WO2012161451A9 - 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법 - Google Patents

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하신우
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서울대학교산학협력단
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    • H01L33/0093—Wafer bonding; Removal of the growth substrate

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor layer of gallium nitride (GaN) or a mixed nitride of gallium and another metal, and a method of forming the same.
  • the invention also relates to an electronic or opto-electronic device comprising such a layer and a method of manufacturing the same.
  • the technical field of the present invention can be broadly defined as a semiconductor thin film structure for forming a high quality nitride semiconductor thin film on a substrate and a method of forming the same.
  • Nitride semiconductors of Group III-V elements on the periodic table already occupy an important position in the field of electronic and optoelectronic devices, which will become more important in the future.
  • Applications of nitride semiconductors actually cover a wide range from laser diodes (LDs) to transistors that can operate at high frequencies and temperatures. And an ultraviolet photodetector, a surface acoustic wave device, and a light emitting diode (LED).
  • LDs laser diodes
  • LED light emitting diode
  • gallium nitride is known as a material suitable for the application of blue LEDs or high temperature transistors, but has been widely studied for microelectronic devices, which is not limited thereto.
  • gallium nitride may be widely used to include gallium nitride alloys such as aluminum gallium nitride (AlGaN), indium gallium nitride (InGaN), and aluminum indium gallium nitride (AlInGaN).
  • nitride semiconductors such as gallium nitride
  • the most frequently used substrates for the growth of nitride semiconductor thin films are "heterogeneous" substrates such as sapphire, silicon carbide (SiC) and silicon.
  • SiC silicon carbide
  • nitride semiconductor thin films grown on dissimilar substrates have many dislocations, resulting in crack generation and warpage. This is a problem.
  • a major technique in the production of gallium nitride optical devices and microelectronic devices is the growth of gallium nitride thin films with low defect density.
  • the "two-stage growth method" is mainly used to form a gallium nitride buffer layer at low temperature and to grow a gallium nitride epi layer at high temperature. have.
  • the number of through dislocations caused by lattice constant mismatch by the low temperature buffer layer may be reduced to about 10 9 / cm 2 .
  • the stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the gallium nitride epi layer and the sapphire substrate and the resulting substrate warpage are still a problem.
  • gallium nitride has been actively researched for lighting white LEDs.
  • the price of the white LED chip must decrease significantly, and a global scale-up competition has begun.
  • the warpage of the substrate is caused by the difference in the coefficient of thermal expansion between the gallium nitride and the heterogeneous substrate, and the larger the thickness of the substrate, the smaller the warpage.
  • 1-1.3 mm thickness is considered for 6-inch sapphire substrates.
  • the sapphire substrate has a larger coefficient of thermal expansion than gallium nitride
  • gallium nitride epitaxial layer is subjected to compressive stress.
  • the silicon substrate has a smaller coefficient of thermal expansion than gallium nitride
  • a tensile stress is applied to the gallium nitride epi layer. If the stress can be properly reduced, the warpage of the substrate is reduced. In other words, if there is a way to reduce the stress on the nitride thin film it can be reduced by using a substrate of the same size.
  • a 500 ⁇ m thick substrate can be used for a 6 inch sapphire substrate.
  • the substrate needs to be changed to leave 100 ⁇ m for chip separation after LED fabrication, it is possible to use a thin substrate to obtain a big gain in LED production.
  • An object of the present invention is to provide a semiconductor thin film structure and a method of forming the nitride semiconductor thin film which can form a high quality nitride semiconductor thin film by reducing the stress and the dislocation of the nitride semiconductor thin film during growth of the nitride semiconductor thin film.
  • a sacrificial layer is formed on the substrate and patterned in various ways.
  • the present invention also proposes a method for forming a semiconductor thin film on which an inorganic thin film is formed thereon, and then selectively removing a sacrificial layer to form a cavity defined as a substrate and an inorganic thin film on a substrate, and a semiconductor thin film structure formed by such a method.
  • an ELO effect can be obtained because the nitride semiconductor thin film is grown from the surface of the substrate exposed around the empty space by defining an empty space on the substrate. Therefore, a high quality nitride semiconductor thin film having a small defect density can be formed and the internal quantum efficiency can be increased by reducing the density of nitride semiconductor crystal defects.
  • the empty space also has the effect of controlling the refractive index in the thin film structure.
  • the empty space increases the difference in refractive index with the substrate, thereby allowing the generated photons to escape more efficiently.
  • the light extraction effect due to light scattering increases. Accordingly, when the semiconductor thin film structure of the present invention is manufactured by a light emitting device such as an LED, the external quantum efficiency of the LED is increased.
  • the thermal expansion coefficient of the substrate when the thermal expansion coefficient of the substrate is larger than that of the nitride semiconductor thin film, the total stress of the nitride semiconductor thin film is reduced as the void space in the nitride semiconductor thin film is compressed in the plane direction.
  • the thermal expansion coefficient of the substrate when the thermal expansion coefficient of the substrate is smaller than that of the nitride semiconductor thin film, the total stress of the nitride semiconductor thin film is reduced as the void space in the nitride semiconductor thin film is stretched in the plane direction. Therefore, when a stress is generated in the nitride semiconductor thin film, the void space may be distorted, thereby causing local stress relaxation, thereby reducing substrate warpage. This makes it possible to use a relatively thin substrate even in a large area substrate.
  • the empty space can be controlled by adjusting the shape, size, two-dimensional arrangement, etc. of the sacrificial layer pattern, it is possible to control the optical characteristics of the LED manufactured from such a thin film structure, such as an emission pattern.
  • the formation of the sacrificial layer pattern is performed by a controlled method such as photolithography or nanoimprint, the empty space is not formed irregularly or randomly, but is formed by the controlled method.
  • nitride semiconductor epitaxial layer having excellent physical properties can be grown, an optoelectronic device having high efficiency and high reliability can be realized.
  • high-output LD and LED may be implemented according to an increase in light extraction efficiency.
  • FIG. 1 is a view illustrating a semiconductor thin film structure and a method of forming the same according to a first embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2 to 4 are diagrams for describing various methods for forming a sacrificial layer pattern in the method of forming a semiconductor thin film structure according to the present invention.
  • FIG. 5 is a view illustrating a semiconductor thin film structure and a method of forming the semiconductor thin film structure according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing various two-dimensional arrangements of a sacrificial layer pattern in a semiconductor thin film structure and a method of forming the same according to the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a semiconductor thin film structure and a method of forming the semiconductor thin film according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a semiconductor thin film structure and a method of forming the semiconductor thin film according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view illustrating a semiconductor thin film structure and a method of forming the semiconductor thin film according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view illustrating a semiconductor thin film structure and a method of forming the semiconductor thin film according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the semiconductor thin film structure according to the present invention includes a substrate; And an inorganic thin film formed on the substrate such that a plurality of empty spaces separated from each other with the substrate are defined to have a controlled shape, size, and two-dimensional arrangement.
  • the semiconductor thin film structure may further include a nitride semiconductor thin film on the substrate.
  • the nitride semiconductor thin film may be two or more layers, and such empty space may be defined between the two or more layers.
  • the coefficient of thermal expansion of the substrate is larger than that of the nitride semiconductor thin film, the void space is compressed by the nitride semiconductor thin film.
  • an inorganic thin film is formed on the sacrificial layer pattern.
  • the sacrificial layer pattern is removed from the substrate on which the inorganic thin film is formed so that a plurality of empty spaces separated from each other, which are defined as the substrate and the inorganic thin film, are formed.
  • the nitride semiconductor thin film may be further formed on the semiconductor thin film structure.
  • the nitride semiconductor thin film is formed by using an epitaxial lateral overgrowth (ELO) method so that the nitride semiconductor thin film is formed using a seed having no empty space on the substrate as a seed.
  • ELO epitaxial lateral overgrowth
  • the inorganic thin film is a different material from the substrate, patterning the inorganic thin film so as to expose the free space on the substrate between forming the inorganic thin film and removing the sacrificial layer pattern;
  • the sacrificial layer pattern may be further removed between the steps of forming the nitride semiconductor thin film.
  • the sacrificial layer pattern may be formed by various methods. After coating the photoresist on the substrate may be formed by a photolithography method, or by applying a nanoimprint resin on the substrate may be formed by a nanoimprint method. Instead, it may be formed by pasting organic nanoparticles on the substrate.
  • the forming of the inorganic thin film may be performed within a temperature limit at which the sacrificial layer pattern is not deformed.
  • the inorganic thin film is silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), titania (TiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), yttria (Y 2 O 3 ) -zirconia, copper oxide (CuO, Cu 2 O) And tantalum oxide (Ta 2 O 5 ).
  • the empty space is a position where the sacrificial layer pattern is removed. Therefore, the empty space follows the shape and size of the sacrificial layer pattern and the two-dimensional arrangement. Therefore, the shape and size of the sacrificial layer pattern and the two-dimensional arrangement must be determined in order for the empty space to have a controlled shape and size and two-dimensional arrangement.
  • the sacrificial layer pattern may be formed and then the shape may be adjusted. For example, a reflow step for modifying the shape of the sacrificial layer pattern is performed.
  • the reflow step may change the shape of the sacrificial layer pattern.
  • the semiconductor thin film structure according to the present invention it is possible to manufacture ultraviolet photodetectors, surface acoustic wave devices, LEDs, LDs, microelectronic devices, and the like, and to extend them to modules and systems using the devices. Specific details of other embodiments are included in the detailed description and drawings.
  • FIG. 1 is a view illustrating a semiconductor thin film structure and a method of forming the same according to a first embodiment of the present invention.
  • a sacrificial layer pattern 20 is formed on a substrate 10.
  • the thickness d of the sacrificial layer pattern 20 may be 0.01-10 ⁇ m, and the width w of the sacrificial layer pattern 20 may be 0.01-10 ⁇ m.
  • the thickness d and the width w of the sacrificial layer pattern 20 may be determined in consideration of the empty space to be finally formed.
  • the sacrificial layer pattern 20 is uniformly formed on the entire substrate 10 in the same pattern. However, as will be described later with reference to FIG. 6, the sacrificial layer pattern 20 may be formed in another pattern locally on the substrate 10.
