KR101552412B1 - 암모니아 프리플로우를 이용한 실리콘 기판상의 질화 알루미늄 핵 형성 - Google Patents

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Abstract

발광 다이오드(LED)용 결정성 GaN을 제조하는 데 사용되는 실리콘 웨이퍼는 실리콘 기판, 질화 알루미늄(AlN) 버퍼 층 및 GaN 상부 층을 포함한다. 실리콘 웨이퍼는 적어도 200 mm의 직경 및 Si(111)1x1 표면을 갖는다. AlN 버퍼 층은 Si(111)표면 위에 가로놓인다. GaN 상부 층은 버퍼 층 상에 배치된다. 전체 웨이퍼에 걸쳐 AlN의 원자의 최하부 면에 AlN의 알루미늄 원자가 실질적으로 존재하지 않으며, 전체 웨이퍼에 걸쳐 AlN의 원자의 최하부 면에 실질적으로 AlN의 질소 원자만 존재한다. AlN 버퍼 층을 제조하는 방법은 트리메틸알루미늄 및 이어서 후속량의 암모니아를 챔버를 통해 유동시키기 전에 챔버를 통해 유동되는 수소의 0.01 부피% 미만인 제1량의 암모니아를 프리플로우하는 단계를 포함한다.

Description

암모니아 프리플로우를 이용한 실리콘 기판상의 질화 알루미늄 핵 형성{NUCLEATION OF ALUMINUM NITRIDE ON A SILICON SUBSTRATE USING AN AMMONIA PREFLOW}
본 발명은 일반적으로 실리콘 상에 질화 갈륨을 성장시키는 방법에 관한 것이다.
효율적인 광전자 발광기(light emitters)의 제조에 질화 갈륨(GaN)과 같은 III족 질화물의 박막이 사용된다. 종래에는, GaN을 사파이어 기판(Al2O3)상에 직접 성장시켰다. GaN은, 에피택셜 성장의 고품질 결정성 구조를 달성하기 위해 단일 3차원 성장 모드가 아닌 박층에서 성장시킨다. 사파이어가 아닌 실리콘상에 GaN 에피택셜 층을 성장시킴으로써, 반도체 산업용 실리콘의 대량 생산으로부터의 규모의 경제학으로 인해 상당한 비용 절감이 이루어진다. 결정성 실리콘 제조를 위한 다량의 장비는 이미 가격이 떨어졌다. 상기 장비는 이제 발광 다이오드(LED)의 제조에 사용될 수 있다.
하지만, 실리콘 기판상에 GaN의 고품질 에피택셜 층을 성장시키기 위한 현재의 시도는 완전히 성공적이지는 않다. GaN과 실리콘의 격자 상수 및 열팽창 계수 간의 큰 차이로 인해, GaN은 실리콘 기판상에 직접 에피택셜 성장시키기에 적합하지 않다. 심지어 1000 ℃ 초과의 성장 온도에서도 GaN의 격자 상수가 결정성 실리콘의 격자 상수보다 훨씬 작으므로, GaN 에피택셜 층은 실온으로 냉각시 종종 균열이 발생한다. 또한, GaN은 실리콘보다 열팽창 계수가 훨씬 더 크다. 따라서 고온에서 실리콘 상에 성장시킨 GaN 층이 실온으로 냉각됨에 따라, 실리콘 결정에 비해 더 작은 GaN 결정의 격자 간격이 훨씬 더 확연해지게 된다. 실리콘 상에 직접 증착된 GaN 층은 냉각될 때 훨씬 더 많은 인장 응력을 받으며, 심지어 아래의 실리콘 기판이 휘어지도록 유발한다.
결과적으로, GaN과 실리콘의 상이한 격자 상수 및 열팽창 계수를 보상하기 위해 실리콘 기판과 에피택셜 GaN 층 간에 버퍼 층을 성장시키기 위한 시도가 이루어졌다. 예를 들어, AlN, AlGaN 및 AlGaIn의 버퍼 층을 실리콘 기판과 GaN 층 사이에 성장시켰다.
