KR20040042941A - 화합물반도체 제조용 금속유기화학증착 반응로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 박막이 넓은 면적에 걸쳐 균일한 두께와 조성으로 성장 가능할 뿐 아니라 박막 형성에 사용되는 소스가스의 양을 종래보다 대폭 줄일 수 있으며 박막의 막질도 우수한 반도체 제조용 반응로에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, Ⅲ족-Ⅴ족 질화물계 화합물반도체의 박막 형성에 특히 유용한 화합물반도체 제조용 금속유기화학증착 반응로에 관한 것이다.

본 발명의 화합물반도체 제조용 금속유기화학증착 반응로는, a) 반응용기와, b) 상기 반응용기의 개방된 상부에 덮이는 상부판과, c) 상기 반응용기와 상부판으로 에워싸인 반응로의 내부로 고온의 소스가스를 유입시키는 소스가스 공급수단과, d) 상기 반응로 내에 설치되어 다수의 기판을 지지하는 서셉터와, e) 상기 서셉터를 지지한 상태로 회전구동하는 서셉터 구동수단과, f) 화학반응 후 남은 소스가스를 반응로에서 배기하는 소스가스 배출수단을 포함하되, 상기 소스가스가 기판의 표면에 효과적으로 증착되도록 상기 반응로의 내부를 부도체로 둘러싸거나 상부판을 주위와 전기적으로 절연시켜(floating) 구성한 것을 특징으로 한다.

Description

화합물반도체 제조용 금속유기화학증착 반응로{Reactor for Manufacturing Compound Semiconductor}

본 발명은 박막이 넓은 면적에 걸쳐 균일한 두께와 조성으로 성장가능할 뿐 아니라 박막형성에 사용되는 소스가스의 양을 종래보다 대폭 줄일 수 있으며 박막의 막질도 우수한 반도체 제조용 반응로에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, Ⅲ족-Ⅴ족 질화물계 화합물반도체의 박막형성에 특히 유용한 화합물반도체 제조용 금속유기화학증착 반응로에 관한 것이다.

주지하다시피, 화합물반도체란 두 종류 이상의 원소화합물로 이루어진 반도체를 일컫는데, 이에 대한 예로는 질화갈륨(GaN)·인듐인(InP)·갈륨인(GaP) 등의 Ⅲ족-Ⅴ족 화합물반도체와; 황화카드뮴(CdS)·텔루르화아연(ZnTe) 등의 Ⅱ족-Ⅵ족 화합물반도체와; 황화납(PbS) 등의 Ⅳ족-Ⅵ족 화합물반도체 등이 있다.

이러한 화합물반도체는, 게르마늄이나 실리콘 소재의 단체(單體) 반도체와 비교하여 캐리어의 이동도(移動度) 및 띠(band) 구조 등이 다르기 때문에 전기적 ·광학적 성질도 크게 다르다.

따라서, 최근에는 이러한 화합물반도체 중에서 적당한 성질의 것을 골라 내어 발광다이오드·반도체 레이저·고주파 발진소자 등과 같이 단체(單體) 반도체로는 실현할 수 없는 소자 개발에 대해 많은 연구가 이루어지고 있으며, 특히 광통신분야를 중심으로 질화물반도체에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있는 실정이다.

여기서, 질화물반도체-특히, 질화갈륨(GaN) 화합물반도체-의 제조공정에 관한 기술문헌으로는 아래의 것들이 공지되어 있다.

⑴ T. Nakamori, Nikkei Electronics Asia, 6(1), 57(1997),

⑵ M. Kamp,Compound Semiconductor, 2(5), 22 (1996),

⑶ I. Bhat, Compound Semiconductor, 2(5), 24(1996),

⑷ S. Nakamura,Microelectronics, J., 25(8), 651(1994)

⑸ S. Strite and H. Morkoc, J. Vac. Sci. Technol., B10(4), 1237(1992)

한편, 발광다이오드/레이저다이오드/포토다이오드 등의 광전자디바이스에 있어서, 예컨대 사파이어 기판 상에 Ⅲ족-Ⅴ족의 질화물 막을 성장시키는 방법으로는 종래로부터 MOCVD법과 MOVPE법 등이 제안되었다.

