KR101873255B1 - Method for manufacturing semiconductor device by epitaxial lift-off using plane dependency of iii-v compound - Google Patents

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Abstract

에피택셜 리프트오프(Epitaxial Lift-Off; ELO)에 의한 반도체 소자의 제조 방법은, 제1 기판상에 III-V족 화합물을 포함하는 희생층을 형성하는 단계; 상기 희생층상에 소자층을 형성하는 단계; 상기 희생층 및 상기 소자층을, 상기 희생층의 상기 III-V족 화합물의 결정면 방향에 기초하여 결정되는 제1 방향을 따라 연장되는 부분을 가지는 형상으로 패터닝하는 단계; 패터닝된 상기 소자층을 제2 기판상에 접합하는 단계; 및 상기 희생층 및 상기 제1 기판을 제거하기 위하여, 상기 소자층이 상기 제2 기판상에 접합된 상태에서 식각 용액을 이용하여 상기 희생층을 식각하는 단계를 포함한다. 상기 반도체 소자의 제조 방법은, ELO 공정에 있어서 III-V족 화합물의 고유 특성인 결정 방향(cystal orientation)에 따른 식각 속도의 차이를 이용하여 공정 수율을 향상시키고 공정 속도를 빠르게 할 수 있다.A method of manufacturing a semiconductor device by an epitaxial lift-off (ELO) method includes the steps of: forming a sacrificial layer containing a group III-V compound on a first substrate; Forming an element layer on the sacrificial layer; Patterning the sacrificial layer and the device layer in a shape having a portion extending along a first direction determined based on a crystal plane direction of the III-V group compound of the sacrificial layer; Bonding the patterned element layer onto a second substrate; And etching the sacrificial layer using an etching solution in a state where the device layer is bonded onto the second substrate to remove the sacrificial layer and the first substrate. The method of manufacturing the semiconductor device can improve the process yield and speed up the process speed by using the difference in etch rate according to the cystal orientation which is the intrinsic property of the group III-V compound in the ELO process.

Description

III-V족 화합물의 면방향 의존성을 이용한 에피택셜 리프트오프에 의한 반도체 소자의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE BY EPITAXIAL LIFT-OFF USING PLANE DEPENDENCY OF III-V COMPOUND}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device by epitaxial lift-off using a plane direction dependence of a Group III-V compound,

실시예들은 III-V족 화합물의 면방향 의존성을 이용한 에피택셜 리프트오프(Epitaxial Lift-Off; ELO)에 의한 반도체 소자의 제조 방법에 대한 것이다. Embodiments relate to a method of manufacturing a semiconductor device by epitaxial lift-off (ELO) using the plane direction dependence of a group III-V compound.

실리콘(Si)은 다양한 반도체 소자에 응용되고 있으며, 이 중 대표적인 것으로 태양전지, 트랜지스터 등이 있다. 그러나, 태양전지의 경우 2000년대 중반 이후로 효율을 향상시킨 사례가 보고되지 않고 있다. 또한, 트랜지스터의 경우 현재 약 20 나노미터(nm) 노드(node) 공정을 진행하고 있으나, 단채널 효과로 인해 문제들이 야기되고 있다. 따라서, 실리콘 기반의 소자를 대체할 수 있는 차세대 기술이 요구된다. Silicon (Si) has been applied to various semiconductor devices, and representative examples thereof include solar cells and transistors. However, there has been no report on the efficiency improvement of solar cells since the mid-2000s. In addition, although the transistor is currently undergoing a process of about 20 nanometers (nm) node, problems are caused by the short channel effect. Therefore, next-generation technology that can replace silicon-based devices is required.

실리콘 기반 소자에 대한 대안 중 하나로, 이동도(mobility)가 높고, 직접 밴드갭(direct bandgap) 구조를 가지며, 밴드갭 엔지니어링이 용이한 III-V족 화합물을 이용하는 연구들이 활발하게 이루어지고 있다. 갈륨화 비소(GaAs), 인화 인듐(InP), 질화 갈륨(GaN) 등의 III-V족 화합물은 다양한 장점을 가지고 있으나, 현재 산업계 전반이 실리콘 기반의 플랫폼(platform)을 가지고 있다는 점 및 비용에 관한 문제점을 극복해야 하는 한계가 존재한다. One of the alternatives to silicon-based devices is the active use of III-V compounds that have high mobility, have a direct bandgap structure, and are easy to bandgap engineering. III-V compounds such as gallium arsenide (GaAs), indium phosphide (InP), and gallium nitride (GaN) have a variety of advantages. However, the current industry has a silicon-based platform, There is a limit to be overcome.

전술한 문제점들을 극복하기 위하여, 실리콘 기판상에 III-V족 물질을 성장시키기 위한 III-V족 버퍼층(buffer layer) 성장 방법에 대한 연구 등이 진행되고 있다. 그러나, 상기 III-V족 버퍼층 성장 방법을 이용하는 경우 실리콘 기판과 III-V족 화합물층 사이의 격자 부정합(lattice mismatch), 열 팽창 계수(thermal expansion coefficient) 차이, 및 극성 차이 등으로 인한 결함 등의 문제가 발생하여, 최종 소자의 품질을 떨어뜨리는 문제점이 있다. In order to overcome the above-mentioned problems, a III-V buffer layer growth method for growing a III-V material on a silicon substrate is under study. However, when the III-V buffer layer growth method is used, problems such as lattice mismatch between the silicon substrate and the III-V compound layer, differences in thermal expansion coefficient, There is a problem that the quality of the final device is deteriorated.

