KR950002178B1 - 실리콘기판상에 성장된 GaAs에피택셜층의 유기금속화학증착법에 의한 델타-도핑형성방법 - Google Patents
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Abstract
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Description
제 1 도는 완충층의 두꼐변화에 따른 C-V프로파일의 변화를 나타낸 도표.
제 2 도는 3㎛두께의 완충층을 갖는 시료의 열처리 온도변화를 따른 C-V프로파일의 변화를 나타낸 도표.
제 3 도는 열처리 온도변화에 따른 확산계수의 변화를 나타낸 도표.
본 발명은 실리콘기판위에 성장된 GaAs에피택셜층에 유기금속화학증착법(MOCVD: metalorganic chemical vapor deposition)으로 고온에서 델타-도핑을 형성하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 실리콘기판은 값이 저렴하고 대면적의 저결함 기판을 용이하게 제작할 수 있음에 따라, 이같은 실리콘기판위에 GaAs에피택셜층을 성장시킬 경우에는 실리콘기판 자체가 가지고 있는 장점과 GaAs의 우수한 전기, 광학적 특성의 결합을 통해 다양한 반도체 소자를 저렴하게 개발 할 수 있기 때문에 최근 실리콘기판위에 GaAs에피택셜층을 성장시키는 기술에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
특히, 대면적의 실리콘기판의 제작이 가능한 점을 이용하여 그 위에 GaAs솔라셀(solar cell)구조를 에피택셜층으로 성장시킬 경우 대면적 탠덤솔 라셀(tandem solar cell)의 제조가 가능하고, FET(Field effect transistor)구조를 성장시킬 경우에는 GaAs FET를 하나의 기판위에 대량으로 제조할 수 있으며, 또한 실리콘기판에 형성된 메모리소자와 GaAs광전소자가 결합된 집적회로의 제작이 가능하다.
그런데, 실리콘과 GaAs간에는 걱자부정합 및 열팽창계수의 차이와 같은 물질특성의 차이에 기인하여 실리콘기판의 표면에서 생성된 많은 전위 결함이 GaAs에피택셜층에로 전파되기 때문에 고품질의 GaAs에피택셜층을 성장시키는 데는 어려움이 따르고 있다. 이에 더하여 비극성인 실리콘위에 극성을 띠는 GaAs가 성장됨으로 인하여 발생되는 엔티페이즈 도메인(antiphase domain) 또한 커다란 문제점으로 작용하고 있다.
실리콘기판상에 GaAs에피택셜층을 성장시킬때 발생하는 상기의 문제점을 해소하기 위한 방편으로 최근 〈011〉방향으로 2~3˚기울어진 (100) 실리콘기판을 사용하는 한편 2단계성장법을 이용하여 비교적 고품질의 GaAs에 피택셜층을 성장시키는데 성공하였으나 여전히 106~108cm-2정도의 밀도를 가진 전위결함이 표면에 존재하여 GaAs-on-Si기술의 실제소자 제조에 큰 어려움이 있다.
한편, 종래의 3차원적 도핑개념에 반하여 2차원적 도핑개념인 델타-도핑(delta-doping)에 관한 연구가 최근에 알려지고 있다[E.F.Schubert, J.Vac. Sci. Technol. A8, 2980 (1990)].
델타-도핑은 실리콘기판상에 GaAs에피택셜층을 성장시킴에 있어 GaAs의 성장도중에 성장을 중지한 채 결정성장장치 내부로 도우펀트(dopant)를 유입시켜 원자층 두께의 도핑평면을 형성시킨 후 그 위에 다시 GaAs에피택셜층의 성장을 계속하는 방법으로서, 이때 도우펀트에 의한 강한 전장에 의해서 포텐셜 우물(potential well)이 형성되고 이 포텐셜 우물에 고농도의 전자층을 농축시킬 수 있다.
이와같은 델타-도핑기술을 이용하여 종래의 소자특성을 크게 향상시킬 수 있고 또한 종래에는 존재하지 않았던 새로운 소자를 제조할 수 있게 되는 데, 그 일예로 FET에서 도핑된 활성층을 델타-도핑하는 경우 델타-FET가 얻어지며 이 델타-FET는 소오스-드레인 포화전류(Idss : source-drain saturation current), 전달콘덕턴스(Gm : transconductance) 및 역방향 항복전압(reverse breakdown voltage)면에서 기존의 FET에 비하여 높게 나타나는 등의 우수한 특성을 나타내는 것으로 알려지고 있다.
