KR102232546B1 - 광전자 반도체 칩 제조 방법 및 광전자 반도체 칩 - Google Patents

광전자 반도체 칩 제조 방법 및 광전자 반도체 칩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자 반도체 칩(100)을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 복수의 3차원으로 구성된 표면 구조체(12)가 편평 구역(11) 상에 있는 편평 구역(11)에 의해 형성된 성장 표면(10)을 포함하는 성장 기판(1)을 제공하는 단계와, 산소 함유 AlN으로 이루어진 핵생성 층(2)을 성장 표면(10)에 대규모로 직접 적용하는 단계와, 질화물계 반도체 층 시퀀스(3)를 핵생성 층(2) 상에서 성장시키는 단계를 포함하며, 반도체 층 시퀀스(3)는 편평 구역(11)으로부터 선택적으로 상향으로 성장된다. 또한, 본 발명은 전자 반도체 칩에 관한 것이다.

Description

광전자 반도체 칩 제조 방법 및 광전자 반도체 칩{METHOD FOR PRODUCING AN OPTOELECTRONIC SEMICONDUCTOR CHIP AND OPTOELECTRONIC SEMICONDUCTOR CHIP}
본 발명은 전자 반도체 칩 제조 방법 및 전자 반도체 칩에 관한 것이다.
본 출원은 개시 내용이 본 명세서에서 원용되는 독일 특허 출원 제10 2014 101 966.0호의 우선권을 주장한다.
본 발명의 특정 실시예에 의해 달성될 적어도 하나의 목적은 전자 반도체 칩을 효율적으로 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 특정 실시예에 의해 달성될 다른 목적은 전자 반도체 칩을 제공하는 것이다.
이들 목적은 독립항에 따른 방법 및 요지에 의해 달성된다. 본 발명의 방법 및 요지에 대한 유리한 실시예와 개선예는 종속항에 나타나 있으며, 이하의 상세한 설명과 도면으로부터 명확해진다.
전자 반도체 칩을 제조하기 위한 방법의 적어도 하나의 실시예에 따르면, 성장 기판이 제공된다. 상기 성장 기판은 후속하는 단계에서 반도체 층이 상부에 적용되는 성장 표면을 포함한다. 성장 표면은 복수의 3차원 표면 구조체가 상부에 형성되는 편평 구역에 의해 형성된다. 다시 말하면, 성장 표면은 편평 구역에 의해 형성된 2차원으로 구성된 영역, 및 표면 구조체에 의해 형성된 3차원으로 구성된 영역을 포함하는데, 이 3차원으로 구성된 영역은 편평 구역에 의해 형성된 평면으로부터 돌출하고 그리고/또는 편평 구역에 의해 형성된 평면으로부터 성장 기판 내로 돌입된다. 성장 표면의 편평 구역 상의 3차원 표면 구조체는 또한 기판으로 하여금 사전에 구조화된 기판으로서 구성되는 것을 가능케 한다.
예컨대, 표면 구조체는 편평 구역으로부터 멀어지게 연장되는 융기부에 의해 형성될 수 있다. 그런 융기부는 보다 바람직하게는 원추형이기 때문에 성장 표면을 위에서 바라볼 때 둥근 단면을 갖거나, 또는 피라미드형이기 때문에 성장 표면을 위에서 바라볼 때 삼각형, 사각형, 육각형과 같은 다각형 단면, 또는 다른 다각형 단면을 가질 수 있다.
추가적으로, 표면 구조체는 성장 기판 내로 돌입되는 그루브에 의해 또한 형성될 수 있다. 그런 그루브는 예컨대, 원추형 또는 피라미드형 그루브이기 때문에 성장 표면을 위에서 바라볼 때 둥근 단면을 갖거나, 또는 피라미드형 그루브인 경우엔 삼각형, 사각형, 육각형과 같은 다각형 단면, 또는 다른 다각형 단면을 가질 수 있다.
추가적인 실시예에 따르면, 핵생성 층이 추가적인 단계에서 성장 표면에 적용된다. 상기 핵생성 층은, 추가적인 층이 특히, 예컨대 높은 결정 품질의 질화화합물 반도체 재료로 구성된 반도체 층이 상부에 적용될 수 있는 결정면을 특히 제공하기 위한 것이다. 따라서 핵생성 층은 반도체 층 시퀀스의 제1 층이 상부에서 성장될 수 있는 표면을 제공한다.
보다 바람직하게는, 핵생성 층은 성장 표면에 대규모로 적용되는데, 이는 핵생성 층이 선택적으로 적용되는 것이 아니라 성장 표면의 편평 구역과 3차원으로 구성된 표면 구조 양자 모두 상에 적용된다는 것을 의미한다. 핵생성 층은 성장 표면에 대규모로 적용되는 나란히 배열된 복수의 포스트에 의해 또한 형성될 수 있다. 따라서 "대규모(large-scale)"라는 것은 본 출원의 관점에서 "전체에 걸쳐"를 반드시 의미하는 것은 아니다. 대규모 적용은, 편평 구역의 적어도 일부분과 표면 구조체의 일부분이 핵생성 층에 의해 덮이는 한, 본 출원의 관점에선 성장 표면의 일부분이 핵생성 층으로 덮이지 않는 경우에도 달성된다.
