KR20060048177A

KR20060048177A - Ａ１ＧａＩｎＮ계 단결정 웨이퍼

Info

Publication number: KR20060048177A
Application number: KR1020050047755A
Authority: KR
Inventors: 신스케 후지와라
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 2004-06-04
Filing date: 2005-06-03
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2025-06-03
Also published as: US7232555B2; US20050268842A1; JP2005347634A; DE602005021430D1; TW200601417A; CN1715461A; KR101087478B1; EP1602752B1; EP1602752A1

Abstract

본 발명은 AlGaInN계 단결정 웨이퍼의 깨짐을 경감시키면서 그 이용 효율과 경제성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

육방정계의 Al_xGa_yIn_l-(x+y)N(0<X≤1, 0≤y<1, x+y≤1) 단결정 웨이퍼는 상기 웨이퍼가 면적 S(㎠)의 주면과 T(cm)의 두께를 가지며, S≥10 ㎠와 0.006S≥T≥0.002S의 조건을 충족시키는 것을 특징으로 한다.

Description

Ａ１ＧａＩｎＮ계 단결정 웨이퍼{AlGaInN SINGLE-CRYSTAL WAFER}

도 1은 본 발명에 있어서 행해진 웨이퍼의 파괴 시험에 이용된 웨이퍼 트레이를 도해하는 모식적 단면도.

도 2는 AlGaInN계 단결정 웨이퍼의 파손 방지를 위해 충족시키는 것이 요망되는 두께 T와 면적 S의 관계를 나타내는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 받침 접시

2 AlN 단결정 웨이퍼

3 판 스프링

4 덮개

5 고정구

본 발명은 여러 가지 전자 디바이스의 기판으로서 이용될 수 있는 반도체 단결정 웨이퍼에 관한 것이며, 특히 비교적 깨지기 쉬운 화합물 반도체 단결정 웨이퍼를 이용할 때의 그 깨짐(crack)의 경감과 경제성의 향상에 관한 것이다.

반도체 전자 디바이스의 기판으로서 반도체 단결정 웨이퍼를 이용하는 경우, 당연한 일이지만, 반도체 전자 디바이스의 제작 프로세스 중에 그 웨이퍼가 깨지지 않도록 하여야 한다. 왜냐하면, 반도체 단결정 웨이퍼가 프로세스 도중에 깨져 버리면, 그 후의 프로세스 처리를 행할 수 없어, 웨이퍼가 소용없게 되어 버리기 때문이다.

최근에는 실리콘 단결정 웨이퍼뿐만 아니라 화합물 반도체 단결정 웨이퍼를 기판으로 이용하여 여러 가지 전자 디바이스가 제작되고 있다. 화합물 반도체 단결정 중에서도 육방정계의 Al_xGa_yIn_l-(x+y)N(0<X≤1, 0≤y<1, x+y≤1) 단결정은 여러 가지 전자 디바이스를 제작하기 위해 바람직하게 이용될 수 있다. 또한, 본원 명세서에 있어서, Al_xGa_yIn_l-(x+y)N(0<X≤1, 0≤y<1, x+y≤1) 반도체를 AlGaInN계 반도체로 약칭하는 경우도 있다.

그런데, Jpn.J.Appl.Phys. Vol.40 (2001) pp. L426-L427에 기재되어 있는 바와 같이, 실리콘 단결정에 비해서 AlGaInN계 단결정은 낮은 파괴 인성을 갖고 있어 깨지기 쉬운 경향이 있다. 특히, AlN 기판은 SiC 기판 및 사파이어 기판에 비해서 몇 분의 1 정도의 낮은 파괴 인성을 가져, 그 핸들링 중에 깨지기 쉽다.

종래에는 실리콘 단결정에 비해서 대구경의 AlGaInN계 단결정을 육성하는 것은 곤란하며, 특히 대구경의 AlN 단결정을 육성하는 것은 곤란하였다. 그러나, 최근에는 AlN에 있어서도 비교적 대직경의 단결정의 육성이 가능하게 되고 있다.

반도체 웨이퍼의 주면(主面)의 면적이 작은 경우, 웨이퍼의 중량도 작아서 프로세스 중에 웨이퍼에 작용하는 충격도 작아지기 때문에, 프로세스 중에 웨이퍼가 깨질 가능성은 작다. 따라서, 반도체 웨이퍼의 직경이 작은 경우에는, 웨이퍼의 두께는 웨이퍼를 잘 깨지지 않게 하는 관점보다도, 웨이퍼 핸들링의 수월함의 관점에서의 요청에 의해서 정해진다. 예컨대, 웨이퍼가 너무 얇은 경우에는 핀셋으로 잡기 어렵기 때문에, 웨이퍼는 핀셋으로 잡기 쉬운 두께로 설정된다.

