KR101369967B1 - Manufacturing Method of Free Standing GaN Wafer without Bowing Property - Google Patents

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Abstract

본 발명은 결정학적으로 휨이 제거된 GaN 후막을 성장시켜 GaN 자립기판을 제조하는 방법을 제공하기 위한 것으로서, 본 발명의 일면에 따른 질화갈륨 자립기판 제조 방법은, 가열된 반응기 내에 미리 정해진 비율로 GaCl 가스와 NH3 가스를 공급하여 상기 반응기 내의 기판에 GaN 결정을 일정 시간까지 성장시키는 단계, 및 상기 일정 시간 이후에 상기 NH3 가스의 공급량을 최초 공급량 대비 일정 비율까지 감소시키는 단계를 포함하고, 상기 감소시키는 단계에서, 상기 기판에 성장되는 GaN 결정 두께가 증가함에 따라 상기 NH3 가스의 공급량을 감소시켜서 GaN 결정 내의 질소 빈자리를 증가시키기 위한 것을 특징으로 한다.The present invention is to provide a method for producing a GaN free-standing substrate by growing a GaN thick film crystallized from the deflection, the method of manufacturing a gallium nitride free-standing substrate according to an aspect of the present invention, a predetermined ratio in a heated reactor Supplying GaCl gas and NH 3 gas to grow GaN crystals to the substrate in the reactor to a predetermined time, and reducing the supply amount of the NH 3 gas to a predetermined ratio relative to the initial supply after the predetermined time, In the reducing step, as the thickness of GaN crystals grown on the substrate increases, the supply amount of the NH 3 gas is decreased to increase nitrogen vacancies in the GaN crystals.

Description

휨이 없는 질화갈륨 자립기판 제조 방법{Manufacturing Method of Free Standing GaN Wafer without Bowing Property}Manufacturing Method of Free Standing GaN Wafer without Bowing Property}

본 발명은 GaN 자립기판 제조 방법에 관한 것으로서, 특히, HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy: 수소화물 기상 성장)법 등에 의하여 성장된 GaN 후막의 휨이 제거되도록 하여 GaN 자립기판을 제조하는 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a GaN free-standing substrate manufacturing method, and more particularly, to a method of manufacturing a GaN free-standing substrate by removing warpage of a grown GaN thick film by HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) method.

AlN, GaN, InN 등과 같은 질화물 반도체 재료는 밴드갭이 0.65 eV에서 6.2 eV에 이르는 직접천이형 반도체재료이므로 이 세가지 재료가 고용체(solid-solution)를 형성하여 적외선에서부터 자외선까지 모든 가시광선을 발광할 수 있어 LED(Light Emitting Diode), LD(Laser Diode)와 같은 발광소자용 재료로 각광을 받고 있다. Nitride semiconductor materials such as AlN, GaN, InN, etc. are direct transition semiconductor materials with band gaps ranging from 0.65 eV to 6.2 eV, so these three materials form a solid-solution to emit all visible light from infrared to ultraviolet. As a light emitting device, light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs) are gaining popularity.

GaN 등 질화물 반도체를 성장하는 방법에 있어서는, HVPE(Hydride vapor phase epitaxy), MOCVD(Metalorganic vapor phase epitaxy), MBE(Molecular beam epitaxy) 등이 있는데, GaN를 후막으로 성장하기 위해서는 성장속도가 비교적 빠른 HVPE 방법이 유리하다. A method of growing a nitride semiconductor such as GaN includes HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy), MOCVD (Metalorganic Vapor Phase Epitaxy), and MBE (Molecular Beam Epitaxy). The method is advantageous.

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.The HVPE growth apparatus may be configured as shown in FIG. 1. A computer-controlled reactor is divided into a source zone in which raw materials are supplied and a growth zone in which growth occurs. A source zone includes a boat containing Ga metal. And a NH 3 supply tube under control of a gas supply connected to the gas cabinet, an HCl supply tube for reacting with Ga metal to generate GaCl, and a dopant supply tube for doping. You will get the gas you need.

예를 들어, 이러한 HVPE법을 사용한 통상적인 GaN 웨이퍼 제조 방법에서는, 사파이어 기판, GaAs기판, Si기판 등의 이질기판 위에 HVPE 법으로 약 300~600㎛ 두께로 두꺼운 GaN 막을 성장시키는데, 결함밀도는 약 3~5x106/㎠ 정도의 품질을 지닌다. 이질기판으로부터 GaN 후막을 분리시키고 분리된 GaN 후막 표면을 경면가공한 후 표면에 존재하는 가공손상층을 제거하면 GaN 자립기판이 완성된다. For example, in the conventional GaN wafer manufacturing method using the HVPE method, a thick GaN film with a thickness of about 300 to 600 µm is grown on a heterogeneous substrate such as a sapphire substrate, a GaAs substrate, or a Si substrate by HVPE method, but the defect density is about It has a quality of 3 ~ 5x10 6 / ㎠. The GaN free-standing substrate is completed by separating the GaN thick film from the dissimilar substrate, mirror-processing the separated GaN thick film surface, and removing the damaged layer present on the surface.

