KR100853936B1 - 질화물 반도체 기판 제조 방법 - Google Patents

Abstract

질화갈륨(GaN)이나 질화인듐(InN) 또는 질화알루미늄(AlN)과 같은 질화물 성장시, Ⅲ족 원소 용융물(metal)과 암모니아 가스 등을 고온에서 직접 화학 반응시켜 두꺼운 양질의 질화물 반도체 기판을 얻는다.

이를 위해 본 발명은 챔버에 내장되어 있는 반응 용기에 Ⅲ족 원소 용융물을 수납하고, 상기 챔버와, 기판이 연결된 서셉터에 열을 가하여 챔버와 서셉터의 온도차를 일정하게 유지한 후, 반응 용기에 수납된 Ⅲ족 원소 용융물 내부로 N분자 생성 가스를 주입하여 직접 화학 반응을 통해 질화물 기판을 생성한다.

그리고, 또 다른 본 발명은 챔버에 내장되어 있는 보트에 Ⅲ족 원소 용융물을 수납하고, 상기 챔버내의 일영역에 설치된 서셉터와, 챔버에 열을 가하여 서셉터와 챔버의 온도차를 일정하게 유지한 후, Ⅲ족 원소 용융물 내부로 버블링 가스를 주입하여 직접 화학 반응시키고, 이러한 화학 반응을 통해 생성된 반응물과 상기 챔버의 일측에 연결된 주입관을 통해 주입된 N분자 생성 가스를 결합시켜 질화물 기판을 생성한다.

질화물, 기판, 온도차, 버블링, 화학, 반응

Description

질화물 반도체 기판 제조 방법{Method for manufacturing substrate of Nitride chemical semiconductor}

도 1은 종래의 승화법이 적용된 질화물 성장 장치의 단면도이고,

도 2는 종래의 할라이드 기상 성장법(HVPE)이 적용된 질화물 성장 장치의 단면도이고,

도 3은 본 발명의 제 1 실시예가 적용된 질화물 성장 장치의 단면도이고,

도 4는 본 발명의 제 2 실시예가 적용된 질화물 성장 장치의 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110, 150 : 전기로 111, 151 : 챔버

112 : 반응 용기 113, 114, 153, 155 : 주입관

115 : 기판 116, 120 : 튜브

117, 118 : 체결 장치 119, 156 : 서셉터

152 : 보트 154 : 토출관

본 발명은 질화물 반도체 기판 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 Ⅲ족 원소 용융물과 암모니아 가스를 고온에서 직접 화학 반응시켜 양질의 질화물 반도체 기판을 얻을 수 있도록 한 질화물 반도체 기판 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 질화갈륨, 질화알루미늄 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고, 큰 직접 천이형의 에너지 띠 구조를 갖고 있어 최근 청색 및 자외선 영역의 광전소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다.

특히, 질화갈륨(GaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 신호등, 실내 조명과 고밀도 광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있다.

이러한 질화갈륨은 동일한 육방 정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire)나 실리콘 카바이드(SiC) 기판 등의 이종 기판에서 금속 유기 화학 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)이나 분자 빔 에피텍시(Molecular Beam Epitaxy ; MBE)공정을 통해 박막 성장이 가능하다.

한편, 현재까지 기판으로는 사파이어를 주로 사용하고 있지만, 질화갈륨과 의 격자 상수 및 열 팽창 계수에 있어 큰 차이를 가지고 있기 때문에 표면 가공 공정을 추가적으로 실시하여야 하는 부담이 있었다.

이런 문제를 원천적으로 해결하기 위해서는 단결정 질화갈륨을 기판으로 사용하여 소자를 제조하여야 하는데, 통상적으로 하이드라이드 기상 박막 성장(Hydride Vapor Phase Epitaxy)방법이나, 고온 고압에서 질소(N2)를 액화시켜 질화갈륨을 성장시키는 방법 또는 승화법으로 제조한다.

