KR20090026857A - 질화갈륨 성장용 기판 및 질화갈륨 기판 제조 방법 - Google Patents

질화갈륨 성장용 기판 및 질화갈륨 기판 제조 방법 Download PDF

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Abstract

질화갈륨 성장용 기판 및 질화갈륨 기판 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 질화갈륨 성장용 기판 제조 방법은, 실리콘 기판 표면을 써멀 클리닝(thermal cleaning)하는 단계; 상기 기판 표면에 인-시튜(in-situ) 방식의 Si3N4 마이크로 마스크를 형성하는 단계; 및 상기 마이크로 마스크의 개구부를 통한 에피택셜 횡방향 과도성장(ELO) 방법으로 질화갈륨층을 성장시키는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 기존의 ELO를 개선하여, 질화갈륨 성장용 기판 및 질화갈륨 기판 제조 공정의 단순화 및 비용 절감을 실현할 수 있다.

Description

질화갈륨 성장용 기판 및 질화갈륨 기판 제조 방법 {Method for preparing substrate for growing gallium nitride and method for preparing gallium nitride substrate}
본 발명은 질화갈륨(GaN) 또는 갈륨과 다른 금속의 혼합 질화물로 된 단결정층, 및 그 형성방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 층을 포함하는 전자 또는 광전자 소자 제조에 이용할 수 있는 기판 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 기술분야는 기판 위에 질화물계 반도체 물질층을 형성하는 것으로 넓게 정의될 수 있고, 보다 상세하게는 질화물계 반도체 물질층을 고품질로 형성하기 위한 기판 제조 방법에 관한 것으로 정의될 수 있다.
주기율표 상의 Ⅲ 내지 Ⅴ족 원소들의 질화물계 반도체 물질들은 이미 전자 및 광전자 분야에서 중요한 위치를 점유하고 있으며, 이러한 분야는 앞으로 크게 중요해질 것이다. 이러한 질화물계 반도체 물질의 응용분야는 실제적으로 레이저 다이오드에서부터 고주파수 및 고온에서 작동할 수 있는 트랜지스터에 이르기까지의 넓은 영역을 커버한다. 그리고, 자외선 광검출기, 탄성 표면파 소자 및 발광 다이오드(LED)를 포함한다.
특히, 질화갈륨은 청색 LED 또는 고온 트랜지스터의 응용에 적합한 물질로 알려져 있지만, 이에 한정되지 않는 마이크로 전자 소자용으로 폭넓게 연구되고 있다. 또한, 여기에서 쓰여진 바와 같이, 질화갈륨은 질화 알루미늄 갈륨(AlGaN), 질화 인듐 갈륨(InGaN) 및 질화 알루미늄 인듐 갈륨(AlInGaN)과 같은 질화갈륨 합금을 포함한다는 것을 알 수 있을 것이다.
질화갈륨 마이크로 전자 소자의 제조에 있어서 주요한 기술은 결함 밀도(defect density)가 낮은 질화갈륨층을 성장시키는 것이다. 결함 밀도를 발생시키는 원인의 하나는 질화갈륨층이 성장되는 기판이라고 알려져 있다. 그러나, 이러한 소자들에서, 결함 없는 질화갈륨층의 성장을 위해 적합한 질화갈륨 성장용 기판 또는 질화갈륨 기판을 제조하는 것은 용이하지 않다. 질화갈륨 고체는 가열하더라도 용융이 잘 되지 않기 때문에 융액으로부터 결정 성장시키는 통상의 초크랄스키법 등으로는 기판 제조를 위한 단결정을 만들 수 없다. 초고압을 인가하여 가열하면 융액을 만들 수 있을지는 모르지만 양산 측면에서 적용하기 곤란한 면이 있다.
