KR101055763B1

KR101055763B1 - 이온주입층을 사용하여 기판에서 질화물 반도체층을분리하는 방법

Info

Publication number: KR101055763B1
Application number: KR1020040096815A
Authority: KR
Inventors: 김홍산
Original assignee: 서울반도체 주식회사
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2011-08-11
Also published as: KR20060057766A

Abstract

이온주입층을 사용하여 기판으로부터 질화물 반도체층을 분리하는 방법이 개시된다. 이 방법은 기판 상에 III-V 질화물 반도체층을 형성하는 것을 포함한다.

상기 질화물 반도체층을 갖는 기판 상에 이온을 주입하여 상기 기판과 상기 질화물 반도체층의 계면에 이온주입층을 형성한다. 그 후, 상기 질화물 반도체층 또는 상기 기판 보다 상기 이온주입층에 의해 더 강하게 흡수되는 전자기파를 조사하여 상기 이온주입층을 분해하고, 상기 기판으로부터 상기 질화물 반도체층을 분리한다. 이에 따라, 희생층을 성장시키지 않으면서 다양한 파장범위의 전자기파를 사용하여 질화물 반도체층을 분리할 수 있다.

질화물 반도체, 사파이어, 이온 주입층.

Description

이온주입층을 사용하여 기판에서 질화물 반도체층을 분리하는 방법{METHOD OF SEPARATING A NITRIDE COMPOUND SEMICONDUCTOR LAYER FROM A SUBSTRATE USING AN ION INJECTION LAYER}

도 1은 종래기술에 따른 기판으로부터 질화물 반도체층을 분리하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판으로부터 질화물 반도체층을 분리하는 방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다.

도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판에서 질화물 반도체층을 분리하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판으로부터 질화물 반도체층을 분리하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 8 내지 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기판으로부터 질화물 반도체층을 분리하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

본 발명은 기판으로부터 질화물 반도체층을 분리하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 기판과 질화물 반도체층의 계면에 이온주입층을 형성하여 공정 윈도우를 넓힐 수 있는 질화물 반도체층 분리 방법에 관한 것이다.

III-V족 화합물 반도체는 고속 및 고온 전자제품들, 광 방출기 및 광 검출기 등의 응용제품들에서 우수한 성능을 제공한다. 특히, 갈륨 나이트라이드(GaN)는 청색 레이저 및 청색 파장의 스펙트럼을 방출하는 발광 다이오드에 요구되는 밴드갭을 가지고 있어, 이에 대한 연구가 많이 진행되어 왔으며, 그 사용이 증가하고 있다. 또한, 알루미늄 나이트라이드(AlN), 인디움 나이트라이드(InN) 및 갈륨 나이트라이드(GaN)의 얼로이(alloy)는 가시영역 전범위에 걸친 스펙트럼을 제공한다.

한편, 우수한 동작특성을 얻기 위해서는, 결정질의 반도체를 사용할 필요가 있으며, 실리콘(Si) 및 갈륨비소(GaAs) 등을 벌크(bulk) 단결정으로 성장시키는 기술은 이미 잘 알려져 있다. 그러나, GaN와 같은 질화물 반도체는 높은 질소 증기압에 기인하여 벌크 단결정으로 성장시키는 것이 어렵다. 따라서, 이러한 질화물 반도체는 이종 에피택시(heteroepitaxy) 기술 즉, 다른 물질의 단결정 기판 위에 질화물 반도체를 에피택시(epitaxy)로 성장시키는 기술을 사용하여 얻어진다. 상기 질화물 반도체를 성장시킬 수 있는 기판으로는 사파이어(Al₂O₃), 실리콘 또는 탄화실리콘(SiC)이 알려져 있다.

그러나, 사파이어 등의 단결정 기판 위에 질화물 반도체를 성장시킨 경우, 제조 공정 및 응용면에서 몇가지 문제점을 갖는다. 우선, 기판과 질화물 반도체의 격자 불일치 및 열팽창 계수의 차이에 기인하여, 상기 질화물 반도체의 재질에 악 영향을 미칠 수 있다. 또한, 상기 사파이어는 상기 질화물 반도체의 성장방향에 수직 방향으로 쪼개지므로, 상기 질화물 반도체를 기판과 함께 다이싱(dicing)하는 것이 실리콘 기판에 비해 상당히 어렵다. 이에 더하여, 질화물 반도체의 하부면은 상기 기판에 접합되어 있으므로, 하부면에 오믹(ohmic) 접합을 형성하여 전극을 마련하는 것이 어렵다. 때문에, 상기 질화물 반도체의 양면에 전극을 형성하기 위해, 상기 질화물 반도체의 상부면을 식각하는 공정이 필요하다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 사파이어 등과 같은 기판에 질화물 반도체를 성장시킨 후, 상기 질화물 반도체를 상기 기판으로부터 분리하는 방법이 소개되고 있다. 상기 방법이 미국특허 제6,559,075호에 "두개의 물질층을 서로 분리하는 방법 및 이 공정을 사용하여 생산된 전자 소자(method of separating two layers of material from one another and electronic components produced using this process)"라는 제목으로 켈리 등(Kelly et al.)에 의해, 그리고 미국특허 제6,071,795호에 "선택적 광학 공정에 의해 투명기판으로부터 박막의 분리(separation of thin films from transparent substrates by selective optical processing)"라는 제목으로 체웅 등(Cheung et al.)에 의해 개시된 바 있다.

