KR950006313B1 - 액상 에피택시장치 및 에피택셜층의 성장방법 - Google Patents
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Abstract
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Description
제1도는 액상 에피택시 보우트의 단면도.
제2도는 이 발명의 일실시예에 따른 액상 에피택시 보우트의 단면도.
제3도는 이 발명에 따른 에피택셜층 성장시의 온도구배를 나타내는 상태도.
제4도는 이 발명에 따른 에피택셜층의 성장방법을 나타내는 공정도.
이 발명은 액상 에피택시(Liquid Phase Epitaxy : 이하 LPE라 칭함)장치 및 에피택셜층(Epitaxial layer)의 성장방법에 관한 것으로, 특히 인시튜 액상식각(Insitu melt-etch)을 이용하여 양질의 에피택셜층을 성장시킬 수 있는 LPE장치 및 에피택셜층의 성장방법에 관한 것이다.
일반적으로 단결정 기판 위에 이 기판과 동일한 결정구조를 가지는 단결정층을 성장하는 것을 에피택셜성장(Epitaxial Growth)이라 한다. 에피택셜성장은 원하는 전기적 특성을 가지는 층을 형성할 수 있고 이종접합으로 여러기능의 소자를 한 칩내에 제조할 수 있다. 또한, 다층구조에서 이종접합 주기의 조정과 격자간 스트레인(Strain) 정도의 조정으로 밴드 구조를 원하는 데로 설계할 수 있다. 에피택셜성장방법에는 LPE, 기상 에피택시(Vapor Phase Epitaxy) 및 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy)등이 있다.
상기 LPE는 주로 화합물 반도체에 이용되는 것으로 고온의 로(Furmace)에서 화합물 반도체를 용해시킨후 과포하(Superstaturation)시켜 기판위에 단결정을 성장시킨다. Ⅲ-Ⅴ족 화합물의 LPE성장은 1963년에 H. Nelson에 의해 개발되었다. 상기 LPE는 장비가 간단하고 저가이며, 재현성이 좋고 전위밀도(dislocation density)가 낮은 장점이 있다.
제1도는 종래 LPE보우트(boat)의 단면도이다.
상기 LPE보우트는 슬라이더(Slider : 1), 접촉홈부(3) 및 시료용기부(5)로 구성되어 있다. 상기 슬라이더(1)의 소정부분에 반도체 기판(15)을 위치시키기 위한 기판홈(7)이 형성되어 있으며, 상기 시료용기부(5)는 상기 반도체 기판(15)의 표면에 에피택셜층들을 성장시키기 위한 시료들(13a), (13b), (13c), (13d), (13e)을 담기 위한 시료용기들(9a), (9b), (9c), (9d), (9e)이 형성되어 있다. 또한 상기 접촉홈부(3)에 상기 시료들(13a), (13b), (13c), (13d), (13e)을 용융된 상태로 각각 담아 상기 반도체 기판(15)과 접촉시키는 접촉홈들(11a), (11b), (11c), (11d), (11e)이 있다. 상기에서 접촉홈들(11a), (11b), (11c), (11d), (11e)과 시료용기들(9a), (9b), (9c), (9d), (9e)은 각각의 이격거리들이 동일하다.
상술한 LPE보우트를 이용한 에피택셜층의 성장방법을 설명한다.
