KR101137909B1 - 질화갈륨 기판 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 베이스 기판 상에 완충막(buffer layer)을 형성하는 완충막 형성 단계, 성장로에 갈륨원에 대한 질소원의 부피비(V/III족비)를 제1 부피비가 되도록 공급하여 상기 완충막 상에 소정의 두께를 갖는 질화갈륨 막을 성장시키는 제1 성장 단계 및 상기 성장로에 상기 갈륨원에 대한 질소원의 부피비를 상기 제1 부피비보다 증가시킨 제2 부피비가 되도록 공급하여 상기 질화갈륨 막 표면 상에 표면막을 형성시키는 제2 성장 단계를 포함하는 질화갈륨 기판의 제조 방법을 제공한다. 상기 제조 방법에 의한 질화갈륨 기판은 표면막에 형성된 힐록의 크기가 작아 기판 표면의 두께 편차를 줄일 수 있다.

Description

질화갈륨 기판 및 그 제조 방법 {Gallium nitride substrate and method of manufacturing the same}

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 기판을 제조 공정의 흐름 순서에 따라 간략하게 나타낸 단면도이다.

도 2는 질화갈륨 기판의 표면막에 형성된 작은 힐록(hillock)의 이미지를 나타낸 개념도이다.

도 3은 질화갈륨 기판의 표면막에 형성된 조대한 힐록의 이미지를 나타낸 개념도이다.

도 4는 질화갈륨 기판의 표면에 대한 배율이 100배인 현미경 사진이다.

본 발명은 질화갈륨 기판 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기판의 표면의 두께 편차를 감소시켜 표면 응력에 의한 크랙의 발생이 감소된 질화갈륨 기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 질화갈륨(gallium nitride, GaN)은 넓은 에너지 밴드갭과 원자간의 큰 상호 결합력 그리고 높은 열전도성으로 인해 광소자 및 고온, 고전력 소 자로서 적합한 특성을 구비한다. 따라서, 질화갈륨 계열의 반도체 화합물은 광전자 소자를 제조하는 재료로 다양하게 이용되고 있으며, 구체적으로, 질화갈륨을 이용하여 제조된 청색 및 녹색 발광소자는 멀티미디어, 신호등, 실내 조명, 고밀도 광원, 고해상도 출력 시스템과 정보 통신분야 등 광범위한 분야에 응용되고 있다.

질화갈륨(GaN) 단결정 막은 통상적으로 사파이어(α-Al₂O₃)나 실리콘 카바이드(SiC) 등의 이종 기판상에 유기금속 화학증착법(MOCVD: metal organic chemical vapor deposition) 또는 분자선 성장법(MBE: molecular beam epitaxy) 또는 수소화물 기상성장법(HVPE: hydride vapor phase epitaxy) 등과 같은 기상 성장법에 의해 제조되고 있다. 이 중에서 수 내지 수백 ㎛에 이르는 후막(thick film)의 성장에는 HVPE 성장법이 유리하다. 또한, HVPE 성장법에 의하면 성장조건, 기판의 사용조건 등에 따라 수 mm의 벌크(bulk) 성장도 가능하다.

그러나, 질화갈륨과 사파이어는 격자 상수 및 열팽창 계수의 차이로 인하여, 사파이어 기판 상에 질화갈륨층을 형성하게 되면 전위결함 밀도가 높은 문제가 발생할 수 있다. 그리고, 질화갈륨층을 사파이어 기판 상에 형성할 때 질화갈륨층에 휨이 발생할 수 있으며, 심한 경우에는 질화갈륨층에 크랙이 발생할 수 있다.

이를 개선하기 위한 여러 시도가 있었는데, 그 중 갈륨원에 대한 질소원의 부피 비율, 즉 V/III족비를 점차 감소시키면서 질화갈륨 막을 성장시키는 방법이 있다. 이 방법을 사용할 경우 이종 기판과의 격자상수 및 열팽창 계수의 차이에 의한 응력을 감소할 수 있어 전위결함 밀도를 감소시킬 수 있으며, 두께가 수백 ㎛ 이고 결정성이 좋은 질화갈륨 후막을 제조할 수 있다. 그러나, 상기 방법에 의한 경우라도 질화갈륨 막의 표면에 힐록(hillock)이 발생되는데, 성장이 두껍게 될수록 상기 힐록의 크기가 커지게 된다. 조대한 힐록은 기판의 두께 편차를 유발하게 되며, 두께 편차가 커질수록 응력 분포 차이에 의해 기판에 크랙이 발생하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안한 것으로서, 질화갈륨 기판의 표면의 두께 편차를 줄여 표면에 걸리는 응력을 완화시킬 수 있는 질화갈륨 기판의 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 또한 질화갈륨 기판의 표면에 발생한 힐록의 크기가 작고, 표면의 두께 편차의 크기가 작은 질화갈륨 기판을 제공한다.

