KR101379290B1 - 질화알루미늄 핵생성층을 사용한 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법 - Google Patents

질화알루미늄 핵생성층을 사용한 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 HVPE법으로 GaN 단결정 후막을 사파이어 등의 기판 위에 성장시키는 공정 중에 GaN 후막의 휨을 감소시키고, 자동기판분리를 용이하게 하고, 레이저에 의한 기판분리 수율을 증가시키며, 결정결함을 감소시킴으로써 GaN 웨이퍼 제조 수율과 품질을 향상시키는 방법을 제공하는 데 있다.

Description

질화알루미늄 핵생성층을 사용한 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법 {Method for Manufacturing GaN Wafer using In-situ Grown AlN Nucleation Layer}
본 발명은 GaN(질화갈륨) 웨이퍼 제조 방법에 관한 것으로서, 특히, HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy: 수소화물 기상 성장)법 등에 의하여 반응기 내부에서 사파이어 기판을 인시추(In-situ)로 질화처리하여 AlN(질화알루미늄) 핵생성층을 만든 후 GaN 단결정 후막을 성장시킴으로써 용이하게 고품질의 GaN 웨이퍼를 제조하는 방법에 관한 것이다.
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 사파이어 기판에서 분리된 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 웨이퍼의 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 사파이어와 GaN 간의 격자정합(lattice match)을 위한 핵생성층(nucleation layer or buffer layer)을 형성시키고, 그 핵생성층 위에 GaN 단결정 후막을 성장시킨 후, 도 2와 같은 레이저(Laser)를 이용한 기판분리 방법이나, 화학적 에칭 방법, 또는 물리적 가공방법을 이용하여 사파이어 기판과 GaN 단결정 후막을 분리하고, 분리된 GaN 단결정 후막을 경면 가공하는 공정으로 이루어진다.
사파이어 기판 위에 고품질의 GaN 단결정을 성장시키기 위해서는 격자상수 차이를 완화시켜 주는 핵생성층이 필요한데, 기존의 방법들을 소개하면, 500℃~700℃의 저온에서 아몰퍼스(amorphous) 상태의 GaN을 형성시키고 승온하여 결정상태로 만드는 저온 GaN 핵생성층 형성 방법, MOCVD에 의하여 GaN 핵생성층을 제작하고 이 위에 HVPE 반응기에서 두껍게 성장시키는 MOCVD 핵생성층 활용 방법, 고온에서 암모니아 가스로 사파이어 표면을 질화처리한 후 HCl과 NH3 혼합가스로 다시 표면처리 한 후 마지막으로 NH3로 질화처리 하는 고온 핵생성층 형성 방법, 500℃~700℃의 저온에서 NH4Cl을 사용하여 사파이어 표면을 질화처리한 후 아몰퍼스 상태의 GaN을 형성시키고 승온하여 단결정 형태의 핵생성층을 만드는 저온 NH4Cl + 저온GaN 핵생성층 형성 방법, 또는 AlN, ZnO 등의 물질을 SPUTTER나 PECVD와 같은 장치를 사용하여 사파이어 기판 위에 증착시키고 HVPE 반응기로 옮겨 GaN 단결정을 성장시키는 AlN, ZnO 핵생성층 활용 방법 등의 많은 방법이 사용되고 있다. 그러나 사파이어기판 위에 핵생성층을 형성시키는 많은 방법에도 불구하고 이러한 핵생성층에서 성장된 GaN 후막은 결정결함이 많이 존재하거나, 사파이어 기판으로부터 분리된 GaN 후막이 오목하게 휘어있거나, 사파이어 기판과 단단하게 결합되어 기판분리 도중에 크랙(crack)이 발생하여 수율이 낮아지는 등의 문제가 하나 이상씩은 존재한다. 따라서 이러한 문제를 모두 한번에 해결할 수 있는 핵생성층이 요구된다.
