KR20050058954A - 산화아연 버퍼층을 이용한 질화갈륨 에피층 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화아연 버퍼층을 이용한 질화갈륨 에피층 제조방법에 대한 것이다. 본 발명의 산화아연 버퍼층을 이용한 질화갈륨 에피층 제조방법은 코발트가 도핑된 산화아연 버퍼층을 형성하여 전위결함 밀도가 낮은 고품위 질화갈륨 박막층이 안정하게 성장하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 질화물 반도체의 제조방법에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 실리콘 웨이퍼 기판과 박막층의 격자상수 차이와 열팽창계수 차이를 극복하기 위해 코발트가 도핑된 산화아연 버퍼층을 설치하고, 그 버퍼층의 상부에 질화갈륨 박막층을 증착하는 질화물 반도체의 제조방법에 대한 것이다.
3족 질화물 박막을 이용한 반도체 소자의 품질은 전위결함밀도, 도판트의 농도 등에 의하여 좌우되는데, 현재까지는 격자상수의 불일치, n-type 백그라운드 캐리어 농도, 열팽창계수 등으로 발생되는 결함을 해소하는 방법이 개발되어 있지 않아 고품위 질화갈륨 박막의 제조가 용이하지 않았다.
그러나, 최근의 향상된 화학 기상 증착장치에 의하여 만들어지는 질화갈륨은 결정성과 전기적, 광학적 품질이 향상되어 실제 반도체 소자로 제작되기에 이르렀다. 또한 질화갈륨 박막의 제작에 있어서 2단계 성장법 (Two Step Growth)을 이용한 버퍼층의 사용으로 격자상수 차가 큰 기판상에서도 단결정 박막을 제조할 수 있게 되었다.
Akasaki와 Nakamura 등의 연구에 의하면, 화학 기상증착장치를 사용하여 400 내지 600℃에서 질화알미늄(AIN)이나 저온 질화갈륨(Low Temperature GaN)을 성장시키고 그 상부에 질화갈륨을 성장시킨 경우에는 3차원 성장(3 Dimensional Growth)이 현저하게 저지되어 양질의 에피 질화갈륨을 얻을 수 있게 된다고 보고하였다.
또한, 고품질의 질화갈륨 박막을 성장시키기 위해 AIN, GaN은 물론, MgO, SiC, ZnO, GaAs등의 여러 물질을 버퍼층으로 사용하는 것이 연구중에 있으며, MBE(Molecular Beam Epitaxy)나 HVPE(Hydride Vapour Phase Epitaxy), LPCVD(Low Pressure Chemical Vapour Deposition) 등의 다른 증착장비로 질화갈륨 성장을 연구 중에 있다.
하지만, 상기와 같은 여러 버퍼물질의 상부에 성장된 질화갈륨 박막은 결정성이 향상되기는 하지만, 여전히 격자상수 및 열팽창 계수의 차이로 많은 결손부분을 포함하고 있다. 예를 들어 산화아연(ZnO)을 실리콘 웨이퍼의 기판에 대해 버퍼층으로 사용하는 경우에, 산화아연이 질화갈륨과 같은 결정구조를 가지고 있으나 기판과 버퍼층 및 질화갈륨의 열팽창계수는 차이가 나기 때문에, 고온의 질화갈륨 증착과정에서 산화아연 버퍼층에 손상이 발생하고 질화갈륨 박막에는 많은 결정결함이 발생하게 된다. 따라서, 종래에는 실리콘웨이퍼 기판에 산화아연 버퍼층을 사용하는 경우에 많은 결함으로 양질의 질화갈륨 박막 형성에 곤란한 점이 있어 왔다.
본 발명의 목적은, 질화갈륨과 기판과의 격자상수의 차이를 줄이는 버퍼층이 고온 공정에서 안정된 상태를 유지하여 전위결함 밀도가 낮은 고품질의 질화갈륨 박막을 형성하는 것을 가능케 하는 산화아연 버퍼층을 이용한 질화갈륨 에피층 제조방법을 구현하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 산화아연 버퍼층을 이용한 질화갈륨 에피층 제조방법은, 질화갈륨 박막의 성장을 위해 기판의 상면에 코발트가 도핑된 산화아연 버퍼층을 형성하는 버퍼층 형성단계와; 상기 버퍼층의 상부에 질화갈륨 박막층을 성장시키는 질화갈륨 증착단계를 포함하여 구성되어, 상기 질화갈륨 박막층이 결정학적으로 안정적으로 성장되는 것을 특징으로 한다.
상기 기판은 단결정 실리콘 웨이퍼, 사파이어 기판, SiC 기판 또는 GaAs 기판 중의 어느 하나인 것을 한다.
상기 버퍼층 형성단계는 상기 기판온도가 450 내지 600℃ 범위 내로 유지되는 불활성기체 분위기에서 한다.
상기 불활성기체는 Ar인 것을 특징으로 한다.
