KR20130122640A - 금속-질화물 성장 템플레이트층들 상에 벌크 iii-질화물 물질들을 형성하는 방법들 및 그와 같은 방법들에 의해 형성되는 구조들 - Google Patents

금속-질화물 성장 템플레이트층들 상에 벌크 iii-질화물 물질들을 형성하는 방법들 및 그와 같은 방법들에 의해 형성되는 구조들 Download PDF

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Abstract

벌크 III-질화물 반도체 물질들이 성장 기판의 금속 질화물 템플레이트층 상에 금속 3염화물 전구체를 이용하는 HPVE 프로세스에서 증착된다. 벌크 III-질화물 반도체 물질의 증착은 MOCVD 프로세스를 이용하여 템플레이트층의 탈위치 형성 없이 수행될 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 핵생성 템플레이트층은 HVPE 프로세스를 이용하여 템플레이트층 상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하기 전에 비-MOCVD 프로세스를 이용하여 탈위치에서 형성된다. 추가의 실시 예들에 있어서, 핵생성 템플레이트층은 HVPE 프로세스를 이용하여 템플레이트층 상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하기 전에 MOCVD 프로세스를 이용하여 제 위치에서 형성된다. 다른 실시 예들에 있어서, 핵생성 템플레이트층은 HVPE 프로세스를 이용하여 템플레이트층 상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하기 전에 제 위치에서 형성된다.

Description

금속-질화물 성장 템플레이트층들 상에 벌크 III-질화물 물질들을 형성하는 방법들 및 그와 같은 방법들에 의해 형성되는 구조들{METHODS OF FORMING BULK III-NITRIDE MATERIALS ON METAL-NITRIDE GROWTH TEMPLATE LAYERS, AND STRUCTURES FORMED BY SUCH METHODS}
본 발명의 실시 예들은 일반적으로 기판들 상에 III-질화물 물질들을 증착하는 방법들, 및 그와 같은 방법들에 의해 형성되는 구조들에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 실시 예들은 금속-질화물 물질을 포함하는 성장 템플레이트층을 구비하는 기판들 상에 III-질화물 물질들을 증착하는 방법들 및 그와 같은 방법들에 의해 형성되는 구조에 관한 것이다.
화학적 기상 증착(CVD)은 기판들 상에 고체 물질들을 증착하는 데 이용되는 화학적 프로세스이고, 반도체 장치들의 제조에 흔히 채택된다. 화학적 기상 증착 프로세스들에서, 기판은 기판의 표면 상에 고체 물질의 증착을 초래하는 방식으로 반응, 분해, 또는 반응 및 분해 모두를 하는 하나 이상의 시약 가스들에 노출된다.
하나의 특별한 유형의 CVD 프로세스는 이 기술분야에서 기상 에피택시(VPE)로서 불린다. VPE 프로세스들에서, 기판은, 기판의 표면 상에 고체 물질의 에피택셜 증착을 초래하는 식으로 반응, 분해, 또는 반응 및 분해 모두를 하는 반응 체임버에서 하나 이상의 시약 증기들에 노출된다. VPE 프로세스들은 종종 III-V 반도체 물질들을 증착하는 데 이용된다. VPE 프로세스에서 시약 증기들 중 하나가 할로겐화물 증기를 포함할 경우, 프로세스는 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE) 프로세스로서 불릴 수 있다.
금속유기물(MO) 전구체 물질들이 III-질화물 반도체 물질을 형성하기 위해 반응 체임버 내에서 분해되는 VPE 프로세스들을 이용하여 III-질화물 반도체 물질들, 예컨대 갈륨 질화물(GaN)을 형성하는 것이 이 기술분야에서 알려져 있다. 그와 같은 프로세스들은 종종 금속유기물 기상 에피택시(MOVPE) 프로세스들로서 불리고, 또한 금속유기물 화학적 기상 증착(MOCVD) 프로세스들로서 특징 지워질 수 있다. 그와 같은 MOVPE 프로세스들은 보통 원하는 벌크 III-질화물 반도체 물질의 증착 이전에 수개의 순차 사전-증착 프로세스들을 이용하여 수행된다. 이들 순차 사전-증착 프로세스들은 성장 기판(예컨대, 사파이어 기판)의 고온 수소 베이크(bake), 성장 기판의 질화처리(nitridation), 성장 기판상에 상대적으로 낮은 온도들에서의 III-질화물 물질의 핵생성층의 형성, 상대적으로 높은 온도들에서의 핵생성층의 어닐링, 핵생성층의 합체(coalescence), 및 끝으로 핵생성층 상에서의 벌크 III-질화물 물질층의 성장을 구비할 수 있다.
HVPE 프로세스들은 또한 III-질화물 반도체 물질들 예컨대 갈륨 질화물(GaN)을 형성하는 데 이용될 수 있다. 그와 같은 프로세스들에 있어서, 기판상의 GaN의 에피택셜 성장은 약 500℃와 약 1,000℃ 사이의 상승된 온도들에서 반응 체임버 내에서 행해지는 일염화갈륨(GaCl)과 암모니아(NH3) 사이에서의 기상 반응(vapor phase reaction)에서 비롯될 수 있다. NH3는 NH3 가스의 표준 소스로부터 공급될 수 있다. 몇몇 방법들에 있어서, GaCl 증기는 반응 체임버 내의 원 위치(in situ)에서 GaCl를 형성하기 위해 가열된 액체 갈륨(Ga) 위로 수소 염화물(HCl) 가스(HCl 가스의 표준 소스로부터 공급될 수 있는)를 통과시킴으로써 제공된다. 액체 갈륨은 약 750℃와 약 850℃ 사이의 온도로 가열될 수 있다. GaCl 및 NH3은 반도체 물질의 웨이퍼와 같은 가열된 기판의 표면에(예컨대 위로) 보내질 수 있다. 솔로몬(Solomon) 등.의 2001년 1월 30일자로 발행된 미국 특허 제 6,179,913 은 그와 같은 시스템들 및 방법들에 사용하기 위한 가스 주입 시스템을 개시한다.
벌크 III-질화물 반도체 물질들을 형성하기 위해 사용되는 MOVPE 프로세스들과 관련하여 위에서 언급한 수개의 순차 사전-증착 프로세스들은 HVPE 증착 반응기 내에서 실행하는 것이 곤란할 수 있다.
본 발명은 상술한 필요성에 따른 것으로, 본 발명의 목적은 금속-질화물 물질을 포함하는 성장 템플레이트층을 구비하는 기판들 상에 III-질화물 물질들을 증착하는 방법들 및 그와 같은 방법들에 의해 형성되는 구조를 제공함에 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 방법은 성장 기판을 형성하기 위해 기판상에 금속-질화물 핵생성 템플레이트(template)층을 형성하는 단계 및 할로겐화물 기상 에피택시(halide vapor phase epitaxy; HVPE) 프로세스를 이용하여 상기 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계를 포함하고, 상기 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 금속 염화물 III족 전구체 증기를 형성하기 위해 금속 3염화물(metal trichloride) 및 금속 4염화물(metal tetrachloride) 중 적어도 하나를 분해하는 단계 및 상기 성장 기판상에 상기 벌크 III-질화물 반도체 물질을 형성하기 위해 상기 금속 염화물 III족 전구체 증기를 V족 전구체 증기와 반응시키는 단계를 포함한다.
이 경우, 상기 기판상에 상기 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계는 상기 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하기 위해 비금속유기물 화학적 기상 증착(non-metallorganic chemical vapor depositon; MOCVD)프로세스를 이용하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 상기 기판상에 상기 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계는 상기 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하기 위해 플라즈마-강화 화학적 기상 증착(plasma-enhanced chemical vapor deposition; PECVD) 프로세스를 이용하는 단계를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하기 위해 상기 플라즈마-강화 화학적 기상 증착(PECVD) 프로세스를 이용하는 단계는 상기 기판상에 금속-질화물 물질을 증착하는 단계 및 상기 증착된 금속-질화물 물질의 결정도를 향상시키기 위해 상기 증착된 금속-질화물 물질에 하나 이상의 열처리들을 행하는 단계를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 증착된 금속-질화물 물질의 결정도를 향상시키기 위해 상기 증착된 금속-질화물 물질에 하나 이상의 열처리들을 행하는 단계는 상기 증착된 금속-질화물 물질에 급속 가열 어닐링 공정(rapid thermal annealing process)을 행하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 상기 기판상에 상기 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계는 상기 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하기 위해 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE) 프로세스를 이용하는 단계를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하기 위해 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE) 프로세스를 이용하는 단계는 3염화물(trichloride), 2염화물(dichloride), 및 일염화물(monochloride) III족 전구체 증기 중 적어도 하나를 형성하기 위해 GaCl3, InCl3, AlC13, 및 TiCl4 중 적어도 하나를 분해하는 단계 및 상기 기판상에 상기 금속 질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하기 위해 상기 III족 전구체 증기를 NH3 전구체 증기와 반응시키는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 방법은 제 1 체임버(chamber)에서 상기 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계 및 제 2의 상이한 체임버에서 상기 성장 기판상에 상기 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 방법은 체임버 내에서 상기 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계 및 상기 금속 질화물 핵생성 템플레이트층이 형성되는 상기 체임버 내에서 상기 성장 기판상에 상기 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 반도체 구조는 벌크 III-질화물 반도체 물질을 포함하고, 상기에 기재된 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 방법에 따라 제조된다.
본 발명은 첨부 도면들에 도시되는, 본 발명의 예시적인 실시 예들의 다음의 상세한 설명을 참조하여 더 완전하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 방법들의 실시 예들에 따라 채택될 수 있는 기판의 단순화된 횡단면도이고;
도 2는 본 발명의 방법들의 실시 예들에 따라 채택될 수 있고, 도 1의 기판상에 핵생성 템플레이트층을 증착하여 형성될 수 있는 성장 기판의 단순화된 횡단면도이고;
도 3은 도 2 본 발명의 방법들의 실시 예들에 따라 도 2의 성장 기판의 핵생성 템플레이트층 위에 증착되는 벌크 III-질화물 반도체 물질을 구비하는 구조의 단순화된 횡단면도이고;
도 4a는 반응 체임버 및 적어도 하나의 가스 주입기를 구비하고 본 발명의 방법들의 실시 예들에 채택될 수 있는 HVPE 증착 시스템의 예시적인 실시 예를 개략적으로 도시하는 횡단면도이고;
도 4b는 그 안에 나타낸 단면선 4b-4b을 따라 절취한 도 4a에 나타낸 반응 체임버의 개략 횡단면도이고;
도 5는 도 4a의 증착 시스템에 채택될 수 있는 열중성자화 가스 주입기의 실시 예를 개략적으로 도시하고;
도 6은 도 4a의 증착 시스템에 채택될 수 있는 가스 주입기의 다른 예시적인 실시 예를 개략적으로 도시하고;
도 7은 도 6의 가스 주입기의 일부의 확대, 부분 컷-어웨이도이고; 및
도 8은 본 발명의 실시 예들에 따라 성장 기판 위에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 데 이용될 수 있고 도 4a 및 도 4b에 나타낸 것과 같은 HVPE 증착 시스템을 이용하는 증착 프로세스를 개략적으로 나타내는 그라프이다.
(간단한 요약)
이 요약은 단순화된 형태로 개념들의 선택을 소개하기 위해 제공되고, 개념들은 본 발명의 몇몇 예시적인 실시 예들의 이하의 상세한 설명에서 더 기재된다. 이 요약은 청구된 대상의 중요한 특징들 또는 필수적인 특징들을 식별하도록 의도되지 않을 뿐만 아니라, 청구된 대상의 범위를 한정하는 데 사용되도록 의도되지도 않는다.
앞에서 논의된 것과 같이, 핵생성층 상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하기 전에 성장 기판상에 III-질화물 물질의 핵성층을 형성하기 위해 사용되는 수개의 순차 사전-증착 프로세스들은 HVPE 증착 반응기 내에서 실행하기 곤란할 수 있다. 따라서, 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 데 사용되는 알려진 HVPE 방법들은 MOCVD 프로세스를 이용하여 기판상에 탈위치에서(ex situ)(별도의 체임버에서 행해지는 별도의 증착 공정에서) 증착한 금속-질화물 물질의 핵생성층을 포함하는 성장 기판을 일반적으로 이용해 왔다. 원하는 벌크 III-질화물 물질은 이후 별도의 체임버에서 행해지는 별도의 HVPE 프로세스에서 성장 기판상에 증착된다.
몇몇 실시 예들에 있어서, 본 발명은 성장 기판들 상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 방법들을 포함한다. 금속-질화물 핵생성 템플레이트층은 성장 기판을 형성하기 위해 기판상에 형성되고, 벌크 III-질화물 반도체 물질은 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE) 프로세스를 이용하여 성장 기판상에 증착된다. 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 금속 염화물 III족 전구체 증기를 형성하기 위해 금속 3염화물(trichloride) 및 금속 테트라염화물(tetrachloride) 중 적어도 하나를 분해하는 단계, 및 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 형성하기 위해 금속 염화물 III족 전구체 증기를 V족 전구체 증기와 반응시키는 단계를 포함할 수 있다.
적어도 몇몇 실시 예들에 있어서, 본 발명은 MOCVD 프로세스들을 이용하여 핵생성 템플레이트층들의 탈위치에서 형성하지 않고도, HPVE 프로세스들을 이용하여 성장 기판들 상에 벌크 III-질화물 물질들을 증착하는 방법들을 포함한다.