도 1은 이러한 방법들 중, 특히 승화법에 의하여 질화갈륨층을 성장시키는 장치의 사시단면도를 나타낸 것으로써, 고온 전기로(10)에 의해 둘러싸인 제 1 챔버(20)의 내부에 흑연(Graphite) 혹은 석영(Quartz)으로 이루어진 제 2 챔버(30)가 설치되어 있고, 상기 제 2 챔버(30)의 하부에는 질화갈륨 또는 갈륨(Ga)의 분말이 담겨진 용기(41)가 있다.

그리고, 상기 용기(41)의 양측면에는 지지부(32, 32')가 설치되고, 상기 지지부(32, 32')의 상부에 사파이어나 실리콘 카바이드로 이루어진 기판(31)이 올려진다.

또한, 상기 제 2 챔버(30)의 상부에는 질소(N2)와 암모니아(NH3)를 주입하는 주입관(21, 22)이 장착되어 있다.

이러한 종래의 장치는 먼저 상기 고온 전기로(10)에서 약 1050℃ 정도의 고열이 상기 제 1 챔버(20)를 통하여 제 2 챔버(30)로 전달된다.

상기 용기(41)내부에 있는 질화갈륨 또는 갈륨의 분말(40)에서는 상기 제 2 챔버(30)로부터 전달된 고열로 Ga 분자가 승화된다.

그리고, 상기 주입관(21, 22)에서 토출되는 질소와 암모니아로부터 N분자가 생성되고, 생성된 N분자는 승화된 Ga 분자와 결합되어 상기 기판(31)에 부착됨으로써, 상기 기판(31)에는 질화갈륨층이 성장하게 된다.

이와 같이, 종래의 승화법을 이용하여 질화갈륨 기판을 성장시키는 방법은 모재인 갈륨의 표면에서만 성장이 이루어지며 또한, 고온에서 질화갈륨 분말을 사용함으로써, 추출되는 질화갈륨양이 적을 뿐만 아니라 1 시간 이상 성장시 질화갈륨 분말의 표면 부분이 경화되어 더 이상 승화가 일어나지 않아 100㎛이상의 두꺼 운 질화갈륨층을 성장시킬 수 없는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소시키기 위한 것으로, 질화물 성장시 Ⅲ족 원소 용융물과 암모니아 가스를 고온에서 직접 화학 반응시켜 양질의 질화물 반도체 기판을 얻을 수 있도록 한 질화물 반도체 기판 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이를 위해 본 발명은 챔버에 내장되어 있는 반응 용기에 Ⅲ족 원소 용융물을 수납하고, 상기 챔버와, 기판이 연결된 서셉터에 열을 가하여 상기 챔버와 서셉터의 온도차를 일정하게 유지한 후, 반응 용기에 수납한 Ⅲ족 원소 용융물 내부로 N분자 생성 가스를 주입하여 상기 Ⅲ족 원소 용융물과 N분자 생성 가스를 직접 화학 반응시켜 질화물을 생성하도록 한다.

그리고 다른 본 발명은 챔버에 내장되어 있는 보트에 Ⅲ족 원소 용융물을 수납하고, 상기 챔버 내부의 일영역에 설치된 서셉터와 상기 챔버에 열을 가하여 상기 서셉터와 챔버의 온도차를 일정하게 유지한 후, 보트에 수납한 Ⅲ족 원소 용융물 내부로 버블링 가스를 주입하여 상기 Ⅲ족 원소 용융물과 버블링 가스를 직접 화학 반응시키고, 이러한 화학 반응을 통해 생성된 반응물과 상기 챔버의 일측에 연결된 주입관을 통해 주입된 N분자 생성 가스가 결합되어 생성된 질화물을 서셉터에 상부에 위치한 기판에서 성장시키도록 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 살펴보면 다음 과 같다.

