KR102515944B1 - Hvpe 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 및 그 제조 방법 - Google Patents

Hvpe 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

알파 산화갈륨 박막 상에 선택적인 영역만을 노출시키는 질화물 계열의 질화막 패턴을 형성하고, 부분적으로 노출된 부분에만 선택적 영역 성장 방식으로 재성장함으로써, 고품질의 패터닝된 알파 산화갈륨 재성장 패턴을 형성할 수 있는 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.

Description

HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 및 그 제조 방법{ALPHA GALLIUM OXIDE THIN FILM STRUCTURE WITH HIGH CONDUCTIVITY BY SELECTIVE AREA GROWTH USING HALIDE VAPOR PHASE EPITAXY GROWTH AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알파 산화갈륨 박막 상에 선택적인 영역만을 노출시키는 질화물 계열의 질화막 패턴을 형성하고, 부분적으로 노출된 부분에만 선택적 영역 성장 방식으로 재성장함으로써, 고품질의 패터닝된 알파 산화갈륨 재성장 패턴을 형성할 수 있는 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 및 그 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 동종의 β-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 제10-2015-0012119호(2015.02.03. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 질화물 반도체 소자 및 그 제조 방법이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 알파 산화갈륨 박막 상에 선택적인 영역만을 노출시키는 질화물 계열의 질화막 패턴을 형성하고, 부분적으로 노출된 부분에만 선택적 영역 성장 방식으로 재성장함으로써, 고품질의 패터닝된 알파 산화갈륨 재성장 패턴을 형성할 수 있는 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 제조 방법은 (a) 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 기판 상면 상에 HVPE 성장법으로 알파 산화갈륨 박막을 형성하는 단계; (c) 상기 알파 산화갈륨 박막 상에 선택적인 영역만을 노출시키도록 상기 기판 및 알파 산화갈륨 박막을 덮는 질화막 패턴을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 질화막 패턴의 외측으로 노출된 선택적인 영역에 위치하는 알파 산화갈륨 박막을 씨드로 이용하는 HVPE 성장법으로 재성장하여 알파 산화갈륨 재성장 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (b) 단계에서, 상기 알파 산화갈륨 박막은 불활성 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 450 ~ 650℃의 소스온도 및 400 ~ 600℃의 성장온도 조건으로 성장시켜 형성한다.
상기 성장시, 증착 가스로는 HCl 5 ~ 50sccm 및 O2 100 ~ 1,000sccm의 공급 유량 조건으로 실시한다.
상기 (c) 단계에서, 상기 질화막 패턴은 Si3N4로 이루어진다.
상기 질화막 패턴은 상기 선택적인 영역만이 노출되어, 알파 산화갈륨 재성장 패턴 형성 영역과 대응되는 위치에 개구가 형성된다.
상기 (d) 단계는, (d-1) 상기 질화막 패턴의 외측으로 노출된 선택적인 영역에 위치하는 알파 산화갈륨 박막을 불활성 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 재가열하는 단계; 및 (d-1) 상기 재가열된 알파 산화갈륨 박막을 씨드로 이용하는 HVPE 성장법으로 재성장하여 알파 산화갈륨 재성장 패턴을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 재가열은 3 ~ 6분 동안 실시한다.
상기 (d-2) 단계에서, 상기 재성장은 상기 불활성 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 450 ~ 650℃의 소스온도 및 400 ~ 600℃의 성장온도 조건으로 성장시켜 형성한다.
상기 재성장은 1 ~ 7분 동안 실시한다.
상기 (d) 단계에서, 상기 알파 산화갈륨 재성장 패턴은 상기 선택적인 영역에서 상기 알파 산화갈륨 박막 상에 적층되어 상기 알파 산화갈륨 박막과 전기적으로 직접 연결된다.
상기 (d) 단계 이후, (e) 상기 알파 산화갈륨 박막 및 알파 산화갈륨 재성장 패턴이 형성된 기판으로부터 상기 질화막 패턴을 리프트-오프 공정으로 제거하는 단계;를 더 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물은 기판; 상기 기판 상면 상에 형성된 알파 산화갈륨 박막; 및 상기 알파 산화갈륨 박막 상에서 선택적인 영역에만 적층 형성되어, 상기 알파 산화갈륨 박막과 전기적으로 연결된 알파 산화갈륨 재성장 패턴;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 알파 산화갈륨 재성장 패턴은 상기 선택적인 영역에서 상기 알파 산화갈륨 박막 상에 적층되어 상기 알파 산화갈륨 박막과 전기적으로 직접 연결된다.
