KR20230011741A - 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법 - Google Patents

비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시는 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법에 있어서, 성장 기판을 준비하는 단계; 성장 기판에 제1 버퍼층을 성장하는 단계; 제1 버퍼층에 제1 버퍼층으로 된 복수의 돌기를 형성하는 단계; 제1 버퍼층 위에 제2 버퍼층을 성장하는 단계; 제2 버퍼층 위에 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 형성하는 단계; 그리고, 제2 버퍼층을 성장하는 단계에 앞서, 복수의 돌기 위에 제2 버퍼층의 성장을 느리게 하거나 방지하는 물질층을 형성하는 단계;를 포함하는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법{METHOD OF MANUFACTUING NON EMITTING III-NITRIDE SEMICONDUCTOR STACKED STRUCTURE}
본 개시(Disclosure)는 전체적으로 비발광 3족 질화물 반도체 적층체 내지 3족 질화물 반도체 소자 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로 특히, 전력소자(예: 트랜지스터, HEMT)와 같은 비발광(Non-emitting) 3족 질화물 반도체 적층체 내지 3족 질화물 반도체 소자 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
도 1은 미국 등록특허공보 제7,230,284호에 제시된 3족 질화물 반도체 소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 소자는(예: AlGaN/GaN based HEMT)는 성장 기판(11; 예: 사파이어 기판, SiC 기판), 버퍼층(12; 예: AlxGa1-xN (0≤x≤1) 버퍼층), 채널층(20; 예: GaN 채널층), 2DEG(22; two-dimensional electron gas)(22), 배리어층(18; 예: AlGaN 배리어층), 절연층(24; SiN 절연층), 드레인 전극(14), 게이트 전극(16) 및 소스 전극(17)을 포함한다.
재료비와 결정성의 관점에서 성장 기판(11)으로 사파이어 기판을 활용하는 것이 바람직하지만, 방열의 관점에서 적합하지 않다. SiC 기판은 결정성의 관점과 방열의 관점에서 고려될 수 있지만, 재료비가 고가이며, 소자가 대면적화함에 따라 더 크게 문제될 수 있다. 재료비의 관점에서 저가인 Si 기판을 사용하는 것을 고려할 수 있는데, 그 위에 성장되는 3족 질화물 반도체층의 결정성을 향상하는 방안이 반드시 수반되어야만 한다. 이하에서, 성장의 과정에서 3족 질화물 반도체층의 결정성을 향상하는 방법을 먼저 살핀다.
도 2는 미국 공개특허공보 제2005-0156175호에 제시된 3족 질화물 반도체 적층체의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 적층체는 c면 사파이어 기판(100), c면 사파이어 기판(100) 위에 형성된 SiO2로 된 성장 방지막(150), 그리고, 그 위에 선택 성장된(selectively grown) 3족 질화물 반도체층(310)을 포함한다. 이러한 성장법을 통해 3족 질화물 반도체 적층체 내의 결정 결함을 감소시킬 수 있다.
도 3은 미국 공개특허공보 제2005-0156175호에 제시된 3족 질화물 반도체 적층체의 또 다른 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 적층체는 c면 사파이어 기판(100), c면 사파이어 기판(100) 위에 미리 형성된 3족 질화물 반도체 템플릿(210), 3족 질화물 반도체 템플릿(210) 위에 형성된 SiO2로 된 성장 방지막(150), 그리고, 그 위에 선택 성장된(selectively grown) 3족 질화물 반도체층(310)을 포함한다. 3족 질화물 반도체 템플릿(210)은 종래에 c면 사파이어 기판(100)에 3족 질화물 반도체를 성장하는 방법에 의해 형성된다. 즉, 550℃ 부근의 성장온도와 수소 분위기에서, 씨앗층을 형성한 다음, 1050℃의 성장온도에서 GaN을 성장하는 방법에 의해 1~3um의 두께로 형성된다. 도면 부호 180은 결함(Defecsts; Treading Dislocations)을 나타내며, 성장 방지막(150) 아래의 결함의 전개가 차단됨으로써, 전체적으로 결정성의 향상을 가져오게 된다. 즉, 성장 방지막(150)은 도 1에 제시된 3족 질화물 반도체 적층체에서와 마찬가지로 ELOG(Epitaxially Lateral Overgrowth)가 가능하게 하는 한편, 아래쪽에서 발생한 결함(180)을 차단하는 역할을 한다.
도 4는 미국 공개특허공보 제2003-0057444호에 제시된 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 사파이어 기판(100), 사파이어 기판(100) 위에 성장되는 n형 3족 질화물 반도체층(300), n형 3족 질화물 반도체층(300) 위에 성장되는 활성층(400), 활성층(400) 위에 성장되는 p형 3족 질화물 반도체층(500)을 포함한다. 사파이어 기판(100)에는 돌기(110)가 형성되어 있으며, 돌기(110)는 사파이어 기판(100) 위에 성장되는 3족 질화물 반도체층(300,400,500)의 결정질(Growth Quality)을 향상시키는 한편, 활성층(400)에서 생성되는 빛을 발광소자 외부로 방출하는 효율을 향상시키는 산란면으로 기능한다. 이와 같이 돌기(110)가 형성된 사파이어 기판(100)을 패턴드 사파이어 기판(PSS; Patterned Sapphire Substrate)이라 한다.
도 5는 미국 공개특허공보 제2005-082546호에 제시된 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 돌기(111)가 형성된 사파이어 기판(101)과 3족 질화물 반도체층(301)을 포함한다. 도 4에 제시된 예와 달리 단면이 둥근 형태의 돌기(111)가 제시되어 있으며, 이는 도 4에서와 같은 돌기(110)를 이용하는 경우에, 돌기(110)의 바닥면(돌기(110)가 형성하는 요철에서 요부에 해당)과 돌기(110)의 상면 모두에서 에피 성장이 이루어지고 따라서 바닥면 및 상면 모두에서 결정 결함인 관통 전위(Threading Dislocation)가 발생하게 되는데, 단면이 둥근 형태의 돌기(111)를 이용함으로써 돌기(111) 상면에서의 에피 성장을 억제하여 관통 전위의 발생을 억제시키는 이점을 가지게 된다.
도 6은 미국 공개특허공보 제2011-0042711호에 제시된 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자(10)는 사파이어 기판(11), 사파이어 기판(11) 위에 성장되는 n형 3족 질화물 반도체 영역(12a), n형 3족 질화물 반도체 영역(12a) 위에 성장되는 활성 영역(12b), 활성 영역(12b) 위에 성장되는 p형 3족 질화물 반도체 영역(12c)을 포함한다. 마찬가지로, 사파이어 기판(110)에는 돌기(13)가 마련되어 있다. 다만, 돌기(13)는 뾰족한 형태의 단면을 가진다. 뾰족한 형태의 돌기(13)를 구비함으로써, 돌기(13)의 상부가 점 또는 선 형태(돌기(13)가 원뿔 형상인 경우에 점이 되고, 돌기(13)가 뾰족한 스트라이프 형상인 경우에 선이 된다.)가 되어 그 상부에서의 관통 전위 형성을 억제하는 한편, 돌기(13)의 상부와 바닥면을 이어주는 측면에서의 에피 성장을 억제하여 돌기(13) 측면에서의 관통 전위 발생도 억제할 수 있게 된다.
