KR101695306B1 - 질화물 반도체의 제조 방법 및 이를 이용한 전력 반도체 소자의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화물 반도체의 제조 방법에 관한 것으로, 반응기 내에 기판을 준비하는 것 및 상기 기판 상에 에피층을 형성하는 것을 포함하고, 상기 에피층을 형성하는 것은 펄스 플로우 성장법을 수행하는 것을 포함하되, 상기 펄스 플로우 성장법은 상기 기판 상에 5족 소스 물질을 공급하는 것 및 상기 기판 상에 3족 소스 물질을 공급하는 것을 포함하고, 상기 5족 및 3족 소스 물질들은 상기 반응기 내에 교대로 공급되되, 상기 5족 소스 물질은 히드라진(hydrazine) 계열의 물질을 포함하는 질화물 반도체의 제조 방법에 제공된다.
Description
본 발명은 질화물 반도체 및 전력 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 및 인듐(이하 In) 등의 3족 원소와 5족 원소인 질소(N)를 포함하는 질화물 반도체 성장 방법 및 이를 이용한 전력 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
GaN계 화합물 반도체는 직접 천이형 반도체로서, 가시광선에서 자외선까지 파장 제어가 가능하며, 높은 열적?화학적 안정성, 높은 전자 이동도 및 포화 전자속도, 큰 에너지 밴드갭 등 기존의 GaAs 및 InP계 화합물 반도체에 비하여 뛰어난 물성을 가지고 있다. 이러한 특성을 바탕으로 가시광 영역의 발광 다이오드(LED) 및 레이저 다이오드(LD)등의 광소자, 고출력 및 고주파 특성이 요구되는 차세대 무선통신 및 위성통신 시스템에 사용되는 전자소자 등 기존의 화합물 반도체로는 한계성을 가지는 분야로 응용범위가 확대되고 있다. 특히 알루미늄(Al)을 포함하는 질화물 반도체(AlxInyGa1 -x- yN)는 높은 에너지 밴드갭 특성(3.4eV ~ 6.2eV)으로 자외선의 모든 영역에서 발광 소자로 제작이 가능하며, GaN와의 이종접합구조(AlGaN/GaN, InAlN/GaN)를 형성하는 경우 이차원 전자가스층(2-DEG: 2-dimensional electron gas)에 의한 전자소자 제작이 가능한 차세대 질화물 반도체 소재이다.
현재 질화물 반도체를 성장하는 주요 성장장비인 유기금속 화학기상증착 설비에서는 3족 소스인 트리메틸 알루미늄(TMAl)의 알루미늄(Al) 성분과 5족 소스인 암모니아(NH3)의 질소(N) 성분이 상호간의 높은 반응성으로 인하여 설비 내의 기판에 도달하기 이전에 미리 반응하는 전-반응(pre-reaction) 특성이 나타난다. 이는 알루미늄(Al)을 포함하는 질화물 반도체를 성장할 때 조성비 제어를 어렵게 하며, 성장속도를 낮추게 되는 주된 요인으로 작용한다. 따라서, 알루미늄(Al)을 포함하는 질화물 반도체의 에피 특성의 향상을 위해서는 알루미늄(Al)과 질소(N)의 전-반응(pre-reaction)을 줄여주거나 기판상에서 반응성을 높여줄 수 있는 다양한 에피 기술 또는 성장장비 기술개발이 필요하며, 이에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 조성 및 두께의 균일도가 향상된 질화물 반도체의 제조 방법 및 이를 이용한 전력 반도체 소자의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물 반도체의 제조 방법은 반응기 내에 기판을 준비하는 것; 및 상기 기판 상에 에피층을 형성하는 것을 포함하고, 상기 에피층을 형성하는 것은 펄스 플로우 성장법을 수행하는 것을 포함하되, 상기 펄스 플로우 성장법은 상기 기판 상에 5족 소스 물질을 공급하는 것; 및 상기 기판 상에 3족 소스 물질을 공급하는 것을 포함하고, 상기 5족 및 3족 소스 물질들은 상기 반응기 내에 교대로 공급되되, 상기 5족 소스 물질은 히드라진(hydrazine) 계열의 물질을 포함한다.
일 실시예를 따르면, 상기 히드라진 계열의 물질은 디메틸히드라진(dimethylhydrazine)을 포함할 수 있다.
일 실시예를 따르면, 상기 3족 소스 물질은 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다.