상기 시료용기들(9a), (9b), (9c), (9d), (9e)에 반도체 기판(15)의 표면에 에피택셜층을 형성하기 위한 다결정 또는 비정질 상태의 시료들(13a), (13b), (13c), (13d), (13e)을 채운다. 상기에서 반도체 기판(15)이 GaAs라면 상기 시료들(13a), (13b), (13c), (13d), (13e)은 GaAs계열물질을 이용한다. 그 다음 상기 LPE보우트에 열을 가하여 상기 시료들(13a), (13b), (13c), (13d), (13e)을 용융시킨 후 시료용기부(5)를 이동시켜 시료용기들(9a), (9b), (9c), (9d), (9e)을 접촉홈들(11a), (11b), (11c), (11d), (11e)에 일치시킨다. 이때, 상기 시료용기들(9a), (9b), (9c), (9d), (9e)에서 용융된 시료들(13a), (13b), (13c), (13d), (13e)이 접촉홈들(11a), (11b), (11c), (11d), (11e)을 동시에 채운다. 그후 상기 시료용기부(5)를 원래의 위치로 이동시켜 시료용기들(9a), (9b), (9c), (9d), (9e)과 접촉홈들(11a), (11b), (11c), (11d), (11e)을 다시 분리시킨다. 상기에서 시료들(13a), (13b), (13c), (13d), (13e)을 용융할때 용매(Solvent)로, 다결정 GaAs를 용질(Solution)로 이용한다. 그 다음, 상기 슬라이더(1)를 이동시켜 상기 기판홈(7)을 첫번째의 접촉홈(11a)과 일치시킨다. 상기 첫번째 용융된 시료(13a)를 인시튜 액상식각용으로 사용하기 위해서는 Ga에 대해 As이 불포화(Understuration) 상태가 되도록 한 후 상기 첫번째 분리홈(11a)의 용융된 시료(13a)를 반도체 기판(15)과 접촉시킨다. 이때, 상기 반도체 기판(15)의 표면에서 As가 석출(음의 성장)되어 표면이 식각되는 효과를 나타낸다. 그 다음, 상기 슬라이더(1)를 이동시켜 기판홈(7)을 나머지 접촉홈들(11b), (11c), (11d), (11e)과 순차적으로 일치시켜 에피택셜층을 형성한다.
상기에서 인시튜 용융식각을 하기위해서는, 이용될 시료의 양을 정확하게 조절하거나, 또는 평형상태의 용융된 시료를 분리홈에 채우고 온도를 올려 이 용융된 시료를 불포화상태로 만든다.
그러나, 상기 시료의 양을 조절하는 방법은 시료의 세정 및 식각에 의해 양이 줄어들어 시료의 양을 정확하게 조절하기가 어렵고 저울로 시료의 무게를 측정할때 오염되는 문제점이 있다. 또한, 평형상태의 용융된 시료의 온도를 조절하는 방법이 있을 수 있는데 이 경우의 문제점은 인시튜 액상식각후 에피택셜층을 성장시키기 위한 분리홈들의 용융된 시료를 과포화시키기 위하여 온도를 낮추는 동안 반도체 기판의 용융된 시료와 분리되어 있어야 하므로 식각된 표면의 오염되는 점이다.
따라서, 이 발명의 첫번째 목적은 인시튜 액상식각시 시료의 양의 조절이 필요없는 액상 에피택시장치를 제공함에 있다.
이 발명의 두번째 목적은 반도체 기판의 오염을 제거할 수 있는 액상 에피택시장치를 제공함에 있다.
이 발명의 세번째 목적은 에피택셜층의 질을 높이고 적층 성장수율을 향상시킬 수 있는 액상 에피택셜층 성장방법을 제공함에 있다.
상기과 같은 첫번째 및 두번째 목적을 달성하기 위하여 이 발명은 액상 에피택시장치에 있어서, 반도체 기판을 위치시키기 위한 기판홈을 가지는 슬라이더와, 상기 반도체 기판의 액상식각용 시료와 에피택셜층 형성용 시료들을 담기 위한 다수의 시료용기들을 가지는 시료용기부와, 상기 슬라이더와 시료용기부 사이에 위치되어 상기 시료들을 용융된 상태로 담기 위한 다수의 분리홈들을 가지며, 상기 액상식각용 시료를 담는 분리홈과 이에 인접한 에피택셜 형성용 시료를 담는 분리홈 사이의 이격거리는 에피택셜층 형성용 시료를 담는 분리홈들 사이의 이격거리보다 길게 구성된 분배홈부를 구비함을 특징으로 한다.
