KR101578717B1

KR101578717B1 - 질화갈륨 웨이퍼를 제조하는 방법

Info

Publication number: KR101578717B1
Application number: KR1020140060379A
Authority: KR
Inventors: 한재용
Original assignee: 주식회사 루미스탈
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2015-12-22
Also published as: KR20150133908A

Abstract

질화갈륨 웨이퍼를 제조하는 방법에 있어서, 반응기 내부의 온도를 제 1 온도로 유지한 상태에서, Si 층의 상부에 SiC 층이 형성된 기판상에 질화갈륨 층을 성장시키는 단계; 상기 반응기 내부의 온도를 제 2 온도로 변경하여, 상기 Si 층, SiC 층 및 질화갈륨 층의 내부 응력을 감소시키는 단계; 상기 반응기 내부로 에칭 물질을 주입하여 상기 Si 층을 에칭하는 단계; 및 상기 SiC 층과 질화갈륨 층을 냉각한 후, 상기 SiC 층을 제거하여 상기 질화갈륨 웨이퍼를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

질화갈륨 웨이퍼를 제조하는 방법 {METHOD FOR MANUFACTURING GaN WAFER}

본 발명은 질화갈륨 웨이퍼를 제조하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 Si 층의 상부에 SiC 층이 형성된 기판에서 질화갈륨 층을 성장시켜 질화갈륨 웨이퍼를 제조하는 방법에 관한 것이다.

통상적인 청색 LED 또는 백색 LED는 사파이어 기판 위에 질화갈륨 박막을 성장시켜 제조되지만, 초고출력 LED(Ultra High Brightness LED), 청자색 LD(Laser Diode) 등과 같이 대단히 높은 전류 밀도가(예: 1000 A/cm²이상) 요구되는 질화갈륨 소자를 제조하기 위해서는 사파이어 기판에서 분리된 질화갈륨 웨이퍼가 필요하다. 그 이유는 사파이어 기판 위에서 성장된 질화갈륨 박막의 결함밀도는 약 10⁸~10⁹/cm² 정도이므로, 높은 결함밀도에 기인하여 소자의 수명이 감소하는 단점이 있기 때문이다. 반면에 질화갈륨 웨이퍼의 결함밀도는 10⁷/cm²이하이므로 그 위에 성장된 질화갈륨 박막의 결함밀도도 10⁷/cm²이하가 되어 소자의 수명이 증가되는 장점이 있다.

질화갈륨 웨이퍼를 제조하는 방법으로는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법이 가장 일반적인 방법이며, 이외에 Solution법, Sublimation법 등이 있다.

HVPE 법은 기상 성장법 중의 하나로서, 성장속도가 빠르고 원료가 저렴한 장점이 있어 후막(thick film)이나 벌크(bulk) 결정 성장에 주로 사용되는 방법이다.

HVPE 성장 장치는 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 제어에 따라, NH₃ 공급 튜브(tube), HCl 공급 튜브, 및 도펀트(dopant) 공급 튜브를 통해 필요한 가스들을 공급받게 된다.

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

[화학식 1]

Ga + HCl → GaCl + 1/2H₂

성장 존에는 질화갈륨을 성장시키기 위한 기판이 장착되어 있으며, 기판의 종류는 사파이어, SiC, GaAs, Si, 질화갈륨 등의 기판이 사용될 수 있다.

가열로 2에 의해 질화갈륨이 성장되기에 적합한 온도로 유지된 성장 존으로 GaCl과 NH₃ 가스를 흘려 보내면 [화학식 2]와 같은 반응이 일어나 기판 위에 질화갈륨이 성장될 수 있다.

[화학식 2]

GaCl + NH₃ → GaN + HCl + H₂

종래의 질화갈륨 웨이퍼 제조 공정에 따르면, 사파이어 기판과 같은 이질기판 위에 질화갈륨 단결정 후막을 성장시킨 후, 반응기로부터 기판을 꺼내고, 별도의 방법으로 즉, 도 2와 같은 레이저(Laser)를 이용한 기판분리 방법이나, 화학적 에칭 방법, 또는 물리적 가공방법을 이용하여 이질 기판과 질화갈륨 단결정 후막을 서로 분리하였다. 그 후, 분리된 질화갈륨 단결정 후막을 경면 가공하는 공정을 통해 질화갈륨 웨이퍼를 제조하였다.

이질 기판 위에 질화갈륨 단결정 후막을 성장시킨 후, 반응기로부터 기판을 꺼내기 위해 냉각과정을 거치는데, 사파이어 단결정과 질화갈륨 단결정 간에는 약 25.5%의 열팽창계수 차이가 존재하므로, 냉각이 진행될수록 사파이어 기판에 인장응력(Tensile stress)이 발생하고, 질화갈륨 단결정 후막에는 압축응력(compressive stress)이 발생하여 크랙이 쉽게 발생한다는 문제점이 존재한다. 또한, 사파이어 기판은 직경이 증가할수록 가격이 급격히 증가하며 최대 직경 6" 정도의 것이 높은 가격으로 시판되고 있다는 비용상의 문제점도 가지고 있다.