하지만, 기존의 버퍼 층 상에 성장시킬 수 있는 에피택셜 GaN 층의 품질이 불량하였다. AlN 및 AlGaN 버퍼 층을 형성하는 현재의 방법은 불연속부(discontinuities), 전위(dislocations) 및 단층(faults)과 같은 구조적 결함을 포함하는 GaN 층의 에피택셜 성장을 초래하였다. 이들 결함은 GaN 층의 형태(morphology) 및 광학 특성을 열화시켜, GaN 층을 고품질 LED에 사용하기에 적합하지 않게 한다.
구조적 결함이 더 적은 고품질 에피택셜 GaN 층을 버퍼 층 상에 성장시키는 것을 가능하도록 하는, 실리콘 기판상에 버퍼 층을 성장시키기 위한 방법이 요구된다.
발광 다이오드(LED)용 결정성 질화 갈륨(GaN)의 제조에 사용되는 실리콘 웨이퍼는 실리콘 기판, 질화 알루미늄(AlN) 버퍼 층, 질화 알루미늄 갈륨(AlxGa1 - xN) 제2 버퍼 층, 및 GaN 상부 층을 포함한다. 실리콘 웨이퍼는 적어도 200 mm의 직경 및 Si(111)1x1 표면(Si(111)7x7 재구성 표면이 아닌)을 갖는다. AlN 버퍼 층은 기판의 Si(111) 표면 위에 가로놓이고 두께가 205 내지 250 nm 사이이다. 질화 알루미늄 갈륨의 제2 버퍼 층은 질화 알루미늄 버퍼 층과 질화 갈륨 상부 층 사이에 배치된다.
전체 웨이퍼에 걸쳐, AlN 버퍼 층의 원자의 최하부 면(bottom most plane)에는 AlN의 알루미늄 원자가 실질적으로 존재하지 않으며, 전체 웨이퍼에 걸쳐, AlN의 원자의 최하부 면에는 AlN 버퍼 층의 질소 원자만이 실질적으로 존재한다. 따라서, AlN 버퍼 층은 단일 극성을 갖는다. 실리콘 및 AlN은 AlN<0001>∥Si<111>으로 배향된다. 실리콘 기판과 AlN 버퍼 층 사이에는 어떤 금속성 알루미늄도 배치되지 않는다. 또한, 실리콘 기판과 AlN 버퍼 층 사이에는 SiNx 층이 존재하지 않는다.
AlN 버퍼 층을 제조하는 방법은 단일 극성 AlN을 형성하기 위해 트리메틸알루미늄을 유동(flow)시키기 전에 제1 소량의 암모니아(NH3)를 프리플로우(preflow)하는 단계를 포함한다. AlN 버퍼 층의 결정도는 AlN 초기 핵 형성층의 품질 및 AlN과 실리콘(111) 표면 간의 원자 결합의 속성에 의해 영향을 받는다. 암모니아 프리플로우 단계로 인해, AlN 초기 핵 형성층은 실리콘 웨이퍼의 전체 표면상에서 실리콘(111) 표면에 질소 원자만 결합 된 채 성장하기 시작한다.
제1 세정 단계에서, 실리콘(Si) 기판은 MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition) 장치의 반응 챔버에서 950 ℃ 초과의 온도까지 가열된다. 이어서 수소(H2)를 실리콘 기판 표면의 각 cm2 에 대해 분당 수소 106과 118 cm3(cubic centimeters) 사이의 양으로 챔버를 통해 유동시킨다. 한 양태에서, 수소 유동중 챔버 내의 온도는 1100 ℃ 초과이다.
암모니아 프리플로우 단계에서, 챔버를 통해 수소를 여전히 유동시키면서 제1량의 암모니아를 반응 챔버를 통해 유동시킨다. 암모니아의 제1량은 챔버를 통해 유동되는 수소의 0.01 부피% 미만이다. 암모니아의 제1량은 실리콘 기판 표면의 각 cm2 에 대해 분당 0.006 cm3를 초과하지 않는다. 암모니아 프리플로우 단계는 30초 내지 3분간 수행된다. 암모니아 프리플로우 단계 중 챔버 내의 온도는 1000 ℃와 1050 ℃ 사이이다.
이어서, 챔버를 통해 수소 및 제1량의 암모니아를 여전히 유동시키면서 트리메틸알루미늄(Al2(CH3)6)을 챔버를 통해 유동시킨다. 트리메틸알루미늄은 분당 약 90 μmol의 양으로 10 내지 20분간 챔버를 통해 유동된다.