다른 방법으로는, 실리콘 기판상에 III-V족 화합물을 직접 성장시키는 것이 어렵고 비용이 높다는 문제점을 해결하기 위해, III-V족 기판상에 III-V족 화합물을 에피택셜 층(epitaxial layer)으로 성장시킨 후, III-V족 화합물을 실리콘 기판상에 접합시키고 III-V족 기판을 에피택셜 리프트오프(Epitaxial Lift-Off; ELO) 방식으로 제거하는 방법이 있다. 그러나, 종래의 ELO 기법은 얇은 희생층을 이용한 기판 접합 기술을 사용하여 공정에 오랜 시간이 소요되며, 접합 후 오랜 공정시간으로 인하여 기판 표면이 식각액에 의한 기판의 손상이 발생하는 문제점이 있다.Alternatively, III-V compounds may be epitaxially layered on a III-V substrate in order to solve the problem that it is difficult and costly to directly grow III-V compounds on the silicon substrate. A III-V group compound is bonded on a silicon substrate, and a III-V group substrate is removed by an epitaxial lift-off (ELO) method. However, the conventional ELO technique requires a long time for the process using the substrate bonding technique using a thin sacrificial layer, and there is a problem that the substrate is damaged by the etchant on the substrate surface due to a long process time after the bonding.

등록특허공보 제10-1455724호Patent Registration No. 10-1455724

본 발명의 일 측면에 따르면, III-V족 화합물과 실리콘(Si) 기판의 집적을 위한 웨이퍼 접합(wafer bonding) 및 에피택셜 리프트오프(Epitaxial Lift-Off; ELO) 공정에 있어서 III-V족 화합물의 고유 특성인 결정 방향(cystal orientation)에 따른 식각 속도의 차이를 이용하여 공정 속도를 증가시킨 반도체 소자의 제조 방법을 제공할 수 있다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a III-V compound (III-V) compound in a wafer bonding and an epitaxial lift-off (ELO) It is possible to provide a method of manufacturing a semiconductor device in which the process speed is increased by using a difference in etching rate according to a cystal orientation which is an intrinsic characteristic of the semiconductor device.

일 실시예에 따른, 에피택셜 리프트오프(Epitaxial Lift-Off; ELO)에 의한 반도체 소자의 제조 방법은, 제1 기판상에 III-V족 화합물을 포함하는 희생층을 형성하는 단계; 상기 희생층상에 소자층을 형성하는 단계; 상기 희생층 및 상기 소자층을, 상기 희생층의 상기 III-V족 화합물의 결정면 방향에 기초하여 결정되는 제1 방향을 따라 연장되는 부분을 가지는 형상으로 패터닝하는 단계; 패터닝된 상기 소자층을 제2 기판상에 접합하는 단계; 및 상기 희생층 및 상기 제1 기판을 제거하기 위하여, 상기 소자층이 상기 제2 기판상에 접합된 상태에서 식각 용액을 이용하여 상기 희생층을 식각하는 단계를 포함한다.According to one embodiment, a method of manufacturing a semiconductor device by an epitaxial lift-off (ELO) method includes: forming a sacrificial layer including a group III-V compound on a first substrate; Forming an element layer on the sacrificial layer; Patterning the sacrificial layer and the device layer in a shape having a portion extending along a first direction determined based on a crystal plane direction of the III-V group compound of the sacrificial layer; Bonding the patterned element layer onto a second substrate; And etching the sacrificial layer using an etching solution in a state where the device layer is bonded onto the second substrate to remove the sacrificial layer and the first substrate.

상기 III-V족 화합물은 결정면 방향별로 상이한 식각 속도를 갖는다. 이때, 일 실시예에서, 상기 제1 방향은 상기 희생층의 상기 III-V족 화합물의 식각 속도가 가장 빠른 격자 방향과 직교하는 방향이다.The III-V compound has a different etch rate for each crystal plane direction. In one embodiment, the first direction is a direction orthogonal to the lattice direction in which the etching rate of the III-V compound in the sacrificial layer is the fastest.

일 실시예에서, 상기 희생층을 식각하는 단계는, 상기 희생층의 측면을 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로부터 식각하는 단계를 포함한다.In one embodiment, the step of etching the sacrificial layer includes etching the side of the sacrificial layer from a second direction orthogonal to the first direction.

일 실시예에서, 상기 희생층의 상기 III-V족 화합물은 (100) 결정면을 가지며, 상기 제1 방향은 <001> 격자 방향이다. 또 다른 실시예에서, 상기 희생층의 상기 III-V족 화합물은 (110) 결정면을 가지며, 상기 제1 방향은 <-100> 격자 방향이다.In one embodiment, the III-V compound of the sacrificial layer has a (100) crystal face, and the first direction is a <001> lattice direction. In another embodiment, the Group III-V compound of the sacrificial layer has a (110) crystal face, and the first direction is a <-100> lattice direction.

일 실시예에서, 상기 식각 용액은 불화수소(HF) 및 탈이온수를 포함한다. 예를 들어, 상기 식각 용액에서 불화수소(HF) 및 탈이온수의 부피 비율은 1:3일 수 있다. In one embodiment, the etching solution comprises hydrogen fluoride (HF) and deionized water. For example, the volumetric ratio of hydrogen fluoride (HF) and deionized water in the etching solution may be 1: 3.

일 실시예에 따른 ELO에 의한 반도체 소자의 제조 방법은, 상기 희생층을 형성하는 단계 전에, 상기 제1 기판상에 에치스톱층을 형성하는 단계를 더 포함한다.The method of manufacturing a semiconductor device by ELO according to an embodiment further includes forming an etch stop layer on the first substrate before forming the sacrificial layer.

일 실시예에서, 상기 제1 기판은 III-V족 화합물을 포함하며, 상기 희생층은 에피택시 성장 방식으로 상기 제1 기판상에 형성된다.In one embodiment, the first substrate comprises a Group III-V compound, and the sacrificial layer is formed on the first substrate in an epitaxial growth manner.

