KR20180112077A - Pvd-형성된 알루미늄 질화물 버퍼 층을 갖는 갈륨 질화물-기반 led 제조 - Google Patents

Pvd-형성된 알루미늄 질화물 버퍼 층을 갖는 갈륨 질화물-기반 led 제조 Download PDF

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chamber
gallium nitride
pvd
nitride layer
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밍웨이 즈후
비벡 아그라왈
나그 비. 패티반들라
옴카람 나라마수
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

물리 기상 증착(PVD)으로 형성된 알루미늄 질화물 버퍼 층들을 갖는 갈륨 질화물-기반 발광 다이오드(LED)들의 제조에 대해 설명된다. 예를 들면, 멀티-챔버 시스템은 알루미늄으로 구성된 타겟을 갖는 물리 기상 증착(PVD) 챔버를 포함한다. 또한, 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물, 또는 이 둘 모두를 증착하도록 적응되는 챔버가 포함된다. 다른 예에서, 발광 다이오드(LED) 구조를 제조하는 방법은 멀티-챔버 시스템의 물리 기상 증착(PVD) 챔버에서 기판 상에 알루미늄 질화물 층을 형성하는 단계를 포함한다. 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물 층은 멀티-챔버 시스템의 제 2 챔버에서 알루미늄 질화물 층 상에 형성된다.

Description

PVD-형성된 알루미늄 질화물 버퍼 층을 갖는 갈륨 질화물-기반 LED 제조{Gallium Nitride-Based LED Fabrication with PVD-Formed Aluminum Nitride Buffer Layer}
관련 출원들에 대한 상호-참조
본 출원은, 2010년 12월 16일자로 출원된 미국 가출원 번호 제61/424,006호를 우선권으로 주장하는 2011년 02월 28일자 출원된 미국 출원 번호 제13/036,273호를 우선권으로 주장하며, 이들의 전체 내용들은 인용에 의해 본원에 포함된다.
본 발명의 실시예들은 Ⅲ족-질화물 물질들의 분야에 관한 것으로, 특히, 물리 기상 증착(PVD)으로 형성된 알루미늄 질화물 버퍼 층들을 갖는 갈륨 질화물-기반 발광 다이오드(LED)들의 제조에 관한 것이다.
Ⅲ-Ⅴ족 물질들은 반도체 및 관련된, 예를 들면, 발광 다이오드(LED) 산업들에서 끊임없이 증가하는 역할을 하고 있다. 종종, Ⅲ-Ⅴ족 물질들은, 결함들 또는 균열(crack)들을 형성하지 않으면서 이종 기판들(foreign substrate) 상에 성장 또는 증착하는 것(헤테로에피택시(heteroepitaxy)로 알려짐)이 곤란하다. 예를 들면, 선택 막들, 예를 들면, 갈륨 질화물 막의 고품질의 표면을 유지(preservation)하는 것은, 순차적으로 제조되는 물질 층들의 스택들을 이용하는 많은 애플리케이션들에서 간단하지가 않다. 기판과 디바이스 층 사이에 하나 또는 둘 이상의 버퍼 층들을 포함시키는 것이 하나의 접근법이었다. 그러나, Ⅲ-Ⅴ족 물질들은 종종 프로세스 조건들에 민감하고, 제조 프로세스의 특정 기간들에서 이러한 조건들을 회피하도록 주의해야 한다. 그러나, 잠재적인 손상 조건들과 민감한 Ⅲ-Ⅴ족 막의 상호작용을 회피하는 것 또한 많은 애플리케이션들에서 간단하지가 않다.
본 발명의 실시예들은 물리 기상 증착(PVD)으로 형성된 알루미늄 질화물 버퍼 층들을 갖는 갈륨 질화물-기반 발광 다이오드(LED)들의 제조에 관한 것이다.
일 실시예에서, 멀티-챔버 시스템은 알루미늄으로 구성된 타겟을 갖는 물리 기상 증착(PVD) 챔버를 포함한다. 또한, 도핑되지 않은(un-doped) 또는 n-형 갈륨 질화물, 또는 이 둘 모두를 증착하도록 적응되는 챔버가 포함된다.
다른 실시예에서, 멀티-챔버 시스템은 알루미늄으로 구성된 타겟을 갖는 물리 기상 증착(PVD) 챔버를 포함한다. 제 1 유기 금속 화학 기상 증착(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD) 챔버가 또한 포함되는데, 이는 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물을 증착하기 위한 것이다. 제 2 MOCVD 챔버가 또한 포함되는데, 이는 다중 양자 우물(multiple quantum well, MQW) 구조를 증착하기 위한 것이다. 제 3 MOCVD 챔버가 또한 포함되는데, 이는 p-형 알루미늄 갈륨 질화물 또는 p-형 갈륨 질화물, 또는 이 둘 모두를 증착하기 위한 것이다.
다른 실시예에서, 발광 다이오드(LED) 구조를 제조하는 방법은 멀티-챔버 시스템의 물리 기상 증착(PVD) 챔버에서 기판 상에 알루미늄 질화물 층을 형성하는 단계를 포함한다. 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물 층이 멀티-챔버 시스템의 제 2 챔버에서 알루미늄 질화물 층 상에 형성된다.
도 1은 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시예들에 따른 벤치마크(benchmark) 클러스터 툴 개략도, 벤치마크 LED 구조, 및 벤치마크 시간-대-증착 플롯(plot)을 도시한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 클러스터 툴 개략도, 및 LED 구조 제조를 위한 대응하는 온도 대 시간 플롯을 도시한다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드(LED) 구조, 및 대응하는 시간-대-증착 플롯을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, PVD-형성된 알루미늄 질화물 버퍼 층을 갖는 갈륨 질화물-기반 광 LED를 제조하는 방법에서의 동작들을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, Ⅲ족-질화물 물질들의 제조에 적합한 MOCVD 챔버의 개략적 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, Ⅲ족-질화물 물질들의 제조에 적합한 HVPE 챔버의 개략적 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 금속화된 기판 상에 형성된 갈륨 질화물(GaN)-기반 발광 다이오드(LED)의 단면도를 도시한다.
물리 기상 증착(PVD)으로 형성된 알루미늄 질화물 버퍼 층을 갖는 갈륨 질화물-기반 발광 다이오드(LED)들의 제조에 대해 설명한다. 하기의 설명에서, 본 발명의 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해, 프로세스 챔버 구성들 및 물질 체제(material regime)들과 같은 많은 특정한 세부사항들이 설명된다. 본 발명의 실시예들이 이러한 특정한 세부사항들이 없이도 실시될 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 다른 예들에서, 특정 다이오드 구성들과 같은 잘-알려진 피쳐들은 본 발명의 실시예들을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 하기 위해 상세하게 설명되지 않는다. 게다가, 도면들에 도시된 다양한 실시예들은 예시적인 표현들이며 반드시 일정한 비율로 그려지지 않았다는 것을 이해해야 한다. 또한, 다른 배열들 및 구성들이 본원에서의 실시예들에서 명시적으로 개시되지 않을 수 있지만, 여전히 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 것으로 고려된다.
LED 제조 방법은, 도핑되지 않은 및/또는 도핑된 갈륨 질화물의 디바이스 층과 기판 사이에 갈륨 질화물의 버퍼 층을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 본원에서 설명되는 실시예들에서는, 도핑되지 않은 및 도핑된 갈륨 질화물의 디바이스 층과 기판 사이에, 이러한 갈륨 질화물 버퍼 층 대신에, 알루미늄 질화물 버퍼 층이 이용된다. 알루미늄 질화물 층은 PVD 프로세스에서 스퍼터 증착에 의해 형성될 수 있다. 이는, 전형적으로 유기 금속 화학 기상 증착(MOCVD) 챔버 또는 수소화물 기상 에피택시(hydride vapor phase epitaxy, HPVE) 챔버에서 수행되는 Ⅲ족-질화물 버퍼 층들의 제조와 대조적이다. 알루미늄 질화물 층은, PVD 챔버에 하우징된 알루미늄 질화물 타겟으로부터의 비-반응성(non-reactive) 스퍼터링에 의해 형성될 수 있거나, 또는 대안적으로는, PVD 챔버에 하우징되고 질소-기반 가스 또는 플라즈마와 반응되는 알루미늄 타겟으로부터의 반응성 스퍼터링에 의해 형성될 수 있다.