따라서, 이러한 소자들에서, 질화갈륨층의 성장을 위해 가장 빈번히 사용되는 기판은 사파이어이고 그 다음은 실리콘 카바이드(SiC)이다. 그런데, 사파이어는 전기적 절연체이며 열전도성이 나쁘다는 단점이 있고, SiC는 비싸고 품질이 변하기 쉽다는 단점이 있다.
이에, 사파이어와 SiC를 실리콘으로 대체하자는 것이 제시되었으며, 실리콘은 앞에 언급한 두 물질들과 비교할 때 경제적, 기술적으로 확실히 장점이 있다. 특히, 실리콘의 장점은 그것이 양호한 열 전도체이며 화학적으로 쉽게 제거될 수 있다는 것이다. 뿐만 아니라, 실리콘은 저비용의 양산용으로 선호되는 기판이다. 산업적인 규모에서 완벽하게 조절되는 실리콘계 기술 시스템이 이미 나와 있으며, 사파이어와 SiC에 비해서 상당히 적은 비용이 들기 때문이다. 그러나, 질화갈륨을 실리콘 기판에 성장시키는 것은 실리콘과 질화갈륨간의 격자 상수와 열팽창계수 차이가 크다는 점에 관계된 문제에 의해 방해받는다.
내부 양자 효율을 결정하는 고품질 질화갈륨층을 성장시키기 위해서 최근에는 에피택셜 횡방향 과도성장, 즉 ELO(Epitaxial Lateral Overgrowth) 방법이 많이 사용되고 있다. ELO 방법은 호모에피택시(homoepitaxy)에 의한 청색 레이저 다이오드(LD), 자외선 LD, 고온/고출력 소자, HEMT(High Electron Mobility Transistor), HBT(Hetero-junction Bipolar Transistor) 등의 고속 소자 제조에 이용되고 있다.
종래의 ELO 방법은 스트라이프 형태의 SiO2 마스크를 사용하여, 기판과 질화갈륨 사이에 존재하는 격자 상수 차이와 열팽창계수 차이에 의한 응력 발생을 감소시킨다. 종래 ELO 방법을 적용한 질화갈륨 성장용 기판의 단면도인 도 1을 참조하여 종래 ELO 방법에 대해 설명한다.
종래 ELO 방법에서는 성장로에서 기판(1) 상에 질화갈륨층(2)을 성장시킨 후, 질화갈륨층(2)이 성장된 기판(1)을 성장로에서 꺼낸다. 다음, 기판(1)을 증착장비에 장입하여 질화갈륨층(2) 상에 SiO2 박막을 증착하고, SiO2 박막이 증착된 기판(1)을 증착장비에서 꺼낸다. 사진 식각 기법을 이용하여 SiO2 박막을 패터닝하여 SiO2 마스크(3)를 형성한 후에, 이를 다시 성장로에 장입하여 ELO 질화갈륨층(4)을 성장시킨다.
ELO 질화갈륨층(4) 중 SiO2 마스크(3) 위로 횡방향 성장된 부분은 종방향으로 성장된 부분에 비하여 전위 등의 결함이 전파되지 않아 고품질을 가지게 되므로, SiO2 마스크(3) 위의 횡방향 성장된 ELO 질화갈륨층(4)에 소자를 형성하면 우수한 특성을 얻을 수 있게 되는 것이다.
그러나, 이러한 ELO 방법은 상술한 바와 같은 복잡한 공정, 즉 SiO2 마스크 형성이라는 공정에 따른 추가적인 외부 공정이 필요하게 되고, 공정 시간이 오래 걸리며 비용이 증가하는 문제가 있다. 또한 현재는 ELO의 기능 개선 및 추가를 위해 SiO2 마스크를 다층으로 형성함에 따라 SiO2 마스크 형성 공정 및 질화갈륨층 성장 공정이 SiO2 마스크 수에 비례하여 증가함으로 인해, 그 비용 및 공정 복잡도는 더욱 높아지고 있으며, 시간적, 경제적 손실을 야기할 뿐만 아니라, 공정의 복잡성으로 인해 수율 저하도 예상되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 기존의 ELO를 개선하여, 질화갈륨 성장 공정의 단순화 및 비용 절감을 실현할 수 있는 질화갈륨 성장용 기판 및 질화갈륨 기판 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 질화갈륨 성장용 기판 및 질화갈륨 기판 제조 방법은, 실리콘 기판 표면을 써멀 클리닝(thermal cleaning)하는 단계; 상기 기판 표면에 인-시튜(in-situ) 방식의 Si3N4 마이크로 마스크를 형성하는 단계; 및 상기 마이크로 마스크의 개구부를 통한 에피택셜 횡방향 과도성장(ELO) 방법으로 질화갈륨층을 성장시키는 단계를 포함한다.