이어서, 챔버를 통해 트리메틸알루미늄을 여전히 유동시키면서 이후의 암모니아 양을 챔버를 통해 유동시킨다. 이후의 암모니아 양은 챔버를 통해 유동되는 수소의 0.002 부피% 초과이다. 한 양태에서, 챔버를 통해 유동되는 이후의 암모니아 양은 수소, 암모니아 및 트리메틸알루미늄의 총량의 5% 바로 아래였다.
추가 상세내용 및 실시예 및 기법은 하기의 상세 설명에 설명된다. 상기 요약은 본 발명을 정의하는 것을 표명하지 않는다. 본 발명은 청구항에 의해 정의된다.
첨부 도면에서 유사한 숫자는 유사한 구성요소를 나타내고, 첨부 도면은 본 발명의 실시예를 예시한다.
도 1은 실리콘 기판상에서 버퍼 층 상의 단결정 GaN 필름의 성장을 도시하는 단면도이다.
도 2는 실리콘 기판 상에 AlN 초기 핵 형성층을 성장시키기 위한 방법의 흐름도이다.
도 3a는 실리콘의 결정 구조 모델을 도시한다.
도 3b는 실리콘의 Si(111)1x1 표면을 따르는 실리콘 원자의 도해이다.
도 4는 도 2의 방법 동안 반응 챔버를 통한 수소, 암모니아 및 트리메틸알루미늄의 기체 유동 그래프이다.
도 5는 우르츠광(wurtzite) 질화 알루미늄의 결정 구조 모델을 도시한다.
도 6은 Si(111)1x1 표면을 따르는 실리콘의 결정 구조 위에 겹쳐진 AlN의 C-면의 알루미늄 육각형의 결정 구조의 도해이다.
도 7은 Si(111) 표면에 대해 수직으로 본 실리콘 기판 및 AlN 핵 형성층의 결정 구조의 도해이다.
그 예가 첨부 도면에 예시된 본 발명의 일부 실시예를 이제 상세히 언급하고자 한다.
도 1은 실리콘 기판(11) 상에서 버퍼 층 상의 단결정 GaN 필름(10)의 성장을 도시하는 개략적 도해이다. 먼저 질화 알루미늄(AlN) 버퍼 층(12)을 실리콘 기판(11) 상에 성장시킨다. 이어서 더 상부 버퍼인 질화 알루미늄 갈륨(AlxGa1 - xN) 층(13)을 AlN 층(12) 상에 성장시킨다. 최종적으로, GaN 층(10)을 질화 알루미늄 갈륨 상부 층(13) 상에 성장시킨다. 일부 실시예에서, GaN 층은 수개의 서브 층을 포함한다. AlN 버퍼 층(12)은 하부의 초기 핵 형성층(14) 및 더 두꺼운 상부 층(15)으로 이루어진다.
질화 갈륨(GaN) 층(10)을 성장시키기 전에 실리콘 기판상에 버퍼 층을 먼저 성장시키는 것은 몇 가지 이유가 있다. 첫째, 갈륨이 실리콘 기판과 직접 반응하는 것이 가능할 경우 갈륨에 의해 실리콘 기판(11)의 멜트백(meltback) 식각이 발생한다. 갈륨과 실리콘 간의 반응은 GaN 층(10)의 불량한 결정 품질 및 형태를 초래한다. 둘째, GaN이 실리콘 상에 퇴적될 때 SiNx가 형성될 수 있으며, 이는 GaN 층이 두꺼워지기 전에 실리콘 기판의 전체 표면상에 GaN 결정의 2-차원 성장 대신에 3-차원 성장을 초래한다. 3-차원 결정 성장은 2-차원 결정 성장보다 더 낮은 품질의 GaN 층을 초래한다. 세째, GaN과 결정성 실리콘 간의 격자 불일치는 실리콘과의 계면에서 GaN 층 상에 큰 인장 변형을 유발한다. 실온에서 GaN과 실리콘(Si(111))의 육각형 표면 배향 간의 격자 불일치는 약 16.9%이다. 네째, Si(111) 상의 GaN의 평면내(in-plane) 열팽창 계수는 광범위하게 변화한다(GaN은 5.59x10-6 K-1이고 Si은 2.6x10-6 K-1임). 열팽창 계수의 차이는 성장 온도에서 실온으로 냉각시 GaN 층의 균열을 초래할 수 있다.
