KR20150007350A - Iii족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법 - Google Patents

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nitride semiconductor
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로렌조 카스탈디
마틴 크라처
하인츠 펠처
로베르트 주니어 마마짜
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오를리콘 어드벤스드 테크놀로지스 아크티엔게젤샤프트
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Abstract

사파이어 기판을 제공하는 단계;
진공실에 상기 기판을 위치시키는 단계;
에칭에 의해 상기 기판의 표면을 콘디셔닝하여 콘디셔닝된 표면을 제공하는 단계;
가열기의 표면과 대면하는 기판으로부터 소정 거리로 이격하여 상기 기판을 유지하는 단계;
가열기의 표면과 대면하는 기판으로부터 이격하여 기판을 유지하는 동안 가열기를 이용하여 상기 기판을 온도 T1로 가열하는 단계;
가열기의 표면과 대면하는 기판으로부터 이격하여 기판을 유지하는 동안 물리적 증기 증착법에 의해 III족 질화물 반도체 필름을 상기 기판의 콘디셔닝된 표면 상에 증착하여 N-면 극성을 갖는 에피택셜 III족 질화물 반도체 필름을 상기 기판의 콘디셔닝된 표면 상에 형성하는 단계를 포함하는, 기판 상에 III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법이 개시되어 있다.

Description

III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법{Method for depositing a Group III nitride semiconductor film}
III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법이 기재되어 있다.
III족 질화물 반도체는 발광 다이오드, 레이저 다이오드, 광기전 태양전지 및 고전자 이동도 트랜지스터와 같은 전력장치와 같이 다양한 장치에 사용된다.
발광 다이오드(LED)의 기본 구조는 pn-반도체 다이오드에 상응하므로 이들은 필적하는 특징을 나타낸다. LED에 사용된 반도체 물질에 차이가 존재한다. 비발광성 다이오드는 실리콘으로부터, 또는 때때로 게르마늄 또는 셀레늄으로부터 제조되지만, LED용 반도체 물질은 III-V 반도체, 통상 갈륨 화합물이다.
전압이 정방향으로 인가되면, 전자는 LED의 n-도핑 면으로부터 p-도핑된 면으로 이동하여서 광이 방출된다. 방출된 광의 파장, 및 따라서 그의 색은 pn-접합을 형성하는 물질의 밴드갭(band gap) 에너지에 따라 달라진다. 실리콘 또는 게르마늄 다이오드에서, 상기 전자 및 정공은 비방사 천이(non-radiative transition)에 의해 재결합하여, 광학 방출을 생성하지 않으며, 이는 이들이 간접 밴드갭 물질이기 때문이다. LED용 물질은 근적외선, 가시광, 또는 근자외선에 상응하는 직접 밴드갭을 갖는다.
LED은 보통 n-형 기판 상에 형성되며, 그 표면 상에 증착된 p-형 층에 부착된 전극을 갖는다. 일반적이지는 않지만 p-형 기판도 또한 사용된다. 일부 상업적 LED, 특히 GaN/InGaN는 사파이어 기판을 사용한다.
GaN 및 사파이어, 실리콘, SiC 및 석영과 같은 기판 사이의 큰 격자 부정합(latice mismatch)은 다수의 성장 단계를 이용하는 것에 의해 정합되어 격자 변형(lattice strain)에 적응하여 고품질 GaN 필름의 성장을 가능하게 할 수 있다.
중간 에피택셜 성장(intermediate epitaxially grown) AlN 층이 상기 기판 상에 증착되어, AlN과 다양한 기판 사이의 더 작은 격자 부정합으로 인하여, GaN이 성장할 수 있는 템플레이트(template)로서 작용할 수 있다. 따라서, AlN 버퍼층 사용은 사파이어와 같은 다양한 기판 상에서 GaN을 성장시키기 위한 MOCVD 공정에 필요한 핵생성(nucleation) 단계에 대한 도전을 우회하기 위하여 이용될 수 있다.