도 7은 미국 등록특허공보 제10,361,339호에 제시된 3족 질화물 반도체 적층체의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 적층체는 사파이어 기판(10), 버퍼 영역(20) 및 3족 질화물 반도체 영역(35)을 포함하며, 도 6에 제시된 형태의 돌기를 구비하더라도 돌기의 상부는 여전히 관통 전위(35)을 형성됨을 보여준다.
이에 대하여 '발명을 실시하기 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법에 있어서, 실리콘(Si)을 함유하는 성장 기판을 준비하는 단계; 성장 기판에 복수의 돌기를 형성하는 단계; 성장 기판에 복수의 돌기를 덮도록 제1 버퍼층을 성장하는 단계; 제1 버퍼층 위에 복수의 성장 방지막을 형성하는 단계; 성장 방지막을 통해 노출된 제1 버퍼층으로부터 제2 버퍼층을 성장하는 단계; 그리고, 제2 버퍼층 위에 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 형성하는 단계;를 포함하는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법이 제공된다.
본 개시에 따른 또 다른 태양에 의하면(According to another aspect of the present disclosure), 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법에 있어서, 성장 기판을 준비하는 단계; 성장 기판에 복수의 돌기를 형성하는 단계; 성장 기판에 복수의 돌기를 덮도록 제1 버퍼층을 성장하는 단계; 제1 버퍼층 위에 복수의 성장 억제막을 형성하는 단계; 복수의 성장 억제막으로부터 노출된 제1 버퍼층으로부터 제2 버퍼층을 성장하는 단계; 그리고, 제2 버퍼층 위에 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 형성하는 단계;를 포함하는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법이 제공된다.
본 개시에 따른 또 다른 태양에 의하면(According to another aspect of the present disclosure), 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법에 있어서, 성장 기판을 준비하는 단계; 성장 기판에 제1 버퍼층을 성장하는 단계; 제1 버퍼층에 제1 버퍼층으로 된 복수의 돌기를 형성하는 단계; 제1 버퍼층 위에 제2 버퍼층을 성장하는 단계; 제2 버퍼층 위에 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 형성하는 단계; 그리고, 제2 버퍼층을 성장하는 단계에 앞서, 복수의 돌기 위에 제2 버퍼층의 성장을 느리게 하거나 방지하는 물질층을 형성하는 단계;를 포함하는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법이 제공된다.
이에 대하여 '발명을 실시하기 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
도 1은 미국 등록특허공보 제7,230,284호에 제시된 3족 질화물 반도체 소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 2는 미국 공개특허공보 제2005-0156175호에 제시된 3족 질화물 반도체 적층체의 일 예를 나타내는 도면,
도 3은 미국 공개특허공보 제2005-0156175호에 제시된 3족 질화물 반도체 적층체의 또 다른 일 예를 나타내는 도면,
도 4는 미국 공개특허공보 제2003-0057444호에 제시된 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 5는 미국 공개특허공보 제2005-082546호에 제시된 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 6은 미국 공개특허공보 제2011-0042711호에 제시된 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 7은 미국 등록특허공보 제10,361,339호에 제시된 3족 질화물 반도체 적층체의 일 예를 나타내는 도면,
도 8은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 적층체 내지 소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 9는 본 개시에 따른 돌기와 성장 방지막의 배치 관계의 일 예를 나타내는 도면,
도 10은 본 개시에 따라 성장 기판에 돌기를 형성하는 방법의 일 예를 나타내는 도면,
도 11은 본 개시에 따라 성장 기판에 돌기를 형성하는 방법의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 12는 본 개시에 따라 성장 기판에 돌기를 형성하는 방법의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 13은 본 개시에 따라 성장 기판에 돌기를 형성하는 방법의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 14는 도 12에 제시된 돌기를 형성하는 방법의 구체 예를 나타내는 도면,
도 15 내지 도 17은 본 개시에 따라 성장 방지막을 형성하는 방법의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 18은 본 개시에 따라 성장 방지막을 형성하는 방법의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 19는 본 개시에 따라 성장 방지막을 형성하는 방법의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 20는 본 개시에 따라 성장 방지막을 형성하는 방법의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 21 내지 도 23은 본 개시에 따라 성장 방지막을 형성하는 방법의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 24 및 도 25는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 적층체 내지 소자의 또 다른 예를 나타내는 도면.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
도 8은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 적층체 내지 소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 예시로 HEMT가 제시되어 있다. 3족 질화물 반도체 소자는 돌기(41)가 구비된 성장 기판(42; 6인치 또는 8인치 Si 기판), 제1 버퍼층(43), 성장 방지막(44; 예: SiO2, SiNx와 같은 유전체 물질), 제2 버퍼층(45), 채널층(46; 예: 3㎛ 두께의 GaN 채널층), 2DEG(47), 인터레이어(48; 예: 10nm 두께의 thin AlN 층, 생략가능), 배리어층(49; 예: 10~50nm 두께의 AlxGa1-xN (0.2≤x≤0.3~0.6) 배리어층 또는 AlGaInN 배리어층 또는 AlScN 배리어층), 캡층(50; 예: 5~20nm 두께의 GaN 캡층, n층 또는 p층으로 도핑 가능, 생략 가능), 소스 전극(51), 게이트 전극(52), 그리고 드레인 전극(53)을 포함한다.
실리콘(Si)으로 된 성장 기판(42; 이하, Si 성장 기판(42))의 경우에, 불투명 기판이므로, 사파이어 기판에 사용되는 돌기(도 4 내지 도 7 참조, 이 돌기는 1차적으로 발광소자(LED)에 있어서 3족 질화물 반도체층의 굴절률과 사파이어 기판의 굴절률 차이에 인한 내부 전반사를 해소하기 위한 스캐터(scatter; 광 산란)로 기능하며, 2차적으로 돌기가 ELOG에서 성장 방지막(도 2 및 도 3 참조)처럼 기능하여 막질의 향상을 가져온다.)를 필요로 하지 않지만, 본 개시에 따른 비발광 3족 질화물 반도체 소자 내지 적층체에서는 막질의 향상을 위해 Si 성장 기판(42)임에도 돌기(41)를 채용하고 있다. 또한, 앞서 지적한 바와 같이, 돌기(41)를 채용하더라도 돌기(41)의 상부 내지 상면(41a)과 성장 기판(42)의 바닥면 내지 돌기(41)의 바닥면(42a)으로부터 제1 버퍼층(43)에 결정 결함, 구체적으로 관통 전위(54,55; Treading Dislocations)가 발생하며, 고품위 즉, 107/㎠ 이하의 TDD(Theading Dislocation Density)가 요구되는 경우에는 이에 이르기가 쉽지 않다. 본 개시는 이러한 문제점을 해소하기 위해, Si 성장 기판(42)에 돌기(41)를 채용하는 한편, 제1 버퍼층(43) 위에 성장 방지막(44)을 형성하여 제1 버퍼층(43)에 존재하는 관통 전위(54,55)의 일부를 차단하고, 그 위에 제2 버퍼층(45), 채널층(46), 배리어층(48)을 포함하는 3족 질화물 반도체 적층체를 형성함으로써, 이들의 막질이 107/㎠ 이하의 TDD(Theading Dislocation Density)를 갖도록 한다. 소자에 높은 방열 사양이 요구되는 경우에, 성장 기판(42)은 Si 성장 기판에서 SiC 성장 기판으로 변경될 수 있으며, 따라서 성장 기판(42)으로 Si을 포함하는 성장 기판(Si 성장 기판, SiC 성장 기판)이 사용될 수 있다. 돌기(41)는 도 4 내지 도 7에 제시된 다양한 형태를 가질 수 있으며, 돌기(41)의 상부 내지 상면(41a)에서의 관통 전위(54)를 최소화하기 위해, 종단면이 뾰족한 형상을 가지는 것이 바람직하다. 돌기(41)의 구조와 형상에 따라 돌기(41)를 구성하고 있는 물질은 성장 기판(42)과 동일한 물질(예: Si, SiC)이거나 성장 기판(42)과 다른 물질(예: AlN, AlNO, AlGaN, 또는 GaN)일 수 있다.
