KR100782129B1 - 웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저가형 대면적 갈륨 질화물 칩 제조 기술에 관한 것으로서, 특히 실리콘 기반 질화반도체의 웨이퍼 본딩 기술에 관한 것이다. 패터닝된 실리콘 기판 위에 질화물 반도체를 성장시킨 후 웨이퍼 본딩 기술을 이용하여 결합시킨 후 질화반도체가 성장된 실리콘 기판을 제거하여 칩 사이즈로 분리된 갈륨 질화물계 소자를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법은 기판 상부에 포토레지스트를 도포하고 소정의 패턴을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트를 마스크로 하여 상기 기판을 식각한 후 상기 포토레지스트를 제거하는 단계; 질화물계 박막층을 성장시키는 단계; 상기 질화물계 박막층 상부에 오믹금속, 반사금속 및 본딩금속을 차례로 적층하는 단계; 본딩금속 및 캐리어 웨이퍼를 적층하는 단계; 및 상기 기판 및 질화물계 박막층을 제거하고, 오믹접합금속을 형성하는 단계를 포함한다.

발광다이오드, 질화물계박막, 금속

Description

웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법{Method of Silicon Substrate based Light Emitting Diodes using for Wafer Bonding Process}

도 1은 종래의 실리콘 기판위에 질화물 박막을 제조하여 캐리어 기판을 이용하여 웨이퍼 본딩한 구조도.

도 2a 내지 도 2j는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법의 제작 순서도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 웨이퍼 본딩 공정 후 질화물 박막이 성장된 실리콘 기반 웨이퍼를 제거하여 제작된 질화물 반도체 사진.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

1,6: 실리콘 기판 3 : 본딩 금속 I
5: 캐리어 웨이퍼I 7: 포토레지스터
8: 패터닝된 포토레지스터 9: 표면이 패터닝된 실리콘 기판
2,10: 질화물 박막 11: 오믹금속

삭제

삭제

12: 반사금속 13: 본딩 금속II

14: 캐리어 웨이퍼II 15: 본딩 금속 III

16 : 드러난 질화물 박막 17: 오믹 금속 및 패드금속

19 : 오믹접합 금속

본 발명은 저가형 대면적 갈륨 질화물 칩 제조 기술에 관한 것으로서, 특히 실리콘 기반 질화반도체의 웨이퍼 본딩 기술에 관한 것이다. 패터닝된 실리콘 기판 위에 질화물 반도체를 성장시킨 후 웨이퍼 본딩 기술을 이용하여 결합시킨 후 질화반도체가 성장된 실리콘 기판을 제거하여 칩 사이즈로 분리된 갈륨 질화물계 소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.