일 실시예를 따르면, 상기 3족 소스 물질은 서로 다른 복수의 물질들을 포함하되, 상기 복수의 3족 소스 물질들은 순차적으로 상기 5족 소스 물질과 교대로 상기 반응기 내에 공급될 수 있다.
일 실시예를 따르면, 상기 5족 소스 물질과 상기 3족 소스 물질의 공급비(V/III 비)는 1 내지 100 사이일 수 있다.
일 실시예를 따르면, 상기 에피층을 형성하는 동안 상기 공급비는 1 내지 100 사이에서 변화될 수 있다.
일 실시예를 따르면, 상기 에피층을 형성하는 것은 연속 플로우 성장법을 수행하는 것을 더 포함할 수 있다.
일 실시예를 따르면, 상기 연속 플로우 성장법은 상기 기판 상에 상기 5족 소스 물질을 공급하는 것; 및 상기 기판 상에 상기 3족 소스 물질을 공급하는 것을 포함하고, 상기 5족 및 3족 소스 물질들은 상기 반응기 내에 동시에 공급되되, 상기 5족 소스 물질은 암모니아를 포함할 수 있다.
일 실시예를 따르면, 상기 펄스 플로우 성장법과 상기 연속 플로우 성장법의 전환 시, 상기 히드라진 계열의 물질과 상기 암모니아는 동시에 공급될 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전력 반도체 소자의 제조 방법은 기판 상에 제 1 질화물 반도체층을 형성하는 것; 및 상기 제 1 질화물 반도체층 상에 제 2 질화물 반도체층을 형성하는 것을 포함하고, 상기 제 1 질화물 반도체층은 연속 플로우 성장법에 의해 형성되고, 상기 제 2 질화물 반도체층은 펄스 플로우 성장법에 의해 형성된다.
일 실시예를 따르면, 상기 연속 플로우 성장법은 상기 기판 상에 5족 소스 물질을 공급하는 것; 및 상기 기판 상에 3족 소스 물질을 공급하는 것을 포함하고, 상기 5족 및 3족 소스 물질들은 상기 기판 상에 동시에 공급되되, 상기 5족 소스 물질은 암모니아를 포함할 수 있다.
일 실시예를 따르면, 상기 펄스 플로우 성장법은 상기 기판 상에 5족 소스 물질을 공급하는 것; 및 상기 기판 상에 3족 소스 물질을 공급하는 것을 포함하고, 상기 5족 및 3족 소스 물질들은 상기 기판 상에 교대로 공급되되, 상기 5족 소스 물질은 히드라진(hydrazine) 계열의 물질을 포함할 수 있다.
일 실시예를 따르면, 상기 히드라진 계열의 물질은 디메틸히드라진(dimethylhydrazine)을 포함할 수 있다.
일 실시예를 따르면, 상기 제 2 질화물 반도체층은 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다.
일 실시예를 따르면, 상기 제 1 질화물 반도체층과 상기 제 2 질화물 반도체층은 인시츄(in-situ)로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 질화물 반도체를 성장하기 위한 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법에서 5족 소스 물질로서 디메틸히드라진(DMHy)을 사용함에 따라, 반응기 내부의 부분압의 변화를 최소화할 수 있다. 이에 따라, 조성 및 두께가 균일한 고품질의 질화물 반도체가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 연속 플로우(continuous-flow) 성장법 및 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법에 의해 인시튜로 질화물 반도체를 형성함으로써, 공정 시간을 단축하면서도 고품질의 에피층을 포함하는 전력 반도체 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체를 제조하기 위한 위한 유기금속 화학기상증착 설비를 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체를 제조하는 방법을 설명하기 위한 타이밍 차트들로서, 도 2는 본 발명의 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 연속 플로우(continuous-flow) 성장법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체의 제조 방법에 의해 형성된 질화물 반도체를 포함하는 전력 반도체 소자를 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체를 제조하는 방법을 설명하기 위한 타이밍 차트들로서, 도 2는 본 발명의 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 연속 플로우(continuous-flow) 성장법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체의 제조 방법에 의해 형성된 질화물 반도체를 포함하는 전력 반도체 소자를 나타내는 도면이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 막(또는 층)이 다른 막(또는 층) 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막(또는 층) 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막(또는 층)이 개재될 수도 있다 또한, 도면들에 있어서, 구성들의 크기 및 두께 등은 명확성을 위하여 과장된 것이다. 또한, 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들(또는 층들) 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막(또는 층)을 다른 영역 또는 막(또는 층)과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에의 제 1 막질로 언급된 막질이 다른 실시예에서는 제 2 막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 본 명세서에서 '및/또는' 이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체를 제조하기 위한 위한 유기금속 화학기상증착 설비를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 유기금속 화학기상증착 설비는 반응기(reactor, 110)를 포함하는 몸체부(100), 원료 공급부(200) 및 진공 펌프(300)를 포함할 수 있다. 반응기(110)는 기판(10)을 수용하여 가열시킬 수 있다. 진공 펌프(300)는 반응기(110) 내의 공기를 펌핑할 수 있다. 원료 공급부(200)는 반응기(110) 내에 각종 반응 물질들을 제공할 수 있다. 반응 물질들은 3족 소스 물질인 트리메틸 알루미늄(TMAl), 트리메틸 갈륨(TMGa) 및 트리메틸 인듐(TMIn)와 5족 소스 물질인 히드라진(hydrazine) 계열 물질 및 암모니아(NH3) 가스를 포함할 수 있다. 일 예로, 히드라진(hydrazine) 계열 물질은 디메틸히드라진(dimetylhydrazine, DMHy)을 포함할 수 있다.