일 실시예에서, 상기 제2 기판은 실리콘(Si)을 포함한다.In one embodiment, the second substrate comprises silicon (Si).

본 발명의 일 측면에 따른 에피택셜 리프트오프(Epitaxial Lift-Off; ELO)에 의한 반도체 소자의 제조 방법을 이용하면, III-V족 화합물과 실리콘(Si) 기판의 집적을 위한 웨이퍼 접합(wafer bonding) 및 ELO 공정에 있어서 III-V족 화합물의 고유 특성인 결정 방향(cystal orientation)에 따른 식각 속도의 차이를 이용하여 종래의 ELO 공정보다 공정 수율을 향상시킬 수 있으며 공정 속도를 빠르게 할 수 있다. According to one aspect of the present invention, a method of manufacturing a semiconductor device by an epitaxial lift-off (ELO) method can be applied to wafer bonding for integration of a III-V compound and a silicon (Si) ) And ELO process, the process yield can be improved and the process speed can be made faster than the conventional ELO process by using the difference in etch rate according to the cystal orientation, which is an intrinsic property of the group III-V compound.

본 발명의 일 측면에 따른 ELO에 의한 반도체 소자의 제조 방법은, III-V족 화합물을 성장시킨 웨이퍼의 방향과 무관하게 실리콘(Si) 기판과의 접합 전의 패터닝(patterning) 공정에서 식각 속도가 빠른 면을 선택하도록 패터닝함으로써 공정 속도를 향상시킬 수 있다. A method of manufacturing a semiconductor device by ELO according to an aspect of the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device having a high etching rate in a patterning process before bonding with a silicon (Si) substrate, regardless of the orientation of a wafer on which a group III- It is possible to improve the process speed by patterning to select the surface.

또한, 본 발명의 일 측면에 따른 ELO에 의한 반도체 소자의 제조 방법은, 현재 성장세에 있는 비메모리 반도체 분야에서 실리콘(Si) 상에 III-V족 화합물이 위치하는 각종 플랫폼의 형성에 활용될 수 있으며, 웨이퍼의 재사용이 가능하므로 III-V족 화합물의 사용에 대한 진입 장벽인 원가를 절감할 수 있고, 종래의 ELO 기술의 상용화의 장벽인 웨이퍼의 면적 제한 문제를 해결할 수 있다. In addition, the method of manufacturing a semiconductor device by ELO according to an aspect of the present invention can be utilized in the formation of various platforms in which a group III-V compound is located on silicon (Si) in the current non-memory semiconductor field Since the wafer can be reused, it is possible to reduce the cost, which is an entry barriers to the use of the III-V compound, and solve the problem of the area limitation of the wafer, which is a barrier to commercialization of the conventional ELO technology.

뿐만 아니라, 본 발명의 일 측면에 따른 ELO에 의한 반도체 소자의 제조 방법은, 실리콘(Si) 접합에 제한되지 아니하고 III-V족 화합물과 다른 재질의 기판의 이종 접합에 있어서 광범위하게 활용될 수 있으며, 격자 부정합이 큰 물질계의 다중 접합 소자(예컨대, 태양전지 등)의 제작에 응용될 수 있다. In addition, the method of manufacturing a semiconductor device by ELO according to one aspect of the present invention is not limited to a silicon (Si) junction and can be widely used in the heterojunction bonding of a substrate made of III-V compound and another material , And can be applied to the fabrication of multi-junction devices (e.g., solar cells, etc.) having a large material mismatch.

도 1은 III-V족 화합물의 식각면에 따른 식각 속도의 차이를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2a 내지 2c는 III-V족 화합물의 결정면 방향(surface orientation)에 따라 식각 속도가 빠른 방향을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 에피택셜 리프트오프(Epitaxial Lift-Off; ELO)에 의한 반도체 소자의 제조 방법의 순서도이다.
도 4a 및 4b는 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법의 일 단계를 설명하기 위한 단면도 및 평면도이다.
도 5a 및 5b는 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법의 또 다른 단계를 설명하기 위한 단면도 및 평면도이다.
도 6a 및 6b는 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법의 또 다른 단계를 설명하기 위한 단면도 및 평면도이다.
도 7a 및 7b는 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법의 또 다른 단계를 설명하기 위한 단면도 및 평면도이다.
도 8a 및 8b는 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법의 또 다른 단계를 설명하기 위한 단면도 및 평면도이다.
도 9a 및 9b는 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법의 또 다른 단계를 설명하기 위한 평면도 및 순서도이다.
도 10은 종래의 기술에 따른 ELO 공정에서 희생층의 식각면을 나타내는 이미지이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 ELO에 의한 반도체 소자의 제조 방법에서 희생층의 식각면을 나타내는 이미지이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining a difference in etching rate according to an etching surface of a group III-V compound. FIG.
FIGS. 2A to 2C are conceptual diagrams for explaining a direction in which the etching rate is fast according to the surface orientation of a group III-V compound.
3 is a flowchart of a method of manufacturing a semiconductor device by an epitaxial lift-off (ELO) method according to an embodiment.
4A and 4B are a cross-sectional view and a plan view for explaining one step of a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment.
5A and 5B are cross-sectional views and plan views for explaining still another step of the method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment.
6A and 6B are cross-sectional views and plan views for explaining still another step of the method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment.
7A and 7B are a cross-sectional view and a plan view for explaining another step of the method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment.
8A and 8B are cross-sectional views and plan views for explaining still another step of the method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment.
9A and 9B are a plan view and a flowchart for explaining another step of the method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment.
10 is an image showing an etched surface of a sacrifice layer in an ELO process according to a conventional technique.
11 is an image showing an etched surface of a sacrifice layer in a method of manufacturing a semiconductor device by ELO according to an embodiment of the present invention.