도 1은 종래의 실리콘 기판을 Al이 함유된 유기금속화합물(trimethyl aluminium TMAl; CH₃)₃Al)과 암모니아를 이용하여 500 ~ 1200℃에서 열 분해시켜 수십~수백 Å 두께의 엷은 AlN 층을 형성한 후 갈륨 질화물 박막을 형성하는 방법이다. 13～20 nm 두께의 AlN 층을 이용할 경우, 실리콘 기판 위에 AlN의 중화핵(nuclei)이 완전하게 표면을 덮지 못하여, 2차원 핵성장을 일으키지 못한다. 또한, AlN 박막이 완전하게 실리콘 기판을 덮지못하여, 초기에 SiNx 박막을 성장시켜, 질화물 박막의 결정성 향상에 기여하지 못한다. 또한, 50nm이상의 AlN 박막을 이용하면, AlN의 핵성장(grain) 크기는 증가하고, 결정결함 밀도는 감소하지만 그 위에 성장하는 질화물 갈륨 박막은 인장 응력(tensile stress)이 증가하게 되며, 광학적, 구조적 특성이 나빠지게 된다. 결국, 이와 같은 방법은 실리콘과 갈륨 질화물을 AlN라는 완충층을 이용하여 격자 불일치성을 줄일 수 있으나 잔류 응력으로 인하여 성장된 갈륨 질화물 박막에서 심각한 크랙이 발생하거나, 실리콘기판과 AlN 박막의 계면에서 SiNx 박막을 형성하게 되어, 성장된 갈륨 질화물 물성에 심각한 영향을 미쳐 갈륨 질화물을 이용하여 소자를 제작할 때, 누설전류의 증가, 동작전압 증가, 신뢰성 저하의 원인이 되는 문제점이 있다. 또한, 이러한 실리콘 기반 질화물 반도체 박막을 이용하여 웨이퍼 본딩을 수행한 후 질화물 반도체가 성장된 실리콘 기판을 제거하여도 잔류 응력이 박막 내에 남아 있어서 질화물 반도체 박막의 크랙이 존재하게 되고, 칩의 수율 감소로 이어지게 된다. 또한, 실리콘을 이용한 질화물 반도체 제작에 있어서, 전류 주입에 의한 발광시에 질화물 반도체가 성장된 실리콘에서 광출력의 흡수로 인하여 외부추출효율이 저하되는 문제점을 지니고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로써, 그 목적은 질화물 반도체에 전류 주입을 통한 발광에 있어서, 고반사 금속박막을 통해 발광되는 빛을 반사를 시킴으로써, 광출력 향상에 기여할 뿐만 아니라, 질화물 반도체 발광소자의 외부추출효율을 향상시킬 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법은 기판 상부에 포토레지스트를 도포하고 소정의 패턴을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트를 마스크로 하여 상기 기판을 식각한 후 상기 포토레지스트를 제거하는 단계; 질화물계 박막층을 성장시키는 단계; 상기 질화물계 박막층 상부에 오믹금속, 반사금속 및 본딩금속을 차례로 적층하는 단계; 본딩금속 및 캐리어 웨이퍼를 적층하는 단계; 및 상기 기판 및 질화물계 박막층을 제거하고, 오믹접합금속을 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명에서 상기 포토레지스트는 포지티브, 네가티브, 이미지 리버스 형 중 어느 하나의 물질을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 패턴의 형상은 원, 직선형, 정사각형, 다각형 형상 중 적어도 하나 이상의 형태를 가지는 것이 바람직하며, 상기 소정의 패턴이 사각형의 형태를 형성하는 경우 선 폭의 길이는 0.5~100㎛ 이내, 선폭간격은 0.5~50,000㎛ 이내인 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 포토레지스트는 용제세척법 또는 건식세척법을 이용하고, 상기 용제세척법을 이용하는 경우 용제는 H₂SO₄:H₂O₂ 이며, 건식세척법을 이용하는 경우 Ar 와 산소 등의 혼합기체를 이용한 플라즈마 제거기를 이용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 질화물계 박막층은 3족 원자를 포함하는 기체와 질소원자 를 포함하는 기체를 원료로 하여 형성되는 것이 바람직하고, 상기 3족 원자를 포함하는 기체는 트리메틸인듐(TMIn), 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메닐알루미늄(TMAl) 중 선택되는 1종 이상의 기체이며, 상기 질소원자를 포함하는 기체는 암모니아(NH₃) 또는 하이드라진(H₂NNH₂)을 이용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 질화물계 박막층을 성장시키는 방법은 화학기상증착법(CVD), 분자선증착법(MBE), 플라즈마화학기상증착법(PCVD) 및 스퍼터링법 중 선택되는 1종의 방법인 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 질화물계 박막층은 In_xGa_yAl_zN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1) 의 조성을 가지는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 오믹금속은 Ni/Au, ITO, ZnO 등 선택되는 1종 이상의 금속을 이용하고, 상기 반사금속은 Pt, Al, W/Pt, Pd, Ag 중 선택되는 1종 이상의 금속을 이용하며, 상기 본딩금속은 Au/Ti, AuSn/Ti, AuGe/Ti, Au/Cr, AuSn/Cr, AuGe/Cr, InAu/Ti, InAu/Cr, GaAu/Ti, GaAu/Cr 중 선택되는 1종 이상의 금속을 이용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 기판 및 질화물계 박막층을 제거하는 방법은 습식식각법, 기계적 식각법, 건식식각법 중 1종의 방법을 이용하는 것이 바람직하고, 상기 습식식각법은 KOH, HF+HNO₃, HF+HNO₃+CH₃COOH 중 어느 하나의 용액을 이용하며, 상기 기계적 식각법은 다이아몬드 슬러리와 알루미나 슬러리를 이용하고, 상기 건식식각법 은 XeF₂, Cl₂, SF₆, C₂F₆+Cl₂, CClF₅, ClF₃ 중 선택되는 1종 이상의 기체를 이용하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 2a 내지 도 2j는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법의 제작 순서를 나타낸 것이다.

