KR101157426B1

KR101157426B1 - 질화갈륨 성장용 베이스 기판, 베이스 기판 제조 방법 및질화갈륨 성장 방법

Info

Publication number: KR101157426B1
Application number: KR1020080019495A
Authority: KR
Inventors: 유영조; 신현민
Original assignee: 삼성코닝정밀소재 주식회사
Priority date: 2008-03-03
Filing date: 2008-03-03
Publication date: 2012-06-22
Also published as: KR20090094516A

Abstract

적어도 하나 이상의 절단 라인이 형성되어 둘 이상의 부분으로 분리 가능하고, 상기 절단 라인에는 절단 라인을 따라 형성된 산화물 또는 질화물을 포함하는 질화갈륨 성장용 베이스 기판을 제공한다. 상기 산화물은 예를 들어 SiO₂ 또는 ZnO이 사용될 수 있고, 상기 질화물은 SiN 또는 Si₃N₄ 이 사용될 수 있다. 질화갈륨 성장용 베이스 기판은 적어도 하나 이상의 절단 라인을 형성하고, 상기 절단 라인에 절단 라인을 따라 산화물 또는 질화물을 형성하는 단계를 포함하여 형성된다. 본 발명은 또한, 상기 베이스 기판 상면에 질화갈륨을 성장하는 단계를 포함하는 질화갈륨 성장 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 휨 및 크랙 발생이 방지된 대면적 질화갈륨 웨이퍼를 제조할 수 있다.

질화갈륨, 휨, 베이스 기판, 산화물, 질화물

Description

질화갈륨 성장용 베이스 기판, 베이스 기판 제조 방법 및 질화갈륨 성장 방법{BASE SUBSTRATE FOR GALLIUM NITRIDE, FABRICATION METHOD OF BASE SUBSTRATE, AND FABRICATION METHOD OF GALLIUM NITRIDE}

본 발명은 질화갈륨 웨이퍼에 관한 것으로, 질화갈륨 성장 과정 또는 분리 과정에서 휨이 없고 대면적의 질화갈륨 웨이퍼를 제조할 수 있는 베이스 기판 및 그 제조 방법, 이를 이용한 질화갈륨 성장 방법을 제안한다.

질화갈륨은 에너지 밴드갭(Bandgap Energy)이 3.39eV고, 직접 천이형인 반도체 물질로 단파장 영역의 발광 소자 제작 등에 유용한 물질이다. 질화갈륨 단결정은 융점에서 높은 질소 증기압 때문에 액상 결정 성장은 1500℃ 이상의 고온과 20000 기압의 질소 분위기가 필요하므로 대량 생산이 어렵다.

지금까지 질화갈륨막은 이종 기판상에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 또는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법 등의 기상 성장법으로 성장되고 있다. MOCVD법은 고품질의 막을 얻을 수 있음에도 불구하고 성장 속도가 너무 느리기 때문에 수십 또는 수백 ㎛의 GaN 기판을 얻는데 사용하기가 어려운 문제가 있다. 이러한 이유로 GaN 후막을 얻기 위해서는 HVPE를 이용한 성장 방법이 주로 사용된다.

질화갈륨막 제조용 이종 기판으로는 사파이어(Sapphire) 기판이 가장 많이 사용되고 있는데, 이는 사파이어가 질화갈륨과 같은 육방정계 구조이며, 값이 싸고, 고온에서 안정하기 때문이다. 그러나 사파이어는 질화갈륨과 격자 상수 차(약 16%) 및 열팽창 계수 차(약 35%)에 의해 계면에서 스트레인(Strain)이 유발되고, 이 스트레인이 결정 내에 격자 결함 및 크랙(crack)을 발생시켜 고품질의 질화갈륨막 성장을 어렵게 하고, 질화갈륨막 상에 제조된 소자의 수명을 단축시킨다.

사파이어 기판 위에 질화갈륨을 성장시키는 경우 사파이어 기판과 질화갈륨의 열팽창계수 차이로 인하여 질화갈륨층 성장시 도 1a에 도시된 바와 같이 사파이어 기판(100)으로부터 질화갈륨층(200)으로 휨이 발생한다. 또한, 질화갈륨층 성장 후 냉각 과정에서는 도 1b에 도시한 바와 같이 반대 방향으로 휨이 발생하여 질화갈륨층엔 전체적으로 스트레스가 가해지므로, 사파이어 기판으로부터 분리된 후에도 질화갈륨 자립층(freestanding layer)의 내구성이 취약하게 된다.