본원에서 설명되는 실시예들 중 하나 또는 둘 이상의 실시예들은 LED 제조를 위해 사용되는 멀티-챔버 제조 툴에서의 더 높은 처리량(throughput)을 가능하게 할 수 있다. 또한, 갈륨 질화물 버퍼 층 대신, PVD-형성된 알루미늄 질화물 층을 포함시킴으로써, 도핑되지 않은 및 도핑된 갈륨 질화물의 디바이스 층이 전반적으로 얇아질 수 있다. 특정 예에서, 도핑되지 않은 부분은 얇게 되거나 완전히 제거될 수 있다. 게다가, 사파이어 기판과 같은 수용 기판(receiving substrate)의 예비 스퍼터 세정이, 알루미늄 질화물 층을 증착하기 위해 사용된 것과 동일한 PVD 증착 챔버에서 수행될 수 있다. 또한, PVD 알루미늄 질화물 층이 섭씨 300도 미만의 온도들에서 형성될 수 있기 때문에, LED 제조의 전반적인 열 비용(thermal budget)이 감소될 수 있다. 그에 반하여, 전형적인 갈륨 질화물 버퍼 층은 섭씨 500-600도 사이에서 형성된다. 본원에서 설명되는 실시예들 중 하나 또는 둘 이상의 실시예들은, 도핑되지 않은 및/또는 n-형 도핑된 갈륨 질화물과 같은 물질들에 대하여 더 빠른 증착 속도들(deposition rates), 예를 들면, 2배의 성장률을 가능하게 할 수 있다. 일부 실시예들에서는, 도핑되지 않은 및/또는 n-형 도핑된 갈륨 질화물 층들은 알루미늄 질화물(AlN) 버퍼 층(이것은, 도핑되지 않은 및/또는 n-형 도핑된 갈륨 질화물 층들을 상부에 성장시키기 위한 정확한 결정 방위 및 형태적(morphological) 관계를 제공할 수 있다) 상에 형성되기 때문에, 더 빠른 속도들을 달성할 수 있다. 본원에서 설명되는 실시예들 중 하나 또는 둘 이상의 실시예들은, 설명되는 동작들 중에서 다수의 동작들이 클러스터 툴에서 인-시츄(in-situ)로 수행되기 때문에, 산화물 제거 동작들의 제거를 가능하게 할 수 있다. 본원에서 설명되는 실시예들 중 하나 또는 둘 이상의 실시예들은, PVD-형성된 알루미늄 질화물 버퍼 층 상에 갈륨 질화물을 형성함으로써 갈륨 질화물 결정 품질의 개선을 가능하게 할 수 있다.
PVD-형성된 알루미늄 질화물 버퍼 층들을 갖는 갈륨 질화물-기반 LED들을 제조하기 위한 시스템들이 본원에서의 하나 또는 둘 이상의 실시예들과 관련하여 설명된다. 일 실시예에서, 멀티-챔버 시스템은 금속 또는 알루미늄의 화합물로 구성된 타겟을 갖는 PVD 챔버를 포함한다. 멀티-챔버 시스템은 또한, 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물, 또는 이 둘 모두를 증착하도록 적응되며 그리고 다중 양자 우물 층들 및 p-형 도핑된 갈륨 질화물 층들과 같은 다른 디바이스 층들을 위한 챔버들을 포함한다.
또한, PVD-형성된 알루미늄 질화물 버퍼 층들을 갖는 갈륨 질화물-기반 LED들을 제조하는 방법들이 본원에서의 하나 또는 둘 이상의 실시예들과 관련하여 설명된다. 일 실시예에서, LED 구조를 제조하는 방법은 멀티-챔버 시스템의 PVD 챔버에서 기판 상에 알루미늄 질화물 층을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 멀티-챔버 시스템의 제 2 챔버에서 알루미늄 질화물 층 상에 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물 층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들은 현재 설명되고 있는 시스템들 및 방법론들의 연구(studies) 동안 개발된 벤치마크 시스템 또는 방법론에 대한 개선들을 제공할 수 있다. 예를 들면, 도 1은 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시예들에 따른 벤치마크 클러스터 툴 개략도, 벤치마크 LED 구조, 및 벤치마크 시간-대-증착 플롯을 도시한다.
도 1을 참조하면, 벤치마크 클러스터 툴(100)은 도핑되지 않은 및/또는 n-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(102)(MOCVD1: u-GaN/n-GaN), 다중 양자 우물(MQW) MOCVD 반응 챔버(104)(MOCVD2: MQW), 및 p-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(106)(MOCVD3: p-GaN)를 포함한다. 벤치마크 클러스터 툴(100)은 또한 로드락(load lock)(108), 캐리어 카세트(110), 및 고용적 애플리케이션들을 위한 선택적인 추가의 도핑되지 않은 및/또는 n-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(112)를 포함할 수 있고, 이들 모두는 도 1에 도시되어 있다.
벤치마크 LED 구조(120)는 다양한 물질 층들의 스택을 포함하며, 이들 중 많은 물질 층들은 Ⅲ-Ⅴ족 물질들을 포함한다. 예를 들면, 벤치마크 LED 구조(120)는 실리콘 또는 사파이어 기판(122)(기판 : 사파어이, Si), 20 나노미터 두께의 버퍼 층(124)(LT 버퍼), 및 대략 4 미크론 두께의 도핑되지 않은/n-형 갈륨 질화물 조합 층(126)(u-GaN/n-GaN)을 포함한다. 버퍼 층(124)은 비교적 낮은 프로세싱 온도들에서 형성되는 갈륨 질화물 층일 수 있다. 버퍼 층(124) 및 도핑되지 않은/n-형 갈륨 질화물 조합 층(126)은 벤치마크 클러스터 툴(100)의 도핑되지 않은 및/또는 n-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(102)에서 형성된다. 벤치마크 LED 구조(120)는 또한 30-500 나노미터 범위의 두께를 갖는 MQW 구조(128)를 포함한다. MQW 구조(128)는 벤치마크 클러스터 툴(100)의 MQW MOCVD 반응 챔버(104)에서 형성된다. 벤치마크 LED 구조(120)는 또한 대략 20 나노미터 두께의 p-형 갈륨 알루미늄 질화물 층(130)(p-AlGaN) 및 50-200 나노미터 범위의 두께를 갖는 p-형 갈륨 질화물 층(132)(p-GaN)을 포함한다. p-형 갈륨 알루미늄 질화물 층(130) 및 p-형 갈륨 질화물 층(132)은 벤치마크 클러스터 툴(100)의 p-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(106)에서 형성된다.
벤치마크 시간-대-증착 플롯(140)은 벤치마크 클러스터 툴(100)에서의 챔버 사용을 나타낸다. MQW MOCVD 반응 챔버(104)에서의 MQW 구조(128)의 형성은 대략 2 시간의 성장 시간을 갖는다. 그리고, p-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(106)에서의 p-형 갈륨 알루미늄 질화물 층(130) 및 p-형 갈륨 질화물 층(132)의 형성은 대략 1 시간의 성장 시간을 갖는다. 한편, 도핑되지 않은 및/또는 n-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(102)에서의 버퍼 층(124) 및 도핑되지 않은/n-형 갈륨 질화물 조합 층(126)의 형성은 대략 3.5 시간의 성장 시간을 갖는다. 챔버(102)의 챔버 세정을 위해, 추가의 대략 1 시간이 요구될 수 있다. 따라서, 전반적으로, 벤치마크 클러스터 툴(100)에서 벤치마크 LED 구조(120)를 제조하기 위한 사이클 시간(cycle time)은 도핑되지 않은 및/또는 n-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(102)의 사이클 시간에 의해 좌우되는데(dictated), 이는 대략 4.5 시간이다. 세정 시간은 정지(shut down)를 위한 시간, 더하기(plus) 세정 시간, 더하기 복구 시간을 포함할 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다는 것을 이해해야 한다. 또한, 세정이 매 챔버 사용 사이에서 수행되지 않을 수도 있기 때문에, 상기 말한 것(above)은 평균을 나타낼 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 1과 관련하여 설명된 바와 같이, 도핑되지 않은 및/또는 n-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(102)에서의 버퍼 층(124) 및 도핑되지 않은/n-형 갈륨 질화물 조합 층(126)의 형성에 특정한 LED 물질 증착을 위한 벤치마크 타이밍 시퀀스가 하기에서 제공된다. 예를 들면, 대략 3.5 시간의 성장 시간은, 10 분의 사파이어 기판의 고온 처리, 5 분의 버퍼 층의 저온 형성, 10 분의 버퍼 어닐링 동작, 30 분의 성장 복구 동작, 2 시간의 도핑되지 않은/n-형 갈륨 질화물 조합 층 형성 동작, 및 30 분의 온도 램핑(ramp) 및 안정화 동작(예를 들면, 온도 램핑 2-3℃/초)으로 나누어진다.