본 발명의 일 특징에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법은 베이스 기판 상에 완충막(buffer layer)을 형성하는 완충막 형성 단계, 성장로에 갈륨원에 대한 질소원의 부피비(V/III족비)를 제1 부피비가 되도록 공급하여 상기 완충막 상에 소정의 두께를 갖는 질화갈륨 막을 성장시키는 제1 성장 단계 및 상기 성장로에 상기 갈륨원에 대한 질소원의 부피비를 상기 제1 부피비보다 증가시킨 제2 부피비가 되도록 공급하여 상기 질화갈륨 막 표면 상에 표면막을 형성시키는 제2 성장 단계를 포함한다.

상기 제1 부피비는 1 내지 10이고, 상기 제2 부피비는 10 내지 30이며, 상기 제1 성장 단계에서 성장된 질화갈륨 막의 두께는 100 내지 450㎛인 것을 특징으로 한다. 상기 질소원은 암모니아이고 상기 갈륨원은 염화갈륨을 사용한다.

상기 완충막 형성 단계는 성장로에 암모니아 기체를 공급하여 주는 제1차 질화처리 단계, 상기 성장로에 암모니아와 염화수소의 혼합 기체를 공급하여 주는 혼합기체 공급 단계 및 상기 성장로에 암모니아 기체를 공급하여 주는 제2차 질화처리 단계를 포함한다. 상기 완충막 형성 단계는 600 내지 1100℃의 고온에서 이루어진다.

본 발명에 의해 제조된 질화갈륨 기판은 상기 표면막에 형성된 힐록의 크기가 50 내지 100㎛이고, 상기 힐록의 깊이는 10 내지 20㎛이며, 상기 표면막의 두께편차의 평균이 20㎛보다 작다.

본 발명의 일 특징에 따른 질화갈륨 기판은 표면막에 발생한 힐록의 가로 방향 크기가 50 내지 100㎛이며, 높이는 10 내지 20㎛이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하도록 한다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 기판을 제조 공정의 흐름 순서에 따라 간략하게 나타낸 단면도이다.

도 1을 참조하면, 베이스 기판(110) 상에 완충막(120)을 형성한 후, 상기 완충막(120) 위에 질화갈륨 막(130)을 성장시키게 된다. 상기 성장된 질화갈륨 막의 표면에는 힐록(140)이 발생하게 된다. 본 발명에 의하면, 갈륨원에 대한 질소원의 부피비(V/III족비)를 질화갈륨 막의 성장의 최종 단계에서 증가시킴으로서, 작은 힐록(150)들이 질화갈륨 기판의 표면막에 형성되게 하여 표면의 두께 편차를 감소시킬 수 있다.

여기서 베이스 기판(110)으로 사파이어(α-Al₂O₃)나 실리콘 카바이드(SiC) 등의 이종 기판 또는 질화갈륨 기판을 사용할 수 있으나, 사파이어 기판이 질화갈륨과 같은 육방정계 구조이고 값이 싸며 고온에서 안정한 이유로 많이 사용된다. 다만 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 완충막 형성 단계는 수소화물 기상증착(HVPE) 성장로에 베이스 기판(110)을 장입하고 600 내지 1100℃의 온도에서 질소원으로 암모니아(NH₃) 기체를 흘려 주는 제1차 질화처리 단계, 암모니아와 염화수소(HCl)의 혼합 기체를 공급해주는 단계 및 다시 암모니아 기체를 흘려 주는 제2차 질화처리 단계를 포함한다. 상기 온도는 반응의 속도와 효율 측면에서 930 내지 1000℃인 것이 더 바람직하다.

이어서, 수소화물 기상증착 성장로의 갈륨 용기에 갈륨을 적재하여 위치시키고 성장로의 온도를 600 내지 900℃로 유지하면서 염화수소 기체를 공급하여 염화갈륨 기체를 생성하여 질화갈륨 기판 제조의 갈륨원으로 사용한다. 그리고, 성장로에 암모니아 기체를 공급하면서 상기 염화갈륨(GaCl) 기체와 반응시키면서 질화갈륨 막을 성장시킨다. 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 상기 질소원과 상기 갈륨원은 암모니아와 염화갈륨이 아닌 다른 기체를 사용할 수도 있다.

상기 완충막은 질화갈륨을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 완충막에 질화갈륨 막이 포함되는 경우 상기 갈륨원에 대한 상기 질소원의 부피비(V/III족비)를 20 내지 10의 범위 내에서 갈륨원과 질소원을 공급하고, 상기 부피비를 점차 감소시켜 나간다. 상기 부피비는 성장로의 용량, 완충막의 두께 등에 따라 달라질 수 있다.