관련 선행문헌으로서 대한민국공개특허공보 제10-2005-0083237호 (2005.08.26. 공개), 제10-2004-0067703호 (2004.07.30. 공개) 등이 참조될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, HVPE법 등에 의하여 반응기 내부에서 사파이어 기판을 인시추(In-situ)로 질화처리하여 쐐기(wedge) 형태의 AlN(질화알루미늄) 핵생성층을 만든 후 GaN 단결정 후막을 성장시킴으로써, GaN 결정의 품질을 향상시키며 기판분리가 용이하거나 또는 자발적으로 냉각 중에 기판이 분리될 수 있고 기판의 휨을 크게 감소시킬 수 있는 GaN 웨이퍼를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 본 발명의 일면에 따른, 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법은, HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 반응기 내에서 사파이어(Al2O3) 기판 상에 인시추(In-Situ)로 AlN 핵생성층과 GaN 후막 층을 순차 형성하는 공정; 및 상기 GaN 후막 층을 분리시키는 공정을 포함하되, 상기 AlN 핵생성층의 형성 시에, 상기 사파이어 기판 위로 HCl 가스를 공급하여 상기 사파이어 기판을 표면 식각하는 공정과, 상기 사파이어 기판 위로 NH3 가스를 공급하여 상기 사파이어 기판 표면에 잔존하는 AlCl와 반응시키는 공정을 복수회 반복하여 일정 두께의 AlN 으로 이루어진 쐐기(wedge) 형태의 요철 구조를 갖는 상기 AlN 핵생성층을 형성하고, 상기 GaN 후막 층의 형성 시에, 상기 사파이어 기판 위로 GaCl 가스와 NH3 가스를 공급하여 상기 AlN 핵생성층의 쐐기 형태 요철 상단부에서 각 GaN 결정이 측면 성장하여 합체 후 판상형태의 GaN 층을 형성하되, 상기 판상형태의 GaN 층과 상기 AlN 핵생성층의 쐐기 형태 요철 하단부 사이에 빈 공간(Void)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 쐐기(wedge) 형태의 요철 구조의 상단과 하단 사이의 높이 차이가 0.1~10㎛인 것을 특징으로 한다.
상기 GaN 후막 층이 900~1100 ℃의 상기 반응기 온도에서 형성된 후, 상기 분리시키는 공정은, 상기 반응기의 온도를 냉각 시에 상기 빈 공간(Void)에 의하고 상기 사파이어 기판과 상기 GaN 후막 간의 열팽창계수 차이에 의하여 상기 GaN 후막 층을 자동 분리시키는 공정을 포함한다.
상기 분리시키는 공정은, 상기 GaN 후막 층이 형성된 상기 사파이어 기판을 상기 반응기에서 꺼내어, 상기 기판의 후면에 레이저빔을 조사하여 상기 GaN 후막 층을 분리시키는 LLO(Laser Lift-Off) 공정을 포함한다.
본 발명에 따른 GaN 웨이퍼 제조 방법에 따르면, HVPE법 등으로 GaN 단결정 후막을 사파이어 기판 위에 성장시키는 초기공정으로 쐐기(wedge) 형태의 AlN 핵생성층을 사파이어 기판 위에 형성시킴으로써, AlN과 GaN 간의 결정 격자상수 차이를 차이를 줄여 GaN 후막의 밑면과 윗면과의 결정결함밀도 차이를 감소시킴으로써 AlN 핵생성층 위에서 성장된 GaN 후막에서 휘는 현상을 크게 방지할 수 있다.
또한, 쐐기형태의 AlN 핵생성층의 요철 밑부분에는 빈 공간이 존재하므로 빈 공간이 존재하는 부분이 가장 결합력이 적은 층으로 작용하여 LLO(Laser Lift-Off)와 같은 기판분리 공정이 쉽게 이루어져 수율이 향상되며, 공정을 보다 세밀하게 제어할 경우 성장이 완료되어 기판을 냉각하는 과정에서 열팽창계수차이에 의한 자동기판분리(Self separation)와 같은 효과를 얻을 수 있다.