도 1과 관련하여 설명된 벤치마크 시스템들 및 방법론들과 관련하여, 벤치마크 접근법은 LED의 각각의 기능 층에 대한 불균형한 시간 흐름을 초래할 수 있다. 예를 들면, 도핑되지 않은 및/또는 n-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(102)에서의 버퍼 층(124) 및 도핑되지 않은/n-형 갈륨 질화물 조합 층(126)의 형성은 3.5 시간이고, MQW MOCVD 반응 챔버(104)에서의 MQW 구조(128)의 형성은 2 시간이며, p-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(106)에서의 p-형 갈륨 알루미늄 질화물 층(130) 및 p-형 갈륨 질화물 층(132)의 형성은 1 시간이다. 게다가, 위에서 언급된 바와 같이, 도핑되지 않은 및/또는 n-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(102)에서의 런(run)들 사이에서, 챔버 세정의 추가의 대략 1시간(가능하게는 펌프-다운(pump-down) 시간들을 포함함)이 요구될 수 있다. 이러한 추가의 챔버 세정은 기판 오염을 막기 위해 요구될 수 있다. 이와 같이, 3개의 MOCVD 챔버들에 의한 구조(120)의 점진적인 성장은 MQW MOCVD 반응 챔버(104) 및 p-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(106)에 대한 상당한 유휴 시간(idle time)을 초래함으로써, 시스템(100)의 전체 처리량을 감소시킨다.
본 발명의 일 양상에서, LED 구조들을 제조하기 위한 클러스터 시스템의 처리량은, 상기 설명된 MOCVD 물질 성장 능력들 또는 동작들 중 하나 또는 하나의 일부를 PVD 스퍼터링 증착 능력 또는 동작으로 대체함으로써 개선될 수 있다. 예를 들면, 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 클러스터 툴 개략도 및 LED 구조 제조를 위한 대응하는 온도 대 시간 플롯을 도시한다. 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구조 및 대응하는 시간-대-증착 플롯을 도시한다.
도 2a를 참조하면, 클러스터 툴(200)은 PVD 알루미늄 질화물 스퍼터 챔버(202)(PVD AlN), 도핑되지 않은 및/또는 n-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(204)(MOCVD1: u-GaN/n-GaN), 다중 양자 우물(MQW) MOCVD 반응 챔버(206)(MOCVD2: MQW), 및 p-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(208)(MOCVD3: p-GaN)를 포함한다. 클러스터 툴(200)은 또한 로드락(210), 캐리어 카세트(212), 및 이송 챔버(214)를 포함할 수 있고, 이들 모두는 도 2a에 도시되어 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 멀티-챔버 시스템은 금속 또는 알루미늄 화합물의 타겟을 갖는 PVD 챔버, 및 도핑되지 않은 및/또는 n-형 갈륨 질화물, 또는 이 둘 모두를 증착하도록 적응된 챔버를 포함한다. 일 실시예에서, PVD 챔버의 타겟은 알루미늄 질화물로 구성된다. 이러한 실시예에서는, 타겟이 증착을 위해 요구되는 것과 동일한 물질로 구성되기 때문에, 반응성 스퍼터링이 사용될 필요가 없다. 그러나, 대안적인 실시예에서는, 알루미늄으로 구성된 타겟이 사용되며, 그리고 질소 소스에 의해 또는 질소 소스의 존재 하에서 알루미늄 타겟으로부터 알루미늄 질화물이 반응적으로 스퍼터링된다. 일 실시예에서, 도 2a에 도시된 바와 같이, 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물을 증착하도록 적응된 챔버는 MOCVD 챔버이다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물을 증착하도록 적응된 챔버는 수소화물 기상 에피택시(HVPE) 챔버이다. 일 실시예에서, PVD 챔버 및 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물을 증착하도록 적응된 챔버는, 도 2a에 도시된 바와 같이, 클러스터 툴 배열에 포함된다. 그러나, 대안적인 실시예에서, PVD 챔버 및 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물을 증착하도록 적응된 챔버는 인-라인(in-line) 툴 배열에 포함된다. 본원에서 설명되는 바와 같은 PVD에 기초한 증착 프로세스들은 대략 표준의 실온에 가까운 온도들에서 수행될 수 있거나, 또는 더 높은 온도들에서 수행될 수 있다.
도 2b를 참조하면, LED 구조(220)는 다양한 물질 층들의 스택을 포함하며, 이들 중 많은 물질 층들은 Ⅲ-Ⅴ족 물질들을 포함한다. 예를 들면, LED 구조(220)는 실리콘 또는 사파이어 기판(222)(기판: 사파이어, Si) 및 대략 10-200 나노미터 범위의 두께를 갖는 알루미늄 질화물 층(224)(AlN)을 포함한다. 알루미늄 질화물 층(224)은 클러스터 툴(200)의 PVD 알루미늄 질화물 스퍼터 챔버(202)에서 스퍼터 증착에 의해 형성된다. LED 구조(220)는 또한 대략 4 미크론 두께의 도핑되지 않은/n-형 갈륨 질화물 조합 또는 n-형 갈륨 질화물-만의(gallium nitride-only) 층(226)(n-GaN)을 포함한다. 도핑되지 않은/n-형 갈륨 질화물 조합 또는 n-형 갈륨 질화물-만의 층(226)은 클러스터 툴(200)의 도핑되지 않은 및/또는 n-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(204)에서 형성된다. LED 구조(220)는 또한 30-500 나노미터 범위의 두께를 갖는 MQW 구조(228)를 포함한다. MQW 구조(228)는 클러스터 툴(200)의 MQW MOCVD 반응 챔버(206)에서 형성된다. 일 실시예에서, MQW 구조(228)는 하나 또는 복수의 필드(field) 쌍들의 InGaN 우물/GaN 배리어 물질 층들로 구성된다. LED 구조(220)는 또한 대략 20 나노미터 두께의 p-형 갈륨 알루미늄 질화물 층(230)(p-AlGaN) 및 50-200 나노미터 범위의 두께를 갖는 p-형 갈륨 질화물 층(232)(p-GaN)을 포함한다. p-형 갈륨 알루미늄 질화물 층(230) 및 p-형 갈륨 질화물 층(232)은 클러스터 툴(200)의 p-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(208)에서 형성된다. 상기의 두께들 또는 두께 범위들은 예시적인 실시예들이고, 다른 적합한 두께들 또는 두께 범위들이 또한 본 발명의 실시예들의 사상 및 범위 내에서 고려된다는 것을 이해해야 한다.
시간-대-증착 플롯(240)은 클러스터 툴(200)에서의 챔버 사용을 나타낸다. MQW MOCVD 반응 챔버(206)에서의 MQW 구조(228)의 형성은 대략 2 시간의 성장 시간을 갖는다. p-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(208)에서의 p-형 갈륨 알루미늄 질화물 층(230) 및 p-형 갈륨 질화물 층(232)의 형성은 대략 1 시간의 성장 시간을 갖는다. 그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도핑되지 않은 및/또는 n-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(204)에서의 도핑되지 않은/n-형 갈륨 질화물 조합 또는 n-형 갈륨 질화물-만의 층(226)의 형성은 단지 대략 2 시간의 성장 시간을 갖는다. 챔버(204)의 챔버 세정을 위해, 추가의 대략 1 시간이 요구될 수 있다. 그러나, 세정 시간은 정지를 위한 시간, 더하기 세정 시간, 더하기 복구 시간을 포함할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 세정이 매 챔버 사용 사이에서 수행되지 않을 수도 있기 때문에, 상기 말한 것은 평균을 나타낼 수 있다는 것을 이해해야 한다.
따라서, 갈륨 질화물 층(126)을 형성하기 위해 사용되는 MOCVD 챔버에서, 도 1의 버퍼 층(124)과 같은 버퍼 층을 형성하는 대신에, 알루미늄 질화물 버퍼 층(224)이 대신 포함되고, 다른 챔버, 특히 PVD 알루미늄 질화물 스퍼터 챔버(202)에서 형성된다. 비록 AlN 성장이 펌프 시간(대략 400 torr에서 대략 10-8 torr까지)을 제외하고 대략 5 분의 지속기간(duration) 동안 이루어질 수 있기는 하지만, MOCVD 챔버 1과 분리된 챔버에서의 형성은 클러스터 툴(200)의 처리량을 증가시킨다. 예를 들면, 전반적으로, 클러스터 툴(200)에서 LED 구조(220)를 제조하기 위한 사이클 시간은 도핑되지 않은 및/또는 n-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(204)의 사이클 시간에 의해 다시 한번 좌우되는데, 이는 4.5 시간의 벤치마크 시스템에 비해 대략 3 시간으로 감소된다. 이와 같이, 3개의 MOCVD 챔버들에 더하여 하나의 PVD 챔버에 의한 구조(220)의 점진적인 성장은, MQW MOCVD 반응 챔버(206) 및 p-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(208)에 대한 훨씬 적은 유휴 시간을 초래함으로써, 시스템(200)의 전체 처리량을 개선한다. 예를 들면, 일 실시예에서, 툴 처리량은 하루당 대략 5.3 런(run)들에서 하루당 대략 8 런들로 개선됨으로써, 대략 50%의 처리량 개선을 나타낸다.