< 제 1 실시예 >

본 발명이 적용된 질화물 반도체 기판 제조장치의 제 1 실시예는 도 3에 도시된 바와 같이, 전기로(110)에서 가열된 열을 전달받는 챔버(111)와, 상기 챔버(111)의 내부에 위치하여 Ⅲ족 원소 용융물(melt)이 담겨져 있는 반응 용기(112)와 , 상기 용기내의 Ⅲ족 원소 용융물과 직접 화학 반응이 이루어지도록 그 내부로 버블링 가스를 주입하는 적어도 하나 이상의 주입관(113, 114)과, 상기 용기(112)의 상부에 설치된 기판(115)과, 상기 기판(115)과 체결장치(117, 118)로 연결되고 튜브(116, 120)를 통해 외부와 유통되는 냉각기체를 이용해 온도 조절이 가능한 서셉터(119)로 구성된다.

이렇게 구성된 제조 장치는 먼저 전기로(110)에서 가열된 열을 이용해 상기 챔버(111)의 온도를 1100℃ ~ 1200℃로 조절한다.

이는 온도가 1200℃를 초과하면 Ⅲ족 원소의 질화물이 분해되기 쉽고 1100℃미만이 되면 Ⅲ족 원소의 미세 결정이 합성되기가 쉽지 않아 추출되는 질화물양이 적어지기 때문이다.

한편 상기 챔버(111)의 온도가 1100℃ ~ 1200℃로 조절되면, 튜브(116, 120)를 통해 유통되는 N₂의 흐름(flow)을 조절해 상기 서셉터(119)의 온도를 1050℃ ~ 1100℃로 유지한다.

즉, 상기 챔버(111)의 전체적인 분위기 온도와 서셉터(119)의 온도차를 0℃ ~ 150℃ 정도로 유지되게 한다.

이런 상태에서 반응 용기(112)에 담겨져 있는 Ⅲ족 원소 용융물의 내부에 주입관(114, 116)을 통해 약 50sccm(standard cubic centimeter per minute)의 유량으로 버블링 가스를 주입한다.

이 때 상기 Ⅲ족 원소 용융물은 질화갈륨 분말이나 메탈 갈륨 또는 이들의 혼합된 분말 중 선택된 어느 하나를 사용하는 것이 바람직한데 여기서는 20g ~ 50g 정도의 메탈 갈륨을 사용하고, 상기 버블링 가스는 암모니아(NH₃)가스를 사용하는 것이 바람직하다.

이어, 상기 암모니아 가스가 용기에 수납되어 있는 Ⅲ족 원소 용융물 예를 들면, 메탈 갈륨과 직접 화학 반응하면 다음과 같은 화학 반응식으로 기술되는 GaN의 승화가 발생되며 반응 시간은 약 1 ~ 4시간 정도로 한다.

2Ga + 2NH₃ -> 2GaN + 3H_{2 ↑}

한편, 갈륨(Ga)과 암모니아 가스의 효과적인 반응을 촉진하기 위하여 상기 주입관(113, 114)에 회전 날개를 부착시켜 정방향 또는 역방향으로 회전시키는 것이 바람직한데, 이는 갈륨의 밀도가 약 6.10g/㎤로 높아 원활한 액체갈륨의 흐름이 형성되지 않아 일부의 갈륨만이 반응을 하기 때문이다.

따라서 PBN(pyrolytic boron nitride) 등으로 만들어진 회전 날개가 하부에 부착되어 있는 주입관을 정방향으로 회전시키면 갈륨을 하부방향으로 밀어줄 수 있고, 이를 역방향으로 회전시키면 갈륨을 상방향으로 올려 줄 수 있기 때문에 갈륨 과 암모니아 가스의 화학반응을 증가시킬 수 있다.

이어, 상기 승화된 갈륨 분자와 N분자가 결합된 질화갈륨(GaN)은 미세한 결정의 파우더(powder)형태로 서셉터(119) 하부에 위치된 기판(115)에 안착되고 다시 승화를 일으켜 기판(115)에 질화갈륨층이 성장된다.