도 9는 본 개시에 따른 돌기와 성장 방지막의 배치 관계의 일 예를 나타내는 도면으로서, 성장 기판(42) 또는 성장 기판(42)의 바닥면(42a)에 구비된 돌기(41)를 위에서 본 도면이며, 횡단면이 원형인 원뿔형의 돌기(41)가 대각선 방향으로 일정한 간격으로 두고 배치되어 있고, 돌기(41) 위에 위치하는 성장 방지막(44)이 44a로 표시되어 있으며, 바닥면(42a) 위에 위치하는 성장 방지막(44)이 44b로 표시되어 있다. 성장 방지막(44a)에 의해 관통 전위(54)가 차단되며, 성장 방지막(44b)에 의해 관통 전위(55)의 일부가 차단된다. 성장 방지막(44a)의 크기는 바닥면(42a)에서의 돌기(41)의 횡단면의 크기보다 작은 것이 바람직한데, 지나치게 커지면 제2 버퍼층(45)이 성장할 영역이 지나치게 축소되기 때문이다.
돌기(41)는 0.1~2㎛의 높이, 0.2~3.0㎛의 너비, 0.1~1.0㎛의 간격을 가질 수 있으며, 종단면이 콘(Cone), 스퀘어 피라미드(Square Pyramid), 돔(Dome), 트런케이티드 콘/피라미드(Truncated Cone/ Pyramid) 등의 형상을 가질 수 있다.
제1 버퍼층(43)을 성장하기에 앞서, 성장 기판(42)의 종류(Si, SiC)에 따라 돌기(41) 유무에 무관하게 (도 10 및 도 11에 제시되 예에서 돌기(41)가 먼저 형성되고, 도 12 및 도 13에 제시된 예에서 돌기(41)가 이후에 형성됨) 20nm 전후 두께를 갖는 GaN, AlN, AlNO, 또는 AlGaN 씨드층(미도시; Seed Layer)을 CVD(MOCVD, ALD, MBE) 내지 PVD(Sputter, PLD) 방식으로 성막할 수 있다. 특히 Si 성장 기판(42) 상부에 AlN 씨드층을 CVD 방식을 사용하여 성막할 경우, 알루미늄(Al) 공급원인 TMAl 가스를 질소(N) 공급원인 암모니아(NH3) 가스 공급없이 단독으로 공급하는 프리씨딩(Pre-seeding) 공정을 도입하는 것도 바람직하다. Si 성장 기판(42) 상부에 3족 질화물 반도체로 된 제1 버퍼층(43)을 성장시키기 위해서는 최소 실제 성장 온도가 800℃ 이상의 고온이기 때문에 Si 성장 기판(42) 표면에서 Si 원자 탈착(Atomic Debonding & Desorption)되어 빠져나오게 되며, 또한 고온의 질소 분위기에서 Si 표면에는 Si-N 결합에 의한 미세한 비정질 물질 입자들이 발생하게 되어 고품질 3족 질화물 반도체 박막을 얻는 데 어려움이 있다. 이를 효과적으로 억제하기 위해서 Si 성장 기판(42) 표면에 수 초에서 수십 초까지 알루미늄(Al) 프리씨딩(Pre-seeding) 공정을 도입하면 3족 질화물 반도체 박막을 성장하는 데 유리하다. Si 성장 기판(42) 상부에 씨드층(미도시) 형성한 후, 연이은 후속 공정에서 제1 버퍼층(43)을 GaN 단층, AlN 단층 또는 다층 박막으로 TMGa, TMAl와 NH3를 소스 가스로, 수소(H2)를 캐리어 가스로 사용하여 실제 성장온도 800~1100℃ 구간에서 각각 상대적으로 높은 압력(예: 250mbar)에서 GaN 내지 Ga-rich AlGaN로 성장하고, 반면에 상대적으로 낮은 압력(예: 50mbar)에서 AlN 내지 Al-rich AlGaN로 성장할 수 있다. 경우에 따라 GaN와 AlN 물질을 합금화시킨 AlGaN층을 제1 버퍼층(43)의 일부로 도입할 수 있다. 즉, 제1 버퍼층(43)은 성장 기판(42) 상부에 GaN, GaN/AlGaN, AlN, AlN/AlGaN, AlN/AlGaN/GaN, 또는 GaN/AlGaN/AlN 등으로 구성될 수 있다.
제1 버퍼층(43)의 두께는 돌기(41)의 높이보다 높아야 하며, 성장 기판(42)과의 격자상수 차이로부터 발생되는 관통 전위를 일차적으로 차폐 감소시키기 위해서는 돌기(41)의 높이와 적어도 동등 또는 두껍게 성장 후, 측면(수평 방향)으로의 성장 속도를 수직 방향으로의 성장 속도보다 크게 하여 성장과 나란히 수직 방향으로 이동하는 관통 전위를 벤딩(Bending, 휘어지게)하게 만드는 것이 매우 중요하다. 돌기(41)의 높이까지 성장하는 조건은 측면으로의 성장 속도보다 수직 방향으로의 성장 속도를 크게하는 것이 바람직하다. 성장 기판(42)에 제1 버퍼층(43)이 성장된 웨이퍼 상태에서 휨(Bowing)이 발생할 수 있으며, 이는 성장 방지막(44)의 정확한 위치결정을 방해할 수 있다. 이러한 휨을 고려하는 하는 경우에, 제1 버퍼층(43)의 두께를 3㎛ 미만으로 제한할 수 있으며, 따라서 돌기(41)의 높이로 제1 버퍼층(43)의 두께 이하로 제한될 수 있다.
성장 방지막(44)은 1nm~1㎛의 두께로 형성될 수 있으며, 제2 버퍼층(45)의 성장을 억제할 수 있다면, 그 두께가 특별히 제한되지 않는다. 성장 방지막(44)의 형상(Shape)과 위치(Position)는 종래 ELOG 내지 유사 3족 질화물 성장 공정(예; Pendeo Epitaxy)에서 SiO2 또는 SiNx와 같은 유전체를 사용한 스트립 마스크(Strip Mask) 형상으로 이들의 위치는 성장 방지막(44a)이 위치하는 돌기(41) 중심과 정렬된 영역과 성장 방지막(44b)이 위치하는 돌기(41) 간의 성장 기판(42)의 바닥면과 정렬된 영역이다. 예를 들어, 돌기(41)는 원형, 3각, 4각 또는 6각 등 다각형(Polygon)의 다양한 디멘젼(Dimension)의 고립(Isolation) 또는 섬(Island) 형상을 갖는다. 돌기(41)와 정렬된 성장 방지막(44a)의 너비와 폭은 돌기(41)의 형상과 디멘젼에 맞춰 우선적으로 결정하되, 최종적으로는 제1 버퍼층(43) 성장 시에 형성된 관통 전위의 위치와 분포를 고려하여 설정하는 것이 바람직하다.