원료 공급부(200)는 트리메틸 알루미늄(TMAl) 공급부(210), 트리메틸 갈륨(TMGa) 공급부(220), 트리메틸 인듐(TMIn) 공급부(230), 디메틸히드라진(DMHy) 공급부(240) 및 암모니아 가스 공급부(250)를 포함할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 원료 공급부(200)는 질소(N2) 또는 수소(H2)와 같은 캐리어(carrier) 가스를 공급하기 위한 캐리어 가스 공급부를 더 포함할 수 있다. 3족 소스 물질들과 디메틸히드라진(DMHy) 소스 물질은 캐리어 가스와 함께 반응기(110) 내로 공급될 수 있다. 이러한 반응 물질들은 질량 유량계(mass flow controller, 미도시)의 온(on)/오프(off)에 따라 반응기(110) 내로의 공급이 조절될 수 있다.
이하, 유기금속 화학기상증착 설비를 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체를 제조하는 방법에 대해 설명한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체를 제조하는 방법을 설명하기 위한 타이밍 차트들로서, 도 2는 본 발명의 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 연속 플로우(continuous-flow) 성장법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기금속 화학기상 증착 설비를 이용한 질화물 반도체의 제조 방법은 3족 소스 물질로서 트리메틸 알루미늄(TMAl), 트리메틸 갈륨(TMGa) 및 트리메틸 인듐(TMIn)을 사용할 수 있고, 5족 소스 물질로서 히드라진(hydrazine) 계열 물질 및 암모니아(NH3) 가스를 사용할 수 있다. 일 예로, 히드라진(hydrazine) 계열 물질은 디메틸히드라진(DMHy)을 포함할 수 있다.
이러한 3족 및 5족 소스 물질들이 도 1의 반응기(110) 내에 공급되어 기판(10) 상에 에피층이 형성될 수 있다. 이 때, 3족 소스 물질 및 5족 소스 물질들은 질화물 반도체의 종류 및 질화물 반도체의 성장 방법에 따라 결정될 수 있다.
상세하게, 본 발명의 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법은 5족 소스 물질로서 디메틸히드라진(DMHy)을 사용할 수 있고, 연속 플로우(continuous-flow) 성장법은 5족 소스 물질로서 암모니아(NH3) 가스를 사용할 수 있다. 또한, 알루미늄을 포함하는 질화물 반도체(AlxGa1 - xN, AlxIn1 - xN, AlxInyGa1 -x- yN, x,y는 상수)는 디메틸히드라진(DMHy)을 5족 소스 물질로 사용하는 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법에 의해 형성될 수 있다.
펄스 플로우(pulse-flow) 성장법은 3족 및 5족 소스 물질들을 소정의 펄스 신호(on/off)에 따라 반응기(110) 내에 교대로 공급하되, 3족 소스 물질들은 질화물 반도체의 종류에 따라 순차적으로 도입하는 방법이다. 반면에, 연속 플로우(continuous-flow) 성장법은 3족 및 5족 소스 물질들을 반응기(110) 내에 동시에 공급하여 질화물 반도체를 성장시키는 방법이다. 이러한 성장 방법의 차이는 3족 및 5족 소스 물질들의 특성과 맞물려 각각의 성장 방법 및 그에 따른 5족 소스 물질들을 결정하는 근거가 될 수 있다. 이하에서 자세히 설명한다.
