KR100822482B1 - Growing method for nitride based epitaxial layer and semiconductor device using the same - Google Patents

Growing method for nitride based epitaxial layer and semiconductor device using the same Download PDF

Info

Publication number
KR100822482B1
KR100822482B1 KR1020070070823A KR20070070823A KR100822482B1 KR 100822482 B1 KR100822482 B1 KR 100822482B1 KR 1020070070823 A KR1020070070823 A KR 1020070070823A KR 20070070823 A KR20070070823 A KR 20070070823A KR 100822482 B1 KR100822482 B1 KR 100822482B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
thin film
film layer
substrate
nitride
layer
Prior art date
Application number
KR1020070070823A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
문영부
여환국
Original Assignee
(주)더리즈
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)더리즈 filed Critical (주)더리즈
Priority to KR1020070070823A priority Critical patent/KR100822482B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100822482B1 publication Critical patent/KR100822482B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518Deposited layers
    • H01L21/02521Materials
    • H01L21/02538Group 13/15 materials
    • H01L21/02546Arsenides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612Formation types
    • H01L21/02617Deposition types
    • H01L21/0262Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD

Abstract

A method for growing a nitride-based epitaxial layer is provided to embody crystallinity on a sapphire substrate and obtain chemical stability by forming a GaAs-based thin film layer on a substrate wherein a part of an As element is replaced by a nitrogen element and by growing a nitride-based epitaxial layer on the thin film layer. A thin film layer(115) is formed on a prepared substrate(100) wherein a part of an As element is replaced by a nitrogen element in the thin film. The thin film layer can include a thickness of 5-10000 Å. A nitride-based epitaxial layer(120) is grown on the thin film layer. The process for forming the thin film layer includes the following steps. An GaAs-based thin film layer is grown on the substrate. The substrate having the grown thin film layer is heat-treated in a nitrogen atmosphere to replace a part of the As element by a nitrogen element. The substrate can include a sapphire material.

Description

질화물 계열 에피택시 층의 성장 방법 및 이를 이용한 반도체 소자 {GROWING METHOD FOR NITRIDE BASED EPITAXIAL LAYER AND SEMICONDUCTOR DEVICE USING THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method of growing a nitride-based epitaxial layer and a semiconductor device using the same. BACKGROUND ART < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 질화물 계열 에피택시 층의 성장 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 질화물계 화합물 반도체 소자에 있어서 사파이어 기판 상에 갈륨비소(GaAs)계 완충층을 사용한, 질화물 화합물반도체 막의 에피택시 성장 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for growing a nitride-based epitaxial layer, and more particularly, to a method for growing a nitride compound semiconductor layer using a gallium arsenide (GaAs) based buffer layer on a sapphire substrate in a nitride- .

일반적으로 빛을 발하기 위한 소자로 사용되는 발광 다이오드는 백열 전구나 형광등을 대체하는 차세대 조명으로 각광받고 있다. 특히, 질화갈륨(GaN)과 같은 질화물계 화합물 반도체를 이용하는 청색 발광 다이오드가 개발되면서 모든 색의 구현이 가능하게 되었으며, 이에 따라 다양한 방면에서 수요가 더욱 크게 증가하고 있다. In general, light emitting diodes (LEDs), which are used as light emitting devices, are attracting attention as next generation light sources that replace incandescent lamps and fluorescent lamps. Particularly, blue light emitting diodes using nitride based compound semiconductors such as gallium nitride (GaN) have been developed, and all colors can be realized. Accordingly, demand is increasing in various directions.

이러한 발광 다이오드로 대표되는 화합물 반도체 소자에 있어서 질화갈륨 또는 질화갈륨 기반의 화합물 반도체 물질(예를 들어, InGaN, AlGaN 등)은 하부에 물리적으로 단단하고, 화학적으로 안정한 기판(예를 들어, 사파이어 기판) 상에 형성 되는 것이 일반적이다.In a compound semiconductor device typified by such a light emitting diode, gallium nitride or gallium nitride based compound semiconductor materials (for example, InGaN, AlGaN, etc.) are physically hardened on the bottom and chemically stable substrates (for example, sapphire substrate As shown in Fig.

질화갈륨 등의 화합물 반도체 물질을 상기 기판 상에 형성함에 있어서, 물질 고유의 특성을 유지하면서 박막을 형성하기 위해 에피택시(epitaxy) 성장 방법이 일반적으로 사용된다. 기판 상에, 기판 물질과 다른 물질로 이루어지는 에피택시 층을 성장시키기 위해서는, 하부 기판과 상부 에피택시 층 사이에 격자 상수의 크기가 비슷하고, 결정 방향이 일치할 것이 필요하다. 또한, 후속 열공정 등에서 균열이나 박리 현상이 발생하는 것을 방지하기 위해서 열팽창 계수와 같은 관련 파라미터도 일치할수록 그 적용에 있어서 유리하다.In forming a compound semiconductor material such as gallium nitride on the substrate, an epitaxy growth method is generally used to form a thin film while maintaining material specific characteristics. In order to grow an epitaxial layer made of a material other than the substrate material on the substrate, it is necessary that the size of the lattice constant between the lower substrate and the upper epitaxial layer is similar and the crystallographic directions coincide with each other. Further, in order to prevent occurrence of cracking or peeling in a subsequent thermal process, the more the matching parameter such as the coefficient of thermal expansion is, the more advantageous the application is.