상기 산화아연 버퍼층은 20nm 내지 75nm로 증착되는 것을 특징으로 한다.
상기 질화갈륨 증착단계는 트리메틸갈륨과 암모니아의 혼합기체에 의해 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 질화갈륨 증착단계는 900 내지 1300℃에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 구성에 의해, 기판과 질화갈륨 사이에 격자상수를 줄이기 위해 사용되는 산화아연 버퍼층에 코발트 도핑을 통해 전위결함밀도를 감소 시키는 효과를 극대화하여 고품질의 질화갈륨 박막을 얻을 수 있게 된다.
이하 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 산화아연 버퍼층을 이용한 질화갈륨 에피층 제조방법의 바람직한 실시예의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 실시예에 실리콘 단결정 웨이퍼 기판에 코발트 도핑된 산화아연 버퍼층이 성장된 상태를 예시한 단면도이고, 도 2는 본 실시예에 의해 질화갈륨 에피층이 형성된 상태를 예시한 단면도이다. 도 3은 각 물질의 에너지 준위를 예시한 그래프이고, 도 4는 각 물질의 격자상수와 열팽창 계수를 예시한 도표이다.
본 실시예에서는 질화갈륨의 증착을 위한 기판(10)으로 (111) 방향의 단결정 실리콘 웨이퍼를 사용하고 있다. 실리콘 단결정 웨이퍼 기판은(10) 사파이어나 GaAs 등에 비하여 질화갈륨 박막(30)의 증착이 어렵지만, 가격이 저렴하고 대면적 구현이 가능하기 때문에 적정수준의 질화갈륨 박막(30)을 실리콘 웨이퍼 상에 형성시킬 수 있다면 경제성이 확보될 수 있다.
본 실시예에서는 실리콘 단결정 웨이퍼를 기판(10)으로 사용하는 한편으로 코발트 도핑된 산화아연(ZnO)을 버퍼층(20)으로 사용하고 있다.
이 산화아연은 이방성을 가지며, 격자상수가 a = 3.252, b = 5.213이며, 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AIN) 등과 유사한 결정구조와 격자상수를 가지며 넓은 영역의 광학특성을 보유한다. 한편 실리콘 단결정은 등방성을 가지며 그 격자상수가 a = b = c = 5.4301이며, 질화갈륨은 격자상수가 a = 3.189이며 격자상수 차이가 2 % 정도로 산화아연과 유사하고, 산화아연과 같은 육방정계구조(hexagonal structure)를 가진다.
따라서, 산화아연 버퍼층(20)은 결정의 측면에서 실리콘 단결정과 질화갈륨의 사이에서 좋은 버퍼층으로 작용할 수 있다. 즉, 산화아연이 실리콘 단결정 웨이퍼 기판(10) 상부에 안정적으로 증착될 수 있게 되며, 안정적인 질화갈륨 박막(30)을 형성하는 것이 가능해진다.
그러나, 질화갈륨은 열팽창계수가 a, b방향에서 5.59*10-6/k이고, 산화아연은 2.9*10-6/k으로 큰 차이가 나며, 실리콘과는 여전히 격자상수의 차가 커서 실리콘웨이퍼의 표면에 안정적으로 증착시키는 것에 어려움이 있고, 질화갈륨의 증착을 위한 고온 열처리과정에서 산화아연 버퍼층(20)에 손상이 발생할 수 있다.
본 실시예에서는 산화아연과 실리콘의 격자상수의 차이를 보완하고 열팽창계수의 차이에 의한 산화아연 버퍼층(20)의 손상을 방지하기 위하여 산화아연 버퍼층(20)의 형성시 코발트(Co)를 도핑하여 사용하고 있다.
본 실시예의 코발트 도핑된 산화아연 버퍼층(20)의 형성은 스퍼터(Sputter)장비를 이용하여 행해지는데, 실리콘 단결정 웨이퍼 기판(10)을 사용하는 경우 기판의 온도가 450 내지 600℃로 유지된다. 코발트 도핑된 산화아연 버퍼층(20)의 형성과정은 불활성기체 분위기에서 수행되며, 불활성기체로는 Ar을 채택하여 사용하고 있다. 본 실시예에서 코발트 도핑된 산화아연의 증착은 Ar 가스분위기의 5 내지 50mTorr의 저압공정에서 수행되며, 20 내지 75nm 범위의 두께로 형성된다.
이와 같이 산화아연 버퍼층(20)의 형성단계가 종료되면, 질화갈륨 박막(30)을 증착하는 단계가 수행된다. 그리고, 본 실시예의 질화갈륨 증착단계는 고온 유기금속 화학 기상 증착장치에서 수행되는데, 증착장치의 내부는 진공에 가까운 저압상태가 유지되고 트리메틸갈륨과 암모니아 가스를 공급하는 것에 의해 수행된다.
본 실시예의 질화갈륨 증착의 온도분위기는 900 내지 1300℃에서 수행되는데, 증착하고자 하는 질화갈륨 박막(30)의 두께에 따라 증착시간은 달리 정해진다.