질화갈륨 기판 제조 방법은 여기에 상기 질화갈륨층의 성장을 중지하고 성장로로부터 기판 부착 질화갈륨층을 꺼내어, 상기 기판과 마이크로 마스크를 에칭 또는 연마에 의해 제거하여 질화갈륨 기판을 얻는 단계를 더 포함한다.
본 발명은 기존의 ELO 공정에서 복잡한 SiO2 마스크 제작을 위한 공정을 제거하는 것이며, 질화갈륨을 성장시키기 위한 성장로에서 공정 종료시까지 기판을 꺼내는 일이 없이, 즉 인-시튜 진행하는 것으로 개선된 것이다. 따라서, 인-시튜 방식에 따라 얻어지는 공정상 이점뿐만 아니라, SiO2 마스크 제작을 위한 공정 제거를 통해 경제적 이득도 볼 수 있다. 즉, 공정 시간이 단축되며 비용이 절감되고, 단순한 공정을 통해 수율 증가를 도모할 수 있다.
특히, 본 발명에서는 실리콘 기판을 사용하는 방법에 대해 제안하는데, 실리콘 기판을 사용할 경우 12인치 이상의 대면적에서도 제조가 가능하므로 제조 비용을 더욱 절감시킬 수 있으며, 이를 이용한 질화갈륨계 소자의 응용 범위를 획기적으로 넓힐 수 있다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 2는 본 발명에 따른 질화갈륨 성장용 기판 및 질화갈륨 기판 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 3은 그에 따른 공정 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 우선, 실리콘 기판(10)을 질화갈륨 성장을 위한 성장로에 장입한 다음, 그 표면을 써멀 클리닝(thermal cleaning)한다(단계 S1).
써멀 클리닝은 기판(10)의 표면에 형성되어 있는 수 ∼ 수십 Å 수준의 자연 산화막(SiO2)을 제거하기 위한 것으로, 통상 1000℃ 이상의 고온에서, 수분에서 수십분으로 공정을 진행한다. 이를 통해, 기판(10) 표면의 댕글링 본드(dangling bond)가 실리콘으로 종단(terminated) 되므로 후속 박막 성장에 용이한 상태가 된다.
그런 다음, 그 성장로에서 연속하여, 기판(10) 표면에 인-시튜 방식의 Si3N4 마이크로 마스크(30)를 형성한다(단계 S2).
구체적으로, 성장로에 NH3를 공급하여 기판(10) 표면에 NH3를 공급함으로써 기판(10)과의 반응으로 Si3N4층을 형성하게 한다. Si3N4층 형성시의 조건은 앞의 써 멀 클리닝 단계(S1)와 동일하거나 변경할 수 있는데, 예컨대 Si3N4층 형성을 위한 공정 온도를 써멀 클리닝 단계(S1)와 동일하게 하거나 좀 더 높은 온도(예컨대 써멀 클리닝 온도+30℃)에서 진행하거나 혹은 좀 더 낮은 온도(예컨대 써멀 클리닝 온도-30℃)에서 진행할 수 있다.
