KR20070048274A - 질화물 반도체 결정의 성장 - Google Patents

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혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
히데오 가와니시
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Abstract

본 발명은, 반응 튜브(11) 내에 기판(12)을 설치하는 단계 이후에, 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하여, 기판 상에 질화물 반도체의 결정을 직접적으로 증착하는 질화물 반도체 결정의 성장 방법을 제공한다. 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수는 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 200 이상의 비율을 갖는다.

Description

질화물 반도체 결정의 성장{GROWTH OF NITRIDE SEMICONDUCTOR CRYSTALS}
본 발명은 질화물 반도체 결정의 성장에 관한 것으로, 보다 구체적으로 말하면 이질 기판에 직접적으로 양호한 평탄도 및 양호한 결정 성질을 갖는 질화물 반도체 결정을 성장시키는 기술에 관한 것이다.
질화물 반도체 결정은 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 질화인듐(InN), 질화붕소(BN) 및 이들 결정의 혼합물(이하에서는 혼합 결정으로 지칭)을 나타낸다. 질화물 반도체 결정의 성장은 육방정계의 기본 결정 구조와 이에 유사한 격자 상수를 갖는 사파이어(Al2O3) 또는 탄화규소 상에서 실시된다. 고품질의 결정 성장을 실시하기 위하여, 불순물의 농도 및 성장 막의 두께를 엄격하게 제어할 필요가 있다.
질화물 반도체 결정의 성장을 위한 방법으로는, 분자선 에피택시(이하에서는 MBE; molecular beam epitaxy) 및 기상 에피택시(이하에서는 VPE; vapor-phase expitaxy)가 주로 이용된다. VPE는 에피택셜 성장되는 재료 가스가 기판 표면에 대하여 수평으로 유동하는 것과, 수직으로 흐르는 것이 있다. (예컨대, JP-A-2000-216101, JP-A-2001-302398, JP-A-2000-49014, JP-A-2004-47763 참조)
VPE에 의한 에피택셜 성장을 위한 제어에 필요한 파라미터는 기판 온도, 5족 재료 가스/3족 재료 가스 공급 비율(이하에서는 5/3 비율), 반응 튜브 내에서 흐르는 가스의 총량(= 3족 가스 + 5족 가스 + 캐리어 가스), 반응 튜브의 내부 압력, 반응 튜브 내의 가스의 유량을 포함하며, 이들 파라미터의 조정함으로써, 결정 막 두께, 결정 품질 등을 제어할 수 있다.
전술한 바와 같이 결정 성장을 행할 때에 성장 막이 기판에 비하여 매우 얇은 경우에는, 성장 막은 기판 내의 원자와 1대1로 대응하여 배치되고, 격자 상수의 차이는 거의 중요하지 않다. 예컨대 AlN을 SiC 상에 성장시킬 때에, AlN은 SiC가 포함하는 원자 간극을 두고 배치된다. 그러나 성장 막이 두꺼워짐에 따라, 성장 막은 자체의 격자 상수에 따라 배치되며, 계면에는 통상적으로 기판 중의 원자와 1대1 대응하지 못하는 부분이 발생하게 된다. 달리 말하면, 위치 어긋남과 같은 격자 결함이 발생하고, 1대1 대응이 깨진다. 위치 어긋남이 발생하는 막의 임계 두께를 임계 막 두께로 지칭한다.
질화물 반도체 결정과 같이 3족 및 5족 원소로 구성된 화합물 반도체 결정의 에피택셜 성장을 위한 방법으로서는, 성장의 초기에 3족 및 5족 원소를 동시에 공급하는 방법(이하 동시 공급법)과, 이들 원소를 번갈아 공급하는 방법(이하 교호 공급법)이 있다.
수평 VPE 장치에 있어서 동시 공급법을 이용하여 AlN을 SiC 기판의 (0001) Si 평면상에 격자 이완(lattice relaxation; 임계 막 두께)에 걸쳐 에피택셜 성장시킬 때에, 성장 파라미터를 적절하게 선택하면 AlN의 에피택셜 층의 평탄도가 개선된다.
다른 한편으로, 교호 공급법은 화합물 반도체 결정 구조에 구비되는 3족 원자/5족 원자의 주기성을 정확하게 유지하기 위하여 실시된다. 갈륨 비소화물의 기판을 채용하는 교호 공급법은 문헌[Yoshiji Horikoshi 등의 “Surface atomic process during flow-rate modulation epitaxy", Appl. Surf. Sci., 112, pp. 48-54; Masanobu Hiroki 등의 ”Flat Surface and Interface in AlN/GaN Heterostructures and Superlattices Grown by Flow-Rate Modulation Epitaxy“, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 42 (2003), pp. 2305-2308] 에 개시되어 있다.
이질 접합부와 동시 공급법을 채용하는 공지의 예로서는, 질화물 반도체와 SiC 기판 사이의 이질 접합부의 특성을 활용하여, SiC 기판 상의 상당히 제한된 영역에서 질화물 반도체, GaN을 직접적으로 성장시키는 경우가 있다. 이질 접합 장치의 공개 예는 문헌[John T. Torvik 등의 “A GaN/4H-SiC Heterojunction bipolar transistor with operation up to 300℃", MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 4,3(1999)]에 개시되어 있다.
이질 기판 상에 질화물 반도체를 직접적으로 형성하지 않고 버퍼 층을 채용하는 공지의 예로서는, 질화물 반도체 에피택셜 층이 광학 장치(예컨대, 청색 발광 다이오드)로서 사용되는 경우가 있다. 단지 질화물 반도체가 기능 장치로서 적용되는 경우의 에피택셜 성장은, 버퍼 층이 질화물 반도체와 동일 조성의 재료로 형성되는 단결정 사파이어 또는 SiC 기판 상에서 실시된다. 예컨대, 버퍼 층은 낮은 기판 온도로 형성된 질화물 반도체의 막이거나, GaN 및 AlN의 초격자 구조를 갖는 막이다.
고품질의 질화물 반도체의 에피택셜 성장의 경우에, 그것과 격자 상수가 완전히 일치하는 질화물 반도체의 단결정 기판을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 그러나 고품질의 그러한 단결정 기판은 존재하지 않기 때문에, 질화물 반도체에 의한 동일한 6각 결정계를 사용하는 사파이어 또는 SiC의 기판을 대신에 사용하고 있다. 후술하는 바와 기판과 질화물 반도체 사이에는 물리 상수의 차이가 발생한다. 보다 구체적으로, 격자 상수의 차이, 열팽창 계수의 차이 및 표면 에너지의 차이가 발생한다.
전술한 바와 같은 물리 상수의 차이는, 질화물 반도체 결정의 에피택셜 성장을 기판 상에서 직접적으로 실시하는 때에 이하에서 설명하는 바와 같은 결정성의 저하 문제를 초래한다.
먼저, 임계 막 두께를 초과하지 않는 때에는, 질화물 반도체 결정은 기판의 격자 상수에 적합하도록 스트레인을 갖고 에피택셜 성장되지만, 임계 막 두께를 초과할 때에는, 질화물 반도체 결정이 자체의 결자 상수에 따라 에피택셜 성장되므로, 기판 상의 원자와 질화물 반도체가 1대1로 서로 대응하지 않고, 오정렬과 같은 격자 결함이 계면에서 발생한다는 문제가 존재한다. 발생한 격자 결함은 계속해서 에피택셜 층을 통하여 연장된다.
에피택셜 성장을 위한 온도를 실오능로 낮춘 상태에서 에피택셜 층에 변형이 발생하는 문제가 또한 존재한다. 이는 아마도 기판과 기판 위에 증착된 막 사이의 열팽창 계수의 차이로 인해 층에 발생하는 응력에 기인한 것으로 생각된다. 에피택셜 층에는 질화물 반도체의 종류 및 두께에 따라 균열이 발생할 수 있다.
VPE에 기초한 동시 공급법에 의해 사파이어 또는 SiC 기판 상에 질화물 반도체를 직접적으로 에피택셜 성장시킴으로 인해 발생하는 다른 문제는, 기판과의 계면 영역에서 질화물 반도체가 공급 가스 사이의 중간 반응의 결과로 인해 층상으로 성장하지 않고 아일랜드 형태로 성장한다는 것이다. 아일랜드 사이에서는 결정의 연속성이 없고, 그에 따라 접합부의 계면에서 질화물 반도체에 격자 결함이 남게 되거나, 평탄한 에티택셜 층이 아닌 거친 표면을 얻을 수 있다. 중첩 층은 형판으로서 작용하는 기부의 아일랜드 층상에 형성되어 있기 때문에, 층은 평탄도에 있어서 결함을 갖고 성장한다.
현재에 교호 공급법을 실시하고 있는 예는 모두 3-5층의 화합물 반도체 위에 놓이는 표면에 관한 것이고, 사파이어 또는 SiC 기판의 표면에 직접적으로 실행되는 에피택셜 성장에 관한 것은 없다. 교호 공급법을 이용함으로써 이질의 기판 상에 직접적으로 실시되는 헤테로에피택셜 성장으로부터 양호한 결과를 얻는 예는 공지되어 있지 않다.
전술한 문헌[John T. Torvik 등의 “A GaN/4H-SiC Heterojunction bipolar transistor with operation up to 300℃", MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 4,3(1999)]에서 설명한 바와 같이, SiC 기판 상의 상당히 제한된 영역에서 질화물 반도체, GaN을 직접 성장시키는 경우가 있다. 그러나, 이것은, GaN과 SiC 사이의 이질 접합(계면)의 저조한 전기적 특성에 기인하여, 매우 낮은 비율의 전류 진폭을 포함하여 장치의 성능에 만족스럽지 않다. 따라서 이질 접합부에서 개선된 전기적 특성을 나타내고 장치로서 만족스럽게 기능할 수 있는 고품질의 평탄한 질 화물 반도체 결정을 성장시키는 방법에 대한 요구가 존재한다.
질화물 반도체 층과 기판 사이에 버퍼 층이 형성되어 있는 공지의 예시적인 구조에 있어서, 버퍼 층은 기판과 이질 접합부 사이의 계면을 결함 및 응력이 집중되는 영역으로 터닝시켜, 결정을 희생시킨다.