Si 기판은 가격이 저렴하며 대구경 고품질의 기판이 개발되어 있으므로 Si 기판을 사용하여 질화갈륨 기판을 제조할 경우 저가격화 및 대구경화가 용이한 이점이 존재하나, Si 단결정과 질화갈륨 단결정 간에는 약 55.7%의 열팽창계수 차이가 있어 사파이어를 사용하는 경우보다 더 심각하게 크랙이 발생하는 문제점이 존재한다. 최근에는 크랙을 제어하고자 AlN 층을 사용하는 기술이 개발되었으나, 수십 ㎛ 두께 이상으로 질화갈륨 층을 크랙없이 성장시키지 못하고 있다(Growth of Crack-Free GaN Films on Si(111) Substrates with AlN Buffer Layers Doek Kyu Kim and Choon Bae Park Journal of the Korean Physical Society, Vol. 49, No. 4, October 2006, pp. 1497_1500 참고). 또한, HVPE법으로 Si 기판 위에 질화갈륨을 성장시킬 경우, 질화갈륨과 Si이 반응하여 melt-back 현상(Marchand H et al, 1999 MRS Internet J. Nitride Semicond. Res.4 2 참고)이 발생한다는 단점도 존재한다.

따라서 Si기판을 사용하여 질화갈륨 웨이퍼를 제조할 경우, 많은 이점이 존재하지만, 크랙과 저품질의 질화갈륨 결정이 성장되는 문제점도 함께 존재하므로, Si 기판이 질화갈륨 기판 제조에 사용되지 못하는 실정이다. 따라서 이러한 문제를 해결할 수 있는 새로운 방법이 요구된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법은, 질화갈륨 단결정 후막에 크랙이 발생하는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법은, 질화갈륨 단결정 후막과 Si 기판이 서로 반응하는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법은, 사파이어 기판이나 Si 기판만을 사용하였을 경우에 비해, 결정 결함이 매우 적은, 우수한 품질의 질화갈륨 웨이퍼를 제조하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법은, 사파이어와 같은 기판을 사용하여 질화갈륨 웨이퍼를 제조하는 기존 공정에 비해, 대구경의 질화갈륨 웨이퍼를 제조하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법은, 간단한 방법으로, 그리고 저렴한 가격으로 질화갈륨 웨이퍼를 제조하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 웨이퍼의 제조 방법은,

상기 SiC 층은, 상기 질화갈륨 층이 성장되는 동안, 상기 질화갈륨 층과 상기 Si 층이 서로 반응하는 것을 방지하고, 상기 Si 층이 에칭되는 동안, 상기 질화갈륨 층과 상기 에칭 물질이 서로 반응하는 것을 방지할 수 있다.

상기 Si 층을 에칭하는 단계는, 상기 반응기 내부로 HCL 가스를 주입하여 상기 Si 층을 에칭하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 질화갈륨 웨이퍼를 제조하는 단계는, 상기 SiC 층을 연마하여 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 질화갈륨 웨이퍼의 제조 방법은, 상기 반응기 내부에 장입된 Si 층의 상부에 형성된 SiC 층의 표면을 캐리어 가스 및 에칭 물질을 이용하여 세정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 질화갈륨 웨이퍼의 제조 방법은, 상기 SiC 층의 표면이 세정된 후, 상기 에칭 물질 대신 NH3를 상기 반응기 내부로 주입하여 상기 Si 층과 상기 SiC 층의 표면을 질화 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 질화갈륨 웨이퍼를 제조하는 단계는, 상기 SiC 층이 제거된 후, 상기 질화갈륨 층을 경면 연마 처리하여 상기 질화갈륨 웨이퍼를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법은, 질화갈륨 단결정 후막에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법은, 질화갈륨 단결정 후막과 Si 기판이 서로 반응하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법은, 사파이어 기판이나 Si 기판만을 사용하였을 경우에 비해, 결정 결함이 매우 적은, 우수한 품질의 질화갈륨 웨이퍼를 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법은, 사파이어와 같은 기판을 사용하여 질화갈륨 웨이퍼를 제조하는 기존 공정에 비해, 대구경의 질화갈륨 웨이퍼를 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법은, 간단한 방법으로, 그리고 저렴한 가격으로 질화갈륨 웨이퍼를 제조할 수 있다.