도 1은 상기 미국특허 제6,559,075호 및 제6,071,795호에 개시된 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 기판(6) 상에 반도체층(4)이 마련된다. 상기 기판(6)을 통해 상기 반도체층(4)에 광(1)이 조사되며, 방사 에너지는 상기 반도체층(4)에 흡수된다. 흡수 특성에 따라서는, 상기 반도체층(4)을 통해 광(1)이 조사되어 방사 에 너지가 상기 기판(6)에 흡수될 수 있다. 사파이어 기판은 가시영역 및 자외선 영역에서 투명하므로, 일반적으로 상기 사파이어 기판을 통해 광이 조사된다.

상기 흡수된 방사 에너지에 의해 상기 기판(6)과 상기 반도체층(6) 사이의 계면에서 상기 반도체층(4)이 분해(decomposition)된다. 그 후, 상기 기판(6)과 상기 반도체층(6)을 분리한다.

한편, 방사 에너지의 흡수 특성을 향상시키기 위해, 상기 계면에 기판(6) 및 반도체층(6)에 비해 상대적으로 작은 에너지 밴드갭을 갖는 희생층을 형성할 수 있다. 특히, 상기 반도체층(4)이 AlN 또는 AlGaN인 경우, 에너지 밴드갭이 커서 방사에너지를 흡수하는 것이 어려우므로, GaN 또는 InGaN의 희생층을 사용한다.

상기 미국특허 제6,559,075호 및 제6,071,795호에 개시된 방법에 따르면, 상기 기판(6)으로부터 상기 질화물 반도체층(4)을 분리할 수 있다. 그러나, 상기 방법은 조사되는 광의 에너지에 비해 에너지 밴드갭이 큰 질화물 반도체층(4)을 분리하기 위해, 별도의 희생층을 성장시켜야 한다. 상기 희생층은 상기 질화물 반도체층(4)과 다른 물질이므로, 성장 조건이 다르다. 또한, 상기 희생층의 결정 특성은 상기 질화물 반도체층에 영향을 미치므로, 성장 조건이 정밀하게 제어되어야 한다. 따라서, 상기 희생층을 성장시키는 공정의 추가는 소자제조비용을 상당히 증가시킨다.

한편, 조사되는 광은 최소한 상기 질화물 반도체층(4), 희생층을 사용할 경우 상기 희생층의 에너지 밴드갭에 비해 큰 에너지를 가져야 한다. 이는 사용 가능한 광의 파장 영역을 제한한다.

또한, 희생층을 사용하지 않는 경우, 사파이어 기판(6)을 통해 광을 조사하여야 한다. 일반적으로, 기판(6)은 상기 질화물 반도체층(4)에 비해 상당히 두꺼우므로, 상기 기판(6)에서 방사에너지의 손실이 발생할 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 별개의 공정을 사용하여 희생층을 성장시키지 않으면서, 다양한 파장 범위의 전자기파를 사용하여 기판으로부터 질화물 반도체층을 분리할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 질화물 반도체층을 통해 광을 조사할 수 있어 방사 에너지의 손실을 최소화할 수 있는 질화물 반도체층 분리 방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제들을 이루기 이하여, 본 발명은 이온주입층을 사용하여 질화물 반도체층을 분리하는 방법을 제공한다. 본 발명의 일 태양에 따르면, 이 방법은 기판 상에 III-V 질화물 반도체층을 형성하는 것을 포함한다. 상기 질화물 반도체층을 갖는 기판 상에 이온을 주입하여 상기 기판과 상기 질화물 반도체층의 계면에 이온주입층을 형성한다. 그 후, 상기 질화물 반도체층 또는 상기 기판 보다 상기 이온주입층에 의해 더 강하게 흡수되는 전자기파를 조사하여 상기 이온주입층 을 분해하고, 상기 기판으로부터 상기 질화물 반도체층을 분리한다. 이에 따라, 희생층을 성장시키지 않으면서, 다양한 파장범위의 전자기파를 사용하여 질화물 반도체층을 분리할 수 있어 공정윈도우를 넓힐 수 있다. 또한, 상기 질화물 반도체층을 통해 광을 조사할 수 있어, 방사에너지의 손실을 최소화할 수 있다.