핵생성 층은 가능하다면 전체 성장 표면이, 즉 가능하다면 전체 편평 구역 및 표면 구조체가 핵생성 층으로 덮이는 방식으로 적용될 수 있다. 이는 예컨대 임의 방향으로의 적용 공정에 의해 또는 편평 구역에 대해 수직이거나 실질적으로 수직인 주요 방향을 따르는 적용에 의해 달성될 수 있다. 또한, 편평 구역에 대해 경사지게 배향된 적용 방향을 선택할 수도 있다. 표면 구조체의 구성 및 적용 방향에 따라, 이는 편평 구역 및/또는 평면 구조체의 부분적인 셰이딩이 달성될 수 있게 함으로써, 핵생성 층이 편평 구역과 표면 구조체에 적용되지만 편평 구역의 일부분에만 그리고/또는 표면 구조체의 일부분에만 적용될 수도 있다. 셰이딩된 영역을 갖게 되는 적용의 경우에도, 이하에서 기술될 반도체 층 시퀀스의 성장 동안의 선택성은 여전히 달성될 수 있다.
추가적인 실시예에 따르면, 반도체 층 시퀀스가 추가적인 단계에서 핵생성 층 상에서 성장된다. 상기 반도체 층 시퀀스는 적어도 하나의 반도체 층을, 바람직하게는 복수의 반도체 층을 포함한다. 반도체 층 시퀀스는 특히 MOVPE(유기금속 증기상 에피택시) 또는 MBE(분자 빔 에피택시)와 같은 에피택시 방법에 의해 성장될 수 있으며, 이에 따라 성장 기판은 핵생성 층과 함께 소위 후속적인 에피택시용 의사 기판(quasi substrate)을 형성한다. 또한, HVPE(수소화물 증기상 에피택시), LPE(액체상 에피택시) 또는 스퍼터링, 또는 반도체 층 시퀀스를 적용하기 위한 기재된 적용 공정의 조합도 가능하다.
반도체 층 시퀀스는 특히 질화물계 반도체 층 시퀀스일 수 있다. 용어 "질화물계"은 특히 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 및 x + y ≤ 1인 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체 재료 시스템 InxAlyGa1 -x- yN으로부터의 재료, 예컨대 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, AlInGaN을 포함하는 반도체 층 및 반도체 층 시퀀스를 포함한다. 반도체 층 시퀀스는 도판트 및 추가적인 성분을 포함할 수 있다. 그러나 단순함를 위해, N이 소량의 추가적인 물질에 의해 부분적으로 대체 및/또는 치환될 수 있는 경우에도 결정 격자의 필수 성분만이, 즉 Al, Ga, In 및 N이 기재된다.
추가적인 실시예에 따르면, 핵생성 층은 본 명세서에서 AlN:O 또는 AlON으로도 지칭되는 산소 함유 질화알루미늄에 의해 형성된다. 용어 AlN:O 또는 AlON은 산소가 도판트로서 존재할 수 있거나 핵생성 층에 백분율 범위로도 존재할 수 있는 핵생성 층의 조성을 포함한다. 핵생성 층의 산소 함유량은 반도체 층 시퀀스 내의 특정 결함 구조체가 달성되는 것을 가능케 하는데, 이는 반도체 층 시퀀스의 결함 밀도에 있어서의 또는 활성층에 있어서의 효율적인 감소를 가능케 한다. 후속적으로 적용된 층의, 즉 반도체 층 시퀀스의 텐셔닝도 또한 영향을 받을 수 있다. 산소가 또한 핵생성 층의 완화도에 영향을 미칠 수 있는데, 이는 후속적으로 적용된 층의 곡률 작용(curvature behavior)에 실질적으로 영향을 미칠 수 있다. 특히, 산소 함유 AlN은 핵생성 층이 적용된 반도체 층이 상부에서 성장되는 성장 표면의 표면 영역과 관련된 선택성에도 또한 영향을 미칠 수 있다.
핵생성 층 상에서의 반도체 층 시퀀스의 성장 동안의 사전에 구조화된 기판의 에피택셜 성장은 충분한 품질의 반도체 층 시퀀스를 제조하기 위해선 2차원의 편평 구역과 2차원의 편평 구역 상에 배열된 3차원으로 구성된 표면 구조체 사이에서의, 특히 융기부 또는 그루브로서 구성된 표면 구조체의 면들 사이에의 강력한 선택성이 필요하다는 것을 특히 알게 되었다. 다시 말하면, 핵생성 층 상에서의 반도체 층의 성장이 상부에서 유발되는 성장 표면의 특정 표면 영역이 선택될 필요가 있는 반면, 바람직하게는 다른 표면 영역 상에서는 성장이 유발되지 않거나 조금만 유발된다. 특히, 에피택셜하게 적용된 반도체 재료를 위한 가능한 성장 표면으로서 편평 구역과 3차원으로 구성된 표면 구조체의 표면 중에서 목표를 선택할 필요가 있다. 그런 선택성이 존재하지 않는다면, 특히 예컨대 저전류 작용 및 차단 전압과 관련된 그리고 더 낮은 광 출력과 같은 더 열악한 성능과 관련된 발광 다이오드로서 구성된 반도체 칩의 경우에 열악한 재료 품질과 수율 저감이 초래된다. 또한, 발광 다이오드로서 구성된 반도체 칩의 경우, 성장 표면 상의 표면 구조체로부터 이득을 보는 반도체 칩으로부터의 광 출력은 선택성이 존재하지 않음으로 인해 부정적으로 영향을 받게 될 수 있다. 방출된 광의 양이 기생적인 결정이 희박한 GaN 영역에서의 흡수에 의해 또한 감소될 수 있다.