그런 다음, 성장로에 H2를 공급하여 기판(10) 표면을 H2 클리닝한다. 앞에서 형성된 Si3N4층은 두께가 매우 얇을 뿐만 아니라 표면 거칠기도 높아 매우 거친 상태이다. Si3N4층에 공급되는 H2는 취약한 Si3N4층의 연결부위(이를테면 다른 부분에 비하여 Si3N4층 두께가 얇은 곳, 혹은 결합력이 낮은 곳 등)를 우선적으로 식각하여, Si3N4층이 일부 식각되면서 개구부를 형성한다.
이러한 H2 식각으로 형성되는 개구부는 랜덤한 분포를 가진다. 개구부의 수준은 클리닝 시간과 온도, 그리고 압력으로 조절이 가능하다. 예를 들어, Si3N4층 형성시 써멀 클리닝 단계(S1)보다 좀 더 낮은 온도(예컨대 써멀 클리닝 온도-30℃)에서 진행하고 H2 클리닝시에는 식각의 효과를 높이기 위하여 써멀 클리닝 단계(S1)보다 좀 더 높은 온도(예컨대 써멀 클리닝 온도+30℃)에서 진행할 수도 있다.
써멀 클리닝 단계(S1)가 통상 1000℃ 이상의 고온이므로, 마이크로 마스크(30)를 형성하는 단계(S2)의 공정 온도가 이와 동일하거나 낮거나 높을 수 있음을 고려하면, 마이크로 마스크(30)를 형성하는 단계(S2)의 공정 온도는 1000℃ 내 외, 특히 900℃ 내지 1100℃일 수 있다. 공정 온도가 900℃ 미만이 되면 Si3N4층의 형성이 원활하지 않고 1100℃보다 높으면 고온 유지를 위해 비용이 많이 든다.
한편, NH3 공급과 H2 클리닝은 필요에 따라 반복하여 실시할 수 있는데, 이미 H2 클리닝에 의해 개구부가 형성된 곳은 NH3 공급을 통한 Si3N4층 재성장시 다른 부분에 비하여 더 얇게 형성되기 때문에, 후속의 H2 클리닝을 실시하면 그 부분이 재차 식각이 되어, 일단 형성된 개구부의 위치는 그대로 유지되며, 다만 반복 회수 등의 조절을 통해 개구부 크기 등을 조절할 수 있게 된다. 즉, NH3 공급과 H2 클리닝은 반복하여 개구부의 크기 등을 조절할 수 있으며, 반복은 선택적이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 질화갈륨 성장용 기판 및 질화갈륨 기판 제조 방법 중에 형성하는 마이크로 마스크의 광학 현미경 사진들이다. 마이크로 마스크는 전술한 단계 S2에 따라 형성하였으며, Si3N4층 형성시와 H2 클리닝시 온도는 써멀 클리닝 단계(S1)와 동일하게 하여 진행하였다.
도 4는 200배 사진이고 도 5는 100배 사진인데, 도 4 및 도 5로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 일정 크기의 개구부를 가진 마이크로 마스크가 인시튜 방식으로 형성되었음을 확인할 수 있다.
본 발명에서는 이렇게 마이크로 마스크(30)를 형성하고 나서, 마이크로 마스크(30)의 개구부를 통한 에피택셜 횡방향 과도성장(ELO) 방법으로 질화갈륨층(40)을 성장시킨다(단계 S3). 질화갈륨층(40)을 성장시키는 단계는, 유기금속 화학증착 법(MOCVD), 분자빔 에피 박막 증착법(Molecular Beam Epitaxy; MBE) 또는 HVPE법(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 방법을 이용해 수행할 수 있다.
MOCVD를 이용하는 경우에는, 기판(10) 표면에 Ga를 포함하는 MO(metal organic) 소스, 예컨대 트리메틸갈륨(TMGa), 트리에틸갈륨(TEGa) 또는 GaCl3 등을 공급하는 단계, 및 기판(10) 표면에 질소 포함 가스, 예컨대 N2나 NH3 또는 터셔리뷰틸아민(Tertiarybutylamine(N(C4H9)H2)을 공급하는 단계를 포함할 수 있다. MO 소스 공급과 질소 포함 가스 공급은 순차적으로 이루어져 일정 두께의 질화갈륨을 성장시진 후에는 동시에 이루어질 수도 있다. 이때 운반 기체로 수소를 사용할 수 있다.