그러나, 이와 같은 HVPE방법으로 이질기판 위에 성장된 GaN 후막을 분리시켜 GaN 자립기판을 제조할 때, 분리된 기존의 GaN 자립기판은 도 2와 같이, 통상적으로 표면을 향하여 오목한 형태가 일반적이다. 이와 같이 분리된 GaN 자립기판이 휘는 원인은 기판의 바닥으로 갈수록 전위(dislocation)와 같은 결정결함이 증가하기 때문이다. 즉, 이질기판의 격자상수와 GaN의 격자상수 차이에 의하여 전위와 같은 결정결함이 결정성장 초기에는 대량 발생하고 GaN 결정의 두께가 증가할수록 전위와 같은 결정결함이 감소되어 결정의 품질이 향상된다. 분리된 GaN 자립기판은 이질기판과 붙어있었던 바닥부분에 전위와 같은 결정결함이 가장 많고 자립기판 표면으로 갈수록 결정결함이 감소하는 특징을 지닌다. However, when GaN independent substrates are manufactured by separating GaN thick films grown on heterogeneous substrates by the HVPE method, the conventional GaN independent substrates are generally concave toward the surface as shown in FIG. 2. The reason why the GaN independent substrate is bent in this way is that crystal defects such as dislocations increase toward the bottom of the substrate. That is, due to the difference between the lattice constant of the dissimilar substrate and the lattice constant of GaN, a large number of crystal defects such as dislocations are generated at the initial stage of crystal growth, and as the thickness of GaN crystals increases, crystal defects such as dislocations decrease, thereby improving the crystal quality. The separated GaN free-standing substrate is characterized by the largest number of crystal defects such as dislocations in the bottom portion attached to the dissimilar substrate, and the decrease in crystal defects toward the free-standing substrate surface.

결정결함이 많으면 결정의 내부에 빈 공간이 증가하게 되어 결정의 길이가 증가하고 결정결함이 적게 되면 결정 내부의 빈 공간이 감소하여 결정결함이 많은 부분에 비하여 상대적으로 결정의 길이가 작아진다. 즉, 도 2와 같이 GaN 자립기판의 상부 표면에는 압축응력(compressive stress)이 존재하게 되고, 바이메탈과 같은 원리로 GaN 자립기판이 이질기판을 향해 볼록하게 휘고 그 표면이 오목한 형태가 되는 문제점을 지니고 있다. If the number of crystal defects is large, the empty space inside the crystal increases, and the length of the crystal increases, and if the crystal defect is small, the empty space inside the crystal decreases, so that the length of the crystal is relatively smaller than that of many crystal defects. That is, as shown in FIG. 2, a compressive stress is present on the upper surface of the GaN free-standing substrate, and the GaN free-standing substrate is convexly convex toward the heterogeneous substrate, and the surface is concave. have.