에피택시(epitaxy) 품질뿐만 아니라 III족 질화물 필름의 극성도 조정될 수 있다.
US 2013/0049065 A1호는 Al-면 극성을 갖는 AlN 필름과 같은 III족 질화물 반도체로 제조된 III족 극성 필름을 스퍼터링에 의해 제작할 수 있는 에피택셜 필름 형성 방법을 개시한다. 상기 AlN 필름은 가열기에 의해 스퍼터링 온도로 가열되고 소정 거리를 두고 가열기로부터 이격되어 배치된 사파이어 또는 α-Al2O3 기판 상에 스퍼터링된다.
그러나, 소망하는 면 극성(face polarity)을 갖는 III족 질화물 반도체 필름이 제작될 수 있는 다른 방법도 바람직하다.
<0001> c-면 사파이어 기판과 같은 사파이어 기판을 제공하는 단계, 상기 기판을 진공실에 위치시키는 단계, 상기 기판의 표면을 에칭에 의해 콘디셔닝(conditioning)하여 콘디셔닝된 표면을 제공하는 단계, 가열기의 표면과 대면하는 기판으로부터 소정 거리를 두고 이격하여 상기 기판을 유지하는 단계, 가열기의 표면과 대면하는 기판으로부터 이격하여 기판을 유지하는 동안 가열기를 이용하여 상기 기판을 온도 T1로 가열하는 단계, 및 가열기의 표면과 대면하는 기판으로부터 이격하여 기판을 유지하는 동안 물리적 증기 증착법에 의해 III족 질화물 반도체 필름을 상기 기판의 표면 상에 증착하여 N-면 극성을 갖는 에피택셜 III족 질화물 반도체 필름을 상기 기판의 콘디셔닝된 표면 상에 형성하는 단계를 포함하는, III족 질화물 반도체 필름을 기판 상에 증착하는 방법이 제공된다.
콘디셔닝된 표면을 제공하기 위한 에칭 공정과 기판이 가열기와 직접적인 물리적 접촉을 하지 않는 동안 III족 질화물 반도체 필름을 콘디셔닝된 표면 상에 증착하는 단계의 조합은 III족 질화물 반도체 필름에서 N-면 극성의 형성을 용이하게 하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 특징이 제공될 수 있는 한가지 가능한 메카니즘은 에칭 단계 후 Al-종결(Al-terminated) 콘디셔닝된 구조의 형성에 존재하며, 이는 상기 Al-종결 콘디셔닝된 표면 상에 증착된 III족 질화물 반도체 필름에서 N-면 극성의 형성을 독려한다.
예를 들어, 일부 장치의 경우, Ga-면 극성을 갖는 GaN 필름이 바람직한데, 이는 이들이 N-면 극성 층에 비하여 더 매끈한 표면을 나타내기 때문이다. Ga-면 극성 GaN 필름을 얻기 위한 한 가지 방법은 N-면 극성을 갖는 에피택셜 AlN 필름을 기판 상에서 성장시키는 것이다. 이러한 N-면 극성을 갖는 AlN 필름은 N-면 극성 AlN 필름 상에 증착된 GaN 필름에서 Ga-면 극성의 형성을 촉진한다.
일 실시양태에서, 기판의 표면을 콘디셔닝하는 단계는 진공하에서 표면을 플라즈마 소프트 에칭하는 것을 포함한다. 상기 플라즈마 소프트 에칭은 기판을 온도 T2로 가열하는 단계, Ar 가스를 진공실에 도입하는 단계, 및 기판의 표면을 플라즈마에 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 온도 T2는 35℃ 내지 70℃ 범위, 예를 들어 50℃일 수 있다. 일 실시양태에서, 상기 플라즈마 소프트 에칭은 2.10-4 mbar 내지 8.10-4 mbar의 압력에서 Ar+ 이온을 포함하는 RF 플라즈마를 사용하여 실시된다. 예를 들어 50W의 RF 전력이 이용될 수 있다.