또한, 요철이 심한 쐐기 형태의 AlN 핵생성층을 사용하므로 쐐기형태의 AlN 끝부분에서부터 각각 성장된 GaN 단결정들이 측면성장을 할 때, 사파이어기판으로 인한 격자상수 불일치, 열팽창계수 불일치, 화학적 결합력 불일치로 인한 스트레스(stress)가 존재하지 않으므로 매우 우수한 결정이 성장되어 ELO(Epitaxial-Lateral Overgrowth)와 같은 효과를 얻을 수 있으므로, 이러한 방법으로 성장된 GaN 결정의 품질은 기존의 방법에 의하여 형성된 핵생성층에서 성장된 GaN 결정의 품질보다 매우 우수하게 되어 결정결함 밀도가 낮은 106/㎠급 또는 그 이하의 것도 얻을 수 있다
또한, HVPE 장치 내에서 인시추(In-situ) 공정을 통해 AlN 핵생성층과 GaN 후막의 공정 등이 간단히 이루어지므로 GaN 웨이퍼 제조 시간과 비용을 크게 감소시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 HVPE 성장 장치의 전체 구성도이다.
도 2는 레이저를 이용한 일반적인 GaN 기판 분리 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 쐐기 형태의 AlN 핵생성층 형성 공정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 기판 위에 쐐기형태의 AlN 핵생성층, 요철 끝부분에서부터 성장되어 서로 합치되는 ELO 효과에 의한 저결함 GaN 형성층, GaN후막의 성장 공정을 설명하기 위한 GaN 웨이퍼 제조 단계별 기판의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 GaN 후막의 밑면과 윗면에 존재하는 결정결함밀도의 차이에 의한 GaN 후막의 휘는 정도를 설명하기 위한 기판의 단면도이다.
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 일실시예에 따른 쐐기 형태의 AlN 핵생성층 형성 공정을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 도 1과 같은 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 성장장치의 반응기에 기판(예를 들어, 사파이어 기판)을 장입한다. 위에서도 기술한 바와 같이, 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, 하기의 공정을 진행하기 위하여, 가스 캐비닛과 연결된 가스 공급장치의 공급량 제어를 받아 NH3 공급 튜브(tube), Ga 메탈과 반응하여 GaCl을 발생시키기 위한 HCl 공급 튜브, 도핑(doping)을 위한 도펀트(dopant) 공급 튜브, 또는 다른 필요한 가스를 공급하기 위한 다른 가스 공급 튜브 등을 통해 필요한 가스들을 공급받게 된다. 반응기에 장입되는 기판으로서 사파이어(Al2O3) 기판인 것이 바람직하지만, 경우에 따라 SiC, GaAs, Si, GaN 등의 기판이 사용될 수도 있다.
이와 같이 HVPE 성장장치의 반응기에 사파이어 기판이 장입된 후, 먼저, 반응기의 성장 존의 분위기 온도 900~1100 ℃의 정도에서 캐리어 가스로 질소, 수소, 또는 질소와 수소 혼합가스를 반응기 내에 흘려주면서 HCl 가스를 반응기에 공급함으로써 [화학식 3]과 같은 반응에 의하여 사파이어 기판을 식각한다. 이때 사파이어 기판의 표면은 평탄하게 식각되지 않고 결정결함이나 쉽게 식각되는 결정면을 먼저 식각하게 되므로 요철상태의 표면으로 식각이 이루어진다. 요철상태로 식각되는 사파이어 기판 표면에서는 [화학식 3]과 같이 산화알루미늄이 HCl과 반응하여 염화알루미늄(AlCl), 수증기, 산소 등이 형성되어 수증기, 산소 등은 기화되고 AlCl의 일부는 기화되고 일부는 사파이어 기판의 표면에 잔존하게 된다.
사파이어 기판의 염화처리가 적정하게 이루어지면 HCl 가스 공급을 중단하고 대신에 NH3 가스를 공급하면 사파이어 기판의 표면에 흡착되어 있던 AlCl과 반응하여 [화학식 4]와 같이 AlN 를 형성한다.
[화학식 3] Al2O3 + 2HCl -> 2AlCl + H2O + O2
[화학식 4] AlCl + NH3 -> AlN + HCl + 1/2H2
이러한 두가지 공정을 n차례(n = 1, 2, 3,..) 반복함으로써 사파이어 기판의 표면의 요철상태가 더욱 심하게 이루어지면서 최종적으로 완성된 요철구조의 상단과 하단 사이의 높이차가 0.1~10㎛ 정도되는 쐐기(wedge) 형태의 요철 구조를 지닌 표면상태를 형성할 수 있으며, 그 표면의 화학구조는 수십~수백 nm 두께의 AlN 막으로 이루어진다. 이러한 쐐기(wedge) 형태의 요철 구조는 건식 식각 방식으로 이루어지므로 규칙적인 패턴이라기 보다는 불규칙한 패턴으로 형성될 수 있다.