또한, 상압 VPE에 의한 질화물 반도체의 에피택셜 성장은, 반응 튜브 내에서 우세한 대기 압력에 의해 가열된 기판의 근처에서 재료 가스의 유동에 혼란이 초래되어 에피택셜 성장을 층상으로 하는 것이 불가능하다는 결점이 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 반응 튜브 내에 기판을 설치하는 단계 이후에, 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하여, 기판 상에 질화물 반도체의 결정을 직접적으로 증착하는 질화물 반도체 결정의 성장 방법으로서, 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수는 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 200 이상의 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 성장 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 반응 튜브 내에 기판을 설치하는 단계 이후에, 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하여, 기판 상에 질화물 반도체의 결정을 직접적으로 증착하는 질화물 반도체 결정의 성장 방법으로서, 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수는 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 450 이상의 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 성장 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 반응 튜브 내에 기판을 설치하는 단계 이후에, 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하여, 기판 상에 질화물 반도체의 결정을 직접적으로 증착하는 질화물 반도체 결정의 성장 방법으로서, 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수는, 기판에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 200 이상의 비율을 갖는 반면, 막 두께가 임계 막 두께 이상인 때에는 제2 재료 가스에 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 200 미만의 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 성장 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 반응 튜브 내에 기판을 설치하는 단계 이후에, 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하여, 기판 상에 질화물 반도체의 결정을 직접적으로 증착하는 질화물 반도체 결정의 성장 방법으로서, 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수는, 기판에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 450 이상의 비율을 갖는 반면, 막 두께가 임계 막 두께 이상인 때에는 제2 재료 가스에 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 450 미만의 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 성장 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 반응 튜브 내에 기판을 설치하는 단계 이후에, 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하여, 기판 상에 질화물 반도체의 결정을 직접적으로 증착하는 질화물 반도체 결정의 성장 방법으로서, 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수는, 기판에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 250 이상의 비율을 갖는 반면, 막 두께가 임계 막 두께 이상인 때에는 제2 재료 가스에 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 20 내지 250의 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 성장 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 반응 튜브 내에 기판을 설치하는 단계 이후에, 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하여, 기판 상에 질화물 반도체의 결정을 직접적으로 증착하는 질화물 반도체 결정의 성장 방법으로서, 소정의 기판 온도 및 소정의 성장 압력하에서, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를 다양하게 변경함으로써, 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 기판 상에 증착된 질화물 반도체 결정을 성장시키는 단계와,
성장된 질화물 반도체 결정의 표면 평탄도를 측정하는 단계와, 표면 평탄도를 가장 적절한 레벨로 되도록 하기 위하여, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 최적 비율을 결정하는 단계와, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를 상기 최적 비율 결정 단계에서 결정된 값으로 변경시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 성장 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 반응 튜브 내에 기판을 설치하는 단계 이후에, 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하여, 기판 상에 질화물 반도체의 결정을 직접적으로 증착하는 질화물 반도체 결정의 성장 방법으로서, 소정의 기판 온도 및 소정의 성장 압력하에서, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를 다양하게 변경함으로써, 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 기판 상에 증착된 질화물 반도체 결정을 성장시키는 단계와, 성장된 질화물 반도체 결정의 표면 평탄도를 측정하는 단계와, 표면 평탄도를 가장 적절한 레벨로 되도록 하기 위하여, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 제1의 최적 비율을 결정하는 단계와, 소정의 기판 온도 및 소정의 성장 압력하에서, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를 다양하게 변경함으로써, 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께 이상으로 될 때까지 기판 상에 증착된 질화물 반도체 결정을 성장시키는 단계와, 임계 막 두께보다 두껍게 성장된 질화물 반도체 결정의 표면 평탄도를 측정하는 단계와, 표면 평탄도를 가장 적절한 레벨로 되도록 하기 위하여, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 제2의 최적 비율을 결정하는 단계를 포함하며, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를, 기판 상에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지는 제1의 최적 비율에 상응하는 값으로 설정하고, 반도체 결정이 임계 막 두께보다 두껍게 성장한 후에는 제2의 최적 비율에 상응하는 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 성장 방법이 제공된다.
전술한 결정 성장 방법에 있어서, 상기 반응 튜브 내의 기판 상에 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 공급하는 단계와, 반응 튜브 내의 기판 상에 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 공급하는 단계를 번갈아 실시하는 횟수를 1 내지 10회로 하는 것이 바람직하다.
전술한 결정 성장 방법에 있어서, 상기 반응 튜브 내의 기판 상에 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 공급하는 단계와, 반응 튜브 내의 기판 상에 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 공급하는 단계를 번갈아 실시하는 횟수를 6회로 하는 것이 바람직하다.
상기 기판은 실리콘 탄화물(SiC)로 이루어질 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 기판은 사파이어(Al2O3) 기판을 포함한다.
바람직하게는, 상기 기판은 소정의 결정 평면에 대하여 오프-각도(off-angle)를 갖는다.
상기 반응 튜브는 내부 압력이 결정 성장을 실행하기 위하여 적절한 레벨로 감소할 수 있다.
유리하게는, 상기 질화물 반도체는 AlN, GaN, InN, BN 및 이들의 임의의 조합의 결정을 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 반응 튜브와, 상기 반등 튜브 내에 기판을 장착하는 기판 장착부와, 상기 반응 튜브의 내부 압력을 적절한 레벨로 감소시키는 감압 장치와, 상기 기판을 가열하는 가열기와, 상기 반응 튜브 내로 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급기와, 상기 반응 튜브 내의 기판 상에 3족 원소를 함유한 제1 재료 가스를 공급하는 제1 재료 가스 공급기와, 상기 반응 튜브 내의 기판 상에 질소를 함유한 제2 재료 가스를 공급하는 제2 재료 가스 공급기와, 상기 감압 장치, 가열기, 캐리어 가스 공급기, 제1 재료 가스 공급기 및 제2 재료 가스 공급기를 제어하는 제어 유닛을 포함하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치로서,
상기 제어 유닛은, 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대하여 200 이상의 비율을 가질 수 있도록, 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실시하도록 제1 및 제2 재료 가스 공급기를 제어하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 반응 튜브와, 상기 반등 튜브 내에 기판을 장착하는 기판 장착부와, 상기 반응 튜브의 내부 압력을 적절한 레벨로 감소시키는 감압 장치와, 상기 기판을 가열하는 가열기와, 상기 반응 튜브 내로 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급기와, 상기 반응 튜브 내의 기판 상에 3족 원소를 함유한 제1 재료 가스를 공급하는 제1 재료 가스 공급기와, 상기 반응 튜브 내의 기판 상에 질소를 함유한 제2 재료 가스를 공급하는 제2 재료 가스 공급기와, 상기 감압 장치, 가열기, 캐리어 가스 공급기, 제1 재료 가스 공급기 및 제2 재료 가스 공급기를 제어하는 제어 유닛을 포함하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치로서,
상기 제어 유닛은, 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대하여 450 이상의 비율을 가질 수 있도록, 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실시하도록 제1 및 제2 재료 가스 공급기를 제어하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 반응 튜브와, 상기 반등 튜브 내에 기판을 장착하는 기판 장착부와, 상기 반응 튜브의 내부 압력을 적절한 레벨로 감소시키는 감압 장치와, 상기 기판을 가열하는 가열기와, 상기 반응 튜브 내로 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급기와, 상기 반응 튜브 내의 기판 상에 3족 원소를 함유한 제1 재료 가스를 공급하는 제1 재료 가스 공급기와, 상기 반응 튜브 내의 기판 상에 질소를 함유한 제2 재료 가스를 공급하는 제2 재료 가스 공급기와, 상기 감압 장치, 가열기, 캐리어 가스 공급기, 제1 재료 가스 공급기 및 제2 재료 가스 공급기를 제어하는 제어 유닛을 포함하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치로서,
상기 제어 유닛은, 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 기판에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 200 이상의 비율을 갖는 반면, 막 두께가 임계 막 두께 이상인 때에는 제2 재료 가스에 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 200 미만의 비율을 가질 수 있도록, 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실시하도록 제1 및 제2 재료 가스 공급기를 제어하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 반응 튜브와, 상기 반등 튜브 내에 기판을 장착하는 기판 장착부와, 상기 반응 튜브의 내부 압력을 적절한 레벨로 감소시키는 감압 장치와, 상기 기판을 가열하는 가열기와, 상기 반응 튜브 내로 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급기와, 상기 반응 튜브 내의 기판 상에 3족 원소를 함유한 제1 재료 가스를 공급하는 제1 재료 가스 공급기와, 상기 반응 튜브 내의 기판 상에 질소를 함유한 제2 재료 가스를 공급하는 제2 재료 가스 공급기와, 상기 감압 장치, 가열기, 캐리어 가스 공급기, 제1 재료 가스 공급기 및 제2 재료 가스 공급기를 제어하는 제어 유닛을 포함하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치로서,
상기 제어 유닛은, 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 기판에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 450 이상의 비율을 갖는 반면, 막 두께가 임계 막 두께 이상인 때에는 제2 재료 가스에 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 450 미만의 비율을 가질 수 있도록, 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실시하도록 제1 및 제2 재료 가스 공급기를 제어하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 반응 튜브와, 상기 반등 튜브 내에 기판을 장착하는 기판 장착부와, 상기 반응 튜브의 내부 압력을 적절한 레벨로 감소시키는 감압 장치와, 상기 기판을 가열하는 가열기와, 상기 반응 튜브 내로 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급기와, 상기 반응 튜브 내의 기판 상에 3족 원소를 함유한 제1 재료 가스를 공급하는 제1 재료 가스 공급기와, 상기 반응 튜브 내의 기판 상에 질소를 함유한 제2 재료 가스를 공급하는 제2 재료 가스 공급기와, 상기 감압 장치, 가열기, 캐리어 가스 공급기, 제1 재료 가스 공급기 및 제2 재료 가스 공급기를 제어하는 제어 유닛을 포함하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치로서,
상기 제어 유닛은, 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 기판에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 250 이상의 비율을 갖는 반면, 막 두께가 임계 막 두께 이상인 때에는 제2 재료 가스에 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 20 내지 250의 비율을 가질 수 있도록, 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실시하도록 제1 및 제2 재료 가스 공급기를 제어하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 반응 튜브와, 상기 반등 튜브 내에 기판을 장착하는 기판 장착 수단과, 상기 반응 튜브의 내부 압력을 적절한 레벨로 감소시키는 감압 수단과, 상기 기판을 가열하는 가열 수단과, 상기 반응 튜브 내로 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급 수단과, 상기 반응 튜브 내의 기판 상에 3족 원소를 함유한 제1 재료 가스를 공급하는 제1 재료 가스 공급 수단과, 상기 반응 튜브 내의 기판 상에 질소를 함유한 제2 재료 가스를 공급하는 제2 재료 가스 공급 수단과, 상기 감압 수단, 가열 수단, 캐리어 가스 공급 수단, 제1 재료 가스 공급 수단 및 제2 재료 가스 공급 수단을 제어하는 제어 수단과, 성장된 결정의 표면 평탄도를 측정하는 표면 평탄도 측정 수단과, 상기 표면 평탄도 측정 수단에 의해 생성한 측정치로부터 최적의 표면 평탄도를 얻기 위하여 성장 파라미터를 결정하는 성장 파라미터 결정 수단을 포함하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치로서,