그런데, 웨이퍼의 직경이 커지면 그 중량도 증대하고, 웨이퍼에 걸리는 충격도 커지는 경향이 있기 때문에, 웨이퍼 핸들링 용이성의 관점에서의 요청보다도, 웨이퍼를 잘 깨지지 않게 하기 위한 관점에서의 요청이 중요해진다. 즉, 웨이퍼 주면의 면적 증대에 따라, 웨이퍼를 잘 깨지지 않게 하기 위해서 웨이퍼의 두께를 증대시키는 것이 요망된다.

그러나, 웨이퍼의 두께를 증대시키면 대직경의 웨이퍼라도 잘 깨지지 않게 되지만, 전자 디바이스 제작을 위한 기판으로서의 반도체 단결정의 이용 효율이 저하하기 때문에, 경제적으로 바람직하지 않다.

그래서, 본 발명은 실리콘 단결정 웨이퍼에 비해서 깨지기 쉬운 AlGaInN계 단결정 웨이퍼를 전자 디바이스용 기판으로서 이용하는 경우에, AlGaInN계 단결정 웨이퍼의 깨짐을 경감시키면서 그 이용 효율과 경제성을 향상시키는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명에 의하면, 육방정계의 Al_xGa_yIn_l-(x+y)N(0<X≤1, 0≤y<1, x+y≤1) 단결정 웨이퍼는 상기 웨이퍼가 면적 S(㎠)의 주면과 T(cm)의 두께를 가지며, S≥10 ㎠와 0.006S≥T≥0.002S의 조건을 충족시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 웨이퍼의 주면이 원형에서 벗어난 타원형을 갖는 경우에는, 그 면적 S는 타원형의 긴 직경을 직경으로 하는 원의 면적으로서 구해지고, 웨이퍼의 주면이 정사각형에서 벗어난 직사각형을 갖는 경우에는, 그 면적 S는 직사각형의 긴변을 한 변으로 하는 정사각형의 면적으로서 구하면 된다.

웨이퍼의 (0002)면 회절로 측정한 X선 로킹커브의 반치 전폭이 300초 이하인 것이 바람직하다.

웨이퍼의 한 쪽 주면이 미러 연마되어 있고, 다른 쪽 주면이 랩핑 가공되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 웨이퍼의 양 쪽 주면이 미러 연마되어 있는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 웨이퍼의 외주부가 연삭 가공되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명자는 실리콘 단결정 웨이퍼에 비해서 깨지기 쉬운 AlGaInN계 단결정 웨이퍼 중에서도 가장 낮은 파괴 인성을 갖는 AlN 단결정 웨이퍼에 관해서 파괴 시험을 행하였다. 이 파괴 시험을 위해, 승화 석출법에 의해 육성된 AlN 단결정으로부터 여러 종류의 두께의 웨이퍼가 제작되었다. 이들의 웨이퍼 모두가 실질적으로 원형의 주면을 가지며, 그 주면은 (0001)의 면방위와 10 ㎠의 면적을 갖고 있었다.

도 1은 파괴 시험에 이용된 웨이퍼 트레이를 모식적인 단면도로 도해하고 있다. 이 웨이퍼 트레이는 플루오로웨어사에서 제조한 것으로서 모든 부품이 테플론 (Teflon)(등록 상표)으로 형성되어 있고, 1.5 인치 직경 웨이퍼용 트레이이다.

도 1의 웨이퍼 트레이의 받침 접시(1) 위에 AlN 단결정 웨이퍼(2)가 수용되었다. AlN 웨이퍼(2) 위에는 테플론(등록 상표)으로 제조한 판 스프링(3)이 놓여지고, 그 위에 덮개(4)가 씌워졌다. 덮개(4)는 고정구(5)에 의해 받침 접시(1)에 고정되었다. 이 상태에서, 웨이퍼 트레이가 50 cm의 높이로부터 콘크리트 바닥 위에 떨어뜨려져, 그 트레이 내의 AlN 웨이퍼(2)가 깨지는지의 여부를 조사할 수 있었다.