완충막(120)을 소정의 두께로 형성한 다음, 성장로에 갈륨원에 대한 질소원의 부피비(V/III족비)를 제1 부피비가 되도록 공급하여 상기 완충막 상에 소정의 두께를 갖는 질화갈륨 막을 성장시키는 제1 성장 단계를 수행한다. 상기 제1 부피비는 1 내지 10의 범위 내의 값에서 일정한 비율로 갈륨원과 질소원을 공급할 수도 있고, 상기 범위 내에서 비율을 변화시키며서 갈륨원과 질소원을 공급할 수도 있다. 상기 질화갈륨 막을 두께가 수백 ㎛의 후막으로 성장시키는 경우 표면에 조대한 힐록(140)이 발생하게 된다. 상기 조대한 힐록(140)의 크기는 수 mm에 이르며, 힐록(140)의 깊이는 수백 ㎛에 이를 수 있다. 상기 질화갈륨 막의 두께가 클수록 힐록의 크기도 일반적으로 커진다. 힐록의 형상은 일반적으로 육각뿔이며, 힐록의 크기는 육각뿔의 바닥면에서의 가장 긴 대각선 길이를 의미하고, 힐록의 깊이는 상기 바닥면에서 수직 방향으로의 육각뿔의 높이를 의미한다. 상기 힐록의 형상은 육각뿔에 한정되지 않으며, 힐록의 크기와 깊이는 일반적으로 비례한다. 질화갈륨 막의 표면 상에 조대한 힐록이 형성된 경우 기판의 표면에서의 두께 편차(TTV, total thickness variation)이 커져 응력분포의 차이가 커지게 되어 기판에 크랙이 발생하게 된다.

제1 성장 단계 이후, 상기 성장로에 상기 갈륨원에 대한 질소원의 부피비를 상기 제1 부피비보다 증가시킨 제2 부피비가 되도록 공급하여 상기 질화갈륨 막 표면 상에 표면막을 형성시키는 제2 성장 단계를 수행한다. 상기 제2 부피비는 상기 10 이상인 경우를 포함하며, 바람직하게는 10 내지 30이다.

제2 부피비를 제1 부피비보다 증가시켜 갈륨원과 질소원을 공급할 경우 질화갈륨 기판의 표면에 나타나는 힐록(150)의 크기가 상대적으로 작아진다. 상기 질화갈륨 기판의 표면에 크기가 50 내지 100㎛인 힐록(150)이 고르게 분포하게 되면 표면의 두께 편차를 감소시켜 응력을 고르게 분산시킴으로써 기판에 발생하는 크랙을 감소시킬 수 있다.

작은 힐록(150)은 조대한 힐록(140)의 옆 면과 질화갈륨 막의 표면에 골고루 분포하면서 기판의 전체적인 두께 편차를 줄여준다. 이로 인해 기판의 표면에 발생하는 응력을 감소시킬 수 있으며, 기판의 기계적 연마 공정에서 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명에 따른 질화갈륨 기판의 제조 방법을 더욱 상세하게 설명하나, 하기 실시예는 본 발명에 따른 제조 방법을 보다 더 구체적으로 설명하기 위한 예시적인 것으로서, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

직경 2인치 및 430㎛의 두께를 갖는 사파이어 기판을 수소화물 기상증착(HVPE) 성장로에 장입한 후, 950℃의 온도에서 암모니아 기체를 흘려 질화처리하 였다. 이어서, 상기 온도를 유지하면서 암모니아와 염화수소의 혼합기체를 사용하여 열처리하고, 다시 암모니아 기체를 흘려 주었다.

다음으로, 수소화물 기상증착 성장로의 갈륨 용기에 갈륨을 과량 적재하여 위치시키고 온도를 750℃로 유지하면서 염화수소 기체를 300sccm의 속도로 흘려 주어 염화갈륨 기체를 생성하였다. 성장로의 다른 기체 주입구를 통해 암모니아 기체를 3000sccm의 속도로 공급하여 온도 980℃에서 상기 염화갈륨 기체와 반응시켜 질화갈륨 막을 성장시켰다. 상기 암모니아 기체의 공급량을 1800sccm까지 점차 줄여가면서 30분 동안 완충막을 형성시켰다.

염화수소와 암모니아의 제1 부피비를 1:3으로 성장로에 공급하고 온도를 990℃로 유지하면서 6시간 동안 질화갈륨 막을 성장시켰다. 상기 질화갈륨 막의 표면 상에 나타난 힐록의 크기는 평균 5mm였다.

상기 질화갈륨 막 위에 염화수소와 암모니아의 제2 부피비를 1:15로 증가시켜 성장로에 공급하여 질화갈륨 막 표면 상에 표면막을 형성하였다.

