KR101117189B1

KR101117189B1 - ＧａＮ 기판 자동분리 방법

Info

Publication number: KR101117189B1
Application number: KR1020110001397A
Authority: KR
Inventors: 한재용
Original assignee: 주식회사 루미스탈
Priority date: 2011-01-06
Filing date: 2011-01-06
Publication date: 2012-03-07

Abstract

본 발명은 HVPE법에 의한 질화물 단결정 기판 제조공정에 있어서, 기판으로 사용되는 사파이어 기판과 그 위에 성장되는 질화물 단결정 후막을 반응기 내에서 자동으로 분리하는 방법에 관한 것이다.

Description

ＧａＮ 기판 자동분리 방법{Self Separation Method of GaN Thick Film from Sapphire Wafer}

본 발명은 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy : 수소화물 기상 성장)법에 의하여 성장된 질화갈륨(GaN) 단결정 후막을 사파이어 기판으로부터 분리시키는 방법에 관한 것이다.

AlN, GaN, InN 등과 같은 질화물 반도체 재료는 밴드갭이 0.65 eV에서 6.2 eV에 이르는 직접 천이형 반도체 재료이므로 이 세가지 재료가 고용체(solid-solution)를 형성하여 적외선에서부터 자외선까지 모든 가시광선을 발광할 수 있어 LED(Light Emitting Diode), LD(Laser Diode)와 같은 발광 소자용 재료로 각광을 받고 있다. 또한 재료의 물성이 단단하고 강하며 전자이동도(electron mobility)도 큰 장점이 있어 고온, 방사능 등의 열악한 환경에서도 높은 출력으로 동작하는 고온/고출력/고속 전자소자로도 활용되는 재료이다.

통상적인 청색 LED 또는 백색 LED는 사파이어 기판 위에 GaN 박막을 성장시켜 제조되지만, 초고출력 LED(Ultra High Brightness LED), 청자색 LD(Laser Diode) 등과 같이 대단히 높은 전류 밀도가(예:1000 A/cm²이상) 요구되는 GaN 소자를 제조하기 위해서는 GaN 웨이퍼가 필요하다. 그 이유는 사파이어 기판 위에 성장된 GaN 박막의 결함밀도는 약 10⁸~10⁹/cm² 정도이므로 높은 결함밀도에 기인하여 소자의 수명이 감소하는 단점이 있다.

반면에 GaN 기판의 결함밀도는 10⁷/cm²이하이므로 그 위에 성장된 GaN 박막의 결함밀도도 10⁷/cm²이하가 되어 소자의 수명이 증가되는 장점이 있다. GaN 기판을 제조하는 방법으로는 HVPE법이 가장 일반적인 방법이며, 이외에 Solution법, Sublimation법 등이 있다. HVPE 법은 기상 성장법 중의 하나로 성장속도가 빠르고 원료가 저렴한 장점이 있어 후막이나 벌크(bulk) 결정 성장에 주로 사용되는 방법이다.

HVPE 법을 사용한 질화물반도체 성장장치를 HVPE 시스템 또는 HVPE 성장 장치라고 하며, Hot Wall(고온 벽) 방식의 써멀(thermal) CVD(Chemical Vapor Deposition)로 분류된다.

HVPE 성장장치는 도 1과 같은 형태로 구성될 수 있다. 컴퓨터의 제어를 받는 반응기(reactor)는 원료가 공급되는 소스 존(source zone)과 성장이 이루어지는 성장 존(growth zone)으로 나뉘어지며, 소스 존에는 Ga 메탈(metal)이 들어 있는 보트(boat)가 구비되며, 가스 캐비닛과 연결된 가스 공급장치의 공급량 제어를 받아 NH₃ 공급 튜브(tube), Ga 메탈과 반응하여 GaCl을 발생시키기 위한 HCl 공급 튜브, 및 도핑(doping)을 위한 도펀트(dopant) 공급 튜브를 통해 필요한 가스들을 공급받게 된다.