이중, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; 금속유기화학증착)법은 서셉터(susceptor)가 내장된 반응로 안으로, 트리메틸알루미늄가스(TMAl gas)나 트리메틸갈륨가스(TMGa gas)나 트리메틸인듐가스(TMIn gas) 또는 이들 유기금속가스가 2종류 이상 혼합된 혼합가스를 흘려 넣음과 동시에 암모니아가스를 흘려 넣어, 상기 유기금속가스와 암모니아가스가 서셉터상에 얹혀진 기판 위에서 반응하여 상기 기판의 표면에 Al_xGa_yIn_zN으로 표현되는 질화물 막이 퇴적되게 하는 방법이다.

이때, 양질의 질화물 막이 기판의 표면에 성막되도록 하려면 물질상수에 관련된 구조적인 특성과 함께 ① 가스의 유량 ② 가스의 흐름 상태 ③ 유기금속가스와 암모니아가스의 비율(분자비율) 등, 화학반응에 관련된 여러 가지 인자를 고려할 필요가 있다.

따라서, 유기금속가스와 암모니아가스가 반응하는 금속유기화학증착 반응로의 설계 시, 이들 소스가스가 반응로 내부에서 층류상태로 유동하여 충분히 확산된 후 화학반응하도록 설계되어야 한다.

반응로가 이러한 점을 간과한 형태로 설계될 경우, 유기금속가스와 암모니아가스가 기판 표면에 도달하기도 전에 만나서, 불안정한 분자 상태로 화학반응을 일으키게 되어 질화물 막의 결정성장이 방해받거나 막질이 떨어지게 된다.

또한, 금속유기화학증착 반응로와 관련된 또 다른 문제로서, 1000℃ 이상의 고온에서 운전되는 반응로와 그 주변의 온도차에 기인한 열대류 현상이 있는데, 수소화물(hydride)인 암모니아가스의 열대류 효과는 매우 커서 반응로 안으로 도입된 유기금속가스까지 열대류에 의한 영향을 받아, 성막두께와 조성이 불균일해지는 문제가 있다.

즉, 암모니아가스와 같은 질소계의 가스를 이용하는 경우, 종래 비소화갈륨계의 화합물반도체 제조 시 700℃∼800℃의 온도범위에서 사용되던 아신가스(AsH₃)와는 전혀 다른 열대류 양상을 띠게 되는 것이다.

그러나, 종래의 박막성장가설은 물질상수에 관련된 구조적인 특성에 입각하여, 전기적으로 중성인 원자나 분자(클러스터)가 기판의 표면에 퇴적되어 박막으로 성장한다고 설명함으로서, 상기 가설로는 도저히 설명되지 않는 여러 가지 문제점을 해소할 수 없었다.

즉, 대면적의 금속유기화학증착 반응로를 제작하여 저렴한 비용으로 화합물반도체를 생산하기 위해서는 다양한 형태의 박막성장가설을 이해할 필요가 있음에도 불구하고, 종래에는 중성원자 또는 중성분자에 의해 박막이 형성된다는 가설에 기반하여 반응로 개발이 시행착오적으로 진행됨으로서 막질의 향상과 반도체 생산효율의 향상에 한계가 있었던 것이다.

본 발명은 종래 박막성장가설에 기반한 금속유기화학증착 반응로의 단점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 반응로의 설계 시, 차지드 클러스터 모델을 적용하여 ① 박막이 넓은 면적에 걸쳐 균일한 두께와 조성으로 성장 가능할 뿐 아니라 ② 박막 형성에 사용되는 소스가스의 양을 종래보다 대폭 줄일 수 있으며 ③ 박막의 막질도 우수한 화합물반도체 제조용 금속유기화학증착 반응로를 제공함에 목적이 있다.