상기 제어 수단은 반응 튜브 내의 기판 상에 제1 재료 가스를, 반응 튜브 내의 기판에 제2 재료 가스를 번갈아 공급하고, 소정의 기판 온도 및 소정의 성장 압력하에서, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를 다양하게 변경함으로써, 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 기판 상에 증착된 질화물 반도체 결정을 성장시키고, 상기 표면 평탄도 측정 수단은 성장된 질화물 반도체 결정의 표면 평탄도를 측정하고, 상기 성장 파라미터 결정 수단은, 표면 평탄도를 가장 적절한 레벨로 되도록 하기 위하여, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를 결정하고,
상기 제어 수단은, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비가 상기 성장 파라미터 결정 수단에 의해 결정된 값으로 변경되도록 제1 재료 가스 공급기와 제2 재료 가스 공급기를 제어하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 반응 튜브와, 상기 반등 튜브 내에 기판을 장착하는 기판 장착 수단과, 상기 반응 튜브의 내부 압력을 적절한 레벨로 감소시키는 감압 수단과, 상기 기판을 가열하는 가열 수단과, 상기 반응 튜브 내로 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급 수단과, 상기 반응 튜브 내의 기판 상에 3족 원소를 함유한 제1 재료 가스를 공급하는 제1 재료 가스 공급 수단과, 상기 반응 튜브 내의 기판 상에 질소를 함유한 제2 재료 가스를 공급하는 제2 재료 가스 공급 수단과, 상기 감압 수단, 가열 수단, 캐리어 가스 공급 수단, 제1 재료 가스 공급 수단 및 제2 재료 가스 공급 수단을 제어하는 제어 수단과, 성장된 결정의 표면 평탄도를 측정하는 표면 평탄도 측정 수단과, 상기 표면 평탄도 측정 수단에 의해 생성한 측정치로부터 최적의 표면 평탄도를 얻기 위하여 성장 파라미터를 결정하는 성장 파라미터 결정 수단을 포함하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치로서,
상기 제어 수단은 반응 튜브 내의 기판 상에 제1 재료 가스를, 반응 튜브 내의 기판에 제2 재료 가스를 번갈아 공급하고, 소정의 기판 온도 및 소정의 성장 압력하에서, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를 다양하게 변경함으로써, 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 기판 상에 증착된 질화물 반도체 결정을 성장시키고, 상기 표면 평탄도 측정 수단은 성장된 질화물 반도체 결정의 표면 평탄도를 측정하고, 상기 성장 파라미터 결정 수단은, 표면 평탄도를 가장 적절한 레벨로 되도록 하기 위하여, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 제1 비율을 결정하고, 상기 제어 수단은, 소정의 기판 온도 및 소정의 성장 압력하에서, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를 다양하게 변경함으로써, 동일한 결정이 임계 막 두께보다 두껍게 성장할 때까지 기판에 증착된 질화물 반도체 결정을 성장시키고,
상기 표면 평탄도 측정 수단은 성장된 질화물 반도체 결정의 표면 평탄도를 측정하고, 상기 성장 파라미터 결정 수단은, 표면 평탄도를 가장 적절한 레벨로 되도록 하기 위하여, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 제2 비율을 결정하며,
제1 및 제2 재료 가스 공급 수단은, 기판 상에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지는 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비가 성장 파라미터 결정 수단에 의해 결정된 제1 비율로 설정되고, 막 두께가 임계 막 두께보다 두껍게 성장된 후에는 성장 파라미터 결정 수단에 의해 결정된 제2 비율로 설정되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 질화물 반도체 결정의 성장 장치를 제어하는 프로그램으로서, 질화물 반도체의 결정 성장 장치가 결정 성장을 실행할 수 있도록 컴퓨터를 제어하는 프로그램은, 제1 재료 가스 공급 수단이 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 제2 재료 가스 공급 수단이 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하도록 하는 과정을 포함하고,
제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대하여 200 이상의 비율을 가질 수 있도록 상기 단계들을 제어하는 것을 특징으로 하는 프로그램이 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 질화물 반도체 결정의 성장 장치를 제어하는 프로그램으로서, 질화물 반도체의 결정 성장 장치가 결정 성장을 실행할 수 있도록 컴퓨터를 제어하는 프로그램은, 제1 재료 가스 공급 수단이 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 제2 재료 가스 공급 수단이 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하도록 하는 과정을 포함하고,
제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대하여 450 이상의 비율을 가질 수 있도록 상기 단계들을 제어하는 것을 특징으로 하는 프로그램이 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 질화물 반도체 결정의 성장 장치를 제어하는 프로그램으로서, 질화물 반도체의 결정 성장 장치가 결정 성장을 실행할 수 있도록 컴퓨터를 제어하는 프로그램은, 제1 재료 가스 공급 수단이 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 제2 재료 가스 공급 수단이 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하도록 하는 과정을 포함하고,
제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수가, 기판에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 200 이상의 비율을 갖는 반면, 막 두께가 임계 막 두께 이상인 때에는 제2 재료 가스에 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 200 미만의 비율을 가질 수 있도록 상기 단계들을 제어하는 것을 특징으로 하는 프로그램이 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 질화물 반도체 결정의 성장 장치를 제어하는 프로그램으로서, 질화물 반도체의 결정 성장 장치가 결정 성장을 실행할 수 있도록 컴퓨터를 제어하는 프로그램은, 제1 재료 가스 공급 수단이 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 제2 재료 가스 공급 수단이 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하도록 하는 과정을 포함하고,
제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수가, 기판에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 450 이상의 비율을 갖는 반면, 막 두께가 임계 막 두께 이상인 때에는 제2 재료 가스에 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 450 미만의 비율을 가질 수 있도록 상기 단계들을 제어하는 것을 특징으로 하는 프로그램이 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 질화물 반도체 결정의 성장 장치를 제어하는 프로그램으로서, 질화물 반도체의 결정 성장 장치가 결정 성장을 실행할 수 있도록 컴퓨터를 제어하는 프로그램은, 제1 재료 가스 공급 수단이 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 제2 재료 가스 공급 수단이 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하도록 하는 과정을 포함하고,
제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수가, 기판에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 250 이상의 비율을 갖는 반면, 막 두께가 임계 막 두께 이상인 때에는 제2 재료 가스에 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 20 내지 250의 비율을 가질 수 있도록 상기 단계들을 제어하는 것을 특징으로 하는 프로그램이 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 질화물 반도체 결정의 성장 장치를 제어하는 프로그램으로서, 질화물 반도체의 결정 성장 장치가 결정 성장을 실행할 수 있도록 컴퓨터를 제어하는 프로그램은, 제1 재료 가스 공급 수단이 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 제2 재료 가스 공급 수단이 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하도록 하는 과정과, 소정의 기판 온도 및 소정의 성장 압력하에서, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를 다양하게 변경함으로써, 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 기판 상에 증착된 질화물 반도체 결정을 성장시키는 과정과, 성장된 질화물 반도체 결정의 표면 평탄도를 측정하는 과정과, 표면 평탄도를 가장 적절한 레벨로 되도록 하기 위하여, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 최적 비율을 결정하는 과정과, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를 상기 최적 비율 결정 단계에서 결정된 값으로 변경시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로그램이 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 질화물 반도체 결정의 성장 장치를 제어하는 프로그램으로서, 질화물 반도체의 결정 성장 장치가 결정 성장을 실행할 수 있도록 컴퓨터를 제어하는 프로그램은, 제1 재료 가스 공급 수단이 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 제2 재료 가스 공급 수단이 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하도록 하는 과정과, 소정의 기판 온도 및 소정의 성장 압력하에서, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를 다양하게 변경함으로써, 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 기판 상에 증착된 질화물 반도체 결정을 성장시키는 과정과, 성장된 질화물 반도체 결정의 표면 평탄도를 측정하는 과정과, 표면 평탄도를 가장 적절한 레벨로 되도록 하기 위하여, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 제1의 최적 비율을 결정하는 과정과, 소정의 기판 온도 및 소정의 성장 압력하에서, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를 다양하게 변경함으로써, 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께보다 두껍게 성장할 때까지 기판 상에 증착된 질화물 반도체 결정을 성장시키는 과정과, 임계 막 두께보다 두껍게 성장된 질화물 반도체 결정의 표면 평탄도를 측정하는 과정과, 표면 평탄도를 가장 적절한 레벨로 되도록 하기 위하여, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 제2의 최적 비율을 결정하는 과정을 포함하며,
제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를, 기판 상에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지는 제1의 최적 비율에 상응하는 값으로 설정하고, 반도체 결정이 임계 막 두께보다 두껍게 성장한 후에는 제2의 최적 비율에 상응하는 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 프로그램이 제공된다.
이제 첨부 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한 다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물 반도체의 결정 성장 장치의 개략적인 블록도이고,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물 반도체의 결정 성장 장치용 제어 장치에 저장된 제어 프로그램에 따른 결정 성장 절차를 보여주는 흐름도이고,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화물 반도체의 결정 성장 장치용 제어 장치에 저장된 제어 프로그램에 따른 결정 성장 절차를 보여주는 흐름도이고,
도 4는 동시 공급 방법에 따른 밸브의 개폐를 위한 패턴을 보여주는 다이어그램이고,
도 5는 교호(交互) 공급 방법에 따른 밸브의 개폐를 위한 패턴을 보여주는 다이어그램이고,
도 6은 SiC 기판 표면의 AFM(atomic force microscope) 이미지를 도시하는 도면이고,
도 7은 동시 공급 방법에 의해 에피택셜 성장된 AlN의 표면을 AFM으로 관찰하여 얻은 이미지를 도시하는 도면이고,
도 8은 교호 공급에 의해 에피택셜 성장된 AlN의 표면을 AFM으로 관찰하여 얻은 이미지를 도시하는 도면이고,
도 9는 교호 공급에 의해 성장된 경우의 5/3 비율에 대한 Rz를 보여주는 그래프이고,
도 10은 교호 공급에 의해 성장된 경우의 5/3 비율에 대한 Rz를 보여주는 그 래프이고,
도 11은 교호 공급에 의해 성장된 경우의 사이클에 대한 Rz를 보여주는 그래프이고,
도 12는 교호 공급에 의한 성장의 경우에 사이클 수에 대한 Rz를 보여주는 그래프이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 질화물 반도체의 결정 성장 장치(10)는 에피택셜 성장을 위한 장치이고, 재료 가스가 대기압 이하에서 SiC 기판의 표면에 대하여 수평으로 흐르게 함으로써 감압 수평 MOVPE(organic metal vapor-phase epitaxy)법을 실시하는 수평 유기 금속 기상 에피택시 장치이다.
결정 성장 장치(10)는 반응 튜브(11), 기판(12)을 반응 튜브(11)에 장착하기 위한 서셉터(11; 기판 장착부), 반응 튜브(11)의 내부 압력을 감소시키기 위한 감압 장치(14; 배기 장치) 및 기판(12)을 가열하기 위한 가열기(15)를 구비한다. 결정 성장 장치(10)는 또한 캐리어 가스(H2)를 반응 튜브(11) 내로 공급하기 위한 캐리어 가스 공급기(16)와, 트리메틸-알루미늄〔(CH3)3Al〕 등의 알루미늄과 같은 3족 원소를 포함하는 제1 재료 가스를 반응 튜브(11) 내의 기판(12)에 공급하기 위한 제1 재료 가스 공급기(17)와, 암모니아(NH3)와 같이 5족 원소로서의 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브(11) 내의 기판(12)에 공급하기 위한 제2 재료 가스 공급기(18)를 포함한다. 또한, 결정 성장 장치(10)는 감압 장치(14), 가열기(15), 캐리어 가스 공급기(16), 제1 재료 가스 공급기(17), 제2 재료 가스 공급기(18) 등을 제어하기 위한 제어 유닛(19)을 구비한다. 결정 성장 장치(10)는 N2 가스용의 퍼지 가스 공급기(40)를 또한 구비한다.
질량 유량 제어기(23a)는 퍼지 가스의 유량을 제어하고, 질량 유량 제어기(23b)는 캐리어 가스의 유량을 제어하며, 질량 유량 제어기(29, 33)는 각각 제1 및 제2 재료 가스의 유량을 제어한다. 밸브(22, 26, 32, 43)는 관련 가스의 온-오프 제어를 각각 실행한다. 질량 유량 제어기(23a, 23b, 29, 33) 및 밸브(22, 26, 32, 43)는 제어 유닛(19)에 의해 제어된다. 공급 대상 가스로서의 NH3 및 트리메틸알루미늄(TMA)을 기판(12)으로 안내하기 위한 배플 플레이트(45)가 반응 튜브(11) 마련되어 있다. 감압 장치(14)는 압력 제어 밸브(1)와 펌프(2)로 구성된다. 압력 제어 밸브(1)는 제어 유닛(19)에 의해 제어된다. 가스를 캐리어 가스 공급기(16)로부터 도시 생략한 장치를 통하여 배출하는 파이프라인에 밸브(35)가 마련되어 있다.
