KR19990033493A - 질화갈륨(ＧａＮ) 웨이퍼 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 질화갈륨(GaN) 웨이퍼 제조 방법은, 기판 위에 일산화아연을 성장시켜, 제1 완충층을 형성하는 단계를 포함한다. 다음에 제1 완충층에서 아연이 휘발되지 않는 온도로써 질화갈륨에 대한 완충 물질을 성장시켜, 제2 완충층을 형성한다. 또한 제2 완충층 위에 질화갈륨 후막을 성장시킨다. 그리고 기판 및 제1 완충층을 제거한다.

Description

질화갈륨(ＧａＮ) 웨이퍼 제조 방법

본 발명은 질화갈륨(GaN) 웨이퍼 제조 방법에 관한 것이다.

질화갈륨은, 밴드갭(band gap) 에너지가 3.39 eV(electron Volt)인 직접 천이형 광대역 반도체(wide bandgap semiconductor)로서, 청색 발광 소자 및 고온 전자 소자로의 응용에 적합한 물질이다. 이 질화갈륨 결정의 웨이퍼 및 이를 이용한 소자 개발은 오래전부터 그 중요성이 인식되어 왔으나, 고품질의 질화갈륨 웨이퍼를 제조하기 어려운 실정이다.

도 1에는 종래의 한 질화갈륨 웨이퍼의 공정 단면이 도시되어 있다. 도 1의 질화 갈륨 웨이퍼 제조 방법은, 이종 기판(11) 위에 질화갈륨 후막(12)을 직접 성장시키는 방법이다.

질화갈륨은, 그 융점에서 질소의 높은 증기압이 발생되므로, 일반적인 액상으로부터의 결정 성장이 어렵다. 이에 따라, 기상 성장 방식의 하나인 HVPE(Hydride or Halide Vapor Phase Epitaxy) 방식이 질화갈륨의 결정 성장에 채용된다. 즉, 이종 기판(11) 위에 가스들을 흘려줌으로써 가스들의 반응에 의하여 결정이 성장되게 하는 방식이다. 한편, 이종(異種) 기판 위에 질화갈륨 후막층을 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 방식으로 성장시키는 방법도 개발된 바 있다.

상기와 같은 직접 성장 방법으로써 고품질의 질화갈륨 결정을 얻으려면, 이종(異種) 기판(11)의 결정 특성이 질화갈륨의 결정 특성과 최대한 근접되어야 한다. 이에 적합한 이종 기판으로서 사파이어 또는 탄화실리콘 기판(11)이 주로 사용된다.

이종 기판(11)이 사파이어 재질로 된 경우, 그 결정 구조가 질화갈륨의 것과 유사하고, 고온 안정성이 높으며, 가격이 싸다는 장점들이 있다. 그러나, 그 격자 상수가 질화갈륨의 것과 차이(약 16 %)가 크고, 열팽창 계수도 질화 갈륨의 것과 차이(약 35 %)가 크다. 이에 따라, 질화갈륨과 사파이어의 계면에서 인장(strain)에 의한 결함들이 많이 발생한다.

이종 기판(11)이 탄화실리콘(SiC) 재질로 된 경우, 그 결정 구조가 질화갈륨의 것과 같고, 고온 안정성이 높으며, 격자 상수 및 열팽창 계수도 질화갈륨의 것들과 유사하다. 뿐만 아니라, 열 및 전기 전도도도 높아, 많은 장점들을 지니고 있다. 그러나, 가격이 비싸고, 질화갈륨과 사파이어의 계면에서 마이크로파이프(micropipe)가 존재하는 문제점들을 안고 있다.

한편, 상기와 같은 직접 성장 방법에 의하면, 사파이어 또는 탄화실리콘 기판(11)은, 화학적으로 안정되어 에칭(etching)에 의하여 질화갈륨 후막(12)으로부터 분리되지 않는다. 결국 기계적 연마(mechanical grinding)에 의하여 물리적으로 제거되어야 하는데, 이에 따른 많은 문제점들이 존재하고 있다. 따라서, 관련 소자의 집적도에 장애가 된다.

