KR101922914B1 - 에피텍셜 성장용 템플릿 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿은 기판, 상기 기판 상에 형성되는 제 1나노로드(nano rod) 층, 상기 제 1나노로드 층 상에 형성되는 알루미늄 나이트라이드(AlN) 층, 상기 알루미늄 나이트라이드 층 상에 형성되는 제 2나노로드(nano rod) 층, 상기 제 2나노로드 층 상에 형성되는 템플릿(template) 층을 구비하는 것으로, 이러한 본 발명에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿 및 이의 제조방법은 균일한 결정으로 질화물 층의 성장이 가능하게 하여 발광소자, UV 센서 또는 HEMT(high electron mobility transistor device) 소자 등과 같은 화합물 반도체 소자의 제조 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 에피텍셜 성장용 템플릿에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 질화물 반도체 층을 에피텍셜 성장시키기 위한 버퍼층을 가지는 에피텍셜 성장용 템플릿에 관한 것이다.
질화물 반도체 제조용 템플릿은 발광소자, UV 센서 또는 HEMT(high electron mobility transistor device) 소자 등과 같은 화합물 반도체 소자를 제조하기 위하여 사용된다. 따라서 템플릿 표면의 결정 품질은 반도체 소자의 제조에 직접적인 영향을 미치게 된다.
갈륨 나이트라이드 버퍼층(Gallium nitride (GaN) buffer layer)을 템플릿에 형성하는 기술은 널리 알려져 있다. 갈륨 나이트라이드를 버퍼층으로 형성하면 격자 부정합(lattice mismatch)을 최소화하여 이후 버퍼층 상에 형성되는 질화물층 결정들의 성장이 양호하게 이루어지도록 한다.
한편, 알루미늄 나이트라이드(AlN : Aluminium nitride)를 버퍼층을 형성하는 기술은 아직까지 명확하게 유효한 기술이 개발되지 못하였다. 일반적으로 알려진 바에 따르면 알루미늄 나이트라이드를 MOCVD(Metalorganic chemical vapour deposition) 등과 같은 에피텍셜 성장 장치를 이용하여 성장시킬 때 14% ~ 44% 정도의 격자 부정합이 발생하는 것으로 알려져 있다. 이러한 격자 부정합은 단결정의 품질을 떨어뜨리는 원인이 된다.
또한, 알루미늄 나이트라이드를 버퍼층으로 사용하기 위하여 기판 상에 형성할 때 너무 높은 온도, 예를 들어 1300℃ 이상에서 성장시키면 수평과 수직 성장이 양호하지만 결정이 결합하여 성장할 확률이 매우 낮은 문제점이 발생한다. 반면에 1300℃ 미만인 저온에서 성장하는 경우에는 수직 성장성은 좋지만, 수평 성장성이 나쁜 문제점이 있다.
한편, 미국 공개특허 US 2010/0276710, "Ultraviolet Light Emitting AlGaN Composition And Ultraviolet Light Emitting Device Containing Same" 에서는 알루미늄 나이트라이드를 버퍼층으로 형성하는 기술을 개시하고 있다.
본 발명의 목적은 화합물 반도체 소자의 제조를 위하여 에피텍셜 공정 진행시 결정 성장 품질이 양호한 알루미늄 나이트라이드 버퍼층을 가지는 에피텍셜 성장용 템플릿을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿 제조방법은 MOCVD(Metalorganic chemical vapour deposition) 공정챔버 내부에 사파이어로 된 기판을 위치시키는 단계; 상기 공정챔버 내부로 트리메틸알루미늄을 공급하여 상기 기판 상에 10nm ~ 1000nm 두께로 알루미늄 결정으로 형성되는 제 1나노로드(nano rod) 층을 형성하는 단계; 상기 공정챔버 내부로 트리메틸알루미늄과 암모니아를 공급하여 상기 제 1나노로드 층 상에 10nm ~ 1000nm 두께로 형성되는 알루미늄 나이트라이드(AlN) 층을 형성하는 단계; 상기 공정챔버 내부로 트리메틸알루미늄을 공급하여 상기 알루미늄 나이트라이드 층 상에 10nm ~ 1000nm 두께로 알루미늄 결정으로 형성되는 제 2나노로드(nano rod) 층을 형성하는 단계; 상기 제 2나노로드 층 상에 갈륨 나이트라이드, 알루미늄 갈륨나이트라이드 또는 알루미늄 나이트라이드 중의 어느 하나로 형성되는 템플릿(template)층을 형성하는 단계를 구비하는 에피텍셜 성장용 템플릿 제조방법.