여기서, 본 발명의 모티프가 된 차지드 클러스터 모델은, 최근에 많은 논문들을 통해 발표되고 있는데 이 가설에 의하면 그 동안 이해하지 못하였던 박막 형성 시의 여러 가지 현상들을 설명할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 화합물반도체 제조용 금속유기화학증착 반응로의 개략적인 구성을 도시한 단면도이다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 화합물반도체 제조용 금속유기화학증착 반응로의 개략적인 구성을 나타낸 단면도이다.

도 3a와 도 3b는 차지드 클러스터 모델(Charged Cluster Model)에 대한 간략 설명도이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화합물반도체 제조용 금속유기화학증착 반응로에서, 암모니아가스가 전하를 띠도록 하는 전하공여수단을 사용하지 않고 8리터의 암모니아가스를 반응로 안에 주입하여 InGaN 박막을 성장시켰을 때의 X-ray회절 측정결과 그래프이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화합물반도체 제조용 금속유기화학증착 반응로에서, 전하공여수단을 사용하고 암모니아가스를 6.5리터 주입했을 때의 X-ray회절 측정결과 그래프이다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화합물반도체 제조용 금속유기화학증착 반응로에서의 증착실험 결과를 나타낸 것이다.

도 7은 종래 반응로에서의 증착실험 결과를 나타낸 것이다.

[도면 부호의 설명]

1...퍼지가스 공급관, 2...제1소스가스 공급관,

3...상부 부도체, 4...상부판,

5...스페이서, 6...측면 부도체,

7...서셉터 구동수단, 8...반응용기,

9...격리판, 10,14...가스유출구,

11...제2히터, 12...제2히터 커버,

13...제2소스가스 공급관, 15...서셉터,

16...웨이퍼, 17...제1히터,

18...제1히터 전극.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명자들은 금속유기화학증착 반응로의 설계 시 종래와는 다른 박막성장가설(차지드 클러스터 모델)을 도입하였다.

본 발명의 이론적 근거가 된 차지드 클러스터 모델(Charged Cluster Model)은 종래의 박막성장가설과 달리 기판의 표면에 증착되는 입자(클러스터; 수 백에서 수 천개의 원자가 집합됨)가 금속유기화학증착 반응로 내에 존재하는 이온이나 광여기된 분자들에 의해 가스 상태에서 전하를 띠도록 유기되어 기판의 표면에 증착된다는 이론이다.

이하에서는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여, 차지드 클러스터 모델이 어떤 것인 지에 대해, 도면을 참조하여 그 원리를 간단히 설명한다.

도 3a와 도 3b는 본 발명의 모티프가 된 차지드 클러스터 모델에 대한 간략 설명도로서, 특히 도 3a는 CVD법으로 다이아몬드와 흑연을 성장시킬 때 핵 생성에 대한 자유에너지곡선을 보여 주고 있으며, 아래의 수식 1은 가스 상태의 탄소입자가 다이아몬드나 흑연으로 형성될 때의 자유에너지변화(free energy change)을 나타낸 것이다.

수식 1

ΔG_dia,gra= -Δμ_dia,gra* n + η_dia,gra* σ_dia,gra* n^2/3

여기서, Δμ는 기체상태에서 고체상태로 변환될 때의 원자 당 자유에너지변화(the bulk free energy change per atom associated with the transfer of an atom from the vapor to the solid phase)를 나타내며, n는 입자의 원자 갯수(the number of atoms in the particle), σ는 비표면에너지(the specific surface energy), η는 형상 인자(the shape factor = (4π)1/3(3Ω)2/3), Ω는 원자체적 (atomic volume)을 나타낸다.