도 1에 도시된 직접 성장 방법의 문제점들을 개선한 질화갈륨 웨이퍼의 공정 단면이 도 2에 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 사파이어 기판(21) 위에 일산화아연(ZnO) 완충층(22)을 박막 성장한 후, 그 위에 질화갈륨 후막(23)을 성장시키도록 되어 있다. 이 일산화아연 완충층(22)은 질화갈륨 후막(12)과 결정 특성이 유사하고, 에칭에 의하여 제거될 수 있다. 질화갈륨과 일산화아연의 결정 구조(Crystal structure)는 같고, 격자 상수는 다음과 같은 차이를 가진다. 격자 상수 a는, 질화갈륨의 경우 3.189 [Å]이고 일산화아연의 경우 3.2496 [Å]이다. 격자 상수 c는, 질화갈륨의 경우 5.185 [Å]이고 일산화아연의 경우 5.2065 [Å]이다. 따라서 격자 상수 a에서는 1.9 %, c에서는 0.4 %의 차이가 있다. 완충층(22)의 재질로서 질화갈륨 또는 질화알루미늄(AlN)을 쓰는 경우, 질화갈륨 후막(12)과 결정 특성이 거의 같아 화학적으로 안정되지만, 에칭에 의하여 제거되지 않는다. 즉, 사파이어 기판(21)을 질화갈륨 후막(23)으로부터 분리시킬 수 없다. 따라서, 일산화아연 완충층(22)을 개재시킴으로써, 질화갈륨 후막(12)과의 계면에서 발생되는 결함을 완화시키고, 사파이어 기판(21)을 쉽게 분리시킬 수 있다.

한편, 고품질의 질화갈륨 후막(34)을 형성하려면 1,000 [℃] 정도의 높은 성장 온도가 필요하다. 그러나 이 성장 온도에서는 아연(Zn)의 과도한 휘발로 인하여 일산화아연 완충층(22)의 표면에 결함이 발생된다. 이에 따라, 성장된 질화갈륨 후막(34)과 일산화아연 완충층(22) 사이의 밀착력이 약화되어, 그 사이가 들뜨거나 질화갈륨 결정이 떨어져 나가기도 한다.

본 발명의 목적은, 기판과 질화갈륨 후막 사이의 일산화아연 완충층에서 아연(Zn)이 과도하게 휘발되는 현상을 방지할 수 있는 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 한 질화갈륨(GaN) 웨이퍼의 공정 단면도이다.

도 2는 종래의 또 다른 질화갈륨(GaN) 웨이퍼의 공정 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 질화갈륨(GaN) 웨이퍼의 공정 단면도이다.

도 4는 도 3의 웨이퍼가 완성된 상태의 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11...사파이어 또는 탄화 실리콘 기판, 21, 31...사파이어 기판,

12, 23, 34...질화갈륨 후막, 22, 32...일산화아연 완충층,

33...질화갈륨 또는 질화알루미늄 완충층.

상기 목적을 이루기 위한 본 발명의 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법은, 기판 위에 일산화아연을 성장시켜, 제1 완충층을 형성하는 단계를 포함한다. 다음에 상기 제1 완충층에서 아연이 휘발되지 않는 온도로써 질화갈륨에 대한 완충 물질을 성장시켜, 제2 완충층을 형성한다. 상기 제2 완충층 위에 질화갈륨 후막을 성장시킨다. 그리고 상기 기판 및 상기 제1 완충층을 제거한다.

본 발명의 상기 제2 완충층은 아연이 휘발되지 않는 온도로써 성장되므로, 상기 제1 완충층에서 아연(Zn)이 과도하게 휘발되는 현상을 방지할 수 있다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 3에는 본 발명에 따른 질화갈륨(GaN) 웨이퍼의 공정 단면이 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 먼저 사파이어 기판(31) 위에 일산화아연(ZnO)을 성장시켜, 제1 완충층(32)을 형성한다. 다음에 제1 완충층(31)에서 아연(Zn)이 휘발되지 않는 온도로써 질화갈륨(GaN) 또는 질화알루미늄(GaN) 결정을 성장시켜, 제2 완충층(33)을 형성한다. 다음에 제2 완충층(33) 위에 질화갈륨 후막(34)을 성장시킨다. 그리고 사파이어 기판(31) 및 제1 완충층(32)을 제거한다. 이와 같이 완성된 웨이퍼의 단면이 도 4에 도시되어 있다.