제2 버퍼층(45)은 제1 버퍼층(42)과 마찬가지로, GaN 단층, AlN 단층 또는 다층 박막으로 TMGa, TMAl와 NH3를 소스 가스로 수소(H2)를 캐리어 가스로 사용하여 실제 성장온도 800~1100℃ 구간에서 각각 상대적으로 높은 압력(250mbar)에서 GaN 내지 Ga-rich AlGaN로 성장하고, 반면에 상대적으로 낮은 압력(50mbar)에서 AlN 내지 Al-rich AlGaN으로 성장할 수 있다. 경우에 따라 GaN와 AlN 물질을 합금화시킨 AlGaN층을 제2 버퍼층(45)의 일부로 도입할 수 있다. 즉, 제2 버퍼층(45)은 제1 버퍼층(43)과 성장 방지막(44) 상부에 GaN, GaN/AlGaN, AlN, AlN/AlGaN, AlN/AlGaN/GaN, 또는 GaN/AlGaN/AlN 등으로 구성될 수 있다. 제2 버퍼층(45)의 두께는 기본적으로 성장 방지막(44)의 두께보다 두껍다. 일반적으로 제2 버퍼층(45)는 1-5㎛의 두께를 갖도록 성장할 수 있다. 성장 방지막(44)에 의해 성장 기판(420)에서 발생되는 관통 전위들은 이차적으로 차폐 소멸하고, 성장 방지막(44) 형성되지 않은 제1 버퍼층(43) 영역에서 관통 전위가 상당히 적은 3족 질화물 반도체가 재성장되어 ELOG 내지 이와 유사한 성장 공정을 통해 제2 버퍼층(45)을 형성한다. 본 개시의 목표인 관통 전위 밀도(TDD)가 107/㎠ 이하를 갖는 3족 질화물 반도체 적층체 내지 3족 질화물 반도체 소자를 제작할 수 있는 기반을 만들 수 있다.
도 10은 본 개시에 따라 성장 기판에 돌기를 형성하는 방법의 일 예를 나타내는 도면으로서, 먼저 성장 기판(42)을 준비한 다음, 식각 마스크(60)를 형성하고, 성장 기판(42) 자체를 건식 식각 또는 습식 식각을 통해 돌기(41)를 형성한다. 일 예로, Si 성장 기판의 (100), (110), 또는 (111) 표면에 SiO2, SiNx 등으로 식각 마스크(60)를 형성한 다음, KOH 습식 용액과 건식 식각을 결합하면 다양한 형상 및 디멘젼으로 돌기(41)를 형성할 수 있다.
도 11은 본 개시에 따라 성장 기판에 돌기를 형성하는 방법의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 도 10에 제시된 방법에 추가하여, 돌기(41)가 구비된 성장 기판(42) 전면을 덮도록 씨드층 내지 씨앗층(70; Seed Layer, AlN, AlNO, Al2O3, 또는 Ga2O3)을 형성한다. 씨드층(70)은 PVD법으로 형성될 수 있으며, CVD법(예: MOCVD법)으로 성장되는 제1 버퍼층(43)의 성장을 도와주는 역할을 한다.
도 12는 본 개시에 따라 성장 기판에 돌기를 형성하는 방법의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 도 11에 제시된 방법과 달리, 성장 기판(42)을 준비한 다음, 돌기 베이스층(71)을 형성한 다음, 그 위에 식각 마스크(60)를 형성한 후, 식각을 통해 돌기 베이스층(71)의 일부를 식각하여 돌기(41)를 형성한다. 따라서 돌기(41)는 성장 기판(42)을 구성하는 물질이 아니라 성장 기판(42)에 성막된 돌기 베이스층(71)을 구성하는 물질로 이루어진다. 이때 성장 기판(42)이 노출되지 않도록 식각함으로써, 제1 버퍼층(43)이 전체적으로 돌기 베이스층(71) 위에서 형성되므로, 양질의 막질을 구현할 수 있는 이점을 가진다. 돌기 베이스층(71)은 씨드층(70; 도 11 참조)과 그 위에 구비되는 3족 질화물 반도체층(예: AlGaN 및 GaN 등)으로 이루어질 수 있으며, 씨드층(70)은 전술한 바와 같이, PVD 또는 CVD 방법으로 200nm 이하의 두께를 갖는 AlN, AlNO, Al2O3, 또는 Ga2O3로 이루질 수 있고, 3족 질화물 반도체층은 CVD 방법으로 3㎛ 이하의 두께를 가지는 AlGaN 및 GaN 등으로 순차적이고 다층으로 이루어진 막으로 구성될 수 있으며, 스트레인 제어층(Strain Control Layer)으로 기능한다. 돌기(41) 형성을 위한 돌기 베이스층(71)의 식각은 씨드층(70)이 노출될 때까지 행해질 수 있다. 일 예로, 성장 기판(42) 상부에 씨드층(70)으로 CVD(MOCVD) 방법으로 150nm 두께의 AlN(경우에 따라 TMAl 가스로 프리씨딩 공정 도입 가능)를 성막하고, 이어서 3족 질화물 반도체층을 두 영역(제1, 제2)으로 구성된 다층으로 성막 구성할 수 있다. 제1 층은 500nm 두께의 AlxGa1-xN로 구성될 수 있으며, 알루미늄(Al) 조성(x)을 80%에서 20%까지 순차적으로 감소시키면서 성막하여 일차적으로 인장 응력(Tensile Stress)을 완화시키는 역할을 하게 한다. 제2 층은 2㎛ 두께의 GaN으로 구성될 수 있다. 이어서, SiO2 또는 SiNx와 같은 물질로 된 식각 마스크(60)를 형성한 후, 건식 식각을 통해 돌기(41)를 형성한다.
도 13은 본 개시에 따라 성장 기판에 돌기를 형성하는 방법의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 도 11 및 도 12에 제시된 방법과 달리, 씨드층(70; 도 11 참조)을 형성하되, 식각을 이용하지 않고, 리프트 오프법(Lift-off)을 통해 형성하는 방법이 제시되어 있다. 성장 기판(42)을 준비한 다음, 패터닝된 포토레지스트 막(80; PR)를 형성하고, PVD법을 통해 돌기 베이스층(71; 예: 2㎛ 이하의 두께를 가지는 AlN층, AlNO층, Al2O3층 또는 Ga2O3층, 71a로 표시)의 일부를 형성하고, 포토레지스트 막(80)을 제거하면, 포토레지스트 막(80) 위에 형성된 돌기 베이스층(71a)도 함께 제거되어, 남겨진 돌기 베이스층(71a)이 돌기(41)의 형태로 성장 기판(42)에 남겨지며, 여기에 재차 PVD법을 통해 씨드층(70; 도 11 참조)으로 기능하는 돌기 베이스층(71; 예: 1㎛ 이하의 두께를 가지는 AlN층, AlNO층, Al2O3층 또는 Ga2O3층, 71b로 표시)을 형성하여, 돌기 베이스층(71b)이 성장 기판(42) 전체를 덮도록 하여, 제1 버퍼층(43)의 성장을 돕는다. 돌기 베이스층(71)을 구성하는 층(71a,71b)의 두께는 성장 기판(42)의 스트레스로 인한 웨이퍼 휨을 최소화하도록 설계 고려하여 설정하는 것이 바람직하다. 일 예로, 포토레지스트 막(80) 위에 성막되는 돌기 베이스층(71a)의 두께는 500nm일 수 있으며, 돌기 베이스층(71a)의 두께는 20nm일 수 있다.