  • the sacrificial layer pattern 20 may be formed according to various methods. First, the sacrificial layer pattern 20 may be formed by photo lithography.
  • the photoresist film PR is coated on the substrate 10 as shown in FIG.
  • the photoresist film PR may be applied to the substrate 10 by selecting among spin coating, dip coating, spray coating, solution dropping, and dispensing. For uniformity of coating, spin coating is recommended.
  • the photoresist film PR is exposed using the photomask 12 having the appropriate light shielding pattern 11. Light transmitted through a region other than the light shielding pattern 11 exposes a part of the photosensitive film PR, and an exposed portion EA is formed. Thereafter, when the exposed portion EA is developed and removed, the photoresist pattern PR ′ may be left as shown in FIG. 2C.
  • the shape, size, and two-dimensional arrangement of the photoresist pattern PR ′ that can be formed therefrom can be formed.
  • the photoresist pattern PR ′ may be used as the sacrificial layer pattern 20. If necessary, an additional reflow step as shown in FIG. 2 (d) may be further performed to form a photoresist pattern PR ′′ in which the angular portion of the photoresist pattern PR ′ is rounded to form a sacrificial layer pattern 20. Can also be used as.
  • the sacrificial layer pattern 20 may be formed by a nano-imprint method.
  • a nanoimprint resin R is coated on the substrate 10.
  • the nanoimprint resin R may also be applied to the substrate 10 by selecting from spin coating, dip coating, spray coating, solution dropping, and dispensing.
  • the nanoimprint stamp 14 may be a master mold made of silicon or quartz manufactured by a conventional manufacturing method, or may be an organic mold replicating the master mold.
  • the nanoimprint stamp 14 is pressed onto the resin for nanoimprint R as shown in FIG.
  • the nanoimprint resin R is filled between the patterns 13 of the nanoimprint stamp 14.
  • the nanoimprint resin (R) is cured by heating at the same time as pressurization or by irradiating ultraviolet rays or by irradiating ultraviolet rays at the same time.
  • the cured nanoimprint resin R ′ remains on the substrate 10, as shown in FIG. 3C, and may be used as the sacrificial layer pattern 20. Will be.
  • the shape and size of the cured nanoimprint resin (R ′) that can be formed therefrom The two-dimensional array can also be adjusted. If necessary, the shape of the cured nanoimprint resin (R ′) may be modified by additional heating or ultraviolet irradiation.
  • the sacrificial layer pattern 20 may be formed from organic nanoparticles.
  • organic nanoparticles B such as polystyrene or polyimide may be attached onto the substrate 10 and used as the sacrificial layer pattern 20.
  • the shape and size of the organic nanoparticles (B) is uniform, and the pre-treatment for the portion to which the organic nanoparticles (B) will be attached to have a regular two-dimensional arrangement on the substrate (10). desirable.
  • the substrate 10 is hydrophobic (or has a hydrophobic coating) only a portion to which the organic nanoparticles B are attached is formed to form a hydrophilic film.
  • hydrophilic material it is also possible to apply a hydrophilic material to a stamp having a two-dimensional array pattern prepared in advance and to stamp it onto the substrate 10. Then, using the hydrophilic organic nanoparticles (B) or by applying a hydrophilic coating on the surface of the organic nanoparticles (B), or by mixing the organic nanoparticles (B) in a hydrophilic solvent applied to the substrate (10). Then, the organic nanoparticles B are attached only to the hydrophilic portion on the substrate 10.
  • the method of attaching the organic nanoparticles B to have a regular two-dimensional arrangement on the substrate 10 may be variously modified, such as using electrostatic attraction.
  • the contact area with the substrate 10 is further enlarged while the shape of the organic nanoparticles B 'is modified through additional heat treatment, and the organic nanoparticles B' are dropped. It may further perform the step of preventing.
  • the substrate 10 in which the various sacrificial layer patterns 20 are formed may be any heterologous substrate used for growing hetero epitaxial thin films of semiconductor materials such as sapphire, silicon, SiC, and GaAs substrates. In the case of silicon, AlN buffer is grown on it and then used.
  • the inorganic thin film 30 is formed on the sacrificial layer pattern 20 with reference to FIG. 1B. The inorganic thin film 30 subsequently defines an empty space with the substrate 10.
  • the inorganic thin film 30 is preferably performed within a temperature limit at which the sacrificial layer pattern 20 is not deformed. .
  • Processes for forming the inorganic thin film 30 may be various methods such as atomic layer deposition (ALD), wet synthesis, metal deposition and oxidation (metal deposition and oxidation).
  • ALD atomic layer deposition
  • metal deposition and oxidation metal deposition and oxidation
  • a part of the inorganic thin film 30 is in direct contact with the substrate 10 when the inorganic thin film 30 is formed.
  • the inorganic thin film 30 includes silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), titania (TiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), yttria (Y 2 O 3 ) -zirconia, copper oxide (CuO, Cu 2 0) and tantalum oxide (Ta 2 O 5 ).
  • the stress applied to the nitride semiconductor thin film formed on the semiconductor thin film structure using the same may be subsequently adjusted.
  • the inorganic thin film 30 may be formed on the entire surface of the substrate 10 while covering the sacrificial layer pattern 20 as illustrated, but may be formed to cover only the sacrificial layer pattern 20 depending on the formation method. This will be described in detail in the following fourth and fifth embodiments.
  • the sacrificial layer pattern 20 is selectively removed from the substrate 10 as shown in FIG. Since the sacrificial layer pattern 20 is a polymer such as a photosensitive film, a resin for nanoimprint, or an organic nanoparticle, as described with reference to FIGS. 2 to 4, a method of easily removing the sacrificial layer pattern 20 is heating. And in order to burn more easily by the oxidation method, a chemical reaction with a gas containing oxygen may be added. In some cases, a chemical reaction with a specific solvent may be used. After the sacrificial layer pattern 20 is removed, as shown in FIG. 1C, a semiconductor thin film structure in which a plurality of empty spaces C, which are defined as the substrate 10 and the inorganic thin film 30, are separated from each other is formed. 100 can be obtained.
  • the inorganic thin film 30 usually has polycrystals of amorphous or very small particles.
  • the sacrificial layer pattern 20 is heat-treated in an oxidizing atmosphere at a temperature T 1 decomposed to remove the sacrificial layer pattern 20, and then heated to a high temperature T 2 to densify the amorphous inorganic thin film 30. You may proceed in two steps.
  • the semiconductor thin film structure 100 according to the present invention formed as described above includes the substrate 10 and the inorganic thin film 30 as shown in FIG. Between the substrate 10 and the inorganic thin film 30, a plurality of empty spaces C separated from each other are defined to have a controlled shape and size and a two-dimensional arrangement.
  • the empty space C is a position where the sacrificial layer pattern 20 is removed during the formation method. Therefore, the empty space C follows the shape and size of the sacrificial layer pattern 20 and the two-dimensional arrangement. Therefore, in order for the empty space C to have a controlled shape and size and two-dimensional arrangement, the shape and size and two-dimensional arrangement of the sacrificial layer pattern 20 must be determined.
  • the empty space C is uniformly defined in the same pattern on the entire substrate 10 according to the design of the sacrificial layer pattern 20.
  • the empty space may be defined in a different pattern locally on the substrate, depending on the design of the sacrificial layer pattern.
  • Such a semiconductor thin film structure 100 may be used to form a nitride semiconductor thin film thereon in various ways depending on the desired device design.
  • the nitride semiconductor thin film includes all nitride semiconductor materials such as GaN, InN, AlN, or a combination thereof, Ga x Al y In z N (0 ⁇ x, y, z ⁇ 1). Since the void space C exists, if there is a difference in thermal expansion coefficient between the substrate 10 and the nitride semiconductor thin film (not shown) formed thereon, the void space C is stretched or compressed, causing local deformation to cause stress energy. Can be consumed. As a result, the thermal stress applied to the nitride semiconductor thin film can be reduced, thereby reducing the substrate warpage phenomenon. This will be described in detail with reference to the following examples.
  • FIG. 5 is a view illustrating a semiconductor thin film structure and a method of forming the semiconductor thin film structure according to the second embodiment of the present invention.
  • the inorganic thin film 30 is of the same composition as the substrate 10 (eg, the substrate is sapphire, the inorganic thin film is Al 2 O 3 ) during the high temperature (T 2 ) heat treatment. Direct contact with the substrate 10 and the portion of the inorganic thin film 30 will result in solid phase epitaxy and crystallization along the crystal direction of the substrate 10. This part will act as a seed part when the nitride semiconductor epitaxial layer is grown later.
  • a sacrificial layer pattern 20a is formed on a substrate 10a and an inorganic thin film 30a is formed thereon.
  • the substrate 10a is a sapphire substrate
  • the sacrificial layer pattern 20a is formed by a photolithography method using a photosensitive film
  • the inorganic thin film 30a is made of alumina.
  • Alumina may be formed to have a uniform thickness along the shapes of the substrate 10a and the sacrificial layer pattern 20a by a deposition method such as ALD.
  • a wet synthesis method using a wet solution is also possible.
  • the wet solution may be uniformly coated along the shapes of the substrate 10a and the sacrificial layer pattern 20a, and then alumina may be synthesized by heating, drying, or chemical reaction.
  • an aluminum precursor powder such as aluminum chloride (AlCl 3 ) is mixed with a solvent such as tetrachloroethylene (C 2 Cl 4 ), and then applied to the substrate 10 having the sacrificial layer pattern 20a formed thereon to coat and oxygen atmosphere.
  • alumina thin film When heated and reacted at, the alumina thin film can be coated.
  • alumina may be formed by depositing a metal Al thin film by sputtering or the like and then performing an oxidation process. Such alumina is formed in a state consisting of polycrystals of amorphous or fine particles.
  • the sacrificial layer pattern 20a is removed to form the empty space C.
  • the sacrificial layer pattern 20a since the sacrificial layer pattern 20a is formed of a photosensitive film, the sacrificial layer pattern 20a may be removed by a pyrolysis process commonly referred to as ashing when heated to a high temperature in an oxygen atmosphere. For example, it is removed by heating to a temperature of T 1 .