일반적으로, 탄소입자가 아주 작은 크기의 클러스터(수 백개 정도의 원자)로 존재할 경우에는 도 3a에 도시된 것처럼 다이아몬드(diamond)로 존재하는 것이 안정적이지만, 가스상태의 탄소입자가 고체상태의 다이아몬드나 흑연으로 석출되기위해서는 더 많은 수의 원자가 응집되어야 하고 상변태가 이루어지기 위해서는 장벽에너지(barrier energy)를 넘어야 한다.

이 경우, 다이아몬드보다 흑연(graphite)이 더 낮은 장벽에너지를 갖기 때문에 가스상태의 탄소입자는 흑연으로 석출된다.

하지만, 공정조건을 변화시키면 다이아몬드가 석출된다.

이것은 표면에너지의 함수로 표현되는 다이아몬드의 자유에너지가 도 3a에 도시된 바와 같이 10%, 20% 낮아지기 때문이다.

이처럼, 공정조건에 따라 표면에너지가 낮아질 수 있는 이유는, 금속유기화학증착 반응로 안의 탄소입자가 이온화 되었을 때, 다이아몬드의 경우는 부도체이므로 도 3b에 도시된 것처럼 쌍극자 상호작용(dipole interaction)에 의해 전하가 형성되지만, 흑연의 경우는 도체이므로 표면에 전하가 형성되지 않기 때문이다.

이 때, 표면전하(surface charge)와 표면에너지(surface energy)의 관계는, 아래의 수식 2와 같이 리프만방정식(Lippmann equation)으로 표현된다.

수식 2

ｄσ/dV = -q

여기서, V는 인터페이스 사이의 전위차(the electric potential difference across the interface)이고, q는 표면전하량(the amount of charge built up at the surface)이다.

이어서, 평행판 컨덴서(parallel plate condenser)로 가정해 헬름홀츠-페린 모델(Helmholtz-Perrin model)을 적용하면, 입자표면 전하의 전위(potential)를 아래의 수식 3과 같이 구할 수 있다.

수식 3

V = (4πd/ε)*q

여기서, d는 평행판 사이의 거리(the distance between the parallel plates)이고, ε는 유전상수(the dielectric constant)이다.

이후, 수식 3을 수식 2에 대입하여 계산하면 아래의 수식 4를 얻게 된다.

수식 4

σ=σ_max-(ε/4πd)*(V²/2)

따라서, 도 3b에 도시된 바와 같이 다이아몬드의 표면에 전하가 형성될 경우, 표면에너지가 낮아지고 자유에너지 역시 낮아져서 전하를 띠는 기체상태의 탄소입자가 다이아몬드로 석출된다.

뿐만 아니라, 장벽에너지(barrier energy)를 넘기 위해 응집되어야 할 입자의 크기(응집된 원자의 수)도 작아진다. 즉, 적은 수의 원자가 모여도 쉽게 핵이생성될 수 있고 핵들이 모여 결정으로 성장됨으로서 양질의 박막을 얻을 수 있다.

이러한 실험결과는, 차지드 클러스터 모델(charged cluster model)이 화학증착법에 의한 박막의 성장에도 유효하게 적용될 수 있음을 보여 주는 실제 사례라고 할 수 있다.

{참고문헌 : ① Nong M. Hwang, J. Crystal Growth, 218, 33 (2000); ② Woo S. Cheong, J. Crystal Growth 218, 27 (2000); ③ Kyoon Choi, J. Crystal Growth, 172, 416 (1997); ④ Nong M. Hwang, J. Crystal Growth, 162, 55 (1996)}

이하, 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 화합물반도체 제조용 금속유기화학증착 반응로에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 화합물반도체 제조용 금속유기화학증착 반응로는, 앞에서 언급한 바와 같이, 그 이론적 근거로서 차지드 클러스터 모델을 채택하였다.

상기의 차지드 클러스터 모델은, 기판 표면에 증착되는 입자가 전하를 띤다는 것이므로, ⑴ 반응로 내부로 유입되는 소스가스가 쉽게 이온화 될 수 있고, 또한 ⑵ 전하를 띤 소스가스가 오랫동안 전하를 보유할 수 있는 형태로 금속유기화학증착 반응로를 설계하는 것이 바람직할 것이다.