이러한 휨을 방지하기 위하여 질화갈륨에 비하여 열팽창계수 차이가 큰 사파이어에 비해서 열팽창계수 차이가 비교적 작은 GaAs 기판을 사용하는 방안에 제안된 바 있지만, GaAs는 고가이고 열에 열화되는 단점이 있다.

사파이어 기판 위에 질화갈륨을 성장시키는 경우 문제가 다른 하나는 사파이어 기판에서 성장한 질화갈륨 박막 또는 후막을 기판으로부터 분리하는 것이 용이하지 않다는 점이다. 사파이어 기판으로부터 성장한 질화갈륨을 분리하는 방법으로는 레이저를 이용한 기계적 분리 방법이 있다.

예를 들어, 도 2에 도시한 바와 같이 사이이어 기판(100)과 질화갈륨층(200)에 레이저를 조사하면 두 물질 사이의 계면에서 레이저에 의한 계면 융착이 발생하고, 그 결과 도 3에 도시한 바와 같이 질화갈륨층(200')을 사파이어 기판으로부터 분리할 수 있다. 그러나, 레이저를 이용한 질화갈륨층의 기계적 방식의 분리는 분리 과정에서 질화갈륨층에 부가적으로 휨을 유발할 수 있다.

이와 같이 성장 과정 및 분리 과정에서 발생되는 질화갈륨의 휨은 다양한 소자에 응용되는데 제약이 되며, 따라서 생산성 및 제품 품질을 향상시킬 수 있는 개선된 질화갈륨 제조 방법이 요청되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 대면적 고품질의 질화갈륨 웨이퍼를 성장시키는 방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 질화갈륨 성장 과정에서 발생될 수 있는 질화갈륨 웨이퍼의 휨을 방지하는 질화갈륨 성장용 베이스 기판을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 대면적 고품질의 질화갈륨 성장이 가능한 베이스 기판 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 적어도 하나 이상의 절단 라인이 형성되어 둘 이상의 부분으로 분리 가능하고, 상기 절단 라인에는 절단 라인을 따라 형성된 산화물 또는 질화물을 포함하는 질화갈륨 성장용 베이스 기판을 제공한다.

상기 산화물은 예를 들어 SiO₂ 또는 ZnO, 상기 질화물은 SiN 또는 Si₃N₄ 이 사용될 수 있다. 상기 베이스 기판의 일면에는 베이스 기판의 각 부분이 서로 분리되지 않도록 지지하는 지지 기판을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 질화갈륨 성장용 베이스 기판은 적어도 하나 이상의 절단 라인을 형성하고, 상기 절단 라인에 절단 라인을 따라 산화물(또는 질화물)을 형성하는 단계를 포함하여 형성된다.

상기 산화물은 Si 또는 Zn을 상기 베이스 기판의 절단 라인 위에 형성하고, 상기 Si 또는 Zn을 산화시켜 형성할 수 있다. SiN 또는 Si₃N₄의 경우 Si를 질화시켜서 형성한다. 또한, 상기 Si 또는 Zn은 상기 베이스 기판에 포토레지스트층을 형성하고, 상기 포토레지스트층을 국부적으로 제거하여 상기 절단 라인을 따라 소정 폭의 개구부를 형성하고, 상기 개구부에 Si 또는 Zn을 증착하는 단계로 형성할 수 있다.

본 발명은 또한, 적어도 하나 이상의 절단 라인이 형성되고, 상기 절단 라인에 절단 라인을 따라 산화물(또는 질화물)이 형성되어 있는 베이스 기판을 준비하고, 상기 베이스 기판 상면에 질화갈륨을 성장하는 단계를 포함하는 질화갈륨 성장 방법을 제공한다.

상기 질화갈륨은 상기 산화물의 종류에 따라 산화물 위에서 이종 에피탁시(hetero epitaxy) 성장하거나, 상기 산화물 표면에서는 직접 성장하지 않고 산화물 주변에서 성장된 질화갈륨이 산화물 위에서 상호 연결되어 질화갈륨이 성장될 수도 있다.

본 발명에 따르면, 휨 및 크랙 발생이 방지된 질화갈륨 웨이퍼를 제조할 수 있다. 뿐만 아니라, 대면적의 질화갈륨 성장 시 휨 또는 크랙 발생이 방지되어 고품질 질화갈륨 웨이퍼의 생산성 및 제조 수율을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 대면적 베이스 기판 위에 질화갈륨 후막을 성장시킬 경우 필연적으로 발생하는 휨을 저감시키는 기술에 관한 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 질화갈륨 성장용 베이스 기판(110)을 보인 평면도이다. 웨이퍼 형태의 베이스 기판(110)에는 가로 방향과 세로 방향으로 총 두 개의 절단 라인(115)이 형성되어 있다.

