KR102201924B1 - 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법 - Google Patents

도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법 Download PDF

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Abstract

도핑층의 성장이 끝남과 동시에 질소분위기의 성장 환경 그대로 인-시츄 어닐링(In-situ annealing)을 수행하여 성장된 에피 내 격자의 재배열(rearrangement) 효과와 동시에 도펀트 활성화 효과를 극대화시킨 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법은 (a) 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계; (b) 상기 버퍼층 상에 에피 성장으로 알파 갈륨옥사이드 박막을 성장시키면서 도핑 처리를 실시하여 도핑층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 도핑층의 형성이 종료됨과 동시에 도핑 가스 없이 N2 또는 Ar 가스 분위기에서 어닐링하는 인-시츄 어닐링(in-situ annealing)을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF GALLIUM OXIDE THIN FILM FOR POWER SEMICONDUCTOR USING DOPANT ACTIVATION TECHNOLOTY}
본 발명은 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도핑층의 성장이 끝남과 동시에 질소분위기의 성장 환경 그대로 인-시츄 어닐링(In-situ annealing)을 수행하여 성장된 에피 내 격자의 재배열(rearrangement) 효과와 동시에 도펀트 활성화 효과를 극대화시킨 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법에 관한 것이다.
종래의 Si 기반 전력반도체 소자는 본질적인 물성한계로 인하여 기술발전 대비 성능개선의 한계에 도달하여 WBG(Wide bandgap)와 UWB(Ultra-wide bandgap) 특성을 갖는 전력반도체 소재의 산업적 필요성이 점점 확대되고 있다.
UWB Ga2O3 소재는 GaN 또는 SiC 대비 제조비용이 대략 1/3 ~ 1/5 수준으로 저렴하여 가격 경쟁력을 갖춘 차세대 전력반도체용 웨이퍼이다.
특히, UWB Ga2O3 소재는 밴드갭(Bandgap)에 의한 내 항복전압 특성에 의해 같은 항복전압을 가지기 위해서 박막의 두께를 대략 1/3 정도로 얇게 성장할 수 있을 뿐만 아니라, 고온 성장이 아니므로 이에 따른 비용이 절감될 수 있다.
Ga2O3 에피 기술은 β-Ga2O3 기판 위에 동종의β-Ga2O3 단결정층을 성장하거나, 사파이어 등 이종기판 위에 α-Ga2O3 단결정층을 성장하는 기술로, 고품위의 단결정층을 얻기 위한 기술과 n 타입(n-type) 특성을 얻기 위한 도핑 기술을 포함한다.
Ga2O3 물질은 가장 안정한 형태인 β-Ga2O3를 기본으로 하고, 그 외에 4 종류(α, γ, δ, ε)의 상으로 존재한다.
β-Ga2O3는 고온영역에서 가장 안정한 구조로 잉곳 성장이 용이하고, α-Ga2O3 상은 500℃ 이하의 저온 영역에서 상대적으로 안정한 구조이며, 나머지 상은 모두 준안정(meta-stable) 구조로 불안정한 상태로 존재한다.
β-Ga2O3 물질은 대략 4.8 ~ 4.9eV의 밴드갭을 가지고 있으며, 격자상수는 a = 12.124Å, b = 3.037Å, c = 5.798Å이며, α = γ = 90°, β = 103.83°의 각을 이루는 단사정계(monoclinic) 구조를 갖는다.
이러한 Ga2O3 벌크 성장의 경우, 종래의 실리콘(Si)이나 사파이어 기판을 성장하는 초크랄스키(Czochralski) 방식이 아닌 고온에서 안정된 결정면인 β-Ga2O3이 형성될 수 있는 EFG(Edge-defined film-fed growth) 방식으로 판상으로 성장된다. 이러한 EFG 방식의 경우, 벌크 성장으로부터 β-Ga2O3 이외의 다른 면을 가지는 기판을 제작하기에 어려움이 있다.
최근, 전력반도체 산업은 비약적인 발전을 거듭하면서 사회 전반에 미치는 파급 효과가 매우 큰 분야이며, 지금까지 Si이 전력반도체 산업의 주력 소자로 여러 분야에 응용되고 있다.
그러나, 오늘날 정보화 사회의 발전은 더욱 가속화되어 기존의 반도체 공정으로는 요구를 충족할 수 없으며, Si은 재료가 가지는 물리적인 한계를 드러내고 있는 실정이다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 최근에는 광역 에너지 금지 대역(Wide bandgap 또는 Ultra-wide bandgap)을 갖는 새로운 반도체 재료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0039782호(2010.04.16. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 열증착법으로 성장시킨 도핑된 갈륨산화물 나노와이어의 제조방법 및 상온에서 작동 가능한 도핑된 갈륨산화물 나노와이어 가스센서 및 그 제조방법이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 도핑층의 성장이 끝남과 동시에 질소분위기의 성장 환경 그대로 인-시츄 어닐닝(In-situ annealing)을 수행하여 성장된 에피 내 격자의 재배열(rearrangement) 효과와 동시에 도펀트 활성화 효과를 극대화시킨 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법은 (a) 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계; (b) 상기 버퍼층 상에 에피 성장으로 알파 갈륨옥사이드 박막을 성장시키면서 도핑 처리를 실시하여 도핑층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 도핑층의 형성이 종료됨과 동시에 도핑 가스 없이 N2 또는 Ar 가스 분위기에서 어닐링하는 인-시츄 어닐링(in-situ annealing)을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 기판은 상기 알파 갈륨옥사이드 박막과 이종 재질이 이용된다.
이를 위해, 상기 기판은 β-Ga2O3, 사파이어 및 에피텍셜 성장 가능한 이종 기판 중 선택된 어느 하나를 포함한다.
상기 (b) 단계에서, 상기 에피 성장은 N2 또는 Ar 가스 분위기에서 450 ~ 650℃의 소스온도 및 400 ~ 800℃의 성장온도 조건으로 실시하는 것이 바람직하다.
상기 (b) 단계에서, 상기 도핑 온도는 400 ~ 800℃인 것이 바람직하다.