3족 소스 물질인 트리메틸 알루미늄(TMAl)은 질소원(N)과 높은 반응성을 가진다. 이로 인해, 반응기(110) 내에 공급된 트리메틸 알루미늄(TMAl)과 질소원(N)은 기판(10)에 도달하기 이전에 미리 반응하는 전-반응(pre-reaction) 현상을 일으킬 수 있다. 알루미늄(Al)을 포함하는 질화물 반도체의 성장에서 연속 플로우(continuous-flow) 성장법에 의하는 경우, 3족 소스 물질들과 5족 소스 물질이 동시에 공급되기 때문에 트리메틸 알루미늄(TMAl)과 질소원(N)의 높은 반응성에 의한 전-반응(pre-reaction)이 발생할 가능성이 높다. 반면에, 펄스 플로우(Pulse-flow) 성장법은 3족 및 5족 소스 물질들이 교대로 공급되기 때문에 3족과 5족 물질들의 오버랩이 최소화되어, 트리메틸 알루미늄(TMAl)과 질소원(N) 사이의 전-반응(pre-reaction)이 최소화될 수 있다. 이에 따라, 펄스 플로우(Pulse-flow) 성장법은 연속 플로우(continuous-flow) 성장법보다 기판(10)의 표면에서 트리메틸 알루미늄(TMAl)과 질소원(N)이 반응하게 될 확률이 더 높을 수 있다. 따라서, 알루미늄을 포함하는 질화물 반도체(AlxGa1 - xN, AlxIn1 - xN, AlxInyGa1 -x- yN, x,y는 상수)의 성장은 연속 플로우(continuous-flow) 성장보다 펄스 플로우(pulse-flow) 성장에 의하는 것이 유리할 수 있다.
한편, 암모니아(NH3) 가스는 디메틸히드라진(DMHy)에 비하여 낮은 온도 해리(dissociation) 특성을 가지고 있다. 즉, 일정 성장온도에서 암모니아(NH3) 가스의 해리 비율은 디메틸히드라진(DMHy)보다 낮을 수 있다. 이에 따라, 암모니아(NH3) 가스를 5족 소스 물질로 사용하게 되면, 반응기(110) 내에서 요구되는 암모니아(NH3) 가스의 부분압(partial pressure)의 유지를 위하여 상대적으로 높은 성장온도와 많은 유량의 공급이 필요할 수 있다. 따라서, 펄스 플로우(pulse-flow) 성장 과정에서 암모니아(NH3) 가스를 사용하는 경우, 암모니아(NH3) 가스의 유량 증가가 요구되고, 이에 따라 소스의 공급 및 차단(on/off)에 따른 반응기(110) 내의 5족 소스의 부분압 변화가 크게 나타날 수 있다. 이는 기판(10)상에 균일한 에피층을 성장시키기 어려운 단점으로 작용할 수 있다. 즉, 기판(10) 상에 성장하는 질화물 반도체의 조성 및 두께의 균일도가 확보되기 어려울 수 있다. 이러한 문제는 기판(10)이 대구경화 될수록 심화된다.
반면에, 디메틸히드라진(DMHy)은 성장온도에 대한 소스의 해리 비율이 높기 때문에, 암모니아(NH3) 가스에 비해 상대적으로 적은 유량을 이용하여도 질화물 반도체의 에피성장이 가능할 수 있다. 또한, 디메틸히드라진(DMHy)은 캐리어 가스를 이용하여 반응기(110) 내에 공급된다. 이에 따라, 펄스 플로우(pulse-flow) 성장 과정에서 5족 소스 물질로 디메틸히드라진(DMHy)을 사용하게 되면, 반응기(110) 내의 디메틸히드라진(DMHy)의 부분압 변화가 최소화될 수 있다. 따라서, 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법의 경우, 5족 소스 물질로서 암모니아(NH3) 가스보다 디메틸히드라진(DMHy)을 사용하는 것이 유리할 수 있다.