상기 절단 라인(115)은 대면적의 베이스 기판 위에 성장하는 질화갈륨(미도시)과 베이스 기판 사이의 열팽창계수의 차이로 인하여 질화갈륨에 가해지는 응력을 완화시키는 역할을 한다. 상기 절단 라인(115)에는 도 5에 도시한 바와 같이 산화물(132)로 구성되는 성장 완충부가 형성되어 질화갈륨 성장 시 절단 라인의 존재 인한 성장 결함이 발생되는 것을 방지한다.

베이스 기판(110)의 하면에는 후술하는 바와 같이 질화갈륨 성장 시 베이스 기판에 물리적인 지지력을 부여하는 지지 기판이 부가적으로 부착될 수 있다.

본 실시예에서는 직경 2 인치 사파이어 기판을 예로 들어 도시된 바와 같이 상호 직교하는 두 개의 절단 라인으로 베이스 기판을 4등분으로 하였다. 그러나, 베이스 기판의 크기, 재질 등에 따라 절단 라인의 형태와 수는 달라질 수 있을 것이다. 또한, 본 발명에 있어서 베이스 기판에 절단 라인을 형성하는 방법에 대해서는 특별한 제한을 두지 않는다.

본 발명의 일실시예에 따른 베이스 기판 제조 및 질화갈륨 성장 공정을 도 6 내지 도 10을 참조하여 설명한다.

절단 라인(115)(의도적으로 형성한 크랙)이 형성된 베이스 기판(110) 하부에는 지지 기판(120)이 위치한다. 이 지지 기판은 절단 라인이 없는 베이스 기판을 사용할 수도 있으며, 질화갈륨 성장 중에 베이스 기판에 물리적인 안정성을 부여할 수 있는 임의의 재질의 기판을 사용할 수 있다. 지지 기판은 베이스 기판에 절단 라인을 형성하기 전 또는 형성한 후에 베이스 기판의 일면에 부착할 수 있을 것이다.

베이스 기판(110)으로는 SrTiO₃, ScAlMgO₄, LiNbO₃, Al₂O₃(사파이어), LiAlO₂, LiGaO₂, ZnO 등의 산화물 계열, 또는 AlN, GaN, InN 등의 질화물 계열 물질로 된 기판을 사용할 수 있다.

상기 베이스 기판의 크기는 특별히 제한될 필요는 없지만, 본 발명에 따른 질화갈륨 성장용 베이스 기판은 특히 대면적 질화갈륨 성장에 적합하므로, 예를 들어 베이스 기판의 직경이 1 인치 이상인 것이 바람직하다.

적어도 하나 이상의 절단 라인이 형성되어 둘 이상의 부분으로 분리 가능한 베이스 기판에 절단 라인을 따라 산화물(또는 질화물)을 형성하기 위하여, 포토레 지스트(140)을 형성하고 절단 라인이 위치하는 부분(142)을 국부적으로 제거하여 베이스 기판을 노출시킨다(도 6 참조).

베이스 기판의 노출된 부위(142)에 마스크 정렬기(mask aligner)를 사용하여 금속막(130)을 패턴 형태로 증착한다. 증착되는 금속의 형상은 절단 라인(115)을 따라서 이루어지므로 예를 들어, 스트라이프 형태의 패턴이 될 수 있다. 금속막에 사용되는 물질은 예를 들어 Zn을 이용할 수 있다. Zn의 산화물은 질화갈륨과의 격자 정합성이 우수하여 질화갈륨 성장에 유리한 장점이 있다. 따라서, 이러한 목적에 부합하는 다른 물질도 금속막으로 사용될 수 있을 것이다. 금속막의 증착 이후에는 포토레지스트를 제거한다(도 7).

본 실시예에서 설명한 금속막의 증착 과정은 반도체 공정에서 배선 공정(metallization)과 유사하며, 금속막 형성 방법의 일례로 제시한 것일 뿐 본 발명이 이에 한정될 필요는 없다. 따라서, 상기 금속막의 두께, 폭, 형태 등에 따라 다른 적절한 패턴 형성 방법, 예를 들어 스크린 프린팅 등의 방법도 이용할 수 있을 것이다.

또한, 금속막의 두께, 폭 등은 특별히 한정될 필요는 없지만 가급적 박형의 미세 라인 형태로 형성하는 것이 질화갈륨 성장에 유리하다.