상기 도핑 처리는 SiH4 2,000ppm 가스를 이용하여 1 ~ 20sccm을 공급하는 것이 바람직하다. 여기서, 주입되는 가스양은 준비된 가스의 농도에 따라 다르게 적용될 수 있으며, 설계된 리액터의 크기와 구조에 따라 상이할 수 있다.
아울러, 상기 (c) 단계에서, 상기 인-시츄 어닐링은 상기 도핑 처리와 동일한 N2 또는 Ar 가스 분위기에서, 400 ~ 800℃ 조건으로 1 ~ 30분 동안 실시한다.
상기 (c) 단계 이후, 상기 알파 갈륨옥사이드 박막은 3 ~ 50 cm2/V·s의 캐리어 이동도를 갖는다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 실시예에 따른 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법은 (a) 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계; (b) 상기 버퍼층 상에 에피 성장으로 알파 갈륨옥사이드 박막을 1차 성장하는 단계; (c) 상기 1차 성장된 알파 갈륨옥사이드 박막을 2차 성장하면서 도핑 처리를 실시하여 도핑층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 도핑층의 형성이 종료됨과 동시에 도핑 가스 없이 N2 또는 Ar 가스 분위기에서 어닐링하는 인-시츄 어닐링(in-situ annealing)을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (b) 단계에서, 상기 에피 성장은 N2 또는 Ar 가스 분위기에서 450 ~ 650℃의 소스온도 및 400 ~ 800℃의 성장온도 조건으로 실시한다.
상기 (c) 단계에서, 상기 도핑 처리는 도핑되지 않은 알파 갈륨옥사이드 박막의 성장 조건과 동일한 조건에서 도핑 가스를 공급한다.
따라서, 상기 도핑 온도는 400 ~ 800℃인 것이 바람직하다.
상기 도핑 처리는 SiH4 2,000ppm 가스를 이용하여 1 ~ 20sccm을 공급하는 것이 바람직하다. 여기서, 주입되는 가스양은 준비된 가스의 농도에 따라 다르게 적용될 수 있으며, 설계된 리액터의 크기와 구조에 따라 상이할 수 있다.
아울러, 상기 (d) 단계에서, 상기 인-시츄 어닐링은 상기 도핑 처리와 동일한 N2 또는 Ar 가스 분위기에서, 400 ~ 800℃ 조건으로 1 ~ 30분 동안 실시한다.
상기 (d) 단계 이후, 상기 알파 갈륨옥사이드 박막은 3 ~ 50 cm2/V·s의 캐리어 이동도를 갖는다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 실시예의 변형예에 따른 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법은 (a) 알파 갈륨옥사이드 박막과 이종 재질의 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계; (b) 상기 버퍼층 상에 400 ~ 800℃의 성장온도 조건으로 에피 성장시켜 알파 갈륨옥사이드 박막을 1차 성장하는 단계; (c) 상기 1차 성장된 알파 갈륨옥사이드 박막을 2차 성장하면서, N2 가스 분위기에서 400 ~ 800℃의 도핑온도 조건으로 도핑 처리를 실시하여 도핑층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 도핑층의 형성이 종료됨과 동시에 도핑 가스 없이 N2 또는 Ar 가스 분위기에서 400 ~ 800℃ 조건으로 1 ~ 30분 동안 인-시츄 어닐링(in-situ annealing)을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (c) 단계에서, 상기 도핑 처리는 SiH4 2,000ppm 가스를 이용하여 1 ~ 20sccm을 공급한다.
상기 (d) 단계 이후, 상기 알파 갈륨옥사이드 박막은 3 ~ 50 cm2/V·s의 캐리어 이동도를 갖는다.
본 발명에 따른 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법은 도핑층의 성장이 끝남과 동시에 질소분위기의 성장 환경 그대로 인-시츄 어닐링(In-situ annealing)을 수행하여 성장된 에피 내 격자의 재배열(rearrangement) 효과와 동시에 도펀트 활성화 효과를 극대화시킬 수 있다.
이 결과, 본 발명에 따른 방법으로 제조되는 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막은 인-시츄 어닐링 이후 박막의 표면에 변화 없이 성장시의 컨디션(condition) 그대로 유지될 수 있으므로, 캐리어 이동도 및 농도가 불안정해지는 문제를 미연에 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 방법으로 제조되는 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막은 3 ~ 50 cm2/V·s의 캐리어 이동도를 갖는다.
아울러, 본 발명에 따른 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법은 에피 성장으로 알파 갈륨옥사이드 박막을 성장시킴과 동시에 도핑가스를 흘려주어 도핑 처리를 실시하고 이어서 인-시츄 어닐링하여 안정적인 n-형 갈륨옥사이드를 형성시켜, 공정이 간소화될 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 방법으로 제조된 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 구조를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 방법으로 제조된 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 구조를 나타낸 단면도.
도 5는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 알파 갈륨옥사이드 박막을 촬영하여 나타낸 OM 및 실측 사진.
도 6은 실시예 2 ~ 4 및 비교예 3에 따라 제조된 알파 갈륨옥사이드 박막을 촬영하여 나타낸 OM 및 실측 사진.
도 7은 실시예 2에 따라 제조된 알파 갈륨옥사이드 박막의 전류-전압 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 8은 실시예 3에 따라 제조된 알파 갈륨옥사이드 박막의 전류-전압 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 9는 실시예 4에 따라 제조된 알파 갈륨옥사이드 박막의 전류-전압 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 10은 실시예 5에 따라 제조된 알파 갈륨옥사이드 박막의 전류-전압 측정 결과를 나타낸 그래프.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 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 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
(제1 실시예)
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 방법으로 제조된 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법은 버퍼층 형성 단계(S110), 에피 성장 및 도핑 단계(S120) 및 인-시츄 어닐링 단계(S130)를 포함한다.
버퍼층 형성
버퍼층 형성 단계(S110)에서는 기판(110) 상에 버퍼층(120)을 형성한다.
여기서, 기판(110)으로는 알파 갈륨옥사이드 박막과 이종 재질이 이용되는 것이 바람직하다.