GaN을 실리콘 상에 직접 성장시킴으로써 유발되는 문제를 해결하기 위해, 실리콘과 GaN 사이에 통상적으로 버퍼 층이 퇴적된다. 예를 들어, 먼저 AlN 핵 형성층(12)을 실리콘 기판(11) 상에 성장시킨 다음, 질화 알루미늄 갈륨(AlxGa1 - xN)의 추가 버퍼 층(13)을 성장시킬 수 있다. AlN 핵 형성층 및 다른 버퍼 층들은 상술한 4가지 문제를 해결한다. 첫째, AlN 버퍼 층(12)은 갈륨이 실리콘 기판(11)과 접촉하지 못하도록 한다. 둘째, GaN이 실리콘 기판상에 직접 성장하지 않으므로 실리콘의 표면상에 비정질 SiNx이 형성되는 것을 방지할 수 있으며, 그렇지 않을 경우 GaN의 결정 형성이 저하될 것이다. 세째, GaN과 Si(111) 간의 격자 불일치는, GaN에 압축 응력을 인가하여 아래의 Si(111)으로부터의 GaN의 인장 응력을 상쇄하는 AlN의 더 작은 격자 상수에 의해 보상된다. 네째, AlN의 더 작은 격자 상수는, 성장 온도에서 실온으로 냉각시 실리콘 결정과 비교하여 더 큰, GaN 결정의 비례적인 수축을 보상한다.
하지만, GaN 층 및 다른 에피택셜 층의 품질은 또한 AlN 핵 형성층(12)의 품질에 의존한다. 결과적으로, GaN을 실리콘 상에 직접 성장시킴으로써 초래되는 상술한 4가지 문제를 해결하기 위해 단순히 AlN 층을 성장시킨다고 해서 반드시 고품질 GaN이 초래되지는 않을 것이다. 전위 밀도 및 표면 형태와 같은, 질화 알루미늄 핵 형성층(12)의 특성은 더 상부의 에피택셜 층의 특성에 결정적인 영향을 미친다. AlN 층(12)은 더 상부의 버퍼 층 및 궁극적으로는 GaN 층(10)에 대해 결정학적 템플릿(template)으로서 작용한다. 차례대로, AlN 층(12)의 특성은 하부에서 AlN의 성장이 개시되는 조건 및 AlN의 성장 전에 실리콘 기판(11)이 처리되는 방법에 의해 대부분 결정된다.
Si(111) 상에 전위 밀도가 낮은 AlN 층을 성장시키는 것은 AlN과 Si(111) 간의 23.4% 격자 불일치에 의해 저해될 것으로 보인다. 실리콘 결정의 (111) 면의 실리콘 원자들 간의 거리는 3.840 Å인 반면, 우르츠광 AlN의 C-면의 알루미늄 원자들 또는 질소 원자들 간의 거리는 3.112 Å이다. 하지만, AlN/Si 계면에서 규칙적인 간격의 부정합(misfit) 전위로 결정 응력의 완화(relaxation)를 가능하게 하는, 실리콘의 (111) 면과 AlN의 C-면 간의 격자 일치로 인해, AlN과 Si(111) 간에 매끄러운 계면 형태를 달성할 수 있다. 규칙적인 간격으로 동일한 종류의 부정합 전위를 달성하는 것은 매끄러운 계면 형태를 수득하기 위해 중요하다.
AlN과 Si(111) 간에 매끄러운 계면을 초래하는 AlN의 성장을 시작하기 위한 방법이 개시된다. 방법은 전위 밀도가 낮은 AlN의 단일 극성 버퍼 층을 성장시킨다. AlN 버퍼 층 상에 성장시킨 이후의 버퍼 층은 고품질 결정성 형태를 유지하며 더 고품질의 GaN 및 다른 에피택셜 층을 버퍼 층 상에 성장시키는 것이 가능하도록 한다.