도 2a를 다시 참조하면, 클러스터 툴(200)에서의 LED 구조 제조에 대한 대표적인 온도 대 시간 플롯(250)이 제공된다. 플롯(250)의 영역(region)(252)은 도핑되지 않은 및/또는 n-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(204)에서 형성되는 도핑되지 않은/n-형 갈륨 질화물 조합 또는 n-형 갈륨 질화물-만의 층(226)의 형성에 대해 특정된다. 이러한 영역에서는, 단지 한번의 온도 램핑(대략 섭씨 1100도로부터 대략 섭씨 400도까지의 램핑 다운)이 필요하다. 이러한 단일 램핑 이벤트 요건은, 위에서 설명된 바와 같은, 도핑되지 않은 및/또는 n-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(102)에서의 버퍼 층(124) 및 도핑되지 않은/n-형 갈륨 질화물 조합 층(126)의 형성을 위한 타이밍 시퀀스와 극명히 대조적이다. 그러한 경우, 챔버는 기판 처리를 위한 고온에서 시작되고, 버퍼 층 제조를 위한 온도로 램핑 다운되고, 갈륨 질화물 증착을 위한 온도로 다시 램핑 업되고, 그리고 안정화를 위해 마지막으로 다시 램핑 다운된다. 그러나, 이 두 경우들에서, MQW 및 p-GaN의 형성에 특정한 플롯(250)의 영역(254 및 256)은 대략적으로 동일하게 될 것임을 주목한다. 실시예에서, 플롯(250)의 영역(258)을 참조하면, PVD-형성된 알루미늄 질화물에 대한 온도 대 시간 플롯은, 대략 섭씨 20-1200도 범위에서, 고온(HT) 프로세스 또는 저온(LT) 프로세스를 포함할 수 있다.
클러스터 툴(200)에 대한 처리량 개선 이외에, PVD 챔버 더하기 3개의 MOCVD 챔버 툴 배열에 대한 추가적인 이득들이 있을 수 있다. 예를 들면, 더 적은 반응 가스가 제 1 MOCVD 챔버로 전달될 필요가 있을 수 있기 때문에, 비용 절감을 달성할 수 있다. PVD 챔버 기술(engineering) 및 설계는, 벤치마크 클러스터 툴(100)의 챔버(102)와 같은, 버퍼 층과 디바이스 층 모두에 전용되는 MOCVD 챔버에 대한 구성 시간 및 복잡성과 비교하여 더 간단할 수 있다. 상기 프로세스가 디바이스 층(226)의 도핑되지 않은 갈륨 질화물 부분에 대한 감소된 두께를 가능하게 하는 경우, 더 간단한 다운-더-라인(down-the-line) 에치백 프로세스들(etch-back processes)이 수행될 수 있다. 이는 또한 사이클 시간을 줄이면서 물질 및 동작 비용의 절감을 가능하게 할 수 있다. 또한, 갈륨 질화물 버퍼 층 대신에 알루미늄 질화물 버퍼 층을 이용함으로써, LED 디바이스와 같은 디바이스의 액티브 층들(active layers)에서의 감소된 결함도(defectivity)를 달성할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 멀티-챔버 시스템은 알루미늄 질화물 타겟을 갖는 PVD 챔버, 및 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물을 증착하기 위한 제 1 MOCVD 챔버를 포함한다. 멀티-챔버 시스템은 또한 다중 양자 우물(MQW) 구조를 증착하기 위한 제 2 MOCVD 챔버, 및 p-형 알루미늄 갈륨 질화물 또는 p-형 갈륨 질화물, 또는 이 둘 모두를 증착하기 위한 제 3 MOCVD 챔버를 포함한다. 일 실시예에서, 알루미늄 질화물 타겟을 갖는 PVD 챔버는 알루미늄 질화물의 비-반응성 스퍼터링을 위한 것이다. 이러한 특정의 실시예에서, PVD 챔버는 대략 섭씨 20-200도 범위의 낮은 또는 약간 높은(elevated) 온도에서의 알루미늄 질화물의 비-반응성 스퍼터링을 위한 것이다. 이러한 다른 특정의 실시예에서, PVD 챔버는 대략 섭씨 200-1200도 범위의 고온에서의 알루미늄 질화물의 비-반응성 스퍼터링을 위한 것이다.
증착 온도와 상관없이, LED 구조(220)에 포함시키기에 적합한, PVD로 증착된 알루미늄 질화물 층이, 필수의 물질 특성들(예를 들면, 적절한 결함 밀도, 결정 입자 크기, 결정 방위 등)을 달성하기 위해, 어떠한 시점(point)에서, 대략 섭씨 400-1400도 범위의 고온, 예를 들면, 약 섭씨 900도에 노출될 필요가 있을 수 있는 경우가 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 알루미늄 질화물 층 상에 추가의 층들을 제조하기 전에, PVD로 증착된 알루미늄 질화물 층 상에서 급속 열 처리(RTP) 프로세스가 수행된다. 그런 다음, RTP 챔버는, 어떠한 방식으로, LED 구조(220)에 대해 상기 설명된 제조 프로세스와 연관될 수 있다. 일 실시예에서, PVD 및 3개의 MOCVD 챔버들을 포함하는 인-라인 툴 또는 클러스터 툴과 같은 툴은 또한 RTP 챔버를 포함한다. 그러나, 대안적인 실시예에서, RTP 프로세스는 PVD 챔버에서 수행된다. 다른 대안적인 실시예에서는, 레이저 어닐링 능력이 LED 구조(220)에 대해 상기 설명된 제조 프로세스와 연관된다.
본 발명의 다른 양상에서, PVD-형성된 알루미늄 질화물 버퍼 층들을 갖는 갈륨 질화물-기반 LED들을 제조하는 방법들이 제공된다. 예를 들면, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, PVD-형성된 알루미늄 질화물 버퍼 층을 갖는 갈륨 질화물-기반 광 LED를 제조하는 방법에서의 동작들을 나타내는 흐름도(300)이다.
흐름도(300)의 동작(302)을 참조하면, 방법은 PVD 챔버에서 기판 상에 알루미늄 질화물 층을 형성하는 단계를 포함한다. 예를 들면, 알루미늄 질화물 층은 클러스터 툴(200)의 챔버(202)와 같은 챔버에서 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 알루미늄 질화물 층을 형성하는 단계는 PVD 챔버에 하우징된 알루미늄 질화물 타겟으로부터 스퍼터링하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 알루미늄 질화물 층을 형성하는 단계는, 대략 섭씨 20-200도 범위의 낮은 또는 약간 높은 기판 온도에서 알루미늄 질화물 층의 형성을 수행하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 알루미늄 질화물 층을 형성하는 단계는 대략 섭씨 200-1200도 범위의 높은 기판 온도에서 알루미늄 질화물 층의 형성을 수행하는 단계를 포함한다.
흐름도(300)의 동작(304)을 참조하면, 상기 방법은 알루미늄 질화물 층 상에 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물 층을 형성하는 단계를 포함한다. 예를 들면, 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물 층은 클러스터 툴(200)의 챔버(204)와 같은 챔버에서 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물 층을 형성하는 단계는 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물 층의 형성을 MOCVD 챔버에서 수행하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물 층을 형성하는 단계는 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물 층의 형성을 HVPE 챔버에서 수행하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 상기 방법은, 알루미늄 질화물 층 상에 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물 층을 형성하는 단계 이전에, RTP 챔버에서 알루미늄 질화물 층을 어닐링하는 단계를 더 포함한다.
흐름도(300)의 동작(306)을 참조하면, 상기 방법은 또한, 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물 층 상에 MQW 구조를 형성하는 단계를 포함한다. 예를 들면, MQW 구조는 클러스터 툴(200)의 챔버(206)와 같은 챔버에서 형성될 수 있다. 일 실시예에서, MQW 구조는 하나 또는 복수의 필드 쌍들의 InGaN 우물/GaN 배리어 물질 층들로 구성된다.
흐름도(300)의 동작(308)을 참조하면, 상기 방법은 MQW 구조 상에 p-형 알루미늄 갈륨 질화물 또는 p-형 갈륨 질화물 층을 형성하는 단계를 더 포함한다. 예를 들면, p-형 알루미늄 갈륨 질화물 또는 p-형 갈륨 질화물 층은 클러스터 툴(200)의 챔버(208)와 같은 챔버에서 형성될 수 있다.