도 2는 본 발명의 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법을 설명하기 위해 4원계 질화물 반도체인 인듐알루미늄갈륨나이트라이드(InAlGaN)를 성장시키는 과정을 예시한다. 도 2를 참조하면, 펄스 플로우 성장단계(P)의 이전 및 이후에 연속 흐름 성장 단계(C)가 제공될 수 있고, 펄스 플로우 성장단계(P) 및 연속 흐름 성장 단계(C) 사이에 전이단계(T)가 제공될 수 있다. 인듐알루미늄갈륨나이트라이드(InAlGaN)의 펄스 플로우 성장단계(P)는 5족 소스 물질인 디메틸히드라진(DMHy)과 3족 소스 물질들을 교대로 공급하되, 3족 소스 물질들인 트리메틸 갈륨(TMGa), 트리메틸 알루미늄(TMAl) 및 트리메틸 인듐(TMIn)을 순차적으로 1회씩 공급하는 것을 1주기(cycle)로 한다. 이러한 인듐알루미늄갈륨나이트라이드(InAlGaN)의 조성비 제어는 3족 소스 물질들의 펄스 당 공급시간(펄스 폭), 펄스 당 공급 유량(펄스 높이) 및 주기 당 공급 횟수(펄스 횟수)에 의하여 결정될 수 있다. 또한, 인듐알루미늄갈륨나이트라이드(InAlGaN)의 두께는 펄스 플로우 성장단계(P)의 반복 횟수, 즉, 주기의 횟수에 의하여 결정될 수 있다.
이와 같이, 5족 소스 물질로 디메틸히드라진(DMHy)을 사용하는 본 발명의 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법은 앞서 살펴본 바와 같이 반응기(110) 내부의 부분압의 변화를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 반응기(110) 내에서 알루미늄(Al)과 질소(N)의 전-반응(pre-reaction)을 최소화 할 수 있다. 이에 따라, 조성 및 두께가 균일한 고픔질의 에피층이 형성될 수 있다. 나아가, 본 발명의 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법은 낮은 성장온도에서도 충분한 질소원(N)의 공급이 가능하기 때문에 질화물 반도체의 성장온도를 낮추면서도 높은 반응 속도를 가질 수 있다. 이에 더하여, 본 발명의 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법은 5족 소스로 암모니아(NH3) 가스를 사용하는 경우 보다 빠른 스위칭 속도를 가질 수 있다.
본 발명의 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법은 5족 소스인 디메틸히드라진(DMHy)의 공급량을 줄여 5족 및 3족 소스 물질의 공급 비율인 V/III 비율을 낮게 제어할 수 있다. 이는 디메틸히드라진(DMHy)의 높은 온도 해리 특성으로 인해 적은 유량으로도 질화물 반도체의 성장이 가능하기 때문이다. 결정성이 좋은 질화물 반도체를 형성하기 위해서는 V/III 비율이 낮은 것이 유리하다. 일 예로, 본 발명의 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법은 1 내지 100 사이의 V/III 비율을 가질 수 있다. 또한, 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법에 따른 질화물 반도체의 성장속도는 V/III 비율의 연속적인 변화를 통하여 조절될 수 있다. 일 예로, V/III 비율이 1, 50, 100으로 순차적으로 증가됨으로써, 질화물 반도체의 성장속도는 고속 성장에서 저속 성장으로 변화될 수 있다. 이에 따라, 질화물 반도체의 형상이 성장 속도에 따라 제어될 수 있다.
도 3은 본 발명의 연속 플로우(continuous-flow) 성장법을 설명하기 위해 2원계 질화물 반도체인 갈륨나이트라이드(GaN)를 성장시키는 과정을 예시한다. 도 3을 참조하면, 연속 흐름 성장 단계(C)의 이전 및 이후에 펄스 플로우 성장단계(P)가 제공될 수 있고, 연속 흐름 성장 단계(C) 및 펄스 플로우 성장단계(P) 사이에 전이단계(T)가 제공될 수 있다. 갈륨나이트라이드(GaN)의 연속 플로우(continuous-flow) 성장단계(C)는 5족 소스 물질인 암모니아(NH3) 가스와 3족 소스 물질인 트리메틸 갈륨(TMGa)을 동시에 반응기(110) 내에 공급할 수 있다. 갈륨나이트라이드(GaN)의 막의 특성 및 두께는 연속 플로우(continuous-flow) 성장단계(C)에서의 소스 물질들의 공급 유량 및 공급 시간 등에 의해 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체의 제조 방법은 다양한 질화물 반도체를 성장하는 과정에서 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법과 연속 플로우(continuous-flow) 성장법을 교대로 사용할 수 있다. 즉, 본 발명의 질화물 반도체의 제조 방법은 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법에 따른 펄스 플로우 성장단계(P), 연속 플로우(continuous-flow) 성장법에 따른 연속 흐름 성장 단계(C) 및 이러한 성장단계들간의 전환을 위한 예비 단계인 전이 단계(T)를 포함할 수 있다. 이 때, 양 성장법의 전환과정에서 디메틸히드라진(DMHy)과 암모니아(NH3) 가스가 동시에 반응기(110) 내로 공급될 수 있다. 이에 따라, 성장법의 전환과정에서 기판(10) 상에 질소 공급이 중단되는 시간이 최소화될 수 있다. 이를 통해, 기판(10) 상에 성장된 질화물 반도체의 표면, 즉, 에피 성장 표면에서 3족 물질과 결합된 질소(N)가 해리되는 것이 감소될 수 있다.