플라즈마 소프트 에칭이 실시되는 온도 T2는 III족 질화물 필름이 증착되는 기판의 온도 T1 보다 더 낮을 수 있다. T1은 650℃ 내지 800℃ 범위일 수 있다.
일 실시양태에서, 상기 기판은 플라즈마 소프트 에칭 동안 가열기의 표면과 대면하는 기판으로부터 이격되어 유지된다.
일 실시양태에서, 기판의 표면을 콘디셔닝하는 단계는 표면을 플라즈마 소프트 에칭하는 대신 또는 그와 더불어, 표면을 화학적으로 에칭하는 것을 포함한다.
에칭한 후, 상기 콘디셔닝된 표면은 Al-종결될 수 있다. 상기 에칭은 사파이어 기판 상에 Al-종결 표면을 제공하기 위하여 화학적으로 결합된 산소를 기판으로부터 우선적으로 제거하는 것을 포함할 수 있다.
상기 방법은 콘디셔닝 후에 콘디셔닝된 표면을 진공실 중의 질소 플로우(nitrogen flow)에 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. Al-종결 콘디셔닝된 표면의 경우, 상기 Al-종결 콘디셔닝된 표면 상에서 육방정 AlN의 성장을 촉진하기 위해 상기 질소 플로우가 사용될 수 있다. 이러한 육방정 AlN은 단일 모노층일 수 있고 또 육방정 AlN 층 상에서 N-면 AlN의 성장을 촉진하기 위하여 사용될 수 있다.
일 실시양태에서, 상기 방법은 기판이 온도 T1로 가열되는 동안 기판 상에 아르곤 (Ar) 가스를 흘려주는 단계를 더 포함한다. 이는 AlN 층이 그 위에 증착되기 전에 예를 들어 콘디셔닝된 표면 상에 오염물의 축적을 방지하는데 도움을 줄 수 있다.
본 명세서에 기재된 실시양태 중의 하나의 방법은 클러스터 툴(cluster tool)과 같은 복수의 챔버 시스템에서 실시될 수 있다. 이 경우, 상기 콘디셔닝은 제1 진공실에서 실시될 수 있고 또 III족 질화물 필름의 증착은 제2의 상이한 진공실에서 실시될 수 있다. 상기 기판은 또한 진공하에서 있는 전송 챔버(transfer chamber)를 통하여 제1 및 제2 챔버 사이에서 전송될 수 있다.
상기 콘디셔닝 후, 상기 방법은 진공실에서 압력을 감소시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이것은 진공실을 세정하기 위해 이용될 수 있다. 챔버 중의 압력은 상기 콘디셔닝 전 및/또는 진공실을 세정하기 위한 증착 전에 감소될 수 있다.
상기 물리적 증기 증착(PVD) 공정은 스퍼터 증착, 예를 들어 RF 마그네트론(magnetron) 스퍼터링, DC 스퍼터링 또는 펄스화(pulsed) DC 스퍼터링일 수 있다.
일 실시양태에서, 상기 III족 질화물 반도체 필름은 반응성 스퍼터링에 의해 기판의 콘디셔닝된 표면 상에 증착된다. 상기 표적은 III족 원소를 포함할 수 있고, 예를 들어, 상기 표적은 알루미늄 표적일 수 있으며, 또 상기 공정 가스는 질소 및 경우에 따라 아르곤을 포함할 수 있다. 상기 공정 가스의 질소는 상기 콘디셔닝된 표면 상에서 AlN 필름을 형성하기 위하여 표적으로부터 제거되거나 스퍼터링된 알루미늄과 반응한다. 전기 도전성 표적으로부터 반응성 스퍼터링하는 경우, DC 전원장치(power supply)가 표적에 대한 전원장치로서 사용될 수 있다. 일 실시양태에서, AlN과 같은 III족 질화물 반도체 필름을 콘디셔닝된 표면 상에 스퍼터링하기 위해서는 1.5 kW 내지 3 kW의 DC 전력이 사용된다.