이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 III-V족 화합물의 식각면에 따른 식각 속도의 차이를 설명하기 위한 개념도이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining a difference in etching rate according to an etching surface of a group III-V compound. FIG.

도 1은 (100) 결정면을 가지는 갈륨비소(GaAs) 기판(1)의 표면을 나타낸 것이다. 도시되는 것과 같이, 기판(1)의 표면상에 서로 상이한 방향으로 갈륨비소(GaAs) 재질의 희생층(10, 30)을 에피택시(epitaxy) 방식으로 성장시키며, 희생층(10, 20)상에 포토레지스트(photoresist)(20, 40)를 형성한 후 이를 마스크로 이용하여 희생층(10, 20)을 식각함으로써 일 방향으로 연장된 형상으로 패터닝(patterning)한다고 가정한다. 1 shows a surface of a gallium arsenide (GaAs) substrate 1 having a (100) crystal plane. As shown, a sacrificial layer 10, 30 made of GaAs is grown in an epitaxy manner on the surface of the substrate 1 in different directions, and the sacrificial layers 10, It is assumed that photoresist patterns 20 and 40 are formed on the sacrificial layer 10 and patterned in a shape elongated in one direction by etching the sacrificial layer 10 and 20 using the sacrificial layer 10 and 20 as a mask.

이때, 희생층(10, 20)의 (111) 결정면에 대하여 식각이 이루어지는데, 희생층(10)의 경우에는 결정면 말단(termination)이 V족 원소로 되어 식각 속도가 상대적으로 빠른 (111)B면 방향으로부터 희생층(10)의 식각이 이루어지는 형상으로 포토레지스트(20)가 배치되었으므로, 포토레지스트(20)에 의해 덮이지 않은 희생층(10)의 결정면(facet)이 빠른 속도로 제거되며 포토레지스트(20)의 형상과 동일하게 희생층(10)을 패터닝할 수 있다. 반면, 희생층(30)의 경우에는 결정면 말단이 III족 원소로 되어 식각 속도가 상대적으로 느린 (111)A면 방향으로부터 희생층(40)의 식각이 이루어지는 형상으로 포토레지스트(40)가 배치되어, 포토레지스트(40)에 의하여 덮이지 않은 희생층(30) 부분을 제거하는 데 상대적으로 오랜 시간이 걸리게 된다.In this case, the sacrificial layer 10 is etched with respect to the (111) crystal face of the sacrificial layer 10 and the sacrificial layer 10 is etched at a (111) B The facet of the sacrificial layer 10 not covered by the photoresist 20 is removed at a high speed because the photoresist 20 is disposed in a shape in which the sacrificial layer 10 is etched from the surface direction, The sacrificial layer 10 can be patterned in the same manner as the shape of the resist 20. On the other hand, in the case of the sacrificial layer 30, the photoresist 40 is arranged in a shape in which the sacrificial layer 40 is etched from the (111) A-plane direction where the crystal plane end is a group III element and the etching rate is relatively slow , It takes a relatively long time to remove the portion of the sacrificial layer 30 not covered by the photoresist 40.

도 2a 내지 2c는 III-V족 화합물의 결정면 방향(surface orientation)에 따라 식각 속도가 빠른 방향을 설명하기 위한 개념도이다. FIGS. 2A to 2C are conceptual diagrams for explaining a direction in which the etching rate is fast according to the surface orientation of a group III-V compound.

도 2a는 (100) 결정면을 가지는 갈륨비소(GaAs) 기판의 표면을 나타낸다. 도 2a에 도시된 것과 같이, 갈륨비소(GaAs)의 (100) 결정면은 <001> 격자 방향으로 식각될 때 다른 방향에 비하여 상대적으로 빠른 식각 속도를 나타낸다. 따라서, 도 2a에 도시되는 것과 같이 <001> 격자 방향과 직교하는 방향으로 연장되도록 소자를 패터닝하게 되면, 연장 방향과 직교하는 방향(즉, 식각 속도가 빠른 방향)으로부터 대부분의 식각이 이루어지게 되어 식각 속도를 증가시킬 수 있다. 2A shows a surface of a gallium arsenide (GaAs) substrate having a (100) crystal plane. As shown in FIG. 2A, the (100) crystal face of gallium arsenide (GaAs) exhibits a relatively fast etch rate when etched in the <001> lattice direction as compared to the other directions. Therefore, when the device is patterned so as to extend in the direction perpendicular to the <001> lattice direction as shown in FIG. 2A, most of the etching is performed from a direction orthogonal to the extending direction (that is, a direction in which the etching rate is fast) The etching rate can be increased.

본 명세서에서, 특정 격자 방향과 직교하는 방향으로 연장되도록 소자를 패터닝한다는 것은, 반드시 소자 전체가 해당 방향으로 연장되는 선 형상이라는 것을 의미하는 것은 아니며, 패터닝될 형상을 전체적으로 보아 주된 연장 방향 또는 가장 비중이 높은 연장 방향이 상기 격자 방향과 직교한다는 것을 의미한다. 식각 속도가 빠른 방향과 직교하여 연장되도록 소자를 패터닝하게 되면, 식각은 패터닝할 형상의 측면으로부터 이루어지기 때문에, 식각 속도가 빠른 방향으로부터 주로 식각이 이루어지도록 하여 공정 속도를 증가시킬 수 있다. In this specification, patterning an element so as to extend in a direction orthogonal to a specific lattice direction does not necessarily mean that the entire element extends linearly in the corresponding direction, and it does not mean that the entirety of the element to be patterned is in the main extension direction, This high extension direction is orthogonal to the lattice direction. If the device is patterned so as to extend perpendicularly to the direction of the etching speed, the etching is performed from the side of the pattern to be patterned, so that the etching rate can be increased from the fast etching direction to increase the process speed.