본 발명에 따른 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 및 그 제조 방법은 식각 공정을 제외한 소자 제조 공정을 위해, 알파 산화갈륨 박막 상에 선택적인 영역만을 노출시키는 질화물 계열의 Si3N4 로 이루어지는 질화막 패턴을 형성하고, 질화막 패턴을 이용하여 알파 산화갈륨 박막 위에 부분적으로 개구된 부분만을 선택적 영역 성장으로 재성장시킴으로써, 고품질의 패터닝된 알파 산화갈륨 재성장 패턴을 형성한 것이다.
이 결과, 본 발명에 따른 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 및 그 제조 방법은 전력반도체 소자 제작시에 필요한 오믹 컨택(Ohmic contact) 형성을 위한 고전도성 박막을 선택적으로 성장이 가능하며, 소자 구조 형성을 위한 상부 박막의 식각 공정이 불필요하므로 알파 산화갈륨 박막의 표면에 물리적 및 화학적인 손상을 입을 염려가 없어 소자 성능 저하를 최소화시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 및 그 제조 방법은 선택적 영역 성장(selective area growth) 기술을 이용하여 고성능을 갖는 전력 소자를 구현할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물을 나타낸 단면도.
도 3은 비교예 1에 따라 제조된 알파 산화갈륨 박막을 촬영하여 나타낸 OM 사진.
도 4는 비교예 2에 따라 제조된 알파 산화갈륨 구조물을 촬영하여 나타낸 OM 사진.
도 5는 비교예 3에 따라 제조된 알파 산화갈륨 구조물을 촬영하여 나타낸 OM 사진.
도 6 및 도 7은 실시예 1에 따라 제조된 알파 산화갈륨 구조물을 촬영하여 나타낸 SEM 및 OM 사진.
도 8 및 도 9는 실시예 2에 따라 제조된 알파 산화갈륨 구조물을 촬영하여 나타낸 SEM 및 OM 사진.
도 10 및 도 11은 실시예 2에 따라 제조된 알파 산화갈륨 구조물을 상부에서 촬영하여 나타낸 FE-SEM 평면 사진.
도 12는 실시예 2에 따라 제조된 알파 산화갈륨 구조물을 촬영하여 나타낸 FE-SEM 단면 사진.
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 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 제조 방법은 기판 준비 단계(S110), 알파 산화갈륨 박막 형성 단계(S120), 질화막 패턴 형성 단계(S130) 및 알파 산화갈륨 재성장 패턴 형성 단계(S140)를 포함한다.
기판 준비
기판 준비 단계(S110)에서는 상면 및 상면에 반대되는 하면을 갖는 기판을 준비한다. 이때, 기판으로는 Ga2O3 기판, GaN 기판, 사파이어 기판, 실리콘 기판 등에서 선택된 어느 하나가 이용될 수 있으며, 이 중 사파이어 기판을 이용하는 것이 바람직하다.
알파 산화갈륨 박막 형성
알파 산화갈륨 박막 형성 단계(S120)에서는 기판 상면 상에 HVPE 성장법으로 알파 산화갈륨 박막을 형성한다.
본 단계에서, 알파 산화갈륨 박막은 불활성 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 450 ~ 650℃의 소스온도 및 400 ~ 600℃의 성장온도 조건으로 성장시켜 형성한다.
이때, 성장시 증착 가스로는 HCl 5 ~ 50sccm 및 O2 100 ~ 1,000sccm의 공급 유량 조건으로 실시하는 것이 바람직하다.
HCl의 유량이 5sccm 미만일 경우에는 HCl의 유량이 적어 성장률이 낮아지는 관계로 생산 수율을 저하시키는 문제가 있다. 반대로, HCl의 유량이 50sccm을 초과할 경우에는 표면 특성이 나빠지고 입자가 커져 알파 산화갈륨 박막의 두께가 과도하게 증가시킬 우려가 있다.
또한, O2의 유량이 100sccm 미만일 경우에는 O2의 유량이 적어 성장률이 낮아지는 관계로 생산 수율을 저하시키는 문제가 있다. 반대로, O2의 유량이 1,000sccm을 초과할 경우에는 표면 특성이 나빠지고 입자가 커져 알파 산화갈륨 박막의 두께를 과도하게 증가시킬 우려가 있다.