본 발명자들은 이러한 점을 고려하여, 금속유기화학증착 반응로의 제작 시, ① 반응로의 내벽 전체를 부도체로 둘러싸거나 ② 반응로의 내벽 일부를 부도체로 둘러싸고 나머지 부분은 전기적으로 절연시켜(이하, 플로팅(floating)이라고 함) 제작하였다. 이때, 상기 반응로의 상부판에 인접·설치되는 부도체는, 소스가스의흐름을 고려하여 반응로의 내벽으로부터 상기 반응로의 중심 쪽을 향해 경사지게 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 반응로의 내부로는 1000℃ 이상으로 가열된 고온의 소스가스가 주입되기 때문에, 상기 부도체 및/또는 반응로의 소재로서 내열성이 우수한 것이 바람직하다.

이에 대한 예로서, 석영이나 알루미나(Al₂O₃) 또는 질화붕소(BN) 등이 있으며, 이들 소재는 공지의 다른 소재와 혼합되어 소성가공된 형태로 제공될 수 있다.

이러한 구성에 따르면, 반응로 내부에서 화학반응이 일어나는 동안 소스가스의 전하유실을 억제할 수 있고, 고온에서의 내구성을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 소스가스 중 유기금속가스와 반응하는 암모니아가스 등의 소스가스가 상기 반응로의 내부로 주입될 때 항상 전하공여수단이 설치된 지점을 지나도록 함으로서, 상기 암모니아가스가 반응로의 내부로 주입되기 전 또는 주입 직후에 더욱 쉽게 전하를 띨 수 있도록 함을 특징으로 한다.

여기서, 암모니아가스 등의 소스가스가 전하를 띠도록 해 주는 전하공여수단으로는, 예컨대 PBN히터나 마이크로웨이브나 플라즈마 또는 핫-필라멘트 등이 채용될 수 있다.

이러한 구성에 따르면, 유기금속가스와 반응하여 기판 표면에 성막되는 암모니아가스 등의 소스가스를 종래보다 60% 정도 줄이더라도 동일한 생산결과를 얻을 수 있다. 따라서, 반도체의 생산과정에서 배출되는 유해가스의 발생량을 대폭으로줄임은 물론 각종 기계요소의 부식 등을 억제하는 효과와 함께 소스가스의 사용량을 대폭 줄일 수 있어 비용절감을 달성할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 제1소스가스 공급관과 제2소스가스 공급관 사이에 부도체로 만든 격리판이 추가로 설치된 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 따르면, (+) 또는 (-) 전하를 띤 소스가스가 서로 분리되어 층류상태로 유동하게 될 뿐 아니라 척력작용에 의해 전하를 잃어버리지 않음으로서 더욱 멀리까지 이동되므로, 상기 반응로 안으로 주입된 소스가스가 대면적에 걸쳐 고루 반응하게 된다.

이하에서는, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화합물반도체 제조용 금속유기화학증착 반응로의 구성 및 작용에 대해 설명한다.

본 발명의 화합물반도체 제조용 금속유기화학증착 반응로는, ⑴ 소정체적의 내부공간을 갖는 반응로와 ⑵ 이에 부수하는 여러 요소들로 이루어진다.

상기 반응로는, 예컨대 ① 원통형의 반응용기와 ② 상기 반응용기의 개방된 상부에 결합되는 SUS소재의 상부판으로 이루어져 있다.