도 1은 일반적인 HVPE 성장 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 레이저를 이용한 일반적인 질화갈륨 분리 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법의 순서를 도시하는 도면이다.
도 4는 질화갈륨에 대한 SiC, Si 및 사파이어 단결정의 물리적 특성을 비교하는 표이다.
도 5는 질화갈륨 층, SiC 층 및 Si 층 내부에 형성된 응력의 종류와 분포를 나타내는 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하에서는, 도 3, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법에 대해 구체적으로 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법의 순서를 도시하는 도면이고, 도 4는 질화갈륨에 대한 SiC, Si 및 사파이어 단결정의 물리적 특성을 비교하는 표이며, 도 5는 질화갈륨 층, SiC 층 및 Si 층 내부에 형성된 응력의 종류와 분포를 나타내는 도면이다. 도 3에 도시된 단계들 중 일부의 단계는 생략될 수 있으며, 당업자에게 자명한 범위 내에서 특정 단계가 추가될 수도 있다.

먼저, S310 단계에서, 도 1과 같은 HVPE 성장장치의 반응기에 기판을 장착한다. 반응기에 장착되는 기판은 Si 층 및 Si 층의 상부에 형성된 SiC 층을 포함할 수 있다. 기판의 결정방위는 (111)의 것이 사용될 수 있으며, Si 층의 상부에 형성된 3C-SiC층의 두께는 0.01㎛~50㎛ (Heteroepitaxial Growth of SiC on Si(100) and (111) by Chemical Vapor Deposition Using Trimethylsilane S. Madapura,a A. J. Steckl,a,*,z and M. Lobodab,*Journal of The Electrochemical Society, 146 (3) 1197-1202 (1999) 참고)가 될 수 있다.

전술한 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 구비된다. 반응기는 질화갈륨 웨이퍼를 제조하기 위해, 가스 캐비닛과 연결된 가스 공급장치의 공급량 제어를 받는 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.

S320 단계에서, 반응기에 기판이 장착된 후, SiC 층과 Si 층을 포함하는 기판을 세정한다. 구체적으로, 반응기의 성장 존의 분위기 온도를 제 1 온도(예를 들어, 900~1100℃)로 조절한 상태에서, 캐리어 가스로서 질소, 수소 또는 질소 수소 혼합가스를 반응기 내로 주입주고, 반응기 내로 에칭 물질, 예를 들어, HCl 가스를 1slm으로 3분간 공급하여 SiC 층과 Si 층의 표면을 에칭함으로써 SiC 층의 표면을 세정한다.

S330 단계에서, SiC 층과 Si 층의 세정 처리가 완료되면, 에칭 물질의 공급을 중단하고, NH3 가스를 반응기 내부로 공급하여 SiC 층의 표면을 질화처리한다.

S340 단계에서, 제 1 온도에서 기판 상에 질화갈륨 층을 성장시킨다. 구체적으로, HCl 공급 튜브를 통하여 HCl을 300sccm으로 반응기 내부로 공급하고, NH3 공급 튜브를 통해 NH3를 반응기 내부로 3slm으로 공급하면, HCl은 Ga 메탈과 반응하여 GaCl을 발생시켜 식 2와 같이 NH3와 반응하여 SiC 층 상에서 질화갈륨이 성장된다. 질화갈륨의 성장속도는 약 150㎛/hr일 수 있으며, 약 4시간 동안 성장하여 SiC층 상에 약 600㎛ 두께의 질화갈륨 층이 형성될 수 있다.

질화갈륨 대비 SiC의 격자상수가 약 +3.5% 정도의 차이가 있으므로(도 4 참조), 질화갈륨 층의 성장이 완료된 경우, 질화갈륨 측면에서 보았을 때 질화갈륨 층, SiC 층 및 Si 층은 약간 볼록한 상태로 존재한다.

볼록한 상태의 기판 내부에는 도 5와 같은 형태로 응력이 분포되어 있다. 볼록한 상태에서 기판에 형성된 Si 층을 에칭할 경우 내부 응력에 의하여 질화갈륨 층에 크랙이 발생할 가능성이 높다.

이에 따라, S350 단계에서, 크랙 발생을 억제하기 위하여 반응기 내부의 제 1 온도를 제 2 온도 (예를 들어, 850~950℃)로 변경하여 기판의 형태를 평평한 상태로 만들어 준다. 그 이유는 볼록하거나 오목한 상태의 기판은 내부응력이 매우 큰 상태이므로 크랙이 쉽게 발생하기 때문이다.

Si의 열팽창계수는 질화갈륨보다 약 55.5%만큼 더 작으므로 온도를 제 2 온도로 냉각시키게 되면 질화갈륨이 Si보다 더 빨리 수축하여 질화갈륨 층, SiC 층 및 Si 층이 형성된 기판은 볼록했던 형태가 오목한 형태로 바뀌게 된다. 이때 볼록한 형태에서 오목한 형태로 바뀌는 변곡점에서는 기판이 평평하게 되며 내부응력이 가장 적은 상태가 된다.