도 2b는 (110) 결정면을 가지는 갈륨비소(GaAs) 기판의 표면을 나타낸다. 도시되는 것과 같이, 갈륨비소(GaAs)의 (110) 결정면은 [-100] 또는 [00-1] 방향 등 <-100> 격자 방향으로 식각될 때 다른 방향에 비하여 상대적으로 빠른 식각 속도를 나타낸다. 따라서, 도 2b에 도시되는 것과 같이 <-100> 격자 방향과 직교하는 방향으로 연장되도록 소자를 패터닝함으로써 식각 속도를 증가시킬 수 있다. 2B shows a surface of a gallium arsenide (GaAs) substrate having a (110) crystal plane. As shown, the (110) crystal face of gallium arsenide (GaAs) exhibits a relatively fast etch rate when etched in the lattice direction, such as in the [-100] or [00-1] direction. Therefore, the etching rate can be increased by patterning the element so as to extend in the direction orthogonal to the <-100> lattice direction as shown in FIG. 2B.

한편, 도 2c는 (111) 결정면을 가지는 갈륨비소(GaAs) 기판의 표면을 나타낸다. 갈륨비소(GaAs)의 (111) 결정면은 각각 [1-10], [10-1] 및 [0-11] 방향에 위치하는 3면의 식각면이 존재하기 때문에, 방향에 따른 식각 속도의 의존성을 갖지 않는다. On the other hand, FIG. 2C shows the surface of a gallium arsenide (GaAs) substrate having a (111) crystal plane. Since the (111) crystal planes of gallium arsenide (GaAs) have three etching planes located in the [1-10], [10-1] and [0-11] directions, .

이상에서 설명한 갈륨비소(GaAs)의 식각 속도의 면방향 의존성을 이용하면, 특정 결정면을 가지는 갈륨비소(GaAs)를 희생층으로 식각함에 있어서 식각 속도가 빠른 방향을 고려하여 패터닝될 형상의 배치를 결정함으로써 식각 공정의 수율 및 속도를 개선할 수 있다. 도 2a 내지 2c에서는 갈륨비소(GaAs)의 결정면에 따라 식각 속도가 빠른 방향을 설명하였으나, 다른 III-V족 화합물 역시 이와 유사한 형태의 식각 속도의 면방향 의존성을 가지며, 각 화합물의 특정 결정면이 어떤 방향으로 빠른 식각 속도를 가지는지 알려져 있다. 따라서, 전술한 원리를 응용한 패터닝 방향의 결정은 갈륨비소(GaAs) 뿐만 아니라 다른 III-V족 화합물을 대상으로도 적용될 수 있다. Using the dependency of the etch rate of the gallium arsenide (GaAs) described above on the plane direction, the arrangement of the pattern to be patterned is determined in consideration of the direction in which the etching rate is high in etching the gallium arsenide (GaAs) The yield and speed of the etching process can be improved. In FIGS. 2A to 2C, the direction of the etch rate is fast along the crystal plane of gallium arsenide (GaAs). However, other III-V compounds have a similar planar direction dependence of etch rate, It has been known that it has a rapid etching rate in the direction of Therefore, the crystallization of the patterning direction by applying the above-described principle can be applied not only to gallium arsenide (GaAs) but also to other III-V compounds.

도 3은 일 실시예에 따른 에피택셜 리프트오프(Epitaxial Lift-Off; ELO)에 의한 반도체 소자의 제조 방법의 순서도이며, 도 4a 내지 도 9b는 본 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법의 각 단계를 나타내는 단면도와 평면도들이다. 이하에서는, 도 4a 내지 도 9b에 도시된 각 단면도 및 평면도를 참조하여 도 3에 도시된 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법의 각 단계에 대하여 설명한다.3 is a flow chart of a method of manufacturing a semiconductor device by an epitaxial lift-off (ELO) method according to an embodiment, and Figs. 4A to 9B are cross- And FIG. Hereinafter, each step of the method of manufacturing a semiconductor device according to the embodiment shown in FIG. 3 will be described with reference to cross-sectional views and plan views shown in FIGS. 4A to 9B.

도 4a의 단면도 및 이에 대응되는 도 4b의 평면도를 참조하면, 제1 기판(100)상에 III-V족 화합물을 포함하는 희생층(101)을 형성하고(S1), 희생층(101)상에 소자층(102)을 형성할 수 있다(S2). 제1 기판(100)은 갈륨화 비소(GaAs), 인화 인듐(InP), 질화 갈륨(GaN) 등의 III-V족 화합물로 이루어지며, 제1 기판(100)으로부터 에피택시(epitaxy) 성장 방식으로 희생층(101)이 형성될 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 제1 기판(100)은 III-V족 화합물 외에 다른 상이한 물질로 이루어질 수도 있다.4A and a corresponding plan view of FIG. 4B, a sacrificial layer 101 including a group III-V compound is formed on the first substrate 100 (S1), and a sacrificial layer 101 is formed on the sacrificial layer 101 The element layer 102 can be formed (S2). The first substrate 100 is made of a group III-V compound such as gallium arsenide (GaAs), indium phosphide (InP) or gallium nitride (GaN), and is epitaxially grown from the first substrate 100 The sacrificial layer 101 may be formed. However, this is exemplary and the first substrate 100 may be made of a different material than the Group III-V compound.

일 실시예에서는, 제1 기판(100)상에 희생층(101)을 형성하기 전에 에치스톱층(미도시)을 더 형성할 수도 있다. 에치스톱층은 후술하는 희생층(101)의 식각 과정에서 용해되지 않는 물질로 이루어질 수 있다. In one embodiment, an etch stop layer (not shown) may be further formed before forming the sacrificial layer 101 on the first substrate 100. The etch stop layer may be made of a material that is not dissolved in the etching process of the sacrificial layer 101 described later.