도 2는 고품질 AlN 핵 형성층을 실리콘 기판상에 성장시키기 위한 방법(16)의 단계들을 예시하는 흐름도이다. 제1단계(17)에서, 실리콘(Si) 기판을 챔버에서 950 ℃ 초과의 온도까지 가열한다. 한 양태에서, 기판을 MOCVD 시스템(금속-유기 기상 에피택시 시스템으로도 지칭됨)의 반응 챔버에서 1140 ℃의 온도까지 가열하였다. 기판은 (111) 면을 따라 절단된 3개의 8-인치 실리콘 웨이퍼의 형태였다. 3개의 웨이퍼를 직경이 465 mm인 웨이퍼 리셉터클 상에 배치하였다.
도 3a는 실리콘의 결정 구조(23)를 예시하는 도해이다. 3개의 실리콘 웨이퍼가 이를 따라 절단되는 (111) 면은 도 3a에서 실리콘 원자 A, C 및 F를 교차하는 면이다. 실리콘 원자 A, F 및 24는 (010) 면을 정의하며, 여기서 실리콘 원자는 사각형 포맷을 형성한다. 동일한 (100), (010) 및 (001) 면의 사각형의 인접한 모서리에서 실리콘 원자들 간의 거리는 5.431 Å이다. 하지만, (111) 면의 육각형 포맷의 인접한 실리콘 원자들 간에 더 짧은 거리가 존재한다. 예를 들어, (111) 면에서 원자 A 및 B 간의 거리는 3.840 Å이다. Si(111)의 육각형 포맷의 원자들 간의 상기와 같은 더 짧은 거리는 AlN의 C-면을 따르는 육각형 포맷의 질소 원자들 간의 거리와 더 잘 일치한다. 도 3b는 (111) 면이 페이지의 면과 일치하는 도 3a의 원자 A-F를 예시한다. 제1단계(17) 후의 3개의 실리콘 웨이퍼의 표면은 Si(111)7x7 재구성의 DAS(dimer-adatom-stacking) 단층 구조가 아닌 도 3b에 도시된 Si(111)1x1 구조(25)를 갖는다. 실리콘 기판이 약 850 ℃를 초과하여 가열될 때 좀더 안정하고 면 가공된(faceted) Si(111)7x7 표면 구조가 규칙적인 Si(111)1x1 육각형 구조(25)로 세분된다.
단계(18)에서, 웨이퍼로부터 SiO2를 제거하고 일반적으로 실리콘 기판의 표면을 세정하기 위해 챔버를 통해 수소를 유동시킨다. 기판 표면의 각 cm2 에 대해 분당 106과 118 cm3 사이의 수소를 유동시킨다. 한 양태에서, 분당 180-200 리터의 수소를 챔버를 통해 유동시켰다. 실리콘 기판을 약 15분간 1140 ℃에서 수소 유동 내에서 베이킹하여 자연 산화막(native oxide)을 제거하였다. 이어서, 챔버 내의 온도를 약 1020 ℃까지 낮췄다.
단계(19)에서, 챔버를 통해 수소를 여전히 유동시키면서 제1량의 암모니아(NH3)를 챔버를 통해 유동시킨다. 제1량의 암모니아는 챔버를 통해 유동되는 수소의 0.01 부피% 미만이다. 제1량의 암모니아는 30초 내지 3분간 챔버를 통해 유동된다. 한 양태에서, 465-mm 웨이퍼 리셉터클에 대해 분당 10 cm3 미만의 암모니아를 유동시켰다. 따라서, 실리콘 기판 표면의 각 cm2에 대해 분당 0.00588 cm3 미만의 암모니아를 유동시켰다. 1020 ℃에서, 제1량의 암모니아는 실리콘 기판 표면상에 SiNx 층을 형성하기에 불충분하다. 하지만, 제1량의 암모니아는 Si(111)1x1 표면상에 적은 수의 Si-N 결합을 형성하기에 충분하다.
단계(20)에서, 챔버를 통해 수소를 여전히 유동시키면서 트리메틸알루미늄(Al2(CH3)6)을 챔버를 통해 유동시킨다. 트리메틸알루미늄은 분당 약 90 μmol의 양으로 챔버를 통해 유동된다. 한 양태에서, 분당 90 μmol의 트리메틸알루미늄을 10 내지 20분간 챔버를 통해 유동시켰다.