기판(10)의 종류에 따라 MO 소스와 질소 포함 가스 중 어느 것을 먼저 공급하는지가 결정된다. 일반적으로 실리콘 기판 사용시에는 기판(10) 표면에 Si3N4 형성을 막기 위해 MO 소스를 먼저 공급하여 기판(10) 표면에 MO 소스를 코팅하고, NH3와 같은 질소 포함 가스를 나중에 공급한다.
하지만, 보통의 사파이어 기판의 경우, 사파이어 기판의 Al과 질소 포함 가스 중의 질소가 반응해 얇은 AlN 버퍼(중간층)를 형성할 수 있도록, NH3와 같은 질소 포함 가스를 먼저 공급한 후에 MO 소스를 공급한다.
이와 같이, 종래에 질화갈륨 성장 공정에 있어서 초기 NH3의 사용은 기판 상에 비정질 혹은 다결정의 Si3N4 형성으로 박막 품질의 저하의 원인으로 인식되어 왔 다. 하지만, 본 발명에서는 고온의 써멀 클리닝 단계와 연속하여, 혹은 그 중간에 일부러 NH3를 공급하여 형성한 Si3N4를 마스크로 이용하는 것이므로 여기에 발명의 특징 및 곤란성이 있다 할 것이다.
또한, 질화갈륨층(40) 성장은 1000∼1100℃에서 실시하며, 성장로 압력은 1 기압을 유지하는 HVPE법에 의할 수도 있다. HVPE법은 기상 성장 방식의 일종으로서 기판(10) 위에 가스들을 흘려줌으로써 가스들의 반응에 의하여 결정이 성장되는 방식이다. 성장로 안에 Ga 금속을 수납한 용기를 배치해 두고, 상기 용기 주위에 설치한 히터로 가열하여 Ga 융액을 만든다. Ga 융액과 HCl을 반응시켜 GaCl 가스를 만든다. 이러한 GaCl 가스와 NH3를 반응시키면 질화갈륨이 형성되게 된다. HVPE법은 100㎛/hr 정도의 빠른 성장률로 후막 성장이 가능하고 높은 생산성을 나타낸다.
질화갈륨층(40)은 마이크로 마스크(30)의 개구부에서 선택적으로 성장되며, 이 후 ELO에 의해 마이크로 마스크(30) 상에서 서로 붙게 되며, 그 이후는 수직 성장만이 이루어져 두께 100㎛ 이상의 후막으로도 형성 가능하다. 이와 같이 제조된 질화갈륨층(40)은 균열(crack)이 없는 고품질의 것이다. 질화갈륨층(40)의 두께가 커질수록 구조적, 광학적 및 전기적 특성들도 향상될 것임은 자명하다.
이렇게 질화갈륨층(40)이 성장된 기판(10)은 두껍고도 크랙이 없는 질화갈륨층(40)을 포함하므로, 그 자체가 질화물계 광소자 및 전자소자 제조에 이용될 수 있다. 특히, MOCVD를 이용하는 경우에는 질화갈륨층(40)이 성장된 기판(10)에 통상 1∼3um 수준의 소자급 질화갈륨층을 성장시켜 질화물계 광소자 및 전자소자를 제조 하는 데에 이용되게 된다.