이같은 델타-도핑에 관한 연구는 주로 분자선 에피탁시(MBE : molecular beam epitaxy)법에 의하여 이루어졌는 바, MBE에서 성장온도는 550℃ 이하로서 만일 성장온도가 550℃ 이상으로 되는 경우에는 성장중 열에 의한 도우펀트의 확산에 의하여 델타-도핑층으로 확산되어 그 특성을 현저하게 악화시키는 결과를 초래함에 따라 성장온도가 비교적 높은(즉 550℃ 이상)시료에는 적용이 불가능하다는 문제점이 있다.
상술한 MBE의 경우에는 비추어 보다 정상 성장온도가 650~750℃인 유기 금속화학증착법(MOCVD : metalorganic chamical vapor deposition)의 경우 델타-도핑이 전혀 이루어지지 않을 것으로 예상되나, 본 발명자들은 유기금속 화학증착장치에서의 원료의 TMG(Trimethylagllium)가 분해할 때 발생하는 원자수소가 성장중의 시료표면을 수소화(Hydrogen passivation)시킴으로 인하여 성장중인 시료표면의 댕글링본드(Dangling bond)를 감소시켜 불순물의 표면 분결(Surface segergation)현상을 없애는 확산 억제 기구에 의하여 유기금속 화학증착법에 의해서도 델타-도핑이 잘 이루어짐을 발견하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명은 유기금속화학증착법에 의하여 실리콘기판위에 성장된 GaAs에피택셜층에서 700-750℃의 성장온도로 델타-도핑을 하는 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 델타-도핑형성의 전단계공정으로서 실리콘기판상에 3㎛ 이상의 두꺼운 완충층을 형성하여 전위결함에 의한 도우펀트확산가속효과를 억제하는 데 있다.
본 발명 방법에 의해 실리콘기판위에 성장된 GaAs에피택셜층에 델타-도핑층을 형성하는 과정을 실시예에 의거 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 〈011〉방향으로 3˚기울어진 (100)면의 실리콘기판을 HF에 담그어 기판의 표면에 존재하는 산화막을 제거한 다음 이를 대기압하의 유기금속화학증착장치의 반응관내에 장입한다.
다음 반응관내부를 수소와 AsH3의 분위기로 유지한 상태에서 실리콘기판상에 있는 휘발성분순물 및 산화층을 제거하기 위한 공정으로 기판을 900-950℃의 온도로 상승시켜 15-20분간 열처리를 수행한다.
상기 열처리공정이 완료되면 공지의 2단계 성장법으로 GaAs에피택셜층을 성장시키게 된다.
즉, 기판의 온도를 450℃로 낮춘 상태에서 TMG(trimetyl gallium)을 반응관 내부로 유입시켜 GaAs에피택셜층을 200Å정도 성장시키게 되는 데, 이때 성장된 에피택셜층은 성장온도가 낮음에 따라 다결정상태로 된다.
이같은 다결정상태를 단결정상태로 변화시키기 위하여 성장을 종단한 채 기판의 온도를 700℃정도로 상승시켜 15-20분간 어닐링하는 재결정화 과정을 수행한 후에 700-750℃에서 GaAs에피택셜층의 성장을 계속하게 된다.
이때 AsH3/TMG비율은 30이고, 총이송 수소량은 5 slpm이며, TMG 물분율은 4×10-5으로 유지하였다.
기판상에 성장되는 GaAs에피택셜층은 이후 공정으로서의 델타-도핑층형성을 위한 완충층으로 작용하게 되는데 이 완충층의 두께는 3㎛ 이상으로 되는 것이 바람직하다.
완충층이 소정두께에 이르도록 성장하면 반응관내의 TMG를 외부로 배출하여 GaAs에피택셜층의 성장을 약 12초간 중지한 다음 SiH4를 5×10-7의 몰분율로 12초간 유입하여 GaAs에피택셜층 표면에 델다-도핑층을 형성한다.
다음, 약 12초간에 걸쳐 잔여 SiH4를 반응관으로부터 제거한 후에 델타-도핑층위에 다시 GaAs에피택셜층을 덮개층을 하여 1000Å정도 성장시킨다.
이같은 델타-도핑층형성 및 GaAs에피택셜층 성장의 온도는 700-750℃사이에서 이루어지게 된다.
이와같이 유기금속화학증착방법에 의하여 에피택셜층내에 형성된 델타-도핑층의 특성을 알아보기 위하여 C-V프로파일(Capacitance-Voltage profile)측정을 행한 결과는 제 1 도의 C-V프로파일과 같다.
제 1 도는 본 발명의 방법에 의해 델타-도핑을 수행함에 있어서 델타-도핑층 형성의 전단계 공정으로서 기판과 델타-도핑층 사이에 형성되는 완충층의 두께가 델타-도핑층에 미치는 영향을 알아보기 위하여 완충층의 두께를 각각 1.1㎛, 1.7㎛ 및 3.3㎛로 변화시켜 C-V프로파일 측정을 행하였으며, 이때의 성장 온도는 700℃로 유지하였다.