상기 제 1 나노로드 층은 10초 ~ 100초 공정시간 동안 , 1300 ~ 1800의 ℃ 공정온도로 형성될 수 있다.
상기 제 2 나노로드 층은 100초 ~ 1000초 공정시간 동안 , 1300 ~ 1800의 ℃ 공정온도로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿은 균일한 결정으로 질화물 층의 성장이 가능하게 하여 발광소자, UV 센서 또는 HEMT(high electron mobility transistor device) 소자 등과 같은 화합물 반도체 소자의 제조 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿을 도시한 단면 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿에서 나노로드 층을 형성한 표면을 나타낸 전자현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿에서 버퍼층을 형성한 것을 나타낸 전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿을 이용하여 질화물 층을 형성한 것과, 알루미늄 나이트라이드 층만을 형성한 템플릿에 질화물 층을 형성한 것을 비교하여 나타낸 전자현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿에서 나노로드 층을 형성한 표면을 나타낸 전자현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿에서 버퍼층을 형성한 것을 나타낸 전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿을 이용하여 질화물 층을 형성한 것과, 알루미늄 나이트라이드 층만을 형성한 템플릿에 질화물 층을 형성한 것을 비교하여 나타낸 전자현미경 사진이다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿에 대한 실시예를 도면을 참조하여 설명하도록 한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 변형 실시될 수 있으며, 단지 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿을 도시한 도면 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿은 기판(100)을 구비한다. 기판(100)은 사파이어(sapphire), 실리콘(SiC), 갈륨나이트라이드(GaN) 단결정 등으로 실시될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 기판(100)은 사파이어로 실시한다.
기판(100)의 상부면에는 다수의 수 나노미터 크기의 직경으로 된 다수의 로드로 구성된 제 1나노로드(nano rod) 층(110)이 형성된다. 제 1나노로드 층(110)은 알루미늄 결정으로 형성된다. 이 제 1나노로드 층(110)은 사파이어 기판(100) 상에 최초로 형성되기 때문에 격자 성장 스트레스를 가장 많이 받게 되지만 이후의 격자 성장품질의 향상에 매우 큰 기여를 하게 된다. 이와 같은 제 1나노로드 층(110)은 10nm ~ 1000nm 두께로 트리메틸알루미늄을 이용하여 형성된다.
제 1나노로드 층(110) 상에는 알루미늄 나이트라이드(AlN) 층(120)이 10nm ~ 1000nm 두께로 형성된다. 알루미늄 나이트라이드 층(120)은 트리메틸알루미늄과 암모니아(NH3)를 공정 챔버에 공급하여 형성한다.
그리고 알루미늄 나이트라이드 층(120)의 상부에는 제 2나노로드 층(130)이 형성된다. 이 제 2나노로드 층(130)은 제10nm ~ 1000nm 두께로 트리메틸알루미늄을 이용하여 형성한다.
계속해서 제 2나노로드 층(130) 상에는 템플릿(template) 층(140)이 형성된다. 이 템플릿 층(140)은 갈륨 나이트라이드, 알루미늄 갈륨 나이트라이드 또는 알루미늄 나이트라이드 중의 어느 하나로 형성될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿을 제조하는 방법에 대한 실시예를 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿 제조방법은 사파이어 기판(100) 상에 제 1나노로드 층(110)을 성장시키는 단계(S100), 제 1나노로드 층(110) 상에 알루미늄 나이트라이드(AlN) 층(120)을 성장시키는 단계(S110), 알루미늄 나이트라이드 층(120) 상에 제 2나노로드 층(130)을 성장시키는 단계(S120), 제 2나노로드 층(130) 상에 템플릿(template) 층(140)을 성장시키는 단계(S130)로 구성된다. 본 발명의 실시예에서 각 층의 형성된 MOCVD와 같은 에피텍셜 공정을 진행할 수 있는 장치의 공정챔버 내부에서 실시될 수 있다.