제어 유닛(19)은 각종의 파라미터를 획득하고 기억함으로써 내부 기억 프로그램에 따라 각종의 장치를 제어할 수 있다. 기판(12)을 반응 튜브(11) 내에 배치한 후에 제1 재료 가스의 공급과 제2 재료 가스의 공급을 번갈아 실시하는 동안에, 본 발명에 따른 제어 유닛(19)은 밸브(26, 32), 질량 유량 제어기(29, 33) 등을 제어하여, 제2 재료 가스에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스에 함유된 3족 원소의 몰수에 대하여 전반적으로 200 이상의 비율을 갖게 된다. 부호 34는 서머 커플과 같이 기판 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 지시한다. 제어 유닛(19)은 내부의 메모리에 기억된 제어 프로그램에 따라 동작할 수도 있고, 필요에 따라 CD-ROM과 같은 저장 매체의 형태로 제어 프로그램이 공급될 수도 있다.
반응 튜브(11)는 냉각수에 의해 둘러싸여 있으므로, 기판(12) 둘레의 중간 부분만이 유도 가열 타입의 가열기(15)에 의해 온도가 상승할 수 있다. 서셉터(13)는 기판이 그와 동일 평면으로 위치하도록 되어 있는 오목부를 갖는다. 따라서, 공급되는 재료 가스는 방해 없이 층상 스트림으로 기판(12)으로 흐르고, 기판(12) 상에서 가스 반응의 제어 정밀도를 개선할 수 있다.
이제 전술한 바와 같은 결정 성장 장치(10)를 이용함으로써 질화물 반도체의 결정을 성장시키는 방법을 설명하기로 한다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면, 반응 튜브(11) 내에 기판(12)을 설치하는 단계 이후에, 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브(11) 내의 기판(12) 상에 공급하는 단계와, 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하여(교호 공급 방법), 기판 상에 질화물 반도체의 결정을 직접적으로 증착하는 질화물 반도체 결정의 성장 방법이 제공되며, 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수는 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 200 이상의 비율을 갖는다.
기판은 실리콘 탄화물(SiC) 기판이고, SiC 기판은 <11-20>의 방향으로 (0001) Si 평면으로부터 0°내지 8°의 경사를 갖는다. 이로 인하여, (결정도의 특징에 기인하여) 중첩 층을 양호하게 증착할 수 있다. 기판의 재료로서 실리콘 탄화물을 사용하면, 이질 접합의 계면에서 발생하는 격자 불일치로 인한 결함 밀도를 감소시킬 수 있는데, 그 이유는 실리콘 탄화물과 질화물 반도체 사이의 격자 상수의 차가 사파이어와 질화물 반도체 사이의 격자 상수의 차보다 작기 때문이다.
상기 실시예에 따르면, 질화물 반도체 층은 AlN의 층이다. 질화물 반도체 층은 (임계 막 두께 이하인) 4nm 이하의 두께를 갖고, 기판상에 직접적으로 에피택셜 성장된다. AlN 층은 이하와 같은 특성을 갖는다. (1) AlN 층은, 혼합 결정 반도체를 제외하고는, 격자 상수가 SiC 결정에 가장 근접한 질화물 반도체 재료이다. AlN 층의 두께가 임계 막 두께를 초과하지 않도록 제어하는 경우에, 이질 결합의 계면에서 발생하는 격자 불일치로 인한 결함 밀도를 최소로 할 수 있다. (2) AlN은 6.2 eV 정도로 큰 밴드 갭(band gap)을 갖고, 상당한 절연성을 갖지만, 그 두께가 임계 막 두께를 초과하면, 전자의 터널 현상이 전기 전도도를 보장하므로, 이질 접합의 계면의 특성에 영향을 끼치지 않는다. (3) 교호 공급법에 의해 SiC 기판 상에 AlN을 직접적으로 에티택셜 성장시키면, 성장 초기 단계에서 SiC 기판 상에 규칙적인 결정 구조를 갖는 AlN의 에피택셜 결정 구조를 형성하고, 성장을 아일랜드 패턴으로 억제함으로써 평탄한 AlN 표면과 결함이 거의 없는 이질 접합을 구현할 수 있는 것으로 예상된다.
본 실시예에 따르면, 배플 플레이트(45)는 두 종류의 재료 가스가 통과하여 기판(12)에 번갈아 공급되도록 반응 튜브(11)의 유입부를 분리하여, 기판(12)의 앞쪽에서의 재료 가스의 중간 반응에 의해 질화물 반도체 영역의 성장 시에 임의의 불균일이 초래되는 것을 방지할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 두 종류의 재료 가 스가 동시에 공급되지 않고, 그 대신에 번갈아 공급되는 한편, 이들 재료 가스는 배플 플레이트(45)에 의해 안내되므로, 재료 가스가 기판(12)의 앞쪽에서의 어떠한 중간 반응도 겪지 않게 되고, 질화물 반도체 성장 영역은 아일랜드 형상이 아닌 층상으로 형성된다. 본 실시예에 따르면, 매우 평탄한 에피택셜 층을 얻을 수 있다.
재료 가스와 관련하여, 트리메틸알루미늄〔TMA:(CH3)3Al〕이 Al(3족 가스)용 원재료로서 사용된다. 암모니아(NH3)가 N(5족 가스)용의 원재료로서 사용되고, 수소(H2)가 재료 가스를 동반하는 가스(캐리어 가스)로서 사용된다. 실온 및 대기압에서의 유량으로부터 환산한 몰수를 AlN 결정을 성장시키는 재료 가스, 즉 TMA 및 NH3가 공급되는 양으로서 채용한다. 이들 몰수는 단위 시간당 공급되는 몰수를 말한다. 5/3 비율은 전술한 바와 같은 방식으로 계산한 재료 가스의 몰수의 비율을 말한다.
이제 도 2에 도시된 흐름도를 참고로 하여 결정 성장 장치(10)용 제어 유닛(19)에 저장된 제어 프로그램에 따른 결정 성장 공정을 설명하기로 한다. 결정 성장용 제어 프로그램은 임계 막 두께를 초과하지 않는 두께의 결정 성장을 실행하기 위한 프로그램을 말한다. 결정 성장을 위한 파라미터는 (1) 기판 온도; 결정이 성장되는 때의 SiC 기판의 온도, (2) 성장 압력; 결정이 성장되는 때의 반응 튜브의 내부 압력, (3) 성장 시간; 동시 공급법에 의한 성장의 시작으로부터 그 종료까지의 시간, (4) 공급 시간; 번갈아 공급되는 때의 각 재료 가스, 즉 TMA 및 NH3에 대한 공급 시간, (5) 공급 사이클; 번갈아 공급하는 횟수, (6) 5/3 비율; 전술한 방식으로 계산한, AlN을 위하여 공급된 재료 가스들의 몰수의 비율, (7) 가스 유량; 결정이 성장되는 때의 TMA, NH3 및 캐리어 가스의 유량의 합.
전술한 파라미터를 제어 유닛(19)에 입력한다. 조작자는 결정 성장 장치(10)의 서셉터(13) 상에 SiC 기판을 장착한다(단계 S11). 밸브(22, 26, 32, 43)는 폐쇄 상태로 유지된다. 그 후, 제어 유닛(19)을 작동시킨다. 그에 따라, 제어 프로그램에 의해 공정이 개시된다. 공정이 개시된 후에, 반응 튜브의 진공 배기를 위하여 배기 장치(14)를 작동시킨다(단계 S12). H2 가스를 도입하도록 밸브(22)를 개방한다(단계 S13). 소정 압력에 도달하였는가에 대하여 판정하고(단계 S14), 소정 압력에 도달하였으면, 가열기(15)를 작동시켜 기판(12)을 가열한다(단계 S15). 소정의 온도에 도달한 때, 결정의 성장이 개시된다. 필요에 따라, 결정 성장 이전에 예비 어닐링을 실시한다. TMA 가스를 유동시키기 위하여 밸브(26)를 개방(단계 S16)한 후, 밸브(26)를 폐쇄하고, 밸브(32)를 개방하여 NH3를 유동시킨다(단계 S17). 단계 S16과 단계 S17을 소정 횟수 반복했는가를 판정한다(단계 S18). 소정 횟수는 예컨대 6회일 수 있다. 소정 횟수가 완료된 때에, 결정 성장이 종료된다(단계 S19). H2 및 NH3를 유동 상태로 유지하면서, 가열기(15)를 정지시키고, 온도가 소정 레벨 이하로 낮아진 후에, 반응 튜브를 N2 가스로 퍼지하여, 실온으로 복귀시킨다(단계 S20). 배기 장치(14)를 정지시키고, 상압이 회복된 때에, 결정이 성 장된 기판을 인출한다(단계 S21).
전술한 바와 같은 공정에 의해 양호한 평탄도의 고품질 질화물 반도체 결정을 얻을 수 있다. 전술한 바와 같은 교호 공급법에 따르면, 융점보다 높은 기판 온도와, SiC와 알루미늄의 표면 에너지 관계로 인하여 먼저 알루미늄이 미세하게 분리된 액적 형태로 SiC 기판에 부착된다. 그 후, 암모니아가 공급되며, 이로부터 용해된 원소 질소가 SiC 표면에 흡수되어 그 표면 에너지가 변경되므로, 알루미늄은 N을 동반하는 SiC 표면에 걸쳐 액적 형태로부터 균일하게 퍼진다. 그 결과, AlN 막이 형성된다. 이들 과정을 번갈아 반복하면, SiC 상에 균일하게 퍼진 평탄한 AlN 결정을 확실하게 형성할 수 있다. 따라서, 양호한 평탄도의 고품질의 질화물 반도체 결정을 얻을 수 있다.
제어 유닛(19)은, 반응 튜브(11) 내의 기판(12) 상에 제1 재료 가스를 공급하는 단계와 반응 튜브(11) 내의 기판(12) 상에 제2 재료 가스를 공급하는 단계를 번갈아 실시하는 횟수를 일반적으로 1 내지 10회로 할 수 있도록 제1 재료 가스 공급기(17) 및 제2 재료 가스 공급기(18)를 제어함으로써 평탄한 고품질의 AlN을 형성할 수 있다. 번갈아 공급하는 횟수는 다양한 성장 파라미터 등에 따라 소정의 막 두께를 얻을 수 있게 하는 횟수로부터 적절하게 선택되어야 한다. 임계 막 두께 이상의 AlN 층을 형성하기 위해서는, 성장된 층의 평탄도를 유지하고 필요한 막 두께에 도달할 때까지 교호의 가스 공급을 반복하도록 성장 파라미터를 변경할 필요가 있다.
이제 제2 실시예를 설명하기로 한다. 제2 실시예는, 제어 유닛(19)에 상이 한 제어 프로그램을 사용하는 것을 제외하고는, 제1 실시예에서 채용하는 결정 성장 장치(10)와 동일한 장치를 채용한다. 따라서, 장치의 다른 구조적 특징에 대한 설명은 생략하고, 제어 프로그램에 대해서만 설명하기로 한다. 본 실시예에 따르면, 임계 막 두께 이상을 갖는 결정 성장이 실행된다.
제어 유닛(19)은, 반응 튜브(11) 내에 기판(12)을 장착한 후에 반응 튜브(11) 내의 기판(12) 상에 제1 재료 가스를 공급하는 단계와 반응 튜브(11) 내의 기판(12) 상에 제2 재료 가스를 공급하는 단계를 번갈아 실행하도록 제1 및 제2 재료 가스 공급기를 제어하여, 기판(12)상에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지는 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 450 이상의 비율을 가질 수 있는 반면, 막 두께가 임계 막 두께 이상인 때에는 제2 재료 가스에 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 20 내지 250의 비율을 갖는다.