도 2a 내지 도 2c는 실리콘 기판을 패턴화하는 과정이다.

도 2a에 도시된 바와 같은 실리콘 기판(6)의 표면을 패턴화하는 과정은 다음과 같다. 먼저, 도 2b에 도시된 바와 같이 노광공정을 수행하기 위하여 포토레지스트(PR)(7)를 실리콘 기판(6) 위에 균일하게 코팅시킨다. 이때 포토레지스트는 포지티브, 네가티브, 이미지 리버스 형의 어느 것이나 필요에 따라 사용될 수 있다.

도 2c에 도시된 바와 같이 표준 노광공정을 이용하여 포토레지스트에 3차원 구조의 형성을 위하여 소정의 패턴(8)을 새겨 넣는다. 본 발명의 실시 예에서는 사각형 형태를 나타내지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상술한 바와 같이 원, 직선형, 정사각형, 다각형 형상의 다양한 패턴을 새기는 것도 가능하다. 사각형 형태를 취하는 경우 바람직하게는 선폭길이가 0.5～100 ㎛, 선폭간격은 0.5～50,000 ㎛을 유지하는 것이 좋다. 이는 사각형 형태로 패턴화될 때, 기판과 성장하는 박막 사이의 스트레스를 완화시킴으로써 결정성이 우수한 박막을 얻을 수 있다. 상기 패터닝된 포토레지스트(8)를 식각용 마스크로 이용한다.

도 2d 및 도 2e는 실리콘 기판을 식각한 후 포토레지스트를 제거하는 과정이다.

도 2d에 도시된 바와 같이 마스크 포토레지스트가 증착되지 않은 부위를 식각해 낸다. 마지막으로 마스크 포토레지스트는 용제세척 등의 방법을 이용하여 제거할 수 있다. 이때 사용되는 용제로는 H₂SO₄:H₂O₂ 를 들 수 있다. 또한, 건식세척법으로는 Ar과 산소 등의 혼합기체를 이용한 플라즈마형 제거기를 이용하여 제거할 수 있다. 상기 본 발명에 따라 얻어지는 표면 패터닝된 실리콘 기판(9)은 후에 성장되는 갈륨 질화물 박막까지 결정결함과 응력이 진행되어지는 것을 방지하는 역할을 효과적으로 수행할 수 있다. 또한, 식각된 실리콘 패턴부의 홈 위쪽에는 갈륨질화물이 성장이 거의 일어나지 않으며, 식각되지 않은 실리콘 기판 표면에만 갈륨 질화물이 성장되어 칩 크기로 제공되어 질 수 있다.

도 2f는 질화물계 박막층을 성장시키는 과정이다.

도 2f를 참조하면, 질화물계 박막층(10)은 상기 패터닝된 실리콘 기판 위에 성장되어진다. 질화물계 박막층은 바람직하게는 주기율표상 3족 원자를 포함하는 기체(예를 들어, 트리메틸인듐(TMIn), 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸알루미늄(TMAl) 등의 기체)와 질소원자를 포함하는 기체(예를 들어, 암모니아(NH₃), 하이드라진(H₂NNH₂) 등의 기체)를 원료로 하여 형성될 수도 있다. 상기 질화물계 박막층의 성장시 알루미늄 질화물계 완충층(도면 부호 미기재)이 같이 형성되는 것도 바람직하다.