  • T 2 It is heated to a higher temperature T 2 in the following.
  • T 2 a higher temperature
  • the solid phase epitaxy along the crystal direction of the substrate 10a starts at the interface between the substrate 10a and the inorganic thin film 30a of alumina, and the amorphous alumina becomes polycrystalline.
  • the fine polycrystal becomes larger in size or, in the most preferred case, is converted into a single crystal such as the substrate 10a.
  • a nitride semiconductor thin film 50 is further formed on the semiconductor thin film structure.
  • a low temperature buffer 41 such as aluminum gallium nitride (Al x Ga 1-x N) is formed. Although the low temperature buffer 41 is shown to be grown on the substrate 10a between the empty spaces C, the low temperature buffer 41 may be grown on the inorganic thin film 30b above the empty spaces C.
  • a nitride semiconductor epitaxial layer 46 including an undoped epitaxial layer 42 such as undoped gallium nitride (GaN) or undoped aluminum gallium nitride (Al x Ga 1-x N) is formed.
  • the nitride semiconductor epitaxial layer 46 includes an n-type nitride semiconductor thin film 43, an active layer 44 that may have a structure such as MQW, and a p-type nitride semiconductor thin film 45. To form.
  • the nitride semiconductor thin film 50 is grown by the ELO method using a seed having no empty space C on the substrate 10 as a seed, and is grown from above the substrate 10 around the empty space C to form an empty space C. It is formed in a high quality because it is coalesced from the top to form a film.
  • the nitride semiconductor device may be manufactured using the structure, and the band gap may be adjusted according to the material of the nitride semiconductor thin film 50 to emit light in the ultraviolet, visible and infrared regions.
  • a sufficient thickness at which lattice relaxation can occur perfectly that is, a wide range of 10 nm to 100 nm can be determined.
  • CVD chemical vapor deposition
  • the temperature range of the surface reaction controlled section may be used to form the low temperature buffer 41. If the GaN layer is grown on the sapphire substrate, the temperature may be 400 ° C to 700 ° C. A range may be used, and the low temperature buffer 41 made of AlN may be formed at a higher temperature range.
  • evaporation methods e-beam evaporators, sublimation sources, Knudsen cells
  • ion beam deposition methods ion beam deposition methods
  • vapor phase epitaxy methods ALE, CVD, APCVD, PECVD, RTCVD, UHVCVD, LPCVD, MOCVD, GSMBE, etc.
  • the substrate 10a is first loaded into the reactor.
  • the pressure, temperature, and Group 5 precursor: Group 3 precursor ratio of the reactor are then made constant.
  • the reactor pressure is 10 to 1000 torr
  • the temperature is 300 to 1200 ° C
  • the Group 5 precursor: Group 3 precursor ratio can be in the range of 1 to 1000000.
  • the Group 5 and Group 3 precursors are injected at a constant rate to grow a layer of nitride on the substrate 10a to obtain the low temperature buffer 41. Injection of the Group 5 and Group 3 precursors is maintained until a low temperature buffer 41 of the desired thickness is obtained.
  • the nitride semiconductor thin film 50 is grown on the low temperature buffer 41.
  • the growth temperature of the nitride semiconductor thin film such as GaN high temperature epitaxial layer, can be used as the temperature range of the mass transfer controlled section.
  • the temperature range of 700 °C to 1200 °C can be used. It is equal to the low temperature buffer 41 growth temperature or made high temperature.
  • the formation of the preceding low temperature buffer 41 and the formation of the nitride semiconductor thin film 50 can proceed in one chamber or in two process chambers connected to the transfer chamber without breaking (or in situ) the vacuum. .
  • the empty space C may be compressed in the plane direction during the cooling process after forming the nitride semiconductor thin film 50. Therefore, the compressive stress applied to the nitride semiconductor thin film 50 may be relaxed. Therefore, the warpage of the substrate 10a can be reduced.
  • an electrode (not shown) is further configured in the structure as shown in FIG. 5D, a semiconductor device and a module or a system including the same may be manufactured.
  • an n-type electrode is formed on a surface on which the n-type nitride semiconductor thin film 43 is exposed by mesa etching, and a p-type electrode is formed on the p-type nitride semiconductor thin film 45.
  • the semiconductor device uses the semiconductor thin film structure according to the present invention, which may of course be accompanied by appropriate patterning.
  • Various devices and modules and systems can be manufactured using the devices.
  • the stress applied to the nitride semiconductor thin film 50, the light from the nitride semiconductor thin film 50 The amount of extraction can be adjusted.
  • FIG. 6 is a plan view showing a two-dimensional arrangement of the sacrificial layer pattern 20a and shows a portion of a substrate constituting one chip.
  • the sacrificial layer pattern 20a formed on the substrate 10a is a line and space type and extends in the y-axis direction or the x-axis direction.
  • the LED formed therefrom can control light characteristics in either direction and thus, for example, adjust the polarization direction.
  • 6 (c) and 6 (d) show that the sacrificial layer patterns 20a are concentric squares or concentric circles, respectively.
  • the sacrificial layer pattern 20a enables to control the light output characteristics according to the emission angle in the LED formed therefrom.
  • Examples of the sacrificial layer pattern 20a may be variously modified, and optical properties may be controlled according to various patterns.
  • an island pattern such as, for example, FIG. 6E is also possible.
  • a uniform pattern is possible with respect to the whole board
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a semiconductor thin film structure and a method of forming the semiconductor thin film according to the third embodiment of the present invention.
  • the semiconductor thin film structure according to the present invention may include two or more nitride semiconductor thin films 50a and 50b over the substrate 10a, and an empty space C ′ is defined between the nitride semiconductor thin films 50a and 50b. You can do that.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a semiconductor thin film structure and a method of forming the semiconductor thin film according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the substrate 10a and the inorganic thin film 30a are made of the same material as sapphire and alumina. If the inorganic thin film is a material different from the substrate (for example, the substrate is sapphire and the inorganic thin film is SiO 2 ), the densification is performed during the high temperature (T 2 ) heat treatment, but it does not act as a seed, so there is no empty space on the substrate. The step of patterning the inorganic thin film must be further performed so that it is exposed.
  • a sacrificial layer pattern 20a is formed on a substrate 10a, and an inorganic thin film 30a ′ is formed thereon.
  • the substrate 10a is a sapphire substrate
  • the sacrificial layer pattern 20a is formed by a photolithography method using a photosensitive film
  • the inorganic thin film 30a ' is made of a material different from sapphire, for example, silica.
  • the sacrificial layer pattern 20a is removed in FIG. 8B to form the empty space C.
  • the sacrificial layer pattern 20a may be removed by heating to a high temperature.
  • the inorganic thin film 30a ' is patterned by patterning the inorganic thin film 30a' so that the portion without the empty space C on the substrate 10a is exposed using the photolithography method with reference to FIG. 8 (c).
  • the upper surface of the substrate 10a can be exposed.
  • the nitride semiconductor thin film 50 may be further formed on the semiconductor thin film structure. Since the nitride semiconductor thin film 50 is grown by the ELO method based on the part where the empty space C on the substrate 10a does not exist, that is, the portion where the upper surface of the substrate 10a is exposed, the nitride semiconductor thin film 50 is grown to a high quality thin film having few crystal defects. do.
  • the inorganic thin film 30a ' is patterned after the empty space C is first formed, but the empty space C may be formed after the inorganic thin film 30a' is patterned.
  • FIG. 9 is a view illustrating a semiconductor thin film structure and a method of forming the semiconductor thin film according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the sacrificial layer pattern 20a is formed on the substrate 10a, and the inorganic thin film 30a ′ is formed thereon.
  • the substrate 10a is a sapphire substrate
  • the sacrificial layer pattern 20a is formed by pasting organic nanoparticles such as polystyrene beads
  • the inorganic thin film 30a ' is made of silica.
  • the inorganic thin film 30a ′ may be formed to cover only the sacrificial layer pattern 20a. That is, the inorganic thin film 30a 'may be formed without covering the upper surface of the substrate 10a between the sacrificial layer patterns 20a.
  • a substrate on which a sacrificial layer pattern 20a of organic nanoparticles such as polystyrene beads is formed after mixing an aluminum precursor powder such as aluminum chloride (AlCl 3 ) with a solvent such as tetrachloroethylene (C 2 Cl 4 ) ( This is because the aluminum precursor powder solution is applied to the sacrificial layer pattern 20a more preferentially than the substrate 10a when applied to 10).
  • AlCl 3 aluminum chloride
  • C 2 Cl 4 tetrachloroethylene
  • the sacrificial layer pattern 20a is also removed from FIG. 9B to form the empty space C. For example, it is removed by heating to a temperature of T 1 .
  • T 2 It is heated to a higher temperature T 2 in the following.
  • T 2 a higher temperature
  • the solid phase epitaxy along the crystal direction of the substrate 10a starts at the interface between the substrate 10a and the inorganic thin film 30a ', and the amorphous silica becomes polycrystalline or fine.
  • the polycrystal becomes larger in size and becomes an inorganic thin film 30b '.
  • the nitride semiconductor thin film 50 may be further formed on the semiconductor thin film structure. Since the nitride semiconductor thin film 50 is grown by the ELO method using the seed having no empty space C on the substrate 10a as a seed, the nitride semiconductor thin film 50 is grown to a high quality thin film having few crystal defects.
  • FIG. 10 is a view illustrating a semiconductor thin film structure and a method of forming the semiconductor thin film according to the sixth embodiment of the present invention.
  • a buffer layer 15 such as AlN is formed on the substrate 10b.
  • the substrate 10b is a silicon substrate and is formed as a buffer layer 15 by, for example, sputtering AlN to a thickness of 100 GPa or less.
  • the sacrificial layer pattern 20a is formed on the substrate 10b, and the inorganic thin film 30a is formed thereon.
  • the inorganic thin film 30a is made of alumina or AlN.
  • the sacrificial layer pattern 20a is removed to form the empty space C.