도 2 및 도 3에서 인듐알루미늄갈륨나이트라이드(InAlGaN) 및 갈륨나이트라이드(GaN)의 성장과정을 예로 들었으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체의 제조 방법에 의해 형성된 질화물 반도체를 포함하는 전력 반도체 소자를 나타내는 도면이다. 본 실시예에서, 전력 반도체 소자의 제조 방법을 예시로 들었으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체의 제조 방법은 다양한 질화물 반도체 소자의 제조에 응용될 수 있다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 기판(10) 상에 버퍼층(20), 이완층(30), 채널층(40) 및 장벽층(50)이 순차적으로 형성될 수 있다. 기판(10)은 사파이어, 실리콘, 실리콘 카바이드 기판을 포함할 수 있다. 버퍼층(20)은 갈륨나이트라이드(GaN) 또는 알루미늄나이트라이드(AlN)를 포함할 수 있다. 버퍼층(20)이 갈륨나이트라이드(GaN)를 포함하는 경우, 버퍼층(20)은 본 발명의 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법 또는 연속 플로우(continuous-flow) 성장법에 의해 형성될 수 있다. 버퍼층(20)이 알루미늄나이트라이드(AlN)를 포함하는 경우, 버퍼층(20)은 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법에 의해 형성될 수 있다.
이완층(30)은 갈륨나이트라이드(GaN), 알루미늄나이트라이드(AlN) 또는 갈륨나이트라이드(GaN) 및 알루미늄나이트라이드(AlN)의 적층구조를 포함할 수 있다. 이러한 이완층(30)은 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법 또는 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법 및 연속 플로우(continuous-flow) 성장법의 교대 사용에 의해 형성될 수 있다. 이완층(30)은 본 실시예의 반도체 소자에서 스트레스를 완화하는 역할을 할 수 있다.
채널층(40)은 갈륨나이트라이드(GaN)를 포함할 수 있으며, 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법 또는 연속 플로우(continuous-flow) 성장법에 의해 형성될 수 있다. 장벽층(50)은 알루미늄갈륨나이트라이드(AlGaN), 인듐알루미늄나이트라이드(InAlN) 또는 인듐알루미늄갈륨나이트라이드(InAlGaN)를 포함할 수 있다. 알루미늄(Al)을 포함하는 질화물 반도체로 형성되는 장벽층(50)은 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법에 의해 형성될 수 있다. 장벽층(50)이 알루미늄갈륨나이트라이드(AlGaN)를 포함하는 경우, 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법은 800℃ 이하에서 수행될 수 있다. 장벽층(50)이 인듐알루미늄나이트라이드(InAlN) 또는 인듐알루미늄갈륨나이트라이드(InAlGaN)를 포함하는 경우 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법은 750℃ 이하에서 수행될 수 있다. 채널층(40)과 장벽층(50)이 이종 접합 구조(AlGaN/GaN, InAlN/GaN, InAlGaN/GaN)를 형성함으로써, 이들 사이의 계면에 이차원 전자가스층(2-DEG: 2-dimensional electron gas)이 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 버퍼층(20), 이완층(30) 및 채널층(40)이 갈륨나이트라이드(GaN)를 포함하고, 장벽층(50)이 알루미늄(Al)을 포함하는 질화물 반도체인 경우, 기판(10) 상의 버퍼층(20)부터 채널층(40)까지는 연속 플로우(continuous-flow) 성장법에 의해 형성되고, 장벽층(50)은 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법에 의해 형성될 수 있다. 즉, 버퍼층(20), 이완층(30), 채널층(40) 및 장벽층(50)은 인 시츄(in-situ)로 형성될 수 있다. 