3개의 MOCVD 챔버들과 함께 PVD 챔버를 하우징하는 데에 적합한 툴 플랫폼들의 예시적인 실시예들은 Opus™ AdvantEdge™ 시스템 또는 Centura™ 시스템을 포함하며, 이들 둘 모두는 캘리포니아 산타클라라의 Applied Materials Inc.로부터 상업적으로 입수가능하다. 본 발명의 실시예들은 멀티-챔버의(multi-chambered) 프로세싱 플랫폼의 컴포넌트로서 통합 계측(IM; integrated metrology) 챔버를 더 포함한다. IM 챔버는, 도 3과 관련하여 상기 설명된 다수의 분할된(segmented) 스퍼터 또는 에피택셜 성장 프로세스들과 같은 통합 증착 프로세스들의 적응 제어를 허용하기 위한 제어 신호들을 제공할 수 있다. IM 챔버는 두께, 거칠기, 조성과 같은 다양한 막 특성들을 측정하는데 적합한 계측 장치를 포함할 수 있으며, 그리고 또한, 자동화된 방식으로 진공 하에서의 임계 치수들(CD; critical dimension), 측벽 각(SWA; sidewall angle), 피쳐 높이(HT; feature height)와 같은 격자 파라미터들(grating parameters)을 특징화(characterizing)할 수 있다. 예들은 반사 측정(reflectometry) 및 산란 측정(scatterometry)과 같은 광 기법들을 포함하지만, 이것으로 제한되지 않는다. 특히 유리한 실시예들에서는, 진공내(in-vacuo) 광학 CD (OCD) 기법들이 채용되는데, 여기에서는, 스퍼터 및/또는 에피택셜 성장이 진행됨에 따라, 시작 물질(starting material)에서 형성되는 격자의 속성들이 모니터링된다. 다른 실시예들에서, 계측 동작들은, 분리된 IM 챔버 보다는, 프로세스 챔버에서, 예를 들면, 프로세스 챔버에서 인-시츄로 수행된다.
클러스터 툴(200)과 같은 멀티-챔버의 프로세싱 플랫폼은, 로보틱 핸들러(robotic handler)를 포함하는 이송 챔버에 커플링되는, 카세트들을 지지하는 로드락 챔버들 뿐만 아니라, 선택적인 기판 정렬기 챔버(substrate aligner chamber)를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 멀티-챔버의 프로세싱 플랫폼(200)의 적응 제어는 제어기에 의해 제공된다. 제어기는, 다양한 서브프로세서들 및 서브제어기들을 제어하기 위해 산업 현장에서 사용될 수 있는 임의의 형태의 범용 데이터 프로세싱 시스템 중 하나일 수 있다. 일반적으로, 제어기는, 다른 공통 컴포넌트들 중에서, 메모리 및 입력/출력(I/O) 회로와 통신하는 중앙처리유닛(CPU)을 포함한다. 예로서, 제어기는, 흐름도(300)와 관련하여 설명된 방법을 포함하는, 본원에서 설명되는 방법들/프로세스들 중 임의의 것의 동작들 중 하나 또는 둘 이상을 수행하거나 또는 그렇지 않으면 개시(initiate)할 수 있다. 이러한 동작들을 수행 및/또는 개시하는 임의의 컴퓨터 프로그램 코드는 컴퓨터 프로그램 제품으로서 구현될 수 있다. 본원에서 설명되는 각 컴퓨터 프로그램 제품은 컴퓨터에 의해 판독가능한 매체(예를 들면, 플로피 디스크, 콤팩트 디스크, DVD, 하드 드라이브, 램덤 액세스 메모리 등)에 의해 운반(carry)될 수 있다.
본원에서 고려되는 툴 구성들 및 프로세스들을 위한 적합한 PVD 챔버들은, 캘리포니아 산타클라라의 Applied Materials Inc.로부터 상업적으로 입수가능한 Endura PVD 시스템을 포함할 수 있다. Endura PVD 시스템은, 낮은 소유 비용 및 높은 시스템 신뢰성 뿐만 아니라, 우수한 전자이동 저항 및 표면 형태를 제공한다. 이러한 시스템 내에서 수행되는 PVD 프로세스들은, 프로세스 캐버티(cavity) 내에서의 증착된 종(species)의 방향성 플럭스(directional flux)를 생성하는 필수의 압력들 및 적합한 타겟-대-웨이퍼 거리에서 그렇게(so) 행해질 수 있다. 인-라인 시스템들과 호환가능한 챔버들, 이를 테면 ARISTO 챔버(이것 또한 캘리포니아 산타클라라의 Applied Materials Inc.로부터 상업적으로 입수가능함)는, 자기 캐리어 이송 시스템 뿐만 아니라, 자동화된 로딩 및 언로딩 능력들을 제공함으로써, 상당히 감소된 사이클 시간들을 허용한다. 캘리포니아 산타클라라의 Applied Materials Inc.로부터 또한 상업적으로 입수가능한 AKT-PiVot 55KV PVD 시스템은 스퍼터링 증착을 위한 수직 플랫폼을 갖는다. AKT-PiVot 시스템의 모듈 아키텍쳐는 상당히 더 빠른 사이클 시간을 산출하며(deliver) 그리고 매우 다양한 구성들로 하여금 생산 효율(production efficiency)을 최대화할 수 있게 한다. 전형적인 인-라인 시스템들과 달리, AKT-PiVot의 병렬 프로세싱 능력은 각각의 막 층에 대한 상이한 프로세스 시간들에 의해 야기되는 병목들을 제거한다. 시스템의 클러스터형(cluster-like) 배열은 또한 개별적인 모듈 유지보수(maintenance) 동안 연속적인 동작을 허용한다. 포함되는 로터리 캐소드(rotary cathode) 기술은 종래의 시스템들과 비교하여 거의 3× 더 높은 타겟 이용을 가능하게 한다. PiVot 시스템의 증착 모듈들은, 동일한 결과들을 달성하기 위해 다른 시스템들에 대해 요구되는 50개까지의 기판들 보다는, 단지 하나의 기판을 이용한 타겟 컨디셔닝(target conditioning)을 가능하게 하는 예비-스퍼터 유닛(pre-sputter unit)을 특징으로 한다.
상기 설명된 MOCVD 챔버들(204, 206, 또는 208) 중 하나 또는 둘 이상으로서 사용하는 데에 적합할 수 있는 MOCVD 증착 챔버의 예가 도 4와 관련하여 도시되고 설명된다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 MOCVD 챔버의 개략적 단면도이다. 본 발명을 실시하도록 적응될 수 있는 예시적인 시스템들 및 챔버들은, 2006년 4월 14일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제11/404,516호 및 2006년 5월 5일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제11/429,022호에서 설명되며, 이들 모두는 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
도 4에 도시된 장치(4100)는 챔버(4102), 가스 전달 시스템(4125), 원격 플라즈마 소스(4126), 및 진공 시스템(4112)을 포함한다. 챔버(4102)는 프로세싱 용적(processing volume)(4108)을 둘러싸는 챔버 본체(4103)를 포함한다. 샤워헤드 조립체(4104)가 프로세싱 용적(4108)의 일단(one end)에 배치되고, 기판 캐리어(4114)가 프로세싱 용적(4108)의 타단(the other end)에 배치된다. 하부 돔(lower dome)(4119)이 하부 용적(4110)의 일단에 배치되고, 기판 캐리어(4114)가 하부 용적(4110)의 타단에 배치된다. 기판 캐리어(4114)가 프로세스 위치에 있는 것으로 도시되어 있지만, 하부 위치, 예를 들면, 기판들(4140)이 로딩되거나 언로딩될 수 있는 위치로 이동될 수 있다. 배기 링(4120)이 기판 캐리어(4114)의 주변부 둘레에 배치되어, 하부 용적(4110)에서 증착이 일어나는 것을 막는 것을 돕고, 그리고 또한 챔버(4102)로부터의 배기 가스들을 배기 포트들(4109)로 향하게 하는 것을 도울 수 있다. 하부 돔(4119)은, 기판들(4140)의 복사 가열(radiant heating)을 위해 광이 통과할 수 있도록 하기 위해, 고순도 석영과 같은 투명 물질로 이루어질 수 있다. 복사 가열은 하부 돔(4119) 아래에 배치된 복수의 내부 램프들(4121A) 및 외부 램프들(4121B)에 의해 제공될 수 있으며, 그리고 반사기들(4166)은 내부 및 외부 램프들(4121A, 4121B)에 의해 제공되는 복사 에너지에 대한 챔버(4102)의 노출을 제어하는 것을 돕는 데에 사용될 수 있다. 램프들의 추가 링들이 또한 기판(4140)의 더 미세한 온도 제어를 위해 사용될 수 있다.