도 14는 도 12에 제시된 돌기를 형성하는 방법의 구체 예를 나타내는 도면으로서, 성장 기판(42)에 씨드층(70; 예: 200nm 이하 두께의 AlN), 제1 층(71c; 예: 500nm 두께의 AlxGa1-xN) 및 제2 층(71d; 예: 2㎛ 두께의 GaN)으로 된 돌기 베이스층(71)을 순차로 성막한 다음, 돌기 베이스층(71)으로 이루어진 돌기(41)를 형성하는 공정이 제시되어 있다. 여기서 돌기(41)는 제2 층(71d)만으로 이루어지거나(Case I), 제1층(71c)-제2 층(71d)으로 이루어지거나(Case II), 씨드층(70)-제1층(71c)-제2 층(71d)으로 이루어질 수 있다(Case III).
도 15 내지 도 17은 본 개시에 따라 성장 방지막을 형성하는 방법의 또 다른 예를 설명하는 도면으로서, 도 15에는 성장 기판(42)과, 그 위에 성장된 제1 버퍼층(43)이 도시되어 있다. 성장 기판(42)에는 돌기(41; 도 8 참조)가 형성되어 있지 않으며, 관통 전위(55)는 성장 기판(41)의 바다면(42a) 전체에 걸쳐서 제1 버퍼층(43)을 관통하는 형태로 형성되어 있다. 도 16에는 돌기(41)가 형성된 성장 기판(42)과 그 위에 성장된 제1 버퍼층(43)이 도시되어 있다. 돌기(41)가 형성되지 않은 성장 기판(42)의 바닥면(42a) 영역(A)에는 도 15에서와 마찬가지로 관통 전위(55)가 제1 버퍼층(43)을 관통하는 형태로 형성되어 있으며, 돌기(41)의 상부 내지 상면(41a) 영역(B)에도 관통 전위(54)가 제1 버퍼층(43)을 관통하는 형태로 형성되어 있다. 관통 전위(54)는 상부 내지 상면(41a)으로부터 직접 발생하거나 바닥면(42a)으로부터 성장되는 제1 버퍼층(43)이 돌기(41)의 상부 내지 상면(41a) 즉, 영역(B)에서 합체(Coalescence)되면서 발생할 수 있고, 돌기(42)의 상부 내지 상면(41a)을 뾰족한 형태로 형성함으로써, 상부 내지 상면(41a)으로부터 직접 발생하는 관통 전위(54)를 최소화할 수 있다. 영역(A)과 영역(B) 사이의 영역(C)에는 휘어진 관통 전위(56)가 형성되어 있으며, 관통 전위(56)는 성장 기판(42)의 바닥면(42a)으로부터 성장되는 제1 버퍼층(43)이 돌기(42)와 돌기(42) 사이의 공간(오목부)을 메우는 과정에서 휘어지는 형태로 형성되며, 성장 조건을 적절히 조절하면 대부분이 제1 버퍼층(43)의 상부로 이어지지 않게 되어, 그 위에 형성되는 제2 버퍼층(45; 도 8 참조)에서는 결정 결함으로 고려되지 않게 된다. 한편, 관통 전위가 돌기(41)의 측면(즉, 바닥면(42a)과 상부 내지 상면(41a) 사이의 돌기(41) 영역)에서 발생할 수 있는데, 이는 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 돌기(41)의 측면이 결정면(예를 들어, 사파이어로 된 성장 기판(41)의 경우에, 바닥면(42a)으로 주로 c면을 사용한다.)이 되지 않도록 함으로써 최소화할 수 있다. 즉, 돌기(41)의 측면이 횡단면이 원형이고, 종단면이 직선 또는 위로 볼록한 곡선이 되게 하거나, 돌기(41)의 측면에 러프닝(roughning)을 주는 등의 방식으로 돌기(41)의 측면에서의 제1 버퍼층(43)의 성장을 방해할 수 있다. 따라서, 돌기(41)가 구비된 성장 기판(42)에 제1 버퍼층(43)을 성장시킬 때, 영역(C)을 영역(A) 및 영역(B)에 비해 결정 결함이 적은 영역으로 성장시킬 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 도 17에 제시된 예에서는 영역(A)과 영역(B)에 성장 방지막(44)이 구비된 것을 특징으로 하며, 성장 기판(42)을 구성하는 물질은 Si, SiC에 더하여, 사파이어(Al2O3)로 확장될 수 있고, 나아가 HCP 결정 구조를 가지는 Sapphire, AlN, AlGaN, GaN 등으로 확장될 수 있으며, 성장이 이루어지는 면, 즉 바닥면(42a)으로 C면이 사용될 수 있다. 영역(A; 도 16 참조) 위에 위치하는 성장 방지막(44)이 관통 전위(55)를 차단하고, 영역(B; 도 16 참조) 위에 위치하는 성장 방지막(44)이 관통 전위(54)를 차단하며, 영역(C; 도 16 참조)에서 발생한 관통 전위(56)는 휘어져서 대부분 제1 버퍼층(43)을 관통하지 못하므로, 제1 버퍼층(43)의 상면에서 관통 전위는 최소화되고, 따라서 성장 방지막(44)을 통해 노출된 제1 버퍼층(43), 즉 영영(C)에서 해당하는 제1 버퍼층(43)으로부터 성장되는 제2 버퍼층(45)에서의 관통 전위(57,58)는 107/㎠ 이하의 TDD(Theading Dislocation Density)를 갖도록 최소화될 수 있다. 관통 전위(57)는 노출된 제1 버퍼층(43)으로부터 발생하는 관통 전위이며, 노출된 제1 버퍼층(43)이 이미 결정 결함이 최소화된 막질을 가지고, 이로부터 성장되므로 결정 결함의 수가 대폭 감소된다. 관통 전위(58)는 노출된 제1 버퍼층(43)으로부터 성장된 제2 버퍼층(45)이 성장 방지막(44) 위에서 합체(coalescence)되면서 형성되는 결정 결함이며, 성장 방지막(44)에 의해 차단되는 관통 전위(55)에 비해 대폭 감소된 수를 가진다. 돌기(42)는 폭과 높이가 1㎛ 이상인 마이크로 스케일(예: 폭-2.5㎛, 높이-1.6㎛, 돌기간 간격-0.4㎛)을 가질 수 있고, 폭과 높이가 1㎛ 미만인 나노 스케일(예: 폭-500nm 높이-500nm, 돌기간 간격-50nm)을 가질 수도 있다. 돌기(42)의 배치는 스트라이프 형상 또는 도트(dot) 형상일 수 있으며, 도트 형상일 경우에 하나의 돌기(41)를 중심으로 6개의 돌기(41)가 6각형의 꼭지점을 위치하는 배치를 가질 수 있고(돌기(42)의 열(an array of dots)의 관점에서 보면, 이웃한 열에 속하는 돌기(42)가 서로 정렬되지 않고, 지그재그 형태로 배치), 제1 버퍼층(43)이 성장될 수 있는 것을 전제로 성장이 이루어지는 바닥면(42a)이 최소화되는 것이 바람직하다.