기판이 휘게 되면 소자제조 공정에 필수적인 박막성장공정이나 포토리소그래피(photolithography) 공정의 수율이 크게 떨어지는 원인이 된다. 즉 GaN 자립기판을 제조하기 위해서는 기판의 휨을 제어하는 기술이 필요하다. 기존의 GaN 자립기판 휨을 제어하는 기술은 도 3과 같이 가공공정을 통하여 휘어있는 GaN결정의 표면을 연마하여 편평하게 만들어 주는 방법을 사용하였다. 이러한 방법으로 제조된 GaN 자립기판은 겉보기에는 편평한 형태를 지니지만, 결정학적으로는 휘어있는 상태로 존재하게 된다. 이러한 기존의 GaN 자립기판 위에 GaN 박막 등을 성장하여 소자를 제조할 때, 결정학적으로 휘어 있는 박막을 얻게 되고 박막의 품질이 비균일하게 되며 이에 따라 비균일한 소자 성능을 얻게 되어 소자제조 수율이 떨어지는 원인이 된다. If the substrate is bent, the yield of the thin film growth process or the photolithography process, which is essential for the device manufacturing process, is greatly reduced. That is, in order to manufacture the GaN free-standing substrate, a technique for controlling the warpage of the substrate is required. Conventional GaN self-supporting substrate bending control technology used a method to make the flattened surface of the curved GaN crystal through the machining process as shown in FIG. The GaN free-standing substrate prepared in this manner has a seemingly flat shape, but exists in a crystallographically curved state. When manufacturing a device by growing a GaN thin film or the like on the existing GaN free-standing substrate, a crystallographically curved thin film is obtained and the quality of the thin film is non-uniform, thereby resulting in non-uniform device performance. It causes falling.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 결정학적으로 휨이 제거된 GaN 후막을 성장시켜 GaN 자립기판을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a GaN free-standing substrate by growing a GaN thick film crystallized from warpage.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 본 발명의 일면에 따른, 질화갈륨 자립기판 제조 방법은, 가열된 반응기 내에 미리 정해진 비율로 GaCl 가스와 NH3 가스를 공급하여 상기 반응기 내의 기판에 GaN 결정을 일정 시간까지 성장시키는 단계; 및 상기 일정 시간 이후에 상기 NH3 가스의 공급량을 최초 공급량 대비 일정 비율까지 감소시키는 단계를 포함하고, 상기 감소시키는 단계에서, 상기 기판에 성장되는 GaN 결정 두께가 증가함에 따라 상기 NH3 가스의 공급량을 감소시켜서 GaN 결정 내의 질소 빈자리를 증가시키기 위한 것을 특징으로 한다.First, to summarize the features of the present invention, the gallium nitride self-supporting substrate manufacturing method according to an aspect of the present invention, by supplying GaCl gas and NH 3 gas in a predetermined ratio in a heated reactor to form a GaN crystal to the substrate in the reactor Growing to a certain time; And reducing the supply amount of the NH 3 gas to a predetermined ratio relative to the initial supply amount after the predetermined time, and in the reducing step, the supply amount of the NH 3 gas as the GaN crystal thickness grown on the substrate is increased. It is characterized in that for increasing the nitrogen vacancies in the GaN crystal by reducing the.

상기 질소 빈자리에 의해 GaN 결정 두께의 증가에 따른 결정격자상수의 증가를 유도해 표면 인장응력(tensile stress)이 상기 기판쪽의 압축응력(compressive stress)을 상쇄시키도록 하여 결정학적으로 휘지 않은GaN 결정을 성장시킨다.The nitrogen vacancies induce an increase in the crystal lattice constant with increasing GaN crystal thickness so that the surface tensile stress cancels out the compressive stress on the substrate. To grow.

상기 감소시키는 단계에서, 상기 NH3 가스의 공급량을 최초 공급량 대비 1/10~9/10까지 감소시킬 수 있다. 일정 시간 간격으로 복수 단계에 걸쳐 상기 NH3 가스의 공급량을 감소시킬 수 있다.In the reducing step, the supply amount of the NH 3 gas may be reduced by 1/10 to 9/10 of the initial supply amount. It is possible to reduce the supply amount of the NH 3 gas over a plurality of stages at regular time intervals.

상기 기판에 상기 일정 시간 동안 GaN 결정이 1.0~1000㎛ 두께로 성장되면, 상기 감소시키는 단계를 수행할 수 있다.When the GaN crystals are grown to a thickness of 1.0 to 1000 μm for the predetermined time on the substrate, the reducing may be performed.

상기 성장시키는 단계 전에, 장입된 상기 기판의 표면을 가열된 상기 반응기에서 NH3 가스로 질화처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.Prior to the growing, the surface of the charged substrate may further comprise nitriding with NH 3 gas in the heated reactor.

상기 성장시키는 단계, 또는 상기 감소시키는 단계에서 GaN 결정이 성장되는 동안 도펀트 도핑을 위해 상기 반응기로 해당 가스를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include supplying a corresponding gas to the reactor for dopant doping while the GaN crystals are grown in the growing or decreasing.

본 발명에 따른 GaN 자립기판을 제조하는 방법에 따르면, GaN 후막의 두께증가에 따라 전위와 같은 결정결함이 감소하여 발생하는 압축응력을, 질소원료가스를 점차적으로 감소시켜 인위적으로 만들어진 인장응력으로 상쇄시킴으로써 결정학적으로도 휨이 없는 GaN 자립기판을 제작할 수 있다. According to the method for manufacturing a GaN free-standing substrate according to the present invention, the compressive stress caused by the reduction of crystal defects such as dislocations with increasing thickness of the GaN thick film is offset by the tensile stress artificially produced by gradually reducing the nitrogen source gas. By doing so, it is possible to produce a GaN free-standing substrate which is not crystallographically warped.