  • the subsequent steps are the same as in the second embodiment. Since the sacrificial layer pattern 20a is made of a photosensitive film, the sacrificial layer pattern 20a can be removed by pyrolysis when heated to a high temperature. For example, it is removed by heating to a temperature of T 1 .
  • T 2 It is heated to a higher temperature T 2 in the following.
  • heating to around 1000 ° C. causes a solid phase epitaxy along the crystal direction of the substrate 10b to cause an interface between the inorganic thin film 30b, the buffer layer 15 and the substrate 10b (indicated by dotted lines in the figure).
  • the substrate 10b between the empty spaces C may be seeded to grow an epitaxial lateral overgrowth (ELO) method high quality nitride semiconductor thin film.
  • ELO epitaxial lateral overgrowth
  • the thermal expansion coefficient of the silicon substrate 10b is larger than that of the nitride semiconductor thin film, the nitride semiconductor thin film is formed on the semiconductor thin film structure as shown in FIG.
  • the empty space C may be tensioned, and thus the tensile stress applied to the nitride semiconductor thin film may be relaxed. Therefore, the warpage of the substrate 10b can be reduced.

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Abstract

본 발명에서는 기판과 질화물 반도체 사이의 격자상수 및 열팽창계수 차이에 의한 응력 발생과 그로 인한 기판 휘어짐 현상을 조절하기 위해서, 희생층을 기판 위에 형성하고 다양한 방법으로 패터닝한 후, 그 위에 무기물 박막을 형성하고 나서 선택적으로 희생층을 제거하여, 기판 위에 기판과 무기물 박막으로 정의되는 빈 공간(cavity)을 형성하는 반도체 박막 형성 방법 및 이러한 방법으로 형성된 반도체 박막 구조를 제안한다.

Description

반도체 박막 구조 및 그 형성 방법
본 발명은 질화갈륨(GaN) 또는 갈륨과 다른 금속의 혼합 질화물로 된 반도체층 및 그 형성 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 층을 포함하는 전자 또는 광전자 소자(opto-electronic device) 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 기술분야는 기판 위에 고품질의 질화물 반도체 박막을 형성하기 위한 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법으로 넓게 정의될 수 있다.
주기율표 상의 Ⅲ족 내지 Ⅴ족 원소들의 질화물 반도체는 이미 전자 및 광전자 소자 분야에서 중요한 위치를 점유하고 있으며, 이러한 분야는 앞으로 더욱 중요해질 것이다. 질화물 반도체의 응용분야는 실제적으로 레이저 다이오드(LD)에서부터 고주파수 및 고온에서 작동할 수 있는 트랜지스터에 이르기까지의 넓은 영역을 커버한다. 그리고, 자외선 광검출기, 탄성 표면파 소자 및 발광 다이오드(LED)를 포함한다.
예를 들어, 질화갈륨은 청색 LED 또는 고온 트랜지스터의 응용에 적합한 물질로 알려져 있지만, 이에 한정되지 않는 마이크로 전자 소자용으로 폭넓게 연구되고 있다. 또한, 여기에서 쓰인 바와 같이, 질화갈륨은 질화알루미늄갈륨(AlGaN), 질화인듐갈륨(InGaN) 및 질화알루미늄인듐갈륨(AlInGaN)과 같은 질화갈륨 합금을 포함하는 것으로 넓게 쓰일 수도 있다.
질화갈륨과 같은 질화물 반도체를 이용하는 소자들에서, 질화물 반도체 박막의 성장을 위해 가장 빈번히 사용되는 기판은 사파이어, 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘과 같은 "이종" 기판이다. 그런데, 이들 이종 기판 물질은 질화물과의 격자상수 불일치와 열팽창계수의 차이가 있기 때문에, 이종 기판에 성장시킨 질화물 반도체 박막은 많은 전위(dislocation)를 가지고 이에 따른 크랙(crack) 발생 및 휘어짐(warpage)이 문제가 된다.
질화갈륨 광소자 및 마이크로 전자 소자의 제조에 있어서 주요한 기술은 결함 밀도(defect density)가 낮은 질화갈륨 박막을 성장시키는 것이다. 사파이어 기판과 질화갈륨 사이의 격자상수 불일치를 극복하고 양질의 질화갈륨 결정을 성장시키기 위해서 저온에서 질화갈륨 버퍼층을 형성하고, 고온에서 질화갈륨 에피층을 성장시키는 "2단계 성장법"을 주로 사용하고 있다. 이 경우 저온 버퍼층에 의하여 격자상수 불일치로 발생되는 관통 전위의 숫자를 109/cm2 정도로 낮출 수 있다. 그러나 질화갈륨 에피층과 사피이어 기판 사이의 열팽창계수 차이에 의한 응력과 그로 인한 기판 휘어짐 현상은 여전히 문제가 된다.
최근 질화갈륨이 가장 활발히 연구되고 있는 분야는 조명용 백색 LED이다. 조명용 백색 LED가 본격적으로 시장에 진입하기 위해서는 백색 LED 칩의 가격이 현저히 내려가야 하며, 전세계적인 스케일-업(scale-up) 경쟁이 시작되었다. 대구경의 사파이어 기판을 사용하여 LED 생산의 규모를 키우는 것도 그 방법 중 하나이지만, 사파이어 기판의 구경이 커질수록 후속 공정이 가능한 기판 휘어짐을 억제하기 위해서 기판의 두께도 커져야 하는 문제점이 있다. 기판의 휘어짐 현상은 앞에서 언급한 바와 같이 질화갈륨과 이종 기판 사이의 열팽창계수의 차이에 의해 일어나며, 기판의 두께가 클수록 적게 휘게 된다. 현재 예상되는 바로는 6 인치 사파이어 기판의 경우 1 ~ 1.3 mm의 두께가 검토되고 있다.
사파이어 기판은 질화갈륨보다 열팽창계수가 크기 때문에 질화갈륨을 고온에서 성장시킨 후 냉각시키면 질화갈륨 에피층에 압축 응력이 걸린다. 실리콘 기판은 질화갈륨보다 열팽창계수가 작기 때문에 질화갈륨을 고온에서 성장시킨 후 냉각시키면 질화갈륨 에피층에 인장 응력이 걸린다. 이와 같은 응력을 적절하게 줄여줄 수 있다면 기판의 휘어짐도 줄어들게 된다. 즉, 질화물 박막에 걸리는 응력을 줄여줄 수 있는 방안이 있다면 같은 크기의 기판을 사용할 경우 기판 두께를 줄일 수 있게 된다. 예를 들어, 6 인치 사파이어 기판의 경우 1 mm 두께의 기판을 사용하는 대신 500 ㎛ 두께의 기판을 사용할 수 있게 된다. LED 제작 후 칩 분리를 위해서 기판을 100 ㎛ 정도 남기고 갈아내야 하는 실상을 볼 때 얇은 기판의 사용이 가능해진다면 LED 생산적 측면에서 큰 이득을 얻을 수 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 질화물 반도체 박막 성장시 질화물 반도체 박막이 받는 응력을 감소시키고 전위를 줄여서 고품질의 질화물 반도체 박막을 형성할 수 있는 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 기판과 질화물 반도체 사이의 격자상수 및 열팽창계수 차이에 의한 응력 발생과 그로 인한 기판 휘어짐 현상을 조절하기 위해서, 희생층을 기판 위에 형성하고 다양한 방법으로 패터닝한 후, 그 위에 무기물 박막을 형성하고 나서 선택적으로 희생층을 제거하여, 기판 위에 기판과 무기물 박막으로 정의되는 빈 공간(cavity)을 형성하는 반도체 박막 형성 방법 및 이러한 방법으로 형성된 반도체 박막 구조를 제안한다.
본 발명에 따르면, 기판 위에 빈 공간을 정의하여 빈 공간 주변에 노출된 기판 표면으로부터 질화물 반도체 박막을 성장시키므로 ELO 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 결함 밀도가 작은 고품질의 질화물 반도체 박막을 형성할 수 있고 질화물 반도체 결정결함 밀도 감소로 내부양자효율을 증대시킬 수 있다.
빈 공간은 박막 구조 안의 굴절률을 조절하는 효과도 있다. 빈 공간은 기판과의 굴절률 차이를 크게 하여 생성된 광자가 좀 더 효율적으로 빠져나오게 한다. 또 빛 산란에 의한 광추출 효과가 상승한다. 이에 따라, 본 발명의 반도체 박막 구조를 LED와 같은 발광 소자로 제작하면 LED 외부양자효율 증대 효과가 있다.
뿐만 아니라 기판의 열팽창계수가 질화물 반도체 박막에 비하여 더 큰 경우에는 질화물 반도체 박막 안의 빈 공간이 면 방향으로 압축됨에 따라 질화물 반도체 박막의 전체 응력이 감소된다. 또한 기판의 열팽창계수가 질화물 반도체 박막에 비하여 더 작은 경우에는 질화물 반도체 박막 안의 빈 공간이 면 방향으로 인장됨에 따라 질화물 반도체 박막의 전체 응력이 감소된다. 따라서, 질화물 반도체 박막에 응력이 발생되는 경우 빈 공간이 찌그러지면서 국부적인 응력 이완이 되고 이로 인한 기판 휘어짐 현상이 감소될 수 있다. 이에 따라, 대면적 기판에서도 상대적으로 얇은 기판을 사용하는 것이 가능해진다.
특히, 이러한 빈 공간은 희생층 패턴의 모양, 크기, 2차원 배열 등을 조절하여 제어할 수 있기 때문에 이러한 박막 구조로부터 제조되는 LED의 광학적 특성, 예컨대 방출 패턴을 조절할 수 있다. 그리고, 희생층 패턴 형성시 사진식각 또는 나노임프린트와 같은 제어된 방법으로 형성하기 때문에 빈 공간이 불규칙적이거나 무작위적으로 형성되는 것이 아니라 제어된 방법으로 형성되므로 재현성이 좋고 소자 균일도가 우수하다.