즉, 소스 존에서는, 가열로1에 의해 적절한 온도로 유지되면서 [화학식 1]과 같은 반응이 일어난다.

[화학식 1]

Ga + HCl -> GaCl + 1/2H₂

성장 존에는 GaN를 성장시키기 위한 기판이 장착되어 있으며 기판의 종류는 사파이어, SiC, GaAs, Si, GaN 등의 기판이 사용될 수 있다. 가열로2에 의해 GaN 가 성장되기에 적합한 온도로 유지된 성장 존에 위와 같은 GaCl과 NH₃ 가스를 흘려 보내면 [화학식 2]와 같은 반응이 일어나 기판 위에 GaN가 성장될 수 있다.

[화학식 2]

GaCl + NH₃ -> GaN + HCl + H₂

기존의 GaN 기판 제조 공정은 사파이어 기판 위에 GaN 단결정 후막을 성장시킨 후, 레이저(Laser)나 화학적 에칭 방법, 또는 물리적 가공방법을 이용하여 사파이어 기판과 GaN 단결정 후막을 분리하고, 분리된 GaN 단결정 후막을 경면 가공하는 공정으로 이루어진다.

예를 들어, 레이저를 이용한 GaN 기판 분리 방법(Laser Lift-Off : LLO)은, 도 2와 같이, 사파이어 기판 쪽으로 GaN 의 밴드갭보다 짧은 파장의 레이저빔을 입사시켜, 계면에 있는 GaN를 Ga 메탈과 질소 가스로 열분해시킴으로써, 사파이어 기판과 GaN 후막을 분리시키는 방법이다.

그러나, 기존의 HVPE 성장 방법으로는 사파이어 기판 위에 성장된 GaN 층을 분리할 수 없어 위와 같이 별도의 레이저 기판분리 공정이 필요하며, 이때 레이저 기판분리 공정에서 GaN 단결정 후막에 크랙(crack)이 쉽게 발생하므로 GaN 기판 제조 수율이 크게 낮아지는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, HVPE법으로 GaN 단결정 후막을 사파이어 기판 위에 성장시키는 공정 중에 기판을 자동으로 분리시켜서 GaN 웨이퍼를 쉽게 제조할 수 있는 GaN 웨이퍼 제조 방법을 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른, 반응기 내부의 온도와 가스 분위기를 조절하여 자동으로 웨이퍼를 제조하는 웨이퍼 제조 방법에 있어서, (A) 제1 온도 범위의 반응기 내부 분위기에서 기판 상에 제1 질화물 반도체층을 형성하는 단계; (B) 상기 반응기 내부 분위기의 온도를 낮추어 제2 온도 범위에서, 상기 제1 질화물 반도체층 상에 제2 질화물 반도체층을 형성하는 단계; (C) 상기 반응기 내부 분위기의 온도를 높여 제3 온도 범위에서, 상기 제2 질화물 반도체층 상에 제3 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 및 (D) 상기 반응기 내부 분위기의 온도를 상온까지 낮추어 상기 제2 질화물 반도체층을 중심으로 분리되도록 하는 단계를 포함하고, (B) 단계에서 형성된 상기 제2 질화물 반도체층의 아몰퍼스 구조가 (C) 단계에서 다공질 우르자이트 구조로 변화되고, (D) 단계에서 열팽창계수 차이에 따라 크랙이 유발되어 상기 분리가 일어나도록 하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 제조 방법.

(B) 단계에서 상기 반응기 내로 공급된 HCl 가스, NH₃ 가스, 및 GaCl 가스에 의해 상기 제2 질화물 반도체층이 NH₄Cl을 함유하여 상기 아몰퍼스 구조를 형성하고, (C) 단계에서 상기 NH₄Cl이 HCl과 NH₃ 기체로 변환되어 상기 제2 질화물 반도체층이 상기 다공질 우르자이트 구조로 변화된다.