금속막의 증착이 완료된 후 산화 분위기에서 금속막을 열산화시켜 산화물(132)(ZnO)로 변화시킨다(도 8 참조). 상기 산화물은 절단 라인을 따라 스트라이프(stripe) 형태의 패턴으로 형성되어 베이스 기판의 절단 라인이 질화갈륨 성장 시 결함이나 응력 불균일을 야기하지 않도록 가교하는(bridging) 역할을 한다.

산화물이 절단 라인을 따라 형성된 베이스 기판 위에 도 9에 도시한 바와 같이 질화갈륨(200a)을 성장시킨다. 질화갈륨의 성장은 예를 들어 기상 에피탁시(HVPE) 방법을 이용할 수 있다. 질화갈륨은 베이스 기판 전체 및 절단 라인 위의 산화물(132) 패턴 위에서도 동시에 성장된다. 질화갈륨과의 격자 정합성이 우수한 ZnO이 형성되어 있기 때문에 산화물 위에서도 질화갈륨이 이종 에피탁시(hetero epitaxy) 성장하며, 질화갈륨의 성장 두께가 커질수록 산화물의 존재로 인한 질화갈륨(200b)의 높이 편차는 무시할만한 수준에 도달한다(도 10). (도 9 및 도 10에서는 이해를 돕기 위하여 산화물(132)의 두께가 과장되어 있다.)

본 발명의 다른 실시예에 따른 베이스 기판 제조 및 질화갈륨 성장 공정을 도 11 내지 도 17을 참조하여 설명한다.

절단 라인(115)이 형성되어 있고 지지 기판(120)이 부착된 베이스 기판(110)에 포토레지스트(140)를 형성하고 이를 절단 라인을 따라 국부적으로 제거(예를 들어, 식각)하여 베이스 기판의 절단 라인 부위(142)를 노출시킨다(도 11).

앞선 실시예와 차이점은 노출된 부위(142)에 금속막(134)으로 Si를 형성하는 점이다(도 12). 금속막의 형성은 증착이나 인쇄 등의 방법을 이용할 수 있을 것이다. 금속막이 형성된 후 포토레지스트는 제거된다. 다음으로, 금속막을 산화 분위기에서 열산화시켜 산화물(136)(SiO₂)로 상변이 시킨다(도 13 참조). SiO₂이외에 SiN 또는 Si₃N₄으로 상변이 시키고자 할 때에는 Si를 열질화 시킨다.

산화물(136) 패턴 형성이 완료되면, 베이스 기판 위에 질화갈륨을 성장시킨 다. 성장 과정에서 질화갈륨의 증착 메카니즘이 앞선 실시예에서와 다른 차이를 보이게 된다. 즉, 베이스 기판 위에서는 질화갈륨(200c)이 성장하지만, 산화물(136)(SiO₂) 또는 질화물 (SiN 또는 Si₃N₄) 위에서는 성장하지 않는다(도 14). 질화갈륨의 성장 두께가 산화물 두께를 초과하게 되면, 산화물 주변에서 성장된 질화갈륨(200d)이 산화물 위에서 상호 연결되어 산화물 위 부분에서도 함께 성장이 일어난다(도 15의 A 부분). 이후 질화갈륨의 성장 두께가 커짐에 따라 전체적인 질화갈륨(200e)의 두께 균일성이 확대된다(도 16).

이와 같이 절단 라인이 형성된 베이스 기판을 질화갈륨 성장에 사용한 경우, 성장 중에 질화갈륨에 발생되는 휨이 30% 이상이 감소하는 것을 확인하였다. 따라서 질화갈륨을 베이스 기판 위에 증착시 두께 증가에 따른 휨의 증가로 결국은 크랙이 생기는 단점을 해결할 수 있었다. 그 결과, 기상 에피탁시 방법으로 성장시 임계 두께인 400㎛ 보다 두껍게 질화갈륨을 형성시킬 수 있었다.

특히, 본 발명에 따른 베이스 기판은 질화갈륨 성장 과정에서 온도 변화나 응력의 불일치에 따른 크랙 발생을 절단 라인을 통해 해소하여 질화갈륨에 응력이 과도하게 집중되는 것을 방지한다. 도 17은 이러한 응력 방지 메카니즘을 모식적으로 보인 것으로 베이스 기판(110)의 변형에 따라 절단 라인이 간극(112)이 발생한 것을 알 수 있다. 이와 같이 베이스 기판의 절단 라인은 질화 갈륨에 전달될 수 있는 응력을 억제하는 수단으로 작용하여 질화갈륨의 휨을 근원적으로 방지하게 된다.