이와 같은 결과로, 우수한 물성을 갖는 질화물 반도체 에피층을 성장시킬 수 있으므로, 고효율, 고신뢰성을 가지는 광전자 소자를 구현할 수 있다. 또한, 광 추출 효율 증가에 따른 고출력 LD 및 LED가 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 반도체 박막 구조 형성 방법에서 희생층 패턴을 형성할 수 있는 다양한 방법들을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법에서 희생층 패턴의 다양한 2 차원적인 배열들을 보이기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제6 실시예에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 반도체 박막 구조는 기판; 및 상기 기판과의 사이에 서로 분리된 복수개의 빈 공간이 제어된 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 갖게 정의되도록 상기 기판 상에 형성된 무기물 박막을 포함한다.
이러한 반도체 박막 구조는 상기 기판 위로 질화물 반도체 박막을 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 질화물 반도체 박막은 2층 이상의 막이 될 수 있는데, 상기 2층 이상의 막 사이에도 상기와 같은 빈 공간이 정의되도록 할 수 있다. 상기 기판의 열팽창계수가 상기 질화물 반도체 박막에 비하여 크면 상기 빈 공간이 상기 질화물 반도체 박막에 의해 압축된다.
본 발명에 따른 반도체 박막 구조 형성 방법에서는 기판 상에 희생층 패턴을 형성한 다음, 상기 희생층 패턴 상에 무기물 박막을 형성한다. 상기 기판과 무기물 박막으로 정의되는 서로 분리된 복수개의 빈 공간이 형성되도록, 상기 무기물 박막이 형성된 기판으로부터 상기 희생층 패턴을 제거한다.
그리고 이러한 반도체 박막 구조 위로 질화물 반도체 박막을 더 형성할 수 있다. 이 때, 상기 질화물 반도체 박막은 상기 기판 상의 상기 빈 공간이 없는 부분을 씨앗으로 삼아 상기 질화물 반도체 박막이 형성되도록 ELO(Epitaxial Lateral Overgrowth) 방법으로 수행한다. 상기 무기물 박막이 상기 기판과 다른 물질인 경우에는 상기 기판 상의 상기 빈 공간이 없는 부분이 노출되도록 상기 무기물 박막을 패터닝하는 단계를 상기 무기물 박막을 형성하는 단계와 상기 희생층 패턴을 제거하는 단계 사이, 혹은 상기 희생층 패턴을 제거한 후 상기 질화물 반도체 박막을 형성하는 단계 사이에 더 수행해야 한다.
상기 희생층 패턴은 다양한 방법으로 형성할 수 있다. 상기 기판 상에 감광막을 도포한 후 사진식각 방법으로 형성하거나, 상기 기판 상에 나노임프린트용 수지를 도포한 후 나노임프린트 방법으로 형성할 수 있다. 대신에 상기 기판 상에 유기물 나노입자를 붙여서 형성할 수도 있다.
상기 무기물 박막을 형성하는 단계는 상기 희생층 패턴이 변형되지 않는 온도 한도 내에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 무기물 박막은 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 티타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 이트리아(Y2O3)-지르코니아, 산화구리(CuO, Cu2O) 및 산화탄탈륨(Ta2O5) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 빈 공간은 상기 희생층 패턴이 제거되어 없어진 자리이다. 따라서, 상기 빈 공간은 상기 희생층 패턴의 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 그대로 따른다. 그러므로 상기 빈 공간이 제어된 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 갖게 하려면 상기 희생층 패턴의 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 정해야 한다.
상기 빈 공간의 모양을 조절하기 위하여 상기 희생층 패턴을 형성한 후 그 모양을 조절하는 단계를 더 수행할 수도 있다. 예를 들어, 상기 희생층 패턴의 모양을 변형시키기 위한 리플로우(reflow) 단계를 수행하는 것이다. 상기 희생층 패턴이 감광막, 나노임프린트용 수지, 유기물 나노입자와 같은 유기물로 이루어진 경우에, 리플로우 단계는 이러한 희생층 패턴의 모양을 변화시킬 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 박막 구조를 이용하면 자외선 광검출기, 탄성 표면파 소자, LED, LD, 마이크로 전자 소자 등을 제조할 수 있으며 그 소자를 이용한 모듈, 시스템 등으로 확장할 수 있다. 기타 실시예의 구체적 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다음에 설명되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 1의 (a)를 참조하면, 먼저 기판(10) 상에 희생층 패턴(20)을 형성한다. 희생층 패턴(20)의 두께(d)는 0.01 ~ 10 ㎛이고 희생층 패턴(20)의 폭(w)은 0.01 ~ 10 ㎛으로 할 수 있다. 희생층 패턴(20)의 두께(d)와 폭(w)은 최종적으로 형성하려는 빈 공간을 고려하여 결정하도록 한다. 도 1의 (a)를 참조하면 희생층 패턴(20)은 기판(10) 전체에 같은 패턴으로 균일하게 형성되어 있다. 그러나 이후 도 6을 참조하여 설명하는 바와 같이 희생층 패턴(20)은 기판(10)에 국부적으로 다른 패턴으로 형성될 수도 있다.
이와 같은 희생층 패턴(20)은 다양한 방법에 따라 형성될 수 있는데, 먼저, 사진식각 방법(photo lithography)에 의할 수 있다.
예를 들어, 도 2의 (a)에서와 같이 기판(10) 상에 감광막(PR)을 도포한다. 감광막(PR)은 스핀 코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 스프레이 코팅(spray coating), 용액 적하(dropping), 디스펜싱(dispensing)의 방법 중에서 선택하여 기판(10)에 도포될 수 있으며 코팅막의 균일성을 위해서는 스핀 코팅의 방법이 좋다. 그런 다음, 도 2의 (b)에서와 같이 적절한 차광 패턴(11)을 가진 포토마스크(12)를 이용해 감광막(PR)을 노광(E)한다. 차광 패턴(11) 이외의 영역을 투과한 광은 감광막(PR) 중의 일부를 노광하며, 노광된 부분(EA)이 생긴다. 이후 노광된 부분(EA)을 현상하여 제거하면 도 2의 (c)에서와 같이 감광막 패턴(PR')을 남길 수 있다.
차광 패턴(11)은 반도체 제조 공정의 설계 기술대로 규칙적인 모양과 크기, 간격 등으로 제어하여 형성할 수 있으므로 이로부터 형성할 수 있는 감광막 패턴(PR')의 모양, 크기, 2 차원적인 배열을 조절할 수 있으며, 이러한 감광막 패턴(PR')을 희생층 패턴(20)으로 이용할 수 있다. 필요하다면 도 2의 (d)와 같은 추가적인 리플로우 단계를 더 수행하여 감광막 패턴(PR')의 각진 부분을 둥그렇게 모양을 변형시킨 감광막 패턴(PR")을 형성하여 이를 희생층 패턴(20)으로 이용할 수도 있다.
아니면, 희생층 패턴(20)은 나노임프린트(nano-imprint) 방법으로 형성할 수 있다. 도 3의 (a)를 참조하여 기판(10) 상에 나노임프린트용 수지(R)를 도포한다. 나노임프린트용 수지(R)도 스핀 코팅, 딥코팅, 스프레이 코팅, 용액 적하, 디스펜싱의 방법 중에서 선택하여 기판(10)에 도포될 수 있다. 적절한 요철 구조의 패턴(13)을 가진 나노임프린트 스탬프(14)를 준비한다. 나노임프린트 스탬프(14)는 통상의 제조 방법으로 제조된 실리콘 또는 석영 재질의 마스터 몰드일 수 있으며, 이 마스터 몰드를 복제한 유기물 몰드일 수도 있다.
그런 다음, 나노임프린트 스탬프(14)를 도 3의 (b)에서와 같이 나노임프린트용 수지(R) 상에 가압한다. 이로써, 나노임프린트 스탬프(14)의 패턴(13) 사이에 나노임프린트용 수지(R)가 충진된다. 가압와 동시에 가열을 하거나 자외선을 조사하거나 가열함과 동시에 자외선을 조사하면 나노임프린트용 수지(R)가 경화된다. 이후 나노임프린트 스탬프(14)를 분리해내면 도 3의 (c)에서와 같이 경화된 나노임프린트용 수지(R')가 기판(10) 상에 남게되고, 이를 희생층 패턴(20)으로 이용할 수 있게 된다.
요철 구조의 패턴(13)은 나노임프린트 방법의 설계에 따라 규칙적인 모양과 크기, 간격 등으로 제어하여 형성할 수 있으므로 이로부터 형성할 수 있는 경화된 나노임프린트용 수지(R')의 모양, 크기, 2 차원적인 배열도 조절할 수 있다. 필요하다면 추가의 가열 또는 자외선 조사 등을 통해 경화된 나노임프린트용 수지(R')의 모양을 변형시킬 수도 있다.
대신에 희생층 패턴(20)은 유기물 나노입자로부터 형성할 수도 있다. 예를 들어, 도 4의 (a)에서와 같이 기판(10) 상에 폴리스티렌 또는 폴리이미드와 같은 유기물 나노입자(B)를 붙여서 이를 희생층 패턴(20)으로 이용할 수가 있다. 이 때, 유기물 나노입자(B)의 모양과 크기는 균일한 것을 이용하며, 기판(10) 상에서 규칙적인 2 차원적인 배열을 갖도록 유기물 나노입자(B)가 붙여질 부분에 대한 사전 처리를 하는 것이 바람직하다. 예컨대 기판(10)이 소수성인 경우(혹은 소수성 코팅을 하고), 유기물 나노입자(B)가 붙여질 부분만 친수성 막을 형성하는 등의 처리를 한다. 사전 준비된 2 차원적인 배열 패턴을 가지는 스탬프에 친수성 물질을 묻혀 이것을 기판(10)에 스탬핑하는 등의 방법으로도 실현 가능하다. 그런 다음, 친수성의 유기물 나노입자(B)를 이용하거나 혹은 유기물 나노입자(B) 표면에 친수성 코팅을 해서, 또는 친수성 용매에 유기물 나노입자(B)를 섞어 기판(10) 상에 적용한다. 그러면 기판(10) 상에 친수성 처리된 부분에만 유기물 나노입자(B)가 붙여진다. 이외에도 기판(10) 상에서 규칙적인 2 차원적인 배열을 갖도록 유기물 나노입자(B)를 붙이는 방법은 정전기적 인력을 이용하는 것과 같은 다양한 변형이 가능하다.