사전에 구조화된 기판에서 성장 표면의 3차원 표면 구조체와 3차원 표면 구조체 사이에 위치된 편평 구역의 원활한 표면 영역 사이에서의 가능한 양호한 선택성을 달성하기 위해, 종래에는 핵생성 동안 특수한 공정 조건을 조절하는 시도가, 예컨대 GaN 핵생성의 경우 그룹 Ⅲ 성분에 대한 그룹 Ⅴ 성분의 매우 낮은 비율 및 증가된 압력을 조절하는 시도가 행해졌다. 그런 조치에도 불구하고, 종래 기술에서는 추가적인 에피택시에 있어서 상당한 에피택시가 3차원 구조체 상에서 역시나 유발되었다. 또한, 공정 윈도우가 대체로 심각하게 제한되었으며 그리고 일정한 시간 소모적인 제어가 필요하게 되었다.
산소 함유 질화알루미늄으로 구성된 핵생성 층은 반도체 층 시퀀스가 성장 표면의 편평 구역으로부터 선택적으로 성장되는 것을 가능케 하는데, 이는 반도체 층 시퀀스의 성장, 또는 반도체 층 시퀀스의 제1 층 또는 제1 층 영역의 성장이 편평 구역 상에서 선택적으로 유발된다는 것을, 즉 반도체 층 시퀀스의 형성이 편평 구역 상에서 선택적으로 개시된다는 것을 의미한다. 이는 반도체 층 시퀀스의 성장의 대부분은 편평 구역으로부터 유발되며 반도체 층 시퀀스의 성장의 적은 부분만이 3차원으로 구성된 표면 구조체로부터 유발된다는 것을 특히 의미할 수 있다. 에피택셜 변형예에서 반도체 층 시퀀스는 바람직하게는 편평 구역으로부터만 실질적으로 성장되므로, 표면 구조체 상에서는 반도체 층 시퀀스의 성장이 아주 조금만 유발되거나 전혀 유발되지 않는다. 이는 3차원으로 구성된 표면 구조체가 반도체 층 시퀀스에 의해 과성장되지 않는다는 것을 보장하는데, 즉 반도체 층 시퀀스가 상기 표면 구조체 상에서 직접 성장되는 것이 아니라 3차원으로 구성된 표면 구조체가 반도체 층 시퀀스로 실질적으로 덮인다는 것을, 따라서 상기 반도체 층 시퀀스가 편평 구역으로부터의 성장에 의해 표면 구조체를 덮는다는 것을 보장한다. 이와 관련하여 "실질적으로"이란 것은 반도체 층 시퀀스의 어떤 성장도 또는 반도체 층 시퀀스의 근소한 부분의 어떤 성장도 표면 구조체 상에서 유발되지 않는다는 것을 의미한다.
추가적인 실시예에 따르면, 편평 구역 상에서의 반도체 층 시퀀스의 성장의 선택성은 바람직하게는 핵생성 층의 산소 함유량에 의해 목표를 향해 조절된다. 반면, 무산소 AlN 핵생성 층의 경우에는, 3차원으로 구성된 표면 구조체의 표면 상에서의 반도체 층 시퀀스의 성장이 편평 구역 상에서의 성장에 비해 우세해진다는 것을 알게 되었는데, 여기서도 핵생성 층의 산소 함유량을 증가시킴으로써 상술된 유리한 선택성을 달성할 수가 있다. 1019㎝-3 미만의 산소 함유량을 갖는 AlN은 본 명세서에서 무산소 AlN으로 지칭될 수 있다.
추가적인 실시예에 따르면, 핵생성 층의 적용은 유기금속 증기상 에피택시에 의해 수행된다. 전구체로서 또한 지칭되는 적절한 시재료의 선택 및 이 시재료의 가스 유량은 핵생성 층이 임의의 목표 산소 함유량으로 제조되는 것을 가능케 한다. O2, H2O, 산화질소 또는 임의의 산소 함유 유기금속 화합물이 산소 소스로서 사용될 수 있다. 예컨대, O2와 혼합된 N2 및/또는 H2, 및/또는 산화질소에 기반한 가스 소스가 사용될 수 있다. 캐리어 가스가 버블러를 통해 추가되는 H2O도 또한 사용될 수 있다. 다이에틸알루미늄메톡사이드 또는 다이에틸알루미늄메톡사이드와 트리메틸알루미늄의 혼합물과 같은 산소를 함유하는 유기금속 가스 소소를 사용하는 것도 또한 가능하다. 핵생성 층의 성장 공정 동안 추가된 산소 함유 가스의 양의 제어는 핵생성 층의 산소 농도가 제어되고 목표를 향해 조절되는 것을 가능케 한다.
또한, 산소를 이용하여 성장 표면을 마무리하는 것도 가능하다. 예컨대, 성장 기판은 산소를 이용하는 성장 표면의 마무리를 위해 O2 플라즈마 내에서 사전에 컨디셔닝될 수 있다. 예컨대, 성장 표면의 산소 마무리는 가스 소스를 이용하는 산소 함유 AlN의 성장을 또한 유발시키는데, 이는 무산소 AlN 핵생성 층을 제조하는데 통상 이용된다. 특히, 알루미늄 표면의 산소 마무리는 특히 산화알루미늄-질화알루미늄 한정 표면 상에서의 산소 함유 AlN의 성장을 유발시킬 수 있기 때문에, 산화알루미늄 성장 기판은 O2 플라즈마에 의해 사전에 컨디셔닝될 수 있다.