산화아연은 도 3와 도 4에 도시된 바와 같이 에너지준위에 있어서 질화갈륨에 유사하여 블루(blue)나 그린(green)계열의 발광이 가능한 물질이다. 또한 산화아연은 질화갈륨과 격자상수에 있어 매우 가깝고 결정구조가 동일한 물질이다.
본 실시예에서는 이와 같은 결정특성을 갖는 산화아연에 코발트를 도핑시켜 산화아연과 실리콘 단결정 사이의 격자상수의 차이를 보완하여 산화아연 버퍼층의 안정적인 형성을 가능하게 한다. 또한 코발트를 도핑하는 것에 의해 고온상태에서 수행되는 질화갈륨의 증착과정 중, 실리콘 단결정 웨이퍼와의 열팽창계수의 차이로 산화아연 버퍼층이 손상되는 것을 방지할 수 있게 한다. 이와 같이 코발트를 도핑하여 안정적인 버퍼층(20)의 형성이 가능하기 때문에 원하는 두께의 고품질의 질화갈륨 박막(30)을 얻는 것이 가능해진다.
본 발명의 다른 실시예에서는 기판의 소재로 실리콘 단결정이 아닌 사파이어나 SiC, GaAs 등을 사용하고 있다. 이 경우에도 산화아연층에 코발트를 도핑하는 것에 사파이어나 SiC, GaAs 등과 산화아연의 격자상수의 차이를 보완하는 것이 가능하며, 질화갈륨의 고온 증착과정에도 산화아연 버퍼층의 손상을 방지할 수 있어 결정결함이 적은 질화갈륨 박막층을 얻는 것이 가능해진다.
본 발명의 권리범위는 상기 실시예에 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 정해지며, 특허청구범위에 기재된 사항과 동일성 범위에서 당업자가 행한 다양한 변형과 개작을 포함함은 자명하다.
본 발명은 기판위에 코발트 도핑된 산화아연 버퍼층을 설치하여 기판과 질화갈륨간의 격자상수 차이에서 발생하는 결정성장 결함을 방지할 수 있게 된다. 또한 코발트 도핑으로 산화아연 버퍼층의 결정이 안정화되기 때문에 질화갈륨의 고온 공정에서도 안정된 버퍼층으로 작용할 수 있게 된다. 따라서, 산화아연층의 상부에 증착되는 질화갈륨 박막 에피층의 전위결함 밀도를 낮추는 것이 가능하여 고품질의 에피박막 성장이 가능해진다.
그리고, 실리콘 단결정 웨이퍼는 사파이어나 SiC, GaAs 등에 대해 기판으로 사용되는 경우 저렴하기 때문에, 질화갈륨 박막 에피층의 생산에 있어 생산원가를 크게 절감할 수 있게 된다.
도 1은 본 실시예의 실리콘 웨이퍼 기판에 산화아연 버퍼층이 성장된 상태를 예시한 단면도.
도 2는 본 실시예에 의해 질화갈륨 박막이 형성된 상태를 예시한 단면도.
도 3은 각 물질의 에너지 준위를 예시한 그래프.
도 4는 각 물질의 결정특성을 예시한 도표.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10..........기판 20...........코발트 도핑된 산화아연 버퍼층
30..........질화갈륨 박막
Claims (7)
- 질화갈륨 박막의 성장을 위해 기판의 상면에 코발트가 도핑된 산화아연 버퍼층을 형성하는 버퍼층 형성단계와;상기 버퍼층의 상부에 질화갈륨 박막층을 성장시키는 질화갈륨 증착단계를 포함하여 구성되어,상기 질화갈륨 박막층이 결정학적으로 안정적으로 성장되는 것을 특징으로 하는 산화아연 버퍼층을 이용한 질화갈륨 에피층 제조방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 기판은 단결정 실리콘 웨이퍼, 사파이어 기판, SiC 기판 또는 GaAs 기판 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 산화아연 버퍼층을 이용한 질화갈륨 에피층 제조방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 버퍼층 형성단계는 상기 기판온도가 450 내지 600℃ 범위 내로 유지되는 불활성기체 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 산화아연 버퍼층을 이용한 질화갈륨 에피층 제조방법.
- 청구항 3에 있어서, 상기 불활성기체는 Ar인 것을 특징으로 하는 산화아연 버퍼층을 이용한 질화갈륨 에피층 제조방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 산화아연 버퍼층은 20nm 내지 75nm로 증착되는 것을 특징으로 하는 산화아연 버퍼층을 이용한 질화갈륨 에피층 제조방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 질화갈륨 증착단계는 트리메틸갈륨과 암모니아의 혼합기체에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 산화아연 버퍼층을 이용한 질화갈륨 에피층 제조방법 .
- 청구항 1 또는 6에 있어서, 상기 질화갈륨 증착단계는 900 내지 1300℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 산화아연 버퍼층을 이용한 질화갈륨 에피층 제조방법.
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