몇몇 실시 예들에 있어서, 본 발명은 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 방법들을 포함한다. 금속-질화물 핵생성 템플레이트층은 성장 기판을 형성하기 위해 제 1 체임버에서 비-금속유기물 화학적 기상 증착(MOCVD) 프로세스을 이용하여 기판상에 형성되고, 벌크 III-질화물 반도체 물질은 제 2 체임버에서 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE) 프로세스를 이용하여 성장 기판상에 증착된다. 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 NH3 및 금속 3염화물 및 금속 테트라염화물 중 적어도 하나를 제 2 체임버를 향해 유동(flowing)시키는 단계를 포함할 수 있다.
성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 방법들의 추가의 실시 예들에 있어서, 금속-질화물 핵생성 템플레이트층은 성장 기판을 형성하기 위해 체임버에서 금속유기물 화학적 기상 증착(MOCVD) 프로세스를 이용하여 기판상에 형성되고, 벌크 III-질화물 반도체 물질은 동일한 체임버에서 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE) 프로세스를 이용하여 성장 기판상에 증착된다. 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE) 프로세스를 이용하여 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 NH3 및 금속 3염화물 및 금속 테트라염화물 중 적어도 하나를 동일한 체임버를 향해 유동시키는 단계를 포함할 수 있다.
성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 방법들의 또 다른 실시 예들에 있어서, 금속-질화물 핵생성 템플레이트층은 성장 기판을 형성하기 위헤 체임버에서 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE) 프로세스를 이용하여 기판상에 형성되고, 벌크 III-질화물 반도체 물질은 동일한 체임버에서 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE) 프로세스를 이용하여 성장 기판상에 증착된다. 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE) 프로세스를 이용하여 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 NH3 및 금속 3염화물 및 금속 테트라염화물 중 적어도 하나를 동일한 체임버를 향해 유동시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 추가의 실시 예들은 본원에 개시된 방법들을 이용하여 형성되는 벌크 III-질화물 반도체 물질을 포함하는 구조들을 포함한다.
본원에 제시된 도면들은 어떤 특별한 구성요소, 장치, 또는 시스템의 실제 모습들을 의미하지 않고 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위해 채택되는 단지 이상화된 표면들이다.
다수의 참고문헌들이 본원에 인용되고 인용 문헌들의 어느 것도, 본원에 어떻게 특징화되었는지와 상관없이, 본원에서 청구하는 대상의 발명에 관한 종래 기술로서 인정되지 않는다.
본원에 사용되고 있는 것과 같이, 용어 "III-V 반도체 물질"은 적어도 주로 주기율표의 IIIA족(B, Al, Ga, In, 및 Ti)로부터의 하나 이상의 원소들 및 주기율표의 VA족(N, P, As, Sb, 및 Bi)로부터의 하나 이상의 원소들로 구성되는 임의의 반도체 물질을 의미하고 포함한다. 예를 들면, III-V 반도체 물질들은 GaN, GaP, GaAs, InN, InP, InAs, AlN, AlP, AlAs, InGaN, InGaP, InGaNP 등을 포함하지만 이들에 한정되는 것은 아니다.
본원에 사용되고 있는 것과 같이, 용어 "III-질화물 반도체 물질"은 적어도 주로 주기율표의 IIIA족(B, Al, Ga, In, 및 Ti)으로부터의 하나 이상의 원소들 및 질소로 구성되는 임의의 III-V 반도체 물질을 의미하고 포함한다. 예를 들면, III-질화물 반도체 물질들은 GaN, InN, AlN, InGaN, GaAlN, GaAlN, InAlN 등을 포함한다.
본원에 사용되고 있는 것과 같이, 용어 "금속-질화물"은 금속 및 질소의 화합물을 의미한다. 금속-질화물 물질들은 알루미늄 질화물(AlN), 갈륨 질화물(GaN), 알루미늄 갈륨 질화물(AlxGa1 - xN), 티탄 질화물(TiN), 하프늄 질화물(Hf), 크롬 질화물(CrN), 텅스텐 질화물(WN), 및 탄탈 질화물(TaN)을 포함하지만 이것에 한정되는 것은 아니다.
본원에 사용된 것과 같이, 용어들 "화학적 기상 증착(chemical vapor deposition)" 및 "CVD"는 동의어이고, 기판의 표면 위에 고체 물질(들)의 증착을 초래하는 방식으로 반응, 분해, 또는 반응 및 분해 모두를 하는 하나 이상의 시약 가스들에 기판이 노출되는 반응 체임버 내에서 기판 위에 고체 물질(들)를 증착하는 데 사용되는 임의의 프로세스를 의미하고 포함한다.
본원에 사용된 것과 같이, 용어들 "기상 에피택시(vapor phase epitaxy)" 및 "VPE"는 동의어이고 기판의 표면 위에 고체 물질(들)의 에피택셜 증착을 초래하는 방식으로 반응, 분해, 또는 반응 및 분해 모두를 하는 하나 이상의 시약 증기들에 기판이 노출되는 임의의 CVD 프로세스를 의미하고 포함한다.
본원에 사용된 것과 같이, 용어들 "할로겐화물 기상 에피택시(holide vapor phase epitaxy)" 및 "HVPE"는 동의어이고 VPE 프로세스에 사용되는 적어도 하나의 시약 증기가 할로겐화물 증기를 포함하는 임의의 VPE 프로세스를 의미하고 포함한다.
본원에 사용되고 있는 것과 같이, 용어들 "금속유기물(metallorganic)"은 적어도 하나의 탄소계 리간드(carbon-based ligand)를 포함하는 유기 화학종들(organic chemical species) 및 적어도 하나의 금속 원소를 포함하는 임의의 화합물을 의미하고 포함한다. 금속유기물들은 이 기술분야에서 종종 "유기금속들(organometallics)"로서 불리고 이와 같은 용어들은 이러한 개시내용에 대해 동의어들이다. 금속유기물들은 트리메틸갈륨(TMG), 트리에틸갈륨(TEG), 트리메틸알루미늄(TMA), 트리에틸알루미늄(TEA), 테트라키스디에틸아미노티탄(TDEAT), 및 테트라키스(디에틸아미도)티탄(TDMAT)을 포함하지만 이것에 한정되는 것은 아니다.
본원에 사용되고 있는 것과 같이, 용어들 "금속유기물 기상 에피택시(metallorganic vapor phase epitaxy)" 및 "MOVPE"는 동의어이고 VPE 프로세스에 이용되는 적어도 하나의 시약 증기가 금속유기물 증기를 포함하는 임의의 VPE 프로세스를 의미하고 포함한다.
본원에 사용되고 있는 것과 같이, 용어들 "비금속유기물 화학적 기상 증착 프로세스(non-metallorganic chemical vapor deposition process)" 및 "비-MOCVD 프로세스(non-MOCVD process)"는 동의어이고 MOCVD 프로세스가 아닌 임의의 증착 프로세스를 의미하고 포함한다.
본원에 사용되고 있는 것과 같이, 용어들 "비-금속유기물 기상 에피택시 프로세스(non-metallorganic vapor phase epitaxy process)" 및 "비-MOVPE 프로세스(non-MOVPE process)"는 동의어이고 MOVPE 프로세스가 아닌 임의의 증착 프로세스를 의미하고 포함한다.
본원에 사용되고 있는 것과 같이, 용어 "가스(gas)"는 가스들(독립 형상도 체적도 가지지 않는 유체들) 및 증기들(확산 액체 또는 그 안에 현탁된 고체 물질을 포함하는 가스들)을 포함하고, 및 용어들 "가스(gas)" 및 "증기(vapor)"는 본원에서 동의어로 사용된다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시 예들에 따른 성장 기판상에의 벌크 III-질화물 반도체 물질의 증착을 도시한다. 도 1을 참조하면, 기판(10)이 제공된다. 기판(10)은 대략 평탄한, 디스크형상 본체일 수 있고, 대략 원형의 직사각형 등일 수 있다. 기판(10)은 이 기술분야에서 "다이(die)" 또는 "웨이퍼(wafer)"로서 불리는 것을 포함할 수 있다. 기판(10)은 적어도 실질적으로 균질 물질(12)로 구성될 수 있다. 물질(12)은 예를 들면, 산화물(예컨대, 실리콘 이산화물(SiO2) 또는 알루미늄 산화물(Al203)(예컨대, α-Α1203인 사파이어) 또는 질화물(예컨대, 실리콘 질화물(Si3N4) 또는 붕소 질화물(BN))과 같은 세라믹을 포함할 수 있다. 추가의 예들로서, 물질(12)은 반도체 물질 예를 들어 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), III-V 반도체 물질 등을 포함할 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 기판(10)의 물질(12)은 적어도 실질적으로 물질(12)의 단결정으로 구성될 수 있다. 더욱이, 그와 같은 실시 예들에 있어서, 물질(12)의 노출된 주면(major surface)(14)이 물질(12)의 단결정의 선택된 결정학적 면을 포함하도록 단결정은 선택된 결정학적 배향을 가질 수 있다. 비제한적인 예로서, 기판(10)은 사파이어 기판을 포함하도록 선택될 수 있다. 그와 같은 사파이어 기판들은 시판되고 있다.
도 2를 참조하면, 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)은 성장 기판(20)을 형성하기 위해 노출된 주면(14) 상에 형성(예컨대, 증착)될 수 있다. 본 발명의 방법들의 실시 예들에 따르면, 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)은 이하에 더 상세히 기재되는 수개의 상이한 방식들로 기판상에 형성될 수 있다. 예로서 및 제한하지 않는 것으로서, 템플레이트층(18)이 약 2 나노미터(2 nm)와 약 5 마이크로미터(5 ㎛) 사이의 평균 두께 T1를 가지도록 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)은 노출된 주면(14) 상에 증착될 수 있다.
금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)은 원하는 농도들로 증착된 벌크 III-V 반도체 물질 내에 결함 밀도들을 유지하면서 원하는 평균 총 두께로 기판 위의 벌크 III-V 반도체 물질의 증착을 가능하게 하기 위해 채택된다. 기판(10) 위에 증착될 벌크 III-V 반도체 물질 및 기판(10)의 물질(12)의 결정 격자 구조들 사이의 차이들(차이들은 종종 이 기술분야에서 "결정 격자 부정합(crystal lattice mismatch)"으로 불림)로 인해, 벌크 III-V 반도체 물질의 결정 구조는, 만약 벌크 III-V 반도체 물질이 기판(10)의 노출된 주면(14) 위에 직접 증착된다면 상대적으로 높은, 원치않는 결함 농도들 예를 들어 전위(dislocation)들을 포함할 수 있다. 따라서, 기판(10)과 벌크 III-V 반도체 물질 사이에 배치된 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)은 선택된 조성 및/또는 마이크로구조를 가짐으로써, 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)은 기판(10) 및 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)상에 증착된 벌크 III-V 반도체 물질 각각과 상대적으로 낮은(기판(10)과 벌크 III-V 반도체 물질 사이의 결정 격자 부정합과 비교하였을 때) 결정 격자 부정합을 가지게 된다. 환언하면, 핵생성 템플레이트층은 기판(10)과 그 위에 증착될 벌크 III-V 반도체 물질 사이의 결정 격자 부정합을 완화하기 위해 사용될 수 있고, 그와 같은 핵생성 템플레이트층들(18)은 또한 이 기술분야에서 "버퍼(buffer)" 층들로서 불린다. 더욱이, 핵생성 템플레이트층은 그 위에 벌크 III-V 반도체 물질의 성장 핵을 생성하는(nucleate) 시드 층(seed layer)으로서 사용될 수 있고, 그와 같은 핵생성 템플레이트층들(18)은 또한 이 기술분야에서 "시드(seed)" 층들로서 불린다.
도 3을 참조하면, 성장 기판(20)을 형성한 후, 벌크 III-V 반도체 물질(22)가 HVPE 프로세스를 이용하여 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)의 노출된 주면(19) 상에 핵생성 및 증착될 수 있다. 비록 별개의 경계(discrete boundary)는 도 3의 단순화된 도면에서 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)과 벌크 III-V 반도체 물질(22) 사이에서 볼 수 있지만, 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18) 및 벌크 III-V 반도체 물질(22)는, 몇몇 실시 예들에 있어서, 적어도 실질적으로 동일한 조성을 가질 수 있고, 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)과 벌크 III-V 반도체 물질(22) 사이에서 별개의 경계를 볼 수 있거나 달리 식별하는 것은 곤란하거나 불가능할 수 있다는 점이 주목된다.
예로서 및 제한하지 않는 것으로서, 벌크 III-V 반도체 물질(22)는 적어도 약 5 마이크로미터(5 ㎛), 적어도 약 7 마이크로미터(7 ㎛), 적어도 약 10 마이크로미터(10 ㎛), 적어도 약 20 마이크로미터(20 ㎛), 또는 심지어 적어도 약 30 마이크로미터(30 ㎛)의 평균 총 두께 T2로 성장 기판(20) 위에 증착될 수 있다. 실시 예들에 따라 제조된 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)의 존재는 벌크 III-V 반도체 물질(22)의 노출된 주면(23)에서 벌크 III-V 반도체 물질(22) 내의 전위 밀도를 제곱 센티미터 당 약 5 X 108의 농도들로 또는 그 아래로 유지하면서 벌크 III-V 반도체 물질(22)가 그와 같은 평균 총 두께들 T2로 증착되게 할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본원에 기재된 것과 같이, 본 발명의 방법들의 실시 예들에 채택될 수 있는 HVPE 증착 시스템(100)의 실시 예를 개략적으로 도시하는 단순화된 도면들이다. 비제한적인 예들로서, 증착 시스템(100)은 아레나(Arena) 등의 이름으로, 2009년 9월 10일자로 공개된 미국 특허 출원 공개 번호 US 2009/0223442 Al, 아레나(Arena) 등의 이름으로, 2009년 3월 3일자로 출원된 임시 미국 특허 출원 번호 61/157,112, 버트란(Bertran)의 이름으로 2010년 9월 30일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 12/894,724 중 어느 하나에 기재된 것과 같은 증착 시스템을 포함할 수 있다. 도 4a 및 도 4b에 나타낸 증착 시스템(100)은 반응 체임버(102) 및 하나 이상의 가스 주입기들(이하에 더 상세히 기재됨)을 구비한다.