산소를 제공하기 위한 상술된 소스 또는 방법은, 예컨대 산소를 이용한 표면 컨디셔닝 및 산소 함유 가스의 추가는 또한 서로 조합될 수 있다.
추가적인 실시예에 따르면, 핵생성 층의 적용은 스퍼터링에 의해 수행된다. 이를 위해, 예컨대 Al 표적이 산소가 추가되는 질소 대기 내에서 사용될 수 있다. 유기금속 증기상 에피택시에 비해, 스퍼터링은 두꺼운 층이 비교적 비용 효과적으로 그리고 비교적 높은 성장률로 생성되는 것을 또한 가능케 한다. 스퍼터링에 의한 핵생성 층의 생성은 반도체 층 시퀀스를 성장시키기 위한 후속적인 에피택셜 공정이 단축되고 그리고/또는 단순화되는 것을 또한 가능케 한다. 또한, 핵생성 층의 스퍼터링은 알루미늄이 반도체 층 시퀀스를 생성하기 위한 후속적인 MOVPE 공정에서 덜 존재하게 되는 것을 가능케 한다.
또한, 핵생성 층을 적용하기 위한 다른 방법, 예컨대 MBE, CVD(화학 증착법) 또는 적절한 물리적 방법도 가능하다.
추가적인 실시예에 따르면, 핵생성 층의 산소 함유량은 핵생성 층의 산소 함유량이 1019cm-3보다 크도록 제어된다. 특히, 핵생성 층의 산소의 중량비는 바람직하게는 0.01% 이상, 0.1% 이상, 0.2% 이상 또는 0.5% 이상일 수 있다. 또한, 핵생성 층의 산소의 중량비는 바람직하게는 10% 이하, 5% 이하 또는 1.5% 이하일 수 있다.
또한, 상술된 방법들 중 하나의 방법을 이용하여 무산소 AlN 층을 적용한 후에, 산화 오븐 내에서 무산소 AlN 층을 산화시켜 무산소 AlN 층을 산소 함유 AlN 층으로 변환시키는 것도 가능하다.
추가적인 실시예에 따르면, 1㎚ 이상, 5㎚ 이상, 10㎚ 이상, 30㎚ 이상 또는 50㎚ 이상의 두께를 갖는 핵생성 층이 성장 표면에 적용된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 핵생성 층의 두께는 1000㎚ 이하, 200㎚ 이하 또는 150㎚ 이하일 수 있다. 예컨대, 핵생성 층의 두께는 대략 100㎚일 수 있다.
추가적인 실시예에 따르면, 성장 기판은 산화알루미늄(Al2O3)을 포함하거나 산화알루미늄으로 구성된다. 특히, 그런 경우 성장 기판은 산화알루미늄의 0001 배향을 갖는 결정학적 c 표면 또는 000-1 배향을 갖는 (-c) 표면을 성장 표면의 편평 구역으로서 포함할 수 있다. 특히, 산소 함유 AlN 핵생성 층은 산화알루미늄 c 표면 또는 산화알루미늄 (-c) 표면 상에서의 반도체 층 시퀀스의 성장이 선택적으로 선택되는 것을 가능케 하는 반면, 핵생성 층 상에서 반도체 층 시퀀스의 성장은 3차원으로 구성된 표면 구조체를 제공하는 결정면 상에서 전혀 유발되지 않거나 조금만 유발되며, 그런 경우 c 표면 또는 (-c) 표면에 대해서 상이하며 그리고 다양한 결정면을 포함한다는 것을 알게 되었다.
또한, 편평 구역이 반극성 질화갈륨을 성장시키는데 특히 적합한 산화알루미늄의 r 표면에 의해 형성되는 것도 가능하다.
또한, 성장 기판은 실리콘 함유 성장 표면을 또한 포함할 수 있다. 특히, 성장 표면은 실리콘 표면 또는 실리콘 카바이드 표면에 의해 형성될 수 있다. 이를 위해, 성장 기판은 예컨대, 실리콘 기판 또는 SiC 기판이거나 또는 다른 기판 상의 실리콘 또는 SiC 층을 포함할 수 있다. 추가적으로, 성장 기판은 또한 다음의 재료들: LiGaO, LiAlO, ZnO, 석영 유리, 마이카 중에서 하나를 포함하거나 상기 재료들 중의 하나로 구성될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 반도체 층 시퀀스는 광전자 활성층과 함께 핵생성 층을 통해 성장된다. 반도체 층 시퀀스의 상기 광전자 활성층은, 특히 자외선에서 또는 가시 스펙트럼 범위에서 반도체 칩의 운용 중에 광을 방출 및/또는 검출하도록 마련되고 제공될 수 있다. 특히, 생성된 또는 검출가능한 광의 파장은 380㎚ 내지 680㎚일 수 있다. 광전자 활성층은 바람직하게는 하나 이상의 pn 전이부 또는 하나 이상의 양자 우물 구조체를 포함할 수 있다. 따라서 반도체 칩은 발광 다이오드 또는 광검출 다이오드로서 구성될 수 있다.