또한, 증착 조건은 450 ~ 650℃의 소스온도 및 400 ~ 600℃의 성장온도 조건에서 5 ~ 15분 동안 실시하는 것이 바람직하다.
소스온도가 450℃ 미만일 경우에는 낮은 온도로 인하여 성장률이 낮아지는 문제가 있다. 반대로, 소스 온도가 650℃를 초과할 경우에는 표면 특성이 나빠지고 입자가 커져 알파 산화갈륨 박막의 두께가 과도하게 증가하는 문제가 있다.
또한, 성장온도가 400℃ 미만일 경우에는 낮은 온도로 인하여 성장률이 낮아지는 문제가 있다. 반대로, 성장온도가 600℃를 초과할 경우에는 성장률은 증가하나, 과도한 성장 온도로 인하여 β 상이 생성되어 결정성을 감소시켜 표면 특성이 저하되는 문제가 있다.
질화막 패턴 형성
질화막 패턴 형성 단계(S130)에서는 알파 산화갈륨 박막 상에 선택적인 영역만을 노출시키도록 기판 및 알파 산화갈륨 박막을 덮는 질화막 패턴을 형성한다.
일반적으로, 알파 산화갈륨 박막에 질화막 패턴을 형성하는 것 없이 알파 산화갈륨 박막 상에 성장이나 재성장을 하고 식각 공정을 수행하게 되면, 식각 공정 중에 알파 산화갈륨 박막의 표면이 물리적 및 화학적 손상을 입을 수 있다. 이는, 결국 전력 소자 제작 시 항복전압(breakdown voltage)을 감소시키거나, 전력 소자의 수명을 단축시키는 원인이 될 수 있다.
아울러, 산화물 계열의 산화막을 알파 산화갈륨 박막 상부 전면에 형성하고, 산화막 상에 재성장할 경우에는 3차원의 폴리 형태의 재성장이 이루어질 수 있다.
이를 미연에 방지하기 위해, 본 발명에서는 알파 산화갈륨 박막 상에 선택적인 영역만을 노출시키는 질화물 계열의 질화막 패턴, 바람직하게 Si3N4로 이루어진 질화막 패턴을 형성하여 알파 산화갈륨 박막 위에 부분적으로 개구된 구조를 확보한 것이다.
따라서, 질화막 패턴은 선택적인 영역만이 노출되어, 알파 산화갈륨 재성장 패턴 형성 영역과 대응되는 위치에 개구가 형성된다.
알파 산화갈륨 재성장 패턴 형성
알파 산화갈륨 재성장 패턴 형성 단계(S140)에서는 질화막 패턴의 외측으로 노출된 선택적인 영역에 위치하는 알파 산화갈륨 박막을 불활성 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 재가열한다.
다음으로, 재가열된 알파 산화갈륨 박막을 씨드로 이용하는 HVPE 성장법으로 재성장하여 알파 산화갈륨 재성장 패턴을 형성한다.
이에 따라, 알파 산화갈륨 재성장 패턴은 선택적인 영역에서 알파 산화갈륨 박막 상에 적층되어 알파 산화갈륨 박막과 전기적으로 직접 연결된다.
만일, 알파 산화갈륨 박막 상에 질화막 패턴을 형성하는 것 없이, HVPE 성장법을 이용하여 그대로 재성장할 경우, 성장과정 중 포함된 증착 가스(HCl)를 이용한 표면처리 과정에서 알파 산화갈륨 박막의 표면식각 현상이 발생할 우려가 있다.
이를 미연에 방지하기 위해, 본 발명에서는 질화막 패턴의 외측으로 노출된 선택적인 영역에 위치하는 알파 산화갈륨 박막을 불활성 가스인 N2 분위기에 노출시킨 상태에서 일정 시간 동안 재가열함으로써, 에피층에 열적 안정성을 부여하고, 별도의 표면 처리 과정 없이 증착 가스를 서서히 공급하여 재성장한 것이다.
여기서, 재가열은 3 ~ 6분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 재가열 시간이 3분 미만일 경우에는 알파 산화갈륨 박막에 열적 안정성을 충분히 부여하지 못하여 에피 성장이 제대로 이루어지지 못할 우려가 있다. 반대로, 재가열 시간이 6분을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 없이 제조 시간 및 비용만을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
본 단계에서, 재성장은 불활성 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 450 ~ 650℃의 소스온도 및 400 ~ 600℃의 성장온도 조건으로 1 ~ 7분 동안 성장시켜 형성한다.