하지만, 상기 질화물 기반의 화합물들은 기판으로 사용하는 사파이어와의 격자상수 차이가 크기 때문에 일반적인 방법으로는 고순도 에피층을 성장하기 어렵다. 그 대안으로서, 저온에서 질화갈륨 또는 알루미늄-질화갈륨(AlGaN) 완충층(buffer layer)을 먼저 형성시킨 후, 상기 완충층 상에 고온 에피택시 성장을 진행하는 에피택시 성장기술을 이용하고 있다.However, since the above-mentioned nitride-based compounds have a large lattice constant difference from sapphire used as a substrate, it is difficult to grow a high-purity epilayer by a general method. As an alternative, an epitaxial growth technique is used in which gallium nitride or an aluminum-gallium nitride (AlGaN) buffer layer is first formed at a low temperature, followed by high-temperature epitaxial growth on the buffer layer.

도 1은 기존 방식에 따르는 질화물층의 에피택시 성장 방법의 주요 공정에서의 개략적인 단면도이다. 1 is a schematic cross-sectional view in a main process of a method for epitaxial growth of a nitride layer according to a conventional method.

먼저, 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판이나 실리콘 카바이드(SiC) 기판과 같은 준비된 기판(10) 위에 완충층(11)을 형성한다. 상기 완충층(11)은 질화갈륨이나 질화갈륨 계열의 화합물 반도체 물질(예컨대, AlGaN)로 이루어진다. 상기 완충층(11)을 형성하는 공정은, 에피택시 성장이 이루어지는 고온에서는 격자 상수 차이 등으로 인해 직접 성장이 불가능하므로, 보다 상대적으로 저온에서 진행된다. First, as shown in FIG. 1A, a buffer layer 11 is formed on a prepared substrate 10 such as a sapphire substrate or a silicon carbide (SiC) substrate. The buffer layer 11 is made of gallium nitride or gallium nitride based compound semiconductor material (for example, AlGaN). The buffer layer 11 can be grown at a relatively low temperature because the buffer layer 11 can not be directly grown due to a difference in lattice constant at a high temperature at which epitaxial growth is performed.

이후, 상기 완충층(11)을 형성한 질화갈륨 또는 그 화합물 반도체 물질을 고온에서 열처리 한다. 완충층의 반도체 물질을 열처리하면, 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 하부 사파이어 등의 기판(10)과 격자 상수와 부합되는 부분만 남고, 하부 기판에 부합되지 못한 나머지 부분은 열처리 공정을 통해 기판으로부터 분리되어 제거된다. 상기 열처리 공정을 통해 하부 기판(10) 상에 남게 되는 질화갈륨 계 반도체 물질은 피라미드 형태를 이루며 결정화 되어 존재하게 된다. 이렇게 결정화된 피라미드 형태의 완충층을, 이전 단계에서 저온 형성된 완충층(11)과 구별하기 위해 도면 번호 11a로 표시하였다.Then, the gallium nitride or the compound semiconductor material in which the buffer layer 11 is formed is heat-treated at a high temperature. When the semiconductor material of the buffer layer is heat-treated, only the portion corresponding to the lattice constant and the substrate 10 such as the lower sapphire is left as shown in FIG. 1 (b) And removed from the substrate. The gallium nitride semiconductor material remaining on the lower substrate 10 through the heat treatment process is pyramid-shaped and crystallized. The crystallized pyramidal buffer layer is denoted by reference numeral 11a in order to distinguish it from the buffer layer 11 formed at a low temperature in the previous step.

이후, 도 1의 (c)에 도시한 바와 같이, 상기 결정화된 피라미드 형태의 완충층(11a) 상에 질화물 계열의 화합물 반도체 에피택시 층(12)을 성장시킨다. 하부 기판(10)에 대해 고온 안정성 및 격자 부합성이 확보된 완충층(11a) 상에서, 동일 계열의 물질인 에피택시 층이 고온 성장을 하게 되므로, 완충층이 없는 경우에 비해서 격자 불일치 또는 고온 특성 불일치로 인한 계면 특성 불량을 감소시킬 수 있다.Thereafter, as shown in Fig. 1C, a nitride-based compound semiconductor epitaxial layer 12 is grown on the crystallized pyramid-shaped buffer layer 11a. Since the epitaxial layers of the same series are grown at a high temperature on the buffer layer 11a ensuring high temperature stability and lattice mismatching with respect to the lower substrate 10, the lattice mismatch or the high temperature characteristic mismatch It is possible to reduce the defective interfacial property due to the contact resistance.