도 3은 제어 유닛(19)에 기억된 제어 프로그램의 흐름도이다. 결정 성장을 실행시키기 위한 이러한 제어 프로그램은 임계 막 두께 이상을 두께를 갖는 결정을 성장시키기 위한 프로그램이다. 파라미터를 제어 유닛(19)에 입력한다. 조작자는 SiC 기판을 결정 성장 장치(10)의 서셉터(13) 상에 장착한다(단계 S31). 밸브(22, 26, 32, 43)는 폐쇄 상태로 유지된다. 그 후, 제어 유닛(19)을 작동시킨다. 그 결과, 제어 프로그램에 의해 공정이 개시된다. 공정이 개시된 후에, 반응 튜브(11)의 진공 배기를 위하여 배기 장치(14)를 작동시킨다(단계 S32). H2 가스를 도입하도록 밸브(22)를 개방한다(단계 S33). 소정 압력에 도달하였는가에 대하여 판정한다(단계 S34). 소정 압력에 도달한 경우에는, 가열기(15)를 작동시켜 기판(12)을 가열한다(단계 S35). 소정의 온도에 도달한 때, 결정의 성장이 개시된다. 제1의 5/3 비율(450 이상)을 위하여 질량 유량 제어기(29)를 조정하고, TMA 가스를 유동시키기 위하여 밸브(26)를 개방(단계 S36)한 후, 밸브(26)를 폐쇄하고 밸브(32)를 개방하여 NH3를 유동시킨다(단계 S37). 이러한 과정을 임계 막 두께에 도달할 때까지 소정 횟수(예컨대 6회) 동안 반복한다. 소정 횟수를 실시했는가에 대해서 판정한다(단계 S38). 소정 횟수가 완료되면, 제2의 5/3 비율(20 내지 250)을 위하여 질량 유량 제어기(29, 33)를 조정하고(단계 S39), 밸브(26)를 개방하여 TMA 가스를 유동시키고(단계 S40), 그 후 밸브(26)를 폐쇄하고 밸브(32)를 개방하여 NH3 가스를 유동시킨다(단계 S41). 단계 S40 및 단계 S41이 소정 횟수 동안 반복되었는가에 대하여 판정한다(단계 S42). 소정 횟수는 예컨대 500회일 수 있고, 필요에 따라 임계 막 두께 이상인 결정의 막 두께에 의존한다. 단계 S42에서의 판정이 소정 횟수를 완료한 것으로 나타나면, 결정 성장이 종료되고, H2 및 NH3를 유동 상태로 유지하면서, 가열기(15)를 정지시키고, 온도가 소정 레벨 이하로 낮아진 후에, H2 및 NH3의 공급을 중지시키고, N2 가스를 유동시켜 실온으로 복귀시킨다(단계 S43). 배기 장치(14)를 정지시키고, 상압이 회복된 때에, 결정이 성장된 기판을 인출한다(단계 S44).
전술한 바와 같은 공정에 양호한 평탄도의 고품질의 질화물 반도체 결정을 얻을 수 있다. 전술한 바와 같은 교호 공급법에 따르면, 융점보다 높은 기판 온도와, SiC와 알루미늄의 표면 에너지 관계로 인하여 먼저 알루미늄이 미세하게 분리된 액적 형태로 SiC 기판에 부착된다. 그 후, 암모니아가 공급되며, 이로부터 용해된 원소 질소가 SiC 표면에 흡수되어 그 표면 에너지가 변경되므로, 알루미늄은 N을 동반하는 SiC 표면에 걸쳐 액적 형태로부터 균일하게 퍼진다. 그 결과, AlN 막이 형성된다. 이들 과정을 번갈아 반복하면, SiC 상에 균일하게 퍼진 평탄한 AlN 결정을 확실하게 형성할 수 있다. 임계 막 두께에서 평탄도를 유지할 수 있고, 심지어 보다 큰 두께에서도 평탄도를 유지할 수 있다. 따라서, 양호한 평탄도의 고품질의 질화물 반도체 결정을 얻을 수 있다. 이하에서는, 도 2 및 도 3을 참고로 하는 공정 흐름의 설명에서 언급한 바와 같이 가스를 교호 공급하는 횟수(6 또는 500회)와 공급 가스에 대하여 5/3 비율(200, 450, 20 내지 250)을 선택한 이유에 대해서 설명하기로 한다.
이제 두 실시예에 대한 전술한 설명에서 언급한 바와 같이 가스를 교호 공급하는 횟수와 공급 가스에 대하여 5/3 비율을 선택한 이유에 대해서 설명한다. 이와 관련하여, 4가지 종류의 실험을 실행하였다. 첫 번째 실험에 따르면, 본 발명에 따른 교호 공급법과 주지의 동시 공급법에 의해 SiC 기판상에 직접적으로 성장된 AlN의 에피택셜 성장 표면의 평탄도를 서로 비교하여, 교호 공급법에 의해 SiC 기판 상에 4 nm의 임계 막 두께로 AlN을 직접 성장시킬 때의 효과를 측정하였다.
실험에 채용된 성장 조건을 표 1에 나타낸다.
성장 파라미터 동시 공급법 교호 공급법
기판 온도 1100℃ < T < 1300℃
성장 압력 < 50 kPa
Ⅴ/Ⅲ 비율 200-1800
막 두께 < 4 nm
표 1에 나타낸 조건하에서 동시 공급법과 교호 공급법을 실행함으로써 AlN 성장을 위한 실험을 실행하였다. 기판 온도를 1100℃ < T < 1300℃ 사이로 설정하고, 성장 압력을 50 kPa 이하로 설정하고, 5/3 비율을 200 내지 1800 사이로 설정하고, 성장 막 두께가 4 nm의 임계 막 두께에 도달하기 직전에 교호 공급을 중지하였다. 예컨대, 5/3 비율이 200 내지 1800이라는 것은, 5/3 비율이 200 내지 1800 사이에서 변경되더라도 다른 조건(기판 온도, 성장 압력 및 막 두께)이 동일하게 유지된다면, 성장된 결정면이 동일한 평탄도로 유지된다는 것을 의미한다. 동일한 사항이 1100℃ 내지 1300℃의 기판 온도와, < 50 kPa의 성장 압력에 대해서도 적용된다. 또한, 이러한 사항은 후술하는 표 2 및 표 3에 따른 다른 실험에 대해서도 동일하게 적용된다.
도 4는 동시 공급법에서의 밸브의 개폐에 대한 주지의 패턴을 보여주는 다이어그램이다. 횡축은 시간을 나타내고, 종축은 가스 밸브의 개방 및 폐쇄를 나타낸다. 캐리어 가스용 밸브는 캐리어 가스가 시간 T2까지 반응 튜브 내로 도입되도록 개방 상태로 유지되며, TMA 및 암모니아 가스용 밸브는 TMA와 암모니아 가스가 반응 튜브 내로 동시에 도입되도록 시간 T1의 길이 동안 개방 상태로 유지되어 결정을 성장한다. 시간 T1은 그 시간까지 4 nm 미만의 막 두께로 성장시키도록 선택된다.
도 5는 본 발명에 따른 교호 공급법에서의 밸브의 개폐에 대한 주지의 패턴을 보여주는 다이어그램이다. 캐리어 가스용 밸브는 캐리어 가스가 시간 T20까지 반응 튜브 내로 도입되도록 개방 상태로 유지되어 있는 중에, T10으로부터 T11까지는 TMA 가스용 밸브가 폐쇄된 상태로 암모니아 가스용 밸브가 개방되어 있는 동안에, TMA 가스용 밸브가 개방되고 암모니아 가스용 밸브가 시간 T10까지 개방되어 있는 사이클을 소정 회수 반복하고, 종료 시기에 정지하여 결정 성장을 중지시킨다. 예컨대, T10까지의 시간 2초와 T10으로부터 T11까지의 시간 3초를 한 사이클로 한다. 예컨대, 가스들의 유량은, TMA를 공급할 때에는 H2 가스의 유량이 1 내지 5 slm(standard liters/min)이고 TMA의 유량은 100 내지 250 sccm(standard cubic cm/min)이며, H2 가스를 공급할 때에는 H2 가스의 유량은 1 내지 5 slm이고 TMA의 유량은 2000 내지 5000 sccm이다. H2 가스를 10 slm의 유량으로 흐르게 하거나, 50 kPa 이하의 반응 튜브 압력에서 1100℃ 내지 1300℃의 표면 온도로 5 내지 10 분간 흐르게 함으로써, 결정 성장 이전에 예비 어닐닝을 실시한다. 결정 성장 후에는, 기판 온도를 300℃로 낮춘 상태로, H2 가스와 NH3를 각각 10 slm 및 200 sccm으로 유동시켜 반응 튜브 내에 95 MPa의 압력을 형성하고, 기판 온도를 100℃ 이하로 낮춘 상태로 반응 튜브를 N2 가스로 퍼지하여 대기압으로 회복시켰다.
도 5는 NH3와 TMA 가스를 공급하는 시간 주기가 서로 겹치지 않는 경우를 도시하고 있지만, 이들 가스를 어느 정도 중첩되게 공급하는 것도 또한 가능하다. 대안으로, 어떠한 가스도 공급하지 않는 시간 주기(즉 1 내지 2초)를 갖도록 상기 가스들을 번갈아 공급하는 것도 가능하다. 이 경우에는, 상기 가스들 중 하나가 기판 상에서 완전하게 반응한 후에, 다른 가스를 공급한다. 본 실시예에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이 TMA 가스가 먼저 공급된다. NH3 가스가 먼저 공급되면, SiC 기판(12) 상에 SiN의 불필요한 절연 막이 형성될 우려가 있으므로, 본 실시예에 따르면, 그러한 결점을 방지하기 위하여 TMA 가스를 먼저 공급한다.
성장 결정을 평가하는 방법과 관련해서는, 에피택셜 성장된 표면을 AFM을 통하여 관찰하고, 그 후에 중심선 평균 거칠기(이하 Ra)와 n-포인트 평균 거칠기(이하 Rz)의 값을 평가하였다. Ra와 Rz이 작을수록, 평탄도 수준이 높은 것을 나타낸다.
이제 실험 2를 설명한다. 본 발명에 따른 교호 공급법에 의해 SiC 기판 상에 AlN이 약 4 nm의 두께로 에피택셜 성장된 때에 5/3 비율과 관련한 파라미터가 에피틱셜 성장된 AlN 표면에 끼치는 효과를 명확하게 하기 위하여 실험 2를 행하였다.
실험 2
성장 파라미터 교호 공급법
기판 온도 1100℃ < T < 1300℃
성장 압력 < 50 kPa
Ⅴ/Ⅲ 비율 100-1800
막 두께 > 4 nm(사이클 수 : 6)
5/3 비율을 100 내지 1800 사이에서 변경함으로써 측정을 하였다. 에피택셜 성장된 표면을 AFM을 통하여 관찰하고, 그 후에 중심선 평균 거칠기(이하 Ra)와 n-포인트 평균 거칠기(이하 Rz)의 값을 평가하였다.
실험 3은 AlN을 본 발명에 따른 교호 공급법에 의해 SiC 기판 상에 4 nm 이상의 두께로 에피택셜 성장한 때에 에피택셜 성장된 AlN 표면의 평탄도를 명확하게 하기 위한 실험이다. 실험을 위하여 채용한 성장 조건을 표 3에 나타내었으며, SiC 기판 상에 약 4 nm의 임계 막 두께를 갖는 AlN을 추가로 결정 성장시키도록 공정 사이클 수를 1 내지 20으로 변경하여 성장 실험을 실행하였다.