일 실시양태에서, 상기 III족 질화물 반도체 필름은 기판의 콘디셔닝된 표면 상에서 RF 스퍼터링에 의해 증착된다. RF 스퍼터링은 상기 표적이 비-전기적 도전성일 경우 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 표적은 콘디셔닝된 표면 상에 증착될 III족 질화물을 포함할 수 있다. 이 실시양태에서, 상기 공정 가스는 아르곤과 같은 불활성 가스일 수 있다.
상기 III족 질화물 필름은 씨드층(seed layer)을 상이한 조건하에서 필름의 나머지 부분에 제1 증착하는 것에 의해 증착될 수 있다. 이 실시양태는 콘디셔닝된 표면에 대한 상기 층의 애페택시 또는 접착을 개선하기 위하여 이용될 수 있다. 특정 실시양태에서, 상기 방법은 N2/Ar 분위기 중에서 씨드층을 상기 콘디셔닝된 표면 상에 증착하는 단계(이때, Ar에 대한 N2의 비율은 3 초과임), 및 N2/Ar 분위기 중에서 반응성 스퍼터링을 이용하여 상기 필름을 상기 씨드층 상에 증착하는 단계(이때, Ar에 대한 N2의 비율은 3 미만임)를 더 포함한다.
III족 질화물 필름을 증착한 후, 기판은 능동적으로 냉각될 수 있다. 기판이 냉각되는 동안 기판에 대한 열적 스트레스를 감소시키기 위하여 능동 냉각(active cooling)이 이용될 수 있다.
일 실시양태에서, 상기 방법은 추가의 III족 질화물 반도체 필름을 상기 에피택셜 III족 질화물 반도체 필름상에 스퍼터링하는 단계를 더 포함하며, 이때 상기 추가의 III족 질화물 반도체 필름은 III족-면 극성을 갖는다. 예를 들어, 상기 III족 질화물 필름이 AlN이고 또 추가의 III족 질화물 필름이 GaN이면, 상기 AlN 필름은 N-면 극성을 갖고 또 상기 GaN 필름은 Ga-면 극성을 갖는다.
실시양태는 다음 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 몇 개의 독립적 공정 스테이션을 포함하는 반도체 제조 공구의 개략적 다이아그램을 도시한다.
도 2는 III족 질화물 반도체 필름을 기판 상에 증착하기 위한 장치를 도시한다.
도 3은 본 명세서에 기재된 방법 및 대조 방법을 이용하여 사파이어 기판 상에서 AlN 필름을 성장시키는 개략적 다이아그램을 도시한다.
사파이어 기판 상에서 N-극성 에피택셜 성장한 AlN 필름을 제조하는 예시적 방법은 진공 환경에서 사파이어 기판의 적어도 하나의 표면에서 플라즈마 소프트 에칭하는 단계를 포함한다. 경우에 따라, 상기 플라즈마 소프트 에칭 후, 상기 세정된 기판 표면은 질소 가스에 노출될 수 있다. N-극성 에피택셜 성장한 AlN 필름은 질소 및 아르곤 분위기 중, 기판을 650℃를 초과하는 온도에서 유지하면서 예를 들어 스퍼터링하는 것에 의해 플라즈마 증착된다.