이때, 성장시 증착 가스로는 HCl 5 ~ 50sccm 및 O2 100 ~ 1,000sccm의 공급 유량 조건으로 실시하는 것이 바람직하다.
HCl의 유량이 5sccm 미만일 경우에는 HCl의 유량이 적어 성장률이 낮아지는 관계로 생산 수율을 저하시키는 문제가 있다. 반대로, HCl의 유량이 50sccm을 초과할 경우에는 표면 특성이 나빠지고 입자가 커져 알파 산화갈륨 재성장 패턴의 두께가 과도하게 증가시킬 우려가 있다.
또한, O2의 유량이 100sccm 미만일 경우에는 O2의 유량이 적어 성장률이 낮아지는 관계로 생산 수율을 저하시키는 문제가 있다. 반대로, O2의 유량이 1,000sccm을 초과할 경우에는 표면 특성이 나빠지고 입자가 커져 알파 산화갈륨 재성장 패턴의 두께를 과도하게 증가시킬 우려가 있다.
또한, 증착 조건은 450 ~ 650℃의 소스온도 및 400 ~ 600℃의 성장온도 조건에서 5 ~ 15분 동안 실시하는 것이 바람직하다.
소스온도가 450℃ 미만일 경우에는 낮은 온도로 인하여 성장률이 낮아지는 문제가 있다. 반대로, 소스 온도가 650℃를 초과할 경우에는 표면 특성이 나빠지고 입자가 커져 알파 산화갈륨 재성장 패턴의 두께가 과도하게 증가하는 문제가 있다.
또한, 성장온도가 400℃ 미만이거나, 성장 시간이 1분 미만일 경우에는 낮은 온도로 인하여 성장률이 낮아지는 문제가 있다. 반대로, 성장온도가 600℃를 초과하거나, 성장 시간이 7분을 초과할할 경우에는 성장률은 증가하나, 과도한 성장 온도로 인하여 β 상이 생성되어 결정성을 감소시켜 표면 특성이 저하되는 문제가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 제조 방법은 알파 산화갈륨 재성장 패턴 형성 단계(S140) 이후에 실시되는 리프트-오프 단계(미도시)를 더 포함할 수 있다.
리프트-오프 단계에서는 알파 산화갈륨 박막 및 알파 산화갈륨 재성장 패턴이 형성된 기판으로부터 질화막 패턴을 리프트-오프 공정으로 제거한다.
이때, 질화막 패턴을 리프트-오프 공정으로 제거하는 것에 의해, 질화막 패턴 하부에 위치하는 알파 산화갈륨 박막이 외부로 노출된다.
이와 같이, 본 발명에서는 불활성 가스인 N2 분위기에서 3 ~ 6분 동안 재가열함으로써 알파 산화갈륨 박막에 열적 안정성을 부여하고, 별도의 표면처리 과정 없이 증착 가스를 서서히 공급하는 방식으로 재성장시켜 알파 산화갈륨 재성장 패턴을 형성하였다.
다시 말해, 본 발명에서는 알파 산화갈륨 박막 상에 선택적인 영역만을 노출시키는 질화물 계열의 Si3N4 로 이루어지는 질화막 패턴을 형성하여 알파 산화갈륨 박막 위에 부분적으로 개구된 부분만을 선택적인 영역 성장으로 재성장시켜 알파 산화갈륨 재성장 패턴을 형성하고, 질화막 패턴을 리프트-오프 공정으로 제거한 것이다. 이에 따라, 본 발명에서는 알파 산화갈륨 재성장 패턴을 형성하는 과정시, 식각 공정을 수행할 필요가 없게 된다.
일반적으로, 소자 제조 공정 중 식각 공정은, 알파 산화갈륨 박막의 표면에 물리적 및 화학적인 손상을 입혀 전기적으로 소자의 성능을 저하시킬 수 있다.
반면, 본 발명에서는 식각 공정을 제외한 소자 제조 공정을 위해, 알파 산화갈륨 박막 상에 선택적인 영역만을 노출시키는 질화물 계열의 Si3N4 로 이루어지는 질화막 패턴을 형성하고, 질화막 패턴을 이용하여 알파 산화갈륨 박막 위에 부분적으로 개구된 부분만을 선택적인 영역 성장으로 재성장시킴으로써, 고품질의 패터닝된 알파 산화갈륨 재성장 패턴을 형성한 것이다.