증착 시스템(100) 및 특히 증착 시스템(100)의 반응 체임버(102)의 다음의 상세한 설명에서, 용어들 "세로(longitudinal)" 및 "가로(transverse)"는 도 4a 및 도 4b의 사시도들로부터 반응 체임버(102)에 대한 방향들을 가리키는 데 사용되고, 여기서 세로 방향은 도 4a의 사시도로부터 수직 방향 및 도 4b의 평면 내로 연장하는 방향이고, 가로 또는 횡 방향들은 도 4a 및 도 4b 각각의 사시도로부터 수평으로 연장하는 방향들이다. 가로 방향들은 또한 "반응기를 가로질러(across the reactor)" 연장하는 방향들로서 불린다.
증착 시스템(100)은 반응 체임버(102), 증착 시스템(100) 내에 물질을 증착하거나 그렇지 않으면 물질을 제공하기를 원하는 하나 이상의 워크피스(workpiece) 기판들(106)(초기에는 도 1에 나타낸 기판(10) 또는 도 2에 나타낸 성장 기판(20)을 포함할 수 있음)을 지지하도록 구성된 기판 지지 구조(104)(예컨대, 서셉터(susceptor))을 구비한다. 비제한적인 예로, 반응 체임버(102)는 약 2 인치의 높이, 약 12 인치의 폭, 및 약 20 인치의 길이를 가질 수 있고, 기판 지지 구조(104)는 하나의 8 인치 워크피스 기판(106), 하나의 6 인치 워크피스 기판(106), 3개의 4 인치 워크피스 기판들(106), 또는 8개의 2 인치 워크피스 기판들(106)을 지지하기 위해 구성될 수 있다. 반응 체임버(102) 내의 평균 온도가 증착 프로세스 동안 원하는 상승 온도들로 제어될 수 있도록 증착 시스템(100)은 증착 시스템(100)을 선택적으로 가열하기 위해 사용될 수 있는 가열 요소들(108)(도 4b)을 더 구비한다. 가열 요소들(108)은 예를 들어, 저항성 가열 요소들 또는 복사 가열 요소들을 포함할 수 있다.
도 4b에 나타낸 것과 같이, 기판 지지 구조(104)는 스핀들(spindle)(110)상에 장착될 수 있는데, 여기서 스핀들(110)은 구동 장치(112)에 결합(예컨대, 직접 구조적으로 결합, 자기적으로 결합 등)될 수 있다. 여기서 구동 장치(112)에는 예를 들어, 스핀들(110)의 회전을 구동시켜 결국 반응 체임버(102) 내의 기판 지지 구조(104)의 회전을 구동시키게 되는 전기 모터가 있을 수 있다.
몇몇 실시 예들에 있어서, 반응 체임버(102), 기판 지지 구조(104), 스핀들(110), 및 반응 체임버(102) 내의 임의의 다른 구성요소들 중 하나 이상은 적어도 실질적으로 내화성 세라믹 물질 예컨대 세라믹 산화물(예컨대, 실리카(석영(quartz)), 알루미나, 지르코니아 등), 카바이드(예컨대, 실리콘 카바이드, 붕소 카바이드 등), 또는 질화물(예컨대, 실리콘 질화물, 붕소 질화물 등)로 구성될 수 있다.
증착 시스템(100)은 하나 이상의 가스들을 반응 체임버(102) 내로 주입하고 가스들을 반응 체임버(102)로부터 밖으로 배출하기 위해 사용되는 가스 유동 시스템(gas flow system)을 더 구비한다. 도 4a를 참조하면, 증착 시스템(100)은 각각의 가스 소스들(128A, 128B, 128C)로부터 가스들을 운반하는 3개의 가스 유입 도관들(114A, 114B, 114C)을 구비할 수 있다. 선택적으로, 밸브들, 배압 조절기들, 및 질량 유동 제어기들 중 하나 이상을 포함할 수 있는 장치들(117A, 117B, 117C)은 각각 가스 유입 도관들(114A, 114B, 114C)을 통한 가스의 흐름을 선택적으로 제어하기 위해 사용될 수 있다.
몇몇 실시 예들에 있어서, 가스 소스들(128A, 128B) 중 적어도 하나는 미국 특허 출원 공개 번호 US 2009/0223442 A에 기재된 것과 같이, 금속 3염화물 예컨대 GaCl3, InCl3, 또는 AlCl3의 외부 소스를 포함할 수 있다. GaCl3, InCl3 및 AlCl3은 각각 예컨대 Ga2Cl6, In2Cl6 및 Al2Cl6와 같은 이량체(dimer) 형태로 존재할 수 있다. 따라서, 가스 소스들(128A, 128)의 적어도 하나는 이량체 예컨대 Ga2Cl6, In2Cl6 또는 Al2Cl6를 포함할 수 있다. 비제한적인 예로서, 가스 소스들(128A, 128B)의 하나 이상은 IIIA족 전구체 성분으로서 GaCl3 증기의 질량 유동을 제공할 수 있다. 가스 소스(128C)는 암모니아(NH3)와 같은 VA족 전구체의 외부 소스를 포함할 수 있다.
가스 소스들(128A, 128B) 중 하나 이상이 GaCl3 소스이거나 포함하는 실시 예들에 있어서, GaCl3 소스는 적어도 120℃(예컨대, 대략 130℃)의 온도에서 유지되는 액체 GaCl3의 저장소를 구비하고 액체 GaCl3의 증발 속도를 향상시키기 위한 물리적 수단을 구비할 수 있다. 그와 같은 물리적 수단은 예를 들어 액체 GaCl3을 교반하도록 구성된 장치, 액체 GaCl3을 분무하도록 구성된 장치, 액체 GaCl3에 대해 신속하게 캐리어 가스를 유동시키도록 구성된 장치, 액체 GaCl3을 통해 캐리어 가스를 버블링하도록 구성된 장치, 액체 GaCl3을 초음파로 분산시키도록 구성된 장치, 예컨대 압전 장치 등을 구비할 수 있다. 비제한적인 예로서, 캐리어 가스, 예컨대 He, N2, H2, 또는 Ar, 또는 그것의 혼합물(예컨대, N2 및 H2의 혼합물)은 액체 GaCl3을 통해 버블링될 수 있고, 한편 액체 GaCl3는 소스 가스가 하나 이상의 캐리어 가스들을 포함하도록, 적어도 120℃의 온도에서 유지된다.
하나 이상의 가스 주입기들(150A, 150B) 내로의 GaCl3 증기의 플럭스(flux)는 본 발명의 몇몇 실시 예들에서 제어될 수 있다. 예를 들어, 캐리어 가스가 액체 GaCl3을 통해 버블링되는 실시 예들에 있어서, 가스 소스(128A, 128B, 128C)로부터의 GaCl3 플럭스는 예를 들어 GaCl3의 온도, GaCl3에 대한 압력, 및 GaCl3을 통해 버블링되는 캐리어 가스의 흐름을 포함하는 하나 이상의 요인들에 의존한다. GaCl3의 질량 플럭스는 원칙적으로 이들 파라미터들 중 어느 하나에 의해 제어될 수 있지만, 몇몇 실시 예들에 있어서, GaCl3의 질량 플럭스는 질량 유동 제어기를 이용하여 캐리어 가스의 흐름을 변화시켜 제어될 수 있다.
몇몇 실시 예들에 있어서, 가스 유입 도관들(114a, 114b)의 온도가 가스 소스들(128A, 128B)과 가스 주입기들(150A, 150B) 사이에서 제어될 수 있다. 가스 유입 도관들(114a, 114b) 및 관련된 질량 유동 센서들, 제어기들 등의 온도는, 가스 유입 도관들(114a, 114b) 내의 가스들(예컨대, GaCl3 증기)의 응축(condensation) 등을 방지하기 위해, 각각의 가스 소스들(128A, 128B)로부터의 출구에서의 제 1 온도(예컨대, 약 120℃ 이상)로부터 가스 주입기들(150A, 150B)에서의 제 2 온도(예컨대, 약 160℃ 이하)로 점진적으로 증가할 수 있다. 선택적으로, 각각의 가스 소스들(128A, 128B)과 가스 주입기들(150A, 150B) 사이의 가스 유입 도관들(114a, 114b)의 길이는 약 3피트 이하, 약 2피트 이하, 또는 심지어 1피트 이하일 수 있다. 소스 가스들의 압력은 하나 이상의 압력 제어 시스템들을 이용하여 제어될 수 있다.
2개의 가스 유입 도관들(114a, 114b) 각각은 선택적으로 이하에 더 상세히 기재되는 2개의 가스 주입기들(150A, 150B)의 각각 것으로 연장할 수 있다.
추가의 실시 예들에 있어서, 증착 시스템(100)은 2보다 적은(즉, 1개) 가스 유입 도관들을 구비할 수 있고, 각각의 가스 주입기들, 또는 증착 시스템(100)은 2보다 많은(예컨대, 3, 4, 5개 등) 가스 유입 도관들 및 각각의 가스 주입기들을 구비할 수 있다.
도 4a 및 도 4b의 실시 예에 있어서, 가스 주입기들(150A, 150B)은 전부 반응 체임버(102) 외부에 위치된다. 그러나, 다른 실시 예들에 있어서, 가스 주입기들(150A, 150B)은 전부 반응 체임버(102) 내부에 배치될 수 있고, 또는 가스 주입기들(150A, 150B)의 적어도 일부는 반응 체임버(102)를 통해 적어도 부분적으로 연장할 수 있다.
증착 시스템(100)은 반응 체임버(102)의 외부와 내부 사이의 유체 소통을 제공하는 3개의 가스 포트들(116A, 116B, 116C)을 더 구비할 수 있다. 가스 포트들(116A, 116B, 116C) 각각은 가스 주입기들(150A, 150B) 중 각각의 하나와, 반응 체임버(102) 내의 각각의 가스 분산 도관(118A, 118B, 118C) 사이에서, 반응 체임버(102)의 벽, 천장 또는 바닥 중 하나 이상을 통해 유체 소통을 제공할 수 있다.
반응 체임버(102) 내의 가스 분산 도관들(118A, 118B, 118C)은 인클로저(inclosure) 내의 원하는 위치들로 가스들을 운반하기 위해 사용될 수 있다. 가스 분산 도관들(118A, 118B, 118C)은 기판 지지 구조(104) 위로 운반된 워크피스 기판들(106)에 대해 선택된 방향들에서 반응 체임버(102)의 내부로 가스들을 주입하기 위해 위치되고 구성될 수 있다. 가스 분산 도관들(118A, 118B, 118C)에 의해 운반된 가스들, 예컨대 전구체 가스들 및 캐리어 가스들은 반응 체임버(102)의 길이 방향(도 4a의 사시도로부터 수직 방향)으로 흐를 수 있고 반응 체임버(102) 내에서 길이방향으로 워크피스 기판들(106)을 향해 연장하는 방향들로 그로부터 밖으로 주입될 수 있고, 방향들은 워크피스 기판들(106)의 상측의 노출된 주면들에 적어도 실질적으로 평행하게 배향된다. 가스 분산 도관들(118A, 118B, 118C)은 도관 지지 고정구들을 이용하여 반응 체임버(102) 내에서 원 위치에 지지되고 고정될 수 있다.
가스 분산 도관들(118A, 118B, 118C)의 특별한 레이아웃 및 구성은 본 발명의 실시 예들에 사용될 수 있는 많은 레이아웃들 및 구성들 중 단지 하나이고, 반응 체임버들(102)의 추가의 실시 예들은 반응 체임버(102) 내에서 가스 분산 도관들의 상이한 구성들 및 레이아웃들을 가질 수 있다.
가스 분산 도관들(118A, 118B, 118C)은 능동적으로 가열되고, 수동적으로 가열되고, 또는 수동적 및 능동적 모두로 가열될 수 있다. 예를 들어, 열 생성 요소들(도시하지 않음)은 가스 분산 도관들(118A, 118B, 118C)의 적어도 일부에 인접하여 위치될 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 가스 분산 도관들(118A, 118B, 118C)은 가열 요소들(108)(도 4b)에 의해 가열된다. 선택적으로, 수동 열전달 구조들(예컨대, 구조들은 흑체(black body)와 유사하게 작용하는 물질들을 포함함)은 가스 분산 도관들(118A, 118B, 118C)로의 열의 전달을 향상시키기 위해 반응 체임버(102) 내의 가스 분산 도관들(118A, 118B, 118C)의 적어도 일부에 인접하거나 근접하여 위치될 수 있다.