하지만, 저온 완충층 성장기술은, 저온에서 성장하는 완충층(11)의 결정성이 떨어지므로, 이를 기반으로 성장된 에피택시 층의 결정성을 나타내는 전위(dislocation)의 농도가 108 ~ 1010/cm3 정도로 큰 값을 가지게 된다. 또한, 완충층의 밀도 조절이 어려워 후속 성장되는 질화갈륨 계 화합물 반도체 에피택시 층의 인장력(혹은 응력)의 조절이 어렵게 된다.However, in the low-temperature buffer layer growth technique, since the crystallinity of the buffer layer 11 growing at a low temperature is lowered, the concentration of the dislocation indicating the crystallinity of the grown epitaxial layer based thereon is in the range of 10 8 to 10 10 / cm 3 < / RTI > Further, it is difficult to control the density of the buffer layer, which makes it difficult to control the tensile force (or stress) of the subsequently grown gallium nitride compound semiconductor epitaxial layer.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 사파이어 기판 상에 서 결정성이 우수하고, 화학적으로 안정적이며, 각 층의 특성 조절을 용이하도록 한, 질화물 화합물 반도체의 에피택시 성장 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a method for growing a nitride compound semiconductor epitaxy on a sapphire substrate which is excellent in crystallinity, chemically stable, and easy to control characteristics of each layer .

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화물 계열의 에피택시(epitaxy) 층의 성장 방법은, 준비된 기판 위에 비소(As) 원소의 일부가 질소(N) 원소로 치환된 갈륨비소(GaAs) 계열의 박막층을 형성하는 단계; 및 상기 박막층 위에 질화물 계열의 에피택시 층을 성장하는 단계를 포함한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of growing a nitride-based epitaxy layer, comprising the steps of: preparing a gallium arsenide (GaAs) layer in which a part of arsenic (As) Forming a thin film layer on the substrate; And growing a nitride-based epitaxial layer on the thin film layer.

상기 박막층을 형성하는 단계는, 상기 기판 위에 갈륨비소 계열의 박막층을 성장시키는 단계; 및 상기 박막층이 성장된 기판을 질화 분위기에서 열처리하여 비소 원소의 일부를 질소 원소로 치환하는 단계를 포함할 수 있으며, 갈륨비소 계열의 박막층을 성장시키는 단계는, 상기 박막층을 5 내지 10000Å의 두께로 성장시킬 수 있고, 상기 열처리 하는 단계는, 500 내지 1200℃의 온도에서 암모니아(NH3) 및 비소를 포함하는 분위기에서 진행될 수 있다. 이때, 상기 갈륨비소 계열의 박막층은 비소 성분의 일부를 질소 성분으로 치환함에 있어서, 열처리 시간 및 분위기에 포함된 비소 성분의 분압에 따라 상기 치환 분율을 조절할 수 있다.The forming of the thin film layer may include: growing a gallium arsenide thin film layer on the substrate; And a step of heat treating the substrate on which the thin film layer is grown in a nitriding atmosphere to replace a portion of the elemental nitrogen with a nitrogen element. In the step of growing the thin film layer of gallium arsenide type, the thin film layer may be grown to a thickness of 5 to 10000 angstroms And the heat treatment step may be performed in an atmosphere containing ammonia (NH 3 ) and arsenic at a temperature of 500 to 1200 ° C. At this time, the substitution fraction of the gallium arsenide-based thin film layer can be controlled according to the heat treatment time and the partial pressure of the arsenic component contained in the atmosphere in replacing a part of the arsenic component with the nitrogen component.

상기 갈륨비소 계열의 박막층은 인듐(In) 원소 및 알루미늄(Al) 원소 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 상기 기판은 그 재료 물질이 사파이어를 포함하는 것으로 할 수 있고, 상기 질화물 계열의 에피택시 층은 GaN, AlN, InN, AlxGa1-xN, InxGa1-xN, AlxInyGa1-yN (이상에서 0<x,y<1)로 이루어지는 군에서 선택되는 물질을 포함하는 것으로 할 수 있다.The thin film layer of the gallium arsenide series may include at least one of an indium (In) element and an aluminum (Al) element, and the substrate may be made such that the material material thereof includes sapphire, is a material selected from the group consisting of GaN, AlN, InN, Al x Ga 1-x N, in x Ga 1-x N, Al x in y Ga 1-y N ( from above 0 <x, y <1) As shown in FIG.

본 발명의 다른 실시예에 의한 반도체 소자는, 질화물 계열의 에피택시 층을 포함하는 반도체 소자에 있어서, 기판; 상기 기판 위에 위치하는 GaAs1 - xNx (0<x<1) 층; 및 상기 GaAs1-xNx 층 위에 위치하는 질화물 계열의 에피택시 층을 포함한다.A semiconductor device according to another embodiment of the present invention is a semiconductor device including a nitride-based epitaxial layer, the semiconductor device comprising: a substrate; 0.0 &gt; 1 & lt; / RTI &gt; x N x (0 &lt; x &lt; 1) layer; And a nitride-based epitaxial layer overlying the GaAs 1-x N x layer.

이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조 방법에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a light emitting diode according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 “위에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 “바로 위에” 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 “바로 위에” 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, the thickness is enlarged to clearly represent the layers and regions. It will be understood that when an element such as a layer, film, region, plate, or the like is referred to as being "on" another portion, it includes not only the element directly over another element, Conversely, when a part is "directly over" another part, it means that there is no other part in the middle.

도 2(a) 내지 도 2(d)는 본 발명의 실시예에 따르는 질화물 계열 에피택시 층의 성장 방법의 주요 공정에서의 개략적인 단면도이다.2 (a) to 2 (d) are schematic cross-sectional views in a main process of a method for growing a nitride-based epitaxial layer according to an embodiment of the present invention.