보다 구체적으로, 기판 온도는 1100℃ < T < 1300℃로 설정하고, 성장 압력은 50 kPa 미만으로 설정하고, 5/3 비율은 900으로 설정하고, 사이클 수를 1 내지 20으로 변경함으로써 실험을 행하였다.
성장 결정을 평가하는 방법과 관련해서는, 에피택셜 성장된 표면을 AFM을 통하여 관찰하고, 그 후에 중심선 평균 거칠기(이하 Ra)와 n-포인트 평균 거칠기(이하 Rz)의 값을 평가하였다.
실험 3
성장 파라미터 교호 공급법
기판 온도 1100℃ < T < 1300℃
성장 압력 < 50 kPa
Ⅴ/Ⅲ 비율 900
막 두께 > 4 nm
도 6 내지 도 12는 실험 1 내지 실험 3의 결과를 나타내고 있다. 도 6은 처리를 하지 않은 SiC 기판의 표면의 AFM 이미지를 도시하고 있다. 관찰한 이미지에 있어서, 화살표의 방향으로 기판 표면의 경사에 기인한 레벨의 차이가 있다는 것을 알 수 있다. 도 7은 실험 1에 따른 동시 공급법에 의해 에피택셜 성장된 AlN 표면을 관찰한 AMF 이미지를 도시하고 있다. Ra는 0.7이고, Rz는 2.3이다. 표면에는 불규칙하게 형성된 기복이 있다. AlN이 성장의 초기 단계 중에 아일랜드의 패턴으로 성장한다는 것은 명백하다. 도 8은 실험 1에 따른 교호 공급법에 의해 에피택셜 성장된 AlN 표면을 관찰한 AMF 이미지를 도시하고 있다. Ra는 0.3이고, Rz은 1.2이다. 이로부터, 교호 공급법이 양호한 평탄도의 표면과 SiC 기판 상에서 약 4 nm의 두께로 AlN을 성장시킬 때에 양호한 특성의 이질 접합 계면을 형성하는 것은 명백하다. 이로부터, AlN이 SiC 기판의 경사를 따라 표면에서 규칙적으로 성장한다는 것은 명백하다.
도 9는 실험 2에 따른 교호 공급에 의한 성장을 위하여 채용된 5/3 비율과 관련하여 Ra를 나타내는 그래프이다. 횡축은 5/3 비율을 나타내고, 종축은 Ra를 나타낸다. 곡선 C10은 8 ㎛ 스퀘어 표면 내에서 결정된 값을 나타낸다. C11은 2 ㎛ 스퀘어 표면 내에서 결정된 값을 나타낸다. C12는 1 ㎛ 스퀘어 표면 내에서 결정된 값을 나타낸다. 이로부터, 5/3 비율이 증가함에 따라 Ra가 감소하는 것은 명백하다. 이로부터, 5/3 비율이 200 이상이면 0.6㎛ 이하의 Ra를 제공하며, 이로써 평탄도가 현저하게 개선된다는 것은 명백하다.
도 10은 실험 2에 따른 교호 공급에 의한 성장을 위하여 채용된 5/3 비율과 관련하여 Rz를 나타내는 그래프이다. 횡축은 5/3 비율을 나타내고, 종축은 Rz를 나타낸다. 곡선 C20은 8 ㎛ 스퀘어 표면 내에서 결정된 값을 나타낸다. C21은 2 ㎛ 스퀘어 표면 내에서 결정된 값을 나타낸다. C22는 1 ㎛ 스퀘어 표면 내에서 결정된 값을 나타낸다. 이로부터, 5/3 비율이 증가함에 따라 Rz가 감소하는 것은 명백하다. 이로부터, 5/3 비율이 200 이상이면 3㎛ 이하의 Rz를 제공하며, 이로써 평탄도가 현저하게 개선된다는 것은 명백하다. 출원인의 실험으로부터, 5/3 비율이 450 이상이면 훨씬 확실하게 양호한 표면 평탄도(Ra 및 Rz)를 얻을 수 있는 것을 확인하였다(도 9 및 도 10 참조). 5/3 비율이 1800인 경우에도, 양호한 평탄도를 유지하였으며, 평탄도의 저하를 초래하지 않았다.
사이클의 수가 6을 넘어서면, 즉 막 두께가 임계 막 두께(= 6 사이클)를 초과하면, 5/3 비율이 높은 상태로 유지될 경우라도 Rz가 증가하는 것은 명백하다. 임계 막 두께가 6 사이클에 의해 도달한다는 결론은 AFM(atomic force microscope)을 통하여 표면을 관찰하여 AlN의 한정된 성장을 확인하여 유도하였다.
따라서, 질화물 반도체 결정을 성장시킬 때에, 교호 공급법을 사용하고 임계 막 두께에 도달할 때까지는 높은 5/3 비율(> 200)을 채용하는 것이 평탄도를 개선하는 데에 효과적이라는 것은 명백하다.
도 11은 실험 3에 따른 교호 공급에 의한 성장을 위하여 채용된 사이클 수와 관련하여 Ra를 나타내는 그래프이다. 횡축은 사이클의 수를 나타내고, 종축은 Ra를 나타낸다. 곡선 C30은 8 ㎛ 스퀘어 표면 내에서 결정된 값을 나타낸다. C31은 2 ㎛ 스퀘어 표면 내에서 결정된 값을 나타낸다. C32는 1 ㎛ 스퀘어 표면 내에서 결정된 값을 나타낸다. 이로부터, 사이클의 수가 6을 넘어서면, 즉 막 두께가 임계 막 두께(= 6 사이클)를 초과하면, 5/3 비율이 높은 상태로 유지될 경우라도 Rz가 증가하는 것은 명백하다. 임계 막 두께가 6 사이클에 의해 도달한다는 결론은 AFM(atomic force microscope)을 통하여 표면을 관찰하여 AlN의 한정된 성장을 확인하여 유도하였다.
도 12는 실험 3에 따른 교호 공급에 의한 성장을 위하여 채용된 사이클 수와 관련하여 Rz를 나타내는 그래프이다. 횡축은 사이클의 수를 나타내고, 종축은 Rz를 나타낸다. 곡선 C40은 8 ㎛ 스퀘어 표면 내에서 결정된 값을 나타낸다. C41은 2 ㎛ 스퀘어 표면 내에서 결정된 값을 나타낸다. C42는 1 ㎛ 스퀘어 표면 내에서 결정된 값을 나타낸다. 이로부터, 사이클의 수가 6을 넘어서면, 즉 막 두께가 임계 막 두께(= 6 사이클)를 초과하면, 5/3 비율이 높은 상태로 유지될 경우라도 Rz가 증가하는 것은 명백하다.
표 4는 4번째 실험의 결과를 나타내고 있다. 조건 (a) 및 (b) 각각의 조건하에서 교호 공급법을 채용하여 60 nm의 AlN 막의 총 두께까지 결정을 성장시킴으로써 4번째 실험을 실행하였다. 기판 온도와 성장 압력은 표 1, 표 2 및 표 3에 나타낸 것과 동일하게 하였다. 표 4로부터 명확한 바와 같이, 막 두께가 4 nm의 임계 AlN 막 두께를 초과한 때(= 6사이클)에는, (b) 조건에서 나타낸 바와 같이 5/3 비율이 낮을수록 평탄도가 우수하다.
표 4는 비교 목적으로 동시 공급법을 이용하여 실행한 실험의 결과를 또한 나타내고 있다(다른 조건은 표 1에 나타낸 조건과 동일함).
4번째 실험(성장된 AlN 층의 총 두께 : 60 nm)
조건(a) 조건(b) 동시 공급*
4 nm까지의 5/3 비율 900 900 250
4 nm 내지 60 nm에서의 5/3 비율 (7 내지 500 사이클) 900 100
Ra(nm) 0.6 0.3 1.1
* 동시 공급법에 의한 AlN의 에피택셜 성장에 대한 실험에 있어서, Ra는 7 nm 두께의 층으로 이루어진다.
그러나 동시 공급법에 따른 데이터는 총 막 두께가 7 nm에 이른다. 에피택셜 성장의 기본 원리는 성장이 진행하는 것이지만, 기부의 결정면에 대한 정보가 성장 방향으로 전달됨에 따라, 데이터 집합은 7 nm에 이르는 데이터로 제한되는데, 그 이유는 7 nm의 Ra는 동시 공급법에 따라 막 두께를 증가시킴으로써 개선하기는 곤란한 것으로 고려되었기 때문이다.
교호 공급에 의한 성장의 사이클 수와 관련하여 Ra 및 Rz를 결정하기 위하여 실행한 실험의 결과로서, 교호 공급법에 따른 사이클 수가 6회를 넘어서 증가하는 경우, 즉 AlN이 임계 막 두께를 넘어서는 두께로 에피택셜 성장될 경우에는, 임계 막 두께를 초과하지 않는 두께로 에피택셜 성장되는 경우의 결과와 달리 표면이 거칠어지기 시작한다는 것을 확인하였다. 임계 막 두께를 초과하는 두께를 갖는 AlN이 평탄면에서 에피택셜 성장되는 때에, 그 평탄도는, 임계 막 두께를 초과하지 않는 두께까지는 450 이상으로 높은 5/3 비율을 갖고 임계 막 두께를 초과하는 임의의 두께에 대해서는 낮은 5/3 비율을 갖는 조건하에서 교호 공급법에 의해 성장될 경우라면, 동시 공급법에 의해 성장된 표면의 평탄도에 비하여 개선되는 것을 확인하였다. 실험을 통하여, 임계 막 두께를 초과한 때에는 20 내지 250의 5/3 비율을 채용함으로써 양호한 표면 평탄도(Ra 및 Rz)를 확실하게 얻을 수 있다는 것을 확인하였다. 그러나, 기판 온도, 성장 압력, 총 막 두께, 결정 성장을 위한 제한 시간을 포함한 다른 다양한 파라미터를 고려하여, 최적의 5/3 비율을 선택해야 하는 것에 주목한다. 본 발명에 따르면, 임의의 재료 가스의 유동이 가열 기판의 근처에서 방해받지 않으면서 질화물 반도체의 층상 에피택셜 성장을 구현할 수 있는데, 그 이유는 에피택셜 성장이 감압 상태에서 VPE에 의해 실행되기 때문이다.
전술한 실시예와 관련하여 설명한 바와 같이, 질화알루미늄(AlN) 층을 SiC 기판상에 에피택셜 성장시킬 때의 반응과 유사한 반응이, AlN 반도체 결정 이외의 다른 질화물 반도체 결정, 예컨대 갈륨 질화물(GaN), 인듐 질화물(InN), 붕소 질화물(BN) 또는 이들의 조합을 SiC 기판상에서 성장시킬 때에도 유사하게 얻어지는 것에 주목한다. 따라서, 교호 공급 가스의 5/3 비율이 경계(border)로서의 임계 막 두께를 고려하여 큰 값(예컨대 200 이상의 5/3 비율)으로부터 작은 값(예컨대 200 미만의 5/3 비율)까지 현저하게 변경되는 본 발명을 어떠한 변경도 없이 그러한 다른 질화물 반도체 결정을 SiC 기판 상에 성장시키는 데에 적용할 수 있다. 이러한 사항은, SiC 기판 대신에 유사한 질화물 반도체 결정 및 격자 상수를 갖는 사파이어(Al2O3) 기판을 사용하는 경우에도 적용된다.