이 때, 상기 기판(115)은 사파이어 기판이나 사파이어와 질화갈륨으로 이루어진 기판을 사용하고, 특히 적어도 하나 이상을 형성하여 대량 생산을 할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

마지막으로 상기 챔버의 온도를 상온으로 낮추고 약 800℃에서 1시간 정도의 열처리 과정을 통해 결정성장된 질화갈륨 기판을 얻어 본 발명의 제조 공정을 종료한다.

<제 2 실시예>

본 발명이 적용된 질화물 반도체 기판 제조장치의 제 2 실시예는 도 4에 도시된 바와 같이, 전기로(150)에서 가열된 열을 전달받는 챔버(151)와, 상기 챔버(151)의 내부에 위치하여 Ⅲ족 금속원소 용융물(melt)을 수용하는 보트(152)와, 상기 보트(152)내의 Ⅲ족 금속원소 용융물에 버블링 가스가 직접 주입되도록 설치된 제 1 주입관(154)과, 상기 보트(152)의 일측부에 연결되어 주입된 버블링 가스와 Ⅲ족원의 분자가 반응한 화합물을 상기 챔버로 토출하는 토출관(154)과, 상기 챔버(151)의 일측부에 연결되어 N분자를 생성하는 가스를 주입하는 제 2 주입관(155)과, 상기 토출관(154)에서 토출한 화합물과 상기 제 2 주입관(155)을 통해 주입된 가스가 반응하여 형성된 질화물을 기판에 성장시킬 수 있도록 상기 챔 버(151)내에 상기 토출관(154)과 수직방향으로 기판을 안착시킨 서셉트(156)로 이루어진다.

이렇게 이루어지는 제 2 실시예의 질화갈륨 기판 제조 장치는 먼저 전기로(150)에서 가열된 열을 이용해 상기 챔버(151)의 온도를 800℃ ~ 1000℃ 정도로 유지하고, 튜브(도시하지 않음)를 통해 주입되는 N₂의 흐름(flow)을 조절해 상기 서셉터(150)의 온도를 1000℃ ~ 1100℃로 유지한다.

이러한 상태에서, 버블링(bubbling) 가스를 제 1 주입관(153)을 통해 보트(152)에 수용되어 있는 Ⅲ족원 분말에 직접 주입하는데, 상기 버블링 가스는 염화수소(HCl)를 사용하고, 상기 Ⅲ족원 분말은 질화갈륨 분말이나 메탈 갈륨 또는 이들의 혼합된 분말 중 선택된 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.

이어 상기 전기로(150)에서 가열된 열을 통해 주입된 버블링 가스와 상기 보트(152)에 수용되어 있는 Ⅲ족원 분말을 직접 화학 반응시키면 상기 Ⅲ족원 분말의 승화가 발생되어, 버블링 가스와 Ⅲ족원 분말의 분자가 결합된 화합물이 형성된다.

예를 들면, 버블링 가스가 염화수소이고 상기 Ⅲ족원 분말이 메탈 갈륨일 경우에 염화수소 분자와 갈륨분자가 결합되어 염화갈륨이 형성되는데 그 화학 반응식은 다음과 같다.

2Ga + 2HCl -> 2GaCl + H_{2 ↑}

이어 상기 보트(152)내에서 형성된 화합물은 토출관(154)을 통해 챔버(151)로 토출되고, 상기 챔버(151)의 일측부에 연결된 제 2 주입관을 통해 N분자 생성 가스가 주입되면 상기 챔버(151)내에서는 N분자 생성 가스와 토출관(154)에서 토출된 화합물이 결합하여 질화물이 형성되는데, 상기 N분자 생성 가스는 암모니아(NH₃) 가스를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 질화물 형성에 대한 화학 반응식의 일예는 다음과 같다.