이를 위해, 기판(110)은 β-Ga2O3, 사파이어 및 에피텍셜 성장 가능한 이종 기판 중 선택된 어느 하나를 포함할 수 있으며, 이 중 사파이어를 이용하는 것이 보다 바람직하다.
이때, 버퍼층(120)은 에칭 처리된 기판(110) 상에 형성될 수 있다. 에칭은 300 ~ 700℃의 에칭온도에서 5 ~ 15분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 에칭온도가 300℃ 미만이거나, 또는 에칭시간이 5분 미만으로 실시될 경우, 표면 특성 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 에칭온도가 700℃를 초과하거나, 에칭시간이 15분을 초과할 시에는 더 이상의 효과 상승 없이 제조 비용만을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
본 단계에서, 버퍼층(120)은 에칭된 기판(110) 상에 GaCl을 증착하는 것에 의해 형성될 수 있다. 즉, 에칭된 기판(110) 상에 갈륨소스를 HCl에 노출시키는 반응으로 GaCl을 400 ~ 700℃ 조건으로 5 ~ 10분 동안 증착하여 버퍼층(120)을 형성하게 된다. 여기서, 갈륨소스와 HCl은 온도에 따라서 GaCl 및 GaCl3를 발생하게 되므로 소스온도를 적절하게 유지시켜 주어야 한다. 또한, GaCl를 이용한 버퍼층 증착은 이후 갈륨옥사이드 박막 형성에서 핵생성을 위한 공정이므로 박막의 결정질에 상당하게 미치는 요인 중 하나이다.
에피 성장 및 도핑
에피 성장 및 도핑 단계(S120)에서는 버퍼층(120) 상에 에피 성장으로 알파 갈륨옥사이드 박막을 성장시키면서 도핑 처리를 실시하여 도핑층(130)을 형성한다.
이와 같이, 본 단계에서는 에피 성장으로 알파 갈륨옥사이드 박막을 성장시킴과 동시에 도핑가스를 흘려주어 도핑 처리를 실시하는 방식으로 도핑층(130)이 형성되므로, 공정이 간소화될 수 있게 된다.
여기서, 도핑층(130)은 Si-doped α-Ga2O3 박막일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 단계에서, 에피 성장은 N2 또는 Ar 가스 분위기에서 450 ~ 650℃의 소스온도 및 400 ~ 800℃의 성장온도 조건으로 실시하는 것이 바람직하다.
본 단계에서, 성장 시, GaCl 1 ~ 50sccm 및 O2 100 ~ 400sccm 조건으로 증착 가스를 공급하는 것이 바람직하다. 여기서, 증착 가스를 흘려주는 조건은 장비의 메인 챔버의 용량에 따라 차이가 있을 수 있으며, VI/Ⅲ 비율은 2 ~ 1,000까지 변화시켜 적용할 수 있다.
GaCl의 유량이 1sccm 미만일 경우에는 GaCl의 유량이 적어 성장률이 낮아지는 관계로 생산 수율을 저하시키는 문제가 있다. 반대로, GaCl의 유량이 50sccm을 초과할 경우에는 표면 특성이 나빠지고 입자가 커져 Si-doped α-Ga2O3 박막(130) 두께가 과도하게 증가될 우려가 있다.
또한, O2의 유량이 100sccm 미만일 경우에는 O2의 유량이 적어 성장률이 낮아지는 관계로 생산 수율을 저하시키는 문제가 있다. 반대로, O2의 유량이 400sccm을 초과할 경우에는 표면 특성이 나빠지고 입자가 커져 Si-doped α-Ga2O3 박막(130) 두께를 과도하게 증가시킬 우려가 있다.
또한, 본 단계에서, 소스온도가 450℃ 미만일 경우에는 낮은 온도로 인하여 성장률이 낮아지는 문제가 있다. 반대로, 소스 온도가 650℃를 초과할 경우에는 표면 특성이 나빠지고 입자가 커져 Si-doped α-Ga2O3 박막(130) 두께가 과도하게 증가하는 문제가 있다.
또한, 성장온도가 400℃ 미만일 경우에는 낮은 온도로 인하여 성장률이 낮아지는 문제가 있다. 반대로, 성장온도가 800℃를 초과할 경우에는 성장률은 증가하나, 과도한 성장 온도로 인하여 표면 특성이 저하되는 문제가 있다.
본 단계에서, 압력은 상압 조건으로 일정하게 유지시킨 상태로 실시하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 도핑층 성장은 에피 성장과 동시에 도핑가스를 흘려주는 방식으로 실시된다. 따라서, 도핑온도는 400 ~ 800℃인 것이 바람직하다. 이러한 도핑 처리시 n 타입의 불순물이 도핑될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 예로, n 타입의 분술물 도핑을 위해, 도핑 가스는 SiH4 2,000ppm 가스를 이용하여 1 ~ 20sccm을 공급하는 것이 보다 바람직하다. 여기서, 주입되는 가스량은 준비된 가스의 농도에 따라 다르게 적용될 수 있다. 즉, HVPE 장비의 반응 리액터에 따라 가스 농도 및 가스량은 달라질 수 있다.
인-시츄 어닐링
인-시츄 어닐링 단계(S130)에서는 도핑층(130)의 형성이 종료됨과 동시에 도핑 가스 없이 N2 또는 Ar 가스 분위기에서 어닐링하는 인-시츄 어닐링(in-situ annealing)을 수행한다.
일반적인 어닐링 공정은 도펀트 활성화를 위해 도핑층이 형성된 알파 갈륨옥사이드 박막을 상온으로 빼내어 퍼니스 내에서 열처리하는 방식으로 수행하고 있다.
그러나, 도펀트 활성화를 위해 일반적인 어닐링 공정을 적용할 시에는 도펀트(dopant) 활성화 효과가 미미하여 도핑층이 형성된 알파 갈륨옥사이드 박막의 캐리어 농도 및 캐리어 이동도가 불안정해질 수 있다.