성장 방지막(44)은 전술한 바와 같이 SiO2 또는 SiNx와 같은 유전체(두께: 1~1000nm)로 형성하여, 성장 방지막(44) 위에서 제2 버퍼층(45)을 억제하거나, 제2 버퍼층(45)의 성장이 가능한 물질로 구성하되, 제1 버퍼층(43)의 상부를 구성하는 물질(예: GaN)보다는 제2 버퍼층(45)의 성장 속도가 느린 물질(예: AlN, AlNO, AlO)로 구성함(이는 PVD(Sputter, ALD, PLD) 장치로 소정의 두께(예: 1~100nm)로 AlN, AlNO, 또는 AlO를 증착한 후, 패터닝함으로써 형성)으로써, 성장 방지막(44) 위에서 제2 버퍼층(45)의 성장을 지연시키는 형태로 구성할 수 있다. 제2 버퍼층(45)의 성장 속도가 느린 물질(예: AlN, AlNO, AlO)로 된 성장 방지막(44)을 이용하는 경우에, 유전체로 된 성장 방지막(44)을 이용할 때와 마찬가지로, 노출된 제1 버퍼층(44)으로부터 성장되는 제2 버퍼층(45)이 성장 방지막(44) 위로 전개되지만, 성장 방지막(44)에서도 제2 버퍼층(45)의 성장이 이루어지므로(성장 방지막(44)이 제2 버퍼층(45)의 씨드층(Seed Layer)으로 기능), 유전체(SiO2, SiNx) 성장 방지막(44) 위에서 제2 버퍼층(45)이 합체(coalescence)하는 과정에서 생성된 관통 전위의 생성 메커니즘과는 다른 거동을 나타낸다.
도 18은 본 개시에 따라 성장 방지막을 형성하는 방법의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 앞선 예들과 달리, 성장 방지막(44)이 제1 버퍼층(43) 자체에 의해 형성되어 있다. 성장 방지막(44)은 성장 기판(42)에 형성된 돌기(41)와 같은 개념으로 돌기(44c)의 형태로 형성되며, 포토리소그라피 공정 및 식각 공정(플라즈마)을 통해 형성될 수 있다. 제2 버퍼층(45)에서 결정 결함이 감소되는 원리는 앞선 예들과 동일하다. 관통 전위(57)는 돌기(44c)가 형성되지 않은 제1 버퍼층(43) 위에서 제2 버퍼층(45)에 존재하는 관통 전위로서, 이 영역(영역(C; 도 16 참조)에서 제1 버퍼층(43)의 관통 전위(54)는 휘어져서 대부분 제1 버퍼층(43)의 위쪽까지 도달하지 못하므로 이 영역에서 제2 버퍼층(45)은 막질이 좋은 제1 버퍼층(43)으로부터 성장되어 감소된 관통 전위(57)를 가진다. 관통 전위(58)는 돌기(41)에 대응하는 위치에 위치하는 돌기(44c)의 상부 내지 상면(44d)에서 발생하는 관통 전위이며, 관통 전위(59)는 바닥면(42a)에 대응하는 위치에 위치하는 돌기(44c)의 상부 내지 상면(44d)에서 발생하는 관통 전위이며, 제1 버퍼층(43)에 존재하는 관통 전위(55)가 돌기(44c)까지 이어져 있지만, 돌기(44c)의 상부 내지 상면(44d)은 폭이 좁은 평면이거나, 뾰족하여 관통 전위(55)가 제2 버퍼층(45)에서도 존재하기는 어렵다. 관통 전위(58,59)는 일부는 관통 전위(54)와 관통 전위(55)에 의해 발생하고, 일부는 돌기(44c)가 형성되지 않은 제1 버퍼층(43) 위에서 성장되는 제2 버퍼층(45)이 돌기(44c)의 상부 내지 상면(44d)에서 합체(Coalescence)되면서 발생한다. 도 17에 제시된 예와 비교할 때, HCP 결정 구조를 가지는 GaN 또는 AlGaN 단결정(Epitaxy) 위에 상대적으로 쉬운 공정(포토리소그라피 및 식각(플라즈마))으로 돌기(44c)를 형성하고, 동일한 물질(GaN 또는 AlGaN)로 제2 버퍼층을 성장하는 호모에피택시(Homo-epitaxy) 성막 공정이기에 관통 전위 및 그 이외의 결정 결점을 최소화할 수 있는 이점을 가진다. 돌기(44c)는 성장 기판(42)에 구비되는 돌기(44a)와 동일, 유사한 디멘젼을 가질 수 있으며, 폭과 높이가 1㎛ 이상인 마이크로 스케일보다는 폭과 높이가 1㎛ 미만인 나노 스케일(예: 폭-500nm 높이-500nm, 돌기간 간격-50nm)을 가지는 것이 바람직하다.
도 19는 본 개시에 따라 성장 방지막을 형성하는 방법의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 도 18에 제시된 예와 달리, 성장 방지막(44)을 형성하는 돌기(44c)가 성장 기판(42)의 바닥면(42a)에 대응하는 위치, 즉 영역(A)에 대응하는 위치에서 제1 버퍼층(43)에 형성되어 있다. 영역(A)에 존재하는 관통 전위(55)는 돌기(44c)로 이어져 있지만 돌기(44c)의 상부 내지 상면(44d)은 폭이 좁거나 뾰족하므로, 소멸되거나 제2 버퍼층(45)으로 일부만이 이어져서 관통 전위(59)를 형성한다. 영역(B)에 존재하는 관통 전위(54) 중 일부는 제2 버퍼층(45)으로 이어져서 관통 전위(58a)를 형성하거나 제2 버퍼층(45)이 돌기(44c) 사이의 공간을 메우는 과정에서 휘어진 형태의 관통 전위(58b)가 되어 제2 버퍼층(45) 내에서 소멸한다. 영역(C)에는 관통 전위가 많지 않으므로, 영역(C)으로부터 성장하는 제2 버퍼층(45)에도 결정 결함이 발생의 최소화된다.