다음으로, S360 단계에서, 반응기 내부로 에칭 물질, 예를 들어, HCL 가스를 공급하여 식 3과 같은 반응을 따라 Si 층을 에칭한다.

[화학식 3]

Si + 4HCl → SiCl₄ + 2H₂

통상적으로 Si 층의 에칭 속도는 100㎛/hr ~ 1500㎛/hr로 하는 것이 적합하다. SiC 층은 HCl 가스에 에칭되지 않으므로 Si 층을 에칭할 때 SiC 층은 질화갈륨 층이 에칭되지 않도록 보호하는 역할을 하게 된다.

따라서, 본 발명에서 사용하는 SiC 층은 질화갈륨 결정 성장 시, Si 층과 질화갈륨 층이 반응하여 melt-back현상이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 또한 에칭 물질, 예를 들어, HCl과 질화갈륨 층이 서로 반응하는 것을 방지할 수 있다.

SiC 층은 HCl에 에칭되지 않으며, 그 위에 성장된 질화갈륨과의 격자상수차이가 3.5%에 불과하므로 사파이어 기판과 같이 격자상수 차이가 16%인 경우에 비하여 격자상수차이에 의한 결함발생이 현저하게 적으므로, SiC 층에서 형성되는 질화갈륨 웨이퍼의 품질은 기존의 사파이어 기판을 사용하는 경우와 비교하여 매우 우수한 품질을 지닐 수 있다.

S370 단계에서, Si 층이 에칭에 의해 제거되면, 반응기의 온도를 상온으로 냉각시킨 후, SiC 층과 질화갈륨 층이 형성된 기판을 반응기로부터 꺼낸다.

S380 단계에서, SiC 층을 Grinding M/C이나 diamond 연마재로 약 100㎛ 두께로 연마하여 제거한다.

S390 단계에서, SiC 층이 제거된 질화갈륨 층을 경면 처리하여 질화갈륨 웨이퍼를 제조한다. 구체적으로, 질화갈륨 면을 약 50㎛ 두께로 연마하고, CMP slurry를 사용하여 화학적-기계적 경면 연마하여 표면의 거칠기 Ra를 0.3nm이하가 되도록 한다.

이와 같은 방법으로 제조된 질화갈륨 웨이퍼는 휨이 10㎛이하이며, 기판의 전위결함밀도가 2x10⁶/㎠ 정도이며, X-ray 반치폭이 50~70 arcsec 정도일 수 있다. 또한, 기존 제조 방법에 비해, 수율이 크게 향상되어 생산성을 높일 수 있으며 상대적으로 저렴한 가격으로 직경 6" 이상의 대구경 질화갈륨 웨이퍼를 용이하게 제조할 수 있다.

한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다.

상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장매체를 포함한다.

이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims

질화갈륨 웨이퍼를 제조하는 방법에 있어서,
반응기 내부의 온도를 제 1 온도로 유지한 상태에서, Si 층의 상부에 SiC 층이 형성된 기판상에 질화갈륨 층을 성장시키는 단계;
상기 반응기 내부의 온도를 제 2 온도로 변경하여, 상기 Si 층, SiC 층 및 질화갈륨 층의 내부 응력을 감소시키는 단계;
상기 반응기 내부로 에칭 물질을 주입하여 상기 Si 층을 에칭하는 단계; 및
상기 SiC 층과 질화갈륨 층을 냉각한 후, 상기 SiC 층을 제거하여 상기 질화갈륨 웨이퍼를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 웨이퍼의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 SiC 층은,
상기 질화갈륨 층이 성장되는 동안, 상기 질화갈륨 층과 상기 Si 층이 서로 반응하는 것을 방지하고,
상기 Si 층이 에칭되는 동안, 상기 질화갈륨 층과 상기 에칭 물질이 서로 반응하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 웨이퍼의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 Si 층을 에칭하는 단계는,
상기 반응기 내부로 HCL 가스를 주입하여 상기 Si 층을 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 웨이퍼의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 질화갈륨 웨이퍼를 제조하는 단계는,
상기 SiC 층을 연마하여 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 웨이퍼의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 질화갈륨 웨이퍼의 제조 방법은,
상기 Si 층의 상부에 형성된 SiC 층의 표면을 캐리어 가스 및 에칭 물질을 이용하여 세정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 웨이퍼의 제조 방법.
제5항에 있어서,
상기 질화갈륨 웨이퍼의 제조 방법은,
상기 SiC 층의 표면이 세정된 후, 상기 에칭 물질 대신 NH3를 상기 반응기 내부로 주입하여 상기 SiC 층의 표면을 질화 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 웨이퍼의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 질화갈륨 웨이퍼를 제조하는 단계는,
상기 SiC 층이 제거된 후, 상기 질화갈륨 층을 경면 연마 처리하여 상기 질화갈륨 웨이퍼를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 웨이퍼의 제조 방법.