이 때, 도 4의 (b)에서와 같이 추가적인 열처리 등을 통하여 유기물 나노입자(B')의 모양을 변형시키면서 기판(10)과의 접촉 면적을 더욱 크게 하여 유기물 나노 입자(B')의 탈락을 방지하는 단계를 더 수행할 수도 있다.
이렇게 다양한 희생층 패턴(20)이 형성되는 기판(10)은 사파이어, 실리콘, SiC, GaAs 기판 등 반도체 물질의 이종 에피 박막 성장에 이용되는 모든 이종 기판이 이용될 수 있다. 실리콘일 경우 그 위에 AlN 버퍼를 성장한 후 사용한다. 희생층 패턴(20)을 형성한 다음에는, 도 1의 (b)를 참조하여 희생층 패턴(20) 상에 무기물 박막(30)을 형성한다. 무기물 박막(30)은 후속적으로 기판(10)과의 빈 공간을 정의하는 것으로, 무기물 박막(30)을 형성할 때에는 희생층 패턴(20)이 변형되지 않는 온도 한도 내에서 수행하는 것이 바람직하다. 무기물 박막(30)을 형성하기 위한 공정은 원자층 증착(Atomic Layer Deposition : ALD), 습식 합성(wet synthesis), 금속 박막 형성 후 산화공정(metal deposition and oxidation) 등 다양한 방법이 가능하다. 구조적으로 안정된 빈 공간이 기판(10) 위에 존재하기 위해서는 무기물 박막(30) 형성 시에 무기물 박막(30)의 일부가 기판(10)과 직접 접촉하는 것이 유리하다. 무기물 박막(30)은 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 티타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 이트리아(Y2O3)-지르코니아, 산화구리(CuO, Cu2O) 및 산화탄탈륨(Ta2O5) 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 이러한 무기물 박막(30)의 조성, 강도 및 두께 중 적어도 어느 하나를 조절하면 후속적으로 이를 이용한 반도체 박막 구조 상에 형성되는 질화물 반도체 박막에 걸리는 응력을 조절할 수 있다. 무기물 박막(30)은 도시한 바와 같이 희생층 패턴(20)을 덮으면서 기판(10) 위로 전면적으로 형성될 수 있지만, 형성 방법에 따라서는 희생층 패턴(20)만을 덮도록 형성될 수 있으며, 이에 대해서는 후술하는 제4 및 제5 실시예에서 상세히 설명하기로 한다.
무기물 박막(30) 형성 후에는 도 1의 (a)에서와 같이 기판(10)으로부터 희생층 패턴(20)을 선택적으로 제거하도록 한다. 희생층 패턴(20)은 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이 감광막, 나노입프린트용 수지 혹은 유기물 나노입자와 같은 폴리머이므로 이를 쉽게 제거하는 방법은 가열이다. 그리고 산화 방식으로 더욱 쉽게 태워 제거하기 위해서는 산소를 포함하는 가스와의 화학 반응을 추가할 수 있다. 경우에 따라서는 특정 용매와의 화학 반응을 이용할 수도 있다. 희생층 패턴(20)을 제거하고 나면, 도 1의 (c)에 도시한 바와 같이 기판(10)과 무기물 박막(30)으로 정의되는 서로 분리된 복수개의 빈 공간(C)이 형성된 반도체 박막 구조(100)를 얻을 수 있다.
무기물 박막(30)은 보통 비정질이거나 매우 작은 입자로 이루어진 다결정을 갖는 것이 보통이다. 먼저 희생층 패턴(20)이 분해되는 온도(T1)에서 산화 분위기 속에서 열처리를 하여 희생층 패턴(20)을 제거한 후에 고온(T2)으로 온도를 올려 비정질 무기물 박막(30)을 치밀화하는 두 단계로 진행해도 된다.
이와 같은 방법으로 형성한 본 발명에 따른 반도체 박막 구조(100)는 도 1의 (c)에서 보는 바와 같이, 기판(10)과 무기물 박막(30)을 포함한다. 기판(10)과 무기물 박막(30) 사이는 서로 분리된 복수개의 빈 공간(C)이 제어된 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 갖게 정의되어 있다. 빈 공간(C)은 형성 방법 중에 희생층 패턴(20)이 제거되어 없어진 자리이다. 따라서, 빈 공간(C)은 희생층 패턴(20)의 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 그대로 따른다. 그러므로 빈 공간(C)이 제어된 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 갖게 하려면 희생층 패턴(20)의 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 정해야 한다. 본 실시예에서, 빈 공간(C)은 희생층 패턴(20)의 설계에 따라 기판(10) 전체에 같은 패턴으로 균일하게 정의되어 있다. 그러나, 다른 실시예들에서 빈 공간은 희생층 패턴의 설계에 따라 기판에 국부적으로 다른 패턴으로 정의되어 있을 수 있다.
이와 같은 반도체 박막 구조(100)는 원하는 소자 디자인에 따라 그 위에 다양한 방법으로 질화물 반도체 박막을 형성하는 데에 이용될 수 있다. 질화물 반도체 박막은 GaN, InN, AlN 또는 이들의 조합인 GaxAlyInzN(0<x,y,z<1) 등의 모든 질화물 반도체 물질을 포함한다. 빈 공간(C)이 존재하므로 기판(10)과 그 위에 형성하는 질화물 반도체 박막(미도시) 사이의 열팽창계수 차이가 있다면 빈 공간(C)이 늘어나거나 압축되는 형태로 국부적인 변형을 일으켜 응력 에너지를 소모시킬 수 있다. 이에 따라 질화물 반도체 박막에 걸리는 열응력을 감소시킬 수 있고, 따라서 기판 휘어짐 현상을 줄일 수 있다. 이에 대해서는 다음 실시예를 통해 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 1을 참조하여 설명한 실시예에서 만일 무기물 박막(30)이 기판(10)과 조성이 같은 물질이라면(예를 들어, 기판은 사파이어, 무기물 박막은 Al2O3) 고온(T2) 열처리 동안 기판(10)과 직접 접촉하고 무기물 박막(30) 부분은 고체상 에피성장(solid phase epitaxy)이 일어나서 기판(10)의 결정 방향을 따라 결정화가 일어나게 될 것이다. 이 부분은 추후 질화물 반도체 에피층 성장시 씨앗 부분으로 작용을 하게 된다.
도 1의 (a)와 (b)를 참조하여 설명한 바와 같이 도 5의 (a)에서는 기판(10a) 상에 희생층 패턴(20a)을 형성하고 그 위에 무기물 박막(30a)을 형성한다. 이 때, 기판(10a)은 사파이어 기판으로 하고 희생층 패턴(20a)은 감광막을 이용한 사진식각 방법으로 형성하며, 무기물 박막(30a)은 알루미나로 한다.
알루미나는 ALD와 같은 증착 방법으로 기판(10a)과 희생층 패턴(20a)의 모양을 따라 균일한 두께로 형성할 수 있다. 증착 방법 대신에 습식 용액을 이용한 습식 합성 방법도 가능하다. 습식 용액을 기판(10a)과 희생층 패턴(20a)의 모양을 따라 균일하게 코팅한 후 가열, 건조 혹은 화학 반응을 통해 알루미나를 합성할 수 있다. 예를 들어 알루미늄 클로라이드(AlCl3)와 같은 알루미늄 전구체 분말을 테트라클로로에틸렌(C2Cl4)과 같은 용매에 혼합한 후 희생층 패턴(20a)이 형성된 기판(10)에 적용하여 코팅하고 산소 분위기에서 가열하여 반응시키면 알루미나 박막을 입힐 수 있다. 혹은 금속 Al 박막을 스퍼터링 등의 방법으로 증착한 후에 산화 공정을 수행하여 알루미나를 형성하기도 한다. 이러한 알루미나는 비정질 또는 미세한 입자의 다결정으로 이루어진 상태로 형성된다.
다음 도 1의 (c)를 참조하여 설명한 바와 같이 도 5의 (b)에서도 희생층 패턴(20a)을 제거하여 빈 공간(C)을 형성한다. 본 실시예에서 희생층 패턴(20a)은 감광막으로 이루어져 있으므로 산소 분위기에서 고온으로 가열하면 흔히 애싱(ashing)이라고 부르는 열분해 공정에 의해 제거할 수 있다. 예컨대 T1의 온도로 가열하여 제거한다.
다음에 보다 고온인 T2로 가열한다. 예를 들어 1000℃ 부근으로 가열을 하면 기판(10a)의 결정 방향을 따르는 고체상 에피택시가 기판(10a)과 알루미나로 된 무기물 박막(30a) 사이의 계면에서부터 시작되어 비정질로 이루어진 알루미나는 다결정이 되거나, 미세한 다결정은 그 크기가 더 커지거나 가장 바람직한 경우에는 기판(10a)과 같은 단결정으로 바뀌게 된다.
이에 따라 도 5의 (c)에서와 같이 무기물 박막(30b)과 기판(10a) 사이의 계면(도면에서는 점선으로 표시)은 사라지게 된다. 다음으로 도 5의 (d)에서와 같이 이러한 반도체 박막 구조 위로 질화물 반도체 박막(50)을 더 형성한다. 먼저, 알루미늄 질화 갈륨(AlxGa1-xN)과 같은 저온 버퍼(41)를 형성한다. 도면에는 저온 버퍼(41)가 빈 공간(C) 사이의 기판(10a) 위로 성장되는 것을 도시하였으나 저온 버퍼(41)는 빈 공간(C) 위의 무기물 박막(30b) 위로 성장할 수도 있다. 이후 고온으로 하여 언도프트 질화 갈륨(GaN) 혹은 언도프트 알루미늄 질화 갈륨(AlxGa1-xN)과 같은 언도프트 에피층(42)을 포함하는 질화물 반도체 에피층(46)을 형성한다. LED와 같은 발광 소자를 제조하려면 질화물 반도체 에피층(46)은 n형 질화물 반도체 박막(43), MQW 등의 구조를 가질 수 있는 활성층(44) 및 p형 질화물 반도체 박막(45)을 포함하여 이루어지게 형성한다. 질화물 반도체 박막(50)은 기판(10) 상의 빈 공간(C)이 없는 부분을 씨앗으로 삼아 ELO 방법으로 성장되며, 빈 공간(C) 주변의 기판(10) 위로부터 성장하여 빈 공간(C) 위 쪽에서 합체되어 막을 이루게 되므로 고품질로 형성된다. 이러한 구조를 이용하여 질화물 반도체 소자를 제조할 수 있는데, 질화물 반도체 박막(50) 물질 종류에 따라 밴드갭 조절이 되어 자외선, 가시광선, 적외선 영역의 빛을 방출하도록 할 수 있다.