상기 기판은 사파이어(Al₂O₃), 실리콘 또는 탄화실리콘(SiC)일 수 있다.

이에 더하여, 상기 III-V 질화물 반도체층은 갈륨 나이트라이드(GaN), 인디움 나이트라이드(InN), 알루미늄 나이트라이드(AlN) 또는 이들의 얼로이(alloy)일 수 있으며, 이들의 적층일 수 있다.

또한, 상기 이온은 수소이온일 수 있다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 이 방법은 기판 상에 III-V 질화물 반도체층을 형성하는 것을 포함한다. 상기 질화물 반도체층을 갖는 기판 상에 이온을 주입하여 상기 질화물 반도체층의 내부에 이온주입층을 형성한다. 그 후, 상기 질화물 반도체층 또는 상기 기판 보다 상기 이온주입층에 의해 강하게 흡수되는 전자기파를 조사하여 상기 이온주입층을 분해하고, 상기 이온주입층 상부의 상기 질화물 반도체층을 분리한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판으로부터 질화물 반도체층을 분리하 는 방법을 설명하기 위한 공정 순서도이고, 도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판에서 질화물 반도체층을 분리하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 우선, 질화물 반도체층을 형성하기 위한 기판(31)을 준비한다(단계 11). 상기 기판(31)은 그 위에 형성될 질화물 반도체층과 유사한 격자상수를 갖는다. 상기 기판(31)은 사파이어(Al₂O₃), 실리콘 또는 탄화실리콘(SiC)일 수 있다.

상기 기판(31) 상에 III-V 질화물 반도체층(33)을 형성한다(단계 13). 상기 질화물 반도체층(33)은 갈륨 나이트라이드(GaN), 인디움 나이트라이드(InN), 알루미늄 나이트라이드(AlN) 또는 이들의 얼로이(alloy)일 수 있으며, 이들의 적층일 수 있다.

상기 질화물 반도체층(33)은 에피택시(epitaxy) 기술을 사용하여 상기 기판(31) 상에 성장될 수 있다. 특히, 갈륨 나이트라이드(GaN)를 성장시키는 기술은 Japanese Journal of Applied Physics, vol. 30, 1991, L1705-L1707 쪽에 "GaN 버퍼층을 사용한 GaN 성장(GaN growth using GaN buffer layer)"이라는 제목으로 나카무라(Nakamura)에 의해 소개된 바 있으며, Applied Physics Letters, vol.58, No.18, 1991, 2021-2023 쪽에 "GaN 성장을 위한 새로운 금속유기물 화학기상증착(novel metalorganic chemical vapor deposition system for GaN growth)"이라는 제목으로 나카무라 등(Nakamura et al.)에 의해 소개된 바 있다. 한편, 상기 질화 물 반도체층(33)은 원자층 증착(atomic layer deposition) 기술을 단독 또는 추가적으로 사용하여 형성될 수 있다.

종래기술에 따르면, AlN 또는 AlGaN를 성장시키기 전, GaN와 같은 희생층을 성장시켜야 하나, 본 발명에서는 이러한 희생층 없이 AlN 또는 AlGaN를 직접 성장시킨다.

도 2 및 도 4를 참조하면, 상기 질화물 반도체층(33)을 갖는 기판(31) 상에 이온을 주입하여 이온주입층(35)을 형성한다(단계 15). 상기 이온주입층(35)은 임플랜테이션(implantation) 기술을 사용하여 형성될 수 있다.

본 실시예에서, 상기 이온주입층(35)은 상기 기판(31)과 상기 질화물 반도체층(33) 사이의 계면에 형성된다. 이때, 이온의 가속 에너지를 조절하여 상기 이온주입층(35)이 형성될 깊이를 제어한다. 한편, 상기 이온주입층(35)은 10KeV 내지 100KeV의 가속에너지로, 5×10¹⁶ 내지 10×10¹⁶의 이온 농도로 수소이온을 주입하여 형성될 수 있다.