상기 반응로에는, 소스가스를 반응로 내부로 주입하는 소스가스 공급수단과; 다수의 기판을 지지하는 서셉터(susceptor)와; 서셉터를 지지한 상태로 회전구동하는 서셉터 구동수단과; 상기 서셉터를 가열하는 가열수단과; 소스가스 중 유기금속가스와 반응하는 소스가스가 상기 반응로 내에서 전하를 띨 수 있도록 전하를 공여하는 전하공여수단과; 반응로로부터 소스가스를 배기하는 소스가스 배출수단; 및 반응로의 내벽을 둘러싸고 있는 부도체판이 각각 설치되어 있다.(도 1 참조)

상기 반응로의 내벽 중 일부만 부도체판으로 둘러싸는 경우에는 나머지 부분이 전기적으로 플로팅된다.(도 2 참조)

더욱 상세하게는, 하기의 실시예에서 설명된 바와 같이, 기판 표면에 질화물 막을 성막하는 소스가스로, 암모니아가스 등의 Ⅴ족 소스가스와 TMGa 등의 Ⅲ족 유기금속가스가 사용된다.

상기 암모니아가스는 반응로 내부로 주입되기 전에, 전하를 쉽게 띨 수 있도록 전하공여수단을 거치게 된다. 하기의 실시예에서는 상기 전하공여수단으로서 제 2히터를 채용하여, 상기 암모니아가스가 소스가스 공급관을 따라 흐를 때, 제2히터에 의해 고온으로 가열된 관벽에 의하여 이온화 되도록 하였다. 물론, 상기 전하공여수단으로는, 핫-필라멘트나 플라즈마 또는 마이크로웨이브 등이 채용 가능하다.

여기서, 상기 암모니아가스가 공급되는 소스가스 공급수단으로는, 본 출원인이 선출원한 특허출원 제 10-1998-0012550 호에 기재된 구성을 따른다.

또한, 반응로 내에 노출되거나 소스가스와 접촉되는 부분은, 고온에서의 내열성이 우수한 부도체 소재로 제작되는 것이 바람직하다.

< 실시예 >

도 1에는, 본 실시예에 따른 질화물계 화합물반도체의 금속유기화학증착 반응로가 도시되어 있다.

본 실시예의 반응로는 화합물반도체를 제조하기 위한 반응공정 중 금속유기화학증착(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD) 공정에 주로 사용되기 위한 것이나, 상기 목적에 적합한 다른 공정에도 사용될 수 있다.

도면에서 보듯이, 본 실시예의 금속유기화학증착 반응로에는, 암모니아가스를 제외한 소스가스(예컨대 유기금속가스)가 분사되는 제1소스가스 공급관(2)이 이중의 수냉자켓이 설치된 상부판(4)에 고정되어 있고, 상기 상부판(4)의 바로 아래에 상부 부도체(3)가 위치되어 있다.

여기서, 상부 부도체(3)와 상부판(4) 사이의 빈 공간에는, 가스 정체가 일어나는 데드볼륨(dead volume)을 제거하고 상부 부도체의 온도를 제어하기 위하여, 퍼지가스 공급관(1)을 통해 가스가 주입된다.

또한, 상부판(4)의 하면과 반응용기(8)의 상면 사이에, 상부 부도체(3)를 지지하기 위한 스페이서(5)가 조립된다.

또한, 반응용기(8)의 내면과 서셉터(15) 사이의 공간에도 측면 부도체(6)를 설치하여, 전하를 띈 입자(소스가스)들이 반응로의 내부에서 전하를 잃지 않도록 한다.

도면에서, 웨이퍼(기판)(16)는 서셉터(15) 위의 포켓에 장착되어 있으며, 상기 서셉터(15)는 다시 서셉터 구동수단(7) 위에 놓여져 있다.

그리고, 제1히터 전극(18)에 의해 발열되는 제1히터(17)가 서셉터(15)를 가열하기 위해 상기 서셉터의 아래에 설치되어 있다.

또한, 본 실시예에서는 반응로 안으로 주입되는 암모니아가스를 높은 온도(약 1000℃)로 가열하여 상기 암모니아가스가 질소이온과 수소이온으로 쉽게 이온화될 수 있도록, 특허출원 제 10-1998-0012550 호에 기술된 암모니아가스 공급관의 구성을 채용하여 석영 등의 부도체 소재로 만든 제2소스가스 공급관(13)의 외부에 튜브형태의 제2히터(11)를 설치하였다.