따라서, 본 발명은 선택적 영역 성장(selective area growth) 기술을 이용하여 고성능을 갖는 전력 소자를 구현할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물을 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물(100)은 상면(120a) 및 상면(120a)에 반대되는 하면(120b)을 갖는 기판(120)과, 기판(120) 상면(120a) 상에 형성된 알파 산화갈륨 박막(140)과, 알파 산화갈륨 박막(140) 상에서 선택적인 영역에만 적층 형성되어, 알파 산화갈륨 박막(140)과 전기적으로 연결된 알파 산화갈륨 재성장 패턴(160)을 포함한다.
여기서, 알파 산화갈륨 재성장 패턴(160)은 선택적인 영역에서 알파 산화갈륨 박막(140) 상에 적층되어 알파 산화갈륨 박막(140)과 전기적으로 직접 연결된다.
이와 같이, 본 발명에서는 알파 산화갈륨 박막(140) 상에 선택적인 영역만을 노출시키는 질화물 계열의 Si3N4 로 이루어지는 질화막 패턴을 형성하여 알파 산화갈륨 박막(140) 위에 부분적으로 개구된 부분만을 선택적 영역 성장으로 재성장시켜 알파 산화갈륨 재성장 패턴(160)을 형성한 것이다. 여기서, 질화막 패턴은 리프트-오프 공정에 의해 제거된 상태이다. 이에 따라, 본 발명에서는 알파 산화갈륨 재성장 패턴(160)을 형성하는 과정시, 식각 공정을 수행할 필요가 없게 된다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 및 그 제조 방법은 식각 공정을 제외한 소자 제조 공정을 위해, 알파 산화갈륨 박막 상에 선택적인 영역만을 노출시키는 질화물 계열의 Si3N4 로 이루어지는 질화막 패턴을 형성하고, 질화막 패턴을 이용하여 알파 산화갈륨 박막 위에 부분적으로 개구된 부분만을 선택적 영역 성장으로 재성장시킴으로써, 고품질의 패터닝된 알파 산화갈륨 재성장 패턴을 형성한 것이다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 및 그 제조 방법은 전력반도체 소자 제작시에 필요한 오믹 컨택(Ohmic contact) 형성을 위한 고전도성 박막을 선택적으로 성장이 가능하며, 소자 구조 형성을 위한 상부 박막의 식각 공정이 불필요하므로 알파 산화갈륨 박막의 표면에 물리적 및 화학적인 손상을 입을 염려가 없어 소자 성능 저하를 최소화시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 및 그 제조 방법은 선택적 영역 성장(selective area growth) 기술을 이용하여 고성능을 갖는 전력 소자를 구현할 수 있게 된다.
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.
도 3은 비교예 1에 따라 제조된 알파 산화갈륨 박막을 촬영하여 나타낸 OM 사진이고, 도 4는 비교예 2에 따라 제조된 알파 산화갈륨 구조물을 촬영하여 나타낸 OM 사진이며, 도 5는 비교예 3에 따라 제조된 알파 산화갈륨 구조물을 촬영하여 나타낸 OM 사진이다. 이때, 비교예 1은 기판 상에 알파 산화갈륨 박막을 형성한 것이고, 비교예 2 및 3은 기판 상에 알파 산화갈륨 박막을 형성한 후, 질화막 패턴을 형성하는 것 없이, N 2 가스 분위기에서 1분 및 5분 동안 각각 재가열하고, N 2 가스 분위기에서 2분 동안 재성장하여 알파 산화갈륨 재성장 패턴을 형성하였다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 비교예 1에 따라 제조된 알파 산화갈륨 박막은 1.2㎛의 두께로 형성되었다.
아울러, 비교예 2에 따라 제조된 알파 산화갈륨 구조물은 알파 산화갈륨 재성장 패턴의 표면 불량으로 두께 측정이 불가하였다.
반면, 비교예 3과 같이, 알파 산화갈륨 박막을 5분 동안 재가열한 후 재성장하여 형성된 알파 산화갈륨 재성장 패턴은 에피 두께 증가로 1.5㎛의 두께로 형성된 것을 확인하였다.
따라서, 알파 산화갈륨 박막에 열적 안정성을 부여하기 위해서는 최소 3분 이상, 바람직하게는 5분 동안 재가열하고 재성장하는 것이 바람직하다는 것을 확인하였다.