먼저, 도 2(a)에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판이나 실리콘 카바이 드(SiC) 기판과 같은 기판(100)을 준비한다. 상기 기판(100)은 바람직하게는 사파이어 기판이다. First, as shown in Fig. 2A, a substrate 100 such as a sapphire substrate or a silicon carbide (SiC) substrate is prepared. The substrate 100 is preferably a sapphire substrate.

이후, 도 2(b)에 도시한 바와 같이, 상기 기판(100) 위에 갈륨비소 계열의 박막층(110)을 형성한다. 상기 갈륨비소 계열의 박막층(110)을 형성하는 방법은 유기금속화학기상증착(MOCVD) 방법이나 분자빔에피택시(MBE) 방법 등의 박막 형성 방법이 사용될 수 있다.Then, as shown in FIG. 2 (b), a gallium arsenide-based thin film layer 110 is formed on the substrate 100. The gallium arsenide-based thin film layer 110 may be formed by a thin film forming method such as an MOCVD method or a molecular beam epitaxy (MBE) method.

갈륨비소 계열의 박막층으로 형성되는 완충층, 특히 질소가 치환된 형태의 갈륨비소 계열의 박막층은 그 상부에 형성되는 질화갈륨층보다 습식 식각 속도가 빠르므로, 후속 공정에 있어서 하부 기판과 질화갈륨 에피택시층을 분리하는 공정에 있어서 매우 용이해지는 장점도 가진다.Since the buffer layer formed of the gallium arsenide-based thin film layer, especially the gallium arsenide-based thin film layer substituted with nitrogen, has a higher wet etching rate than the gallium nitride layer formed thereon, the gallium nitride epitaxy But also has an advantage of being very easy in the step of separating the layers.

이러한 갈륨비소 계열의 박막층은, 순수한 갈륨비소 외에 인듐(In)이나 알루미늄(Al)과 같은 3족 원소를 갈륨 원소와 치환한 물질로 이루어질 수 있으며, 이를 화학식으로 표현하면, InxAlyGa1-x-yAs (여기서, 0≤x,y,x+y≤1)이 된다. 첨가되는 인듐 또는 알루미늄의 분율은 후속 공정에서 형성될 질화물 에피택시층(120)의 조성, 결정 상수, 및 열팽창 계수 등을 고려하여 결정된다.Thin-film layer of such a GaAs series, may be made in addition to pure gallium arsenide, a Group III element such as indium (In), aluminum (Al) to gallium element and a replacement material, and can also be represented by the formula, In x Al y Ga 1 -xy As (where 0? x, y, x + y? 1). The fraction of indium or aluminum to be added is determined in consideration of the composition of the nitride epitaxial layer 120 to be formed in the subsequent process, the crystal constant, and the coefficient of thermal expansion.

상기 박막층(110)의 형성 온도 및 공정 시간에 따라 결정화의 정도가 달라지지만, 상기 InxAlyGa1-x-yAs 박막층(110)은 비교적 저온인 500 내지 700℃의 성장 조건에서도 양질의 결정질 박막을 얻을 수 있다. 특히, InxAlyGa1 -x- yAs 박막은 질화갈륨 등과는 달리 사파이어 기판과 열팽창계수가 비슷하여 후속 열 공정에서 열팽창 계수의 차이에 의해 발생하는 응력 발생을 최소화할 수 있는 장점이 있다.Although the degree of crystallization varies depending on the formation temperature of the thin film layer 110 and the process time, the In x Al y Ga 1-xy As thin film layer 110 can be grown at a relatively low temperature of 500 to 700 ° C, Can be obtained. In particular, the In x Al y Ga 1 -x- y As thin film has a thermal expansion coefficient similar to that of a sapphire substrate, unlike gallium nitride, and has an advantage of minimizing the occurrence of stress caused by a difference in thermal expansion coefficient in a subsequent thermal process .

상기 갈륨비소 계열의 박막층(110)의 두께는 5 내지 10,000Å의 두께 범위에서 후속 공정을 고려하여 결정한다. 박막층(110)은 후속 공정에 있어서 완충층의 역할을 하게 되므로, 그 위에 형성될 에피택시 층(120)의 결정화에 대한 필요 정도 및 최종적으로 제조되는 반도체 소자의 특성 등을 고려하여 결정하게 된다. 즉, 완충층으로서의 특성상 상기 박막층(110)의 두께는 결정화가 이루어질 수 있는 한도에서 가능한 얇게 형성하는 것이 유리하지만, 상부 에피택시 층(120)이 두껍게 형성되거나 고도의 결정화를 요하는 경우에는, 상기 박막층(110)의 두께도 이에 따라서 함께 두꺼워질 필요가 있다.The thickness of the gallium arsenide-based thin film layer 110 is determined in consideration of a subsequent process in a thickness range of 5 to 10,000 angstroms. Since the thin film layer 110 serves as a buffer layer in a subsequent process, the thin film layer 110 is determined in consideration of the degree of crystallization required for the epitaxial layer 120 to be formed thereon and the characteristics of the finally produced semiconductor device. That is, due to the characteristics of the buffer layer, it is advantageous to form the thin film layer 110 as thin as possible to the extent that the crystallization can be performed. However, when the upper epitaxial layer 120 is formed thick or requires high crystallization, It is necessary that the thickness of the substrate 110 also be thickened accordingly.