본 명세서에 기재된 방법은 공통 전송 모듈에 부착된 몇 개의 독립적 공정 스테이션을 포함하는 반도체 제조 공구에서 실시될 수 있다. 도 1은 4개의 독립적 공정 스테이션(11, 12, 13, 14), 공통 전송 모듈(15) 및 주위에 인터페이스(interface)를 제공할 로드 락(load lock)(16)을 갖는 적합한 반도체 제조 공구(10)의 개략적 다이아그램을 도시한다. 이러한 전송 모듈(15)은 평가할 수 있는 로드 락(16)과 공정 스테이션(11, 12, 13, 14) 사이에 기판을 전송할 수 있는 핸들링 시스템을 포함하는, 바람직하게는 진공 조건하의 인클로져이다. 상기 공정 스테이션(11, 12, 13, 14)은 공통 전송 모듈(16)으로부터 분리되어 교차 오염을 피하도록 하는 밸브를 가질 수 있다. 공정 스테이션(11, 12, 13, 14)과 공통 전송 모듈(15) 및 로드 락(들)(16)의 이러한 배열은 클러스터 툴로서 공지되어 있다. 상기 공정 스테이션(11, 12, 13, 14)는 실시될 공정에 따라 구비될 수 있고 또 세정, 가열, 조사, 증착, 에칭 등과 같은 기판에 대한 다양한 처리를 위해 포함할 수 있다.
공정 스테이션들(11) 중의 하나는 사파이어 기판을 콘디셔닝하기 위해 사용되고 또 다른 공정 스테이션(12)은 반응성 스퍼터링에 의해 콘디셔닝된 표면 상에 III족 질화물 반도체 필름을 증착하기 위해 사용된다.
상기 공정 스테이션(11)은, 사파이어 기판을 플라즈마 소프트 에칭하여 Al-종결일 수 있는 콘디셔닝된 표면을 생성하기 위해 사용되는, Ar+ 이온을 포함하는 RF 플라즈마(18)를 생성하기 위한 RF 전원장치(17)를 포함한다.
기판의 표면을 콘디셔닝하기 위하여, 상기 기판을 공정 스테이션(11)에 위치시키고, 진공실을 펌핑 다운하고 기판의 온도를 예를 들어 약 50℃로 승온시킨다. 아르곤 가스 플로우를 도입하고 또 RF 전원장치는 스위치온하여 기판의 표면에서 플라즈마를 생성하며, 이는 기판의 표면을 플라즈마 소프트 에칭하기 위해 사용되어 Al-종결인 콘디셔닝된 표면을 생성한다. 이어 기판을 공정 스테이션(12)으로 전송한다.
공정 스테이션(12)은 표적, 예를 들어 알루미늄 표적, 및 반응성 스퍼터링을 사용하여 III족 질화물 필름이 증착될 수 있도록 알루미늄 표적용 전원장치를 포함한다. 도 2는 상기 공정 스테이션(12)을 더욱 자세하게 설명한다.
상기 공정 스테이션(12)은 진공실(20), 알루미늄 표적(22)을 지지하는 표적 홀더(21) 및 콘디셔닝된 표면(25)을 갖는 기판(24) 아래에 배치된 가열기(23)를 포함한다. 상기 공정 스테이션(12)은 질소 가스 공급원(26) 및 아르곤 가스 공급원(27)을 더 포함하며, 그로부터 공정 가스들이 흘러서 진공실(20)로 들어갈 수 있다. 상기 가열기(23)는 가열기 요소(28) 및 기판(24)의 이측(rear side)(31)으로부터 소정 거리(30)로 이격되어 있는 표면(29)과 대면하는 기판을 포함한다. 상기 기판(24)은 기판(24)의 이측 주변을 지지하기 위하여 사용되는 링(33)을 갖는 높이 조정가능한 기판 홀더(32)에 의해 소정 거리(30)에서 유지된다. 상기 기판(24)은 표적(22)과 직접적으로 대향하도록 배치된다. 상기 표적(22)은 DC 전원장치(34)에 커플링된다.
알루미늄 질화물 필름을 기판(24) 상에 증착하기 위하여, 진공실(20)은 펌핑되고, 기판(24)은 가열기(23)의 표면(29)과 대면하는 기판으로부터 소정 거리를 두고 이격되어 있는 동안 가열기(23)에 의해 700℃와 같은 공정 온도로 가열된다. 기판(24)이 공정 온도에 도달하면, 상기 질소 및 아르곤 공정 가스는 진공실(20)로 흘러들어가며 또 상기 DC 전원장치는 표적(22)에 적용되어 알루미늄이 표적(22)으로부터 스퍼터링되며, 질소 공정 가스와 반응하여 기판(24)의 콘디셔닝된 표면(25) 상에 알루미늄 질화물 층을 형성한다.