또한, 결정학적으로도 휨이 없는 GaN 자립기판을 얻기 위해 질소원료인 암모니아 가스를 점차적으로 감소시킬 경우, 결정 성장이 이루어지는 계면에서 Ga 원자의 확산이동거리가 증가됨에 따라 측면성장이 촉진되어 피트(pit)와 같은 결정결함 발생을 감소시켜 기판의 품질을 향상시킬 수 있다. In addition, when ammonia gas, which is a nitrogen source, is gradually reduced to obtain a GaN free-standing substrate that is not crystallographically warped, lateral growth is promoted by increasing the diffusion movement distance of Ga atoms at the interface where crystal growth occurs. It is possible to improve the quality of the substrate by reducing the occurrence of crystal defects such as pit).

또한, 결정학적으로도 휘지 않은 GaN 자립기판 위에 박막을 성장시킬 경우 박막의 균일한 특성을 얻을 수 있으며, 이에 따라 GaN 자립기판 위에 성장된 박막으로 소자를 제작할 경우 균일한 특성을 지닌 소자를 얻을 수 있어 소자 제조 수율을 향상시킬 수 있다.In addition, when the thin film is grown on the GaN freestanding substrate, which is not crystallographically, it is possible to obtain uniform properties of the thin film. Thus, when the device is manufactured from the thin film grown on the GaN freestanding substrate, a device having uniform properties can be obtained. The device manufacturing yield can be improved.

도 1은 일반적인 HVPE 장치의 구조도이다.
도 2는 일반적인 GaN 자립기판에서의 결정결함에 기인한 휨 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 휨이 있는 일반적인 GaN 자립기판의 연마 가공을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 GaN 자립기판 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 도 4의 제조 과정에서 결정결함에 기인한 압축응력을 질소빈자리에 의한 인장응력으로 상쇄시켜 휨이 없는 GaN 후막 성장 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 4의 제조 과정에서 질소빈자리 농도에 따른 GaN 격자상수 변화를 설명하기 위한 도면이다.
1 is a structural diagram of a general HVPE device.
FIG. 2 is a diagram illustrating a warpage phenomenon due to crystal defects in a general GaN freestanding substrate.
3 is a view for explaining a polishing process of a general GaN freestanding substrate having warpage.
4 is a flowchart illustrating a GaN freestanding substrate manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a view for explaining a GaN thick film growth process without warpage by canceling the compressive stress due to crystal defects in the manufacturing process of FIG. 4 with tensile stress due to nitrogen vacancies.
6 is a view for explaining the change in the GaN lattice constant according to the nitrogen vacancies concentration in the manufacturing process of FIG.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 GaN 자립기판 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a GaN freestanding substrate manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

먼저, 도 1과 같은 HVPE 성장장치의 반응기에 기판(예를 들어, 사파이어 기판)을 장입한다(S10). 경우에 따라서는 사파이어 기판 대신에 SiC, GaAs, Si, GaN 등의 다른 재질의 기판이 사용될 수 있다. HVPE 성장장치의 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. First, a substrate (for example, sapphire substrate) is charged to the reactor of the HVPE growth apparatus as shown in FIG. 1 (S10). In some cases, a substrate made of another material such as SiC, GaAs, Si, GaN may be used instead of the sapphire substrate. The reactor of the HVPE growth apparatus is divided into a source zone where raw materials are supplied and a growth zone where growth occurs. The source zone includes a boat containing Ga metal. Under the control of the gas supply connected to the gas cabinet, a NH 3 supply tube, an HCl supply tube for reacting with Ga metal to generate GaCl, and a dopant supply tube for doping You will get the gas you need.

이후, HVPE 성장장치의 가열로를 이용해 반응기의 성장 존의 분위기 온도를 950~1100℃(예를 들어, 1030℃)로 가열하고, 기판의 표면을 NH3 가스로 질화처리한다(S20). Thereafter, the atmosphere temperature of the growth zone of the reactor is heated to 950-1100 ° C. (eg, 1030 ° C.) using a heating furnace of the HVPE growth apparatus, and the surface of the substrate is nitrided with NH 3 gas (S20).