희생층(101)은 추후 소자층(102)을 실리콘(Si) 기판에 접합한 후 희생층(101)이 제거됨으로써 제1 기판(100) 및 희생층(101)을 실리콘(Si) 기판으로부터 분리하기 위한 용도로 사용된다. 예를 들어, 희생층(101)은 불화수소(HF)이나 염화수소(HCl) 등의 용액에 쉽게 식각되는 고농도의 알루미늄(Al)이 포함된 III-V족 화합물, 예컨대, 알루미늄비소(AlAs)로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The sacrificial layer 101 is formed by joining the element layer 102 to the silicon substrate and then removing the sacrificial layer 101 to separate the first substrate 100 and the sacrificial layer 101 from the silicon substrate It is used for the purpose. For example, the sacrificial layer 101 may be a III-V compound containing a high concentration of aluminum (Al) that is easily etched into a solution such as hydrogen fluoride (HF) or hydrogen chloride (HCl) But is not limited thereto.

소자층(102)은 본 실시예를 통하여 제조하고자 하는 반도체 소자의 구성에 필요한 반도체 물질로 이루어진 층이다. 일 실시예에서, 소자층(102)은 희생층(101)과 마찬가지로 III-V족 화합물로 이루어지며 희생층(101)으로부터 에피택시 방식으로 형성될 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 소자층(102)은 III-V족 화합물 외에 다른 상이한 물질로 이루어질 수도 있다. 또한, 소자층(102)은 적어도 부분적으로 n형 또는 p형 도핑될 수도 있다.The element layer 102 is a layer made of a semiconductor material necessary for the construction of a semiconductor device to be manufactured through this embodiment. In one embodiment, the device layer 102 is comprised of a Group III-V compound as well as the sacrificial layer 101 and may be formed from the sacrificial layer 101 in an epitaxial manner. However, this is exemplary, and the device layer 102 may be made of a different material than the III-V compound. Also, the device layer 102 may be at least partially doped n-type or p-type.

도 5a의 단면도 및 이에 대응되는 도 5b의 평면도를 참조하면, 제조하고자 하는 반도체 소자의 형상에 따라 희생층(101) 및 소자층(102)을 패터닝할 수 있다(S3). 이때, 도 2a 내지 2c를 참조하여 전술한 것과 같이, 희생층(101)을 구성하는 III-V 족 화합물의 결정면 방향에 따라 희생층(101) 및 소자층(102)을 어느 방향으로 연장되도록 패터닝할지가 결정된다. 즉, 희생층(101)을 구성하는 III-V 족 화합물이 빠른 식각 속도를 나타내는 방향으로부터 희생층(101)이 식각되도록 하기 위하여, 상기 빠른 식각 속도를 나타내는 방향과 직교하여 연장되는 형상으로 희생층(101) 및 소자층(102)을 패터닝한다. Referring to FIG. 5A and a corresponding plan view of FIG. 5B, the sacrifice layer 101 and the device layer 102 may be patterned according to the shape of the semiconductor device to be manufactured (S3). At this time, as described above with reference to FIGS. 2A to 2C, the sacrifice layer 101 and the device layer 102 are patterned to extend in either direction along the crystal plane direction of the group III-V compound constituting the sacrifice layer 101 Is determined. That is, in order for the sacrificial layer 101 to be etched from the direction in which the group III-V compound constituting the sacrificial layer 101 exhibits a rapid etching rate, the sacrificial layer 101 may be formed in a shape extending orthogonally to the direction, (101) and the element layer (102) are patterned.

패터닝 과정은, 제조하고자 하는 소자 형상에 대응되는 마스크(mask)를 III-V 족 화합물이 빠른 식각 속도를 나타내는 방향을 기준으로 하여 이와 직교하여 연장되도록 회전시켜 희생층(101) 및 소자층(102) 위에 위치시키고, 마스크를 이용하여, 소자층(102) 위에 미리 도포된 포토레지스트를 부분적으로 노광 및 제거한 후, 식각 용액에 노출시켜 포토레지스트가 제거된 영역의 희생층(101) 및 소자층(102)을 식각하는 과정을 수반할 수 있다. 식각은 인산(H3PO4) 기반의 식각 용액을 이용하여 습식 식각(wet etching) 방식으로 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 식각 후 포토레지스트 및 마스크는 제거된다. In the patterning process, the mask corresponding to the device shape to be manufactured is rotated so that the III-V compound extends orthogonally with respect to the direction in which the rapid etching rate is indicated, thereby forming the sacrifice layer 101 and the device layer 102 The photoresist previously applied on the element layer 102 is partially exposed and removed by using a mask and then exposed to the etching solution to remove the sacrifice layer 101 and the element layer 102 may be etched. The etching may be performed by a wet etching method using an etching solution based on phosphoric acid (H 3 PO 4 ), but is not limited thereto. After etching the photoresist and mask are removed.

희생층(101)의 패터닝된 형상으로 인하여 식각 속도가 빠른 방향으로부터 식각이 이루어지므로, 희생층(101)의 식각 과정에서 빠른 공정 속도를 얻을 수 있다. 또한, 희생층(101)의 식각 공정 후 소자는 다른 소자와의 결합 등 후속 공정을 위하여 필요에 따라 일정 각도만큼 회전될 수도 있다. Because of the patterned shape of the sacrificial layer 101, etching is performed from a direction in which the etching rate is fast, so that a high processing speed can be obtained in the etching process of the sacrifice layer 101. Further, after the etching process of the sacrifice layer 101, the device may be rotated by a certain angle as needed for a subsequent process such as coupling with other devices.