도 3a는 AlN의 성장 전에 플라즈마 세정없이 마그네트론 스퍼터링에 의해 AlN의 성장을 개략적으로 도시하고 또 비교 방법의 결과를 도시한다. 상기 사파이어 기판은 O-면 극성 및 Al-면 극성 또는 혼합된 극성을 나타낸다. 이 구조적 및 형태학적 시나리오는 혼합 극성, 즉, 혼합된 Ga-면 및 N-면을 갖는 다결정성 AlN 필름, 및 이어 GaN 필름의 형성을 초래한다.
도 3b는 플라즈마 소프트 에칭에 의해 콘디셔닝된 사파이어 기판 상에서 AlN 필름의 성장을 개략적으로 도시한다. Ar 플라즈마 소프트 에칭 동안 생기는 이온 폭발은 산소 원자의 우선적 제거를 촉진할 수 있으므로, 기판의 표면 상에서 Al 원자의 노출을 선호한다. 즉, 플라즈마 에칭은 Al-종결 사파이어 웨이퍼의 형성을 초래한다. 고온에서 N2 노출에 기인한 후속 질화처리(nitridation) 및 AlN 필름의 성장을 위해 사용된 질소-풍부 플라즈마를 이용하여 사파이어와 AlN 필름 사이에 육방정 구조를 갖는 일시적 에피택셜 AlN 모노층을 형성하고 또 N-면 극성을 갖는 에피택셜 AlN 필름을 성장시킨다.
이러한 N-면 AlN 필름은 Ga-면 극성 GaN 필름의 형성을 촉진하며, 이는 더 매끈한 표면을 나타내고 또 LED 또는 고전자 이동도 트랜지스터와 같은 전원장치 적용을 위한 더 우수한 품질의 구조를 초래한다.
일개의 예시적 방법은 개별적 처리 챔버에서 6인치 사파이어 기판을 단일-기판-처리를 포함한다. 상기 사파이어 기판을 반도체 제조 공구에 도입하고 또 에칭 단계를 실시하도록 되어 있는 공정 스테이션으로 전송한다. 상기 공정 환경은 펌핑 다운되어 원하지 않는 가스와 이전의 공정 단계의 잔류물을, 예를 들어 10초 동안 제거하며, 또 동시에 기판의 온도는 예를 들어 약 50℃일 수 있는 온도 T2 로 조정된다. Ar 가스를 도입하고, 또 압력 및 가스 플로우는 예를 들어 5x10-4 mbar의 챔버 압력에서 안정화된다. 기판 표면은 RF 플라즈마의 Ar 이온에 의해 소프트 에칭된다. 10초-30초 동안 약 50 W의 콘디셔닝이 사용될 수 있다. 경우에 따라, 소프트 에칭 후, 상기 콘디셔닝된 표면은 예를 들어 20sccm의 유량의 질소(N2)에 약 20초 동안 노출된다. 경우에 따라, 상기 챔버는 에칭 공정 스테이션으로부터 기판을 제거하기 전에 사용된 가스로부터 세정하기 위하여 펌핑될 수 있다.