도면을 통하여 알 수 있듯이 완충층의 두께가 3.3㎛일때에 C-V프로파일 반치폭(full width at half maximum)은 59Å임에 비해 완충층의 두께가 1.1㎛일때는 반치폭의 350Å으로서 완충층의 두께가 얇을수록 C-V프로파일 반치폭은 급격히 증대된다. 다시말하면, 완충층의 두께가 얇은 경우 델타-도핑층의 특성이 현저히 저하됨을 알 수 있는데, 이는 완충층의 두께가 얇을수록 GaAs/Si계면에 존재하는 많은 전위결합이 GaAs에피택셜층으로 전파되고 반대로 완충층의 두께가 증대될수록 기판의 표면으로부터 전파하는 전위결합의 수가 상대적으로 감소하기 때문이다.
이에따라 델타-도핑층 형성이 주위의 전위밀도 농도에 큰 영향을 받음을 알 수 있는 바, 완충층의 두께가 얇은 때에는 주위에 전위결함이 많이 존재하여 델타-도핑층 형성 후 델타-도핑층에 있는 이온화된 도우편트 실리콘의 열확산이 이들 전위결함에 의해 가속되어 델타-도핑층의 특성이 나빠지게 된다.
이와같이 델타-도핑층의 도우펀트확산이 주위에 있는 전위결함에 의하여 가속되는 현상은 전위결함이 도우펀트 확산의 채널을 제공하기 때문이다.
그러나, 제 1 도에서와 같이 완충층의 두께가 3㎛이상의 두께의 유지하는 경우에는 C-V프로파일 반치폭이 59Å으로 거의 이상적인 상태에 근접하게 되므로 3㎛이상의 두꺼운 완충층을 기판과 델타-도핑층 사이에 삽입형성하는 경우에는 델타-도핑이 성공적으로 이루어지므로 이를 이용하여 실용성이 있는 다양한 형태의 소자를 제작할 수 있다.
다음, 제 2 도는 본 발명 방법에 의하여 제조된 3㎛의 두께의 완충층을 갖는 시료에 대해 800-100℃의 온도에서 열처리 하였을 때 델타-도핑층내의 Si도우펀트 확산거동을 나타낸 C-V프로파일로서, 도시된 바와같이 열처리온도가 상승함에 따라 반치폭이 59Å인 C-V프로파일이 열확산에 의해 급속히 넓어짐을 알 수 있다.
제 2 도에서와 같은 열처리 온도에 따른 반치폭의 변화로부터 확산계수를 구하여 이를 도시하면 제 3 도와 같다.
제 3 도에서 점선은 E.F.Schubert등의 종래의 MBE방법으로 GaAs기판위에 성장한 델타-도핑시료부터 얻는 결과를 나타낸 것이다.
실리콘기판위에 성장한 GaAs에피택셜층의 델타-도핑특성은 완충층의 두께가 3㎛이하로 되는 경우 그 특정이 저하됨을 상기의 측정결과들로부터 알 수 있다.
따라서, 양호한 델타-도핑특성을 얻기 위해서는 전위결함에 의해 불순물확산 가속효과를 배제하여야 하고 이를 위해서는 3㎛이상의 완충층 형성이 필요함을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와같이 본 발명은 유기금속화학증착방법에 통하여 실리콘기판위에 우선 3㎛이상의 완충층을 형성한 다음 그 위에 700-750℃의 고온성장온도에서 델타-도핑을 수행하는 방식을 취함에 따라 델타-도핑층내의 델타-도핑층에 있는 도우펀트의 열확산이 GaAs/Si계면에서 발생된 전위결합에 의하여 가속되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
Claims (2)
- 실리콘기판위에 완충층으로서의 GaAs에피택셜층을 성장시키는 공정과, 이 GaAs에피택셜층의 성장을 중단한 상태에서 그 위에 유기금속화학 증착법에 의해 700-750℃의 성장온도에서 델타-도핑하는 공정과, 이후 700-790℃에서 덮개층으로서의 GaAs에피택셜층을 성장시키는 공정으로 구성됨을 특징으로 하는 실리콘기판상의 성장된 GaAs에피택셜층의 유기금속화학증착법에 의한 델타-도핑형성방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 완충층으로서의 GaAs에피택셜층을 3㎛이상의 두께로 성장시킴을 특징으로 하는 실리콘기판상에 성장된 GaAs에피택셜층의 유기금속화학증착법에 의한 델타-도핑 형성방법.
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