수동 열전달 구조들(예컨대, 구조들은 흑체와 유사하게 작용하는 물질을 포함)은 예를 들어, 아레나(Arena) 등의 이름으로 2009년 8월 27일자로 공개된 미국 특허 출원 공개 번호 US 2009/0214785 Al에 개시된 것과 같이, 반응 체임버(102) 내에 제공될 수 있다. 예를 들어, 열전달 플레이트(124)(도 4a 및 도 4b에 점선으로 나타냄)는 열전달 플레이트(124)가 기판 지지 구조(104) 및 기판 지지 구조(104)에 의해 지지되는 워크피스 기판들(106) 위에서 반응 체임버(102)를 가로질러 연장하도록 반응 체임버(102) 내에 위치될 수 있다. 열전달 플레이트(124)는 가열 요소들(예컨대 가열 요소들(108)로부터의 방사선을 흡수하고, 흡수된 열을 공정 가스들에 재방사함으로써 열전달 플레이트(124)에 근접하여 흐르는 공정 가스들을 열중성자화하는 것을 도울 수 있다.
그와 같은 수동 열전달 구조(passive heat transfer structure)는 반응 체임버(102) 내부에서 열의 전달을 향상시킬 수 있고, 반응 체임버(102) 내의 온도의 균질성(homogeneity) 및 일관성(consistency)을 향상시킬 수 있다. 수동 열전달 구조들은 또한 높은 온도, 증착 시스템(100) 내에서 만날 수 있는 부식성 환경들을 견딜 수 있는, 높은 방사율값들(1에 가까운)을 갖는 물질(흑체 물질들)를 포함할 수 있다. 그와 같은 물질들은 0.98, 0.92, 및 0.92의 방사율값을 각각 가지는, 예를 들어, 알루미늄 질화물(AlN), 실리콘 카바이드(SiC), 및 붕소 카바이드(B4C)를 구비할 수 있다.
기체 부산물들, 캐리어 가스들, 및 임의의 과잉의 전구체 가스들은 체임버 출구(126)를 통해 반응 체임버(102)로부터 밖으로 배출될 수 있다.
앞에서 언급한 것과 같이, 도 4a 및 도 4b의 증착 시스템(100)의 가스 주입기들(150A, 150B)의 하나 이상은 도 5 내지 도 7을 참조하여 이하에 더 상세히 기재되는 가스 주입기이거나 구비할 수 있다.
몇몇 실시 예들에 있어서, 가스 주입기들(150A, 150B)은 아레나 등의 이름으로, 2010년 9월 10일에 공개된 국제 공개 번호 WO 2010/101715 Al에 개시된 것과 같은 가스 주입기들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 5는 도 4a에 나타낸 가스 주입기들(150A, 150B) 중 하나 또는 둘다에 대해 사용될 수 있는 열중성자화 가스 주입기(160)의 사시도이다. 도 6에 나타낸 것과 같이, 가스 주입기(160)는 입구 부분(164), 코일형 중앙 부분(166), 및 출구 부분(168)을 구비하는 도관(162)을 구비한다. 소스 가스(예컨대, GaCl3), 캐리어 가스(예컨대, H2, N2 등), 또는 소스 가스 및 캐리어 가스의 혼합물은 입구 부분(164)에 공급될 수 있다. 가스 또는 가스들은 입구 부분(164)으로부터, 코일형 중앙 부분(166)을 통해, 출구 부분(168)을 통해, 반응 체임버(102)(도 4a) 내로 흐른다. 적어도 도관(162)의 코일형 중앙 부분(166)은 이하에 더 상세히 논의되는 것과 같이 가열될 수 있다. 도관(162)을 코일로 감쌈으로써, 도관(162)에 의해 점유되는 물리적 공간의 길이는 도관(162)을 통한 유로의 실제 길이보다 상당히 작다. 다른 방식으로 말해, 도관(162)의 길이는 입구 부분(164)과 출구 부분(168) 사이의 최단 거리보다 더 길 수 있다. 도관(162)은 다른 구성들을 가질 수 있다. 예를 들어, 도관(162)은 180°의 각도에 걸쳐 연장하는 곡선 부분들에 의해 단 대 단 형식(end-to-end fashion)으로 함께 연결되는 복수의 대략 평행한 직선 부분들을 포함하는 구불구불한 구성을 가질 수 있다.
도관(162)은 도관(162) 내의 유로의 단면적, 도관(162)을 통한 소스 가스의 플로 레이트, 및 도관(162)의 전체 길이의 함수일 수 있는 원하는 시간량(즉, 체류 시간) 동안 도관(162)을 통해 흐르는 가스를 가열하도록 구성될 수 있다. 도관(162)은 이하에 더 상세히 논의되는 것과 같은, 하나 이상의 능동 또는 수동 가열 요소들에 근접하여 위치되도록 형상되고 구성될 수 있다.
도 5에 나타낸 것과 같이, 적어도 도관(162)의 코일형 중앙 부분(166)은 외부 하우징(170) 내에 포함될 수 있다. 외부 하우징(170)은 또한 가스들 예컨대 퍼지 가스(purge gas)들에 대한 추가의 가스-안내 도관으로서 작용할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 나타낸 것과 같이, 외부 하우징(170)은 하우징 입구(172) 및 하우징 출구(174)를 포함할 수 있다. 퍼지 가스는 하우징 입구(172)로부터 하우징 출구(174)로 외부 하우징(170)을 통해 흐르게 될 수 있다. 퍼지 가스는 그것이 외부 하우징(170)을 통과하기 때문에 열중성자화 가스 주입기(160)에 의해 가열될 수 있다.
도관(162) 및 외부 하우징(170)은 이들이 사용 중 받는 상승된 온도들에서 안정하고 불활성인 내화 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도관(162) 및 외부 하우징(170)은 석영으로 형성될 수 있고 적어도 실질적으로 석영으로 구성될 수 있다.
열중성자화 가스 주입기(160)는 외부 하우징(170) 및 도관(172)의 코일형 중앙 부분(166) 중 하나 이상에 근접(예컨대, 인접)하여 위치된 능동 열 생성 요소들을 이용하여 가열될 수 있다. 능동 가열 요소들은 방사선 방출 요소들 예컨대 가열 램프들, 유도 가열 요소들, 전기 가열 요소들 예컨대 저항성 가열 요소들 등등을 구비한다. 열중성자화 가스 주입기(160)는 자신들은 열을 발생시키지 않지만 재분배, 반사, 또는 그렇지 않으면 열중성자화 가스 주입기(160) 내에서 및 주위에서 열 전달에 영향을 미치는 수동 가열 요소들을 구비할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 나타낸 것과 같이, 열중성자화 가스 주입기(160)는 외부 하우징(170)의 외부를 적어도 부분적으로 둘러싸는 저항 가열 클램프-쉘 히터(resistively heated clamp-shell heater)를 포함할 수 있는 능동 가열 요소(180)를 구비할 수 있다. 따라서, 도관(162) 및/또는 외부 하우징(170)을 통해 흐르는 가스들은 능동 가열 요소(180)에 의해 가열될 수 있다. 도 5에 나타낸 것과 같이, 능동 또는 수동일 수 있는 선택적 가열 요소(182)는 외부 하우징(170)을 배치될 수 있다. 가열 요소(182)는 기다란 원통 형상을 가질 수 있고, 코일(162)의 코일형 중앙 부분(166)은 도 5에 나타낸 것과 같이, 가열 요소(182) 주위에 감길 수 있다. 예로서 그리고 비제한적인 것으로서, 가열 요소(182)는 능동 가열 요소(180)에 의해 발생되는 열을 재분배하는 데 사용되는 흑체 물질을 포함하는 로드(rod)를 포함할 수 있다. 가열 요소(182)의 존재는 코일(162)의 코일형 중앙 부분(166) 내의 가스들 및 외부 하우징(170) 내의 가스들이 능동 가열 요소(180)에 의해 가열되는 효율을 향상시킬 수 있다.
가스 소스들(128A, 128B) 중 하나에 의해 열중성자화 가스 주입기(160)에 공급되는 소스 가스가 금속 3염화물 예컨대 GaCl3 및 수소 캐리어 가스 H2를 포함하는 본 발명의 실시 예들에 있어서, 금속 3염화물 및 수소 가스는 금속 1염화물 증기 예컨대 GaCl 및 HCl 증기를 형성하기 위해 분해될 수 있고, 증기들은 도관(162)의 출구 부분(168) 밖으로 통과되어 반응 체임버(102)로 갈 수 있다.
추가의 실시 예들에 있어서, 가스 주입기들(150A, 150B)은 미국 특허 출원 번호 12/894,724에 개시된 것과 같은 가스 주입기들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가스 주입기들(150A, 150B)은 예컨대, 액체 갈륨(Ga), 액체 알루미늄(Al), 또는 액체 인듐(In)과 같은 액체 금속 또는 다른 요소, 또는 유기금속 물질 예컨대 트리메틸갈륨(trimethylgallium; TMG), 트리에틸갈륨(triethylgallium; TEG), 트리메틸알루미늄(TMA), 트리에틸알루미늄(TEA), 테트라키스디에틸아미노티탄(TDEAT), 및 테트라키스(디메틸아미노)티탄(TDMAT)을 보유하도록 구성되는 저장소를 포함할 수 있다. 다른 실시 예들에 있어서, 저장소는 소스 가스(또는 소스 가스의 분해 또는 반응 생성물)와 반응하는 고체 시약을 보유하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 저장소는 물질들, 예컨대 고체 실리콘(Si) 또는 고체 마그네슘(Mg)의 실부피(solid volumn)를 보유하도록 구성될 수 있다.
도 6은 도 4a에 나타낸 가스 주입기들(150A, 150B)의 하나 또는 둘다에 사용될 수 있는 가스 주입기(200)의 사시도이다. 도 6에 나타낸 것과 같이, 가스 주입기(200)는 입구(202), 출구(204), 열중성자화 도관(206), 및 컨테이너(210)를 구비한다. 컨테이너(210)는 그 안에 액체 시약을 보유하도록 구성된다. 예를 들어, 액체 금속, 예컨대 액체 갈륨, 액체 인듐, 액체 알루미늄 등, 또는 액체 유기금속 물질은 컨테이너(210) 내에 배치될 수 있다. 소스 가스(예컨대, GaCl3), 캐리어 가스(예컨대, H2, N2 등), 또는 소스 가스 및 캐리어 가스의 혼합물이 입구(202)에 공급될 수 있다. 가스 또는 가스들은 입구(202)로부터 열중성자화 도관(206)으로 흐를 수 있다. 열중성자화 도관(206)은, 열중성자화 도관(206) 내의 유로의 단면적, 열중성자화 도관(206)을 통한 소스 가스의 플로 레이트, 및 열중성자화 도관(206)의 전체 길이의 함수일 수 있는 원하는 시간량(즉, 체류 시간) 동안 열중성자화 도관(206)을 통해 흐르는 가스를 가열하도록 구성될 수 있다. 열중성자화 도관(206)은 이하에 더 상세히 논의되는 것과 같이, 하나 이상의 능동 또는 수동 가열 요소들에 근접하여 위치되도록 형성 및 구성될 수 있다.
더욱이, 열중성자화 도관(206)은, 열중성자화 도관(206)에 의해 점유되는 물리적 공간의 길이가 열중성자화 도관(206)을 통한 유로의 실제 길이보다 상당히 작도록, 하나 이상의 곡선 부분들 또는 모양들(turns)을 구비할 수 있다. 다른 방식으로 말해, 열중성자화 도관(206)의 길이는 입구(202)와 액체 컨테이너(210) 사이의 최단 거리보다 더 길 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 열중성자화 도관(206)의 길이는 입구(202)와 액체 컨테이너(210) 사이의 최단 거리의 적어도 2배, 입구(202)와 액체 컨테이너(210) 사이의 최단 거리의 적어도 약 3배, 또는 심지어 입구(202)와 액체 컨테이너(210) 사이의 최단 거리의 적어도 약 4배일 수 있다. 예를 들어, 열중성자화 도관(206)은 180°의 각도에 걸쳐 연장하는 곡선 부분들에 의해 단 대 단(end-to-end) 형식으로 함께 연결되는 복수의 대략 평행한 직선 부분들을 포함하는, 도 6에 나타낸 것과 같은 구불구불한 구성을 가질 수 있다.
열중성자화 도관(206)은 적어도 실질적으로 내화 물질 예컨대, 예를 들어, 석영으로 구성되는 튜브를 포함할 수 있다.
몇몇 실시 예들에 있어서, 가스는 열중성자화 도관(206) 내에서 적어도 부분적으로 분해하는 소스 가스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 가스가 GaCl3의 소스 가스 및 H2를 포함하는 캐리어 가스를 포함하는 실시 예들에 있어서, 소스 가스는 기체 GaCl 및 수소 염화물(HC1)을 형성하기 위해 분해될 수 있다.
가스들은 열중성자화 도관(206)으로부터 컨테이너(210) 내로 흐른다. 도 7은 컨테이너(210)의 확대, 부분적 컷-어웨이(partially cut-away) 도면이다. 도 7에 나타낸 것과 같이, 컨테이너(210)는 바닥벽(212), 상부 벽(214), 및 적어도 하나 측벽(216)을 구비한다. 도 6 및 도 7의 실시 예에 있어서, 저장소는 바닥벽(212) 및 상부 벽(214) 각각이 원형상이고 적어도 실질적으로 평면이 되도록, 그리고 측벽(216)이 적어도 실질적으로 원통형(예컨대, 관형)이도록 대략 원통 형상을 가진다. 본 발명의 추가의 실시 예들에 있어서, 저장소는 대안의 기하학적 구성들로 구성될 수 있다. 바닥벽(212), 상부 벽(214), 및 적어도 하나의 측벽(216)은 중공체(hollow body)를 함께 규정하고, 중공체의 내부는 액체 시약, 예컨대 액체 갈륨 또는 유기금속 물질을 보유하기 위한 저장소를 규정한다.