연속 플로우(continuous-flow) 성장법에 의해 버퍼층(20), 이완층(30) 및 채널층(40)을 형성함으로써, 공정 시간이 단축될 수 있다. 또한, 펄스 플로우(pulse-flow) 성장법에 의해 장벽층(50)을 형성함으로써, 알루미늄(Al)과 질소원(N)의 전-반응(pre-reaction) 및 반응기(110) 내의 부분압의 변화가 최소화되어, 에피층의 조성 및 두께가 균일한 고품질의 장벽층(50)이 형성될 수 있다. 이에 따라, 공정 시간을 단축하면서도 고품질의 에피층을 포함하는 전력 반도체 소자가 제공될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 장벽층(50) 상에 게이트 전극 및 소스/드레인 전극 등이 형성되어 전력 반도체 소자의 제조가 완성될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (15)
- 반응기 내에 기판을 준비하는 것; 및
상기 기판 상에 에피층을 형성하는 것을 포함하고,
상기 에피층을 형성하는 것은 펄스 플로우 성장법을 수행하는 것을 포함하되,
상기 펄스 플로우 성장법은:
상기 기판 상에 5족 소스 물질을 공급하는 것; 및
상기 기판 상에 3족 소스 물질을 공급하는 것을 포함하고,
상기 5족 및 3족 소스 물질들은 상기 반응기 내에 교대로 공급되되,
상기 5족 소스 물질은 히드라진(hydrazine) 계열의 물질을 포함하고,
상기 에피층을 형성하는 것은 연속 플로우 성장법을 수행하는 것을 더 포함하고,
상기 연속 플로우 성장법은:
상기 기판 상에 상기 5족 소스 물질을 공급하는 것; 및
상기 기판 상에 상기 3족 소스 물질을 공급하는 것을 포함하고,
상기 5족 및 3족 소스 물질들은 상기 반응기 내에 동시에 공급되되,
상기 5족 소스 물질은 암모니아를 포함하고,
상기 펄스 플로우 성장법과 상기 연속 플로우 성장법은 교대로 수행되되,
상기 펄스 플로우 성장법과 상기 연속 플로우 성장법의 전환 시, 상기 히드라진 계열의 물질과 상기 암모니아는 상기 반응기 내에 동시에 공급되는 질화물 반도체의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 히드라진 계열의 물질은 디메틸히드라진(dimethylhydrazine)을 포함하는 질화물 반도체의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 3족 소스 물질은 알루미늄(Al)을 포함하는 질화물 반도체의 제조 방법. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 5족 소스 물질과 상기 3족 소스 물질의 공급비(V/III 비)는 1 내지 100 사이인 질화물 반도체의 제조 방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 기판 상에 제 1 질화물 반도체층을 형성하는 것; 및
상기 제 1 질화물 반도체층 상에 제 2 질화물 반도체층을 형성하는 것을 포함하고,
상기 제 1 질화물 반도체층은 연속 플로우 성장법에 의해 형성되고,
상기 제 2 질화물 반도체층은 펄스 플로우 성장법에 의해 형성되되,
상기 연속 플로우 성장법은:
상기 기판 상에 5족 소스 물질을 공급하는 것; 및
상기 기판 상에 3족 소스 물질을 공급하는 것을 포함하고,
상기 5족 및 3족 소스 물질들은 상기 기판 상에 동시에 공급되되,
상기 5족 소스 물질은 암모니아를 포함하고,
상기 펄스 플로우 성장법은:
상기 기판 상에 5족 소스 물질을 공급하는 것; 및
상기 기판 상에 3족 소스 물질을 공급하는 것을 포함하고,
상기 5족 및 3족 소스 물질들은 상기 기판 상에 교대로 공급되되,
상기 5족 소스 물질은 히드라진(hydrazine) 계열의 물질을 포함하고,
상기 연속 플로우 성장법과 상기 펄스 플로우 성장법은 동일 반응기에서 차례로 수행되되,
상기 연속 플로우 성장법에서 상기 펄스 플로우 성장법으로 전환 시, 상기 히드라진 계열의 물질과 상기 암모니아는 상기 반응기 내에 동시에 공급되는 전력 반도체 소자의 제조 방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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