및 두꺼운 GaN 의 성장이 인시튜 연속적으로 이루어진다.
이하 다공성 GaN 을 형성하는 조건에 대해 설명한다. GaN 표면처리는 수직 HVPE 장치가 이용되는데 HVPE 장치의 반응기의 온도를 900 내지 1200℃, 바람직하게는 1000℃ 까지 승온한 후 GaN의 표면처리에 필요한 가스를 N2 캐리어 가스와 함께 챔버로 수 분 동안 흘려준다.
이때에 사용되는 가스는 HCl 가스 및 NH3 가스이며 이때에 HCl과 NH3의 공급량은 각각 50 내지 150 sccm, 500 내지 1500 sccm이며, 바람직하게는 각각 100 sccm, 1000 sccm이다. 그리고 N2 는 8000sccm 정도 공급되며 이때에 기압은 상압이 다. 이러한 가스 공급에 따르면 GaN 기판 또는 GaN 층의 표면에서 Ga의 분해가 일어나면서 GaCl 가스와 H2 가스가 발생되어 배기되고 따라서 GaN 표면에는 소정 깊이의 보이드(Void)가 발생된다. 도 3은 이러한 표면처리 조건에 의해 얻어진 GaN 웨이퍼 상의 다공성 GaN의 SEM 이미지이다. 도 3에 도시된 바와 같이 GaN 위에 다공성 GaN 이 약 8 미크론 정도의 두께로 잘 형성되어있음을 알 수 있다.
이러한 다공성 GaN층의 형성에 이어 다공성 GaN 형성을 위해 표면처리가 진행되었던 상기 챔버에 GaCl과 NH3 가스를 적절히 공급함으로써 상기 다공성 GaN층 위에 두꺼운 GaN 층을 성장시킬 수 있다.
도 4a 는 다공성 GaN 위에 두꺼운 GaN 이 성장된 샘플의 SEM 이미지이다. 도 4a 에서 화살표 부분은 다공성 GaN 층을 지시한다. 도 4b 는 도 4a에 도시된 샘플의 다공성 GaN층을 부분적으로 확대해 보인 SEM 이미지 이다. 도 4b에서 중앙의 밝은 밴드가 다공성 GaN 층으로서 약 7 미크론정도의 두께를 가진다. 그리고 도 4c는 상기 다공성 GaN 층을 보다 더 크게 확대해 보인 것으로서 다공성 GaN 층의 보이드(void)가 잘 형성되어 있음을 알 수 있다.
이와 같이 다공성 GaN 층 위에 형성된 두꺼운 GaN은 냉각 후 자발적으로 분리(self separation)에 의해 상기 시작 기판(10, 10')으로부터 분리된다. 도 5는 냉각에 의해 자발적으로 분리된 프리스탠딩 GaN 기판을 보인다. 이러한 GaN 기판의 분리에 있어서 별도로 가해지는 약간의 힘은 두꺼운 GaN의 분리에 도움이 된다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 다공성 GaN 층의 형성 및 두꺼운 GaN 층의 형성 등의 전 과정이 단일 반응기 내에서 인시튜로 진행되며, 두꺼운 GaN 층은 냉각에 의해 크랙 발생이 없이 자발적으로 분리되게 된다. 이러한 본 발명의 방법은 종래에 비해 매우 단순화된다. 이와 같이 전체 공정이 하나의 챔버 내에서 이루어질 뿐 아니라 특히 또한 GaN 표면처리 및 성장이 HVPE 공정가스를 이용하여 진행되므로 비용면에서 크게 절감된다. 특히 GaN의 분리가 크랙이 없이 자발적으로 이루어지기 때문에 공정시간이 매우 짧고 수율 또한 높다.
이러한 본 발명은 큰 스케일의 GaN 프리스탠딩 기판 제조에 적용될 수 있는 것으로 특히 수 미크론 이상의 두께의 GaN 기판을 경제적으로 제작할 수 있다.
이러한 본원 발명의 이해를 돕기 위하여 몇몇의 모범적인 실시 예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었으나, 이러한 실시 예들은 단지 넓은 발명을 예시하고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이며, 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 제한된 공정설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이며, 이는 다양한 다른 수정이 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.

Claims (6)

  1. 반응기 내에 GaN 기판을 마련하는 단계;
    상기 반응기에 HCl 및 NH3 가스를 공급하여 상기 GaN 기판을 상기 가스들에 의해 표면 처리하여 상기 GaN 기판 위에 표면 처리에 의한 다공성 GaN 층을 형성하는 단계;
    상기 다공성 GaN 층 위에 GaN 결정성장층을 형성하는 단계;
    상기 GaN 결정성장층이 형성된 GaN 기판을 냉각하여 상기 GaN 결정성장층을 상기 기판으로부터 분리하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리스탠딩 GaN 기판의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 GaN 기판을 마련하는 단계는: 상기 반응기 내에 반도체 기판을 설치하고 반도체 기판의 표면에 GaN 층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN 기판의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 사파이어, SiC, GaN 기판 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 프리스탠딩 GaN 기판의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 GaN 층 형성단계는 900 내지 1200℃ 이상의 온도에서 진행하는 것을 특징으로 하는 GaN 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기는 HVPE 장치의 반응기인 것을 특징으로 하는 프리스탠딩 GaN 기판의 제조방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상압에서 상기 HCl을 50 내지 150 sccm, 상기 NH3 는 500 내지 1500 sccm을 공급하는 것을 특징으로 하는 프리스탠딩 GaN 기판의 제조방법.
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