이러한 파괴 시험의 결과, 10 ㎠ 면적의 주면을 갖는 AlN 단결정 웨이퍼에서는 0.02 cm 이상의 두께를 갖는 경우에 거의 깨지지 않는 것이 발견되었다.

그런데, 웨이퍼 표면에 존재하는 미소한 크랙에 일정한 응력이 작용하면, 그 웨이퍼에 깨짐이 발생할 수 있다. 이들 미소한 크랙을 웨이퍼로부터 완전히 배제할 수는 없지만, 이들 크랙의 크기는 웨이퍼의 크기에 그다지 의존하지 않는다. 따라서, 웨이퍼의 깨짐을 방지하기 위해서는 웨이퍼에 작용하는 응력을 일정치 이하로 할 필요가 있다.

여기서, 간단한 재료 역학적인 지견으로부터, 웨이퍼에 작용하는 응력은 웨이퍼의 면적에 비례하고, 그 두께에 반비례한다. 즉, 웨이퍼의 깨짐을 방지하기 위해서는 웨이퍼 면적의 증대에 비례하여 그 두께를 증대시키는 것이 요망된다. 또한, 전술한 파괴 시험의 결과에 기초하여 10 ㎠의 면적을 갖는 웨이퍼가 0.02 cm의 두께를 가지면 잘 깨지지 않는다고 하는 지견을 고려하면, 웨이퍼의 두께 T(cm)와 웨이퍼의 면적 S(㎠)가 0.002S≤T의 관계를 충족시키는 것이 요망된다.

한편, 웨이퍼의 두께가 두꺼울수록 웨이퍼는 잘 깨지지 않게 되지만, 반도체 단결정 잉곳으로부터 얻어지는 웨이퍼의 매수가 감소하여, 반도체 단결정의 이용 효율이 저하하기 때문에 경제적으로 바람직하지 못하다. 따라서, 반도체 단결정으로부터 얻어지는 웨이퍼 매수에 관한 경제적 관점에서, 웨이퍼의 두께는 그 깨짐을 방지하기 위해서 최저한 필요로 되는 두께의 3배 이하인 것이 요망되고, 즉 T≤0.006S의 관계를 충족하는 것이 요망된다.

도 2의 그래프는 본 발명에 의해 발견된 이상의 결과를 나타내고 있다. 이 그래프에 있어서, 횡축은 AlN 단결정 웨이퍼의 면적 S(㎠)를 나타내고, 종축은 그 웨이퍼의 두께 T(cm)를 나타내고 있다. 또한, 그래프 중 직선 (a)는 T=0.002S의 관계를 나타내고, 직선 (b)는 T=0.006S의 관계를 나타내고 있다. 즉, 본 발명에 의하면 AlN 단결정 웨이퍼는 프로세스 중의 깨짐을 방지하기 위해서 그 두께 T와 면적 S가 직선 (a)와 (b) 사이에 존재하는 것이 바람직하다.

또한, 반도체 웨이퍼의 깨짐은 그 표면에 존재하는 크랙의 크기(깊이)에도 의존할 수 있다. 따라서, 이들 크랙의 깊이를 감소시키기 위해서, 적어도 웨이퍼의 표면을 미러 연마하고, 이면도 적어도 랩핑하는 것이 바람직하다. 물론, 깨짐 방지 관점에서는 웨이퍼의 이면도 랩핑이 아닌 미러 연마하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 웨이퍼의 양 주면을 연마할 뿐만 아니라, 그 단면도 연삭 가공하여 크랙을 제거하는 것이 더욱 바람직하다. 웨이퍼의 연마에 관해서는 특별히 한정되지 않고, 어떠한 방법을 이용하여도 좋지만, 예컨대 다이아몬드나 알루미나 등의 연마제를 연마판 또는 연마천 위에 공급하여 연마하면 좋다. 웨이퍼의 외주를 연삭할 경우, 숫돌을 사용하여 연삭하여도 좋고, 부유 숫돌 입자를 사용하여 연마하여도 좋다.

또한, 반도체 웨이퍼의 깨짐은 외부로부터 주어지는 충격력뿐만 아니라, 그 웨이퍼에 내포되는 잔류 내부 응력의 영향도 받을 수 있다. 물론, 웨이퍼의 깨짐 방지 관점에서는 그 잔류 내부 응력은 작은 편이 바람직하다. 그와 같은 내부 응력의 대소는 X선 회절의 반치 전폭에 의해 평가할 수 있다. 즉, 내부 응력이 크면 웨이퍼가 휘기 때문에, 그 반치 전폭이 커지는 것이다. 그리고, 웨이퍼의 깨짐 방지 관점에서는 AlN 단결정 웨이퍼의 (0002)면 회절로 측정한 X선 로킹커브에 있어서의 반치 전폭이 300초 이하인 것이 바람직하다.