도 2 및 도 5를 참조하면, 상기 이온주입층(35)을 갖는 기판(31) 상에 지지기판(39)을 접착한다(단계17). 상기 지지기판(39)은 예컨대 실리콘(Si) 단결정 기판일 수 있다. 상기 지지기판(39)을 접착하기 위해 본딩층(37)이 형성될 수 있다. 상기 본딩층(39)은 유기용매에 의해 제거될 수 있는 유기물질, 예컨대 에폭시일 수 있다. 선택적으로, 상기 본딩층(37)을 사용하지 않고, 반델발스(van der Waals) 본딩을 사용하여 상기 지지기판(39)을 직접 상기 질화물 반도체층(33)에 접착할 수 있다.

그 후, 상기 이온주입층(35)이 형성된 기판(31)에 전자기파(41)를 조사한다(단계 19). 본 실시예에서, 상기 전자기파(41)는 상기 기판(31)을 통해 조사되며, 상기 기판(31) 및 상기 질화물 반도체층(33) 보다 상기 이온주입층(35)에 의해 더 강하게 흡수되는 에너지를 갖는다. 따라서, 상기 전자기파(41)는 종래기술과 같이 355nm 또는 248nm의 파장을 갖는 레이저에 한정되지 않으며, 436nm와 같이 더 긴 파장을 갖는 레이저일 수 있다.

상기 이온주입층(35)에 의해 상기 전자기파(41)의 에너지가 흡수되어, 상기 이온주입층(35)에서 상기 기판(31) 또는 상기 질화물 반도체층(33)이 분해된다. 이온주입층(35)이 실리콘 단결정인 기판(31)에 형성된 경우, 수소이온에 의해 실리콘 결합이 끊어진다. 이와 달리, 이온주입층(35)이 질화물 반도체층(33)에 형성된 경우, 질화물 반도체층(33) 내의 질소원자(N)들이 기화된다. 상기 질소원자들은 다른 질소원자들 및 수소이온과 결합하여 외부로 빠져나간다.

도 2 및 도 6을 참조하면, 상기 전자기파(41)가 조사된 후, 상기 기판(31)으로부터 상기 질화물 반도체층(33)을 분리한다(단계21). 이를 위해, 상기 기판(31)을 소정 온도까지 가열할 수 있다. 예컨대, 상기 질화물 반도체층(33)이 GaN인 경우, 상기 기판(31)을 30℃ 이상으로 가열하여 상기 질화물 반도체층(33)을 분리할 수 있다.

상기 분리된 질화물 반도체층(33)의 하부면은 세정될 수 있다. 이에 따라, 기판(31)으로부터 질화물 반도체층(33)의 분리가 완료된다. 그 후, 상기 분리된 질 화물 반도체층(33)을 사용하여 다양한 소자를 형성할 수 있다. 예컨대, 상기 질화물 반도체층(33)의 하부면에 오믹 접합을 형성하여 하부전극(도시하지 않음)을 형성할 수 있으며, 지지기판(39) 및 본딩층(37)을 제거한 후, 상부면에 상부전극을 형성하여 LED 칩을 형성할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 이온주입층(35)을 형성함으로써, 희생층을 성장시키지 않으면서, 다양한 파장 범위의 전자기파(41)를 사용하여 상기 질화물 반도체층(33)을 기판으로부터 분리할 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화물 반도체층(33) 분리방법을 설명하기 위한 단면도이다.

상기 지지기판(도 5의 39)은 상기 질화물 반도체층(33)을 상기 기판(31)으로부터 분리할 때, 상기 질화물 반도체층(33)을 지지한다. 따라서, 상기 질화물 반도체층(33)을 지지할 필요가 없는 경우, 상기 지지기판(39)을 접착하는 단계(도 2의 17)는 생략될 수 있다. 상기 지지기판(39)을 접착하는 단계(17)가 생략된 경우, 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 전자기파(41)는 상기 질화물 반도체층(33)을 통해 조사될 수 있다. 또한, 상기 지지기판(39)을 접착하는 단계(17)는 상기 전자기파를 조사하는 단계(19) 후에 실시될 수 있다. 이 경우에도, 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 전자기파(41)는 상기 질화물 반도체층(33)을 통해 조사될 수 있다.

이때, 상기 전자기파(41)는 상기 질화물 반도체층(33) 보다 상기 이온주입층(35)에 의해 더 강하게 흡수되는 파장을 갖도록 선택된다. 이에 따라, 상대적으로 두꺼운 기판(31)을 통해 상기 전자기파(41)를 조사할 필요가 없어, 상기 기판(31) 에서 전자기파(41)의 에너지가 손실되는 것을 방지할 수 있다.

도 8 내지 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기판(31)으로부터 질화물 반도체층을 분리하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 8을 참조하면, 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 기판(31) 상에 질화물 반도체층(33)을 형성한다. 상기 질화물 반도체층(33)은 단일층 또는 서로 다른 질화물 반도체층(52, 53)의 적층일 수 있다. 이때, 상기 하부 질화물 반도체층(52)은 에너지 밴드갭이 큰 AlN 또는 AlGaN일 수 있다.