또한 상기 세번째 목적을 달성하기 위하여 이 발명은 시료용기부, 분배홈부 및 슬라이더를 구비한 액상 에피택시장치를 이용한 에피택셜층의 성장방법에 있어서, 상기 시료용기부에 형성되어 있는 다수의 시료용기들 내의 액상식각용 시료와 에피택셜층 성장용 시료들을 제1소정온도에서 용융하는 공정과, 상기 시료용기부를 소정방향으로 이동시켜 액상식각용 시료로 소정의 분배홈을 채우는 공정과, 상기 시료용기부를 소정방향과 소정방향과 반대의 방향으로 이동시켜 액상식각용 시료를 담고 있는 시료용기와 분배홈을 분리시키며 에피택셜층 성장용 시료들로 나머지 분배홈들을 채우고 온도를 제2소정온도로 높이는 공정과, 상기 시료용기부를 상기 반대방향으로 이동시켜 상기 에피택셜층용 시료들을 담고 있는 시료용기들과 분배홈들을 분리시키고 온도를 제3소정온도로 낮추는 공정과, 상기 슬라이더를 상기 반대방향으로 이동시켜 액상식각용 시료를 담고 있는 분배홈에 기판홈을 일치시켜 반도체 기판의 표면을 인시튜 액상식각하고 온도는 제4소정온도로 낮추는 공정과, 상기 슬라이더를 상기 반대방향으로 이동시켜 에피택셜층들을 순차적으로 형성하는 공정으로 이루어짐을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 이 발명을 상세히 설명한다.
제2도는 이 발명의 일실시예에 따른 LPE보우트의 단면도이다.
상기 LPE보우트는 슬라이더(21), 접촉홈부(23) 및 시료용기부(25)로 구성되어 있다. 상기 슬라이더(21)는 소정부분에 반도체 기판(35)을 위치시키기 위한 기판홈(27)이 형성되어 있으며, 상기 시료용기부(25)는 시료들(33a), (33b), (33c), (33d), (33e)을 담기 위한 시료용기들(29a), (29b), (29c), (29d), (29e)이 형성되어 있다. 또한, 상기 접촉홈부(23)는 상기 시료들(33a), (33b), (33c), (33d), (33e)을 용융된 상태로 각각 담아 상기 반도체 기판(35)과 접촉시키는 접촉홈들(31a), (31b), (31c), (31d), (31e)이 형성되어 있다. 상기 반도체 기판(35)이 GaAs이라면 시료들(33a), (33b), (33c), (33d), (33e)로 GaAs계의 물질을 이용한다. 상기에서 첫번째 시료용기(29a)가 반도체 기판(35)표면을 인시튜 액상식각하기 위한 시료(33a)를 담고 있다면 나머지 접촉홈들(31b), (31c), (31d), (31e)의 이격거리는 첫번째(31a)와 두번째 접촉홈(31b) 사이의 이격거리와 다르게 구성한다. 다시말하면, 접촉홈들(31b), (31c), (31d), (31e) 사이의 이격거리는 첫번째(31a)와 두번째 접촉홈(31b) 사이의 이격거리보다 짧게 구성한다.
따라서 상기 시료용기들(29a), (29b), (29c), (29d), (29e)에서 용융된 시료들(33a), (33b), (33c), (33d), (33e)을 첫번째 접촉홈홈(31a)에 나머지 접촉홈들(31b), (31c), (31d), (31e)과 따로 담을 수 있어 농도를 조절할 수 있다. 즉, 평형상태의 용융된 시료의 온도는 높이면 불포화 상태가 되는데 상기 첫번째 접촉홈(31a)에 액상식각용 시료(33a)를 담고 온도를 높인 후 나머지 접촉홈들(31b), (31c), (31d), (31e)에 에피택셜층 성장용 시료들(33b), (33c), (33d), (33e)을 담으므로 서로 농도가 차이난다. 이때, 나머지 접촉홈들(31b), (31c), (31d), (31e)의 에피택셜층 성장용 시료들(33b), (33c), (33d), (33e)은 상기 온도에서 평형상태이고, 점차로 온도가 낮아지면서 용질이 석출되어 과포화상태가 된다. 따라서, 상기 첫번째 접촉홈(31a)의 시료(33a)로 반도체 기판(35)의 표면을 용융식각하고, 나머지 접촉홈들(31b), (31c), (31d), (31e)의 시료들(33b), (33c), (33d), (33e)로 반도체 기판(35)의 표면에 에피택셜층들을 형성할 수 있다.