도 20은 본 개시에 따라 성장 방지막을 형성하는 방법의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 도 18에 제시된 예와 달리, 성장 방지막(44)을 형성하는 돌기(44c)가 돌기(41)의 상부 내지 상면(41a)에 대응하는 위치, 즉 영역(B)에 대응하는 위치에서 제1 버퍼층(43)에 형성되어 있다. 영역(A)에 존재하는 관통 전위(55) 중 일부는 제2 버퍼층(45)으로 이어져서 관통 전위(59b)로 존재하지만, 일부는 제2 버퍼층(45)이 돌기(44c) 사이의 공간을 메우는 과정에서 휘어진 형태의 관통 전위(59b)가 되어 제2 버퍼층(45) 내에서 소멸한다. 영역(B)에 존재하는 관통 전위(54)는 돌기(44c)로 이어져 있지만 돌기(44c)의 상부 내지 상면(44d)은 폭이 좁거나 뾰족하므로, 소멸되거나 제2 버퍼층(45)으로 일부만이 이어져서 관통 전위(58a)를 형성한다. 영역(C)에는 관통 전위가 많지 않으므로, 영역(C)으로부터 성장하는 제2 버퍼층(45)에도 결정 결함의 발생이 최소화된다.
도 21 내지 도 23은 본 개시에 따라 성장 방지막을 형성하는 방법의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 도 21에는 도 18에 제시된 구성에 더하여, 돌기(44c)가 형성된 제1 버퍼층(43) 위에 AlN, AlNO, 또는 AlO로 된 물질층(45a)이 되어 형성되어 있다. 물질층(45a)은 도 17에 제시된 성장 방지막(44)과 동일한 물질로서 같은 방식(PVD(Sputter, ALD, PLD) 장치로 증착)으로 1~100nm의 두께로 형성될 수 있다. 도 22에는 물질층(45a)이 영역(A)에만 형성되어 있으며, 도 23에는 물질층(45a)이 적어도 돌기(44c)의 일부를 덮도록 형성되어 있다. 도 21 내지 도 23에 제시된 물질층(45a)은 도 19에 제시된 구성 및 도 20에 제시된 구성에도 마찬가지로 적용될 수 있다. 물질층(45a)을 도입함으로써, 성장 기판(42)에서 발생되어 제1 버퍼층(43) 표면에 노출된 관통 전위를 차단 감소시키는 한편, 두 영역(A, B; 도 16 참조)에서 성장되는 제2 버퍼층(45)은 AlN, AlNO, 또는 AlO로 된 물질층(45a)과의 격자 상수 차가 적어 관통 전위 생성을 억제하여 전반적으로 관통 전위 수를 최소화할 수 있게 된다. 도 17에 제시된 예에 물질층(45a)을 도입할 수 있음은 물론이다. 물질층(45a)은 성장 방지막(44) 및 돌기(44c)의 형성 공정에서 노출되는 제1 버퍼층(43)에 발생할 수 있는 손상을 회복하는 기능도 할 수 있다.
도 17 내지 도 23에 제시된 예를 모두 고려할 때, 성장 방지막(44)은 제2 버퍼층(45)의 성장을 방지하거나 느리게 한다는 점에서 성장 억제막(44)이라 칭할 수 있다.
도 24 및 도 25는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 적층체 내지 소자의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 도 14에 제시된 형태의 돌기(41)와 도 21에 제시된 물질층(45a)이 결합된 형태의 예가 제시되어 있다. 도 14에 제시된 예의 관점에서, 성장 기판(42; 예: 사파이어 기판)에 성장 기판(42)을 구성하는 물질(Al2O3)로 된 돌기(41; 도 16 내지 도 23 참조)를 형성한 것이 아니라, 성막을 통해 돌기 베이층(71)을 형성한 다음, 이를 패터닝하여 돌기(41)를 형성한 다음, 그 위에 도 21에 제시된 물질층(45a)을 형성한 것이며, 이때 성장 방지막 내지 성장 억제층(44)은 생략될 수 있으며, 이때 돌기 베이스층(71)이 제1 버퍼층(43)에 대응하게 된다. 도 21에 제시된 예의 관점에서, 성장 기판(42)에 구비되는 돌기(41)를 생략하고, 제1 버퍼층(43)을 형성한 다음, 제1 버퍼층(43)에 성장 억제층(44)으로서 돌기(44c)를 형성하고, 그 위에 물질층(45a)을 형성한 것이다. 그 위에 제2 버퍼층(45)과 비발광 3족 질화물 반도체 적층체 내지 소자(A)를 적층한다. 도 22 및 도 23에 도시된 것과 같은 형태로 물질층(45a)이 부분적으로 형성될 수 있음은 물론이며, 도 23에 제시된 것과 같은 형태로 물질층(45a)을 형성하는 경우에, 물질층(45a)을 제2 버퍼층(45)의 성장 속도를 늦추는 AlN, AlNO, AlO와 같은 Al 함유 물질이 아니라, 돌기(41) 상에서 제2 버퍼층(45)의 성장을 방지하는 물질인 SiO2, SiNx와 같은 유전체 물질로 구성할 수 있음은 물론이다. 이러한 구조를 이용함으로써, 도 21 내지 도 23과 관련하여 설명한 바와 같이, 관통 전위를 줄일 수 있는 한편, 도 25에 도시된 바와 같이, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체 내지 소자(A) 측에 지지 기판(S)을 구비한 다음, LLO(Laser Lift-Off)와 같은 공정을 통해 성장 기판(42)을 제거할 때, 성장 기판(42)과 동일한 물질로 된 돌기(41)를 구비한 경우에 비해 쉽게 성장 기판(42)을 비발광 3족 질화물 반도체 적층체 내지 소자(A) 측으로부터 분리할 수 있는 이점을 가진다. 3족 질화물 반도체를 이용한 수직 방향의 전류 흐름을 갖는 비발광 소자를 제작할 때, 사파이어 성장 기판(42)에 단파장 고밀도 레이저 빔(Shorter Wavelength & Higher Optical Flux Laser Beam)을 조사하여 광학적, 열적 및 기계적 손상(Damage)없이 분리 제거하는 공정(LLO 공정)과 후속하는 웨이퍼 본딩 공정을 통해 수직 방향의 전류 흐름을 갖는 비발광 소자(예; 트랜지스터 또는 다이오드) 성능(특히, Breakdown Voltage)과 신뢰성을 개선하는 것이 요구되는데, 사파이어 성장 기판(42)에 성장 기판(42)을 구성하는 물질(Al2O3)로 된 돌기(41)를 갖는 경우에 비발광 3족 질화물 반도체 적층체(A)를 성막한 후에 LLO 공정에서 단파장 고밀도 레이저 빔을 사파이어 성장 기판(42) 후면(Backplane)에 조사 분리할 때, 돌기(41)가 형성된 경계면에서 레이저 빔의 산란이 다량으로 발생하게 되어 사파이어 성장 기판(42)으로부터 비발광 3족 질화물 반도체 적층체(A)를 분리하는데 광 에너지 부족으로 어려움이 발생함과 동시에, 산란된 레이저 빔이 비발광 3족 질화물 반도체 적층체(A)까지 도달하게 되어 예기치않은 영향(Side Effect)을 미치게 된다. 따라서 사파이어 성장 기판(42)으로부터 비발광 3족 질화물 반도체 적층체(A)를 분리한 다음, 수직방향의 전류 흐름을 갖는 고품위 3족 질화물 반도체 비발광 소자를 제작하기 위해서는 돌기(41)를 제1 버퍼층(43) 상부에 형성하여 관통 전위(Threading Dislocation) 포함 결정 결함을 억제함과 동시에 후속하는 소자 제작 공정에서 손상을 최소화할 수 있게 된다. 돌기 베이스층(71) 내지 제1 버퍼층(43)은 앞선 예들에서와 마찬가지의 조성과 성장 조건으로 형성될 수 있으며, 씨드층을 형성한 다음, 관통 전위 포함 결정 결함(Crystalline Defect) 억제와 스트레스 스트레인을 조절하기 위한 물질층(GaN, AlN, AlGaN, SiNx) 또는 이들로 이루어진 다층 구조(Superlattice)가 도입될 수도 있다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법에 있어서, 실리콘(Si)을 함유하는 성장 기판을 준비하는 단계; 성장 기판에 복수의 돌기를 형성하는 단계; 성장 기판에 복수의 돌기를 덮도록 제1 버퍼층을 성장하는 단계; 제1 버퍼층 위에 복수의 성장 방지막을 형성하는 단계; 성장 방지막을 통해 노출된 제1 버퍼층으로부터 제2 버퍼층을 성장하는 단계; 그리고, 제2 버퍼층 위에 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 형성하는 단계;를 포함하는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
(2) 성장 방지막을 형성하는 단계에서, 각 돌기의 상부 및 돌기와 돌기 사이에 위치하도록 복수의 성장 방지막을 형성하는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