도 9를 참조하면, 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 질화물 반도체층(33)을 갖는 기판(31) 상에 이온을 주입하여 이온주입층(57)을 형성한다. 이때, 이온주입 에너지를 조절하여 상기 이온 주입층(57)을 상기 질화물 반도체층(33)의 내부에 형성한다. 상기 이온주입층(57)은 상기 적층된 두 질화물 반도체층(52, 53)의 계면에 형성할 수 있다.

도 10을 참조하면, 상기 이온주입층(57)을 갖는 기판(31)에 전자기파(41)를 조사한다. 상기 전자기파(41)는 상기 기판(31)을 통해 조사될 수 있다. 이때, 상기 전자기파(41)의 파장에 따라 상기 기판(31) 및 상기 하부 질화물 반도체층(52)은 상기 전자기파(41)에 투명하다. 따라서, 상기 전자기파(41)의 에너지는 상기 이온주입층(57)에 의해 흡수되며, 상기 이온주입층(57)이 형성된 질화물 반도체층(53)을 분해한다.

또한, 상기 전자기파(41)는 상기 상부 질화물 반도체층(53)을 통해 조사될 수 있다. 이때, 상기 전자기파(41)는 상기 상부 질화물 반도체층(53)의 에너지 밴 드갭 보다 작은 에너지를 갖도록 선택된다.

한편, 상기 전자기파(41)를 조사하기 전, 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 질화물 반도체층(33) 상에 지지기판(39) 및 본딩층(37)을 형성할 수 있다.

상기 전자기파(41)를 조사한 후, 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 상부 질화물 반도체층(53)을 상기 기판(31)으로부터 분리한다.

일반적으로, 격자상수가 다른 기판(31) 상에서 형성된 질화물 반도체층(33)은 상기 기판(31)과 접하는 계면에서 결정특성이 나쁘다. 그러나, 본 실시예에 따르면, 질화물 반도체층(33)의 내부에 이온주입층(57)을 형성하여, 상기 이온주입층(57) 상의 질화물 반도체층(53)을 기판(31)으로부터 분리할 수 있다. 따라서, 결정 특성이 우수한 질화물 반도체층(33)을 확보할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 별개의 공정을 사용하여 희생층을 성장시키지 않으면서, 다양한 파장 범위의 전자기파를 사용하여 기판으로부터 질화물 반도체층을 분리할 수 있다. 또한, 질화물 반도체층을 통해 광을 조사할 수 있어 방사 에너지의 손실을 최소화할 수 있는 질화물 반도체층 분리 방법을 제공할 수 있다. 이에 더하여, 질화물 반도체층(53) 내부에 이온주입층(57)을 형성함으로써, 결정 특성이 우수한 질화물 반도체층(33)을 확보할 수 있다.

Claims

기판 상에 III-V 질화물 반도체층을 형성하고,

상기 질화물 반도체층을 갖는 기판 상에 이온을 주입하여 상기 기판과 상기 질화물 반도체층의 계면에 이온주입층을 형성하고,

상기 질화물 반도체층 또는 상기 기판 보다 상기 이온주입층에 의해 더 강하게 흡수되는 전자기파를 조사하여 상기 이온주입층을 분해하고,

상기 기판으로부터 상기 질화물 반도체층을 분리하는 것을 포함하는 질화물 반도체층 분리방법.
청구항 1에 있어서, 상기 기판은 사파이어, 실리콘 또는 탄화실리콘인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체층 분리방법.
청구항 1에 있어서, 상기 III-V 질화물 반도체층은 갈륨 나이트라이드(GaN), 인디움 나이트라이드(InN), 알루미늄 나이트라이드(AlN) 및 이들의 얼로이로 이루어진 일군으로부터 선택된 적어도 하나의 층인 질화물 반도체층 분리방법.
청구항 1에 있어서, 상기 이온은 수소이온인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체층 분리방법.
기판 상에 III-V 질화물 반도체층을 형성하고,

상기 질화물 반도체층을 갖는 기판 상에 이온을 주입하여 상기 질화물 반도체층의 내부에 이온주입층을 형성하고,

상기 질화물 반도체층 또는 상기 기판 보다 상기 이온주입층에 의해 더 강하게 흡수되는 전자기파를 조사하여 상기 이온주입층을 분해하고,

상기 이온주입층 상부의 상기 질화물 반도체층을 분리하는 것을 포함하는 질화물 반도체층 분리방법.