즉, 대략 800℃ 이하, 보다 구체적으로는 500℃ 이하의 온도에서 성장되는 α-Ga2O3 박막의 경우에는 에피 성장 이후, 상온으로 빼낸 다음 퍼니스의 내부로 투입하여 일반적인 어닐링 공정이나 급속 열처리(RTA) 공정으로 성장온도를 초과하는 온도로 높여 일정시간 동안 노출되더라도 박막 표면에서 결함이 발생하고, 800℃ 이하, 보다 구체적으로는 500℃ 이하의 온도로는 결함 감소 효과 등을 기대하기 어려울 뿐만 아니라, 활성화 에너지가 충분하지 않아 도펀트 활성화 효과가 반감될 수 있다.
이러한 문제를 미연에 방지하기 위해, 본 발명에서는 도핑층(130)의 성장이 끝남과 동시에 도핑 처리와 동일한 질소분위기의 성장 환경 그대로 인-시츄 어닐링(In-situ annealing)을 수행하는 것에 의해, 성장된 에피 내 격자의 재배열(rearrangement) 효과와 동시에 도펀트 활성화 효과를 극대화시켰다.
이를 위해, 인-시츄 어닐링은 도핑 처리와 동일한 N2 또는 Ar 가스 분위기에서, 성장온도와 동일한 온도 조건인 400 ~ 800℃에서 1 ~ 30분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 여기서, 성장되는 두께와 도핑양에 따라 인-시츄 어닐링 시간은 다르게 적용될 수 있다.
인-시츄 어닐링 처리 온도가 400℃ 미만이거나, 인-시츄 어닐링 처리 시간이 1분 미만일 경우에는 도펀트 활성화 효과를 제대로 발휘하기 어렵다. 반대로, 인-시츄 어닐링 처리 온도가 800℃를 초과거나, 인-시츄 어닐링 처리 시간이 30분을 초과할 경우에는 박막 표면에 결함이 발생할 수 있으며, 인-시츄 어닐링 처리 온도 및 시간이 증가하였음에도 불구하고 오히려 캐리어 이동도(carrier concentration) 및 캐리어 이동도(carrier mobility)가 낮아지는 문제가 있다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법은 도핑층의 성장이 끝남과 동시에 N2 또는 Ar 가스 분위기의 성장 환경 그대로 인-시츄 어닐링(In-situ annealing)을 수행하여 성장된 에피 내 격자의 재배열(rearrangement) 효과와 동시에 도펀트 활성화 효과를 극대화시킬 수 있다.
이 결과, 본 발명의 제1 실시예에 따른 방법으로 제조되는 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막은 인-시츄 어닐링 이후 박막의 표면에 변화 없이 성장시의 컨디션(condition) 그대로 유지될 수 있으므로, 캐리어 이동도 및 농도가 불안정해지는 문제를 미연에 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막은 3 ~ 50 cm2/V·s의 캐리어 이동도를 갖는다.
아울러, 본 발명의 제1 실시예에 따른 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법은 에피 성장으로 알파 갈륨옥사이드 박막을 성장시킴과 동시에 도핑가스를 흘려주어 도핑 처리를 실시하고 이어서 인-시츄 어닐링하여 안정적인 n-형 갈륨옥사이드를 형성시켜, 공정이 간소화될 수 있게 된다.
(제2 실시예)
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 방법으로 제조된 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법은 버퍼층 형성 단계(S110), 1차 성장 단계(S120), 2차 성장 단계(S130) 및 인-시츄 어닐링 단계(S140)를 포함한다.
버퍼층 형성
버퍼층 형성 단계(S210)에서는 기판(210) 상에 버퍼층(220)을 형성한다.
여기서, 기판(210)으로는 알파 갈륨옥사이드 박막과 이종 재질이 이용되는 것이 바람직하다.
*이를 위해, 기판(210)은 β-Ga2O3, 사파이어 및 에피텍셜 성장 가능한 이종 기판 중 선택된 어느 하나를 포함할 수 있으며, 이 중 사파이어를 이용하는 것이 보다 바람직하다.
이때, 버퍼층(220)은 에칭 처리된 기판(210) 상에 형성될 수 있다. 에칭은 300 ~ 700℃의 에칭온도에서 5 ~ 15분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 에칭온도가 300℃ 미만이거나, 또는 에칭시간이 5분 미만으로 실시될 경우, 표면 특성 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 에칭온도가 700℃를 초과하거나, 에칭시간이 15분을 초과할 시에는 더 이상의 효과 상승 없이 제조 비용만을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
본 단계에서, 버퍼층(220)은 에칭된 기판(210) 상에 GaCl을 증착하는 것에 의해 형성될 수 있다. 즉, 에칭된 기판(210) 상에 갈륨소스를 HCl에 노출시키는 반응으로 GaCl을 400 ~ 700℃ 조건으로 5 ~ 10분 동안 증착하여 버퍼층(220)을 형성하게 된다. 여기서, 갈륨소스와 HCl은 온도에 따라서 GaCl 및 GaCl3를 발생하게 되므로 소스온도를 적절하게 유지시켜 주어야 한다. 또한, GaCl를 이용한 버퍼층 증착은 이후 갈륨옥사이드 박막 형성에서 핵생성을 위한 공정이므로 박막의 결정질에 상당하게 미치는 요인 중 하나이다.
1차 성장
1차 성장 단계(S220)에서는 버퍼층(220) 상에 에피 성장으로 알파 갈륨옥사이드 박막(230)을 1차 성장한다.
이와 같이, 본 발명의 제2 실시예에서는 1차 성장 시, 도핑 처리를 실시하지 않게 된다. 이에 따라, 도핑되지 않은 알파 갈륨옥사이드 박막(230)은 un-dopedα-Ga2O3 박막, 즉 순수한 α-Ga2O3 박막일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 단계에서, 에피 성장은 N2 또는 Ar 가스 분위기에서 450 ~ 650℃의 소스온도 및 400 ~ 800℃의 성장온도 조건으로 실시하는 것이 바람직하다.