소프트 에칭에 의해 콘디셔닝된 표면을 갖는 기판은 AlN 증착 단계를 실시하도록 되어 있는 공정 스테이션으로 전송된다. 상기 공정 챔버는 Al 표적(300mm 직경) 및 펄스화 DC 전원장치를 구비한 PVD/스퍼터링 챔버일 수 있다. 상기 공정 환경은 펌핑다운되어 원하지 않는 가스 및 이전 공정 단계의 잔류물을 예를 들어 10초 동안 제거한다. 이 기판은 650-800℃ 범위, 예를 들어 770℃일 수 있는 온도 T1 로 가열된다. 가열의 지속은 가열기 전력 및 기판 온도를 안정화하는 시간에 따라 달라질 수 있고, 또 100-600초일 수 있다. 경우에 따라, 가열하는 동안 Ar 가스 플로우, 예를 들어 15sccm가 사용될 수 있다. 공정 가스(들) (Ar 및 N2)를 도입하고 또 예를 들어 약 10초 동안 안정화시킨다. AlN 층이 증착되는 한편, N2 및 Ar의 플로우를 제어한다. N2의 플로우는 60sccm일 수 있고 또 Ar의 플로우는 20sccm일 수 있다. 스퍼터링은 DC 전력, 예를 들어, 2.5kW를 이용하여 270초 동안 실시될 수 있고, 이는 100nm의 두께를 갖는 층에 대하여 충분할 수 있다. 따라서, 상기 증착 속도는 이 실시양태에서 약 0.3nm/s 이다.
경우에 따라, 씨드층은 AlN 층의 증착 전에 증착될 수 있다. 상기 씨드층은 증가된 N2/Ar 비율, 예를 들어 N2 / Ar >> 3, 가능하게는 Ar = 0으로 증착되었다. 경우에 따라, 상기 공정 챔버는 공정 가스 잔류물로부터 펌프 세정될 수 있다. 상기 기판은 기판에 대한 과도한 열적 스트레스를 피하기 위하여 예를 들어 10-300초 기간에 걸쳐 냉각되며, 핸들링 장비 및 처리된 기판의 제한이 반도체 제조 공구로부터 제거된다.
경우에 따라, 공정 환경, 예컨대 냉각 스테이션으로부터 기판을 제거하기 전에 능동 냉각이 실시될 수 있다. 상기 온도 감소는 기판 상에 대한 과도한 열적 스트레스를 피하도록 조정될 수 있다.
핸들링 및 전송 단계는 다른 또는 다양한 방식으로 실시될 수 있다. 또한, 가열 및 냉각 시간은 부분적으로 사용된 하드웨어에 따라 달라진다. 이들은, 반응능력에 따라서 근본적인 기판 처리 및 증착 공정으로부터 편차없이 상이한 가열 및 냉각 시간을 허용할 수 있다.
AlN 층의 증착은 RF 전력의 변화를 주어 실시될 수 있다.
일부 질화처리 방법은 MOCVD 및 MBE 증착 시스템을 이용하며, 이는 질소 플라즈마 에칭 또는 아주 고온에서 암모니아 노출의 이용을 필요로 하며, 이는 흔히 마그네트론 스퍼터링에 대해 적합하지 않다. 그러나, 질소 플라즈마 에칭은 기판 내에서, 예를 들어 사파이어 구조의 경우에서 사파이어 구조 내에서 이온 폭발 및/또는 비정질 옥시질화물의 형성에 의해 질소의 혼입을 촉진할 수 있다. 마그네트론 스퍼터링을 위한 암모니아에 의한 질화처리의 한가지 한계는 부가적 단계로 인하여 증착 공정을 복잡하게 할 수 있는 것이다.
N2 풍부 가스 및 Ar 플라즈마 세정 후 고온에서 플라즈마 노출은 반응성 마그네트론 스퍼터링에 의한 AlN의 성장에 필요한 동일 가스를 이용하는 것에 의해 질화처리 공정을 단순화한다.