단계(21)에서, 챔버를 통해 트리메틸알루미늄을 여전히 유동시키면서 후속량의 암모니아를 챔버를 통해 유동시킨다. 암모니아의 후속량은 챔버를 통해 유동되는 수소의 0.002 부피%보다 크다. 한 양태에서, 챔버를 통해 유동된 암모니아의 후속량은 수소, 암모니아 및 트리메틸알루미늄의 총량의 5% 바로 아래였다. 후속량의 암모니아를 약 15분간 총 유동량의 5% 바로 아래로 챔버를 통해 유동시켰을 경우, 질화 알루미늄(AlN)의 초기 핵 형성층(14)은 25-50 nm 사이의 두께로 성장하였다. AlN 버퍼 층(12)의 결정도는 초기 핵 형성층(14)의 품질과 실리콘(111) 표면과 AlN 간의 원자 결합의 속성과 관련이 있다. 단계(19)에서의 암모니아 프리플로우로 인해, 8-인치 웨이퍼의 전체 표면상에서 실리콘(111) 표면에 질소 원자만 결합 된 채 초기 핵 형성층(14)이 성장하기 시작한다.
단계(22)에서, 트리메틸알루미늄의 유동은 분당 약 180 μmol까지 증가하고, 챔버 내의 온도는 약 1120 ℃까지 증가한다. AlN 버퍼 층은 트리메틸알루미늄의 증가된 유동하에 205-250 nm의 총 두께까지 추가로 180-200 nm가 성장한다.
도 4는 세정, 프리플로우, 초기 성장 및 AlN 버퍼 층 형성의 더 두꺼운 성장 단계 중에 반응 챔버를 통해 수소, 암모니아 및 트리메틸알루미늄의 유동을 나타내는 그래프이다. 다른 실시예에서, AlN의 추가 180-200 nm는 단일 단계가 아닌 트리메틸알루미늄 농도가 더 높은 다수의 단계로 성장시킨다.
단계(20)에서 챔버를 통해 트리메틸알루미늄이 유동되기 시작할 때 및 단계(21)에서 챔버를 통해 후속량의 암모니아를 유동시키기 전에, AlN의 초기 핵 형성층(14)이 먼저 형성되기 시작한다. 결과적으로, 트리메틸알루미늄으로부터의 알루미늄이 기판 표면과 접촉하기 전에 실리콘 기판(11)의 Si(111)1x1 표면상에 극소량의 질소가 존재한다. AlN의 제1 시드 결정이 형성되므로, 알루미늄 원자는, 기판 표면상의 실리콘 원자와 직접 결합하는 것이 아니라 Si(111)1x1 표면상에 존재하는 질소 원자에 결합을 형성한다. 암모니아 프리플로우 단계로부터의 질소는, 전체 실리콘 웨이퍼에 걸쳐 형성된 AlN 결정 내의 알루미늄 및 질소의 교호층의 극성이 실리콘 기판 및 상부의 알루미늄 층을 마주하는 질소층을 가질 것임을 보장한다.
도 5는 우르츠광 질화 알루미늄(AlN)의 결정 구조(26)를 예시하는 도해이다. 더 작은 구(sphere)는 알루미늄 원자(27)를 나타내고, 더 큰 구는 질소 원자(28)를 나타낸다. AlN 결정의 C-면은 결정의 상부면 상에서 육각형을 형성하는 6개의 모든 알루미늄 원자와 교차한다. C-면의 육각형 주위의 인접한 알루미늄 원자들 간의 거리는 3.112 Å이다. 따라서 중간 육각형 주변의 인접한 질소 원자들 간의 거리도 또한 3.112 Å이다. AlN의 C-면을 따르는 질소 및 알루미늄의 육각형은 실리콘 기판의 Si(111)1x1 표면상의 실리콘 원자의 육각형 포맷과 대략 일치한다.