이하에서 본 발명의 실시예에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿 제조방법에 대한 각각의 단계에 대하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
제 1나노로드 층(110) 성장 단계(S100)는 공정 챔버 내부에 트리메틸알루미늄을 공급하고, 10초 ~ 100초 공정시간 동안 1300 ~ 1800℃ 공정 온도를 제공하여, 소정 두께의 제 1나로로드 층(110)이 성장되도록 한다.
이에 따라 사파이어 기판(100) 상에는 공정 진행중에 수 ~ 수십 나노 크기로 된 알루미늄 나노로드 층이 형성된다. 다른 실시예로 보다 긴 공정 시간을 제공하여 최종적으로 제 1나노로드 층(110)의 두께를 10nm ~ 1000nm 까지 성장시킬 수 있다. 제 1나노로드 층(110)의 두께를 두껍게 하면 할수록 상부에 형성되는 결정의 품질이 좋아질 수 있다.
알루미늄 나이트라이드 층(120) 성장단계(S110)는 트리메틸알루미늄과 암모니아를 공정챔버 내부로 공급하고, 수십 ~ 수백초 동안 1300 ~ 1800℃ 공정 온도를 제공하여 10nm ~ 1000nm 두께로 된 알루미늄 나이트라이드 층(120)이 제 1나노로드 층(110) 상부에 형성되도록 한다.
그리고 제 2나노로드 층(130) 성장 단계(S120)는 트리메틸알루미늄을 공정 챔버 내부로 공급하고, 100초 ~ 1000초 공정시간 동안 , 1300 ~ 1800℃ 공정 온도를 제공하여 알루미늄 나이트라이드 층(120) 상부에 10nm ~ 1000nm 두께로 나노로드 층이 형성되도록 한다.
템플릿 층(140)을 성장하는 단계(S130)는 갈륨 나이트라이드, 알루미늄 갈륨나이트라이드 또는 알루미늄 나이트라이드 중의 어느 하나를 다양한 공정 조건을 이용하여 형성할 수 있다.
이하에서는 전술한 바와 같은 구성과 방법에 따라 본 발명의 실시예에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿에 결정을 성장한 실험예에 대하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿에서 나노로드 층을 형성한 표면을 나타낸 전자현미경 사진이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿에서 버퍼층을 형성한 것을 나타낸 전자현미경 사진이다.
도 3과 도 4에 도시된 전자현미경 사진에 나타난 실험예는 기판(100)을 공정챔버 내부로 삽입하여 스테이지 상에 위치시키고, 공정챔버 내부를 진공 상태로 만든 후 공정챔버 내부로 트리메틸알루미늄을 0.0179mmol/min 유속(flow rate)으로 공급하고, 1300℃ 이상의 온도를 30초 동안 유지하여 10nm 정도의 제 1나노로드 층(110)을 형성한다.
이후 동일한 온도 조건을 유지하고, 암모니아 가스를 트리메틸알루미늄과 함께 800초 동안 공급하여 90nm 두께의 알루미늄 나이트라이드 층(120)을 형성한다. 이후 암모니아의 공급을 차단하고, 트리메틸알루미늄만을 1000초 동안 공급하여 370nm의 제 2나노로드 층(130)을 형성한다. 이에 따라 도 3에 나타난 바와 같이 3만 배 확대한 전자현미경 사진에서는 표면에 나노로드 형태의 제 2나노로드 층(130)이 형성된 것을 확인할 수 있다.
그리고 도 4에서와 같이 템플릿의 단면을 10만 배 확대한 전자현미경 사진에서는 제 1나노로드 층(110), 알루미늄 나이트라이드 층(120) 그리고 제 2나노로드 층(130)이 형성된 것을 확인할 수 있다.
이상과 같은 제조방법으로 형성된 본 발명의 실시예에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿과 종래에 사파이어 기판에 알루미늄 나이트라이드 층만을 형성한 에피텍셜 성장용 템플릿에 대한 질화물 층의 성장 결과를 비교하여 보았다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿을 이용하여 질화물 층을 형성한 것과, 기판 상에 알루미늄 나이트라이드 층만을 형성한 종래의 템플릿에 질화물 층을 형성한 것을 비교하여 나타낸 전자현미경 사진이다.