이후, 도 2(c)에 도시한 바와 같이, 상기 InxAlyGa1-x-yAs 박막층(110)을 질화 분위기에서 열처리 한다. 상기 박막층을 열처리하는 주된 목적은 갈륨비소 계열의 화합물을 결정화를 촉진함과 더불어, 고온에서 질화시켜서 비소 원소를 질소 원소로 치환하여, InxAlyGa1-x-yAszN1-z (여기서, 0≤x,y,x+y≤1, 0<z<1) 박막층을 형성시키는 것이다. Thereafter, as shown in Fig. 2 (c), the In x Al y Ga 1-xy As thin film layer 110 is heat-treated in a nitriding atmosphere. The main purpose of the heat treatment of the thin film layer is to accelerate the crystallization of the gallium arsenide type compound and to nitride at high temperature to replace the arsenic element with the nitrogen element to form In x Al y Ga 1-xy As z N 1-z , 0? X, y, x + y? 1, 0 <z <1).

상기 열처리 분위기는 반응 속도를 높이고 보다 안정적인 질화 반응을 일으키기 위해서, NH3 분위기에서 열처리 하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로, 먼저 약 500℃ 이상의 온도에서 NH3 분위기를 형성한다. 이외에도, 비소(As) 기체 및 질소, 수소 등이 포함될 수 있다. 상기와 같이 NH3 분위기가 형성된 열처리 장치에 상기 InxAlyGa1-x-yAs 박막층(110)이 형성된 기판(100)을 로딩(loading) 한 후, 500 내지 1200℃의 온도에서 열처리를 진행한다. The heat treatment atmosphere is preferably a heat treatment in an NH 3 atmosphere in order to increase the reaction rate and cause a more stable nitridation reaction. More specifically, an NH 3 atmosphere is first formed at a temperature of about 500 ° C or higher. In addition, arsenic (As) gas and nitrogen, hydrogen, and the like may be included. The substrate 100 on which the In x Al y Ga 1-xy As thin film layer 110 is formed is loaded on a thermal processing apparatus having an NH 3 atmosphere as described above, and then heat treatment is performed at a temperature of 500 to 1200 ° C .

이러한 질화 분위기에서 열처리가 진행되면, 비소 원소가 같은 5족 원소인 질소 원소로 치환되기 시작하고, InxAlyGa1 -x- yAszN1 -z 박막층을 형성하는 것이다. 이렇게 결정화된 InxAlyGa1-x-yAszN1-z 박막층을, 이전 단계에서 형성된 InxAlyGa1-x-yAs 박막층(110)과 구별하기 위해 도면 번호 115로 표시하였다.When the heat treatment is performed in such a nitriding atmosphere, the arsenic element starts to be replaced with the nitrogen element of the same Group 5 element, and a thin film layer of In x Al y Ga 1 -x- y As z N 1 -z is formed. The crystallized In x Al y Ga 1-xy As z N 1 -z thin film layer is denoted by reference numeral 115 to distinguish it from the In x Al y Ga 1-xy As thin film layer 110 formed in the previous step.

열처리 시간은, 결정화의 요구 정도, 결정화가 이루어지는 InxAlyGa1-x-yAszN1-z 박막층(115)의 두께, 및 치환되는 질소의 분율 등을 고려하여 진행한다. 즉, 열예산(thermal budget)을 최소화하기 위한 방법인 급속 열처리(RTA) 방식을 사용할 수 있고, 상대적으로 장시간의 공정 시간을 가지는 전기로 열처리 방식도 적용 가능하다. 또한, 상기 박막층의 열처리 온도 및 시간에 따라서, 박막층(115) 내의 As와 N 간의 성분비를 비교적 용이하게 조절할 수 있다. 즉, 열처리 온도가 높고 시간이 길수록, 또 열처리 분위기에 포함된 As의 분율이 낮을 수록, 치환되는 질소의 양은 증가된다. As의 분율이 높은 박막층, 즉 완충층을 형성하는 경우 완충층의 상대적인 습식 식각 속도가 빠른 특성을 가지므로, 후속 공정에서 기판과 질화갈륨 에피택시층을 용이하게 분리할 수 있는 장점을 가진다. 하지만, As의 분율이 높을 수록 밴드갭이 줄어들어 pn 접합면 내지 활성층에서 나온 광의 일부를 흡수할 수 있는 단점도 가진다. 따라서, 이러한 장점과 단점을 고려하여, As의 분율을 고려하는 것이 바람직하다. 즉, 기판을 분리하는 공정을 적용하지 않는 경우에는 As의 분율은 최소화하고 대신 질소 성분의 분율을 높이는 것이 소자 특성에 유리하다.The heat treatment time is in consideration of the degree of crystallization required, the thickness of the In x Al y Ga 1-xy As z N 1 -z thin film layer 115 to be crystallized, the fraction of nitrogen to be substituted, and the like. That is, a rapid thermal annealing (RTA) method, which is a method for minimizing a thermal budget, can be used, and an electric furnace heat treatment method having a relatively long process time can be applied. In addition, the composition ratio between As and N in the thin film layer 115 can be relatively easily adjusted according to the heat treatment temperature and time of the thin film layer. That is, the higher the heat treatment temperature and the longer the time, and the lower the fraction of As contained in the heat treatment atmosphere, the greater the amount of nitrogen to be substituted. The relative wet etch rate of the buffer layer in the case of forming a thin film layer having a high As content, that is, a buffer layer, is high, and thus the substrate and the gallium nitride epitaxial layer can be easily separated in a subsequent process. However, the higher the fraction of As, the smaller the bandgap, which can also absorb a part of the light emitted from the pn junction or the active layer. Therefore, it is desirable to consider the fraction of As in view of these advantages and disadvantages. That is, in the case where the step of separating the substrate is not applied, it is advantageous for the device characteristics to minimize the fraction of As and increase the fraction of the nitrogen component.