이와 같이 하면, 상기 서셉터(15)를 가열하는 제1히터(17)와 상술한 제2히터를 독립적으로 제어할 수 있기 때문에, 인듐(In)를 포함하는 질화물계 화합물반도체를 제조하기 위해 서셉터의 온도를 낮출 때에도, 암모니아가스는 높은 온도로 가열되어 높은 밀도의 질소이온을 공급할 수 있게 된다.

첨부된 도 4와 도 5는 제2히터 사용 시의 장점을 확인할 수 있는 X-ray회절 측정결과 그래프로서, 일반적으로 암모니아가스가 부족하면 InGaN 박막 표면에 In 금속이 증착되지만, 본 실시예에서는 680℃에서 6.5리터의 암모니아가스를 사용해서 성장한 경우에도 In 금속이 나타나지 않았다. 하지만, 제2히터를 사용하지 않으면 8.0리터의 암모니아가스를 사용했음에도 불구하고 표면에 In 금속이 증착되었다. 따라서, 이들 도면으로부터 제2히터 사용 시의 효과, 다시 말하면 전하공여수단의 사용 시 효과를 확인할 수 있다.

여기서, 본 실시예에서는 튜브형태의 제2히터(11)로서 PBN 코팅히터를 사용하였으며, 상기 제2히터의 외부를 제2히터 커버(12)로 보호하였다.

또한, 도면에는 제2소스가스 공급관(13)이 반응로의 중심에 위치한 것으로 도시되어 있으나, 다른 소스가스(예컨대, 유기금속가스)의 유동을 방해하지 않고 웨이퍼(16) 상에서 질소이온 가스의 균일한 유동을 보장하는 한, 상기 제2소스가스공급관은 반응로 내의 어느 지점에라도 위치시킬 수 있다.

이후, 제2히터에 의해 가열된 암모니아가스와 상기 암모니아가스에서 유리된 이온상태의 수소 및 질소는, 제2소스가스 공급관의 말단에 설치된 가스유출구(10)를 통해 반응로 안으로 분사된다.

또한, 본 실시예의 금속유기화학증착 반응로에는, 암모니아가스 이외의 소스가스가 주입되는 제1소스가스 공급관(2)의 말단에도 가스유출구(14)를 형성하되 반응로 안으로 주입되는 소스가스의 예비반응과 와류반응을 억제하고 층류(laminar flow)유동을 돕기 위해, 2개의 가스유출구(10,14) 사이에 부도체 소재의 격리판(9)을 설치하였다.

이와 같이 하면, 두 소스가스의 반응성 및/또는 유량에 따라 반응로의 크기를 조절할 수 있으며, 격리판(9)을 지나온 유기금속가스와 이온화된 질소가 높은 온도로 가열된 서셉터 위에서 반응하여 기판 위에 고품질의 질화물 막을 넓은 면적에 걸쳐 고르게 형성할 수 있게 된다.

도 6과 도 7은, 금속유기화학증착 반응로의 내부를 부도체로 둘러싼 경우와 그렇지 않은 경우의 증착형태를 나타낸 것으로서, 도 6에서 보는 바와 같이 반응로 내부를 부도체로 둘러싼 경우, 반응로 내에 주입된 소스가스의 입자들이 전하를 잃는 것을 막음으로서 넓은 영역에서 증착이 이루어짐을 알 수 있었다(도면에서 노란색으로 표현된 부분이 증착된 부분임).

한편, 본 발명에서는 Ⅲ족-V족 화합물반도체의 경우에 대해서만 설명을 하였지만 이에 한정되는 것은 아니며, 예컨대 특허청구범위에서 벗어나지 않는다면 다른 조성의 반도체 제작용 반응로에도 이용될 수 있다.