또한, 이상 본 발명의 실시 형태에서는 주로 AlN 단결정 웨이퍼를 예시로 하여 설명되었지만, 본 발명은 AlN에 있어서의 Al의 일부가 Ga 및 In으로 치환된 Al_xGa_yIn_l-(x+y)N(0<X≤1, 0≤y<1, x+y≤1) 단결정 웨이퍼에 관해서도 마찬가지로 적용 가능한 것이 소위 당업자에게 이해될 것이다. 또한, 웨이퍼의 주면 방위로서 (0001)면이 예시되었지만, (10-10)면, (11-20)면, (10-11)면, (10-12)면 또는 이들 면에서 임의의 각도만큼 경사진 면의 주면을 갖는 웨이퍼에 있어서도, 본 발명은 마찬가지로 적용 가능하다.

또한, 전술한 실시 형태에서는 실질적으로 원형의 주면을 갖는 웨이퍼에 관해서 설명되었지만, 웨이퍼의 주면이 원형에서 벗어난 타원형을 갖는 경우에는, 그 면적 S는 타원형의 긴 직경을 직경으로 하는 원의 면적으로서 구하면 되고, 웨이퍼의 주면이 정사각형에서 벗어난 직사각형을 갖는 경우에는, 그 면적 S는 직사각형 의 긴 변을 한 변으로 하는 정사각형의 면적으로서 구하면 된다.

이상과 같은 본 발명에 의한 Al_xGa_yIn_l-(x+y)N(0<X≤1, 0≤y<1, x+y≤1) 단결정 웨이퍼는 프로세스 중에 파괴가 잘 일어나지 않기 때문에, 발광 다이오드, 레이저 다이오드, 정류기, 바이폴러 트랜지스터, 전계 효과 트랜지스터, HEMT(고전자 이동도 트랜지스터), 온도 센서, 압력 센서, 방사선 센서, 가시·자외광 센서, 탄성 표면파 디바이스 등의 여러 가지 전자 디바이스 생산에 바람직하게 사용될 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면 대직경의 AlGaInN계 단결정 웨이퍼의 깨짐을 억제할 수 있어, 그 이용 효율 및 경제성을 높일 수 있다. 그리고, 그와 같은 대직경의 AlGaInN계 단결정 웨이퍼를 이용하여 여러 가지의 전자 디바이스를 효율적이면서 경제적으로 생산할 수 있다.

Claims

육방정계의 Al_xGa_yIn_l-(x+y)N(0<X≤1, 0≤y<1, x+y≤1) 단결정 웨이퍼로서, 상기 웨이퍼가 면적 S(㎠)의 주면과 T(cm)의 두께를 가지며, S≥10 ㎠와 0.006S≥T≥0.002S의 조건을 충족시키는 것을 특징으로 하는 AlGaInN계 단결정 웨이퍼.
제1항에 있어서, 상기 웨이퍼의 주면이 원형에서 벗어난 타원형을 갖는 경우에는, 상기 면적 S는 상기 타원형의 긴 직경을 직경으로 하는 원의 면적으로서 구해지고, 상기 웨이퍼의 주면이 정사각형에서 벗어난 직사각형을 갖는 경우에는, 상기 면적 S는 상기 직사각형의 긴 변을 한 변으로 하는 정사각형의 면적으로서 구해지는 것을 특징으로 하는 AlGaInN계 단결정 웨이퍼.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 웨이퍼의 (0002)면 회절로 측정한 X선 로킹커브의 반치 전폭이 300초 이하인 것을 특징으로 하는 AlGaInN계 단결정 웨이퍼.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 웨이퍼의 한 쪽 주면이 미러 연마되어 있고, 다른 쪽의 주면이 랩핑 가공되어 있는 것을 특징으로 하는 AlGaInN계 단결정 웨이퍼.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 웨이퍼의 양 쪽 주면이 미러 연마되어 있는 것을 특징으로 하는 AlGaInN계 단결정 웨이퍼.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 웨이퍼의 외주부가 연삭 가공되어 있는 것을 특징으로 하는 AlGaInN계 단결정 웨이퍼.