반도체 층 시퀀스는 적어도 하나 이상의 n 도핑 층 및 적어도 하나 이상의 p 도핑 층을 또한 포함할 수 있는데, 이들 도핑된 반도체 층 각각은 바람직하게는 광전자 활성층에 바로 인접해 있을 수 있다. 추가적으로, 예컨대 반도체 층 시퀀스는, 예컨대 버프 층과 같은 비도핑 층을 또한 포함할 수 있다. 버프 층은, 예컨대 핵생성 층 상에서 직접 성장되고 3차원으로 구성된 표면 구조체의 높이보다 큰 두께를 가질 수 있으며, 이에 따라 표면 구조체는 버퍼 층으로 덮일 수 있다.
추가적인 실시예에 따르면, 전자 반도체 층은 복수의 3차원으로 구성된 표면 구조체가 편평 구역 상에 있는 평면 구역에 의해 형성되는 성장 층을 갖춘 성장 기판을 포함한다. 또한, 반도체 칩은 성장 표면에 대규모로 직접 적용된 AlN:O로 구성된 핵생성 층, 및 핵생성 층 상의 질화물계 반도체 층을 포함할 수 있는데, 여기서 반도체 층 시퀀스는 편평 구역으로부터 선택적으로 성장된다.
전자 반도체 칩을 제조하기 위한 방법과 함께 기술된 실시예 및 구성요소는 반도체 칩에 동등하게 적용되며 역으로도 마찬가지이다.
추가적인 이점과, 유리한 실시예 및 개선예는 도면과 함께 이하에 기술되는 실시예로부터 달성된다.
도 1a 내지 도 5는 전자 반도체 칩을 제조하기 위한 방법의 단계들에 대한 개략도이다.
도 6a 내지 도 6c는 추가적인 실시예에 따른 핵생성 층 상에서의 GaN의 성장에 대한 제2 전자 현미경 이미지이다.
도 7은 상이한 핵생성 층 조성물을 사용하는 경우의 반도체 성장 동안의 웨이퍼 보우의 측정값이다.
실시예 및 도면에서 동일한, 유사한 또는 외관상 동일한 요소는 동일한 도면부호로 항상 제공될 수 있다. 도시된 요소 및 서로에 대한 크기 비율은 실제 비율로 보일 필요가 없으며; 그 대신 층, 부품, 구조적 유닛 및 영역과 같은 각각의 요소는 보다 양호한 묘사 및/또는 보다 양호한 이해를 위해 과장되어 크게 도시될 수 있다.
도 1a 내지 도 5는 전자 반도체 칩(100)을 제조하기 위한 방법의 단계들을 도시한다. 상기 전자 반도체 칩(100)은 운용 중에 광을 발생 및 방출하기 위해 마련되는 광전자 활성층을 갖춘 발광 다이오드로서 예시적으로만 구성된다. 발광 다이오드에 대한 대안으로서, 전자 반도체 칩(100)은 예컨대, 광검출 다이오드, 또는 예컨대 트랜지스터와 같은 또는 그런 소자를 포함하는 다른 반도체 요소로서 구성될 수도 있다.
제1 단계에서, 도 1a에 도시된 바와 같이 성장 표면(10)을 포함하는 성장 기판(1)이 제공된다. 상기 성장 표면(10)은 반도체 층 시퀀스를 이 하나의 반도체 층 시퀀스 상에서 성장시킬 목적으로 제공된다. 도시된 실시예에서 성장 기판(1)은 산화알루미늄(Al2O3)을 포함하는데, 바람직하게는 산화알루미늄으로 구성된다. 특히, 성장 기판(1)은 반도체 층 시퀀스가 상부에서 대규모로 성장되는 산화알루미늄 웨이퍼로서 구성될 수 있다. 성장된 반도체 층 시퀀스를 갖춘 웨이퍼의 분리는 복수의 반도체 칩이 제조되는 것을 가능케 한다.
성장 표면(10)은 복수의 3차원으로 구성된 표면 구조체(12)가 상부에 배열되는 2차원으로 구성된 편평 구역(11)을 포함한다. 다시 말하면, 표면 구조체(12)는 편평 구역(11)에 의해 형성된 평면의 밖으로 돌출된다. 3차원으로 구성된 표면 구조체(12)는 편평 구역(11)으로부터 멀어지게 상향 연장되는 융기부로서 구성된다.
도 1b 및 도 1c는 성장 기판(1)으로부터의 성장 표면(10)의 도면인데, 여기선 표면 구조체(12)의 단면을 볼 수 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 표면 구조체(12)의 단면은 둥근 형상, 특히 원형일 수 있으며, 이에 따라 표면 구조체(12)는 원추형 융기부로서 구성될 수 있다. 대안으로서, 표면 구조체(12)는 도 1c에 도시된 바와 같이 각진, 예컨대 육각형 단면을 포함할 수도 있으며, 이에 따라 표면 구조체(12)는 또한 편평 구역(11) 상에 피라미드형 융기부로서 구성될 수 있는데, 상기 편평 구역(11)은 융기부로서 구성된 표면 구조체(12) 사이에서 연장된다.
편평 구역(11)은 보다 바람직하게는, 질화물계 반도체 재료를 성장시키는데 특히 적합한 산화알루미늄의 결정학적 c 표면 또는 (-c) 표면에 의해 형성된다. 따라서, 표면 구조체(12)의 표면은 편평 구역(11)에 대한 표면 구조체의 표면의 배향에 따라 복수의 다른 결정면에 의해 형성된다.