상기 기판은 사파이어, SiC, GaAs, Si, 또는 GaN 재질일 수 있다. 상기 제1 온도 범위는 950~1100 ℃, 상기 제2 온도 범위는 400~700 ℃, 상기 제3 온도 범위는 950~1100 ℃ 일 수 있다. 상기 제1 질화물 반도체층, 상기 제2 질화물 반도체층, 및 상기 제3 질화물 반도체층은, GaN 층이다.

상기 제1 질화물 반도체층 및 상기 제2 질화물 반도체층의 두께는 0.1~100㎛일 수 있고, 상기 제3 질화물 반도체층의 두께는 300~1000㎛일 수 있다.

본 발명에 따른 GaN 웨이퍼 제조 방법에 따르면, HVPE법으로 GaN 단결정 후막을 사파이어 기판 위에 성장시키는 공정 중에 기판을 자동으로 분리함으로써, 기존의 레이저 기판분리방법, 화학적/물리적 기판분리 방법에 비하여 용이하게 기판을 분리할 수 있으므로 수율이 크게 향상되는 장점이 있다.

또한, HVPE 장치 내에서 기판분리 공정이 이루어지므로 별도의 장치를 사용하지 않고 간단한 공정으로 기판분리가 가능하므로 GaN 기판 제조 시간과 비용을 크게 감소시킬 수 있다.

그리고, 다공질 GaN 층 위에 GaN 층을 재성장시키므로 결정의 결함이 줄어들어 결정의 품질이 크게 향상되는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 HVPE 성장 장치의 전체 구성도이다.
도 2는 일반적인 레이저를 이용한 GaN 기판 분리 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 사파이어 기판 위에 GaN 층의 성장 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 GaN 웨이퍼 제조 공정을 설명하기 위한 흐름도이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 사파이어 기판 위에 GaN 층의 성장 공정을 설명하기 위한 도면이다. 도 4의 흐름도를 참조하여 설명한다.

먼저, 도 1과 같은 HVPE 성장장치를 사용하여, 반응기의 성장 존의 분위기 온도 950~1100 ℃의 정도에서 반응기 내로 HCl 가스, NH₃ 가스, GaCl 가스를 반응기에 동시에 공급함으로써 기판(예를 들어, 사파이어 기판)(10) 위에 두께 0.1~100㎛의 질화물 반도체층인GaN 층(20)을 형성시킨다(S10). 경우에 따라서는 사파이어 기판 대신에 SiC, GaAs, Si, GaN 등의 다른 재질의 기판이 사용될 수 있다.

다음에, HVPE 성장장치의 반응기의 성장 존의 온도를 400~700 ℃로 냉각시킨다(S20).

다음에, 반응기 내의 성장 존의 온도가 내려가면 반응기 내로 HCl 가스, NH₃ 가스, GaCl 가스를 반응기에 동시에 공급함으로써 기판(10) 위에 형성된 GaN 층(20) 위에 저온의 GaN 층(30)을 형성시킨다(S30). 저온의 GaN 층(30)은 두께 0.1~100㎛ 정도일 수 있다.

이때 형성된 저온의 GaN 층(30)은 아몰퍼스(amorphous) 상에 가까운 구조를 지니고 있으며 다량의 NH₄Cl 성분을 함유하게 된다. 이에 대하여 좀 더 구체적으로 설명하면, GaN는 일반적으로 우르자이트 구조(Wurtzite structure)를 갖게 되는데 저온에서 성장된 GaN는 통상적인 우르자이트 구조를 형성하기에 충분한 에너지가 부족하므로 아몰퍼스 구조를 지니게 된다. 또한 NH₄Cl 분위기에서 GaN 가 형성되므로 NH₄Cl이 불순물로 다량 포함된 형태를 지니게 된다.

다음 공정으로, 반응기의 성장 존의 온도를 950~1100 ℃로 가열하게 되면 NH₄Cl이 다량 포함된 아몰퍼스 구조의 GaN 층(30)은 다공질(porous) 우르자이트 구조로 변환하게 된다(S40). 이때의 반응식은 [화학식 3]과 같다.