중공의 컨테이너(210) 내의 내부 공간은 액체 시약으로 부분적으로 채워질 수 있다. 예를 들어, 컨테이너(210)는, 보이드(void) 또는 공동(222)이 컨테이너(210) 내의 액체 시약 위에 존재하도록 도 7에 점선(220)으로 나타낸 수준(level)까지 액체 시약으로 채워질 수 있다. 열중성자화 도관(206)으로부터 밖으로 흐르는 가스들은 컨테이너(210) 내의 액체 시약 위로 공동(222) 내로 주입될 수 있다. 비제한적인 예로서, 열중성자화 도관(206)으로부터 밖으로 흐르는 가스들은 바닥벽(212)을 통해 튜브(224) 내로 흐를 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 튜브(224)는 컨테이너(210) 내로 연장하는 열중성자화 도관(206)의 일체 부분을 포함할 수 있다. 튜브(224)는 액체 컨테이너 내에 배치된 액체 시약을 통해 액체 시약 위의 공동(222)으로 연장할 수 있다. 튜브(224)는 튜브(224)의 단부가 액체 시약 위에서 수평으로 연장하도록, 90도 벤드(ninety degree bend)를 포함할 수 있다.
도 7에 나타낸 것과 같이, 튜브(224)를 통해 흐르는 가스들이 개구(226)를 통해 튜브(224)를 빠져나갈 수 있도록 개구가 액체 시약의 표면과 마주하는 그것의 측면 상에 튜브(224)의 원통형 측벽을 통해 제공될 수 있다. 개구(226)를 빠져 나가는 가스들은 가스들 중 하나 이상의 성분들과 액체 시약 사이의 반응을 촉진하기 위해 액체 시약의 표면을 향해 지향된 방향으로 개구로부터 밖으로 보내질 수 있다. 예를 들어, 소스 가스가 캐리어 가스 예컨대 H2내에 보유되는 GaCl3을 포함하고, 소스 가스는 기체 GaCl 및 예를 들어 열중성자화 도관(206) 내의 수소 염화물(HCl)과 같은 염소 처리된 종들을 포함하도록 분해된 실시 예들에 있어서, 액체 컨테이너 내의 액체 시약은 추가의 기체 GaCl를 형성하기 위해 열중성자화 도관(206) 내에서 발생되는 염소 처리된 가스(예컨대, HCl)와 반응할 수 있는 액체 갈륨을 포함할 수 있다. 컨테이너(210) 내의 액체 시약 위의 공동(222) 내의 가스들은 출구 포트(228)를 통해 컨테이너로부터 밖으로 흐를 수 있다. 예를 들어, 출구 포트(228)는 튜브(224)의 수평으로 연장하는 부분 위에서 컨테이너의 상부 벽(214)에 위치될 수 있다. 출구 포트(228)는 출구 도관(230)으로 이어질 수 있고, 출구 도관의 단부는 가스 주입기(200)의 출구(204)를 규정할 수 있다.
추가의 실시 예들에 있어서, 열중성자화 도관(206)으로부터 밖으로 흐르는 가스들은, 가스들이 액체 시약 위에서 공동(222) 내로 액체 시액을 통해 버블링되도록, 컨테이너(210) 내의 액체 시약에 주입될 수 있다.
컨테이너(210)의 다양한 구성요소들은 적어도 실질적으로 내화 물질 예컨대, 예를 들어, 석영으로 구성될 수 있다.
GaCl은 GaN을 형성하는 원하는 전구체 가스일 수 있다. 따라서, GaCl3 및 H2의 열분해(GaCl3 및 H2을 포함하는 소스 가스를 채택하는 시스템에서)에 기인하는, 예컨대 수소 염화물 가스(HCl)와 같은 과잉의 염소 처리된 종들을 추가의 GaCl로 변환함으로써, 증착된 GaN 물질에 대한 과잉의 염소 처리된 종들의 해로운 효과들이 회피될 수 있는 데, 그 이유는 반응 체임버(102)로 들어가는 염소 처리된 종들의 양이 감소될 수 있기 때문이다. 그와 같은 해로운 효과들은 예를 들어 갈륨 질화물 결정 격자 내로의 염소 원자들의 통합 및 증착된 GaN막의 크래킹 또는 층간분리를 포함할 수 있다. 과잉의 수소 염화물 가스(HCl)의 반응 체임버 내로의 도입은 반응 체임버 내에서 GaN에 대해 에천트로서 작용하는 수소 염화물을 생기게 하고, 그것에 의해 성장 속도를 감소시킬 수 있고 또는 심지어 GaN의 성장을 방지할 수 있다. 더욱이, 추가의 GaCl을 형성하기 위해 과잉의 염소 처리된 종들을 액체 갈륨과 반응시킴으로써, 증착 시스템(100)의 효율이 향상될 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하여 위에서 기재한 HVPE 증착 시스템(100)이, 도 3을 참조하여 앞에 기재된 것과 같이, 본 발명의 실시 예들에 따라 성장 기판(20) 위에 벌크 III-질화물 반도체 물질(22)를 증착하기 위해 사용될 수 있다. 도 8은 도 4a 및 도 4b의 증착 시스템(100)을 이용하여 성장 기판(20) 위에 벌크 III-질화물 반도체 물질(22)를 증착하기 위해 사용될 수 있는 HVPE 증착 공정의 비제한적인 예를 개략적으로 나타내는 그라프이다. 도 8에 나타낸 증착 공정이 예로서 제공되고, 다른 다른 HVPE 증착 프로세스들이 또한 성장 기판(20)(도 3) 위에 벌크 III-질화물 반도체 물질(22)를 증착하기 위해 사용될 수 있다.
도 8을 참조하면, 예시적인 증착 공정이 시간 t의 함수로서 반응 체임버(102) 내의 온도 T를 표시하여 표현된다. 그래프에 나타낸 것과 같이, 증착 공정은 S1 내지 S10로 순차로 나타낸 열(10)개의 단계들을 구비한다. 10개의 단계들 S1 내지 S10 각각 전체에 걸친 증착 공정의 비제한적인 예시적인 공정 파라미터들이 이하의 표 1에 제공된다.
표 1
단계 설명 온도 시간 압력 III족 소스 V족 소스 퍼지 가스
S1 로드 350℃ … Atm. --- … N2 10 slm
S2 안정화 400℃ 30 초 200 Torr --- … N2 15 slm
H2 2 slm
S3 램프 --- 4.5 분 200 Torr --- NH3 1 slm N2 23 slm
H2 16 slm
S4 안정화 1025℃ 30 초 200 Torr --- NH3 18 slm N2 23 slm
H2 5 slm
S5 제 1 증착 1025℃ 5.0 분 200 Torr N2 2.5 slm
H2 0.8 slm
GaCl3 51 sccm
NH3 18 slm		 N2 23 slm
H2 5 slm
S6 제 2 증착 1025℃ 20.0 분 200 Torr N2 2.5 slm
H2 1.2 slm
GaCl3 80 sccm
NH3 18 slm		 N2 23 slm
H2 5 slm
S7 어닐 1025℃ 10.0 분 200 Torr --- NH3 14 slm N2 23 slm
H2 5 slm
S8 렘프 --- 4.5 분 200 Torr --- NH3 14 slm N2 23 slm
H2 12 slm
S9 퍼지 400℃ 5.0 분 Atm. --- … N2 16 slm
S10 언로드 350℃ … Atm. --- … N2 10 slm
도 8 및 표 1에 나타낸 것과 같이, 단계 S1은 워크피스 기판들(106)이 기판 지지 구조(104) 위로 로딩되는 로딩 단계이다. 워크피스 기판들(106)을 기판 지지 구조(104) 위로 로딩한 후, 반응 체임버(102)는 분 당 10 표준 리터들(slm)의 플로 레이트로 반응 체임버(102)를 통해 N2를 포함하는 퍼지 가스를 흘리면서 대기압에서 350℃의 온도 T1로 가열된다.
도 8에 나타낸 것과 같이, 안정화 단계 S2는 시간 t1의 시간에서 시작되고 30 초의 지속시간 동안 계속된다. 안정화 단계 S2 동안, 반응 체임버(102)는 반응 체임버(102)를 통해 퍼지 가스를 흘리면서 200의 압력으로 400℃의 온도 T2로 가열된다. 퍼지 가스는 15 slm의 플로 레이트의 N2를 그리고 2 slm의 플로 레이트의 H2를 포함한다.
램프 단계 S3는 시간 t2의 시간에서 시작되고 4.5 분의 지속시간 동안 계속된다. 램프 단계 S3 동안, 반응 체임버(102)는 온도 T2에서 1025℃의 온도 T3로 실질적으로 일정한 램프 레이트로 끊임없이 그리고 연속해서 가열된다. 반응 체임버(102) 내의 압력은 램프 단계 S3 동안 200 Torr로 유지된다. 램프 단계 S3 동안, NH3를 포함하는 V족 소스 가스는 1 slm의 플로 레이트로 반응 체임버(102)를 통해 흐르고, 23 slm의 플로 레이트의 N2를 그리고 16 slm의 플로 레이트의 H2를 포함하는 퍼지 가스는 반응 체임버(102)를 통해 통과한다.
안정화 단계 S4는 시간 t3의 시간에서 시작되고 30 초의 지속시간 동안 계속된다. 안정화 단계 S4 동안, 반응 체임버(102)는 1025℃의 온도 T3 및 200 Torr의 압력으로 유지된다. 안정화 단계 S4 동안, NH3을 포함하는 V족 소스 가스는 18 slm의 플로 레이트로 반응 체임버(102)를 통해 흐르고, 23 slm의 플로 레이트의 N2를 그리고 5 slm의 플로 레이트의 H2를 포함하는 퍼지 가스는 반응 체임버(102)를 통과한다.
제 1 증착 단계 S5는 시간 t4의 시간에서 시작되고 5.0 분의 지속시간 동안 계속된다. 증착 단계 S5 동안, 반응 체임버(102)는 1025℃의 온도 T3 및 200 Torr의 압력으로 유지된다. 증착 단계 S5 동안, GaCl3을 포함하는 III족 소스 가스는 2.5 slm의 플로 레이트의 N2 및 0.8 slm의 플로 레이트의 H2를 포함하는 캐리어 가스와 함께 분 당 51 표준 입방 센티미터(sccm)의 플로 레이트로 반응 체임버를 통해 흐른다. NH3을 포함하는 V족 소스 가스는 18 slm의 플로 레이트로 반응 체임버(102)를 통해 흐른다. 23 slm의 플로 레이트의 N2 및 5 slm의 플로 레이트의 H2를 포함하는 퍼지 가스는 또한 반응 체임버(102)를 통해 흐른다.
제 2 증착 단계 S6은 시간 t5의 시간에서 시작되고 20.0 분의 지속시간동안 계속된다. 반응 체임버(102)는 제 2 증착 단계 S6 동안 1025℃의 온도 T3 및 200 Torr의 압력으로 유지된다. GaCl3 III족 소스 가스의 플로 레이트는 증착 단계 S6 동안 80 sccm로 증가되고, GaCl3은 2.5 slm의 플로 레이트의 N2 및 1.2 slm의 플로 레이트의 H2를 포함하는 캐리어 가스에 의해 운반된다. NH3을 포함하는 V족 소스 가스는 18 slm의 플로 레이트로 반응 체임버(102)를 통해 흐른다. 23 slm의 플로 레이트의 N2 및 5 slm의 플로 레이트의 H2를 포함하는 퍼지 가스는 또한 제 2 증착 단계 S6 동안 반응 체임버(102)를 통해 흐른다.
제 1 증착 단계 S5 및 제 2 증착 단계 S6 중 적어도 하나의 단계 동안, 벌크 III-질화물 반도체 물질(22)는, 시간 당 적어도 약 10 마이크로미터(10 ㎛)의 속도 또는 심지어 시간 당 적어도 약 20 마이크로미터(20 ㎛)의 레이트로 HVPE 프로세스에서 성장 기판(20) 위에 증착될 수 있다. 그와 같은 증착 레이트들은 벌크 III-질화물 반도체 물질들의 증착을 위해 MOCVD 프로세스들을 사용하여 부착될 수 있는 증착 레이트들보다 상당히 높을 수 있다.
어닐링 단계 S7는 시간 t6에서 시작되고 20.0 분의 지속시간 동안 계속된다. 어닐링 단계 S7 동안, 반응 체임버(102)는 1025℃의 온도 T3 및 200 Torr의 압력으로 유지된다. 어닐링 단계 S7 동안, NH3을 포함하는 V족 소스 가스는 14 slm의 플로 레이트로 반응 체임버(102)를 통해 흐르고, 23 slm의 플로 레이트의 N2 및 5 slm의 플로 레이트의 H2를 포함하는 퍼지 가스는 반응 체임버(102)를 통과한다.