(3) 복수의 돌기와 성장 기판이 동일한 물질인, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
(4) 실리콘(Si)을 함유하는 성장 기판은 Si 성장 기판 및 SiC 성장 기판 중의 하나인, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
(5) 복수의 돌기와 성장 기판이 다른 물질인, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
(6) 복수의 돌기를 형성하는 단계에 앞서, 돌기 베이스층을 형성하는 단계;를 더 포함하며, 복수의 돌기는 돌기 베이스층을 식각하여 형성되는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
(7) 돌기 베이스층은 성장 기판에 형성되는 씨드층, 씨드층 위에 형성되는 3족 질화물 반도체층으로 이루어지는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
(8) 식각을 통해 돌기 베이스층의 3족 질화물 반도체층이 노출되는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
(9) 식각을 통해 돌기 베이스층의 씨드층이 노출되는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
(10) 복수의 돌기를 형성하는 단계에 앞서, 돌기 베이스층을 형성하는 단계;를 더 포함하며, 복수의 돌기는 돌기 베이스층을 리프트-오프하여 형성되는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
(11) 리프트-오프된 돌기 베이스층과 리프트-오프되어 노출된 성장 기판을 덮는 씨드층을 형성하는 단계;를 더 포함하는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
(12) 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법에 있어서, 성장 기판을 준비하는 단계; 성장 기판에 복수의 돌기를 형성하는 단계; 성장 기판에 복수의 돌기를 덮도록 제1 버퍼층을 성장하는 단계; 제1 버퍼층 위에 복수의 성장 억제막을 형성하는 단계; 복수의 성장 억제막으로부터 노출된 제1 버퍼층으로부터 제2 버퍼층을 성장하는 단계; 그리고, 제2 버퍼층 위에 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 형성하는 단계;를 포함하는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
(13) 복수의 성장 억제막을 형성하는 단계에서, 각 돌기의 상부 및 돌기와 돌기 사이에 위치하도록 복수의 성장 억제막을 형성하는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
(14) 복수의 돌기와 성장 기판이 동일한 물질인, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
(15) 복수의 성장 억제막은 유전체 물질을 포함하는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
(16) 복수의 성장 억제막은 그로부터 제2 버퍼층의 성장이 가능하되, 제1 버퍼층으로부터의 제1 버퍼층의 성장 속도보다 성장 속도가 느린 물질을 포함하는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
(17) 복수의 성장 억제막은 AlN, AlNO, AlO 중의 하나를 포함하는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
(18) 복수의 성장 억제막은 제1 버퍼층을 구성하는 물질로 이루어지는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
(19) 제2 버퍼층을 성장하는 단계에 앞서, 제1 버퍼층로부터 제2 버퍼층이 성장하는 속도보다 제2 버퍼층의 성장 속도를 느리게 하는 물질층을 형성하는 단계;를 더 포함하는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
(20) 제2 버퍼층을 성장하는 단계에 앞서, 제1 버퍼층로부터 제2 버퍼층이 성장하는 속도보다 제2 버퍼층의 성장 속도를 느리게 하는 물질층을 형성하는 단계;를 더 포함하는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
(21) 복수의 성장 억제막은 AlN, AlNO, AlO 중의 하나를 포함하는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
(22) 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법에 있어서, 성장 기판을 준비하는 단계; 성장 기판에 제1 버퍼층을 성장하는 단계; 제1 버퍼층에 제1 버퍼층으로 된 복수의 돌기를 형성하는 단계; 제1 버퍼층 위에 제2 버퍼층을 성장하는 단계; 제2 버퍼층 위에 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 형성하는 단계; 그리고, 제2 버퍼층을 성장하는 단계에 앞서, 복수의 돌기 위에 제2 버퍼층의 성장을 느리게 하거나 방지하는 물질층을 형성하는 단계;를 포함하는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
(23) 물질층은 제2 버퍼층의 성장을 느리게 하는 물질로 이루어지며, 복수의 돌기가 형성된 제1 버퍼층 전체에 걸쳐 형성되는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
(24) 제1 버퍼층은 성장 기판에 형성되는 씨드층, 씨드층 위에 형성되는 3족 질화물 반도체층으로 이루어지는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
(25) 성장 기판을 비발광 3족 질화물 반도체 적층체 측으로부터 분리하는 단계;를 더 포함하는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
본 개시에 따른 비발광 3족 질화물 반도체 적층제 내지 소자에 의하면, 107/㎠ 이하의 TDD(Theading Dislocation Density)를 가지는 적층제 내지 소자가 구현될 수 있게 된다.
돌기(41), 성장 기판(42), 제1 버퍼층(43), 성장 방지막(44), 제2 버퍼층(45), 채널층(46), 2DEG(47), 인터레이어(48), 배리어층(49), 캡층(50), 소스 전극(51), 게이트 전극(52), 드레인 전극(53)

Claims (5)

  1. 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법에 있어서,
    성장 기판을 준비하는 단계;
    성장 기판에 제1 버퍼층을 성장하는 단계;
    제1 버퍼층에 제1 버퍼층으로 된 복수의 돌기를 형성하는 단계;
    제1 버퍼층 위에 제2 버퍼층을 성장하는 단계;
    제2 버퍼층 위에 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 형성하는 단계; 그리고,
    제2 버퍼층을 성장하는 단계에 앞서, 복수의 돌기 위에 제2 버퍼층의 성장을 느리게 하거나 방지하는 물질층을 형성하는 단계;를 포함하는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    물질층은 제2 버퍼층의 성장을 느리게 하는 물질로 이루어지며, 복수의 돌기가 형성된 제1 버퍼층 전체에 걸쳐 형성되는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    제1 버퍼층은 성장 기판에 형성되는 씨드층, 씨드층 위에 형성되는 3족 질화물 반도체층으로 이루어지는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    물질층은 AlN, AlNO, AlO 중의 하나를 포함하는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    성장 기판을 비발광 3족 질화물 반도체 적층체 측으로부터 분리하는 단계;를 더 포함하는, 비발광 3족 질화물 반도체 적층체를 제조하는 방법.
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