도시된 실시예에 대한 대안으로서, 성장 기판(1)은 예컨대, 실리콘 또는 실리콘 카바이드에 의해 형성된 성장 표면(10)을 또한 포함하며 그리고 이에 대응하게 예컨대 실리콘 웨이퍼 또는 실리콘 카바이드 웨이퍼로서 구성될 수 있다. 또한, 성장 기판이 본 명세서에서 상술된 다른 재료를 포함하거나 다른 재료로 구성되는 것도 가능하다.
도 1d는 성장 기판(1)의 다른 실시예를 도시하는데, 여기서 표면 구조체(12)는 도 1a의 실시예와는 대조적으로 편평 구역(11)에서 성장 기판(1) 내로 돌입되는 그루브로서 구성된다. 상술된 융기부와 유사하게, 그루브는 예컨대 원추형 또는 피라미드형일 수 있다. 다른 단계들에 대한 이하의 상세한 설명은 표면 구조체로서 융기부를 갖춘 도 1에 따른 성장 기판(1)의 실시예에 대해서 예시적으로만 기술하고 있지만, 이하에 기술된 단계들에서 성장 기판은 표면 구조체(12)로서 그루브를 또한 갖추고 있을 수도 있다.
도 2에 도시된 바와 같은 추가적인 단계에서, 핵생성 층(2)이 성장 표면(10)에 적용된다. 특히, 상기 핵생성 층(2)은 대규모로, 즉 성장 표면(10)의 편평 구역(11) 상에 그리고 3차원으로 구성된 표면 구조체(12) 상에 적용된다. 핵생성 층(2)은 성장 표면(10)에 직접 적용되는 산소 함유 질화알루미늄, 즉 AlN:O 또는 AlON으로 구성된다.
예컨대, 유기금속 증기상 에피택시(MOVPE)가 핵생성 층의 성장 표면으로의 적용을 위해 이용될 수 있는데, 여기서 산소 함유 시재료가 과제의 해결 수단 섹션에 개시된 바와 같이 Al 및 N을 제공하기 위한 적합한 시재료에 추가되어 사용된다. 대안으로서 또는 추가적으로, 과제의 해결 수단 섹션에 개시된 바와 같이 성장 표면(10)의 산소 마무리가 실시될 수 있다.
MOVPE 방법에 대한 대안으로서, 핵생성 층(2)은 또한 스퍼터링 방법에 의해 적용될 수 있다. 과제의 해결 수단 섹션에 개시된 바와 같이, 예컨대 산소를 또한 추가적으로 함유하고 있는 질소 대기에서의 Al 표적이 스퍼터링 방법에 의한 핵생성 층의 적용을 위해 사용될 수 있다. 또한, 과제의 해결 수단 섹션에서 상술된 다른 방법도 가능하다.
핵생성 층(2)의 산소 함유량은 핵생성 층(2)의 산소 함유량이 1019cm-3보다 크도록 제어된다. 특히, 핵생성 층(2)의 산소의 중량비는 바람직하게는 0.01% 이상, 0.1% 이상, 0.2% 이상 또는 0.5% 이상일 수 있다. 또한, 핵생성 층의 산소의 중량비는 바람직하게는 10% 이하, 5% 이하 또는 1.5% 이하일 수 있다.
핵생성 층(2)의 두께는 1㎚ 이상, 5㎚ 이상, 10㎚ 이상, 30㎚ 이상 또는 50㎚ 이상이다. 또한, 핵생성 층(2)은 1000㎚ 이하, 200㎚ 이하 또는 150㎚ 이하의 두께로 제조될 수 있다. 예컨대, 핵생성 층의 두께는 대략 100㎚일 수 있다.
도 3 내지 도 5와 관련하여 기술된 추가적인 단계에서, 질화물계 반도체 층 시퀀스는 MOVPE에 의해 핵생성 층 상에서 성장된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 반도체 층의 성장은 편평 구역(11)으로부터 선택적으로 유발된다. 과제의 해결 수단 섹션에 개시된 바와 같이, 이는 핵생성 층(2)이 종래 기술에서 일반적인 바와 같이 AlN으로 구성되는 것이 아니라 그 대신 추가적으로 산소를 함유하고 있다는 사실로 인하여 가능하다. 핵생성 층(2)의 산소 함유량은 반도체 층 시퀀스의 성장과 관련된 선택성이 편평 구역(11)에 대해 조절되는 것을 가능케 함으로써, 성장될 반도체 재료가 소정의 선택성으로 인해 편평 구역(11)에서 핵생성 층(2)까지 주로 성장된다. 이와는 반대로, 반도체 층 시퀀스(3)를 제조하기 위한 성장 공정의 초기 단계를 볼 수 있는 도 3에 도시된 바와 같이, 산소 함유 AlN 핵생성 층(2)을 사용함으로써 3차원으로 구성된 표면 구조체(12)의 표면 상에서는 성장이 거의 유발되지 않거나 전혀 유발되지 않는다: 반도체 층 시퀀스(3)의 제1 반도체 층(31)을 제조하기 위해 적용되는 반도체 재료(30)는 핵생성 층(2) 상에서 편평 구역(11)으로부터 선택적으로 상향으로 성장된다.