램프 단계 S8은 시간 t7 의 시간에서 시작되고 4.5 분의 지속시간 동안 계속된다. 램프 단계 S8 동안, 반응 체임버(102)는 온도 T3에서 400℃의 온도 T2까지 실질적으로 일정한 램프 레이트로 끊임없이 그리고 계속해서 냉각된다. 반응 체임버(102) 내의 압력은 램프 단계 S8 동안 200 Torr로 유지된다. 램프 단계 S8 동안, NH3을 포함하는 V족 소스 가스는 14 slm의 플로 레이트로 반응 체임버(102)를 통해 흐르고, 23 slm의 플로 레이트의 N2 및 12 slm의 플로 레이트의 H2를 포함하는 퍼지 가스는 반응 체임버(102)를 통과한다.
퍼지 단계 S9는 시간 t8의 시간에서 시작되고 5.0 분의 지속시간 동안 계속된다. 퍼지 단계 S9 동안, 반응 체임버(102)는 400℃의 온도 T2로 유지되고 반응 체임버(102) 내의 압력은 200 Torr에서 대기압까지 감소된다. 퍼지 단계 S9 동안, 16 slm의 플로 레이트의 N2를 포함하는 퍼지 가스는 반응 체임버(102)를 통과한다.
시간 t9에서, 언로드 단계 S10은 시작되고 워크피스 기판들(106)이 반응 체임버(102)로부터 언로딩될 때까지 계속된다. 언로드 단계 S10 동안, 반응 체임버(102)는 350℃의 온도 T1로 감소되고 유지되고, 압력은 대기압으로 유지되고 한편 10 slm의 플로 레이트의 N2를 포함하는 퍼지 가스는 반응 체임버(102)를 통과한다.
도 1 내지 도 3을 다시 참조하면, 앞에서 언급한 것과 같이, 본 발명의 실시 예들에 따르면, 벌크 III-질화물 반도체 물질(22)는, MOCVD 프로세스를 이용하는 기판(10) 상에의 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)의 탈위치(ex situ) 형성(예컨대, 다른 증착 시스템을 이용하고 및/또는 다른 반응 체임버에서) HPVE 프로세스(예컨대 위에서 기재한)를 이용하여 성장 기판(20) 상에 증착될 수 있다.
몇몇 실시 예들에 있어서, 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)(도 2)은 성장 기판(20)을 형성하기 위해, 제 1 반응 체임버에서 비-MOCVD 프로세스를 이용하여 기판(100) 상에 형성되고, 벌크 III-질화물 반도체 물질(22)는 예컨대 제 1 반응 체임버와는 다른 제 2 반응 체임버에서 위에 기재한 HVPE 프로세스를 이용하여 성장 기판(20) 상에 증착된다. 예를 들어, 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)(도 2)은 알루미늄 질화물(AlN) 및 티탄 질화물(TiN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 플라즈마-강화 물리적 증착 공정(PEPVD) 또는 플라즈마-강화 화학적 증착 공정(PECVD)을 이용하여 기판(100) 상에 형성될 수 있다.
예로서 그리고 비제한적인 것으로서, 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)은 알루미늄 질화물(AlN)을 포함할 수 있고 플라즈마-강화 물리적 증기 증착(PEPVD) 시스템들 및 쿠오모(Cuomo) 등.의 2004년 8월 31일자로 발행된 미국 특허 제 6,784,085에 개시된 것과 같은 방법들을 이용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 기판(100) 및 III족 금속 타겟은 스퍼터 증착 체임버(HVPE 증착 시스템(100)의 반응 체임버(102)와는 분리된) 내로 로딩될 수 있다. 고 에너지 플라즈마-강화 환경(highly energetic plasma-enhanced environment)은 적절한 배경 가스 예컨대 아르곤을 이용하여 스퍼터 증착 체임버에서 발생될 수 있다. 분리 질소-함유 소스 가스는 체임버 내로 안내될 수 있다. 덧붙여 또는 대안으로서, 플라즈마를 발생시키기 위해 이용되는 가스는 반응물 소스 가스로서 사용될 수 있고, 이 경우에 배경 가스는 질소 종들을 제공할 수 있다. III족 금속 타겟은 III족 금속 소스 증기를 생성하기 위해 스퍼터링된다. III족 금속 소스 증기는 하나 이상의 종들 예컨대 이원자 질소, 원자 질소, 질소 이온들, 및 부분적으로 이온화된 질소, 및 질소-함유 화합물들 예컨대 암모니아로서 특징 지워지는 질소-함유 가스와 결합한다. 결과적으로, III족 금속의 구성요소들 및 질소를 포함하는 반응물 증기 종들은 반응 체임버 내에서 생성되고, 기판(10)의 노출된 주면(14) 상 및 위에 증착된다. 증착시(as-deposited) 반응물 증기 종들이 도 2의 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)을 생성하기 위해 기판(100) 상에 증착된다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 증착시 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)은 증착시 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)의 결정 품질(crystalline quality)을 향상시키기 위해 하나 이상의 가열 처리들을 받을 수 있다. 예를 들어, 증착시 금속 질화물 물질은 다결정성 및/또는 비정질일 수 있고, 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)의 결정도를 향상시키기 위해 하나 이상의 가열 처리들을 받을 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 하나 이상의 가열 처리들은 급속 열 어닐링(rapid thermal annealing; RTA) 프로세스를 포함할 수 있다. 하나 이상의 가열 처리들이 예를 들어, 하나 잉상의 노, 급속 열 어닐링 체임버, 및 화학적 증기 증착 반응기에서 수행될 수 있다. 예로서 그리고 비제한적인 것으로서, 하나 이상의 가열 처리들은 증착시 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)이 대략 600℃보다 높은, 대략 800℃보다 높은, 또는 심지어 대략 1000℃보다 높은 온도 또는 온도들의 영향을 받는 것을 포함할 수 있다. 증착시 금속 질화물 핵생성 템플레이트층(18)을 처리하는 하나 이상의 가열 처리들이 제어된 기체 분위기 내에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 기체 분위기는 암모니아, 질소, 수소, 및 아르곤 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)은 선택적으로 알려진 도핑 방법들을 이용하여 하나 이상의 도펀트 원소들로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 도펀트-함유 가스들이 제어된 조건들 하에서 반응 체임버 내로 도입될 수 있다.
다른 비제한적인 예로서, 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)은 티탄 질화물(TiN)을 포함할 수 있고 포스터(Foster) 등에게 1997년 3월 11일에 발행된 미국 특허 제 5,610,106 호에 개시된 방법들 및 플라즈마-강화 화학적 증기 증착(PECVD) 시스템들을 이용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 기판(10)은 화학적 기상 증착 체임버(HVPE 증착 시스템(100)의 반응 체임버(102)와는 분리된) 내로 로딩될 수 있다. 무선 주파수(radio frequecy; RF) 발생 샤워헤드(showerhead)/전극이 CVD 체임버 내에 제공될 수 있고, 반응물 가스들은 샤워헤드/전극을 통해, 기판(10)을 향해 체임버 내로 펌핑될 수 있다. 반응물 가스들은 티탄 테트라염화물(TiCl4), 암모니아(NH3), 및 희석제(diluent)를 포함한다. 희석제는 수소, 헬륨, 아르곤, 및 질소 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
기판(10)은, 활성 이온들이 기판(10)에 충돌하도록 샤워헤드/전극(showerhead/electrode)로부터 약 0.25 내지 3 인치 이격될 수 있다. 플라즈마는 반응물 가스들이 샤워헤드/전극을 통과할 때 RF 발생 샤워헤드/전극을 이용하여 반응물 가스들로부터 발생된다. 플라즈마의 반응성 이온들은 기판(10)에 충돌한다.
CVD 체임버 안의 압력은 약 0.5 Torr와 약 20 Torr 사이(예컨대, 약 5 torr)에서 유지될 수 있다. 기판(10)은 증착 공정 동안 약 400℃ 내지 약 500℃(예컨대, 약 450℃)의 온도로 유지될 수 있다. 기판(10)은 기판(10)이 증착 공정 동안 놓이는 지지 구조를 가열하여 가열될 수 있다. 게다가, 기판(10)이 놓이는 지지 구조는 증착 공정 동안 분 당 약 100 회전(rpm) 이상으로 회전될 수 있다.
CVD 체임버 내에서의 반응물 가스들의 농도는 플로 레이트(flow rate)에 의해 제어될 수 있다. 일반적으로, 티탄 테트라염화물은 약 1 sccm에서 약 40 sccm까지(예컨대, 약 10 sccm)의 플로 레이트로 도입될 수 있다. TiCl4의 부분 압력은 TiN을 형성하기 위해 충분히 낮아야 한다. 만약 TiCl4 부분 압력이 너무 높게 되면, TiN은 형성되지 않을 수 있다. 총 압력이 5 Torr인 경우, TiCl4의 부분 압력은 0.02 Torr(예컨대, 약 0.01 Torr에서 약 0.001 Torr까지)보다 낮을 수 있다. 낮은 압력들(즉, 약 0.0001 Torr)에서, 반응 속도는 상당히 감소될 수 있고 스텝 커버리지(step coverage)는 허용되지 않을 수 있다. 총 압력이 5 Torr 이상 증가할 때, TiCl4의 부분 압력이 그에 따라 증가될 수 있다. 일반적으로, NH3 대 TiCl4의 몰비(molar ratio)는 약 2:1(NH3 to TiCl4)로부터 약 100:1(NH3 to TiCl4)(예컨대, 약 10:1)까지 일 수 있다.
금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)을 형성하는 방법들의 그와 같은 실시 예들에 따라, 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)은 약 25 나노미터(25 nm) 이하, 또는 심지어 약 십 나노미터(10 nm) 이하의 평균 두께 T1를 가지도록 형성될 수 있고, 벌크 III-질화물 반도체 물질(22)는 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18) 상 및 위에 적어도 약 2 마이크로미터(2 ㎛), 적어도 약 5 마이크로미터(5 ㎛), 또는 심지어 약 10 마이크로미터(10 ㎛) 이상의 평균 두께 T2로 증착될 수 있다.
샘플들이 미국 특허 제 6,784,085 호에 개시된 것과 같은 PEPVD 증착 공정을 이용하여 사파이어 기판상에 AlN 핵생성 템플레이트층을 형성하고 나서 앞에서 기재된 것과 같은 HVPE 증착 공정에서 금속 3염화물 소스 가스를 이용하여 AlN 핵생성 템플레이트층 상에 벌크 GaN을 증착하여 제조되었다. 제 1 샘플에 있어서, AlN 핵생성 템플레이트층의 노출된 주면(19)(도 2)은 AlN 결정 구조의 A면에 대해 0.5°오프컷(offcut)되었고, AlN 핵생성 템플레이트층은 약 10 나노미터(10 nm)의 평균 두께를 가졌다. 제 2 샘플에 있어서, AlN 핵생성 템플레이트층의 노출된 주면(19)(도 2)은 AlN 결정 구조의 M면에 대해 0.25°오프컷되었고, AlN 핵생성 템플레이트층은 약 25 나노미터(25 nm)의 평균 두께를 가졌다.
얻어진 벌크 GaN 물질의 결정 품질은 X-ray 회절(XRD) 분석을 이용하여 측정되었고, 결정 품질은 통상의 MOCVD 기술들을 이용하여 형성된 벌크 GaN의 보고된 결정 품질들과 실질적으로 등가인 것으로 발견되었다. 게다가, 벌크 GaN 물질의 노출된 주면(23)의 표면 거칠기는 성장 기판들의 AlN 핵생성 템플레이트층들 위에 벌크 GaN 물질을 증착한 후 측정되었다. 제 1 샘플(A면에 대해 0.5°오프컷된 10 nm AlN 핵생성 템플레이트층) 위에 증착된 벌크 GaN 물질의 노출된 주면이 제 2 샘플(M면에 대해 0.25°오프컷된 25 nm AlN 핵생성 템플레이트층) 위에 증착된 벌크 GaN 물질의 노출된 주면보다 더 평활하다는 것이 관측되었다. 특히, 제 1 샘플은 약 9.72 nm의 평균평방근(root mean square;RMS) 표면 거칠기를 나타내었고, 반면 제 2 샘플은 약 10.58 nm의 RMS 표면 거칠기를 나타내었다.
도 1 내지 도 3을 다시 참조하면, 추가의 실시 예들에 있어서, 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)(도 2)은 HVPE 프로세스에서 그것 위에 벌크 III-질화물 반도체 물질(22)를 후속 증착하는 데 사용되는 동일한 반응 체임버(102)(도 4a 및 도 4b) 내에서 원 위치에서 MOCVD 프로세스를 이용하여 기판(100) 상에 형성된다. 예를 들어, 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)(도 2)은 갈륨 질화물(GaN), 알루미늄 질화물(AlN), 알루미늄 갈륨 질화물(AlxGa1 - xN), 및 티탄 질화물(TiN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
따라서, 몇몇 실시 예들에 있어서, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 앞에서 기재한 증착 시스템(100)은 MOCVD 프로세스 및 HVPE 프로세스 각각을 수행할 수 있고 수행하도록 구성될 수 있다. 도 4a를 참조하면, 예로서 그리고 비제한적인 것으로서, 가스 소스들(128A, 128B) 중 하나는 유기금속 전구체, 예컨대 트리메틸갈륨(TMG), 트리에틸갈륨(TEG), 트리메틸알루미늄(TMA), 트리에틸알루미늄(TEA), 테트라키스디에틸아미노티탄(TDEAT), 및 테트라키스(디메틸아미도)티탄(TDMAT) 중 하나 이상의 소스를 포함할 수 있다. 그와 같은 실시 예들에 있어서, 비록 유기금속 전구체가 캐리어 가스를 이용하여 반응 체임버 내로 운반될 수 있지만, 유기금속 전구체의 소스와 함께 열중성자화 가스 주입기(150A, 150C)를 이용하는 것이 필요하지 않을 수 있다. 예를 들어, 캐리어 가스는 나중에 반응 체임버(102) 내로 흐를 수 있는 유기금속 증기를 형성하기 위해 가열된 액체 유기금속 전구체의 저장소를 통해 버블링될 수 있다. 유기금속 증기(102)는 반응 체임버(102) 내에서 분해 분해되어, 워크피스 기판들(106)(예컨대, 도 1에 나타낸 기판들(100)) 상에 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)의 증착을 초래할 수 있다. 본원에 기재된 것과 같은 증착 시스템을 이용하여 HVPE 프로세스로 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 데 이용되는 동일한 반응 체임버(102) 내의 원 위치(in situ)에서 금속-질화물 핵생성 템플레이트층들(18)을 형성하는 데 사용될 수 있는 MOCVD 방법들은 예를 들어 초이(Choi)의 이름으로 2009년 7월 23일에 공개된, 미국 특허 출원 공개 번호 2009/0184398 Al에 개시되어 있다.