또한, 이렇게 결정의 밀도와 성분비를 조절하게 되면, 후속 공정에서 형성되는 질화물계 에피택시 막에 가해지는 응력 또는 인장력도 그에 따라 변화하므로, 반도체 소자 제조 공정에 있어서 필요한 응력 또는 인장력을 필요에 따라 조절할 수 있는 효과가 있다.If the density and the composition ratio of the crystal are controlled as described above, the stress or tensile force applied to the nitride-based epitaxial film formed in the subsequent process also changes accordingly, so that the stress or tensile force required in the semiconductor device manufacturing process can be adjusted as needed There is an effect that can be.

이후, 도 2(d)에 도시한 바와 같이, 상기 결정화된 InxAlyGa1 -x- yAszN1 -z 박막층(115) 위에 질화물 계열의 화합물 반도체 에피택시 층(120)을 성장시킨다. 본 명세서에서 기재하고 있는 질화물 계열의 물질은 질화갈륨(GaN) 및 이를 포함하는 화합물 반도체는 물론, 갈륨 대신에 다른 3족 원소인 알루미늄(Al)이나 인듐(In)이 치환된 질화물도 포함하는 개념이다. 따라서, 상기 질화갈륨 계열의 에피택시 층은 GaN, AlN, InN, AlxGa1-xN, InxGa1-xN, AlxInyGa1-yN (이상에서 0<x,y<1) 등이 가능하다. Thereafter, the growth, the crystallization of In x Al y Ga 1 -x- y As z N 1 -z thin film layer 115, the compound semiconductor epitaxial layer 120 of the nitride series over as shown in Fig. 2 (d) . The nitride-based materials described in this specification include not only gallium nitride (GaN) and compound semiconductors containing the same, but also nitride containing another group III element aluminum (Al) or indium (In) substituted nitride to be. Thus, the epitaxial layer of the GaN-based is GaN, AlN, InN, Al x Ga 1-x N, In x Ga 1-x N, Al x In y Ga 1-y N (0 <x, y in the above &Lt; 1).

상기 열처리 공정을 통해, 고온 안정성 및 격자 부합성이 확보된 InxAlyGa1-x-yAszN1-z 박막층(115) 상에서, 동일 계열의 물질인 3족 질화물 화합물 반도체 에피택시 층이 고온 성장을 하게 되므로, 완충층이 없는 경우는 물론, 종전 방식의 완충층이 있는 경우에 비해서도, 격자 불일치 또는 고온 특성 불일치로 인한 계면 특성 불량을 감소시킬 수 있다.On the In x Al y Ga 1-xy As z N 1 -z thin film layer 115 having high temperature stability and lattice mismatching through the heat treatment process, the Group III nitride compound semiconductor epitaxial layer, which is a material of the same series, It is possible to reduce interfacial characteristic defects due to lattice mismatch or high-temperature property mismatches, as compared with the case where there is no buffer layer, as well as the case where a conventional buffer layer is present.

상기와 같이 InxAlyGa1-x-yAszN1-z 박막층(115)을 완충층으로 적용하는 경우, 종 전 기술에 비해 공정이 용이하고 비용이 절감되는 것은 물론, 상부 에피택시층(120)과 열팽창 계수, 격자 상수가 유사하고, 후속 결정화 공정에서 화학적, 기계적 안정성을 유지할 수 있다는 장점이 있다.When the In x Al y Ga 1-xy As z N 1-z thin film layer 115 is applied as a buffer layer, the process is easier and less costly than the conventional technique, and the upper epitaxial layer 120 ) Is similar to the thermal expansion coefficient and lattice constant, and the chemical and mechanical stability can be maintained in the subsequent crystallization process.

이상에서는 현재로서 실질적이라 고려되는 실시예를 참고로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것으로 이해되어서는 안 된다. 오히려, 전술한 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Rather, the invention should be construed as including all modifications that are within the scope of the present invention as defined by the appended claims.

본 발명의 실시예에 따르면, 고온 안정성 및 격자 부합성이 확보된 InxAlyGa1-x-yAszN1-z 박막층 위에서, 동일 계열의 물질인 3족 질화물 화합물 반도체 에피택시 층이 고온 성장을 하게 되므로, 기판과 에피택시 층간의 격자 불일치 또는 고온 특성 불일치로 인한 계면 특성 불량을 감소시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, on a thin film layer of In x Al y Ga 1-xy As z N 1-z having high temperature stability and lattice composition, a group III nitride compound semiconductor epitaxial layer, which is a material of the same series, It is possible to reduce the interfacial characteristic defects due to the lattice mismatch between the substrate and the epitaxial layer or the mismatch of the high temperature characteristics.