본 단계에서, 성장 시, GaCl 1 ~ 50sccm 및 O2 100 ~ 400sccm 조건으로 증착 가스를 공급하는 것이 바람직하다. 여기서, 증착 가스를 흘려주는 조건은 장비의 메인 챔버의 용량에 따라 차이가 있을 수 있으며, VI/Ⅲ 비율은 2 ~ 1,000까지 변화시켜 적용할 수 있다.
GaCl의 유량이 1sccm 미만일 경우에는 GaCl의 유량이 적어 성장률이 낮아지는 관계로 생산 수율을 저하시키는 문제가 있다. 반대로, GaCl의 유량이 50sccm을 초과할 경우에는 표면 특성이 나빠지고 입자가 커져 알파 갈륨옥사이드 박막(230) 두께가 과도하게 증가될 우려가 있다.
또한, O2의 유량이 100sccm 미만일 경우에는 O2의 유량이 적어 성장률이 낮아지는 관계로 생산 수율을 저하시키는 문제가 있다. 반대로, O2의 유량이 400sccm을 초과할 경우에는 표면 특성이 나빠지고 입자가 커져 알파 갈륨옥사이드 박막(230) 두께를 과도하게 증가시킬 우려가 있다.
또한, 본 단계에서, 소스온도가 450℃ 미만일 경우에는 낮은 온도로 인하여 성장률이 낮아지는 문제가 있다. 반대로, 소스 온도가 650℃를 초과할 경우에는 표면 특성이 나빠지고 입자가 커져 알파 갈륨옥사이드 박막(230) 두께가 과도하게 증가하는 문제가 있다.
또한, 성장온도가 400℃ 미만일 경우에는 낮은 온도로 인하여 성장률이 낮아지는 문제가 있다. 반대로, 성장온도가 800℃를 초과할 경우에는 성장률은 증가하나, 과도한 성장 온도로 인하여 표면 특성이 저하되는 문제가 있다.
본 단계에서, 압력은 상압 조건으로 일정하게 유지시킨 상태로 실시하는 것이 바람직하다.
2차 성장
2차 성장 단계(S230)에서는 1차 성장된 알파 갈륨옥사이드 박막(230)을 2차 성장하면서 도핑 처리를 실시하여 도핑층(240)을 형성한다.
본 단계에서, 도핑 처리는 도핑되지 않은 알파 갈륨옥사이드 박막(230)의 성장 조건과 동일한 조건에서 도핑 가스를 공급하는 것이 바람직하다. 즉, 도핑처리는 도핑되지 않은 알파 갈륨옥사이드 박막(230)의 성장조건과 동일한 N2 가스 분위기에서 400 ~ 800℃의 도핑온도 조건으로 실시하는 것이 바람직하다.
여기서, 도핑층(240)은 Si-doped α-Ga2O3 박막일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이러한 도핑 처리시 n 타입의 불순물이 도핑될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 예로, n 타입의 분술물 도핑을 위해, 도핑 가스는 SiH4 2,000ppm 가스를 이용하여 1 ~ 20sccm을 공급하는 것이 보다 바람직하다. 여기서, 주입되는 가스량은 준비된 가스의 농도에 따라 다르게 적용될 수 있다. 즉, HVPE 장비의 반응 리액터에 따라 가스 농도 및 가스량은 달라질 수 있다.
인-시츄 어닐링
인-시츄 어닐링 단계(S240)에서는 도핑층(240)의 형성이 종료됨과 동시에 도핑 처리와 동일한 N2 또는 Ar 가스 분위기에서 어닐링하는 인-시츄 어닐링(in-situ annealing)을 수행한다.
이와 같이, 본 발명의 제2 실시예에서는 도핑층(240)을 형성하기 전 un-doped(unintentionally-doped layer) α-Ga2O3 박막을 먼저 성장하고, 도핑층(240)인 Si-doped α-Ga2O3 박막을 이어서 재 성장시킨 후, 도핑층(240)의 형성이 끝남과 동시에 인-시츄 어닐링을 수행함으로써, 결함 감소에 의한 캐리어 이동도(carrier mobility)는 보다 더 향상시킬 수 있으면서 낮은 레벨의 캐리어 농도(carrier concentration)를 구현하는 것이 가능해질 수 있다.
일반적인 어닐링 공정은 도펀트 활성화를 위해 도핑층이 형성된 알파 갈륨옥사이드 박막을 상온으로 빼내어 퍼니스 내에서 열처리하는 방식으로 수행하고 있다.
그러나, 도펀트 활성화를 위해 일반적인 어닐링 공정을 적용할 시에는 도펀트(dopant) 활성화 효과가 미미하여 도핑층이 형성된 알파 갈륨옥사이드 박막의 캐리어 농도 및 캐리어 이동도가 불안정해질 수 있다.
즉, 대략 800℃ 이하, 보다 구체적으로는 500℃ 이하의 온도에서 성장되는 α-Ga2O3 박막의 경우에는 에피 성장 이후, 상온으로 빼낸 다음 퍼니스의 내부로 투입하여 일반적인 어닐링 공정이나 급속 열처리(RTA) 공정으로 성장온도를 초과하는 온도로 높여 일정시간 동안 노출되더라도 박막 표면에서 결함이 발생하고, 800℃ 이하, 보다 구체적으로는 500℃ 이하의 온도로는 결함 감소 효과 등을 기대하기 어려울 뿐만 아니라, 활성화 에너지가 충분하지 않아 도펀트 활성화 효과가 반감될 수 있다.
이러한 문제를 미연에 방지하기 위해, 본 발명에서는 도핑층(240)의 성장이 끝남과 동시에 도핑 처리와 동일한 N2 또는 Ar 가스 분위기의 성장 환경 그대로 인-시츄 어닐링(In-situ annealing)을 수행하는 것에 의해, 성장된 에피 내 격자의 재배열(rearrangement) 효과와 동시에 도펀트 활성화 효과를 극대화시켰다.
이를 위해, 인-시츄 어닐링은 도핑 처리와 동일한 N2 또는 Ar 가스 분위기에서, 성장온도와 동일한 온도 조건인 400 ~ 800℃에서 1 ~ 30분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 여기서, 성장되는 두께와 도핑양에 따라 인-시츄 어닐링 시간은 다르게 적용될 수 있다.