도 6a 및 도 6b는 산소 함유 AlN 핵생성 층 상에서 GaN을 성장시키는 경우의 방법에서의 대응하는 단계에 대한 제2 전자 현미경 이미지를 도시한다. 이미지는 도 1c의 도면에 따른 성장 표면의 위로부터 바라본 도면에 대응한다. 도 6a의 이미지의 경우, 핵생성 층은 산소 함유 시재료를 사용하여 MOVPE에 의해 적용된 반면, 도 6의 이미지의 경우 핵생성 층은 산소의 추가에 의해 스퍼터링되었다. 양쪽 이미지에서, 표면 구초제(12)에서는 어떤 반도체 재료(30)든 간에 성장이 조금만 유발되었거나 전혀 유발되지 않았다는 것을, 그리고 반도체 재료는 그 대신에 표면 구조체(12) 사이에서 그리고 이에 따라 성장 표면의 편평 구역 상에서 선택적으로 성장된다는 것을 명확하게 알 수 있다.
이에 비해서, 무산소 AlN 핵생성 층을 사용하는 경우의 대응하는 성장 기판 상에서의 성장이 도시되어 있다. 용이하게 알 수 있는 바와 같이, 이 경우의 성장은 표면 구조체의 표면 상에서 보다 집중적으로 유발되는데, 이 표면 구조체는 반도체 재료(30)에 의해 덮여 있기 때문에 이미지에서 볼 수가 없다. 그 결과, 성장된 반도체 재료(30)는 어떤 균일한 결정면도 형성하는 대신 복수의 결정면을 포함하는데, 이는 추가적으로 성장된 반도체 재료에 있어서의 또는 후속적으로 성장된 반도체 층 시퀀스에 있어서의 열악한 재료 품질을 초래한다.
따라서 핵생성 층(2)의 제조 동안 산소를 추가하는 것은 핵생성 층을 제조하기 위해 MOVPE 방법을 사용하는 경우와 스퍼터링 방법을 사용하는 경우 양자 모두에서 달성될 반도체 층 시퀀스의 반도체 재료의 후속적인 성장 공정에 있어서의 강력한 선택성을 허용한다. 따라서, 핵생성 층(2)의 대응하는 제조 동안 MOVPE 방법의 범위 내에서 그리고 스퍼터링에 의한 핵생성 층의 제조 동안 상기 방법의 범위 밖에서 산소의 추가가 이루어질 수 있다. 이와는 반대로, MOVPE 방법의 범위 내에서의 무산소 AlN을 이용한 다른 핵생성 공정은 도 6c에 도시된 바와 같이 표면 구조체 상에 상당한 기생적인 핵생성부를 항상 발생시킨다.
도 4에 도시된 바와 같이, 핵생성 층(2) 상에서 성장된 반도체 재료는 반도체 층(31)이 예컨대 비도핑 버퍼 층을 형성할 만큼 멀리 성장될 수 있는데, 이 비도핑 버퍼 층은 결국 표면 구조체(12)를 덮는다. 대안으로서, 반도체 층(31)은 상이한 비도핑 재료 및/또는 도핑된 재료를 갖는 복수의 층을 또한 포함할 수 있다.
반도체 층 시퀀스(3)를 형성하기 위해, 추가적인 반도체 층이 후속하여 반도체 층(31) 상에서 성장된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 추가적인 반도체 층은 예컨대, 도핑된 반도체 층(32, 33)에 의해 형성될 수 있는데, 이 도핑된 반도체 층 사이에는 광전자 활성층(34)이 배열된다. 반도체 층 시퀀스(3)는 특히, 명확함을 위해 본 명세서에는 도시되지 않은 복수의 도핑된 층 및 비도핑 층으로 구성될 수 있다. 특히, 발광 또는 광검출 다이오드를 위한 반도체 층 시퀀스(3)의 구조체는 통상의 기술자에게 공지되어 있으므로 더 이상 기술되진 않는다. 도 5에 도시된 반도체 칩(100)은 반도체 층 시퀀스를 전기 접속시키기 위한 전극 층, 예컨대 명확함을 위해 마찬가지로 도시되지 않은 미러 층 및/또는 패시베이션 층과 같은 추가적인 층을 또한 포함할 수 있다.
발광 다이오드와 같은 전자 반도체 칩(100)의 예시적인 실시예에서, 반도체 칩(100)은 운용 중에 성장 기판(1)으로부터 멀어지는 방향을 향하는 상측부의 방향으로 그리고 성장 기판(1)의 방향으로 광을 방출할 수 있다. 성장 기판(1)의 방향으로 광전자 활성층(34)에 의해 방출된 광에 대해서 전반사의 감소 또는 증가가 표면 구조체(12)에 의해 달성될 수 있다.
상술된 방법은 사전에 구조화된 기판 상에 산소 함유 AlN 핵생성 층을 사용함으로써 달성될 핵생성 층 상에서의 반도체 층 시퀀스의 성장 공정과 관련된 선택성을 향상시킬 수 있는데, 이는 유리하게는 후속적인 층의 공정 파라미터를 또한 상당히 확장시킬 수 있다. 또한, 3차원으로 구성된 표면 구조체와 관련된 낮은 성장 및 바람직하게는 거의 없는 또는 실재하지 않는 성장은 발광 다이오드의 경우 재료 품질에 긍정적인 영향을 미칠뿐만 아니라 예컨대 광, 누설 전류 및 저전류 작용과 같은 검전기 파라미터에도 긍정적인 영향을 미친다. 어떤 시간 소모적인 온도 램프(temperature ramp) 및 압력 구배(pressure slope)도 핵생성 동안 필요하지 않기 때문에, MOVPE 시스템에서 성장 시간을 상당히 감소시킬 수도 있다.