그와 같은 실시 예들에 있어서, 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)은 약 1/2 나노미터(0.5 nm)와 약 2 마이크로미터(2 ㎛) 사이의 평균 두께 T1를 가지도록 형성될 수 있고, 벌크 III-질화물 반도체 물질(22)는 적어도 약 2 마이크로미터(2 ㎛), 적어도 약 5 마이크로미터(5 ㎛), 적어도 약 7 마이크로미터(7 ㎛), 적어도 약 10 마이크로미터(10 ㎛), 적어도 약 20 마이크로미터(20 ㎛), 또는 심지어 적어도 약 30 마이크로미터(30 ㎛)의 평균 두께 T2를 가지도록 형성될 수 있다. 게다가, 증착된 벌크 III-질화물 반도체 물질(22)의 노출된 주면(23)은, 몇몇 실시 예들에 있어서, 약 2 나노미터(2.0 nm) 이하(예컨대, 약 0.112 nm)의 RMS 표면 거칠기를 가질 수 있다.
도 1 내지 도 3을 다시 참조하면, 추가의 실시 예들에 있어서, 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)(도 2)은 본원에 기재된 것과 같은 HVPE 프로세스로 그 위에 벌크 III-질화물 반도체 물질(22)를 후속 증착하는 데 사용되는 동일한 반응 체임버(102)(도 4a 및 도 4b) 내의 원 위치에서 HVPE 프로세스를 이용하여 기판(100) 상에 형성된다. 예를 들어, 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)(도 2)은 알루미늄 질화물(AlN) 및 티탄 질화물(TiN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 첸(Chen) 등.의 2001년 4월 24일자로 발행된 미국 특허 제 6,221,174 호 및 아레나(Arena) 등의 이름으로 2010년 9월 10일자로 공개된 국제 공개 번호 WO 2010/101715 Al에 개시된 방법들을 이용하여 형성될 수 있다.
도 4a를 참조하면, 소스 가스(128A)는 HVPE 프로세스에서 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)(도 2)의 형성에 채택될 수 있고, 소스 가스(128B)는 후속 HVPE 프로세스에서의 벌크 III-질화물 반도체 물질(22)의 형성에 채택될 수 있다.
비제한적인 예로서, 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)(도 2)은 알루미늄 질화물(AlN)을 포함할 수 있고, 가스 소스(128A)는 AlCl3 가스의 소스를 포함할 수 있다. AlCl3 가스의 소스는 적어도 190℃(예컨대, 대략 195℃) 및 약 2.5 분위기의 압력으로 유지되는 액체 AlCl3의 저장소를 구비할 수 있고, 액체 AlCl3의 증발 속도를 증가시키기 위한 물리적 수단을 선택적으로 구비할 수 있다. 그와 같은 물리적 수단은 예를 들어 액체 AlCl3을 교반하도록 구성되는 장치, 액체 AlCl3을 분무하도록 구성된 장치, 액체 AlCl3 위로 신속하게 캐리어 가스를 흘리도록 구성된 장치, 액체 AlCl3을 통해 캐리어 가스를 버블링하도록 구성된 장치, 액체 AlCl3을 초음파로 분산시키도록 구성된 장치, 예컨대 압전 장치 등을 구비할 수 있다. 비제한적인 예로서, 캐리어 가스, 예컨대 He, N2, H2, 또는 Ar, 또는 그것의 혼합물(예컨대, N2 및 H2의 혼합물)은 액체 AlCl3을 통해 버블링될 수 있고, 반면 소스 가스가 하나 이상의 캐리어 가스들을 포함할 수 있도록 액체 AlCl3는 적어도 195℃의 온도로 유지된다. 선택적으로, AlCl3 및 H2를 캐리어 가스는 열중성자화 주입기(150A)에 공급될 수 있고, 여기서 AlCl3는 AlCl 및 HC1를 분해하고 형성할 수 있다. HC1은 추가의 AlCl를 형성하기 위해 열중성자화 주입기(150A) 내에 유지되는 액체 알루미늄과 반응할 수 있다. 가스들은 이후 반응 체임버(102) 내로 보내질 수 있고, 여기서 AlCl은 기판상 및 위에 AlN을 형성하기 위해 가스 소스(128C)로부터 공급되는 NH3과 반응할 수 있다.
다른 비제한적인 예로서, 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)(도 2)은 티탄 질화물(TiN)을 포함할 수 있고, 가스 소스(128A)는 TiCl4 가스의 소스를 포함할 수 있다. TiCl4 가스의 소스는 적어도 80℃의 온도로 유지되는 액체 TiCl4의 저장소를 구비할 수 있고, 선택적으로 위에서 논의된 것과 같이, 액체 TiCl4의 증발 속도를 향상시키기 위한 물리적 수단을 구비할 수 있다. 비제한적인 예로서, 캐리어 가스, 예컨대 He, N2, H2, 또는 Ar, 또는 그것의 혼합물(예컨대, N2 및 H2의 혼합물)은 액체 TiCl4를 통해 버블링될 수 있고, 반면, 액체 TiCl4는 소스 가스가 하나 이상의 캐리어 가스들을 포함할 수 있도록 적어도 137℃의 온도로 유지된다. TiCl4 증기는 이후 반응 체임버(102) 내로 지향될 수 있고, 여기서 TiCl4는 기판상 및 위에 TiN을 형성하기 위해 가스 소스(128C)로부터 공급되는 NH3과 반응할 수 있다. 그와 같은 프로세스에서 TiN의 형성을 위한 공정 파라미터들에 관한 추가의 상세들은 앞에서 언급한 미국 특허 제 6,221,174에서 발견할 수 있다.
위에서 논의한 것과 같이 HVPE 프로세스를 이용하여 반응 체임버(102)에서 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)을 형성한 후, 벌크 III-질화물 반도체 물질(22)가 도 3 및 도 8을 참조하여 앞에 기재된 것과 같이 HVPE 프로세스에서 동일한 반응 체임버(102)에서 형성될 수 있다. 벌크 III-질화물 반도체 물질(22)는 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18) 후 및 성장 기판(20) 상에 벌크 III-질화물 반도체 물질(22)를 증착하기 전에, 반응 체임버(102)로부터 성장 기판(20)을 제거하지 않고 금속-질화물 핵생성 템플레이트층(18)을 형성한 후 성장 기판(20) 상에 증착될 수 있다.
본 발명의 방법들의 실시 예들은 MOCVD 프로세스를 이용하는 금속-질화물 핵생성 템플레이트층의 탈위치 형성을 필요로 하지 않고 벌크 III-질화물 반도체 물질들의 제조를 가능하게 할 수 있다. 따라서, 적어도 본 발명의 방법들의 몇몇 실시 예들은 이전에 알려진 방법들에 대해 벌크 III-질화물 반도체 물질들의 형성에 더 비용 효율적일 수 있다.
본 발명의 추가의 비제한적인 예시적인 실시 예들이 이하에 기재된다.
실시 예 1 : 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 방법에 있어서, 성장 기판을 형성하기 위해 기판상에 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계; 및, 할로겐화물 기상 에피택시(halide vapor phase epitaxy; HVPE) 프로세스를 이용하여 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계를 포함하고, 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는: 금속 염화물 III족 전구체 증기를 형성하기 위해 금속 3염화물 및 금속 4염화물 중 적어도 하나를 분해하는 단계, 및 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 형성하기 위해 금속 염화물 III족 전구체 증기를 V족 전구체 증기와 반응시키는 단계를 포함하는, 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 방법.
실시 예 2: 기판상에 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계는 프로세스 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하기 위해 비금속유기물 화학적 기상 증착(non-metallorganic chemical vapor deposition; MOCVD)을 이용하는 단계를 포함하는, 실시 예 1의 방법.
실시 예 3: 기판상에 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계는 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하기 위해 플라즈마-강화 화학적 기상 증착(plasma-enhanced chemical vapor deposition; PECVD) 프로세스를 이용하는 단계를 포함하는, 실시 예 1의 방법.
실시 예 4: 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하기 위해 플라즈마-강화 화학적 기상 증착(PECVD) 프로세스를 이용하는 단계는: 기판상에 금속-질화물 물질을 증착하는 단계; 및 증착된 금속-질화물 물질의 결정도를 향상시키기 위해 증착된 금속-질화물 물질에 하나 이상의 열처리들을 행하는 단계를 포함하는, 실시 예 3의 방법.
실시 예 5: 증착된 금속-질화물 물질의 결정도를 향상시키기 위해 증착된 금속-질화물 물질에 하나 이상의 열처리들을 행하는 단계는 증착된 금속-질화물 물질에 급속 가열 어닐링 공정(rapid thermal annealing process)을 행하는 단계를 포함하는, 실시 예 4의 방법.
실시 예 6: 기판상에 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계는 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하기 위해 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE) 프로세스를 이용하는 단계를 포함하는, 실시 예 1의 방법.
실시 예 7: 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하기 위해 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE) 프로세스를 이용하는 단계는: 3염화물, 2염화물, 및 일염화물 III족 전구체 증기 중 적어도 하나를 형성하기 위해 GaCl3, InCl3, AlC13, 및 TiCl4 중 적어도 하나를 분해하는 단계, 및 기판상에 금속 질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하기 위해 III족 전구체 증기를 NH3 전구체 증기와 반응시키는 단계를 포함하는, 실시 예 6의 방법.
실시 예 8: 제 1 체임버에서 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계; 및 제 2의 상이한 체임버에서 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계를 더 포함하는, 실시 예 1 내지 7 중 어느 하나의 방법.
실시 예 9: 체임버 내에서 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계; 및 금속 질화물 핵생성 템플레이트층이 형성되는 체임버 내에서 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계를 더 포함하는, 실시 예 1 내지 7 중 어느 하나의 방법.
실시 예 10: 성장 기판을 형성하기 위해 제 1 체임버에서 비-금속유기물 화학적 기상 증착(MOCVD) 프로세스를 이용하여 기판상에 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계; 및 제 2 체임버에서 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE) 프로세스를 이용하여 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계, 제 1 체임버를 향해 NH3 및 금속 3염화물 및 금속 테트라염화물 중 적어도 하나를 유동시키는 단계를 포함하는 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계를 포함하는, 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 방법.
실시 예 11 : 사파이어 기판을 포함하도록 기판을 선택하는 단계를 더 포함하는 실시 예 10의 방법.
실시 예 12: 알루미늄 질화물 및 티탄 질화물 중 적어도 하나를 포함하도록 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 선택하는 단계를 더 포함하는, 실시 예 10 또는 실시 예 11의 방법.
실시 예 13: 비-금속유기물 화학적 기상 증착(MOCVD) 프로세스를 이용하여 기판상에 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계는 플라즈마-강화 증착 공정을 이용하여 기판상에 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계를 포함하는, 실시 예들 10 내지 12 중 어느 한 항의 방법.
실시 예 14: 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 성장 기판상에 GaN, InN, AlN, InGaN, GaAlN, GaAlN, 및 InAlN 중 적어도 하나를 증착하는 단계를 포함하는, 실시 예들 10 내지 13 중 어느 하나의 방법.
실시 예 15: 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 시간 당 적어도 약 10 마이크로미터(10 ㎛)의 속도로 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계를 포함하는, 실시 예들 10 내지 14 중 어느 하나의 방법.
실시 예 16: 시간 당 적어도 약 10 마이크로미터(10 ㎛)의 속도로 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 시간 당 적어도 약 20 마이크로미터(20 ㎛)의 속도로 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계를 포함하는, 실시 예 15의 방법.
실시 예 17: 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 성장 기판상에 적어도 약 2 마이크로미터의 평균 두께를 가지는 벌크 III-질화물 반도체 물질의 층을 증착하는 단계를 포함하는, 실시 예들 10 내지 16 중 어느 하나의 방법.
실시 예 18: 기판상에 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계는 약 50 나노미터(50 nm) 이하의 평균 두께를 가지도록 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 실시 예들 10 내지 17 중 어느 하나의 방법.
실시 예 19: 약 50 나노미터(50 nm) 이하의 평균 두께를 가지도록 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계는 약 10 나노미터(10 nm) 이하의 평균 두께를 가지도록 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계를 포함하는, 실시 예 18의 방법.