도 6은 Si(111)1x1 표면상의 실리콘 기판의 결정 구조 위에 겹쳐진 AlN의 C-면의 알루미늄 육각형의 결정 구조의 도해이다. 실리콘 육각형 주변의 원자들 간의 거리가 3.840 Å이고 AlN의 육각형 주변의 원자들 간의 거리가 3.112 Å이므로, 실리콘 셀 유닛의 격자 간격은 6.652 Å이고, AlN 셀 유닛의 격자 간격은 5.390 Å이다. 따라서, 23.4% 격자 불일치가 존재한다. 하지만, 5개의 AlN 셀 유닛의 폭(26.95 Å)은 도 6에 예시된 바와 같이, 4개의 실리콘 셀 유닛(26.61 Å)의 폭과 대략 일치한다. 매 5번째의 AlN 셀 유닛은 매 4번째의 실리콘 셀 유닛에 잘 결합될 수 있다.
도 7은 Si(111)1x1 표면과 AlN의 C-면에 대해 수직으로 본 실리콘 기판과 AlN의 결정 구조의 도해이다. 도 7은 AlN 결정의 각 5번째 셀 유닛이 Si(111)1x1 표면상의 각 4번째 셀 유닛과 어떻게 대략 일치하는 지를 예시한다. AlN과 실리콘의 표면 구조들 간의 규칙적인 불일치로 인해 AlN의 결정이 낮은 전위 밀도로 성장하는 것이 가능하다.
하지만, Si(111)1x1 표면상에 형성되기 시작하는 AlN 결정의 모든 아일랜드가 동일한 극성을 갖지 않는다면, AlN 버퍼 층의 전위 밀도가 상당히 더 높다. AlN 결정의 일부 아일랜드는 질소 원자가 실리콘에 결합 된 채 형성되는 한편 AlN 결정의 다른 아일랜드는 알루미늄 원자가 실리콘에 결합 된 채 형성되는 경우, 반대 극성을 갖는 결정 아일랜드가 함께 성장하는 곳에는 불연속부 및 적층 단층이 형성될 것이다. 도 7은, 방법(16)을 이용하여 형성된 AlN의 초기 핵 형성층은 질소 원자만 Si(111)1x1 표면에 결합됨을 도시한다. 전체 기판 웨이퍼에 걸쳐, 질화 알루미늄의 원자의 최하부 면에 실질적으로 질화 알루미늄의 질소 원자만 존재한다. 방법(16)을 이용하여 형성된 AlN의 초기 핵 형성층은 단일 극성을 가지므로, 전위 밀도가 2x109 cm-2 미만인 핵 형성층 위에 GaN 층을 성장시키는 것이 가능하였다.
AlN 버퍼 층을 성장시키는 종래의 일부 방법은 비정질 SiNx의 형성을 방지하기 위해 AlN을 성장시키기 전에 실리콘 기판의 표면상에 금속성 Al 층을 퇴적함으로써 시작하였다. 실리콘 기판 표면상의 알루미늄 원자의 존재는 가능하게는, AlN 결정의 적어도 일부의 아일랜드가 질화 알루미늄의 원자의 최하부 면으로서 알루미늄을 갖도록 형성하는 것을 유발한다. 이들 종래 기술의 방법은 적어도 일부의 질소 원자가 실리콘 기판(반드시 비정질 SiNx로서일 필요는 없음)에 결합되는 것을 방지하지 못하므로, AlN 결정의 일부 아일랜드는 질화 알루미늄의 원자의 최하부 면으로서 질소를 갖도록 형성되며, 생성된 AlN 층은 혼합된 극성을 갖는다. 한편, 방법(16)에 의해 단일 극성의 재료를 성장시키는 것이 가능하다.