또한, 핵생성 층으로서의 퇴적된 산소 함유 질화알루미늄의 완화도의 결정 및 3차원으로 구성된 표면 구조체의 감시 정도는 반도체 층 시퀀스의 성장 동안 성장 기판의 곡률의 조절을 가능케 한다는 것을 알게 되었다. 이를 위해, 도 7에는 핵생성 층의 상이한 조성에 있어서 공정 시간 t에 따른 반도체 성장 공정 동안의 웨이퍼 보우(wafer bow) C가 도시되어 있다. 성장 동안의 웨이퍼의 곡률이 산소 함유 AlN 핵생성 층의 특성에 의해 제어될 수 있다는 것을 알게 되었다. 산소의 목표로 하는 추가 및 목표량은 산소 함유 AlN의 완화도를 그리고 이에 따라 후속적인 층의 텐셔닝 상태에 영향을 줄 수 있다.
도면에 도시된 실시예는 본 명세서의 기재 내용에 따른 추가적인 구성요소 및 대안적인 구성요소를 포함할 수 있다.
실시예의 기초에 대한 기재 내용은 본 발명을 그 기재 내용에 제한하지 않는다. 그 대신, 본 발명은 모든 새로운 구성요소 및 모든 구성요소들의 조합을 포함하는데, 특히 그런 구성요소 또는 그런 청구물 그 자체가 청구항 또는 실시예에 명시되지 않은 경우에도 청구항 내의 구성요소의 그 조합을 포함한다.

Claims (13)

  1. 전자 반도체 칩(100)을 제조하기 위한 방법이며,
    - 복수의 3차원으로 구성된 표면 구조체(12)가 편평 구역(11) 상에 있는 상기 편평 구역(11)에 의해 형성된 성장 표면(10)을 포함하는 성장 기판(1)을 제공하는 단계와,
    - 산소 함유 AlN으로 이루어진 핵생성 층(2)을 상기 성장 표면(10)에 대규모로 직접 적용하는 단계와,
    - 질화물계 반도체 층 시퀀스(3)를 상기 핵생성 층(2) 상에서 성장시키는 단계를 포함하며,
    상기 반도체 층 시퀀스(3)는 상기 편평 구역(11)으로부터 선택적으로 상향으로 성장되어, 3차원으로 구성된 표면 구조체의 전체 표면 상의 상기 반도체 층 시퀀스의 성장이 상기 편평 구역 상의 성장과 비교하여 감소되거나 존재하지 않도록 하고;
    - 산소 함유 AIN의 핵생성 층은 전체 성장 표면이 핵생성 층으로 덮이는 방식으로 직접 적용하고, 상기 핵생성 층의 산소 함유량은 1019cm-3 보다 크고, 상기 편평 구역에서 상기 반도체 층 시퀀스의 성장의 선택성은 상기 핵생성 층의 산소 함유량에 의해 상기 편평 구역 상에서 조절되는, 전자 반도체 칩의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 3차원으로 구성된 표면 구조체(12)는 상기 반도체 층 시퀀스(3)의 성장 동안 상기 반도체 층 시퀀스에 의해 덮이는, 전자 반도체 칩의 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 핵생성 층(2)의 적용은 유기금속 증기상 분리에 의해 수행되는, 전자 반도체 칩의 제조 방법.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 핵생성 층(2)의 적용은 스퍼터링에 의해 수행되는, 전자 반도체 칩의 제조 방법.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 3차원으로 구성된 표면 구조체(12)는 상기 편평 구역(11) 상의 원추형 또는 피라미드형 융기부에 의해 형성되는, 전자 반도체 칩의 제조 방법.
  7. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 성장 기판(1)은 산화알루미늄을 포함하거나 산화알루미늄으로 구성되는, 전자 반도체 칩의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 편평 구역(11)은 결정학적 c 표면인, 전자 반도체 칩의 제조 방법.
  9. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 반도체 층 시퀀스(3)는 상기 반도체 칩(100)의 운용 중에 광을 방출하거나 검출하도록 제공되는 광전자 활성층(34)과 함께 성장되는, 전자 반도체 칩의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 반도체 칩(100)은 발광 다이오드 또는 광검출 다이오드로서 구성되는, 전자 반도체 칩의 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 전자 반도체 칩(100)이며,
    - 복수의 3차원으로 구성된 표면 구조체(12)가 편평 구역(11) 상에 있는 상기 편평 구역(11)에 의해 형성되는 성장 표면(10)을 갖춘 성장 기판(1)과,
    - 상기 성장 표면(10)에 대규모로 직접 적용되는 산소 함유 AlN으로 이루어진 핵생성 층(2)과,
    - 상기 핵생성 층(2) 상의 질화물계 반도체 층 시퀀스(3)를 포함하며,
    상기 반도체 층 시퀀스(3)는 상기 편평 구역(11)으로부터 선택적으로 성장되어, 3차원으로 구성된 표면 구조체의 전체 표면 상의 상기 반도체 층 시퀀스의 성장이 상기 편평 구역 상의 성장과 비교하여 감소되거나 존재하지 않고;
    - 산소 함유 AIN의 핵생성 층은 전체 성장 표면이 핵생성 층으로 덮이는 방식으로 직접 적용되고, 상기 핵생성 층의 산소 함유량은 1019cm-3 보다 크고, 상기 편평 구역에서 상기 반도체 층 시퀀스의 성장의 선택성은 상기 핵생성 층의 산소 함유량에 의해 상기 편평 구역 상에서 조절되는, 전자 반도체 칩.
  13. 삭제
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