기판 캐리어(4114)는 하나 또는 둘 이상의 오목부들(recesses)(4116)을 포함할 수 있으며, 이러한 오목부들 내에는 하나 또는 둘 이상의 기판들(4140)이 프로세싱 동안 배치될 수 있다. 기판 캐리어(4114)는 6개 또는 그 초과의 기판들(4140)을 운반할 수 있다. 일 실시예에서, 기판 캐리어(4114)는 8개의 기판들(4140)을 운반한다. 더 많거나 더 적은 기판들(4140)이 기판 캐리어(4114) 상에서 운반될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 전형적인 기판들(4140)은 사파이어, 실리콘 카바이드(sillicon carbide, SiC), 실리콘, 또는 갈륨 질화물(GaN)을 포함할 수 있다. 유리 기판들(4140)과 같은 다른 타입들의 기판들(4140)이 프로세싱될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 기판(4140)의 크기는 직경이 50㎜-100㎜의 범위이거나 또는 더 클 수 있다. 기판 캐리어(4114)의 크기는 200㎜ - 750㎜의 범위일 수 있다. 기판 캐리어(4114)는, SiC 또는 SiC-코팅된 그래파이트(graphite)를 포함하는 다양한 물질들로부터 형성될 수 있다. 다른 크기들의 기판들(4140)이, 본원에서 설명되는 프로세스들에 따라서 그리고 챔버(4102) 내에서 프로세싱될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 샤워헤드 조립체(4104)는 전형적인 MOCVD 챔버들에서 보다 더 많은 수의 기판들(4140) 및/또는 더 큰 기판들(4140)에 걸쳐서 더 균일한 증착을 허용할 수 있고, 그에 의해 기판(4140) 마다의 프로세싱 비용을 감소시키고 처리량을 증가시킨다.
기판 캐리어(4114)는 프로세싱 동안 축 주위로 회전할 수 있다. 일 실시예에서, 기판 캐리어(4114)는 약 2 RPM 내지 약 100 RPM으로 회전될 수 있다. 다른 실시예에서, 기판 캐리어(4114)는 약 30 RPM으로 회전될 수 있다. 기판 캐리어(4114)를 회전시키게 되면, 기판들(4140)의 균일한 가열 및 각 기판들(4140)에 대한 프로세싱 가스들의 균일한 노출을 제공하는 것을 돕는다.
복수의 내부 및 외부 램프들(4121A, 4121B)은 동심의 원들 또는 구역들(미도시)에 배열될 수 있고, 각 램프 구역은 개별적으로 전력을 공급받을 수 있다. 일 실시예에서, 고온계들(미도시)과 같은 하나 또는 둘 이상의 온도 센서들이 기판들(4140) 및 기판 캐리어(4114)의 온도들을 측정하기 위해 샤워헤드 조립체(4104) 내에 배치될 수 있으며, 그리고 온도 데이터는 제어기(미도시)에 전송될 수 있고, 제어기는 기판 캐리어(4114)에 걸쳐서 미리 결정된 온도 프로파일을 유지하기 위해 개별적인 램프 구역들에 대한 전력을 조정할 수 있다. 다른 실시예에서는, 전구체 유동 또는 전구체 농도 비-균일성을 보상하기 위해, 개별적인 램프 구역들에 대한 전력이 조정될 수 있다. 예를 들면, 전구체 농도가 외부 램프 구역 근처의 기판 캐리어(4114) 영역에서 더 낮은 경우, 이러한 영역에서의 전구체 고갈(depletion)을 보상하는 것을 돕기 위해 외부 램프 구역에 대한 전력이 조정될 수 있다.
내부 및 외부 램프들(4121A, 4121B)은 기판들(4140)을 약 섭씨 400도 내지 약 섭씨 1200도의 온도로 가열할 수 있다. 본 발명은 내부 및 외부 램프들(4121A, 4121B)의 어레이들을 사용하는 것으로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 챔버(4102) 및 이 챔버 내의 기판들(4140)에 적합한 온도가 적절하게 인가되도록 보장하기 위해, 임의의 적합한 가열 소스가 이용될 수 있다. 예를 들면, 다른 실시예에서, 가열 소스는, 기판 캐리어(4114)와 열 접촉하는 저항성 가열 엘리먼트들(미도시)을 포함할 수 있다.
가스 전달 시스템(4125)은 복수의 가스 소스들을 포함할 수 있거나, 실행되고 있는 프로세스에 따라, 소스들의 일부는 가스들 보다는 액체 소스들일 수 있는데, 이 경우, 가스 전달 시스템은 액체를 기화시키기 위해 액체 분사 시스템(liquid injection system) 또는 다른 수단들(예를 들면, 버블러(bubbler))을 포함할 수 있다. 그런 다음, 증기는, 챔버(4102)에 전달되기 전에, 캐리어 가스와 혼합될 수 있다. 전구체 가스들, 캐리어 가스들, 퍼지 가스들, 세정/식각 가스들 또는 다른 것들과 같은 상이한 가스들이, 가스 전달 시스템(4125)으로부터 개별적인 공급 라인들(4131, 4132 및 4133) 및 샤워헤드 조립체(4104)로 공급될 수 있다. 공급 라인들(4131, 4132 및 4133)은, 각 라인에서의 가스의 유동을 모니터링 및 조절 또는 차단하기 위해, 차단 밸브들(shut-off valves) 및 질량 유동 제어기들 또는 다른 유형들의 제어기들을 포함할 수 있다.
도관(4129)은 원격 플라즈마 소스(4126)로부터 세정/식각 가스들을 받을 수 있다. 원격 플라즈마 소스(4126)는 가스 전달 시스템(4125)으로부터 공급 라인(4124)을 통하여 가스들을 받을 수 있고, 밸브(4130)가 샤워헤드 조립체(4104)와 원격 플라즈마 소스(4126) 사이에 배치될 수 있다. 밸브(4130)는, 세정 및/또는 식각 가스 또는 플라즈마가, 플라즈마를 위한 도관으로서 기능하도록 적응될 수 있는 공급 라인(4133)을 통하여 샤워헤드 조립체(4104) 내로 유동할 수 있도록 개방될 수 있다. 다른 실시예에서, 장치(4100)는 원격 플라즈마 소스(4126)를 포함하지 않을 수 있고, 세정/식각 가스들은 샤워헤드 조립체(4104)로의 교대적(alternate) 공급 라인 구성들을 이용하여 비-플라즈마 세정 및/또는 식각을 위해 가스 전달 시스템(4125)으로부터 전달될 수 있다.
원격 플라즈마 소스(4126)는 챔버(4102)의 세정 및/또는 기판들(4140)의 식각을 위해 적응되는 무선 주파수 또는 마이크로파 플라즈마 소스일 수 있다. 세정 및/또는 식각 가스가 공급 라인(4124)을 통하여 원격 플라즈마 소스(4126)에 공급되어, 플라즈마 종을 생성하는데, 이러한 플라즈마 종은 샤워헤드 조립체(4104)를 통한 챔버(4102) 내로의 분산(dispersion)을 위해 도관(4129) 및 공급 라인(4133)을 통하여 보내질 수 있다. 세정 애플리케이션을 위한 가스들은 불소, 염소 또는 다른 반응성 원소들을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서는, Ⅲ-Ⅴ족 막들과 같은 CVD 층들을, 예를 들면 기판들(4140) 상에 증착하도록 샤워헤드 조립체(4104)를 통하여 보내질 수 있는 플라즈마 종을 생성하기 위해 전구체 가스들이 원격 플라즈마 소스(4126)에 공급될 수 있도록, 가스 전달 시스템(4125) 및 원격 플라즈마 소스(4126)가 적합하게 적응될 수 있다.
샤워헤드 조립체(4104)로부터 및/또는 기판 캐리어(4114) 아래에서 챔버 본체(4103)의 바닥 근처에 배치되는 유입 포트들 또는 튜브들(미도시)로부터, 퍼지 가스(예를 들면, 질소)가 챔버(4102) 내로 전달될 수 있다. 퍼지 가스는 챔버(4102)의 하부 용적(4110)으로 진입하여, 위쪽으로 기판 캐리어(4114) 및 배기 링(4120)을 지나, 환형 배기 채널(4105) 부근에 배치된 복수의 배기 포트(4109) 내로 유동한다. 배기 도관(4106)은 진공 펌프(미도시)를 포함하는 진공 시스템(4112)에 환형 배기 채널(4105)을 연결한다. 챔버(4102)의 압력은, 배기 가스들이 환형 배기 채널(4105)로부터 끌어당겨지는(drawn) 속도를 제어하는 밸브 시스템(4107)을 이용하여 제어될 수 있다.