다음에, 질화처리된 기판 위에 GaCl가스와 NH3 가스를 공급하여 GaN 후막을 성장시킨다(S30). 이를 위하여 기판 위에 GaCl가스와 NH3 가스를 공급하기 위하여, 위와 같은 가스 공급 튜브를 통해 NH3, HCl 등의 공급되며, 성장초기에는 GaN 결정 내Ga원자와 질소(N) 원자의 비가 1:1 근처가 되도록, Ga원료인 GaCl 가스와 질소의 원료인 NH3 가스의 공급 비율을 조절하여 해당 가스들을 공급한다. 예를 들어, HVPE 성장장치의 반응기 구조에 따라 Ga원료인 GaCl 가스와 질소의 원료인 NH3 가스의 공급 비율을 예를 들어, 1:1 ~ 1:20으로 하여 GaN 결정 내Ga원자와 질소(N) 원자의 비가 1:1 근처가 되도록 할 수 있다. 예를 들어, Ga원료인 GaCl 가스를 200sccm 공급하고 질소의 원료인 NH3 가스를 2000sccm공급하여 성장되는 GaN 결정 내Ga원자와 질소(N) 원자의 비가 1:1 근처가 되도록한다. 즉, GaCl과 NH3 의 비를 1:10으로 충분히 공급할 수 있다. 이때 일정 성장속도(예,100㎛/hr)로 하여, 일정 시간(예, 3시간) 동안 성장시킴으로써, 성장되는 GaN 후막의 두께가 1.0~1000㎛의 일정 두께(예, 300㎛)로 되게 한다. Next, GaCl gas and NH 3 gas are supplied onto the nitrided substrate to grow a GaN thick film (S30). To this end, in order to supply GaCl gas and NH 3 gas on the substrate, NH 3 , HCl and the like are supplied through the gas supply tube as described above.In the beginning, the ratio of Ga atoms and nitrogen (N) atoms in the GaN crystal is 1: 1. The gas is supplied by adjusting the ratio of the GaCl gas, which is Ga raw material, and the NH 3 gas, which is a raw material of nitrogen, to be near. For example, according to the reactor structure of the HVPE growth apparatus, the ratio of supply of GaCl gas, which is a Ga material, and NH 3 gas, which is a source of nitrogen, is 1: 1 to 1:20, for example, Ga atoms and nitrogen in the GaN crystal. N) The ratio of atoms can be around 1: 1. For example, by supplying 200 sccm of GaCl gas, which is a Ga raw material, and 2000 sccm of NH 3 gas, which is a raw material of nitrogen, a ratio of Ga atoms and nitrogen (N) atoms in a grown GaN crystal is about 1: 1. That is, the ratio of GaCl and NH 3 can be sufficiently supplied at 1:10. At this time, at a constant growth rate (eg, 100 μm / hr) and growing for a predetermined time (eg, 3 hours), the thickness of the GaN thick film to be grown becomes a constant thickness (eg, 300 μm) of 1.0 to 1000 μm. .

이와 같이 질화처리된 기판 위에 GaN가 미리 정해진 일정 시간 동안 성장되어 일정 두께(예, 300㎛) 이상의 GaN 후막이 성장되면(S40), 이 후, NH3 가스의 공급을 최초 공급량 대비 1/10~9/10까지 점차적으로 감소시켜서 GaN 결정 내의 질소 빈자리를 증가시킨다(S50). 예를 들어, NH3 가스의 공급을 최초 공급량 2000sccm으로부터 그 1/2인 1000sccm까지 점차적으로 감소시키되, 일정 시간(예, 30분)에 일정량(예, 200sccm)씩 단계별로 NH3 가스의 공급량을 줄일 수 있다. 미리 정해진 1000sccm까지 NH3 가스의 공급량이 줄어들면, 적절한 시간(예, 30분)이상 GaN의 성장이 지속되도록 한 후 NH3, HCl 등의 가스 공급을 중단하여 성장을 종료할 수 있다. 이와 같이 GaN 결정 내의 질소 빈자리를 GaN 결정 두께 증가에 따라 증가시켜 줌으로써, 기판쪽 GaN 결정에서의 결정 결함에 기인한 압축응력(compressive stress)에 의해 기판쪽으로 볼록해질 수 있는 GaN 후막이, GaN 결정의 표면에서의 인장응력(tensile stress)에 의해 상쇄되어 도 5와 같이 결정학적으로도 휨이 없는 GaN 결정을 갖는 후막을 형성할 수 있다. When GaN is grown on the nitrided substrate as described above for a predetermined time and a GaN thick film having a predetermined thickness (eg, 300 μm) or more is grown (S40), the supply of NH 3 gas is then 1/10 to the initial supply amount. It gradually decreases to 9/10 to increase nitrogen vacancies in the GaN crystal (S50). For example, sikidoe gradually decreases the supply of the NH 3 gas to the supply amount from the first half of 1000sccm 2000sccm, a certain amount of time (e.g., 30 minutes) to a supply amount of the NH 3 gas in stages by a predetermined amount (for example, 200sccm) Can be reduced. When the supply amount of NH 3 gas is reduced to a predetermined 1000 sccm, growth of GaN may be continued for a suitable time (eg, 30 minutes), and then the growth may be terminated by stopping the supply of gas such as NH 3 , HCl. By increasing the nitrogen vacancies in the GaN crystal as the GaN crystal thickness increases, the GaN thick film which can be convex toward the substrate due to the compressive stress caused by the crystal defect in the GaN crystal on the substrate side is obtained. It is offset by the tensile stress (surface stress) on the surface can form a thick film having a GaN crystal crystallographically unbending as shown in FIG.