이상과 같이 구성되는 본 발명의 금속유기화학증착 반응로에 따르면, 반응로 안으로 주입된 소스가스가 전하를 그대로 간직한 채, 대면적에 걸쳐 층류상태로 확산이 가능하다. 따라서, 부도체로 둘러싸인 반응로 상면 혹은 측면에의 증착은 억제하면서 기판 표면에의 증착율은 높여 줄 수 있다.

또한, 적은 양의 소스가스로도 높은 성장률(성막율)을 얻을 수 있으므로 비용 절감의 효과를 가져다 준다.

뿐만 아니라, 본 발명에서는 인위적으로 클러스터가 쉽게 전하를 띠도록 함으로서 박막 성장이 이루어지는 입자의 크기를 작게 할 수 있었다. 그로 인해, 조밀한 결정 성장이 이루어져 박막 특성(막질)을 향상시킬 수 있었다.

또한, 전기적으로 중성인 원자 또는 분자(클러스터)가 가스 상태로 존재할 경우에는 Brownian coagulation이 이루어져 기공이 많은 구조로 성장되지만, 전하를 띤 입자는 colloid suspension처럼 거동하기 때문에 Coulomb repulsion이 존재하여 조밀한 구조로 성장할 수 있고 따라서 양질의 화합물 반도체를 제조할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 제2소스가스 공급관을 통하여 암모니아가스를 공급할 때 상기 암모니아가스가 전하공여수단이 설치된 지점을 통과하도록 함으로서, 암모니아가스 혹은 암모니아가스로부터 유리된 수소나 질소가 전하를 띤 상태로 반응로의 내부에 주입되게 하였다.

이로 인하여, 암모니아가스와 유기금속가스의 반응성을 매우 높은 수준으로 유지할 수 있었으며, 유기금속가스의 차징(charging)도 빠르게 유기할 수 있게 되어 박막성장이 용이하게 이루어졌다.

또한, 본 발명의 금속유기화학증착 반응로에서는, 소스가스가 전하를 잃지 않은 상태에서 반응로의 내부를 끝까지 유동할 수 있으므로 성막두께와 조성의 균일도를 향상시킬 수 있었다. 따라서, 대면적/대용량의 반응로를 제작할 수 있고, 질화물계 화합물반도체의 양산성을 높일 수 있다.

Claims (5)

1. a) 반응용기와;

   b) 상기 반응용기의 개방된 상부에 덮이는 상부판과,

   c) 상기 반응용기와 상부판으로 구성된 반응로의 내부에 소스가스를 유입시키는 제1 및 제2소스가스 공급관을 포함하되,

   상기 반응로의 내면 전체를 부도체로 둘러싼 것을 특징으로 하는 화합물반도체 제조용 금속유기화학증착 반응로.
2. 제1항에 있어서,

   상기 부도체 중 상부판에 인접되는 부도체는, 상기 반응로의 내면에서부터 반응로의 중심 쪽을 향하여 경사진 것을 특징으로 하는 화합물반도체 제조용 금속유기화학증착 반응로.
3. a) 반응용기와;

   b) 상기 반응용기의 개방된 상부에 덮이는 상부판과,

   c) 상기 반응용기와 상부판으로 구성된 반응로의 내부에 소스가스를 유입시키는 제1 및 제2소스가스 공급수단을 포함하되,

   상기 반응로의 내면 일부는 부도체로 둘러싸고 나머지 부분은 전기적으로 플로팅 한 것을 특징으로 하는 화합물반도체 제조용 금속유기화학증착 반응로.
4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 제2소스가스 공급관에 전하공여수단을 추가로 설치하여, 상기 제2소스가스 공급관을 통해 공급되는 소스가스가 쉽게 전하를 띠도록 한 것을 특징으로 하는 화합물반도체 제조용 금속유기화학증착 반응로.
5. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1소스가스 공급관과 제2소스가스 공급관 사이의 공간에, 부도체 소재의 격리판이 추가로 설치된 것을 특징으로 하는 화합물반도체 제조용 금속유기화학증착 반응로.