본 발명에 따른 질화갈륨 성장용 베이스 기판은 질화 갈륨의 대면적화, 성장 두께 증대를 가능케 하므로, 원가 절감 차원에서도 매우 유리하다.

이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.

도 1a 및 1b는 이종 기판 위에 성장시 발생하는 질화갈륨층의 휨을 보인 모식도.

도 2는 레이저를 이용한 질화갈륨 분리 방법을 도시한 모식도.

도 3은 기계적 방식으로 분리된 질화갈륨층을 보인 모식도.

도 4는 본 발명에 따른 질화갈륨 성장용 베이스 기판을 보인 평면도.

도 5는 본 발명에 따른 질화갈륨 성장용 베이스 기판을 보인 측면도.

도 6 내지 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 베이스 기판 제조 및 질화갈륨 성장 공정을 보인 순서도.

도 11 내지 도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 베이스 기판 제조 및 질화갈륨 성장 공정을 보인 순서도.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

110:베이스 기판 115:절단 라인

120:지지 기판 132:산화물

136:산화물 (또는 질화물) 140:포토레지스트

200a,200b:질화갈륨

Claims

적어도 하나 이상의 절단 라인이 형성되어 둘 이상의 부분으로 분리 가능하고,

상기 절단 라인에는 절단 라인을 따라 형성된 산화물 또는 질화물을 포함하되,

상기 산화물은 SiO₂ 또는 ZnO, 상기 질화물은 SiN 또는 Si₃N₄인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장용 베이스 기판.
삭제
제1항에 있어서, 상기 베이스 기판의 일면에는 베이스 기판의 각 부분이 서로 분리되지 않도록 지지하는 지지 기판을 더 포함하는 질화갈륨 성장용 베이스 기판.
제1항에 있어서, 상기 산화물 또는 질화물은 절단 라인을 따라 스트라이프(stripe) 형태의 패턴으로 형성되어 있는 질화갈륨 성장용 베이스 기판.
제1항에 있어서, 상기 베이스 기판은 SrTiO₃, ScAlMgO₄, LiNbO₃, 사파이어, LiAlO₂, LiGaO₂, ZnO, AlN, GaN 및 InN 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질로 구성되는 질화갈륨 성장용 베이스 기판.
제1항에 있어서, 상기 베이스 기판은 직경이 1 인치 이상인 질화갈륨 성장용 베이스 기판.
베이스 기판에 적어도 하나 이상의 절단 라인을 형성하고,

상기 절단 라인에 절단 라인을 따라 산화물 또는 질화물을 형성하는 단계를 포함하되,

상기 산화물 또는 질화물은 Si 또는 Zn을 상기 베이스 기판의 절단 라인 위에 형성하고, 상기 Si 또는 Zn을 산화시키거나 Si를 질화시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장용 베이스 기판 제조 방법.
삭제
제7항에 있어서, 상기 Si 또는 Zn은 상기 베이스 기판에 포토레지스트층을 형성하고,

상기 포토레지스트층을 국부적으로 제거하여 상기 절단 라인을 따라 소정 폭의 개구부를 형성하고,

상기 개구부에 Si 또는 Zn을 증착하는 질화갈륨 성장용 베이스 기판 제조 방법.
제7항에 있어서, 상기 산화물은 Si 또는 Zn을 열산화시키고 상기 질화물은 Si를 열질화시켜 형성하는 질화갈륨 성장용 베이스 기판 제조 방법.
제7항에 있어서, 상기 베이스 기판에 절단 라인을 형성하기 전 또는 형성한 후에 베이스 기판의 일면에 지지 기판을 부착하는 단계를 더 포함하는 질화갈륨 성장용 베이스 기판 제조 방법.
적어도 하나 이상의 절단 라인이 형성되고, 상기 절단 라인에 절단 라인을 따라 산화물 또는 질화물이 형성되어 있는 베이스 기판을 준비하고,

상기 베이스 기판 상면에 질화갈륨을 성장하는 단계를 포함하되,

상기 산화물은 SiO₂ 또는 ZnO, 상기 질화물은 SiN 또는 Si₃N₄인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장 방법.
삭제
제12항에 있어서, 질화갈륨은 상기 산화물 위에 이종 에피탁시(hetero epitaxy) 성장하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장 방법.
제12항에 있어서, 질화갈륨은 상기 산화물 표면에서는 직접 성장하지 않고 산화물 주변에서 성장된 질화갈륨이 산화물 위에서 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장 방법.