이때 필요한 경우에 위와 같이 S30, S50 단계에서 GaN가 성장되는 동안에, 도펀트(dopant) 공급 튜브를 통해 반응기로 필요한 가스들을 공급하여 성장된 GaN 후막을 일정 도펀트로 도핑되도록 할 수 있다. 예를 들어, GaN 결정 성장 중에 해당 가스의 공급을 통해 성장되는 GaN이 Si, Mg, Fe, Zn 등으로 도핑되도록 할 수 있다. In this case, if GaN is grown in the steps S30 and S50 as necessary, the grown GaN thick film may be doped with a predetermined dopant by supplying necessary gases to the reactor through a dopant supply tube. For example, GaN grown through supply of a corresponding gas during GaN crystal growth may be doped with Si, Mg, Fe, Zn, or the like.

이와 같이 성장되는 GaN 후막의 형성이 완료되면, 기판을 HVPE 성장장치에서 꺼내어, 기판으로부터 그 위에 성장된 GaN 후막을 분리시키는 기판분리공정을 통해 분리된 GaN 후막, 즉, 결정학적으로도 휨이 없는 GaN 자립기판을 획득하며, 적절히 가공한다(S60). GaN 자립기판을 획득하기 위하여 자발적 기판분리 방법(self separation)이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 획득된 GaN 자립기판을 원형가공장치에 장착하여 원하는 직경의 웨이퍼 형태로 원형 가공한다. 결정 방위 측정장치로 (11-20)면 등 성장된 GaN 결정면을 측정하고 방위표시용 면을 가공할 수 있으며, GaN 자립기판의 모서리를 둥글게 가공하고, GaN 자립기판 표면을 래핑(lapping), 프리폴리싱(pre-polishing), 폴리싱(polishing) 처리하여 경면 가공된 GaN 자립기판을 완성할 수 있다. When the formation of the grown GaN thick film is completed, the substrate is taken out of the HVPE growth apparatus, and the GaN thick film separated through a substrate separation process of separating the grown GaN thick film from the substrate, that is, crystallographically free from warpage. A GaN free-standing substrate is obtained and properly processed (S60). A spontaneous substrate separation method may be used to obtain a GaN freestanding substrate. For example, the obtained GaN free-standing substrate is mounted on a circular processing apparatus and circularly processed into a wafer shape having a desired diameter. The crystal orientation measuring device can measure the grown GaN crystal surface such as the (11-20) plane and process the orientation display surface, round the corners of the GaN independent substrate, and wrap and free the surface of the GaN independent substrate. Pre-polishing and polishing may be performed to complete the mirror-finished GaN freestanding substrate.

위의 S50 단계에 대하여 좀 더 자세히 설명하면, GaN 단결정은 Ga 원자와 N 원자로 구성되는데, Ga과 N의 비율에 따라서 결정격자상수(lattice constant)가 도 6과 같이 변화하는 특징이 있다. 도 6의 Ga과 N의 비율에 따른 결정격자상수(lattice constant) 그래프는, 문헌 "Gallium Nitride(GaN) II, Volume Editions, Jacques I. Pankove, SEMICONDUCTORS AND SEMIMETALS vol. 57"에서 발췌되었으며, 당업자에게 잘 알려져 있다. In more detail with respect to the above step S50, GaN single crystal is composed of Ga atoms and N atoms, the lattice constant (lattice constant) is changed as shown in Fig. 6 in accordance with the ratio of Ga and N. A graph of the lattice constant according to the ratio of Ga and N of FIG. 6 is extracted from the document "Gallium Nitride (GaN) II, Volume Editions, Jacques I. Pankove, SEMICONDUCTORS AND SEMIMETALS vol. 57" It is well known.

도 6과 같이 V/III족 비가 0~2000으로 증가할수록 결정 c-축의 격자상수는 0.5192에서 0.5182로 감소한다. 즉, GaN를 구성하는 N가 충분치 않을 경우와 N가 충분한 경우의 GaN 격자상수 변화는 최대 1%정도 변화하는 것으로 알려져 있다. N를 충분히 공급할수록 c축의 격자상수는 감소하게 되어 이상적인 GaN결정의 격자상수에 근접하게 된다. 따라서, N에 비하여 Ga의 양이 많게 되면 격자상수의 길이는 증가된다. 그 원인은 질소의 빈자리(nitrogen vacancy)가 많아질수록 Ga과 질소가 결합하지 않는 공간이 많아지므로 결정을 구성하는 원자간의 간격이 넓어지게 되어 격자상수가 증가하게 된다. 이러한 원리를 본 발명에 이용하였다. As shown in FIG. 6, as the V / III group ratio increases from 0 to 2000, the lattice constant of the crystal c-axis decreases from 0.5192 to 0.5182. In other words, it is known that the GaN lattice constant change when the N constituting GaN is not sufficient and when the N is sufficient is changed by about 1%. As the N is sufficiently supplied, the lattice constant of the c-axis decreases, and the closer to the lattice constant of the ideal GaN crystal. Therefore, when the amount of Ga becomes larger than N, the length of the lattice constant increases. The reason is that as the nitrogen vacancy increases, the space where Ga and nitrogen do not bond increases, so that the interval between atoms constituting the crystal becomes wider and the lattice constant increases. This principle has been used in the present invention.