GaCl + NH₃ -> GaN + HCl + H_{2 ↑}

다음, 이렇게 형성된 질화갈륨(GaN) 등의 질화물은 상기 챔버(151)내의 서셉터(156)에 설치된 기판(도시하지 않음) 상부에 안착되어 질화물층의 성장이 이루어진다.

이 때, 기판은 상기 토출관(154)과 수직 방향으로 위치하고 사파이어 기판이나 사파이어와 질화갈륨으로 이루어진 기판을 사용하는 것이 바람직하다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 질화물 반도체 기판 제조 방법은 질화물 성장시 질화물의 미세결정을 다량으로 얻을 수 있어 두께가 300㎛ 이상인 양질의 질화물층을 성장시킬 수 있으며, 또한 이는 기판으로 사용하기에 충분한 두께이기 때문에 레이저 리프트 오프 방법을 이용해 프리 스탠딩 기판 제조가 가능하고 나아가 이를 이용해 광소자 전자 소자를 만들 경우 상당한 수율 및 발광 효율의 향상을 얻을 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (7)

1. 챔버에 내장되어 있는 반응 용기에 Ⅲ족 원소 용융물을 수납하는 제 1 단계와 ;

   상기 챔버와, 기판이 연결된 서셉터에 열을 가하여 상기 챔버와 서셉터의 온도차를 T℃로 유지하는 제 2 단계와 ;

   상기 챔버의 반응 용기에 수납한 Ⅲ족 원소 용융물 내부로 N분자 생성 가스를 주입하여 상기 Ⅲ족 원소 용융물과 N분자 생성 가스를 직접 화학 반응시켜 질화물을 생성하는 제 3 단계와 ;

   상기 생성한 질화물을 상기 서셉터에 연결된 기판에서 성장시키는 제 4 단계로 이루어지는 질화물 반도체 기판 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 단계는 ;

   상기 챔버의 반응 용기에 수납한 Ⅲ족 원소 용융물 내부로 회전 날개가 부착된 주입관을 통해 N분자 생성 가스를 주입하되,

   상기 회전 날개를 정방향 또는 역방향으로 회전시켜 상기 Ⅲ족 원소 용융물과 N분자 생성 가스를 직접 화학 반응시켜 질화물을 생성하도록 하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 기판 제조 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 Ⅲ족 원소 용융물은 ;

   질화갈륨 분말이나 메탈 갈륨 또는 이들의 혼합된 분말 중 선택된 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 기판 제조 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 N 분자 생성 가스는 NH₃이고,

   상기 T℃는 0℃ ~ 150℃ 인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 기판 제조 방법.
5. 챔버에 내장되어 있는 보트에 Ⅲ족 원소 용융물을 수납하는 제 1 단계와 ;

   상기 챔버 내부의 일영역에 설치된 서셉터와 상기 챔버에 열을 가하여 상기 서셉터와 챔버의 온도차를 T℃로 유지하는 제 2 단계와 ;

   상기 보트에 수납한 Ⅲ족 원소 용융물 내부로 버블링 가스를 주입하여 상기 Ⅲ족 원소 용융물과 버블링 가스를 직접 화학 반응시키는 제 3 단계와 ;

   상기 화학 반응을 통해 생성한 반응물과 상기 챔버의 일측에 연결된 주입관을 통해 주입된 N분자 생성 가스를 화학반응시켜 생성한 질화물을 상기 서셉터 상부에 안착된 기판에서 성장시키는 제 4 단계로 이루어지는 질화물 반도체 기판 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 Ⅲ족 원소 용융물은 ;

   질화갈륨 분말이나 메탈 갈륨 또는 이들의 혼합된 분말 중 선택된 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 기판 제조 방법.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 버블링 가스와 N분자 생성 가스는 각기 염화수소(HCl)와 NH₃이고,

   상기 T℃는 0℃ ~ 300℃ 인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 기판 제조 방법.

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