한편, 도 6 및 도 7은 실시예 1에 따라 제조된 알파 산화갈륨 구조물을 촬영하여 나타낸 SEM 및 OM 사진이고, 도 8 및 도 9는 실시예 2에 따라 제조된 알파 산화갈륨 구조물을 촬영하여 나타낸 SEM 및 OM 사진이다. 여기서, 실시예 1 및 2는 기판 상에 알파 산화갈륨 박막을 형성한 후, 알파 산화갈륨 박막 상에 선택적인 영역만을 노출시키는 질화막 패턴을 형성하고, 질화막 패턴의 외측으로 노출된 선택적인 영역에 위치하는 알파 산화갈륨 박막을 씨드로 이용하는 HVPE 성장법으로 재성장하여 알파 산화갈륨 재성장 패턴을 형성한 것이다. 이때, 실시예 1은 N 2 가스 분위기에서 5분 동안 재가열하고, N2 가스 분위기에서 2분 동안 재성장하였고, 실시예 2는 N2 가스 분위기에서 5분 동안 재가열하고, N2 가스 분위기에서 5분 동안 재성장하였다.
도 6 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 2에 따라 제조된 제조된 알파 산화갈륨 구조물이 나타나 있다.
이때, 실시예 1 ~ 2에 따라 제조된 제조된 알파 산화갈륨 구조물은 질화물 계열의 Si3N4 를 이용해 질화막 패턴을 형성하고, 알파 산화갈륨 박막 위에 부분적으로 개구된 구조가 얻어지고, 개구된 부분만을 선택적 영역 성장으로 재성장시켜 알파 산화갈륨 재성장 패턴을 형성한 것을 확인할 수 있다.
아울러, 실시예 1 ~ 2에 따라 제조된 제조된 알파 산화갈륨 구조물은 성장중인 에피가 질화막 패턴(Si3N4)에서 수평방향의 성장이 이루어지지 않고 명확하게 구분되며, 이로 인해 질화막 패턴(Si3N4)을 리프트-오프(lift-off) 공정으로 제거할 시 고품질의 패터닝된 알파 산화갈륨 재성장 패턴이 형성될 수 있는 것이다.
도 10 및 도 11은 실시예 2에 따라 제조된 알파 산화갈륨 구조물을 상부에서 촬영하여 나타낸 FE-SEM 평면 사진이고, 도 12는 실시예 2에 따라 제조된 알파 산화갈륨 구조물을 촬영하여 나타낸 FE-SEM 단면 사진이다. 이때, 도 10은 재성장 후 질화막 패턴을 리프트-오프 방법으로 제거하기 전 상태의 사진이고, 도 11은 도 10의 재성장 후 질화막 패턴을 제거한 후 상태의 평면 사진이다. 또한, 도 12는 5 마이크론 이하의 미세 패턴에 대한 재성장과 질화막 패턴을 리프트-오프 방법으로 제거한 후 상태의 단면 사진이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 재성장 후 상부에서 촬영한 FE-SEM 평면 사진을 분석한 결과, 질화규소(Si3N4) 마스크 영역과 재성장 영역의 성장 형태가 상이한 것이 명확히 구분 가능하였다. 성장 형태와 두께를 관찰한 결과 마스크 영역에는 약 10 nm의 구형의 다결정질이며, 재성장 영역은 약 300nm의 단결정질을 보였다.
도 11은 도 10에 도시된 샘플의 재성장 후 질화막 패턴을 리프트-오프 방법으로 제거한 후 상태의 FE-SEM 평면 사진 분석 결과로서, 마스크 영역은 습식 식각(wet-etching)을 통해 깨끗하게 제거되었고, 선택적 재성장된 영역의 알파 산화갈륨 재성장 패턴이 기존 1차 에피성장된 표면처럼 깨끗하게 성장된 것을 확인할 수 있었다.
또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 마이크론 레벨의 미세 패턴에 대하여 재성장 후 질화막 패턴을 리프트-오프 방법으로 제거한 후 상태의 FE-SEM 단면 사진 분석 결과, 중앙의 질화규소(Si3N4) 마스크 영역은 습식 식각(wet-etching)을 통해 깨끗하게 제거되었고, 좌측 및 우측의 선택적 재성장된 영역의 알파 산화갈륨 재성장 패턴이 약 200 ~ 300nm로 두께 확인이 가능하였다.