예를 들어 GaN과 같은 저온 버퍼(41)의 경우 격자 이완이 완벽히 일어날 수 있는 충분한 두께, 즉, 10 nm ~ 100 nm의 넓은 범위에서 정할 수 있다. 일반적인 화학 기상 증착법(CVD)에서 표면 반응 지배(surface reaction controlled) 구간의 온도 범위가 저온 버퍼(41) 형성에 이용될 수 있는데, 사파이어 기판 위에 GaN층을 성장시키는 경우라면 400℃ ~ 700℃의 온도범위가 이용될 수도 있고, AlN으로 이루어진 저온 버퍼(41)는 그보다 고온의 온도 범위에서 형성될 수 있다. 저온 버퍼(41)를 성장하기 위한 방법으로는 각종 증착법(e-beam evaporators, sublimation sources, Knudsen cell)과, 이온빔 증착법, 기상 에피택시법(ALE, CVD, APCVD, PECVD, RTCVD, UHVCVD, LPCVD, MOCVD, GSMBE, etc.)을 이용할 수 있다.
본 실시예에서 저온 버퍼(41)를 성장하기 위해, 먼저 기판(10a)을 반응기에 장입한다. 다음, 반응기의 압력, 온도 및 5족 전구체 : 3족 전구체 비율을 일정하게 한다. 반응기 압력은 10~1000 torr, 온도는 300~1200 ℃, 5족 전구체 : 3족 전구체 비율은 1 ~ 1000000의 범위로 할 수 있다. 반응기가 안정화되면 5족 전구체와 3족 전구체를 일정한 속도로 주입하여 기판(10a) 위에 질화물의 층을 성장시켜 저온 버퍼(41)를 얻는다. 소정 두께의 저온 버퍼(41)가 얻어질 때까지 5족 전구체와 3족 전구체의 주입을 유지한다.
다음으로 저온 버퍼(41) 위로 질화물 반도체 박막(50)을 성장시킨다. GaN 고온 에피층과 같은 질화물 반도체 박막의 성장 온도는 물질 이동 지배(mass transfer controlled) 구간의 온도 범위가 사용될 수 있는데, 사파이어 기판 위에 GaN층의 성장시 700℃ ~ 1200℃의 온도 범위가 사용될 수 있으며 저온 버퍼(41) 성장 온도와 같게 하거나 고온으로 한다.
앞의 저온 버퍼(41)를 형성하는 단계와 질화물 반도체 박막(50)을 형성하는 단계는 진공을 깨지 않고(혹은 인시튜로) 하나의 챔버 안에서 또는 트랜스퍼 챔버로 연결된 두 개의 프로세스 챔버 안에서 진행할 수 있다.
사파이어 기판인 기판(10a)의 열팽창계수가 질화물 반도체 박막(50)에 비하여 크므로, 질화물 반도체 박막(50)을 형성하는 단계 이후 냉각시키는 과정에서 빈 공간(C)이 면 방향으로 압축될 수 있고, 이에 따라 질화물 반도체 박막(50)에 걸리는 압축 응력은 이완이 될 수 있다. 그러므로, 기판(10a)의 휘어짐을 감소할 수 있다.
도 5의 (d)와 같은 구조에 전극(미도시)을 더 구성하면 본 발명에 따른 반도체 소자 및 이를 포함하는 모듈 혹은 시스템을 제조할 수 있다. 예를 들어 메사 식각으로 n형 질화물 반도체 박막(43)이 드러나게 한 표면에 n형 전극을 형성하고 p형 질화물 반도체 박막(45) 위에 p형 전극을 형성한다. 이와 같이, 반도체 소자는 본 발명에 따른 반도체 박막 구조를 이용하며, 물론 여기에 적절한 패터닝이 수반될 수 있다. 다양한 소자 및 그 소자를 이용한 모듈과 시스템 제작이 얼마든지 가능하다.
특히, 희생층 패턴(20a)을 통해 빈 공간(C)의 모양과 크기 및 2 차원적인 배열 중 적어도 어느 하나를 조절하면 질화물 반도체 박막(50)에 걸리는 응력, 질화물 반도체 박막(50)으로부터의 광 추출량을 조절할 수 있다. 또한 규칙적인 굴절률의 변화로 인한 광결정 효과에 의해서 LED 방출 패턴(emission pattern)을 조절할 수 있게 된다.
도 6은 희생층 패턴(20a)의 2 차원적인 배열을 보여주는 평면도로서 하나의 칩을 구성하는 기판의 일부를 보여준다.
먼저 도 6의 (a) 또는 (b)에서와 같이 기판(10a)에 형성하는 희생층 패턴(20a)은 라인 앤드 스페이스 타입(line and space type)으로서 y축 방향 혹은 x축 방향으로 신장하는 모양을 가질 수 있다. 500 nm의 라인 앤드 스페이스를 가정할 경우 가로 x 세로가 1mm x 1mm 크기의 칩에는 대략 1000개의 희생층 패턴(20a)이 들어가게 된다. 희생층 패턴(20a)을 이렇게 일 방향으로 신장하는 모양으로 형성할 경우 이로부터 형성하는 LED는 어느 한 방향으로의 광 특성이 제어가 되어 예컨대 편광 방향성을 조절하는 것이 가능해진다.
도 6의 (c)와 (d)는 희생층 패턴(20a)이 각각 동심 사각형이거나 동심 원형인 것을 도시한다. 이러한 희생층 패턴(20a)은 이로부터 형성하는 LED에서 방사각에 따른 광 출력 특성을 제어할 수 있게 한다.
희생층 패턴(20a)의 예는 이 밖에도 다양한 변형이 가능하며 다양한 패턴에 따라 광특성 제어가 가능해진다. 앞에서 예로 든 라인 앤드 스페이스 형태의 패턴 말고도 예컨대 도 6의 (e)에서와 같은 섬(island)형 패턴도 가능하다. 그리고 기판(10a) 전체에 대해 균일한 패턴도 가능하지만 도 6의 (f)와 같이 국부적으로 다른 패턴의 반복으로 구성할 수도 있다. 이와 같이, 전체를 같은 패턴으로 균일하게 하지 않고, 국부적으로 다른 패턴으로 하면 국부적으로 응력 이완의 정도를 다르게 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 기판(10a) 상에 무기물 박막(30b)이 빈 공간(C)을 정의할 수 있도록 한 반도체 박막 구조에 질화물 반도체 박막(50a)을 형성한 후, 그 위에 다른 무기물 박막(30c)을 더 형성하여 다른 빈 공간(C')을 또 정의한다. 그리고 그 위로 다른 질화물 반도체 박막(50b)을 형성하는 것이다. 이와 같이 본 발명에 따른 반도체 박막 구조는 기판(10a) 위로 2층 이상의 질화물 반도체 박막(50a, 50b)을 포함할 수 있으며, 질화물 반도체 박막(50a, 50b) 사이에도 빈 공간(C')이 정의되도록 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5를 참조한 실시예는 기판(10a)과 무기물 박막(30a)이 사파이어와 알루미나로 서로 동일한 물질인 경우이다. 무기물 박막이 기판과 다른 물질인 경우(예를 들어 기판은 사파이어, 무기물 박막은 SiO2)에는 고온(T2) 열처리 동안 치밀화가 이루어지게 되나 씨앗의 역할을 하지 못하게 되므로 기판 상의 빈 공간이 없는 부분이 노출되도록 무기물 박막을 패터닝하는 단계를 더 수행해야 한다.
도 1의 (a)와 (b)를 참조하여 설명한 바와 같이 도 8의 (a)에서는 기판(10a) 상에 희생층 패턴(20a)을 형성하고 그 위에 무기물 박막(30a')을 형성한다. 이 때, 기판(10a)은 사파이어 기판으로 하고 희생층 패턴(20a)은 감광막을 이용한 사진식각 방법으로 형성하며, 무기물 박막(30a')은 사파이어와는 다른 물질, 예컨대 실리카로 한다.
다음 도 1의 (c)를 참조하여 설명한 바와 같이 도 8의 (b)에서 희생층 패턴(20a)을 제거하여 빈 공간(C)을 형성한다. 희생층 패턴(20a)은 감광막으로 이루어져 있으므로 고온으로 가열하여 제거할 수 있다.
다음에 도 8의 (c)를 참조하여 사진식각 방법을 이용해 기판(10a) 상의 빈 공간(C)이 없는 부분이 노출되도록 무기물 박막(30a')을 패터닝하여 패터닝된 무기물 박막(30a")이 기판(10a) 상면을 노출시킬 수 있도록 한다.
다음으로 도 8의 (d)에서와 같이 이러한 반도체 박막 구조 위로 질화물 반도체 박막(50)을 더 형성할 수 있다. 질화물 반도체 박막(50)은 기판(10a) 상의 빈 공간(C)이 없는 부분, 즉 기판(10a) 상면이 노출되어 있는 부분을 씨앗으로 삼아 ELO 방법으로 성장되므로 결정 결함이 적은 고품질의 박막으로 성장된다.
한편, 본 실시예에서는 빈 공간(C)을 먼저 형성한 후에 무기물 박막(30a')을 패터닝하는 것을 설명하였으나 무기물 박막(30a')을 패터닝 한 후에 빈 공간(C)을 형성하는 것도 가능하다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 1의 (a)와 (b)를 참조하여 설명한 바와 같이 도 9의 (a)에서는 기판(10a) 상에 희생층 패턴(20a)을 형성하고 그 위에 무기물 박막(30a')을 형성한다. 이 때, 기판(10a)은 사파이어 기판으로 하고 희생층 패턴(20a)은 폴리스티렌 비드와 같은 유기물 나노입자를 붙여 형성하며, 무기물 박막(30a')은 실리카로 한다.