이와 같이 형성된 쐐기형태의 AlN 막으로 이루어진 AlN 핵생성층은 GaN 과 유사한 결정격자상수를 지니므로, 그 AlN 핵생성층 위에 GaN 후막을 형성 시에 격자상수차이(Lattice mismatch)에 의한 결정결함을 현저하게 감소시키는 기능을 하게 된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 기판 위에 쐐기형태의 AlN 핵생성층, 요철 끝부분에서부터 성장되어 서로 합치되는 ELO(Epitaxial-Lateral Overgrowth) 효과에 의한 저결함 GaN 형성층, GaN후막의 성장 공정을 설명하기 위한 GaN 웨이퍼 제조 단계별 기판의 단면도이다.
도 3과 같이 형성된 쐐기 형태의 AlN 핵생성층 위에 900~1100 ℃의 정도의 성장온도에서 기판 상에 GaCl 가스와 NH3 가스를 공급한다. 기판 위에 GaCl가스와 NH3 가스를 공급하기 위하여, 위와 같은 가스 공급 튜브를 통해 NH3, HCl 등의 공급될 수 있고, 위의 [화학식 1]과 같이 소스 존의 Ga 메탈(metal)에 의해 GaCl이 생성되고, 위의 [화학식 2]와 같은 반응으로 GaN 핵이 생성될 수 있다.
즉, 쐐기 형태의 AlN 핵생성층의 쐐기 형태 요철 상단부에서부터 GaN 결정이 성장하게 되고 GaN 결정의 크기가 증가함에 따라 측면성장(ELO 효과)으로 AlN 핵생성층 이웃 상단부에서 성장하던 다른 GaN 결정과 만나, 전체적으로 하나의 단결정 덩어리로 합체가 되고, 결국에는 판상형태의 GaN 층이 되어 쐐기 형태의 AlN 핵생성층 위를 덮게 된다. 이때 쐐기 형태의 AlN 핵생성층의 쐐기 형태 요철 하단부 주위에는 GaN 원료가스가 공급이 원활하지 않으므로 GaN 성장이 활발하지 않아, 판상형태의 GaN 층 하부로 빈 공간(Void)이 형성되게 된다.
이와 같이 판상형태의 GaN 층이 되어 쐐기 형태의 AlN 핵생성층 위를 덮게 된 후에는, 이후부터 GaN 성장이 2차원 성장으로 진행되며 GaN 후막의 두께가 200㎛이상이 되면 기판분리 공정에서 레이저에 의한 열충격에도 견디는 두께가 되어 크랙(crack)이 쉽게 발생하지 않으므로 GaN 후막을 안정적으로 얻을 수 있는 200㎛이상의 미리 정한 적정한 두께(예, 200~1000㎛)에서 GaCl 과 NH3 가스 공급을 중단함으로써 GaN 성장공정을 완료한다.
200㎛ 이상의 두께로 성장된 GaN 후막 형성 공정이 완료되면, HVPE 반응기의 온도를 상온까지 약100℃/hr의 냉각속도로 서냉하게 되고, 쐐기형태의 AlN 핵생성층 밑부분에 존재하는 빈 공간이 자발적으로 기판이 분리되는 조건에 적합하게 형성되었을 경우, GaN 후막에 크랙(crack)이 발생하지 않으면서 사파이어 기판과 자동으로 분리되기도 하며, 기판이 자동으로 분리되지 않을 경우에는 도 2와 같은 레이저에 의한 기판분리 방법을 사용하여 기판을 분리하게 된다. 즉, 판상형태의 GaN 층 하부의 쐐기형태의 요철 밑부분 빈 공간(Void)이 가장 결합력이 적은 층으로 작용하여 LLO(Laser Lift-Off)와 같은 기판분리 공정이 쉽게 이루어져 수율이 향상되며, 공정을 보다 세밀하게 제어할 경우 성장이 완료되어 기판을 냉각하는 과정에서 사파이어기판과 GaN 후막 간의 열팽창계수차이([표1] 참조)에 의한 자동기판분리(Self separation)와 같은 효과를 얻을 수 있다.