제3도는 이 발명에 따른 액상에피택셜층들을 성장할 때의 온도구배(Temperature Profile)를 나타내고 있다. 상기에서 Tr은 상온에서 제1소정온도(T1)은 상기 시료들(33a), (33b), (33c), (33d), (33e)의 용융과 첫번째 시료용기(29a)의 액상식각용 시료(33a)를 균질화하는 온도이며, 제2소정온도(T2)는 반도체 기판(35)의 표면을 용융식각하기 위해 액상식각용 시료(33a)를 불포화시키고, 에피택셜층 성장용 시료들(33b), (33c), (33d), (33e)을 균질화하기 위한 온도이다.
또한 제3소정온도(T3)는 상기 불포화되어 있는 액상식각용 시료(33a)로 반도체 기판(35)의 표면을 용융식각하는 온도이고, 제4소정온도(T4)는 에피택셜층들을 성장하기 시작하는 온도이다.
제4a~d도는 이 발명에 따른 에피택셜층들의 성장방법을 나타내는 공정도이다.
제4a도를 참조하면, 상기 시료용기들(29a), (29b), (29c), (29d), (29e)에 비정질 또는 다결정 상태의 시료들(33a), (33b), (33c), (33d), (33e)을 담고 열을 가하여 제1소정온도(T1)에서 용융시킨다. 이때, 충분한 양의 시료들(33a), (33b), (33c), (33d), (33e)에 의해 포화상태로 용융되어 있다.
제4b도를 참조하면, 상기 시료용기부(25)를 이동시켜 상기 첫번째 시료용기(29a)의 용융된 액상식각용시료(33a)를 첫번째 분배홈(31a)에 채운다. 이때, 나머지 분배홈들(31b), (31c), (31d), (31e)에는 용융된 에피택셜층 성장용 시료들(33b), (33c), (33d), (33e)이 채워지지 않는다. 그 다음, 상기 제1소정온도(T1)에서 상기 첫번째 분배홈(31a)의 액상식각용 시료(33a)를 충분히 균질화 한다.
제4c도를 참조하면, 상기 시료용기부(25)를 다시 반대방향으로 이동시켜 나머지 시료용기들(29b), (29c), (29d), (29e)에 있는 에피택셜 성장용 시료들(33b), (33c), (33d), (33e)을 나머지 분배홈들(31b), (31c), (31d), (31e)에 채운다.
이때, 상기 첫번째 시료용기(29a)와 첫번째 분배홈(31a)이 분리된다. 그 다음 열을 더 인가하여 온도를 제2소정온도(T2)로 올려 상기 나머지 분배홈들(31b), (31c), (31d), (31e)에 있는 에피택셜층 성장용 시료들(33b), (33c), (33d), (33e)을 충분히 균질화시킨다. 이때 상기 첫번째 분배홈(31a)에 있는 액상식각용 시료(33a)는 불포화상태가 된다.
제4d도를 참조하면, 상기 시료용기부(25)를 상기 반대방향으로 이동시켜 상기 시료용기들(29a), (29b), (29c), (29d), (29e)과 분배홈들(31a), (31b), (31c), (31d), (31e)을 분리시킨다. 그 다음 상기 액상식각을 위한 첫번째 분배홈(31a)의 액상식각용 시료(33a)가 적절한 불포화상태가 되도록 온도를 제3소정온도(T3)로 낮춘다. 그 댜음, 상기 슬라이더(21)를 이동시켜 기판홈(27)과 첫번째 분배홈(31a)을 일치시킨다. 이때 불포화상태인 첫번째 분배홈(31a)의 액상식각용 시료(33a)가 반도체 기판(35)과 접촉되어 표면을 인시튜 액상식각한다. 이때, 나머지 분배홈들(31b), (31c), (31d), (31e)에 채워져 있는 에피택셜층 성장용 시료들(33b), (33c), (33d), (33e)은 과포화상태가 된다.