상기 설명된 챔버(204)의 대안적인 실시예들의 HVPE 챔버(204)로서 사용하기에 적합할 수 있는 HVPE 증착 챔버의 예가 도 5와 관련하여 도시되고 설명된다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, Ⅲ족 질화물 물질들의 제조를 위해 적합한 HVPE 챔버(500)의 개략적 단면도이다.
장치(500)는 리드(504)에 의해 둘러싸인 챔버(502)를 포함한다. 제 1 가스 소스(510)로부터의 프로세싱 가스는 가스 분배 샤워헤드(506)를 통하여 챔버(502)로 전달된다. 일 실시예에서, 가스 소스(510)는 질소 함유 화합물을 포함한다. 다른 실시예에서, 가스 소스(510)는 암모니아를 포함한다. 일 실시예에서, 헬륨 또는 이원자 질소(diatomic nitrogen)와 같은 불활성 가스가 또한 가스 분배 샤워헤드(506)를 통하여 또는 챔버(502)의 벽들(508)을 통하여 도입된다. 에너지 소스(512)가 가스 소스(510)와 가스 분배 샤워헤드(506) 사이에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 에너지 소스(512)는 가열기(heater)를 포함한다. 에너지 소스(512)는, 질소 함유 가스로부터의 질소가 더 반응적이도록, 가스 소스(510)로부터의 가스(이를 테면, 암모니아)를 분해(break)할 수 있다.
제 1 소스(510)로부터의 가스와 반응하기 위해, 하나 또는 둘 이상의 제 2 소스들(518)로부터 전구체 물질이 전달될 수 있다. 전구체는, 전구체 소스(518)에서의 전구체 위에 및/또는 이러한 전구체를 통하여 반응성 가스를 유동시킴으로써 챔버(502)에 전달될 수 있다. 일 실시예에서, 반응성 가스는 이원자 염소(diatomic chlorine)와 같은 염소 함유 가스를 포함한다. 염소 함유 가스는 전구체 소스와 반응하여 염화물을 형성할 수 있다. 전구체와 반응하도록 염소 함유 가스의 유효성(effectiveness)을 증가시키기 위해, 염소 함유 가스는 챔버(532)에서의 보트 영역을 통하여 굽이치며 나아갈 수 있고(snaking) 그리고 저항성 가열기(520)에 의해 가열될 수 있다. 염소 함유 가스가 챔버(532)를 통하여 굽이치며 나아가는 체류 시간(residence time)을 증가시킴으로써, 염소 함유 가스의 온도가 제어될 수 있다. 염소 함유 가스의 온도를 증가시킴으로써, 염소는 전구체와 더 빠르게 반응할 수 있다. 다시 말하면, 온도는 염소와 전구체 사이의 반응을 위한 촉매이다.
전구체의 반응성을 증가시키기 위해, 전구체는 보트에서 제 2 챔버(532) 내의 저항성 가열기(520)에 의해 가열될 수 있다. 그런 다음, 염화물 반응 생성물이 챔버(502)에 전달될 수 있다. 반응성의 염화물 생성물은 먼저 튜브(522)에 진입하여, 튜브(522) 내에서 균등하게 분배된다. 튜브(522)는 다른 튜브(524)에 연결된다. 염화물 반응 생성물은, 그것이 제 1 튜브(522) 내에서 균일하게 분배된 후, 제 2 튜브(524)로 진입한다. 이후, 염화물 반응 생성물은 챔버(502) 내로 진입하여 질소 함유 가스와 혼합됨으로써, 서셉터(susceptor)(514) 상에 배치되는 기판(516) 상에 질화물 층을 형성한다. 일 실시예에서, 서셉터(514)는 실리콘 카바이드를 포함한다. 질화물 층은, 예를 들면, n-형 갈륨 질화물을 포함할 수 있다. 질소 및 염소와 같은 다른 반응 생성물들은 배기구(526)를 통하여 배기된다.
상기 설명된 접근법들 및 멀티-챔버 배열들은 단일 PVD 증착 동작 또는 단일 PVD 증착 챔버로 제한되지 않는다. 예를 들면, PVD 알루미늄 질화물의 형성 이전에, PVD 텅스텐 막이 형성되어, 금속화된 기판을 효과적으로 제공할 수 있다. 예를 들면, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 금속화된 기판 상에 형성되는 갈륨 질화물(GaN)-기반 발광 다이오드(LED)의 단면도를 도시한다.
도 6을 참조하면, LED 구조(600)는 다양한 물질 층들의 스택을 포함하며, 이들 중 많은 물질 층들은 Ⅲ-Ⅴ족 물질들을 포함한다. 예를 들면, LED 구조(600)는 실리콘 또는 사파이어 기판(602)(기판: 사파이어, Si) 및 대략 10-200나노미터 두께의 텅스텐 층(604)(PVD-W)을 포함한다. 또한, LED 구조(600)는 얇은, 예를 들면, 대략 25나노미터 미만의 알루미늄 질화물 층(606)(예를 들면, PVD AlN)을 포함한다. 알루미늄 질화물 층(606)은 클러스터 툴(200)의 PVD 알루미늄 질화물 스퍼터링 챔버(202)에서 저온 또는 고온 스퍼터 증착에 의해 형성될 수 있다. LED 구조(600)는 또한 대략 4 미크론 두께의 도핑되지 않은/n-형 갈륨 질화물 조합 또는 n-형 갈륨 질화물-만의 층(608)(n-GaN)을 포함한다. 도핑되지 않은/n-형 갈륨 질화물 조합 또는 n-형 갈륨 질화물-만의 층(608)은 클러스터 툴(200)의 도핑되지 않은 및/또는 n-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(204)에서 형성될 수 있다. 150-300나노미터 범위의 두께를 갖는 MQW 구조(610)가 또한 포함된다. MQW 구조(610)는 클러스터 툴(200)의 MQW MOCVD 반응 챔버(206)에서 형성될 수 있다. 일 실시예에서, MQW 구조(610)는 하나 또는 복수의 필드 쌍들의 InGaN 우물/GaN 배리어 물질 층들로 구성된다. LED 구조(600)는 또한 대략 20 나노미터 두께의 p-형 갈륨 알루미늄 질화물 층(612)(p-AlGaN) 및 50-200 나노미터 범위의 두께를 갖는 p-형 갈륨 질화물 층(614)(p-GaN)을 포함한다. p-형 갈륨 알루미늄 질화물 층(612) 및 p-형 갈륨 질화물 층(614)은 클러스터 툴(200)의 p-형 갈륨 질화물 MOCVD 반응 챔버(208)에서 형성될 수 있다. 상기의 두께들 또는 두께 범위들은 예시적인 실시예들이고, 다른 적합한 두께들 또는 두께 범위들이 또한 본 발명의 실시예들의 사상 및 범위 내에서 고려된다는 것을 이해해야 한다.
일 실시예에서, 텅스텐 층(604)은 알루미늄 질화물 층(606)을 형성하는 데에 사용되는 PVD 프로세스와 별개의 PVD 프로세스에 의해 형성된다. 예를 들면, 일 실시예에서, 흐름도(300)와 관련하여 설명된 방법은, 알루미늄 질화물 층을 형성하는 단계 이전에, 텅스텐 타겟을 갖는 제 2 PVD 챔버에서 기판 상에 텅스텐(W) 층을 형성하는 단계를 더 포함한다. 일 실시예에서, 멀티-챔버 시스템(200)과 관련하여 설명된 가능한 시스템들(인-라인 또는 클러스터) 중 하나 또는 둘 이상은, 텅스텐(W) 타겟이 내부에 하우징되어 있는 제 2 PVD 챔버를 더 포함한다. 대안적인 실시예에서, 단일 PVD 챔버는 알루미늄 질화물 타겟과 텅스텐 타겟 둘 모두를 하우징한다. 이러한 하나의 실시예에서는, 단일 PVD 챔버를 사용하여, 텅스텐 층(604)과 알루미늄 질화물 층(606) 모두를 순차적으로 증착한다.
수용 기판과 PVD 알루미늄 층 사이에, PVD로 증착된 텅스텐 층과 같은 금속 층을 포함시킴으로써, 그렇지 않으면 알루미늄 질화물 층과 수용 기판의 근접함(proximity)의 결과로서 존재하는 임의의 스트레인(strain)이 완화되거나 제거될 수 있다. 또한, 상기 설명에서 실리콘 기판 실시예들이 쉽게 고려되기는 하였지만, 이러한 텅스텐 중간 층의 포함은 그 위에서의 Ⅲ-Ⅴ족 물질 프로세싱에 의해 실리콘 기판들의 호환성을 더 개선할 수 있다. 다른 이점들은 프로세싱 가능함(processing enablement)에 대한 것일 수 있다. 예를 들면, Ⅲ-Ⅴ족 물질 층들과 실리콘 및 사파이어 기판들에 대해 선택적인 텅스텐을 습식 식각하는 것이 비교적 용이하므로, 이러한 스택들의 패터닝 및 전사(transfer)를 보다 더 이용가능하게(accessible) 할 수 있다.