도 6a 및 6b는 종래의 ELO 공정과의 비교를 위하여 소자층(102)의 패터닝 후 희생층(101)을 부분적으로 제거한 형태를 나타내는 단면도와 평면도이며, 도 7a 및 7b는 도 6a 및 6b에 도시된 구조로부터 관찰을 위하여 소자층(102)을 제거한 형태를 나타내는 단면도와 평면도이다. 6A and 6B are a cross-sectional view and a plan view showing a form in which the sacrifice layer 101 is partially removed after patterning of the device layer 102 for comparison with a conventional ELO process, and Figs. 7A and 7B are cross- Sectional view and a plan view showing a mode in which the device layer 102 is removed for observation from the structure of FIG.

희생층(101)의 식각은 불화수소(HF) 및 탈이온수를 포함하는 식각 용액을 이용하여 수행될 수 있다. 예컨대, 불화수소(HF) 및 탈이온수가 부피 비율 1:3으로 혼합된 식각 용액 내에 구조물을 10초간 담지함으로써 희생층(10)의 식각이 이루어질 수 있다. 또한, 소자층(102)의 식각은 시트릭산(citric acid)을 식각 용액으로 이용하여 수행될 수 있으며, 예컨대, 구조물을 시트릭산 용액 내에 5초간 담지하여 소자층(102)을 제거할 수 있다. 그러나, 전술한 식각 용액 및 공정은 예시적인 것으로서, 식각을 위한 반응 물질 및 조건은 희생층(101) 및/또는 소자층(102)의 재질 및 두께 등에 따라 상이할 수 있다. The etching of the sacrificial layer 101 may be performed using an etching solution containing hydrogen fluoride (HF) and deionized water. For example, etching of the sacrificial layer 10 can be performed by supporting the structure for 10 seconds in an etching solution mixed with hydrogen fluoride (HF) and deionized water at a volume ratio of 1: 3. The etching of the element layer 102 can be performed using citric acid as an etching solution. For example, the element layer 102 can be removed by supporting the structure in the citric acid solution for 5 seconds. However, the above-described etching solutions and processes are illustrative, and the reaction materials and conditions for the etching may differ depending on the material and thickness of the sacrifice layer 101 and / or the device layer 102 and the like.

도 10은 종래의 기술에 따른 ELO 공정을 이용하여 도 7a 및 7b에 도시된 구조를 얻은 후 희생층의 식각면을 촬영한 이미지이며, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 ELO에 의한 반도체 소자의 제조 방법에 의하여 도 7a 및 7b에 도시된 구조를 얻은 후 희생층의 식각면을 촬영한 이미지이다. FIG. 10 is an image of an etched surface of a sacrifice layer obtained after the structure shown in FIGS. 7A and 7B is obtained by using an ELO process according to a conventional technique, and FIG. 7A and 7B are obtained by the method of manufacturing a device, and then the etched surface of the sacrificial layer is photographed.

도 10에 도시된 것과 같이 종래의 ELO 공정에서는 희생층의 결정면 방향에 따라 패터닝 방향을 특별히 조절하지 않았으며, 식각 결과 희생층의 가장자리가 약 2㎛의 길이만큼 내측으로 식각되었다. As shown in FIG. 10, in the conventional ELO process, the patterning direction was not specifically controlled according to the crystal plane direction of the sacrifice layer, and the etching result was that the edge of the sacrifice layer was etched inward by a length of about 2 μm.

반면, 도 11에 도시된 것과 같이 본 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법에서는 희생층이 빠른 속도로 식각되는 45도 방향에 대하여 직교하는 형상을 이루도록 희생층을 패터닝하였고, 그 결과 도 10에 도시된 결과와 동일한 공정 조건 및 시간에서 식각을 수행하였을 때 희생층이 가장자리가 내측으로 식각되는 길이가 약 5㎛로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 동일 시간동안 식각이 더 이루어진 것으로서, 식각 수율 및 속도가 증가한다는 것을 알 수 있는 것이다. On the other hand, as shown in FIG. 11, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, the sacrifice layer is patterned so that the sacrifice layer has a shape orthogonal to the direction of 45 degrees in which the sacrifice layer is etched at a high speed. The etched length of the edge of the sacrificial layer was increased to about 5 탆 when the etching was performed under the same process conditions and time as the result of the etching. That is, it can be seen that etching is further performed for the same time, and the etching yield and speed are increased.

다시 도 3을 참조하면, 희생층(101)을 구성하는 III-V족 화합물의 결정면 방향을 고려하여 희생층(101) 및 소자층(102)을 패터닝한 후, 도 8a의 단면도 및 이에 대응되는 도 8b의 평면도에 도시한 것과 같이 패터닝된 소자층(102)을 제2 기판(200)의 표면에 접합할 수 있다(S4). 제2 기판(200)은 실리콘(Si)으로 이루어진다. 3, after the sacrifice layer 101 and the device layer 102 are patterned in consideration of the crystal plane direction of a group III-V compound constituting the sacrifice layer 101, a cross-sectional view of FIG. 8A and a cross- The patterned element layer 102 may be bonded to the surface of the second substrate 200 as shown in the plan view of FIG. 8B (S4). The second substrate 200 is made of silicon (Si).

일 실시예에서는, 접합 전에 소자층(102) 및 제2 기판(200)의 표면상에 형성된 자연 산화막을 제거하는 과정이 더 수행된다. 또한 일 실시예에서는, 접합 전에 소자층(102) 및/또는 제2 기판(200)의 플라즈마에 의해 처리함으로써 활성화한다. In one embodiment, a process of removing the native oxide film formed on the surface of the element layer 102 and the second substrate 200 before bonding is further performed. Also, in one embodiment, activation is achieved by treatment with the plasma of the element layer 102 and / or the second substrate 200 prior to bonding.