즉, 위와 같이 GaN 후막 성장의 초기에는 결정 내Ga원자와 질소(N) 원자의 비가 1:1 근처가 되도록, Ga의 원료인 GaCl 가스와 N의 원료인 NH3가스를 조절한다. 즉, 통상적으로 Ga과 N의 비율은 1:2 이상으로 NH3를 충분히 공급한다. 결정의 두께가 증가할수록 NH3 가스의 공급량을 점차적으로 감소시키면 성장되는 GaN 단결정 내에는 질소 빈자리(nitrogen vacancy)가 점차적으로 증가하게 되고 결정의 두께가 증가할수록 결정격자상수는 증가하게 된다. GaN 후막 성장이 마무리되는 단계에서는 성장 초기 NH3 가스의 공급량 대비 9/10이하로 질소의 원료인 NH3가스를 감소시킨다.That is, in the initial stage of GaN thick film growth, GaCl gas, which is a raw material of Ga, and NH 3 gas, which is a raw material of N, are adjusted so that the ratio of Ga atoms and nitrogen (N) atoms in the crystal is about 1: 1. That is, typically the ratio of Ga and N of 1: sufficiently supply the NH 3 to 2 or more. As the thickness of the crystal increases, the nitrogen vacancy gradually increases in the grown GaN single crystal by gradually reducing the NH 3 gas supply, and the crystal lattice constant increases as the thickness of the crystal increases. At the end of GaN thick film growth, NH 3 gas, a raw material of nitrogen, is reduced to less than 9/10 of the supply amount of NH 3 gas at the beginning of growth.

이러한 방법으로 성장된 GaN 후막은 두께증가에 따라 바닥에서 상부로 갈수록 격자상수가 증가하게 되어 GaN 후막 표면에는 인장응력(tensile stress)이 형성된다. 이러한 인위적으로 만들어진 인장응력은 GaN 후막의 결함에 기인한 압축응력(compressive stress)과 상쇄되어 결과적으로 휨이 없는 GaN 자립기판을 얻을 수 있게 된다. The GaN thick film grown in this manner increases the lattice constant from the bottom to the top as the thickness increases, so that a tensile stress is formed on the GaN thick film surface. This artificially created tensile stress is offset by the compressive stress caused by the defect of the GaN thick film, resulting in a free GaN free substrate.

위와 같이, GaN 후막이 성장됨에 따라 두께가 증가하게 되면 전위와 같은 결정결함은 두께증가에 따라 감소하여 기판쪽 GaN 결정에서는 결정 결함에 기인한 압축응력(compressive stress)이 발생하는데, 이 압축응력이 존재하는 상태에서 GaN 자립기판을 제조할 경우 외형적으로는 GaN 자립기판이 휘어져 있지 않으나, 결정학적으로는 휘어져 있게 된다. 이러한 압축응력을 제거하기 위하여 본 발명에서는 GaN 후막 성장 시, 일정 두께 이상이 되면 질소원료가스를 점차적으로 감소시킴으로써 결정내 질소 빈자리를 그 두께 증가에 따라 증가시켜 줌으로써, 질소 빈자리에 기인하여 결정격자상수도 증가하게 되므로, GaN 자립기판 표면에는 인장응력이 인위적으로 조성되어, 압축응력을 상쇄시키게 함으로써 결정결함도 감소되는 결정학적으로 휘지 않은GaN 자립기판을 제조할 수 있게 하였다.As described above, when the thickness increases as the GaN thick film grows, crystal defects such as dislocations decrease with increasing thickness, and compressive stress due to crystal defects occurs in the GaN crystal on the substrate side. When the GaN free-standing substrate is manufactured in the present state, the GaN free-standing substrate is not bent in appearance, but is crystallographically bent. In order to remove such compressive stress, in the present invention, when the GaN thick film grows, the nitrogen source gas is gradually reduced when the thickness becomes more than a certain thickness, thereby increasing the nitrogen vacancies in the crystal with increasing thickness, resulting in crystal lattice constant due to nitrogen vacancies. Since the tensile stress is artificially formed on the surface of the GaN free-standing substrate, the compressive stress is canceled, thereby making it possible to produce a crystallographically uneven GaN free-standing substrate having reduced crystal defects.