인-시츄 어닐링 처리 온도가 400℃ 미만이거나, 인-시츄 어닐링 처리 시간이 1분 미만일 경우에는 도펀트 활성화 효과를 제대로 발휘하기 어렵다. 반대로, 인-시츄 어닐링 처리 온도가 800℃를 초과거나, 인-시츄 어닐링 처리 시간이 30분을 초과할 경우에는 박막 표면에 결함이 발생할 수 있으며, 인-시츄 어닐링 처리 온도 및 시간이 증가하였음에도 불구하고 오히려 캐리어 농도(carrier concentration) 및 캐리어 이동도(carrier mobility)가 낮아지는 문제가 있다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법은 도핑층을 형성하기 전 un-doped(unintentionally-doped layer) α-Ga2O3 박막을 먼저 성장하고, 도핑층인 Si-doped α-Ga2O3 박막을 이어서 재 성장시킨 후, 도핑층의 형성이 끝남과 동시에 인-시츄 어닐링을 수행함으로써, 결함 감소에 의한 캐리어 이동도는 보다 더 향상시킬 수 있으면서 낮은 레벨의 캐리어 농도(carrier concentration)를 구현하는 것이 가능해질 수 있다.
따라서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법은 도핑층의 성장이 끝남과 동시에 질소분위기의 성장 환경 그대로 인-시츄 어닐링(In-situ annealing)을 수행하여 성장된 에피 내 격자의 재배열(rearrangement) 효과와 동시에 도펀트 활성화 효과를 극대화시킬 수 있다.
이 결과, 본 발명의 제2 실시예에 따른 방법으로 제조되는 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막은 인-시츄 어닐링 이후 박막의 표면에 변화 없이 성장시의 컨디션(condition) 그대로 유지될 수 있으므로, 캐리어 이동도 및 농도가 불안정해지는 문제를 미연에 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 방법으로 제조되는 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막은 3 ~ 50 cm2/V·s의 캐리어 이동도를 갖는다.
상술한 본 발명의 실시예에서는 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법에 대하여 설명하였으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 실시예는 알파 갈륨옥사이드 박막 제조 방법 뿐만아니라, 베타 갈륨옥사이드 박막 제조 방법에도 도펀트 활성화 기술이 동일하게 적용될 수 있으며, 이 경우 베타 갈륨옥사이드 박막과 동종 재질의 기판에 에피 성장으로 베타 갈륨옥사이드 박막을 형성하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 알파 갈륨옥사이드 박막 제조
실시예 1
사파이어 기판의 표면을 400℃의 에칭온도에서 10분 동안 에칭한 후, 갈륨소스를 HCl에 노출시키는 반응으로 GaCl을 7분 동안 증착하여 버퍼층을 형성하였다.
다음으로, 버퍼층이 형성된 기판을 N2 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 470℃의 소스온도 및 470℃의 성장온도 조건과 HCl 10sccm 및 O2 200sccm 조건으로 증착 가스를 공급함과 동시에 도핑을 위해 SiH4 10sccm을 공급한 상태에서 10분 동안 성장시켜 Si-doped α-Ga2O3 박막(도핑층)을 형성하였다.
다음으로, 도핑층 형성이 종료됨과 동시에 도핑 처리와 동일한 N2 가스 분위기에서 성장온도와 동일한 온도 조건으로 20분 동안 인-시츄 어닐링(in-situ annealing)을 수행하였다.
실시예 2
도핑 처리시, SiH4 5sccm을 공급한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알파 갈륨옥사이드 박막을 제조하였다.
실시예 3
인-시츄 어닐링시, 20분 동안 실시한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 알파 갈륨옥사이드 박막을 제조하였다.
실시예 4
인-시츄 어닐링시, 30분 동안 실시한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 알파 갈륨옥사이드 박막을 제조하였다.
실시예 5
사파이어 기판의 표면을 400℃의 에칭온도에서 10분 동안 에칭한 후, 갈륨소스를 HCl에 노출시키는 반응으로 GaCl을 7분 동안 증착하여 버퍼층을 형성하였다.
다음으로, 버퍼층이 형성된 기판을 N2 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 470℃의 소스온도 및 470℃의 성장온도 조건과 HCl 10sccm 및 O2 200sccm 조건으로 증착 가스를 공급하여 α-Ga2O3 박막(un-doped α-Ga2O3 박막)을 형성하였다.
다음으로, 도핑층 성장을 위해 α-Ga2O3 박막 성장 조건과 동일하게 성장함과 동시에 도핑을 위해 SiH4 10sccm을 공급한 상태에서 10분 동안 성장시켜 Si-doped α-Ga2O3 박막(도핑층)을 형성하였다.
다음으로, 도핑층 형성이 종료됨과 동시에 도핑 처리와 동일한 N2 가스 분위기에서 성장온도와 동일한 온도 조건으로 20분 동안 인-시츄 어닐링(in-situ annealing)을 수행하였다.
비교예 1
사파이어 기판의 표면을 400℃의 에칭온도에서 10분 동안 에칭한 후, 갈륨소스를 HCl에 노출시키는 반응으로 GaCl을 7분 동안 증착하여 버퍼층을 형성하였다.
다음으로, 버퍼층이 형성된 기판을 N2 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 470℃의 소스온도 및 470℃의 성장온도 조건과 HCl 10sccm 및 O2 200sccm 조건으로 증착 가스를 공급함과 동시에 도핑을 위해 SiH4 10sccm을 공급한 상태에서 10분 동안 성장시켜 Si-doped α-Ga2O3 박막(도핑층)을 제조하였다.
다음으로, 도핑층이 형성된 α-Ga2O3 박막을 자연 냉각 방식으로 상온(15℃)까지 냉각하였다.
비교예 2
사파이어 기판의 표면을 400℃의 에칭온도에서 10분 동안 에칭한 후, 갈륨소스를 HCl에 노출시키는 반응으로 GaCl을 7분 동안 증착하여 버퍼층을 형성하였다.