특히, 저온에서 완충층을 형성하는 경우에도 양호한 결정질의 박막을 형성할 수 있으므로, 후속 공정에서 고온 열처리에 의한 결정화의 부담을 경감할 수 있으며, 그 밀도 및 결정화 정도를 조절하기가 용이하다. 따라서 상기 완충층 위에 위치하게 되는 에피택시 층의 특성 열화를 최소화 할 수 있다.In particular, even when a buffer layer is formed at a low temperature, it is possible to form a thin film of good crystallinity, so that the burden of crystallization due to a high-temperature heat treatment in a subsequent step can be reduced, and the density and degree of crystallization can be easily controlled. Thus, the deterioration of the characteristics of the epitaxial layer placed on the buffer layer can be minimized.

종전 기술의 비교적 간단한 변경으로 상기의 특성 향상을 이룰 수 있으므로, 화합물 반도체 소자의 대량 생산에 적합하며, 특히 대구경 기판 도입에 있어서 응력에 의한 특성 열화 없는 반도체 소자를 생산할 수 있다.Since the above characteristics can be improved by a relatively simple modification of the conventional technique, it is possible to produce a semiconductor device which is suitable for mass production of a compound semiconductor device and in particular, does not cause characteristic deterioration due to stress in introduction of a large diameter substrate.

도 1은 기존 방식에 따르는 질화물 계열 에피택시 층의 성장 방법의 주요 공정에서의 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view in a main process of a method for growing a nitride-based epitaxial layer according to a conventional method.

도 2(a) 내지 도 2(d)는 본 발명의 실시예에 따르는 질화물 계열 에피택시 층의 성장 방법의 주요 공정에서의 개략적인 단면도이다.2 (a) to 2 (d) are schematic cross-sectional views in a main process of a method for growing a nitride-based epitaxial layer according to an embodiment of the present invention.

Claims (14)

질화물 계열의 에피택시(epitaxy) 층의 성장 방법에 있어서,In a method for growing a nitride-based epitaxy layer, 준비된 기판 위에, 비소(As) 원소의 일부가 질소(N) 원소로 치환된 갈륨비소(GaAs) 계열의 박막층을 형성하는 단계; 및Forming a thin film layer of gallium arsenide (GaAs) series in which a part of arsenic (As) element is substituted with nitrogen (N) element, on a prepared substrate; And 상기 박막층 위에 질화물 계열의 에피택시 층을 성장하는 단계를 포함하며,And growing a nitride-based epitaxial layer on the thin film layer, 상기 박막층을 형성하는 단계는, Wherein forming the thin film layer comprises: 상기 기판 위에 갈륨비소 계열의 박막층을 성장시키는 단계; 및Growing a gallium arsenide-based thin film layer on the substrate; And 상기 박막층이 성장된 기판을 질화 분위기에서 열처리하여 비소 원소의 일부를 질소 원소로 치환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 성장 방법.And a step of heat treating the substrate on which the thin film layer has been grown in a nitriding atmosphere to replace a part of the arsenic element with a nitrogen element. 삭제delete 제1항에 있어서, The method according to claim 1, 상기 갈륨비소 계열의 박막층을 성장시키는 단계는, 상기 박막층을 5 내지 10000Å의 두께로 성장시키는 것을 특징으로 하는 성장 방법.Wherein the step of growing the gallium arsenide-based thin film layer comprises growing the thin film layer to a thickness of 5 to 10000 angstroms. 제1항에 있어서, The method according to claim 1, 상기 열처리 하는 단계는, 500 내지 1200℃의 온도에서 암모니아(NH3)를 포함하는 분위기에서 진행되는 것을 특징으로 하는 성장 방법.Wherein the annealing step is performed in an atmosphere containing ammonia (NH 3 ) at a temperature of 500 to 1200 ° C. 제4항에 있어서, 5. The method of claim 4, 상기 열처리 하는 단계는, 비소(As) 성분을 포함하는 분위기에서 진행되는 것을 특징으로 하는 성장 방법.Wherein the heat treatment step is performed in an atmosphere containing an arsenic (As) component. 제5항에 있어서, 6. The method of claim 5, 상기 갈륨비소 계열의 박막층은 비소 성분의 일부를 질소 성분으로 치환함에 있어서, 열처리 시간 및 분위기에 포함된 비소 성분의 분압에 따라 상기 치환 분율을 조절하는 것을 특징으로 하는 성장 방법.Wherein the gallium arsenide-based thin film layer controls the substitution fraction according to a heat treatment time and a partial pressure of an arsenic component contained in the atmosphere in replacing a part of the arsenic component with a nitrogen component. 제1항에 있어서, The method according to claim 1, 상기 갈륨비소 계열의 박막층은, 인듐(In) 원소 및 알루미늄(Al) 원소 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 성장 방법.Wherein the gallium arsenide-based thin film layer comprises at least one of indium (In) and aluminum (Al) elements. 제1항에 있어서, The method according to claim 1, 상기 기판은 그 재료 물질이 사파이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 성장 방법.Wherein the substrate is characterized in that the material material comprises sapphire. 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 질화물 계열의 에피택시 층은 GaN, AlN, InN, AlxGa1-xN, InxGa1-xN, AlxInyGa1-yN (이상에서 0<x,y<1)로 이루어지는 군에서 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 성장 방법.Epitaxial layer of the nitride series GaN, AlN, InN, Al x Ga 1-x N, In x Ga 1-x N, Al x In y Ga 1-y N ( from above 0 <x, y <1) &Lt; / RTI &gt; and a material selected from the group consisting of &lt; RTI ID = 0.0 &gt; 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
KR1020070070823A 2007-07-13 2007-07-13 Growing method for nitride based epitaxial layer and semiconductor device using the same KR100822482B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070070823A KR100822482B1 (en) 2007-07-13 2007-07-13 Growing method for nitride based epitaxial layer and semiconductor device using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070070823A KR100822482B1 (en) 2007-07-13 2007-07-13 Growing method for nitride based epitaxial layer and semiconductor device using the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR100822482B1 true KR100822482B1 (en) 2008-04-29