상기 질화물계 박막층은 상기 물질들을 원료로 하여 화학기상증착법(CVD), 분자선증착법(MBE), 플라즈마화학기상증착법(PCVD) 혹은 스퍼터링법 등의 방법을 이용하여 성장시킬 수 있다. 상기 질화물계 박막층은 바람직하게는 In_xGa_yAl_zN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)의 조성을 가질 수 있다.

도 2g는 패터닝된 질화물 반도체 박막위에 오믹금속(11), 반사금속(12), 본딩금속 II(13)이 차례대로 적층하는 과정이다.

상기 오믹금속(11)은 Ni/Au, Indium Tin oxide(ITO), ZnO 등을 사용하며, 반사금속(12)으로는 Pt, Al, W/Pt, Pd, Ag 등을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 본딩금속 II(13)로는 Au/Ti, AuSn/Ti, AuGe/Ti, Au/Cr, AuSn/Cr, AuGe/Cr, InAu/Ti, InAu/Cr, GaAu/Ti, GaAu/Cr 등을 사용하여 형성될 수 있다.

도 2h는 캐리어 웨이퍼II(14) 및 본딩금속III(13)을 적층하는 과정이다.

도 2h를 참조하면, 상기 캐리어 웨이퍼II(14)에는 Au/Ti, AuSn/Ti, AuGe/Ti, Au/Cr, AuSn/Cr, AuGe/Cr, InAu/Ti, InAu/Cr, GaAu/Ti, GaAu/Cr 등의 본딩 금속 III(13)을 증착하며, 증착된 금속은 패턴형태로 된 금속이 증착되거나 전면에 금속 박막이 증착 될 수도 있다. 패턴크기는 10μm x 10μm부터 20mm x 20mm 까지 될 수 있다. 도 2h는 웨이퍼 본딩공정을 이용하여 결합되었으며, 온도와 압력을 통하여 금속과 금속을 본딩시킬 수 있다.

도 2i는 질화물 반도체 박막 성장에 사용된 실리콘 기반 웨이퍼 제거를 통하여 질화물 반도체 발광소자를 제공하는 과정이다.

반도체 박막 성장에 사용되는 실리콘 기반 웨이퍼의 제거는 KOH, HF+HNO₃, HF+HNO₃+CH₃COOH 를 이용한 습식 식각방법과 다이아몬드 슬러리와 알루미나 슬러리를 이용한 기계적인 식각방법, 또는 XeF₂, Cl₂, SF₆, C₂F₆+Cl₂, CClF₅, ClF₃ 등의 개스를 이용한 건식식각(ICP, RIE, Deep RIE etcher) 방법을 통해 제거하거나, 기계적인 식각방법 후 건식식각 또는 기계적인 식각방법 후 습식식각하는 방법을 통해 실리콘기반 웨이퍼를 제거할 수 있다. 도 3에는 본 발명에 의한 웨이퍼 본딩 공정 후 질화물 박막이 성장된 실리콘 기반 웨이퍼를 제거하여 제작된 질화물 반도체 사진이 나타나 있다.

도 2j는 오믹금속을 형성하는 과정이다.

드러난 질화물 반도체(16) 위에 오믹접합 금속(Ni/Au, Cr/Au, Ti/Au)(19)을 형성하고 캐리어로 사용된 기판에 오믹 접합 금속(Au/Sb, Ni, Al)(19)을 형성하여 칩사이즈로 분리 제작된 저가형 질화물 반도체 구현이 가능할 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기 술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 질화물 반도체에 전류 주입을 통한 발광에 있어서, 고반사 금속박막을 통해 발광되는 빛을 반사를 시킴으로써, 광출력 향상에 기여할 뿐만 아니라, 질화물 반도체 발광소자의 외부추출효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (20)

1. 기판 상부에 포토레지스트를 도포하고 소정의 패턴을 형성하는 단계;