다음으로, 버퍼층이 형성된 기판을 N2 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 470℃의 소스온도 및 470℃의 성장온도 조건과 HCl 10sccm 및 O2 200sccm 조건으로 증착 가스를 공급함과 동시에 도핑을 위해 SiH4 10sccm을 공급한 상태에서 10분 동안 성장시켜 Si-doped α-Ga2O3 박막(도핑층)을 형성하였다.
다음으로, 도핑층이 형성된 기판을 꺼낸 후, 일반적인 열처리 장치에 투입한 상태에서 470℃ 조건으로 20분 동안 어닐링을 수행하였다.
비교예 3
사파이어 기판의 표면을 400℃의 에칭온도에서 10분 동안 에칭한 후, 갈륨소스를 HCl에 노출시키는 반응으로 GaCl을 7분 동안 증착하여 버퍼층을 형성하였다.
다음으로, 버퍼층이 형성된 기판을 N2 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 470℃의 소스온도 및 470℃의 성장온도 조건과 HCl 10sccm 및 O2 200sccm 조건으로 증착 가스를 공급함과 동시에 도핑을 위해 SiH4 10sccm을 공급한 상태에서 10분 동안 성장시켜 Si-doped α-Ga2O3 박막을 형성하였다.
다음으로, Si-doped α-Ga2O3 박막을 상온(15℃)으로 빼내어 급속 열처리 노로 이송시킨 후, 10℃/sec의 속도로 750℃까지 승온시킨 후 750℃에서 10분 동안 급속 열처리를 수행하였다.
2. 물성 평가
표 1은 비교예 1에 따라 제조된 알파 갈륨옥사이드 박막의 전기적 특성 평가 결과를 나타낸 것이고, 표 2는 실시예 1에 따라 제조된 알파 갈륨옥사이드 박막의 전기적 특성 평가 결과를 나타낸 것이다. 또한, 도 5는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 알파 갈륨옥사이드 박막을 촬영하여 나타낸 OM 및 실측 사진이다.
[표 1]
Figure 112020130241210-pat00001
[표 2]
Figure 112020130241210-pat00002
표 1 및 표 2에 도시된 바와 같이, 실시예 1과 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 알파 갈륨옥사이드 박막의 경우, 인-시츄 어닐링(In-situ annealing)의 수행 여부를 제외하고는 실질적으로 동일한 성장 조건으로 성장되었음에도 불구하고, 전기적 특성을 비교해 보았을 때, 안정성에서 확연한 차이가 나타나는 것을 확인하였다.
즉, 인-시츄 어닐링(In-situ annealing)을 수행하지 않은 비교예 1의 경우, 전기적 특성에 대한 측정 값의 신뢰도가 낮은 것을 확인할 수 있다.
반면, 도핑층 형성이 종료됨과 동시에 N2 가스 분위기 그대로 인-시츄 어닐링(in-situ annealing)을 수행한 실시예 1의 경우에는 전기적 특성에 대한 큰 변화가 없어 측정 값의 신뢰도가 높다는 것을 확인하였다.
아울러, 도 5에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따라 제조된 알파 갈륨옥사이드는 인-시츄 어닐링(In-situ annealing) 이후에 표면 변화 없이 성장시의 컨디션(condition )이 그대로 유지되고 있는 것을 확인할 수 있다.
반면, 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 알파 갈륨옥사이드는 표면에 다량의 결함이 발생한 것을 확인할 수 있다.
위의 실험 결과로부터 알 수 있듯이, 도펀트(dopant) 활성화를 위해 사용되는 일반적인 어닐링 공정이나 급속 열처리(RTA) 공정으로는 전기적 특성이 안정적이지 못한 문제점이 있으나, 도핑층 형성이 종료됨과 동시에 N2 가스 분위기 그대로 인-시츄 어닐링(in-situ annealing)을 수행할 시 안정적인 결과값을 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.
이는, 도핑층 형성이 종료됨과 동시에 N2 가스 분위기 그대로 인-시츄 어닐링(in-situ annealing)을 수행할 시 성장된 에피 내 격자의 재배열(rearrangement) 효과와 더불어, 도펀트(dopant) 활성화 효과를 극대화시키기 때문인 것으로 판단된다.
도 6은 실시예 2 ~ 4 및 비교예 3에 따라 제조된 알파 갈륨옥사이드 박막을 촬영하여 나타낸 OM 및 실측 사진이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 실시예 2 ~ 4 및 비교예 3에 따라 제조된 알파 갈륨옥사이드에 대한 인-시츄 어닐링(In-situ annealing)의 효과를 좀 더 상세히 알아보기 위해서, 도핑 처리 시, SiH4 5sccm을 공급하면서 인-시츄 어닐링 처리 시간을 세분화하여 각각의 효과를 비교한 것이다.
OM 및 실측 사진을 관찬한 결과, 인-시츄 어닐링을 10분, 15분 및 20분으로 각각 수행한 실시예 2 ~ 4에 따라 제조된 알파 갈륨옥사이드 박막은, 비교예 3에 따라 제조된 알파 갈륨옥사이드 박막과 비교해 볼 때, 박막의 표면에서 전혀 변화가 일어나지 않았다.
한편, 표 3은 실시예 2 ~ 5에 따라 제조된 알파 갈륨옥사이드 박막의 전기적 특성 평가 결과를 나타낸 것이다. 또한, 도 7는 실시예 2에 따라 제조된 알파 갈륨옥사이드 박막의 전류-전압 측정 결과를 나타낸 그래프이고, 도 8은 실시예 3에 따라 제조된 알파 갈륨옥사이드 박막의 전류-전압 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 또한, 도 9는 실시예 4에 따라 제조된 알파 갈륨옥사이드 박막의 전류-전압 측정 결과를 나타낸 그래프이고, 도 10은 실시예 5에 따라 제조된 알파 갈륨옥사이드 박막의 전류-전압 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
[표 3]
*
Figure 112020130241210-pat00003
표 3과 도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 인-시츄 어닐링을 10분, 15분 및 20분 동안 수행한 실시예 2 ~ 5에 따라 제조된 알파 갈륨옥사이드 박막은 인-시츄 어닐링 처리 시간이 증가함에 따라 캐리어 이동도(carrier concentration) 및 캐리어 이동도(carrier mobility)가 낮아지는 것을 확인하였다.