Claims (22)

  1. 사파이어 기판을 제공하는 단계;
    진공실에 상기 기판을 위치시키는 단계;
    에칭에 의해 상기 기판의 표면을 콘디셔닝하여 콘디셔닝된 표면을 제공하는 단계;
    가열기의 표면과 대면하는 기판으로부터 소정 거리로 이격하여 상기 기판을 유지하는 단계;
    가열기의 표면과 대면하는 기판으로부터 이격하여 기판을 유지하는 동안 가열기를 이용하여 상기 기판을 온도 T1로 가열하는 단계;
    가열기의 표면과 대면하는 기판으로부터 이격하여 기판을 유지하는 동안 물리적 증기 증착법에 의해 III족 질화물 반도체 필름을 상기 기판의 콘디셔닝된 표면 상에 증착하여 N-면 극성을 갖는 에피택셜 III족 질화물 반도체 필름을 상기 기판의 콘디셔닝된 표면 상에 형성하는 단계를 포함하는, 기판 상에 III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판의 표면을 콘디셔닝하는 단계는 진공하에서 표면을 플라즈마 소프트 에칭하는 것을 포함하는, 기판 상에 III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 플라즈마 소프트 에칭은 상기 기판을 온도 T2로 가열하는 단계, Ar 가스를 진공실에 도입하는 단계, 및 상기 기판의 표면을 플라즈마에 처리하는 단계를 포함하는, 기판 상에 III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, T2가 35℃ 내지 70℃인, 기판 상에 III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라즈마 소프트 에칭은 2.10-4 mbar 내지 8.10-4 mbar의 압력에서, Ar+ 이온을 포함하는 RF 플라즈마를 이용하여 실시되는, 기판 상에 III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, T2 < T1인, 기판 상에 III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 플라즈마 소프트 에칭 동안 상기 기판은 가열기의 표면과 대면하는 기판으로부터 이격하여 유지되는, 기판 상에 III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 기판의 표면을 콘디셔닝하는 단계는 표면을 화학적으로 에칭하는 것을 포함하는, 기판 상에 III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 에칭은 화학적으로 결합된 산소를 상기 기판으로부터 우선적으로 제거하는 것을 포함하는, 기판 상에 III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 에칭 후, 콘디셔닝된 표면은 Al-종결되어 있는(Al-terminated), 기판 상에 III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 콘디셔닝 후 콘디셔닝된 표면을 진공실 내에서 질소 플로우(nitrogen flow)에 처리하는 단계를 더 포함하는, 기판 상에 III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법.
  12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, T1이 650℃ 내지 800℃ 범위인, 기판 상에 III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 기판이 온도 T1으로 가열되는 동안 기판 상에 아르곤 가스를 흘려주는 단계를 더 포함하는, 기판 상에 III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 콘디셔닝은 제1 진공실에서 실시되고, 증착은 제2 진공실에서 실시되는, 기판 상에 III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 콘디셔닝 후 진공실 중의 압력을 감소시키는 단계를 더 포함하는, 기판 상에 III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법.
  16. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, III족 질화물 반도체 필름이 반응성 스퍼터링에 의해 기판의 콘디셔닝된 표면 상에 증착되는, 기판 상에 III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 콘디셔닝된 표면 상에 III족 질화물 반도체 필름을 스퍼터링하기 위하여 1.5 내지 3 kW의 DC 전력이 사용되는, 기판 상에 III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, III족 질화물 반도체 필름은 RF 스퍼터링에 의해 기판의 콘디셔닝된 표면 상에 증착되는, 기판 상에 III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, N2/Ar 분위기 중에서 씨드층을 콘디셔닝된 표면 상에 증착하는 단계(이때, Ar에 대한 N2 비율은 3 초과임), 및 N2/Ar 분위기 중에서 필름을 상기 씨드층 상에 증착하는 단계(이때, Ar에 대한 N2 비율은 3 미만임)를 더 포함하는, 기판 상에 III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, III족 질화물 필름을 증착한 후 기판을 능동 냉각하는 단계를 더 포함하는, 기판 상에 III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, III족 질화물 필름은이 AlN인, 기판 상에 III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 추가의 III족 질화물 반도체 필름을 에피택셜 III족 질화물 반도체 필름 상에 스퍼터링하는 단계를 더 포함하며, 추가의 III족 질화물 반도체 필름은 III족-면 극성을 갖는, 기판 상에 III족 질화물 반도체 필름을 증착하는 방법.
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