당업자라면 알 수 있듯이, 특정의 기판상에 특정의 성장된 막을 형성하기 전에 가장 적절한 성장 파라미터를 결정하여, 실제 질화물 반도체 결정의 성장 공정에 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 가장 적절한 성장 파라미터는, 소정의 기판 온도 및 성장 압력하에서 공급 가스의 5/3 비율을 다양하게 변경함으로써 임계 막 두께로의 결정 성장 공정을 복수 회 먼저 실시하여 결정할 수 있다. 그 후, 결정 성장 공정으로부터 얻은 표면 평탄도에 관한 데이터를 얻는다. 이 데이터를 기초로 하여, 소정의 성장 파라미터에 대한 최적의 5/3 비율을 결정한다. 계속해서, 소정의 기판 온도 및 성장 압력하에서 공급 가스의 5/3 비율을 다양하게 복수 회 변경함으로써 임계 막 두께를 초과한 결정 성장 공정을 복수 회 실시한다. 그 후, 결정 성장 공정으로부터 얻은 표면 평탄도에 관한 데이터를 얻는다. 이 데이터를 기초로 하여, 소정의 성장 파라미터에 대한 최적의 5/3 비율을 결정하고, 이 5/3 비율을 실제로 반도체 결정을 성장시키는 데에 사용할 수 있다.
본 발명은 균질의 기판상에 질화물 반도체 결정을 직접적으로 성장시키기 위한 장치 및 방법에 적용될 수 있다.

Claims (28)

  1. 반응 튜브 내에 기판을 설치하는 단계 이후에, 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하여, 기판 상에 질화물 반도체의 결정을 직접적으로 증착하는 질화물 반도체 결정의 성장 방법으로서,
    제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수는 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 200 이상의 비율을 갖는 것인 질화물 반도체 결정의 성장 방법.
  2. 반응 튜브 내에 기판을 설치하는 단계 이후에, 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하여, 기판 상에 질화물 반도체의 결정을 직접적으로 증착하는 질화물 반도체 결정의 성장 방법으로서,
    제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수는 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 450 이상의 비율을 갖는 것인 질화물 반도체 결정의 성장 방법.
  3. 반응 튜브 내에 기판을 설치하는 단계 이후에, 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하여, 기판 상에 질화물 반도체의 결정을 직접적으로 증착하는 질화물 반도체 결정의 성장 방법으로서,
    제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수는, 기판에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 200 이상의 비율을 갖는 반면, 막 두께가 임계 막 두께 이상인 때에는 제2 재료 가스에 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 200 미만의 비율을 갖는 것인 질화물 반도체 결정의 성장 방법.
  4. 반응 튜브 내에 기판을 설치하는 단계 이후에, 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하여, 기판 상에 질화물 반도체의 결정을 직접적으로 증착하는 질화물 반도체 결정의 성장 방법으로서,
    제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수는, 기판에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 450 이상의 비율을 갖는 반면, 막 두께가 임계 막 두께 이상인 때에는 제2 재료 가스에 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 450 미만의 비율을 갖는 것인 질화물 반도체 결정의 성장 방법.
  5. 반응 튜브 내에 기판을 설치하는 단계 이후에, 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하여, 기판 상에 질화물 반도체의 결정을 직접적으로 증착하는 질화물 반도체 결정의 성장 방법으로서,
    제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수는, 기판에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 250 이상의 비율을 갖는 반면, 막 두께가 임계 막 두께 이상인 때에는 제2 재료 가스에 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 20 내지 250의 비율을 갖는 것인 질화물 반도체 결정의 성장 방법.
  6. 반응 튜브 내에 기판을 설치하는 단계 이후에, 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하여, 기판 상에 질화물 반도체의 결정을 직접적으로 증착하는 질화물 반도체 결정의 성장 방법 으로서,
    소정의 기판 온도 및 소정의 성장 압력하에서, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를 다양하게 변경함으로써, 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 기판 상에 증착된 질화물 반도체 결정을 성장시키는 단계와,
    성장된 질화물 반도체 결정의 표면 평탄도를 측정하는 단계와,
    표면 평탄도를 가장 적절한 레벨로 되도록 하기 위하여, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 최적 비율을 결정하는 단계와,
    제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를 상기 최적 비율 결정 단계에서 결정된 값으로 변경시키는 단계를 포함하는 질화물 반도체 결정의 성장 방법.
  7. 반응 튜브 내에 기판을 설치하는 단계 이후에, 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하여, 기판 상에 질화물 반도체의 결정을 직접적으로 증착하는 질화물 반도체 결정의 성장 방법으로서,
    소정의 기판 온도 및 소정의 성장 압력하에서, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를 다양 하게 변경함으로써, 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 기판 상에 증착된 질화물 반도체 결정을 성장시키는 단계와,
    성장된 질화물 반도체 결정의 표면 평탄도를 측정하는 단계와,
    표면 평탄도를 가장 적절한 레벨로 되도록 하기 위하여, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 제1의 최적 비율을 결정하는 단계와,
    소정의 기판 온도 및 소정의 성장 압력하에서, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를 다양하게 변경함으로써, 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께 이상으로 될 때까지 기판 상에 증착된 질화물 반도체 결정을 성장시키는 단계와,
    임계 막 두께보다 두껍게 성장된 질화물 반도체 결정의 표면 평탄도를 측정하는 단계와,
    표면 평탄도를 가장 적절한 레벨로 되도록 하기 위하여, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 제2의 최적 비율을 결정하는 단계를 포함하며,
    제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를, 기판 상에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지는 제1의 최적 비율에 상응하는 값으로 설정하고, 반도체 결정이 임계 막 두께보다 두껍게 성장한 후에는 제2의 최적 비율에 상응하는 값으로 설정하는 것인 질화물 반도체 결정의 성장 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반응 튜브 내의 기판 상에 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 공급하는 단계와, 반응 튜브 내의 기판 상에 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 공급하는 단계를 번갈아 실시하는 횟수를 1 내지 10회로 한 것인 질화물 반도체 결정의 성장 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반응 튜브 내의 기판 상에 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 공급하는 단계와, 반응 튜브 내의 기판 상에 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 공급하는 단계를 번갈아 실시하는 횟수를 6회로 한 것인 질화물 반도체 결정의 성장 방법.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 기판은 실리콘 탄화물(SiC)로 이루어지는 것인 질화물 반도체 결정의 성장 방법.
  11. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 기판은 사파이어(Al2O3) 기판을 포함하는 것인 질화물 반도체 결정의 성장 방법.
  12. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 기판은 소정의 결정 평면에 대하여 오프-각도(off-angle)를 갖는 것인 질화물 반도체 결정의 성장 방법.
  13. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 반응 튜브는 내부 압력이 결정 성장을 실행하기 위하여 적절한 레벨로 감소하는 것인 질화물 반도체 결정의 성장 방법.
  14. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 질화물 반도체는 AlN, GaN, InN, BN 및 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 군 중 하나의 결정을 포함하는 것인 질화물 반도체 결정의 성장 방법.
  15. 반응 튜브와,
    상기 반등 튜브 내에 기판을 장착하는 기판 장착 수단과,
    상기 반응 튜브의 내부 압력을 적절한 레벨로 감소시키는 감압 수단과,
    상기 기판을 가열하는 가열 수단과,
    상기 반응 튜브 내로 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급 수단과,
    상기 반응 튜브 내의 기판 상에 3족 원소를 함유한 제1 재료 가스를 공급하는 제1 재료 가스 공급 수단과,
    상기 반응 튜브 내의 기판 상에 질소를 함유한 제2 재료 가스를 공급하는 제2 재료 가스 공급 수단과,
    상기 감압 수단, 가열 수단, 캐리어 가스 공급 수단, 제1 재료 가스 공급 수단 및 제2 재료 가스 공급 수단을 제어하는 제어 수단을 포함하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치로서,
    상기 제어 수단은, 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대하여 200 이상의 비율을 가질 수 있도록, 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실시하도록 제1 및 제2 재료 가스 공급 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치.
  16. 반응 튜브와,
    상기 반등 튜브 내에 기판을 장착하는 기판 장착 수단과,
    상기 반응 튜브의 내부 압력을 적절한 레벨로 감소시키는 감압 수단과,
    상기 기판을 가열하는 가열 수단과,
    상기 반응 튜브 내로 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급 수단과,
    상기 반응 튜브 내의 기판 상에 3족 원소를 함유한 제1 재료 가스를 공급하는 제1 재료 가스 공급 수단과,
    상기 반응 튜브 내의 기판 상에 질소를 함유한 제2 재료 가스를 공급하는 제2 재료 가스 공급 수단과,
    상기 감압 수단, 가열 수단, 캐리어 가스 공급 수단, 제1 재료 가스 공급 수단 및 제2 재료 가스 공급 수단을 제어하는 제어 수단을 포함하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치로서,
    상기 제어 수단은, 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대하여 450 이상의 비율을 가질 수 있도록, 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실시하도록 제1 및 제2 재료 가스 공급 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치.
  17. 반응 튜브와,
    상기 반등 튜브 내에 기판을 장착하는 기판 장착 수단과,
    상기 반응 튜브의 내부 압력을 적절한 레벨로 감소시키는 감압 수단과,
    상기 기판을 가열하는 가열 수단과,
    상기 반응 튜브 내로 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급 수단과,
    상기 반응 튜브 내의 기판 상에 3족 원소를 함유한 제1 재료 가스를 공급하는 제1 재료 가스 공급 수단과,
    상기 반응 튜브 내의 기판 상에 질소를 함유한 제2 재료 가스를 공급하는 제2 재료 가스 공급 수단과,
    상기 감압 수단, 가열 수단, 캐리어 가스 공급 수단, 제1 재료 가스 공급 수단 및 제2 재료 가스 공급 수단을 제어하는 제어 수단을 포함하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치로서,
    상기 제어 수단은, 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 기판에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 200 이상의 비율을 갖는 반면, 막 두께가 임 계 막 두께 이상인 때에는 제2 재료 가스에 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 200 미만의 비율을 가질 수 있도록, 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실시하도록 제1 및 제2 재료 가스 공급 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치.
  18. 반응 튜브와,
    상기 반등 튜브 내에 기판을 장착하는 기판 장착 수단과,
    상기 반응 튜브의 내부 압력을 적절한 레벨로 감소시키는 감압 수단과,
    상기 기판을 가열하는 가열 수단과,
    상기 반응 튜브 내로 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급 수단과,
    상기 반응 튜브 내의 기판 상에 3족 원소를 함유한 제1 재료 가스를 공급하는 제1 재료 가스 공급 수단과,
    상기 반응 튜브 내의 기판 상에 질소를 함유한 제2 재료 가스를 공급하는 제2 재료 가스 공급 수단과,
    상기 감압 수단, 가열 수단, 캐리어 가스 공급 수단, 제1 재료 가스 공급 수단 및 제2 재료 가스 공급 수단을 제어하는 제어 수단을 포함하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치로서,
    상기 제어 수단은, 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 기판에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 450 이상의 비율을 갖는 반면, 막 두께가 임계 막 두께 이상인 때에는 제2 재료 가스에 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 450 미만의 비율을 가질 수 있도록, 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실시하도록 제1 및 제2 재료 가스 공급 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치.