다음으로, 소자층(102)이 제2 기판(200)에 접합된 상태에서 희생층(101)을 식각하며, 희생층(101)이 식각에 의하여 완전히 제거될 경우 제1 기판(100)에 제2 기판(200)으로부터 분리되어 도 9a의 단면도 및 이에 대응되는 도 9b의 평면도에 도시된 것과 같은 소자 구조가 얻어진다(S5). 이상에서 설명한 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법에 의하면, III-V족 화합물의 고유 특성인 결정 방향(cystal orientation)에 따른 식각 속도의 차이를 고려하여 식각 속도가 빠른 방향으로부터 식각이 이루어지도록 소자 및 희생층의 패터닝을 실시하므로, 종래의 ELO 공정보다 공정 수율을 향상시킬 수 있으며 공정 속도를 빠르게 할 수 있는 이점이 있다. Next, the sacrifice layer 101 is etched in a state where the element layer 102 is bonded to the second substrate 200. When the sacrifice layer 101 is completely removed by etching, 2 substrate 200 to obtain a device structure as shown in a cross-sectional view of FIG. 9A and a corresponding plan view of FIG. 9B (S5). According to the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiments described above, the etching is performed from a direction in which the etching rate is fast in consideration of the difference in the etching speed depending on the cystal orientation, which is a characteristic of the III-V group compound The patterning of the device and the sacrifice layer is performed. Therefore, the process yield can be improved and the process speed can be increased faster than the conventional ELO process.

이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.While the invention has been shown and described with reference to certain embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. However, it should be understood that such modifications are within the technical scope of the present invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

Claims (10)

III-V족 화합물의 결정구조를 이용하여 식각 속도를 향상시키기 위한 반도체 소자의 제조 방법으로서,
제1 기판상에 결정면 방향별로 상이한 식각 속도를 갖는 III-V족 화합물을 포함하는 희생층을 형성하는 단계;
상기 희생층상에 소자층을 형성하는 단계;
상기 희생층 및 상기 소자층을, 상기 희생층의 상기 III-V족 화합물의 결정면 방향에 기초하여 결정되는 제1 방향을 따라 연장되는 부분을 가지는 형상으로 패터닝하는 단계;
패터닝된 상기 소자층을 제2 기판상에 접합하는 단계; 및
상기 희생층 및 상기 제1 기판을 제거하기 위하여, 상기 소자층이 상기 제2 기판상에 접합된 상태에서 식각 용액을 이용하여 상기 희생층을 식각하는 단계를 포함하는 에피택셜 리프트오프에 의한 반도체 소자의 제조 방법.
A method of manufacturing a semiconductor device for improving an etching rate using a crystal structure of a group III-V compound,
Forming a sacrificial layer on the first substrate, the sacrificial layer comprising a Group III-V compound having an etch rate different for each crystal plane direction;
Forming an element layer on the sacrificial layer;
Patterning the sacrificial layer and the device layer in a shape having a portion extending along a first direction determined based on a crystal plane direction of the III-V group compound of the sacrificial layer;
Bonding the patterned element layer onto a second substrate; And
And removing the sacrificial layer and the first substrate by etching the sacrificial layer using an etching solution while the element layer is bonded onto the second substrate. &Lt; / RTI &gt;
제 1항에 있어서,
상기 제1 방향은 상기 희생층의 상기 III-V족 화합물의 식각 속도가 가장 빠른 격자 방향과 직교하는 방향인 에피택셜 리프트오프에 의한 반도체 소자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the first direction is a direction orthogonal to a lattice direction in which the etching rate of the III-V compound of the sacrificial layer is the fastest.
제 1항에 있어서,
상기 희생층을 식각하는 단계는, 상기 희생층의 측면을 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로부터 식각하는 단계를 포함하는 에피택셜 리프트오프에 의한 반도체 소자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of etching the sacrificial layer comprises etching the side surface of the sacrificial layer from a second direction orthogonal to the first direction.
제 1항에 있어서,
상기 희생층의 상기 III-V족 화합물은 (100) 결정면을 가지며,
상기 제1 방향은 <001> 격자 방향인 에피택셜 리프트오프에 의한 반도체 소자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The III-V compound of the sacrificial layer has a (100) crystal face,
Wherein the first direction is a < 001 > lattice direction.
제 1항에 있어서,
상기 희생층의 상기 III-V족 화합물은 (110) 결정면을 가지며,
상기 제1 방향은 <-100> 격자 방향인 에피택셜 리프트오프에 의한 반도체 소자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The III-V compound of the sacrificial layer has a (110) crystal face,
Wherein the first direction is a < -100 > lattice direction.
제 1항에 있어서,
상기 식각 용액은 불화수소(HF) 및 탈이온수를 포함하는 에피택셜 리프트오프에 의한 반도체 소자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the etchant solution comprises an epitaxial lift-off comprising hydrogen fluoride (HF) and deionized water.
제 6항에 있어서,
상기 식각 용액에서 불화수소(HF) 및 탈이온수의 부피 비율은 1:3인 에피택셜 리프트오프에 의한 반도체 소자의 제조 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the volume ratio of hydrogen fluoride (HF) and deionized water in the etching solution is 1: 3.
제 1항에 있어서,
상기 희생층을 형성하는 단계 전에, 상기 제1 기판상에 에치스톱층을 형성하는 단계를 더 포함하는 에피택셜 리프트오프에 의한 반도체 소자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Further comprising forming an etch stop layer on the first substrate before forming the sacrificial layer. &Lt; Desc / Clms Page number 25 &gt;
제 1항에 있어서,
상기 제1 기판은 III-V족 화합물을 포함하며,
상기 희생층은 에피택시 성장 방식으로 상기 제1 기판상에 형성되는 에피택셜 리프트오프에 의한 반도체 소자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the first substrate comprises a group III-V compound,
Wherein the sacrificial layer is formed on the first substrate in an epitaxial growth manner.
제 1항에 있어서,
상기 제2 기판은 실리콘(Si)을 포함하는 에피택셜 리프트오프에 의한 반도체 소자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the second substrate comprises silicon (Si).
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