습식 합성 방법에 의하는 경우, 도 9의 (a)에 도시한 바와 같이 무기물 박막(30a')이 희생층 패턴(20a)만을 덮도록 형성할 수 있다. 즉, 희생층 패턴(20a) 사이의 기판(10a) 상면은 덮이지 않은 상태로 무기물 박막(30a')을 형성할 수가 있다. 예를 들어 알루미늄 클로라이드(AlCl3)와 같은 알루미늄 전구체 분말을 테트라클로로에틸렌(C2Cl4)과 같은 용매에 혼합한 후 폴리스티렌 비드와 같은 유기물 나노입자로 된 희생층 패턴(20a)이 형성된 기판(10)에 적용하여 코팅하면 알루미늄 전구체 분말 용액은 기판(10a)보다도 희생층 패턴(20a)에 우세하게 도포되기 때문이다.
다음 도 1의 (c)를 참조하여 설명한 바와 같이 도 9의 (b)에서도 희생층 패턴(20a)을 제거하여 빈 공간(C)을 형성한다. 예컨대 T1의 온도로 가열하여 제거한다.
다음에 보다 고온인 T2로 가열한다. 예를 들어 1000℃ 부근으로 가열을 하면 기판(10a)의 결정 방향을 따르는 고체상 에피택시가 기판(10a)과 무기물 박막(30a') 사이의 계면에서부터 시작되어 비정질로 이루어진 실리카는 다결정이 되거나, 미세한 다결정은 그 크기가 더 커지게 되어 무기물 박막(30b')이 된다.
다음으로 도 9의 (d)에서와 같이 이러한 반도체 박막 구조 위로 질화물 반도체 박막(50)을 더 형성할 수 있다. 질화물 반도체 박막(50)은 기판(10a) 상의 빈 공간(C)이 없는 부분을 씨앗으로 삼아 ELO 방법으로 성장되므로 결정 결함이 적은 고품질의 박막으로 성장된다.
도 10은 본 발명의 제6 실시예에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
먼저 도 10의 (a)를 참조하여, 기판(10b) 상에 AlN과 같은 버퍼층(15)을 형성한다. 이 때, 기판(10b)은 실리콘 기판으로 하고 예컨대 100 Å 이하 두께로 AlN을 스퍼터링하여 버퍼층(15)으로 형성한다.
다음, 도 1의 (a)와 (b)를 참조하여 설명한 바와 같이 도 10의 (b)에서는 기판(10b) 상에 희생층 패턴(20a)을 형성하고 그 위에 무기물 박막(30a)을 형성한다. 무기물 박막(30a)은 알루미나 또는 AlN으로 형성한다.
다음 도 1의 (c)를 참조하여 설명한 바와 같이 도 10의 (c)에서도 희생층 패턴(20a)을 제거하여 빈 공간(C)을 형성한다. 이후의 단계는 제2 실시예에서와 같다. 희생층 패턴(20a)은 감광막으로 이루어져 있으므로 고온으로 가열하면 열분해에 의해 제거할 수 있다. 예컨대 T1의 온도로 가열하여 제거한다.
다음에 보다 고온인 T2로 가열한다. 예를 들어 1000℃ 부근으로 가열을 하면 기판(10b)의 결정 방향을 따르는 고체상 에피택시가 일어나 무기물 박막(30b)과 버퍼층(15) 그리고 기판(10b) 사이의 계면(도면에서는 점선으로 표시)은 사라지게 되어, 후속 단계에서 빈 공간(C) 사이의 기판(10b)을 씨앗으로 삼아 ELO(epitaxial lateral overgrowth) 방법 고품질의 질화물 반도체 박막을 성장시킬 수 있다.
실리콘 기판인 기판(10b)의 열팽창계수가 질화물 반도체 박막에 비하여 크므로, 도 10의 (c)에 도시한 것과 같은 반도체 박막 구조 상에 질화물 반도체 박막을 형성하는 단계 이후 냉각시키는 과정에서 면 방향으로 빈 공간(C)이 인장될 수 있고, 이에 따라 질화물 반도체 박막에 걸리는 인장 응력은 이완이 될 수 있다. 그러므로, 기판(10b)의 휘어짐을 감소할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (29)

  1. 기판; 및
    상기 기판과의 사이에 서로 분리된 복수개의 빈 공간(cavity)이 제어된 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 갖게 정의되도록 상기 기판 상에 형성된 무기물 박막을 포함하는 반도체 박막 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판 위로 질화물 반도체 박막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조.
  3. 제2항에 있어서, 상기 질화물 반도체 박막은 2층 이상의 막인 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조.
  4. 제3항에 있어서, 상기 2층 이상의 막 사이에 서로 분리된 복수개의 빈 공간이 규칙적으로 제어된 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 갖게 정의되도록 상기 2층 이상의 막 사이에 형성된 다른 무기물 박막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조.
  5. 제2항에 있어서, 상기 기판의 열팽창계수가 상기 질화물 반도체 박막에 비하여 크고 상기 빈 공간이 상기 질화물 반도체 박막에 의해 면 방향으로 압축된 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조.
  6. 제2항에 있어서, 상기 기판의 열팽창계수가 상기 질화물 반도체 박막에 비하여 작고 상기 빈 공간이 상기 질화물 반도체 박막에 의해 면 방향으로 인장된 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 빈 공간은 상기 기판 전체에 같은 패턴으로 균일하게 정의되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 빈 공간은 상기 기판에 국부적으로 다른 패턴으로 정의되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조.
  9. 기판 상에 희생층 패턴을 형성하는 단계;
    상기 희생층 패턴 상에 무기물 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 기판과 무기물 박막으로 정의되는 서로 분리된 복수개의 빈 공간(cavity)이 형성되도록, 상기 무기물 박막이 형성된 기판으로부터 상기 희생층 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 박막 구조 형성 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 기판 위로 질화물 반도체 박막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 질화물 반도체 박막을 형성하는 단계는 상기 기판 상의 상기 빈 공간이 없는 부분을 씨앗으로 삼아 상기 질화물 반도체 박막이 형성되도록 ELO(epitaxial lateral overgrowth) 방법으로 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 무기물 박막은 상기 기판과 다른 물질이며 상기 기판 상의 상기 빈 공간이 없는 부분이 노출되도록 상기 무기물 박막을 패터닝하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 기판의 열팽창계수가 상기 질화물 반도체 박막에 비하여 크게 선택하고, 상기 질화물 반도체 박막을 형성하는 단계 이후 냉각시키는 과정에서 상기 질화물 반도체 박막에 의해 상기 빈 공간을 면 방향으로 압축시켜 상기 기판의 휘어짐을 감소하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 기판의 열팽창계수가 상기 질화물 반도체 박막에 비하여 작게 선택하고, 상기 질화물 반도체 박막을 형성하는 단계 이후 냉각시키는 과정에서 상기 질화물 반도체 박막에 의해 상기 빈 공간을 면 방향으로 인장시켜 상기 기판의 휘어짐을 감소하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  15. 제10항에 있어서, 상기 질화물 반도체 박막에 걸리는 응력, 상기 질화물 반도체 박막으로부터의 광 추출량 및 방출 패턴 중 적어도 어느 하나를 조절하기 위하여 상기 빈 공간의 모양과 크기 및 2 차원적인 배열 중 적어도 어느 하나를 조절하는 것을 특징으로 하는 박막 구조 형성 방법.
  16. 제9항에 있어서, 상기 희생층 패턴을 형성하는 단계는 상기 기판 상에 감광막을 도포한 후 사진식각 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  17. 제9항에 있어서, 상기 희생층 패턴을 형성하는 단계는 상기 기판 상에 나노임프린트용 수지를 도포한 후 나노임프린트 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  18. 제9항에 있어서, 상기 희생층 패턴을 형성하는 단계는 상기 기판 상에 유기물 나노입자를 붙여서 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  19. 제9항에 있어서, 상기 희생층 패턴의 두께는 0.01 ~ 10 ㎛이고 상기 희생층 패턴의 폭은 0.01 ~ 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  20. 제9항에 있어서, 상기 무기물 박막을 형성하는 단계는 상기 희생층 패턴이 변형되지 않는 온도 한도 내에서 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  21. 제9항에 있어서, 상기 무기물 박막은 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 티타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 이트리아(Y2O3)-지르코니아, 산화구리(CuO, Cu2O) 및 산화탄탈륨(Ta2O5) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  22. 제10항에 있어서, 상기 질화물 반도체 박막에 걸리는 응력을 조절하기 위하여 상기 무기물 박막의 조성, 강도 및 두께 중 적어도 어느 하나를 조절하는 것을 특징으로 하는 박막 구조 형성 방법.
  23. 제9항에 있어서, 상기 빈 공간이 제어된 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 갖게 정의되도록 상기 희생층 패턴의 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 정하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  24. 제9항에 있어서, 상기 빈 공간의 모양을 조절하기 위하여 상기 희생층 패턴의 모양을 조절하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  25. 제9항에 있어서, 상기 희생층 패턴의 모양을 변형시키기 위한 리플로우(reflow) 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  26. 제9항에 있어서, 상기 희생층 패턴은 상기 기판 전체에 같은 패턴으로 균일하게 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  27. 제9항에 있어서, 상기 희생층 패턴은 상기 기판에 국부적으로 다른 패턴으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  28. 제9항에 있어서, 상기 희생층 패턴을 제거하는 단계는 가열, 산소를 포함하는 가스와의 화학 반응, 용매와의 화학 반응 중 적어도 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  29. 기판;
    상기 기판과의 사이에 서로 분리된 복수개의 빈 공간(cavity)이 제어된 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 갖게 정의되도록 상기 기판 상에 형성된 무기물 박막; 및
    상기 기판 위로 형성된 질화물 반도체 박막을 포함하는 반도체 박막 구조를 포함하는 반도체 소자.
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