[화학식 3]

GaN(Amorphous) + NH₄Cl -> porous GaN(Wurtzite) + HCl + NH₃

이와 같이 재 가열로 인하여 아몰퍼스 구조의 GaN 층은 우르자이크 구조의 GaN 층으로 변환되며 아몰퍼스 GaN 층에 불순물로 포함된 NH₄Cl 성분은 HCl과 NH₃ 기체로 변환되어 방출되고 그 자리는 빈 공간으로 남게 되어 다공질 우르자이트 구조의 GaN 층이 형성된다.

이후, 반응기 내로 HCl 가스, NH₃ 가스, GaCl 가스를 반응기에 동시에 공급함으로써 다공질 GaN 층(30) 위에 GaN 단결정 막을 두껍게 300~1000㎛ 정도 성장시키고(S50) 반응기 성장 존의 온도를 상온까지 내리면(S60), 기판과 GaN 간의 열팽창계수 차이는 약 25.5%(Δa/a)이므로 기판(10)과 GaN 층 근처에서 응력이 크게 발생한다. 이때 사파이어 기판(10), 고온 GaN 층(20), 다공질 GaN 층(30), 및 두꺼운 고온 GaN 층(40) 중에서 다공질 GaN 층(30)이 가장 취약한 부분이므로, 다공질 GaN 층(30)에 크랙이 유발되어 응력이 해소되는 원리로 사파이어 기판과 GaN 층이 서로 분리되어, 위 부분의 GaN 층으로 이루어진 GaN 웨이퍼를 얻을 수 있게 된다.

본 발명에서 도 1과 같은 HVPE 성장장치의 반응기를 이용하여 GaN 웨이퍼를 제조하는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않으며 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 장치를 이용하여도 위와 같이 반응기 내부의 온도와 가스 분위기를 조절하는 방식으로 자동으로 기판으로부터 GaN 층을 분리해 용이하게 GaN 웨이퍼를 제조할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

기판: 10
고온 GaN 층: 20
다공질 GaN 층: 30
고온 후막 GaN 층: 40

Claims

웨이퍼 제조 방법에 있어서,
(A) 제1 온도 범위의 반응기 내부 분위기에서 기판 상에 제1 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
(B) 상기 반응기 내부 분위기의 온도를 낮추어 제2 온도 범위에서, 상기 제1 질화물 반도체층 상에 제2 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
(C) 상기 반응기 내부 분위기의 온도를 높여 제3 온도 범위에서, 상기 제2 질화물 반도체층 상에 제3 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 및
(D) 상기 반응기 내부 분위기의 온도를 상온까지 낮추어 상기 제2 질화물 반도체층을 중심으로 분리되도록 하는 단계를 포함하고,
(B) 단계에서 형성된 상기 제2 질화물 반도체층의 아몰퍼스 구조가 (C) 단계에서 다공질 우르자이트 구조로 변화되고, (D) 단계에서 열팽창계수 차이에 따라 크랙이 유발되어 상기 분리가 일어나도록 하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 제조 방법.
제1항에 있어서,
(B) 단계에서 상기 반응기 내로 공급된 HCl 가스, NH₃ 가스, 및 GaCl 가스에 의해 상기 제2 질화물 반도체층이 NH₄Cl을 함유하여 상기 아몰퍼스 구조를 형성하고, (C) 단계에서 상기 NH₄Cl이 HCl과 NH₃ 기체로 변환되어 상기 제2 질화물 반도체층이 상기 다공질 우르자이트 구조로 변화되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 기판은 사파이어, SiC, GaAs, Si, 또는 GaN 재질인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 온도 범위는 950~1100 ℃ 인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 온도 범위는 400~700 ℃ 인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 제3 온도 범위는 950~1100 ℃ 인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 질화물 반도체층, 상기 제2 질화물 반도체층, 및 상기 제3 질화물 반도체층은, GaN 층인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 질화물 반도체층 및 상기 제2 질화물 반도체층의 두께는 0.1~100㎛인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 제3 질화물 반도체층의 두께는 300~1000㎛인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 제조 방법.