예를 들어, AlN 핵생성층 위에 GaN 후막이 형성된 기판이 냉각되면, 반응기로부터 꺼내 소정의 기판분리장치에 장입하고, 기판분리장치에 장입된 기판의 후면에서 레이저빔을 조사시킴으로써 기판과 그 위의 GaN 후막을 분리시키는 LLO(Laser Lift-Off) 공정을 진행시킬 수 있다. 이때 GaN 의 밴드갭보다 짧은 파장(예, 355nm)의 레이저빔(예, 3rd HG Nd:YAG 레이저)을 입사시킴에 따라, 레이저는 GaN를 Ga metal과 질소가스로 열분해시키므로 AlN막과 GaN 계면을 분리시키게 된다. 이때 레이저에 의한 기판분리 공정에서 발생하는 열충격과 스트레스(stress) 풀림 현상으로 인한 충격은, 충격에 가장 약한 쐐기 형태의 AlN 핵생성층 끝부분 빈 공간 주변(GaN 후막과 접촉 부분 주변)으로 집중되어 크랙(crack)을 유발하고, GaN 후막의 다른 부분에서는 크랙(crack)이 발생하지 않게 하고, 또한 빈 공간을 따라 기판분리공정이 용이하게 이루어질 수 있으므로, 높은 수율로 고품질의 GaN 후막을 획득하하면서 기판분리공정이 이루어질 수 있다.
이와 같이 분리된 GaN 단결정 후막은, 그 밑면에 존재하는 결정결함(전위, dislocation) 밀도가 약 109/㎠ 정도이며 GaN 단결정 후막의 윗면 결정결함밀도는 약 106/㎠ 정도이므로 도 5의 (a)에서와 같이 결정결함밀도차이에 의한 기판 휨이 크게 감소된 GaN 후막을 얻을 수 있다. 반면 사파이어 기판 위에 기존의 방식에 따른 핵생성층을 사용할 경우 GaN 단결정 후막 밑면의 결정결함밀도는 도 5의 (b)와 같이 약 1011/㎠ 이다.
아래 [표1]과 같이 AlN과 GaN 간의 결정 격자상수 차이가 2.5% 이하이므로, 본 발명에서는 Dislocation과 같은 결정결함이 결정성장 초기에 약 6x109/㎠ 개 이하로 발생하는 반면, 기존과 같이 사파이어 기판과 GaN 간의 결정격자상수차이는 16%이므로 사파이어기판 위에서 성장된 GaN 의 초기 결정결함밀도는 2x1011/㎠ 개 발생하여, AlN 위에서 성장된 GaN의 초기 결정결함밀도는 사파이어 기판대비 약 30배 정도 감소된 초기 결함밀도를 얻을 수 있다. 따라서 GaN 후막의 밑면과 윗면간에 결정결함밀도 차이가 크면 도 5의 (b)에서와 같이 GaN 후막이 크게 휘게 되며, 본 발명의 도 5의 (a)에서와 같이 GaN 후막의 밑면과 윗면과의 결정결함밀도 차이가 적게 되면 휘는 현상이 감소된다. 이와 같은 원리에 의하여 AlN 핵생성층 위에서 성장된 GaN 후막은 휘는 현상이 크게 감소됨을 알 수 있다.
[표1]
Figure 112012109082096-pat00001
위와 같은 공정으로 얻은 GaN 후막은 일정 형태로 절단될 수 있으며, 모서리의 가공이나, 기타 경면 처리를 위하여 표면 래핑(lapping), 프리폴리싱(pre-polishing), 폴리싱(polishing) 등의 후속 공정이 진행될 수 있다.