도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 실험예에서는 본 발명의 실시예에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿과 종래기술에 따라 사파이어 기판에 알루미늄 나이트라이드 층만을 형성한 템플릿에 각각 동일한 조건으로 언도펀트 갈륨 나이트라이드(undopend GaN)층을 300초 동안 성장시켰을 때, 1000초 동안 형성시켰을 때 그리고 2400초 동안 성장시켰을 때의 표면 상태를 1만 배 확대한 전자현미경 사진으로 확인하였다.
이에 따른 결과를 비교하여 보면, 300초 동안 성장시킨 상태에서 본 발명의 실시예에 따른 템플릿에서는 결정 성장이 전체 표면에서 고르게 이루어지고 잇는 것을 보여주고 있지만, 종래기술의 템플릿에서는 결정이 부분적으로 성장됨을 나타내고 있다. 1000초 동안 성장시켰을 때에는 본 발명의 실시예에 따른 템플릿의 표면은 전체적으로 결정 상장이 고르게 분포되는 것을 보여주고, 2400초 동안 성장시켰을 때에는 본 발명의 실시예에 따른 템플릿에서 언도펀트 갈륨나이트라이드 서장 표면에 매우 균일하게 이루어진 것을 보여준다.
그러나 종래기술에 따른 템플릿에서는 균일하지 않은 표면 상태를 나타내고 있고, 이러한 결정 성장상태는 이후 질화물 층의 결정 성장 및 최종 제조된 반도체 소자의 품질에 나쁜 영향을 미치게 된다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 에피텍셜 성장용 템플릿은 이상의 실험예에 나타난 바와 같이 균일한 결정으로 질화물 층의 성장이 가능하게 하여 고품질의 에피텍셜 성장에 따른 고성능의 화합물 반도체 소자의 제조가 가능하게 하여, 발광소자, UV 센서 또는 HEMT(high electron mobility transistor device) 소자에 사용되어 이들 소자의 성능, 효율 그리고 내구성 등을 향상시키게 된다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예들은 단지 예시와 설명을 위한 것일 뿐이며, 본 발명을 설명된 형태로 한정하려는 것이 아니다. 또한, 본 명세서의 상세한 설명이 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 상세한 설명에 설명되며 첨부된 청구항에 의해 정의된 발명의 사상 및 범위 내에서, 다양한 변화 및 변경을 할 수 있음은 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게 자명하다.
100...기판
110...제 1나노로드 층
120...알루미늄 나이트라이드 층
130...제 2나노로드 층
140...템플릿 층
110...제 1나노로드 층
120...알루미늄 나이트라이드 층
130...제 2나노로드 층
140...템플릿 층
Claims (3)
- MOCVD(Metalorganic chemical vapour deposition) 공정챔버 내부에 사파이어로 된 기판을 위치시키는 단계;
상기 공정챔버 내부로 트리메틸알루미늄을 공급하여 상기 기판 상에 10nm ~ 1000nm 두께로 알루미늄 결정으로 형성되는 제 1나노로드(nano rod) 층을 형성하는 단계;
상기 공정챔버 내부로 트리메틸알루미늄과 암모니아를 공급하여 상기 제 1나노로드 층 상에 10nm ~ 1000nm 두께로 형성되는 알루미늄 나이트라이드(AlN) 층을 형성하는 단계;
상기 공정챔버 내부로 트리메틸알루미늄을 공급하여 상기 알루미늄 나이트라이드 층 상에 10nm ~ 1000nm 두께로 알루미늄 결정으로 형성되는 제 2나노로드(nano rod) 층을 형성하는 단계;
상기 제 2나노로드 층 상에 갈륨 나이트라이드, 알루미늄 갈륨나이트라이드 또는 알루미늄 나이트라이드 중의 어느 하나로 형성되는 템플릿(template)층을 형성하는 단계를 구비하는 에피텍셜 성장용 템플릿 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 1 나노로드 층은 10초 ~ 100초 공정시간 동안, 1300 ~ 1800℃의 공정온도로 형성되는 에피텍셜 성장용 템플릿 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 2 나노로드 층은 100초 ~ 1000초 공정시간 동안, 1300 ~ 1800℃의 공정온도로 형성되는 에피텍셜 성장용 템플릿 제조방법.
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