상기 질화갈륨의 표면막에 형성된 힐록에 대한 사진은 도 4에 나타내었다. 상기 도 4의 배율은 100배이다. 도 4에서 조대한 힐록이 생성된 표면에 크기가 100㎛ 내외인 작은 힐록이 다수 생성되면서 표면막의 전체적인 두께 편차를 줄인 것을 볼 수 있다. 실시예 1에 의해 사파이어 기판 상에 제조된 질화갈륨 기판은 총 성장 두께가 400㎛가 되어도 기판의 표면이나 내부에 크랙이 발생되지 않아 질화갈륨 막에서 응력이 완화되었음을 알 수 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 질화갈륨 기판을 상세히 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 기판은 갈륨원에 대한 질소원의 부피비를 증가시켜 형성된 표면막에 생성된 힐록의 크기가 50 내지 100㎛이고, 상기 힐록의 깊이는 10 내지 20㎛이며, 상기 표면막의 두께편차의 평균이 20㎛보다 작다.

상기 표면막에 생성된 작은 힐록의 이미지를 나타낸 개념도가 도 2이고, 상기 표면막을 형성하기 전의 질화갈륨 기판의 표면 상에 있는 조대한 힐록의 이미지를 나타낸 개념도가 도 3이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 도 2의 작은 힐록은 다수 개가 고르게 질화갈륨 기판의 표면을 덮으며 분포하고, 도 3의 조대한 힐록은 크기와 깊이가 크며, 질화갈륨 기판의 표면을 고르게 덮으면서 분포하지 않는다. 따라서, 조대한 힐록만이 표면에 형성되어 있는 경우 질화갈륨 기판의 두께 편차가 크고, 표면의 응력 분포가 불균일할 경우 크랙이 질화갈륨 막 내부에까지 발생될 수 있다.

상기 표면막을 형성하기 전 질화갈륨 막 위에 존재하는 조대한 힐록의 평균 크기는 5mm 내외이며, 깊이는 40 내지 60㎛이다. 상기 표면막 위의 작은 힐록의 평균 크기는 50 내지 100㎛ 내외이며 깊이는 10 내지 20㎛이다. 질화갈륨 기판을 목표 두께까지 성장시킨 후, 작은 힐록이 고르게 분포된 표면막을 형성함으로써, 기판 표면에 걸리는 응력을 감소시킬 수 있으며, 표면막은 기판의 가공을 통해 제거되므로 질화갈륨 막의 품질에는 영향을 미치지 않는다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 질화갈륨 기판의 표면에 생성되는 힐록의 크기를 조절함으로써 기판의 기계적 가공시 발생할 수 있는 크랙을 줄일 수 있 다. 또한 기판의 표면이 거칠어질수록 기판 표면에 걸리는 응력을 감소시킬 수가 있으며 기판의 전체적인 두께 편차를 줄일 수 있다. 질화갈륨 기판의 최종 성장 단계에서 생성된 표면막은 기판의 연마 공정을 통해 제거되므로 질화갈륨 막의 품질에는 영향을 미치지 않는다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (10)

1. 베이스 기판 상에 완충막(buffer layer)을 형성하는 완충막 형성 단계;

   성장로에 갈륨원에 대한 질소원의 부피비(V/III족비)가 제1 부피비가 되도록 갈륨원과 질소원을 공급하여 상기 완충막 상에 소정의 두께를 갖는 질화갈륨 막을 성장시키는 제1 성장 단계; 및

   상기 성장로에 상기 갈륨원에 대한 질소원의 부피비가 상기 제1 부피비보다 증가된 제2 부피비로 갈륨원과 질소원을 공급하여 상기 질화갈륨 막 표면 상에 표면막을 형성시키는 제2 성장 단계를 포함하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 부피비는 1 내지 10이고, 상기 제2 부피비는 10 내지 30인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 성장 단계에서 성장된 질화갈륨 막의 두께는 100 내지 450㎛인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 완충막 형성 단계는 성장로에 암모니아 기체를 공급하여 주는 제1차 질 화처리 단계;

   상기 성장로에 암모니아와 염화수소의 혼합 기체를 공급하여 주는 혼합기체 공급 단계; 및

   상기 성장로에 암모니아 기체를 공급하여 주는 제2차 질화처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 완충막 형성 단계는 600 내지 1100℃의 고온에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 질소원은 암모니아이고 상기 갈륨원은 염화갈륨인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 표면막에 형성된 힐록의 크기가 50 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 힐록의 깊이는 10 내지 20㎛인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제 조 방법.
9. 제7항에 있어서,

   상기 표면막의 두께편차의 평균이 20㎛보다 작은 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 방법.
10. 질화갈륨 막 표면 상에 표면막이 형성된 질화갈륨 기판에 있어서,

    상기 표면막에 발생한 힐록의 가로 방향 크기가 50 내지 100㎛이며, 깊이는 10 내지 20㎛인 질화갈륨 기판.

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