Family

ID=39571604

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020070070823A KR100822482B1 (en) 2007-07-13 2007-07-13 Growing method for nitride based epitaxial layer and semiconductor device using the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100822482B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102253176B1 (en) * 2019-11-13 2021-05-14 에임즈마이크론 주식회사 Method of processing GaN substrate, GaN substrate processed by the method, and apparatus for processing GaN substrate

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19980037010A (en) * 1996-11-20 1998-08-05 양승택 Epitaxial substrate for compound semiconductor device manufacturing and buffer layer formation method of compound semiconductor device
JP2000196148A (en) 1998-12-25 2000-07-14 Sony Corp Growing method of iii-v compound semiconductor layer and semiconductor device
KR20010068630A (en) * 2000-01-07 2001-07-23 구자홍 method for growing Ⅲ-Ⅴ group nitride film
JP2003142406A (en) 2001-11-08 2003-05-16 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Method for manufacturing semiconductor device
JP2004193616A (en) 2002-12-12 2004-07-08 Xerox Corp PROCESS AND APPARATUS FOR MOCVD GROWTH OF COMPOUND INCLUDING GaAsN ALLOY USING AMMONIA PRECURSOR WITH CATALYST

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19980037010A (en) * 1996-11-20 1998-08-05 양승택 Epitaxial substrate for compound semiconductor device manufacturing and buffer layer formation method of compound semiconductor device
JP2000196148A (en) 1998-12-25 2000-07-14 Sony Corp Growing method of iii-v compound semiconductor layer and semiconductor device
KR20010068630A (en) * 2000-01-07 2001-07-23 구자홍 method for growing Ⅲ-Ⅴ group nitride film
JP2003142406A (en) 2001-11-08 2003-05-16 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Method for manufacturing semiconductor device
JP2004193616A (en) 2002-12-12 2004-07-08 Xerox Corp PROCESS AND APPARATUS FOR MOCVD GROWTH OF COMPOUND INCLUDING GaAsN ALLOY USING AMMONIA PRECURSOR WITH CATALYST

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102253176B1 (en) * 2019-11-13 2021-05-14 에임즈마이크론 주식회사 Method of processing GaN substrate, GaN substrate processed by the method, and apparatus for processing GaN substrate

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6194742B1 (en) Strain engineered and impurity controlled III-V nitride semiconductor films and optoelectronic devices
US9691712B2 (en) Method of controlling stress in group-III nitride films deposited on substrates
US6524932B1 (en) Method of fabricating group-III nitride-based semiconductor device
US8546830B2 (en) Method of growing semiconductor heterostructures based on gallium nitride
JP4529846B2 (en) III-V nitride semiconductor substrate and method for manufacturing the same
KR100449074B1 (en) Method for manufacturing semiconductor and semiconductor light emitting element
US7935955B2 (en) Group III nitride semiconductor multilayer structure
WO2006086471A2 (en) A method to grow iii-nitride materials using no buffer layer
KR100583163B1 (en) Nitride semiconductor and fabrication method for thereof
KR100682272B1 (en) Manufacturing Process of Nitride Substrate And Nitride Substrate by the Process
US20140017840A1 (en) Nitride-based light-emitting device
JP4960621B2 (en) Nitride semiconductor growth substrate and manufacturing method thereof
KR100822482B1 (en) Growing method for nitride based epitaxial layer and semiconductor device using the same
US8562738B2 (en) Nitride-based light-emitting device
Nunoue et al. LED manufacturing issues concerning gallium nitride-on-silicon (GaN-on-Si) technology and wafer scale up challenges
KR100576850B1 (en) Manufacturing method of nitride based semiconductor light emitting device
JP2010251743A (en) Substrate for growing group-iii nitride semiconductor, group-iii nitride semiconductor device, free-standing substrate for group-iii nitride semiconductor, and method for manufacturing the same
KR100834698B1 (en) Method of forming gan layer and gan substrate manufactured using the same
JP4099107B2 (en) Semiconductor device
KR20090030651A (en) A gallium nitride based light emitting device
CN117080328B (en) Ultraviolet LED epitaxial wafer, preparation method thereof and LED chip
KR101006701B1 (en) single crystal thin film of using metal silicide seed layer, and manufacturing method thereof
JP2004047762A (en) Method for manufacturing nitride semiconductor, semiconductor wafer, and semiconductor device
KR101135950B1 (en) A semiconductor and a fabrication method thereof
JP2003258299A (en) Gallium-nitride-based compound semiconductor device and manufacturing method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
A302 Request for accelerated examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20120306

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee