KR101082457B1 - 탄화된 포토레지스트를 이용하여 에피택셜층을 형성하는 방법 및 이에 의해 제조된 적층 구조물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공정이 간단하면서도 에피택셜층 내에 생성된 결함을 최소화할 수 있는 에피택셜층을 형성하는 방법 및 이에 의해 제조된 적층 구조물에 관한 것이다. 본 발명에 따른 에피층 형성방법은 기판 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 포토레지스트 패턴을 탄화시켜 마스크 패턴을 형성하는 단계와, 기판과 마스크 패턴이 함께 덮이도록 상기 기판 상에 에피택셜층을 형성하는 단계를 갖는다.

Description

탄화된 포토레지스트를 이용하여 에피택셜층을 형성하는 방법 및 이에 의해 제조된 적층 구조물{Method of forming epitaxial layer using carbonized photoresist and laminated structure manufacured by the method}
본 발명은 에피택셜층을 형성하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 격자상수가 서로 다른 단결정 기판 상에 에피택셜층을 성장시킴에 있어, 에피택셜층 내에 생성된 결함을 최소화할 수 있는 에피택셜층을 형성하는 방법 및 이에 의해 제조된 적층 구조물에 관한 것이다.
단결정 기판 상에 새로운 단결정층을 형성하는 것을 에피택셜 성장(epitaxial growth)이라 하며, 이때 형성되는 새로운 단결정층을 에피택셜층(epitaxial layer)이라 한다. 에피택셜 성장에 있어서, 단결정 기판과 에피택셜층이 동일한 물질로 이루어진 경우를 호모에피택시(homoepitaxy)라 하고, 단결정 기판과 에피택셜층이 서로 다른 물질로 이루어진 경우를 헤테로에피택시(heteroepitaxy)라 한다.
헤테로에피택시의 경우, 에피택셜층을 임계 두께(critical thickness) 이상으로 성장시키게 되면, 에피택셜층에는 전위(dislocation), 마이크로 트윈(micro-twin) 등과 같은 결함이 필연적으로 발생하게 된다. 에피택셜층에 형성된 이러한 결함은 에피택셜층 상에 형성되는 상부층으로 전이되어, 소자 전체의 광학적 특성 및 전기적 특성을 저하시키게 된다. 그리고 호모에피택시의 경우에도, 단결정 기판의 표면 상태가 불량하면 에피택셜층에 결함이 발생할 수 있다.
이에 따라, 에피택셜층 내에 발생되는 결함을 제거 또는 결함의 밀도를 최소화하거나 결함이 상부층으로 전이되는 것을 억제하는 연구가 진행되고 있다. 이러한 방법들로, 서로 다른 반도체층을 적층함으로써 결함의 전이 방향을 바꾸어, 에피택셜층 상에 형성되는 박막으로 결함이 전이되는 것을 억제하는 방법, 저온에서 에피택셜층을 삽입하여 결함의 전이를 억제하는 방법, 에피택셜층과 결정구조 및 격자상수가 유사한 물질층을 기판과의 사이에 삽입하는 방법 등이 있다.
그리고 펜도 에피택시(pendo epitaxy) 또는 ELOG(epitaxial lateral over growth)라고 일컬어지는 방법에 대해 많이 연구되고 있는데, 이는 금속 또는 타 물질을 이용하여 결함의 일부 전이를 억제하고, 성장층의 측면 성장을 이용하여 양질의 에피택셜층을 형성하는 방법이다. 특히, 이 방법은 발광소자의 활성층으로 이용되는 GaN 에피택셜층을 형성하고자 하는 경우 많이 연구되는 것으로, 주로 SiN이나 금속 등을 사용하여 결함의 전이를 억제하고, 기판과 수직 이외의 방향으로 에피택셜층의 성장을 유도함으로써 결함을 최소화시키는 방법이다.
그러나 상기의 방법들은 별도의 박막을 형성하거나, 별도의 증착장비를 이용하여야 하고, 여러 단계의 추가적인 공정이 요구되므로, 공정이 복잡해지고 공정 효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 격자상수가 서로 다른 단결정 기판 상에 에피택셜층을 성장시킴에 있어, 공정이 간단하면서도 에피택셜층 내에 생성된 결함을 최소화할 수 있는 에피택셜층을 형성하는 방법 및 이에 의해 제조된 적층 구조물을 제공하는 데에 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 적층 구조물은 기판; 상기 기판 상에 형성되며, 탄화된 포토레지스트로 이루어진 마스크 패턴; 및 상기 기판과 마스크 패턴이 함께 덮이도록 상기 기판 상에 형성되어 있는 에피택셜층(epitaxial layer);을 구비한다.
본 발명에 따른 적층 구조물에 있어서, 상기 기판과 에피택셜층 사이에는 버퍼층이 더 형성되어 있을 수 있다.
본 발명에 따른 적층 구조물에 있어서, 상기 에피택셜층은 질화갈륨계 화합물 반도체로 이루어질 수 있으며, 상기 에피택셜층은 발광소자의 활성층으로 이용될 수 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 에피층 형성방법은 기판 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트 패턴을 탄화시켜 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 기판과 마스크 패턴이 함께 덮이도록 상기 기판 상에 에피택셜층을 형성하는 단계;를 갖는다.
본 발명에 따른 에피층 형성방법에 있어서, 상기 포토레지스트 패턴을 탄화시켜 마스크 패턴을 형성하는 단계와 상기 에피택셜층을 형성하는 단계는 인시튜(in-situ)로 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 에피층 형성방법에 있어서, 상기 에피택셜층을 형성하는 단계 이전에, 상기 기판과 상기 에피택셜층 사이에 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 에피층 형성방법에 있어서, 상기 포토레지스트 패턴의 탄화는, 수소, 질소 및 불활성 가스 중 적어도 하나의 분위기에서 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 에피층 형성방법에 있어서, 상기 에피택셜층은 질화갈륨계 화합물 반도체로 이루어질 수 있으며, 상기 에피택셜층은 발광소자의 활성층으로 이용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 마스크 패턴을 이용하여 에피택셜층의 측면 성장이 유리한 조건을 제공함으로써, 결함이 적은 고품질의 에피택셜층을 형성할 수 있다. 그리고 이러한 마스크 패턴을 포토레지스트 패턴을 탄화시키는 방식으로 형성함으로써, 기존의 복잡한 공정들을 간소화할 수 있게 되어 공정 효율을 높일 수 있게 된다. 이로써, 발광소자의 활성층으로 이용되는 질화갈륨 에피택셜층을 대면적으로 형성할 수 있게 되어, 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 에피택셜층을 형성하는 방법에 대한 바람직한 일 실시예의 수행과정을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 에피택셜층을 형성하는 방법을 설명하기 위해 공정 순서를 나타내는 도면들이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법으로 형성된 에피택셜층의 평면(plane view) SEM(scanning electron microscope) 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 방법으로 형성된 에피택셜층의 CL(cathode luminescence) 사진이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 탄화된 포토레지스트를 이용하여 에피택셜층을 형성하는 방법 및 이에 의해 제조된 적층 구조물의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 에피택셜층을 형성하는 방법에 대한 바람직한 일 실시예의 수행과정을 나타내는 흐름도이고, 도 2는 본 발명에 따른 에피택셜층을 형성하는 방법을 설명하기 위해 공정 순서를 나타내는 도면들이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 에피택셜층을 형성하는 방법은 우선, 기판(210) 상에 포토레지스트(photoresist)(220)를 도포한다(S110). 포토레지스트(220)는 기판(210) 상에 스핀코팅 등으로 도포할 수 있다. 기판(210)의 종류는 특별히 제한되지 않으나, 발광소자로 이용하기 위해 사파이어 기판이 이용될 수 있다. 포토레지스트의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 네거티브(negative) 포토레지스트나 포지티브(positive) 포토레지스트 모두 이용할 수 있다. 기판(210) 상에 포토레지스트(220)를 도포한 후, 포토레지스트(220)가 기판(210) 상에 고르게 퍼지도록 베이크를 실시하여, 0.5μm 내지 10μm 정도의 두께를 갖는 포토레지스트(220)를 기판(210) 상에 형성시킨다.