계속해서, 온도를 제4소정온도(T4)로 낮추게 되면 상기 나머지 분배홈들(31b), (31c), (31d), (31e)에 채워져 있는 에피택셜층 성장용 시료(33b), (33c), (33d), (33e)의 과포화의 정도가 점차로 커지게 된다. 이때, 상기 나머지 분배홈들(31b), (31c), (31d), (31e)에 기판홈(27)이 순차적으로 일치되도록 상기 슬라이더(21)를 이동시켜 반도체 기판(35)의 표면에 에피택셜층들을 적층시킨다. 상술한 바와 같이 LPE보우트에서 반도체 기판의 표면을 인시튜 액상식각을 할 수 있는 시료를 담는 분배홈과 이웃하는 분배홈 사이의 이격거리를 제외하고 나머지 분배홈 사이의 이격거리를 일정하게 한다. 그러므로 에피택셜층들을 성장할때 분배홈들에 액상식각을 하기 위한 시료와 나머지 시료들을 동시에 채우지 않으므로 온도구배에 의해 시료들의 농도를 조절할 수 있으며, 액상식각 후 별도의 공정없이 바로 에피택셜층들을 형성할 수 있다.
따라서, 이 발명은 온도구배에 의해 시료들의 농도를 조절할 수 있으므로 인시튜 액상식각이 용이하며 반도체 기판의 오염을 방지하므로 에피택셜층의 질을 높이고 적층성장 수율을 향상시킬 수 있는 잇점이 있다.
Claims (6)
- 액상 에피택시장치에 있어서, 반도체 기판을 위치시키기 위한 기판홈을 가지는 슬라이더와, 상기 반도체 기판의 액상식각용 시료와 에피택셜층 형성용 시료들을 담기 위한 다수의 시료용기들을 가지는 시료용기부와, 상기 슬라이더와 시료용기부 사이에 위치되어 상기 시료들을 용융된 상태로 담기 위한 다수의 분리홈들을 가지며, 상기 액상식각용 시료를 담는 분리홈과 이에 인접한 에피택셜 형성용 시료를 담는 분리홈 사이의 이격거리는 에피택셜층 형성용 시료를 담는 분리홈들 사이의 이격거리보다 길게 구성된 분배홈부를 구비한 액상 에피택시장치.
- 시료용기부, 분배홈부 및 슬라이더를 구비한 액상 에피택시장치를 이용한 에피택셜층의 성장방법에 있어서, 상기 시료용기부에 형성되어 있는 다수의 시료용기들 내의 액상식각용 시료와 에피택셜층 성장용 시료들을 제1소정온도에서 용융하는 공정과, 상기 시료용기부를 소정방향으로 이동시켜 액상식각용 시료로 소정의 분배홈을 채우는 공정과, 상기 시료용기부를 소정방향과 소정방향과 반대의 방향으로 이동시켜 액상식각용 시료를 담고 있는 시료용기와 분배홈을 분리시켜며 에피택셜층 성장용 시료들로 나머지 분배홈들을 채우고 온도를 제2소정온도로 높이는 공정과, 상기 시료용기부를 상기 반대방향으로 이동시켜 상기 에피택셜층용 시료들을 담고 있는 시료용기들과 분배홈들을 분리시키고 온도를 제3소정온도로 낮추는 공정과, 상기 슬라이더를 상기 반대방향으로 이동시켜 액상식각용 시료를 담고 있는 분배홈에 기판홈을 일치시켜 반도체 기판의 표면을 인시튜 액상식각하고 온도는 제4소정온도로 낮추는 공정과, 상기 슬라이더를 상기 반대방향으로 이동시켜 에피택셜층들을 순차적으로 형성하는 공정으로 이루어지는 에피택셜층의 성장방법.
- 제2항에 있어서, 상기 온도 제1소정온도(T1), 제2소정온도(T2), 제3소정온도(T3) 및 제4소정온도(T4)가 T2＞T3＞T4＞T1의 관계가 있는 에피택셜층의 성장방법.
- 제2항에 있어서, 상기 시료들이 상기 온도 제1소정온도에서 평형상태인 에피택셜층의 성장방법.
- 제2항에 있어서, 상기 액상식각용 시료가 온도 제2소정온도에서 불포화상태인 에피택셜층의 성장방법.
- 제2항에 있어서, 상기 에피택셜층 성장용 시료가 온도 제4소정온도에서 과포화 상태인 에피택셜층의 성장방법.
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