  19. 반응 튜브와,
    상기 반등 튜브 내에 기판을 장착하는 기판 장착 수단과,
    상기 반응 튜브의 내부 압력을 적절한 레벨로 감소시키는 감압 수단과,
    상기 기판을 가열하는 가열 수단과,
    상기 반응 튜브 내로 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급 수단과,
    상기 반응 튜브 내의 기판 상에 3족 원소를 함유한 제1 재료 가스를 공급하는 제1 재료 가스 공급 수단과,
    상기 반응 튜브 내의 기판 상에 질소를 함유한 제2 재료 가스를 공급하는 제2 재료 가스 공급 수단과,
    상기 감압 수단, 가열 수단, 캐리어 가스 공급 수단, 제1 재료 가스 공급 수단 및 제2 재료 가스 공급 수단을 제어하는 제어 수단을 포함하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치로서,
    상기 제어 수단은, 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 기판에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 250 이상의 비율을 갖는 반면, 막 두께가 임계 막 두께 이상인 때에는 제2 재료 가스에 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 20 내지 250의 비율을 가질 수 있도록, 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실시하도록 제1 및 제2 재료 가스 공급 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치.
  20. 반응 튜브와,
    상기 반등 튜브 내에 기판을 장착하는 기판 장착 수단과,
    상기 반응 튜브의 내부 압력을 적절한 레벨로 감소시키는 감압 수단과,
    상기 기판을 가열하는 가열 수단과,
    상기 반응 튜브 내로 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급 수단과,
    상기 반응 튜브 내의 기판 상에 3족 원소를 함유한 제1 재료 가스를 공급하는 제1 재료 가스 공급 수단과,
    상기 반응 튜브 내의 기판 상에 질소를 함유한 제2 재료 가스를 공급하는 제2 재료 가스 공급 수단과,
    상기 감압 수단, 가열 수단, 캐리어 가스 공급 수단, 제1 재료 가스 공급 수단 및 제2 재료 가스 공급 수단을 제어하는 제어 수단과,
    성장된 결정의 표면 평탄도를 측정하는 표면 평탄도 측정 수단과,
    상기 표면 평탄도 측정 수단에 의해 생성한 측정치로부터 최적의 표면 평탄도를 얻기 위하여 성장 파라미터를 결정하는 성장 파라미터 결정 수단을 포함하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치로서,
    상기 제어 수단은 반응 튜브 내의 기판 상에 제1 재료 가스를, 반응 튜브 내의 기판에 제2 재료 가스를 번갈아 공급하고, 소정의 기판 온도 및 소정의 성장 압력하에서, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를 다양하게 변경함으로써, 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 기판 상에 증착된 질화물 반도체 결정을 성장시키고,
    상기 표면 평탄도 측정 수단은 성장된 질화물 반도체 결정의 표면 평탄도를 측정하고,
    상기 성장 파라미터 결정 수단은, 표면 평탄도를 가장 적절한 레벨로 되도록 하기 위하여, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를 결정하고,
    상기 제어 수단은, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비가 상기 성장 파라미터 결정 수단에 의해 결정된 값으로 변경되도록 제1 재료 가스 공급 수단과 제2 재료 가스 공급 수단을 제어하는 것인 질화물 반도체 결정의 성장 장치.
  21. 반응 튜브와,
    상기 반등 튜브 내에 기판을 장착하는 기판 장착 수단과,
    상기 반응 튜브의 내부 압력을 적절한 레벨로 감소시키는 감압 수단과,
    상기 기판을 가열하는 가열 수단과,
    상기 반응 튜브 내로 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급 수단과,
    상기 반응 튜브 내의 기판 상에 3족 원소를 함유한 제1 재료 가스를 공급하는 제1 재료 가스 공급 수단과,
    상기 반응 튜브 내의 기판 상에 질소를 함유한 제2 재료 가스를 공급하는 제2 재료 가스 공급 수단과,
    상기 감압 수단, 가열 수단, 캐리어 가스 공급 수단, 제1 재료 가스 공급 수단 및 제2 재료 가스 공급 수단을 제어하는 제어 수단과,
    성장된 결정의 표면 평탄도를 측정하는 표면 평탄도 측정 수단과,
    상기 표면 평탄도 측정 수단에 의해 생성한 측정치로부터 최적의 표면 평탄도를 얻기 위하여 성장 파라미터를 결정하는 성장 파라미터 결정 수단을 포함하는 질화물 반도체 결정의 성장 장치로서,
    상기 제어 수단은 반응 튜브 내의 기판 상에 제1 재료 가스를, 반응 튜브 내의 기판에 제2 재료 가스를 번갈아 공급하고, 소정의 기판 온도 및 소정의 성장 압력하에서, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를 다양하게 변경함으로써, 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 기판 상에 증착된 질화물 반도체 결정을 성장시키고,
    상기 표면 평탄도 측정 수단은 성장된 질화물 반도체 결정의 표면 평탄도를 측정하고,
    상기 성장 파라미터 결정 수단은, 표면 평탄도를 가장 적절한 레벨로 되도록 하기 위하여, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 제1 비율을 결정하고,
    상기 제어 수단은, 소정의 기판 온도 및 소정의 성장 압력하에서, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를 다양하게 변경함으로써, 동일한 결정이 임계 막 두께보다 두껍게 성장할 때까지 기판에 증착된 질화물 반도체 결정을 성장시키고,
    상기 표면 평탄도 측정 수단은 성장된 질화물 반도체 결정의 표면 평탄도를 측정하고,
    상기 성장 파라미터 결정 수단은, 표면 평탄도를 가장 적절한 레벨로 되도록 하기 위하여, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 제2 비율을 결정하며,
    제1 및 제2 재료 가스 공급 수단은, 기판 상에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지는 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비가 성장 파라미터 결정 수단에 의해 결정된 제1 비율로 설정되고, 막 두께가 임계 막 두께보다 두껍게 성장된 후에는 성장 파라미터 결정 수단에 의해 결정된 제2 비율로 설정되도록 제어되는 것인 질화물 반도체 결정의 성장 장치.
  22. 질화물 반도체 결정의 성장 장치를 제어하는 프로그램으로서,
    질화물 반도체의 결정 성장 장치가 결정 성장을 실행할 수 있도록 컴퓨터를 제어하는 프로그램은, 제1 재료 가스 공급 수단이 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 제2 재료 가스 공급 수단이 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하도록 하는 과정을 포함하고,
    제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대하여 200 이상의 비율을 가질 수 있도록 상기 단계들을 제어하는 것인 프로그램.
  23. 질화물 반도체 결정의 성장 장치를 제어하는 프로그램으로서,
    질화물 반도체의 결정 성장 장치가 결정 성장을 실행할 수 있도록 컴퓨터를 제어하는 프로그램은, 제1 재료 가스 공급 수단이 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 제2 재료 가스 공급 수단이 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하도록 하는 과정을 포함하고,
    제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대하여 450 이상의 비율을 가질 수 있도록 상기 단계들을 제어하는 것인 프로그램.
  24. 질화물 반도체 결정의 성장 장치를 제어하는 프로그램으로서,
    질화물 반도체의 결정 성장 장치가 결정 성장을 실행할 수 있도록 컴퓨터를 제어하는 프로그램은, 제1 재료 가스 공급 수단이 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 제2 재료 가스 공급 수단이 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하도록 하는 과정을 포함하고,
    제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수가, 기판에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 200 이상의 비율을 갖는 반면, 막 두께가 임계 막 두께 이상인 때에는 제2 재료 가스에 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 200 미만의 비율을 가질 수 있도록 상기 단계들을 제어하는 것인 프로그램.
  25. 질화물 반도체 결정의 성장 장치를 제어하는 프로그램으로서,
    질화물 반도체의 결정 성장 장치가 결정 성장을 실행할 수 있도록 컴퓨터를 제어하는 프로그램은, 제1 재료 가스 공급 수단이 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 제2 재료 가스 공급 수단이 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하도록 하는 과정을 포함하고,
    제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수가, 기판에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 450 이상의 비율을 갖는 반면, 막 두께가 임계 막 두께 이상인 때에는 제2 재료 가스에 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 450 미만의 비율을 가질 수 있도록 상기 단계들을 제어하는 것인 프로그램.
  26. 질화물 반도체 결정의 성장 장치를 제어하는 프로그램으로서,
    질화물 반도체의 결정 성장 장치가 결정 성장을 실행할 수 있도록 컴퓨터를 제어하는 프로그램은, 제1 재료 가스 공급 수단이 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 제2 재료 가스 공급 수단이 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하도록 하는 과정을 포함하고,
    제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수가, 기판에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 250 이상의 비율을 갖는 반면, 막 두께가 임계 막 두께 이상인 때에는 제2 재료 가스에 중에 함유된 원소 질소의 몰수가 제1 재료 가스 중의 3족 원소의 몰수에 대하여 20 내지 250의 비율을 가질 수 있도록 상기 단계들을 제어하는 것인 프로그램.
  27. 질화물 반도체 결정의 성장 장치를 제어하는 프로그램으로서,
    질화물 반도체의 결정 성장 장치가 결정 성장을 실행할 수 있도록 컴퓨터를 제어하는 프로그램은,
    제1 재료 가스 공급 수단이 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 제2 재료 가스 공급 수단이 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하도록 하는 과정과,
    소정의 기판 온도 및 소정의 성장 압력하에서, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를 다양하게 변경함으로써, 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 기판 상에 증착된 질화물 반도체 결정을 성장시키는 과정과,
    성장된 질화물 반도체 결정의 표면 평탄도를 측정하는 과정과,
    표면 평탄도를 가장 적절한 레벨로 되도록 하기 위하여, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 최적 비율을 결정하는 과정과,
    제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를 상기 최적 비율 결정 단계에서 결정된 값으로 변경시키는 과정을 포함하는 것인 프로그램.
  28. 질화물 반도체 결정의 성장 장치를 제어하는 프로그램으로서,
    질화물 반도체의 결정 성장 장치가 결정 성장을 실행할 수 있도록 컴퓨터를 제어하는 프로그램은,
    제1 재료 가스 공급 수단이 3족 원소를 함유하는 제1 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계와, 제2 재료 가스 공급 수단이 원소 질소를 함유하는 제2 재료 가스를 반응 튜브 내의 기판 상에 공급하는 단계를 번갈아 실행하도록 하는 과정과,
    소정의 기판 온도 및 소정의 성장 압력하에서, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를 다양하게 변경함으로써, 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지 기판 상에 증착된 질화물 반도체 결정을 성장시키는 과정과,
    성장된 질화물 반도체 결정의 표면 평탄도를 측정하는 과정과,
    표면 평탄도를 가장 적절한 레벨로 되도록 하기 위하여, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 제1의 최적 비율을 결정하는 과정과,
    소정의 기판 온도 및 소정의 성장 압력하에서, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를 다양하게 변경함으로써, 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께보다 두껍게 성장할 때까지 기판 상에 증착된 질화물 반도체 결정을 성장시키는 과정과,
    임계 막 두께보다 두껍게 성장된 질화물 반도체 결정의 표면 평탄도를 측정하는 과정과,
    표면 평탄도를 가장 적절한 레벨로 되도록 하기 위하여, 제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 제2의 최적 비율을 결정하는 과정을 포함하며,
    제1 재료 가스 중에 함유된 3족 원소의 몰수에 대한 제2 재료 가스 중에 함유된 원소 질소의 몰수의 비를, 기판 상에 증착된 질화물 반도체 결정의 막 두께가 임계 막 두께에 도달할 때까지는 제1의 최적 비율에 상응하는 값으로 설정하고, 반도체 결정이 임계 막 두께보다 두껍게 성장한 후에는 제2의 최적 비율에 상응하는 값으로 설정하는 것인 프로그램.
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