따라서, 방법(16)을 사용하여, AlN 버퍼 층, AlGaN 층 및 최종적으로 상부 GaN 층이 위에 성장하는 실리콘 기판의 웨이퍼를 제조할 수 있다. 실리콘 기판은 Si(111) 표면을 가지며, 이는 실리콘이 약 850 ℃를 초과하여 가열될 경우 7x7 구조에서 1x1 구조로 변환된다. AlN 버퍼 층은, 상부 GaN 층이 감소된 응력하에서 성장할 수 있도록 GaN, 및 실리콘 기판의 Si(111) 표면 간의 격자 불일치를 보상하기 위한 수단이다. AlN 버퍼 층의 상부 상의 AlGaN은 실리콘에서보다 GaN과 격자 일치가 더 양호하다. 실리콘 기판은 8-인치 웨이퍼와 같이, 직경이 적어도 200 mm인 웨이퍼이다. AlN 버퍼 층은 기판의 Si(111) 표면 위에 가로놓이고 AlN<0001>∥Si<111>으로 배향된다. GaN 상부층은 AlN 버퍼 층 상에서 AlGaN 층 상에 성장한다. 전체 웨이퍼에 걸쳐, 질화 알루미늄의 원자의 최하부 면에 질화 알루미늄의 알루미늄 원자가 실질적으로 존재하지 않으며, 전체 웨이퍼에 걸쳐, 질화 알루미늄의 원자의 최하부 면에 실질적으로 질화 알루미늄의 질소 원자만 존재한다. 따라서, 전체 웨이퍼에 걸쳐, 실질적으로 AlN 버퍼 층의 질소 원자만 Si(111) 표면에 결합을 형성한다. 실리콘 기판과 AlN 버퍼 층 사이에는 금속성 알루미늄도 임의의 SiNx 층도 존재하지 않는다.
교시 목적을 위해 비록 특정한 특수 실시예가 상기에 설명되었지만, 본 특허 문헌의 교시는 일반적인 적용성을 가지며 상기 설명된 특수 실시예에 제한되지 않는다. 즉, 청구항에 제시된 바와 같은 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이, 설명된 실시예의 각종 특징들의 다양한 변형, 조정 및 조합을 실시할 수 있다.

Claims (23)

  1. 실리콘 표면을 갖는 기판을 챔버에서 가열하는 단계;
    상기 챔버를 통해 수소와 제1량의 암모니아(NH3)를 유동시키는 단계를 포함하는 프리플로우(preflow) 단계; - 상기 제1량의 암모니아(NH3)는 상기 챔버를 통해 유동되는 수소의 0 부피% 초과 및 0.01 부피% 미만임;
    상기 챔버를 통해 트리메틸알루미늄(Al2(CH3)6)을 유동시키는 단계; - 트리메틸알루미늄(Al2(CH3)6)은 상기 프리플로우 단계가 시작된 후 그리고 상기 프리플로우 단계가 수행되는 동안 유동을 시작함; 및
    상기 프리플로우 단계가 수행된 후, 상기 챔버를 통해 수소와 제2량의 암모니아(NH3)를 유동시키는 단계를 포함하는 후속 유동(subsequent-flow) 단계; - 상기 제2량의 암모니아(NH3)는 상기 챔버를 통해 유동되는 수소의 0.002 부피% 보다 큼;
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프리플로우 단계 이전에 상기 챔버를 통해 수소를 유동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 기판 표면의 각 cm2에 대해 분당 106과 118 cm3 사이의 양으로 상기 챔버를 통해 수소를 유동시키는 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 챔버를 통해 수소를 유동시키는 동안 챔버 내의 온도는 1100 ℃ 초과하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 프리플로우 단계에서 상기 제1량의 암모니아(NH3)는 상기 기판 표면의 각 cm2에 대해 분당 0.006 cm3을 초과하지 않는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 프리플로우 단계에서 챔버 내의 온도는 1000 ℃와 1050 ℃ 사이인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 트리메틸알루미늄(Al2(CH3)6)은 분당 90 μmol의 양으로 상기 챔버를 통해 유동되는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 트리메틸알루미늄(Al2(CH3)6)은 상기 후속 유동 단계가 수행되는 동안 계속하여 유동되는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 챔버를 통해 유동되는 상기 제2량의 암모니아(NH3)는 수소, 암모니아(NH3) 및 트리메틸알루미늄(Al2(CH3)6)의 총량의 5% 미만인 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 프리플로우 단계 이후에 트리메틸알루미늄(Al2(CH3)6)을 증가된 양으로 유동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 증가된 양은 분당 180 μmol인 방법.
  12. 제10항에 있어서, 트리메틸알루미늄(Al2(CH3)6)을 증가된 양으로 유동시키는 동안 챔버의 온도는 1120 ℃인 방법.
  13. 제10항에 있어서, 질화 알루미늄(AlN) 버퍼 층이 트리메틸알루미늄(Al2(CH3)6)을 증가된 양으로 유동시키는 동안 추가 두께로 성장하는 방법.
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