실시 예 20: 제 2 체임버를 향해 NH3 및 금속 3염화물 및 금속 테트라염화물 중 적어도 하나를 유동시키는 단계는 제 2 체임버를 향해 GaCl3, InCl3, AlCl3, 및 TiCl4 중 적어도 하나를 유동시키는 단계를 포함하는, 실시 예들 10 내지 19 중 어느 하나의 방법.
실시 예 21 : 제 2 체임버를 향해 NH3 및 금속 3염화물 및 금속 테트라염화물 중 적어도 하나를 유동시키는 단계는 약 100 sccm 이하의 플로 레이트로 제 2 체임버를 향해 금속 3염화물 및 금속 테트라염화물 중 적어도 하나를 유동시키는 단계를 더 포함하는, 실시 예 20의 방법.
실시 예 22 : 약 100 sccm 이하의 플로 레이트로 제 2 체임버를 향해 금속 3염화물 및 금속 테트라염화물 중 적어도 하나를 유동시키는 단계는 약 80 sccm 이하의 플로 레이트로 제 2 체임버를 향해 금속 3염화물 및 금속 테트라염화물 중 적어도 하나를 유동시키는 단계를 포함하는, 실시 예 21의 방법.
실시 예 23 : GaCl3을 포함하도록 금속 3염화물 및 금속 테트라염화물 중 적어도 하나를 선택하는 단계를 더 포함하는, 실시 예들 20 내지 22 중 어느 하나의 방법.
실시 예 24 : 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 약 10 나노미터(10 nm) 이하의 자승 평균 평방근 표면 거칠기를 가지는 증착된 벌크 III-질화물 반도체 물질의 노출된 주면을 생기게 하는, 실시 예들 10 내지 23 중 어느 하나의 방법.
실시 예 25 : 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 제곱 센티미터 당 약 5 내지 9 X 108의 평균 전위 밀도를 가지는 증착된 벌크 III-질화물 반도체 물질의 노출된 주면을 생기게 하는, 실시 예들 10 내지 24 중 어느 하나의 방법.
실시 예 26: 성장 기판을 형성하기 위해 체임버에서 금속유기물 화학적 기상 증착(MOCVD) 프로세스를 이용하여 기판상에 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계; 및 동일한 체임버에서 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE) 프로세스를 이용하여 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계를 포함하고, 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE) 프로세스를 이용하여 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 동일한 체임버를 향해 NH3 및 금속 3염화물 및 금속 테트라염화물 중 적어도 하나를 유동시키는 단계를 포함하는, 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 방법.
실시 예 27: 사파이어 기판을 포함하도록 기판을 선택하는 단계를 더 포함하는, 실시 예 26의 방법.
실시 예 28: 갈륨 질화물, 알루미늄 질화물, 알루미늄 갈륨 질화물, 하프늄 질화물, 크롬 질화물, 텅스텐 질화물, 및 티탄 질화물 중 적어도 하나를 포함하도록 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 선택하는 단계를 더 포함하는, 실시 예 26 또는 실시 예 27의 방법.
실시 예 29 : 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 성장 기판상에 GaN, InN, AlN, InGaN, GaAlN, GaAlN, 및 InAlN 중 적어도 하나를 증착하는 단계를 포함하는, 실시 예들 26 내지 28 중 어느 하나의 방법.
실시 예 30: 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 시간 당 적어도 약 10 마이크로미터(10 ㎛)의 속도로 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계를 포함하는, 실시 예들 26 내지 29 중 어느 하나의 방법.
실시 예 31 : 시간 당 적어도 약 10 마이크로미터(10 ㎛)의 속도로 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 시간 당 적어도 약 20 마이크로미터(20 ㎛)의 속도로 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계를 포함하는, 실시 예 30의 방법.
실시 예 32 : 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 성장 기판상에 적어도 약 2 마이크로미터(2 ㎛)의 평균 두께를 가지는 벌크 III-질화물 반도체 물질의 층을 증착하는 단계를 포함하는, 실시 예들 26 내지 31 중 어느 하나의 방법.
실시 예 33 : 기판상에 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계는 약 1/2 나노미터(0.5 nm)와 약 2 마이크로미터(2: 0 ㎛) 사이의 평균 두께를 가지도록 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 실시 예들 26 내지 32 중 어느 하나의 방법.
실시 예 34: 동일한 체임버를 향해 NH3 및 금속 3염화물 및 금속 테트라염화물 중 적어도 하나를 유동시키는 단계는 동일한 체임버를 향해 GaCl3, InCl3, AlCl3, 및 TiCl4 중 적어도 하나를 유동시키는 단계를 포함하는, 실시 예들 26 내지 33 중 어느 하나의 방법.
실시 예 35 : 동일한 체임버를 향해 GaCl3, InCl3, AlCl3, 및 TiCl4 중 적어도 하나를 유동시키는 단계는 GaCl3, InCl3, AlCl3, 및 TiCl4 중 적어도 하나를 동일한 체임버를 향해 약 100 sccm 이하의 플로 레이트로 유동시키는 단계를 더 포함하는, 실시 예 34의 방법.
실시 예 36: GaCl3, InCl3, AlCl3, 및 TiCl4 중 적어도 하나를 동일한 체임버를 향해 약 100 sccm 이하의 플로 레이트로 유동시키는 단계는 GaCl3, InCl3, AlCl3, 및 TiCl4 중 적어도 하나를 동일한 체임버를 향해 약 80 sccm 이하의 플로 레이트로 유동시키는 단계를 포함하는, 실시 예 35의 방법.
실시 예 37: GaCl3을 포함하도록 금속 3염화물 및 금속 테트라염화물 중 적어도 하나를 선택하는 단계를 더 포함하는, 실시 예들 26 내지 36 중 어느 하나의 방법.
실시 예 38: 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 약 2 나노미터(2.0 nm) 이하의 자승 평균 평방근 표면 거칠기를 가지는 증착된 벌크 III-질화물 반도체 물질의 노출된 주면을 생기게 하는, 실시 예들 26 내지 37 중 어느 하나의 방법.
실시 예 39: 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 제곱 센티미터 당 약 5 X 108 이하의 평균 전위 밀도를 가지는 증착된 벌크 III-질화물 반도체 물질의 노출된 주면을 생기게 하는, 실시 예들 26 내지 38 중 어느 하나의 방법.
실시 예 40: 성장 기판을 형성하기 위해 체임버에서 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE) 프로세스를 이용하여 기판상에 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계; 및 동일한 체임버에서 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE) 프로세스를 이용하여 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계를 포함하고; 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE) 프로세스를 이용하여 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 NH3 및 금속 3염화물 및 금속 테트라염화물 중 적어도 하나를 동일한 체임버를 향해 유동시키는 단계를 포함하는, 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 방법.
실시 예 41 : 사파이어 기판을 포함하도록 기판을 선택하는 단계를 더 포함하는, 실시 예 40의 방법.
실시 예 42 : 알루미늄 질화물 및 티탄 질화물 중 적어도 하나를 포함하도록 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 선택하는 단계를 더 포함하는, 실시 예 40 또는 실시 예 41의 방법.
실시 예 43 : 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 성장 기판상에 GaN, InN, AlN, InGaN, GaAlN, GaAlN, 및 InAlN 중 적어도 하나를 증착하는 단계를 포함하는, 실시 예들 40 내지 42 중 어느 하나의 방법.
실시 예 44: 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 시간 당 적어도 약 10 마이크로미터(10 ㎛)의 속도로 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계를 포함하는, 실시 예들 40 내지 43 중 어느 하나의 방법.
실시 예 45 : 시간 당 적어도 약 10 마이크로미터(10 ㎛)의 속도로 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 시간 당 적어도 약 20 마이크로미터(20 ㎛)의 속도로 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계를 포함하는, 실시 예 44의 방법.
실시 예 46: 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 성장 기판상에 적어도 약 2 마이크로미터(2 ㎛)의 평균 두께를 가지는 벌크 III-질화물 반도체 물질의 층을 증착하는 단계를 포함하는, 실시 예들 40 내지 45중 어느 하나의 방법.
실시 예 47 : 기판상에 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계는 약 50 나노미터(50 nm) 이하의 평균 두께를 가지도록 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계를 포함하는, 실시 예들 40 내지 46 중 어느 하나의 방법.
실시 예 48: NH3 및 금속 3염화물 및 금속 테트라염화물 중 적어도 하나를 동일한 체임버를 향해 유동시키는 단계는 금속 3염화물 및 금속 테트라염화물 중 적어도 하나를 동일한 체임버를 향해 약 100 sccm 이하의 플로 레이트로 유동시키는 단계를 더 포함하는, 실시 예 47의 방법.
실시 예 49: 금속 3염화물 및 금속 테트라염화물 중 적어도 하나를 동일한 체임버를 향해 약 100 sccm 이하의 플로 레이트로 유동시키는 단계는 금속 3염화물 및 금속 테트라염화물 중 적어도 하나 동일한 체임버를 향해 약 80 sccm 이하의 플로 레이트로 유동시키는 단계를 포함하는, 실시 예 48의 방법.
실시 예 50: GaCl3, InCl3, AlC13, 및 TiCl4 중 적어도 하나를 포함하도록 금속 3염화물 및 금속 테트라염화물 중 적어도 하나를 선택하는 단계를 더 포함하는, 실시 예들 40 내지 49 중 어느 하나의 방법.
실시 예 51 : 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 약 10 나노미터(10.0 nm) 이하의 자승 평균 평방근 표면 거칠기를 가지는 증착된 벌크 III-질화물 반도체 물질의 노출된 주면을 생기게 하는, 실시 예들 40 내지 50 중 어느 하나의 방법.
실시 예 52 : 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 제곱 센티미터 당 약 5 X 108 이하의 평균 전위 밀도를 가지는 증착된 벌크 III-질화물 반도체 물질의 노출된 주면을 생기게 하는, 실시 예들 40 내지 51 중 어느 하나의 방법.
실시 예 53 : 동일한 체임버에서 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE) 프로세스를 이용하여 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는 성장 기판을 형성하기 위해 기판상에 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계 후 및 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계 전에 동일한 체임버로부터 성장 기판을 제거하지 않고 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계를 포함하는, 실시 예들 40 내지 52 중 어느 하나의 방법.
실시 예 54: 벌크 III-질화물 반도체 물질을 포함하고, 실시 예들 1 내지 53 중 어느 한 항에 기재된 방법에 따라 제조되는, 구조.

Claims (10)

  1. 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 방법에 있어서,
    성장 기판을 형성하기 위해 기판상에 금속-질화물 핵생성 템플레이트(template)층을 형성하는 단계; 및
    할로겐화물 기상 에피택시(halide vapor phase epitaxy; HVPE) 프로세스를 이용하여 상기 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계를 포함하고,
    상기 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계는,
    금속 염화물 III족 전구체 증기를 형성하기 위해 금속 3염화물(metal trichloride) 및 금속 4염화물(metal tetrachloride) 중 적어도 하나를 분해하는 단계; 및
    상기 성장 기판상에 상기 벌크 III-질화물 반도체 물질을 형성하기 위해 상기 금속 염화물 III족 전구체 증기를 V족 전구체 증기와 반응시키는 단계;를 포함하는, 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판상에 상기 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계는,
    상기 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하기 위해 비금속유기물 화학적 기상 증착(non-metallorganic chemical vapor depositon; MOCVD)프로세스를 이용하는 단계를 포함하는, 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판상에 상기 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계는,
    상기 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하기 위해 플라즈마-강화 화학적 기상 증착(plasma-enhanced chemical vapor deposition; PECVD) 프로세스를 이용하는 단계를 포함하는, 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하기 위해 상기 플라즈마-강화 화학적 기상 증착(PECVD) 프로세스를 이용하는 단계는,
    상기 기판상에 금속-질화물 물질을 증착하는 단계; 및
    상기 증착된 금속-질화물 물질의 결정도를 향상시키기 위해 상기 증착된 금속-질화물 물질에 하나 이상의 열처리들을 행하는 단계를 포함하는, 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 증착된 금속-질화물 물질의 결정도를 향상시키기 위해 상기 증착된 금속-질화물 물질에 하나 이상의 열처리들을 행하는 단계는,
    상기 증착된 금속-질화물 물질에 급속 가열 어닐링 공정(rapid thermal annealing process)을 행하는 단계를 포함하는, 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판상에 상기 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계는,
    상기 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하기 위해 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE) 프로세스를 이용하는 단계를 포함하는, 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하기 위해 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE) 프로세스를 이용하는 단계는,
    3염화물(trichloride), 2염화물(dichloride), 및 일염화물(monochloride) III족 전구체 증기 중 적어도 하나를 형성하기 위해 GaCl3, InCl3, AlC13, 및 TiCl4 중 적어도 하나를 분해하는 단계; 및
    상기 기판상에 상기 금속 질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하기 위해 상기 III족 전구체 증기를 NH3 전구체 증기와 반응시키는 단계를 포함하는, 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 체임버(chamber)에서 상기 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계; 및
    제 2의 상이한 체임버에서 상기 성장 기판상에 상기 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계;를 더 포함하는, 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    체임버 내에서 상기 금속-질화물 핵생성 템플레이트층을 형성하는 단계; 및
    상기 금속 질화물 핵생성 템플레이트층이 형성되는 상기 체임버 내에서 상기 성장 기판상에 상기 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 단계;를 더 포함하는, 성장 기판상에 벌크 III-질화물 반도체 물질을 증착하는 방법.
  10. 구조에 있어서,
    벌크 III-질화물 반도체 물질을 포함하고, 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 따라 제조되는, 구조.
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