위에서 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy: 수소화물 기상 성장)법을 위주로 설명하였으나, 위와 같은 본 발명의 GaN 웨이퍼의 제조 방법 상의 쐐기형태의 AlN 핵생성층의 형성 공정은, 경우에 따라 MOCVD(Metalorganic vapor phase epitaxy), MBE(Molecular beam epitaxy) 등 다양한 성장 장치를 통해서 인시추(In-Situ)로 이루어지거나, 인시추(In-Situ)가 아닌 방식으로도 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 요철이 심한 쐐기 형태의 AlN 핵생성층을 사용하므로 쐐기형태의 AlN 끝부분에서부터 각각 성장된 GaN 단결정들이 측면성장을 할 때, 사파이어 기판으로 인한 격자상수 불일치, 열팽창계수 불일치, 화학적 결합력 불일치로 인한 스트레스가 존재하지 않으므로 매우 우수한 결정이 성장되어 ELO(Epitaxial-Lateral Overgrowth)와 같은 효과를 얻을 수 있으므로, 이러한 방법으로 성장된 GaN 결정의 품질은 기존의 방법에 의하여 형성된 핵생성층에서 성장된 GaN 결정의 품질보다 매우 우수하게 되어 결정결함 밀도가 낮은 106/㎠급 또는 그 이하의 것도 얻을 수 있다. 또한, HVPE 장치 내에서 인시추(In-situ) 공정을 통해 AlN 핵생성층과 GaN 후막의 공정 등이 간단히 이루어지므로 GaN 웨이퍼 제조 시간과 비용을 크게 감소시킬 수 있다.
이외에도, 본 발명에 따른 GaN 웨이퍼 제조 방법에 따르면, HVPE법 등으로 GaN 단결정 후막을 사파이어 기판 위에 성장시키는 초기공정으로 쐐기(wedge) 형태의 AlN 핵생성층을 사파이어 기판 위에 형성시킴으로써, AlN과 GaN 간의 결정 격자상수 차이를 차이를 줄여 GaN 후막의 밑면과 윗면과의 결정결함밀도 차이를 감소시킴으로써 AlN 핵생성층 위에서 성장된 GaN 후막에서 휘는 현상을 크게 방지할 수 있다. 또한, 쐐기형태의 AlN 핵생성층의 요철 밑부분에는 빈 공간이 존재하므로 빈 공간이 존재하는 부분이 가장 결합력이 적은 층으로 작용하여 LLO(Laser Lift-Off)와 같은 기판분리 공정이 쉽게 이루어져 수율이 향상되며, 공정을 보다 세밀하게 제어할 경우 성장이 완료되어 기판을 냉각하는 과정에서 열팽창계수차이에 의한 자동기판분리(Self separation)와 같은 효과를 얻을 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.
HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy: 수소화물 기상 성장)

Claims (4)

  1. HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 반응기 내에서 사파이어(Al2O3) 기판 상에 인시추(In-Situ)로 AlN 핵생성층과 GaN 후막 층을 순차 형성하는 공정; 및 상기 GaN 후막 층을 분리시키는 공정을 포함하되,
    상기 AlN 핵생성층의 형성 시에, 상기 사파이어 기판 위로 HCl 가스를 공급하여 상기 사파이어 기판을 표면 식각하는 공정과, 상기 사파이어 기판 위로 NH3 가스를 공급하여 상기 사파이어 기판 표면에 잔존하는 AlCl와 반응시키는 공정을 복수회 반복하여 일정 두께의 AlN 으로 이루어진 쐐기(wedge) 형태의 요철 구조를 갖는 상기 AlN 핵생성층을 형성하고,
    상기 GaN 후막 층의 형성 시에, 상기 사파이어 기판 위로 GaCl 가스와 NH3 가스를 공급하여 상기 AlN 핵생성층의 쐐기 형태 요철 상단부에서 각 GaN 결정이 측면 성장하여 합체 후 판상형태의 GaN 층을 형성하되, 상기 판상형태의 GaN 층과 상기 AlN 핵생성층의 쐐기 형태 요철 하단부 사이에 빈 공간(Void)이 형성되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 쐐기(wedge) 형태의 요철 구조의 상단과 하단 사이의 높이 차이가 0.1~10㎛인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 GaN 후막 층이 900~1100 ℃의 상기 반응기 온도에서 형성된 후,
    상기 분리시키는 공정은, 상기 반응기의 온도를 냉각 시에 상기 빈 공간(Void)에 의하고 상기 사파이어 기판과 상기 GaN 후막 간의 열팽창계수 차이에 의하여 상기 GaN 후막 층을 자동 분리시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분리시키는 공정은,
    상기 GaN 후막 층이 형성된 상기 사파이어 기판을 상기 반응기에서 꺼내어, 상기 기판의 후면에 레이저빔을 조사하여 상기 GaN 후막 층을 분리시키는 LLO(Laser Lift-Off) 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법.
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