아울러, 전류-전압 측정 결과에서, 인-시츄 어닐링을 10분 동안 수행한 실시예 5에 따라 제조된 알파 갈륨옥사이드 박막이 가장 안정적인 커브를 나타내고 있는 것을 확인할 수 있다.
이는 도펀트(dopant) 활성화에 필요한 에너지가 10분이 가장 적절하다는 것을 의미한다. 다만, 활성화 에너지(activation energy)를 받아 에피 성장 내의 공극(vacancy)이 채워짐으로 인해 전기적 특성의 측정 시 카운트되는 공극(vacancy) 수가 감소한 것으로 판단할 수도 있다.
위의 실험 결과에서 알 수 있듯이, 인-시츄 어닐링이 도펀트(dopant) 활성화를 위한 에너지 공급에 일반적인 어닐링이나 급속 열처리(RTA) 공정보다 효과가 있으며, 결과값이 안정적임을 확인하였다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
S110 : 버퍼층 형성 단계
S120 : 에피 성장 및 도핑 단계
S130 : 인-시츄 어닐링 단계
S210 : 버퍼층 형성 단계
S220 : 1차 성장 단계
S230 : 2차 성장 단계
S240 : 인-시츄 어닐링 단계

Claims (8)

  1. (a) 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 버퍼층 상에 에피 성장으로 알파 갈륨옥사이드 박막을 성장시키면서 도핑 처리를 실시하여 도핑층을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 도핑층의 형성이 종료됨과 동시에 상온에 노출되는 것 없이 연속적으로 도핑 가스 없이 N2 또는 Ar 가스 분위기에서 어닐링하는 인-시츄 어닐링(in-situ annealing)을 수행하는 단계;를 포함하며,
    상기 (b) 단계에서, 상기 도핑 온도는 400 ~ 800℃이고, 상기 도핑 처리는 SiH4 2,000ppm 가스를 이용하여 5 ~ 20sccm을 공급하며,
    상기 (c) 단계에서, 상기 인-시츄 어닐링은 상기 도핑 처리와 동일한 N2 또는 Ar 가스 분위기에서, 400 ~ 800℃ 조건으로 1 ~ 20분 동안 실시하며,
    상기 (c) 단계 이후, 상기 알파 갈륨옥사이드 박막은 3 ~ 50 cm2/V·s의 캐리어 이동도를 갖는 것을 특징으로 하는 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은
    상기 알파 갈륨옥사이드 박막과 이종 재질이 이용되는 것을 특징으로 하는 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기판은
    β-Ga2O3, 사파이어 및 에피텍셜 성장 가능한 이종 기판 중 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 에피 성장은
    N2 또는 Ar 가스 분위기에서 450 ~ 650℃의 소스온도 및 400 ~ 800℃의 성장온도 조건으로 실시하는 것을 특징으로 하는 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법.
  5. (a) 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 버퍼층 상에 에피 성장으로 알파 갈륨옥사이드 박막을 1차 성장하는 단계;
    (c) 상기 1차 성장된 알파 갈륨옥사이드 박막을 2차 성장하면서 도핑 처리를 실시하여 도핑층을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 도핑층의 형성이 종료됨과 동시에 상온에 노출되는 것 없이 연속적으로 도핑 가스 없이 N2 또는 Ar 가스 분위기에서 어닐링하는 인-시츄 어닐링(in-situ annealing)을 수행하는 단계;를 포함하며,
    상기 (c) 단계에서, 상기 도핑 온도는 400 ~ 800℃이고, 상기 도핑 처리는 SiH4 2,000ppm 가스를 이용하여 5 ~ 20sccm을 공급하며,
    상기 (d) 단계에서, 상기 인-시츄 어닐링은 상기 도핑 처리와 동일한 N2 또는 Ar 가스 분위기에서, 400 ~ 800℃ 조건으로 1 ~ 20분 동안 실시하며,
    상기 (d) 단계 이후, 상기 알파 갈륨옥사이드 박막은 3 ~ 50 cm2/V·s의 캐리어 이동도를 갖는 것을 특징으로 하는 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 에피 성장은
    N2 또는 Ar 가스 분위기에서 450 ~ 650℃의 소스온도 및 400 ~ 800℃의 성장온도 조건으로 실시하는 것을 특징으로 하는 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 도핑 처리는
    도핑되지 않은 알파 갈륨옥사이드 박막의 성장 조건과 동일한 조건에서 도핑 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법.
  8. (a) 알파 갈륨옥사이드 박막과 이종 재질의 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 버퍼층 상에 400 ~ 800℃의 성장온도 조건으로 에피 성장시켜 알파 갈륨옥사이드 박막을 1차 성장하는 단계;
    (c) 상기 1차 성장된 알파 갈륨옥사이드 박막을 2차 성장하면서, N2 또는 Ar 가스 분위기에서 400 ~ 800℃의 도핑온도 조건으로 도핑 처리를 실시하여 도핑층을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 도핑층의 형성이 종료됨과 동시에 상온에 노출되는 것 없이 연속적으로 도핑 가스 없이 N2 또는 Ar 가스 분위기에서 400 ~ 800℃ 조건으로 1 ~ 20분 동안 인-시츄 어닐링(in-situ annealing)을 수행하는 단계;를 포함하며,
    상기 (c) 단계에서, 상기 도핑 처리는 SiH4 2,000ppm 가스를 이용하여 5 ~ 20sccm을 공급하며,
    상기 (d) 단계 이후, 상기 알파 갈륨옥사이드 박막은 3 ~ 50 cm2/V·s의 캐리어 이동도를 갖는 것을 특징으로 하는 도펀트 활성화 기술을 이용한 전력반도체용 갈륨옥사이드 박막 제조 방법.
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