LED들 및 관련된 디바이스들은, 예를 들면, Ⅲ-Ⅴ족 막들, 특히 Ⅲ족-질화물 막들의 층들로부터 제조될 수 있다. 본 발명의 일부 실시예들은, 제조 툴의 전용 챔버에서, 이를 테면 전용 MOCVD 챔버에서, 갈륨 질화물(GaN) 층들을 형성하는 것에 관한 것이다. 본 발명의 일부 실시예들에서, GaN은 2원(binary) GaN 막이지만, 다른 실시예들에서, GaN은 3원(ternary) 막(예를 들면, InGaN, AlGaN)이거나 4원(quaternary) 막(예를 들면, InAlGaN)이다. 적어도 일부 실시예들에서, Ⅲ족-질화물 물질 층들은 에피택셜 방식으로(epitaxially) 형성된다. 이러한 물질 층들은 기판 상에 또는 기판 상에 배치된 버퍼 층들 상에 직접 형성될 수 있다. 고려되는 다른 실시예들은 PVD-형성된 버퍼 층들, 예를 들면, PVD-형성된 알루미늄 질화물 상에 직접 증착되는 p-형 도핑된 갈륨 질화물 층들을 포함한다.
본 발명의 실시예들은 상기 설명된 선택 기판들 상에 층들을 형성하는 것으로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 다른 실시예들은 임의의 적합한 비-패터닝된 또는 패터닝된 단결정 기판의 사용을 포함할 수 있으며, 이러한 단결정 기판 상에는, 고품질의 알루미늄 질화물 층이, 예를 들면, 비-반응성 PVD 접근법으로 스퍼터-증착될 수 있다. 기판은, 이를 테면 사파이어(Al2O3) 기판, 실리콘(Si) 기판, 실리콘 카바이드(SiC) 기판, 실리콘 온 다이아몬드(SOD; silicon on diamond) 기판, 석영(SiO2) 기판, 유리 기판, 산화아연(ZnO) 기판, 산화마그네슘(MgO) 기판 및 리튬 산화알루미늄(LiAlO2) 기판과 같은 것을 포함할 수 있지만, 이것으로 제한되지 않는다. 마스킹 및 식각과 같은 임의의 잘 알려진 방법을 이용하여, 평면 기판으로부터 포스트(post)들과 같은 피쳐들을 형성함으로써, 패터닝된 기판을 생성할 수 있다. 하지만, 특정 실시예에서는, 패터닝된 사파이어 기판(PSS)이 (0001) 방위로 사용된다. 패터닝된 사파이어 기판들은, 이들이 새로운 세대의 고체 조명(solid state lighting) 디바이스들의 제조에서 대단히 유용한 광 추출 효율을 증가시키기 때문에, LED들의 제조에 사용하기에 이상적일 수 있다. 기판 선택 기준들은 결함 형성을 완화시키기 위한 격자 정합 및 열 응력들을 완화시키기 위한 열팽창 계수(CTE) 정합을 포함할 수 있다.
상기 설명한 바와 같이, Ⅲ족-질화물 막들은 도핑될 수 있다. Ⅲ족-질화물 막들은, 제한되는 것은 아니지만, Mg, Be, Ca, Sr, 또는 임의의 Ⅰ족 또는 2 원자가 전자들을 갖는 Ⅱ족 원소와 같은 임의의 p-형 도펀트를 이용하여, p-형 도핑될 수 있다. Ⅲ족-질화물 막들은 1×1016 내지 1×1020 atoms/cm3의 전도성 레벨로 p-형 도핑될 수 있다. Ⅲ족-질화물 막들은, 제한되는 것은 아니지만, 실리콘 또는 산소, 또는 임의의 적합한 Ⅳ족 또는 Ⅵ족 원소와 같은 임의의 n-형 도펀트를 이용하여 n-형 도핑될 수 있다. Ⅲ족-질화물 막들은 1×1016 내지 1×1020 atoms/cm3의 전도성 레벨로 n-형 도핑될 수 있다.
상기 프로세스들은, 클러스터 툴, 또는 하나 보다 많은 챔버를 갖는 다른 툴, 예를 들면, LED의 층들을 제조하기 위한 전용 챔버를 갖도록 배열된 인-라인 툴 내의 전용 챔버에서 수행될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예들은 LED들의 제조로 제한될 필요가 없다는 것을 이해해야 한다. 예를 들면, 다른 실시예에서는, LED 디바이스들 이외의 디바이스들, 예를 들면, 제한되는 것은 아니지만, 전계-효과 트랜지스터(FET) 디바이스들이 본원에서 설명된 접근법들에 의해 제조될 수 있다. 이러한 실시예들에서는, 층들의 구조의 상부에 p-형 물질이 필요하지 않을 수 있다. 대신에, n-형 또는 도핑되지 않은 물질이 p-형 층 대신에 사용될 수 있다. 또한, 증착 및/또는 열 어닐링의 다양한 조합들과 같은 다수의 동작들이 단일 프로세스 챔버에서 수행될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
이와 같이, PVD-형성된 알루미늄 질화물 버퍼 층들을 갖는 갈륨 질화물-기반 LED들의 제조가 개시되었다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 멀티-챔버 시스템은 알루미늄을 포함하는 물질로 구성된 타겟을 갖는 PVD 챔버를 포함한다. 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물, 또는 이 둘 모두를 증착하도록 적응된 챔버가 또한 멀티-챔버 시스템에 포함된다. 일 실시예에서, PVD 챔버의 타겟은 알루미늄 질화물로 구성된다. 일 실시예에서, 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물을 증착하도록 적응된 챔버는 MOCVD 챔버이다. 일 실시예에서, PVD 챔버 및 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물을 증착하도록 적응된 챔버는 클러스터 또는 인-라인 툴 배열에 포함된다.

Claims (7)

  1. 발광 다이오드(LED) 구조를 제조하는 방법으로서,
    멀티-챔버 시스템의 제1 물리 기상 증착(PVD) 챔버에서 기판 위에 텅스텐(W) 층을 형성하는 단계 ― 상기 제1 PVD 챔버는 텅스텐 타겟을 가짐 ―;
    상기 멀티-챔버 시스템의 제2 PVD 챔버에서, 상기 텅스텐(W) 층 위에 알루미늄 질화물 층을 형성하는 단계; 및
    상기 멀티-챔버 시스템의 제3 챔버에서, 상기 알루미늄 질화물 층 상에 도핑되지 않은(un-doped) 또는 n-형 갈륨 질화물 층을 형성하는 단계를 포함하는,
    발광 다이오드(LED) 구조를 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3 챔버에서 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물 층을 형성하는 단계는 제1 유기 금속 화학 기상 증착(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD) 챔버에서 형성하는 단계를 포함하는,
    발광 다이오드(LED) 구조를 제조하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 멀티-챔버 시스템의 제2 MOCVD 챔버에서 상기 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물 층 위에 다중 양자 우물(multiple quantum well; MQW) 구조를 형성하는 단계; 및
    상기 멀티-챔버 시스템의 제3 MOCVD 챔버에서 상기 MQW 구조 위에 p-형 알루미늄 갈륨 질화물 또는 p-형 갈륨 질화물 층을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    발광 다이오드(LED) 구조를 제조하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 챔버에서 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물 층을 형성하는 단계는 수소화물 기상 에피택시(hydride vapor phase epitaxy, HVPE) 챔버에서 형성하는 단계를 포함하는,
    발광 다이오드(LED) 구조를 제조하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 질화물 층을 형성하는 단계는 거의 섭씨 20도 내지 200도의 범위의 기판 온도에서 형성하는 단계를 포함하는,
    발광 다이오드(LED) 구조를 제조하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 질화물 층을 형성하는 단계는 거의 섭씨 200도 내지 1200도의 범위의 기판 온도에서 형성하는 단계를 포함하는,
    발광 다이오드(LED) 구조를 제조하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 질화물 층 상에 도핑되지 않은 또는 n-형 갈륨 질화물 층을 형성하는 단계 이전에, 급속 열 처리(RTP) 챔버에서 상기 알루미늄 질화물 층을 어닐링하는 단계를 더 포함하는,
    발광 다이오드(LED) 구조를 제조하는 방법.
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