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 : 기판 준비 단계
S120 : 알파 산화갈륨 박막 형성 단계
S130 : 질화막 패턴 형성 단계
S140 : 알파 산화갈륨 재성장 패턴 형성 단계

Claims (13)

  1. (a) 기판을 준비하는 단계;
    (b) 상기 기판 상면 상에 HVPE 성장법으로 알파 산화갈륨 박막을 형성하는 단계;
    (c) 상기 알파 산화갈륨 박막 상에 선택적인 영역만을 노출시키는 개구를 갖도록 상기 기판 및 알파 산화갈륨 박막을 덮는 질화막 패턴을 형성하는 단계;
    (d) 상기 질화막 패턴의 외측으로 노출된 선택적인 영역에 해당하는 상기 개구 내에 위치하는 알파 산화갈륨 박막을 씨드로 이용하는 HVPE 성장법으로 재성장하여 상기 개구 내에 알파 산화갈륨 재성장 패턴을 형성하는 단계;
    (e) 상기 알파 산화갈륨 박막 및 알파 산화갈륨 재성장 패턴이 형성된 기판으로부터 상기 질화막 패턴을 리프트-오프 공정으로 제거하는 단계;를 포함하며,
    상기 (c) 단계에서, 상기 질화막 패턴은 Si3N4로 이루어지고,
    상기 (c) 단계에서, 상기 질화막 패턴은 상기 선택적인 영역만이 노출되어, 알파 산화갈륨 재성장 패턴 형성 영역과 대응되는 위치에 상기 개구가 형성되고,
    상기 (d) 단계에서, 상기 알파 산화갈륨 재성장 패턴은 상기 개구 내에서 상기 질화막 패턴의 두께보다 낮은 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 알파 산화갈륨 박막은
    불활성 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 450 ~ 650℃의 소스온도 및 400 ~ 600℃의 성장온도 조건으로 성장시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 성장시,
    증착 가스로는 HCl 5 ~ 50sccm 및 O2 100 ~ 1,000sccm의 공급 유량 조건으로 실시하는 것을 특징으로 하는 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    (d-1) 상기 질화막 패턴의 외측으로 노출된 선택적인 영역에 위치하는 알파 산화갈륨 박막을 불활성 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 재가열하는 단계; 및
    (d-2) 상기 재가열된 알파 산화갈륨 박막을 씨드로 이용하는 HVPE 성장법으로 재성장하여 알파 산화갈륨 재성장 패턴을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 재가열은
    3 ~ 6분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 (d-2) 단계에서,
    상기 재성장은
    상기 불활성 가스 분위기에 노출시킨 상태에서 450 ~ 650℃의 소스온도 및 400 ~ 600℃의 성장온도 조건으로 성장시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 재성장은
    1 ~ 7분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서,
    상기 알파 산화갈륨 재성장 패턴은
    상기 선택적인 영역에서 상기 알파 산화갈륨 박막 상에 적층되어 상기 알파 산화갈륨 박막과 전기적으로 직접 연결된 것을 특징으로 하는 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 기판;
    상기 기판 상면 상에 형성된 알파 산화갈륨 박막; 및
    상기 알파 산화갈륨 박막 상에서 선택적인 영역에만 적층 형성되어, 상기 알파 산화갈륨 박막과 전기적으로 연결된 알파 산화갈륨 재성장 패턴;을 포함하며,
    상기 알파 산화갈륨 재성장 패턴은 상기 알파 산화갈륨 박막 상에 선택적인 영역만을 노출시키는 Si3N4 로 이루어지는 질화막 패턴을 형성하고, 상기 질화막 패턴에 의해 노출되는 개구만을 선택적 영역 성장으로 재성장시켜 형성되며,
    상기 알파 산화갈륨 재성장 패턴은 상기 개구 내에서 상기 질화막 패턴의 두께보다 낮은 두께로 형성되고, 상기 질화막 패턴은 리프트-오프 공정에 의해 제거되는 것을 특징으로 하는 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 알파 산화갈륨 재성장 패턴은
    상기 선택적인 영역에서 상기 알파 산화갈륨 박막 상에 적층되어 상기 알파 산화갈륨 박막과 전기적으로 직접 연결된 것을 특징으로 하는 HVPE 성장법을 이용한 선택적 영역 성장에 의해 고전도성을 갖는 알파 산화갈륨 박막 구조물.
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