하지만, 질화갈륨층(40) 성장에 HVPE와 같은 벌크 성장 방법을 이용한 경우에는 질화갈륨층(40)을 약 100㎛ 이상으로 성장시키는 것이 가능하므로, 질화갈륨층(40)의 성장을 중지하고 성장로로부터 기판(10) 부착 질화갈륨층(40)을 꺼내어, 기판(10)과 마이크로 마스크(30)를 에칭 또는 연마와 같이 물리/화학적 방법에 의해 제거하면, 질화갈륨층(40)만을 남겨 프리 스탠딩(free standing) 질화갈륨 기판을 얻을 수도 있다(단계 S4). 뿐만 아니라, 본 발명의 경우에는 마이크로 마스크(30)가 존재하므로 기판(10) 제거시 이 마이크로 마스크(30)가 물리적, 기계적 취약점(weak point)으로 작용해 번거로운 에칭 또는 연마와 같은 작업에 의하지 않고도 단순히 물리적, 기계적 힘을 가하는 것에 의해 분리가 용이할 수도 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다. 예를 들어, 본 발명에서는 실리콘 기판과 Si3N4 마이크로 마스크에 대하여 설명하였으나, 기판으로는 질화갈륨의 성장이 가능한 모든 종류의 단결정 기판을 이용할 수 있다. 예컨대, 사파이어 단결정, GaAs 단결정, 스피넬 단결정, InP 단결정, SiC 단결정, GaN 단결정, 혹은 그들의 단결정 표면에 얇은 GaN의 버퍼층을 형성한 것도 가능하다. 이 경우, 기판 물질에 따라 인시튜로 형성할 수 있는 마이크로 마스크의 물질은 본 발명의 변형으로부터 당업자가 구현해낼 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예들은 예시적이고 비한정적으로 모든 관점에서 고려되었으며, 이는 그 안에 상세한 설명보다는 첨부된 청구범위와, 그 청구범위의 균등 범위와 수단내의 모든 변형예에 의해 나타난 본 발명의 범주를 포함시키려는 것이다.
도 1은 종래 ELO 방법을 적용한 질화갈륨 성장용 기판의 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 질화갈륨 성장용 기판 및 질화갈륨 기판 제조 방법을 설명하기 위한 순서도,
도 3은 도 2에 따른 공정 단면도, 그리고
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 질화갈륨 성장용 기판 및 질화갈륨 기판 제조 방법 중에 형성하는 마이크로 마스크의 광학 현미경 사진들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10...기판
30...마이크로 마스크
40...질화갈륨층

Claims (6)

  1. 실리콘 기판 표면을 써멀 클리닝(thermal cleaning)하는 단계;
    상기 기판 표면에 인-시튜(in-situ) 방식의 Si3N4 마이크로 마스크를 형성하는 단계; 및
    상기 마이크로 마스크의 개구부를 통한 에피택셜 횡방향 과도성장(ELO) 방법으로 질화갈륨층을 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장용 기판 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 써멀 클리닝하는 단계는 상기 기판 표면의 자연 산화막을 제거하는 단계인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장용 기판 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 마이크로 마스크를 형성하는 단계는
    상기 기판 표면에 NH3를 공급하는 단계; 및
    상기 기판 표면을 H2 클리닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장용 기판 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 마이크로 마스크를 형성하는 단계의 공정 온도는 900~1100℃인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장용 기판 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 질화갈륨층을 성장시키는 단계는,
    상기 기판 표면에 Ga를 포함하는 MO(metal organic) 소스를 공급하는 단계; 및
    상기 기판 표면에 질소 포함 가스를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장용 기판 제조 방법.
  6. 실리콘 기판 표면을 써멀 클리닝하는 단계;
    상기 기판 표면에 인-시튜 방식의 Si3N4 마이크로 마스크를 형성하는 단계;
    상기 마이크로 마스크의 개구부를 통한 에피택셜 횡방향 과도성장(ELO) 방법으로 질화갈륨층을 성장시키는 단계;
    상기 질화갈륨층의 성장을 중지하고 성장로로부터 기판 부착 질화갈륨층을 꺼내어, 상기 기판과 마이크로 마스크를 제거하여 질화갈륨 기판을 얻는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조 방법.
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