상기 사파이어 기판(31)의 전처리 방법은 다음과 같다. 먼저 TCE, 아세톤, 알콜 및 증류수(D.I. water)로 초음파 세척기에서 각각 5분 동안 세척한다. 다음에 황산(H₂SO₄)과 인산(H₃PO₄)이 3:1로 혼합된 용액에서 10분 동안 에칭한다. 그리고 10 [%] 불화수소(HF) 용액에서 에칭 후 증류수로 세척한다.

사파이어 기판(31) 위에 일산화아연(ZnO)을 성장시키는 단계는 고주파 스퍼터링(RF sputtering) 방식에 의하여 수행된다. 스퍼터링 대상으로서 일산화아연 세라믹판(ceramic disc)을 사용하고, 방전 가스로서 아르곤(Ar)과 산소(O₂) 가스를 주입한다. 성장된 제1 완충층(32)의 두께는 0.01 내지 0.1 마이크로미터(㎛)가 되게 한다.

제1 완충층(32) 위에 제2 완충층(33)을 형성하는 단계는 HVPE 방식으로써 수행된다. HVPE 방식 대신에 MOCVD 방식을 사용할 수도 있다. 주입 가스들은 트리메틸갈륨(TmGa)과 암모니아(NH₃) 가스이다. 여기서 적용 온도가 400 내지 600℃이도록 제어하여 아연이 휘발되지 않게 한다. 본 실시예에서는 500℃를 적용한다. 성장된 제2 완충층(33)의 두께로서 0.01 내지 0.15 마이크로미터(㎛)가 적합하다. 본 실시예에서는 0.03 마이크로미터(㎛)가 되게 한다.

제2 완충층(33) 위에 질화갈륨 후막(34)을 성장시키는 단계는 HVPE 방식으로써 수행된다. 주입 가스들은 염화갈륨(GaCl)과 암모니아(NH₃) 가스이다. 여기에 캐리어 가스로서 질소 가스(N₂)가 주입된다. 여기서 적용되는 온도로서 950 내지 1,200℃가 적합하다. 본 실시예에서는 1,050℃를 적용한다. 질화갈륨 결정의 성장은 아래의 화학식 1에 따라 이루어진다.

GaCl + NH₃→ GaN + HCl + H₂

이와 같은 반응에 의해 성장된 웨이퍼가 서서히 상온이 되게 한 후, 100℃의 왕수에 담구어 초음파 세척기로써 진동시킨다. 이에 따라, 제1 완충층(32)이 에칭됨에 따라 제1 완충층(32) 및 사파이어 기판(31)이 제거된다.

이상 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법에 의하면, 기판과 질화갈륨 후막 사이의 일산화아연 완충층에서 아연이 과도하게 휘발되는 현상을 방지할 수 있음에 따라, 경계면에서의 결함이 최소화되는 고품질의 질화갈륨 웨이퍼를 제조할 수 있다. 즉, 일산화아연 완충층을 에칭함으로써 사파이어 기판을 손쉽게 분리할 수 있을 뿐만 아니라, 일산화아연 완충층에 의한 품질 열화를 방지할 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 당업자의 수준에서 그 변형 및 개량이 가능하다.

Claims (11)

1. 기판 위에 일산화아연을 성장시켜, 제1 완충층을 형성하는 단계;

   상기 제1 완충층에서 아연이 휘발되지 않는 온도로써 질화갈륨에 대한 완충 물질을 성장시켜, 제2 완충층을 형성하는 단계;

   상기 제2 완충층 위에 질화갈륨 후막을 성장시키는 단계; 및

   상기 기판 및 상기 제1 완충층을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 기판은,

   사파이어 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 제2 완충층을 형성하는 단계는,

   질화갈륨 박막 및 질화알루미늄 박막 중 어느 하나를 성장시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 완충층의 두께는,

   0.01 내지 0.1 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 제2 완충층의 두께는,

   0.01 내지 0.15 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 제1 완충층을 형성하는 단계는,

   상기 일산화아연을 스퍼터링 방식으로 성장시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 제2 완충층을 형성하는 단계는,

   MOCVD 방식으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 제2 완충층을 형성하는 단계는,

   HVPE 방식으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 질화갈륨 후막을 성장시키는 단계는,

   HVPE 방식으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 제2 완충층을 형성하는 단계에서 상기 아연이 휘발되지 않는 온도는,

    400 내지 600℃인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법.
11. 제1항에 있어서, 질화갈륨 후막을 성장시키는 단계에 적용되는 온도는,

    950 내지 1,200 ℃인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법.