다음으로, 사진식각(photolithography) 공정을 통해 기판(210) 상에 포토레지스트 패턴(230)을 형성한다(S120). 포토레지스트(220) 상에 노광영역과 차광영역을 갖는 마스크를 배치시킨 후, 자외선을 조사한다. 자외선은 노광영역은 통과하게 되고, 차광영역은 통과하지 못하게 된다. 포토레지스트(220)가 네거티브 포토레지스트인 경우, 자외선이 조사된 부분(노광영역에 해당하는 부분)의 포토레지스트는 경화되고, 자외선이 조사되지 않은 부분(차광영역에 해당하는 부분)의 포토레지스트는 미경화된 상태로 남게 된다. 반대로, 포토레지스트(220)가 포지티브 포토레지스트인 경우, 자외선이 조사되지 않은 부분(차광영역에 해당하는 부분)의 포토레지스트는 경화되고, 자외선이 조사된 부분(노광영역에 해당하는 부분)의 포토레지스트는 미경화된 상태로 남게 된다. 따라서 포토레지스트(220) 상에 마스크를 배치시킨 후, 자외선을 조사하면 포토레지스트(220)는 경화영역과 미경화영역으로 구분된다. 그리고 현상액(developer)을 이용하여 미경화영역을 제거하면, 경화영역의 포토레지스트만이 잔존하여, 도 2(b)에 도시된 바와 같이 기판(210) 상에 포토레지스트 패턴(230)을 형성하게 된다. 이러한 포토레지스트 패턴(230)은 적절한 마스크를 이용하면, 원하는 형태의 패턴을 갖도록 할 수 있으며, 예컨대, 주기적인 패턴을 갖도록 포토레지스트 패턴(230)이 형성될 수 있다.
다음으로, 포토레지스트 패턴(230)을 탄화시켜, 기판(210) 상에 마스크 패턴(240)을 형성한다(S130). S130 단계는 진공상태에서 100℃ 내지 1250℃의 온도 범위와 50 Torr 내지 780 Torr의 공정압력 범위에서 열처리하는 방식으로 이루어져, 포토레지스트 패턴(230)을 탄화시키게 된다. 이때 열처리 분위기는 수소, 질소 및 불활성 가스 분위기 중 어느 하나의 분위기를 이용한다. 불활성 가스는 아르곤, 네온, 헬륨 등이 이용될 수 있다. 바람직하게는 수소 분위기 또는 질소 분위기에서 포토레지스트 패턴(230)을 탄화시키며, 이를 통해 도 2(c)에 도시된 바와 같이, 탄화된 포토레지스트로 이루어진 마스크 패턴(240)이 기판(210) 상에 형성된다. 마스크 패턴(240)은 0.01μm 내지 1μm 정도의 높이를 갖도록 형성된다. 마스크 패턴(240)에 의해, 기판(210)의 표면은 부분적으로 노출된다. 포토레지스트 패턴(230)을 주기적인 패턴을 갖도록 형성하면, 마스크 패턴(240)은 주기적인 패턴을 갖도록 형성되며, 이에 따라 기판(210)의 표면이 노출된 부분 또한 주기적인 패턴을 갖게 된다.
S130 단계는 별도의 과정으로 수행될 수도 있고, 버퍼층 형성을 위한 기판 클리닝 과정에서 함께 수행될 수도 있다. 즉, 기판 클리닝을 위해 기판의 온도를 높일 필요가 있는데, 이때, 포토레지스트 패턴(230)을 탄화시키는 S130 단계가 수행될 수 있다.
다음으로, 기판(210) 표면이 노출된 영역에 버퍼층(250)을 형성한다(S140). 버퍼층(250)은 기판(210)과 에피택셜층(260) 사이에서 발생되는 응력을 완화시키는 역할을 한다. 기판(210)이 사파이어 기판이고, 에피택셜층(260)이 질화갈륨(GaN)으로 이루어진 경우, 버퍼층(250)은 InxAlyGa1 -x-yN(x≥0, y>0, x+y≤1)으로 이루어질 수 있다. 버퍼층(250)은 금속유기화학증착법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)으로 형성할 수 있다. S140 단계는 S130 단계와 인시튜(in-situ)로 수행할 수 있다. 버퍼층(250)은 1μm 이하의 두께를 갖도록 형성할 수 있다.