위에서 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy: 수소화물 기상 성장)법을 위주로 설명하였으나, 위와 같은 본 발명의 질화갈륨 자립기판 제조 방법은 경우에 따라 MOCVD(Metalorganic vapor phase epitaxy), MBE(Molecular beam epitaxy) 등 다양한 성장 장치를 통해서도 이루어질 수 있다. Although the above description was made mainly on the method of HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy), the method of manufacturing a gallium nitride independence board of the present invention may include various methods such as metalorganic vapor phase epitaxy (MOCVD) and molecular beam epitaxy (MBE). It can also be done through a growth device.

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.As described above, the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations from such descriptions. This is possible. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by the equivalents of the claims, as well as the claims.

HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy: 수소화물 기상 성장)
인장응력(tensile stress)
압축응력(compressive stress)
Hydrochloride Vapor Phase Epitaxy (HVPE)
Tensile stress
Compressive stress

Claims (7)

가열된 반응기 내에 미리 정해진 비율로 GaCl 가스와 NH3 가스를 공급하여 상기 반응기 내의 기판에 GaN 결정을 일정 시간까지 성장시키는 단계; 및
상기 일정 시간 이후에 상기 NH3 가스의 공급량을 최초 공급량 대비 일정 비율까지 감소시키는 단계를 포함하고,
상기 감소시키는 단계에서, 상기 기판에 성장되는 GaN 결정 두께가 증가함에 따라 상기 NH3 가스의 공급량을 감소시켜서 GaN 결정 내의 질소 빈자리를 증가시키기 위한 것이며,
상기 성장시키는 단계 전에, 장입된 상기 기판의 표면을 가열된 상기 반응기에서 NH3 가스로 질화처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 자립기판 제조 방법.
Supplying GaCl gas and NH 3 gas at a predetermined ratio into the heated reactor to grow GaN crystals on the substrate in the reactor to a predetermined time; And
Reducing the supply amount of the NH 3 gas to a ratio relative to the initial supply amount after the predetermined time;
In the reducing step, to increase the nitrogen vacancies in the GaN crystals by reducing the supply amount of the NH 3 gas as the GaN crystal thickness grown on the substrate increases,
Before the growing step, further comprising nitriding the surface of the loaded substrate with NH 3 gas in the heated reactor.
제1항에 있어서,
상기 질소 빈자리에 의해 GaN 결정 두께의 증가에 따른 결정격자상수의 증가를 유도해 표면 인장응력(tensile stress)이 상기 기판쪽의 압축응력(compressive stress)을 상쇄시키는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 자립기판 제조 방법.
The method of claim 1,
The gallium nitride independence board manufacturing method of claim 1, wherein the nitrogen vacancies induce an increase in the crystal lattice constant as the GaN crystal thickness increases, and thus the surface tensile stress cancels the compressive stress toward the substrate. Way.
제1항에 있어서,
상기 감소시키는 단계에서,
상기 NH3 가스의 공급량을 최초 공급량 대비 1/10~9/10까지 감소시키는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 자립기판 제조 방법.
The method of claim 1,
In the reducing step,
The method of manufacturing a gallium nitride independence board, characterized in that for reducing the supply amount of the NH 3 gas to 1/10 ~ 9/10 compared to the initial supply.
제3항에 있어서,
일정 시간 간격으로 복수 단계에 걸쳐 상기 NH3 가스의 공급량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 자립기판 제조 방법.
The method of claim 3,
The gallium nitride independence board manufacturing method characterized in that the supply amount of the NH 3 gas is reduced over a plurality of steps at regular time intervals.
제1항에 있어서,
상기 기판에 상기 일정 시간 동안 GaN 결정이 1.0~1000㎛ 두께로 성장되면, 상기 감소시키는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 자립기판 제조 방법.
The method of claim 1,
If the GaN crystals are grown to 1.0 ~ 1000㎛ thickness for the predetermined time on the substrate, characterized in that the step of reducing the gallium nitride independence board manufacturing method.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 성장시키는 단계, 또는 상기 감소시키는 단계에서 GaN 결정이 성장되는 동안 도펀트 도핑을 위해 상기 반응기로 해당 가스를 공급하는 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 자립기판 제조 방법.

The method of claim 1,
Supplying the gas to the reactor for dopant doping while the GaN crystals are grown in the growing or reducing step
Gallium nitride self-supporting substrate manufacturing method comprising a further.

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