   상기 포토레지스트를 마스크로 하여 상기 기판을 식각한 후 상기 포토레지스트를 제거하여 패터닝 하는 단계;

   상기 패터닝 된 기판의 상부에 질화물계 박막층을 성장시키는 단계;

   상기 질화물계 박막층 상부에 오믹금속, 반사금속 및 본딩금속을 차례로 적층하는 단계;

   상기 본딩금속의 상부에 본딩금속이 증착된 캐리어 웨이퍼를 증착하는 단계; 및

   상기 기판 및 질화물계 박막층을 제거하고, 오믹접합금속을 형성하는 단계를 포함하는 웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 포토레지스트는 포지티브, 네가티브, 이미지 리버스 형 중 어느 하나의 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 패턴의 형상은 원, 직선형, 정사각형, 다각형 형상 중 적어도 하나 이상의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 소정의 패턴이 사각형의 형태를 형성하는 경우 선 폭의 길이는 0.5~100㎛ 이내인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법.
5. 제 3항에 있어서, 상기 소정의 패턴이 사각형의 형태를 형성하는 경우 선폭간격은 0.5~50,000㎛ 이내인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 포토레지스트는 용제세척법 또는 건식세척법을 이용하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 용제세척법을 이용하는 경우 용제는 H₂SO₄:H₂O₂ 인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법.
8. 제 6항에 있어서, 건식세척법을 이용하는 경우 Ar 와 산소 등의 혼합기체를 이용한 플라즈마 제거기를 이용하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법.
9. 제 1항에 있어서, 상기 질화물계 박막층은 3족 원자를 포함하는 기체와 질소 원자를 포함하는 기체를 원료로 하여 형성되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법.
10. 제 9항에 있어서, 상기 3족 원자를 포함하는 기체는 트리메틸인듐(TMIn), 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메닐알루미늄(TMAl) 중 선택되는 1종 이상의 기체인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법.
11. 제 9항에 있어서, 상기 질소 원자를 포함하는 기체는 암모니아(NH₃) 또는 하이드라진(H₂NNH₂)을 이용하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법.
12. 제 1항에 있어서, 상기 질화물계 박막층을 성장시키는 방법은 화학기상증착법(CVD), 분자선증착법(MBE), 플라즈마화학기상증착법(PCVD) 및 스퍼터링법 중 선택되는 1종의 방법인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법.
13. 제 1항에 있어서, 상기 질화물계 박막층은 In_xGa_yAl_zN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1) 의 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩 공정을 이용 한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법.
14. 제 1항에 있어서, 상기 오믹금속은 Ni/Au, ITO, ZnO 등 선택되는 1종 이상의 금속을 이용하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법.
15. 제 1항에 있어서, 상기 반사금속은 Pt, Al, W/Pt, Pd, Ag 중 선택되는 1종 이상의 금속을 이용하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법.
16. 제 1항에 있어서, 상기 본딩금속은 Au/Ti, AuSn/Ti, AuGe/Ti, Au/Cr, AuSn/Cr, AuGe/Cr, InAu/Ti, InAu/Cr, GaAu/Ti, GaAu/Cr 중 선택되는 1종 이상의 금속을 이용하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법.
17. 제 1항에 있어서, 상기 기판 및 질화물계 박막층을 제거하는 방법은 습식식각법, 기계적 식각법, 건식식각법 중 1종의 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법.
18. 제 17항에 있어서, 상기 습식식각법은 KOH, HF+HNO₃, HF+HNO₃+CH₃COOH 중 어느 하나의 용액을 이용하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법.
19. 제 17항에 있어서, 상기 기계적 식각법은 다이아몬드 슬러리와 알루미나 슬러리를 이용하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법.
20. 제 17항에 있어서, 상기 건식식각법은 XeF₂, Cl₂, SF₆, C₂F₆+Cl₂, CClF₅, ClF₃ 중 선택되는 1종 이상의 기체를 이용하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 본딩 공정을 이용한 실리콘 기반 발광다이오드 제조방법.

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