다음으로, 버퍼층(250)과 마스크 패턴(240)이 함께 덮이도록, 기판(210) 상에 에피택셜층(260)을 형성한다(S150). 에피택셜층(260)은 먼저 버퍼층(250) 상에서 성장한 후, 마스크 패턴(240) 상에서는 측면 성장(lateral growth)을 통해 성장하여, 도 2(e)에 도시된 바와 같이 마스크 패턴(240)을 덮게 된다. 에피택셜층(260)은 질화갈륨(GaN)계 화합물 반도체로 이루어질 수 있다. 이를 통해, 에피택셜층(260)은 발광소자의 활성층(active layer)으로 이용될 수 있다. 에피택셜층(260)은 MOCVD, MBE, HVPE, ALD 등을 통해, 0.5μm 내지 10μm 정도의 두께로 형성할 수 있다. 그리고 S130 단계, S140 단계 및 S150 단계는 모두 인시튜로 수행할 수 있다. 에피택셜층(260)이 먼저 버퍼층(250) 상에서 성장한 후, 마스크 패턴(240) 상에서는 측면 성장(lateral growth)을 통해 성장하는 과정을 도 3 및 도 4에 나타내었다.
도 3은 본 발명에 따른 방법으로 형성된 에피택셜층의 평면(plane view) SEM(scanning electron microscope) 사진이고, 도 4는 본 발명에 따른 방법으로 형성된 에피택셜층의 CL(cathode luminescence) 사진이다.
도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 에피택셜층(260)은 버퍼층 상에서 먼저 성장한 후, 마스크 패턴(240)을 덮게 된다는 것을 알 수 있다. 즉, 마스크 패턴(240) 상에서는 측면 성장을 통해 마스크 패턴(240)을 덮게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 마스크 패턴(240)을 이용하여 에피택셜층(260)의 측면 성장이 유리한 조건을 제공함으로써, 결함이 적은 고품질의 에피택셜층(260)을 형성할 수 있다. 그리고 이러한 마스크 패턴(260)은 포토레지스트 패턴(240)을 탄화시키는 방식으로 형성하게 되므로, 간단한 공정을 통해 형성할 수 있다. 즉, 기존에 널리 알려진 사진식각 공정과 열처리 공정만으로 마스크 패턴(260)을 손쉽게 형성할 수 있게 된다. 따라서 기존의 복잡한 공정들을 간소화할 수 있게 되어 공정 효율을 높일 수 있게 되고, 발광소자의 활성층으로 이용되는 질화갈륨 에피택셜층을 대면적으로 형성할 수 있게 되어, 생산성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 기판 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트 패턴을 탄화시켜 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 기판과 마스크 패턴이 함께 덮이도록 상기 기판 상에 에피택셜층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 포토레지스트 패턴을 탄화시켜 마스크 패턴을 형성하는 단계와 상기 에피택셜층을 형성하는 단계는 인시튜(in-situ)로 수행하는 것을 특징으로 하는 에피택셜층 형성방법.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 에피택셜층을 형성하는 단계 이전에,
    상기 기판과 상기 에피택셜층 사이에 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에피택셜층 형성방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 포토레지스트 패턴의 탄화는, 수소, 질소 및 불활성 가스 중 적어도 하나의 분위기에서 수행하는 것을 특징으로 하는 에피택셜층 형성방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 에피택셜층은 질화갈륨계 화합물 반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 에피택셜층 형성방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 에피택셜층은 발광소자의 활성층으로 이용되는 것을 특징으로 하는 에피택셜층 형성방법.
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JP2009184899A (ja) * 2008-02-08 2009-08-20 Showa Denko Kk Ｉｉｉ族窒化物半導体エピタキシャル基板およびその製造方法

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