KR102177385B1 - A Hydride Vapor Phase Epitaxy Apparatus for Manufacturing a GaN Wafer and a Method for Manufacturing the Same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기상 성장법에 의한 질화물 GaN 웨이퍼와 같은 질화물 반도체 단결정 웨이퍼의 성장을 위한 GaN 웨이퍼 제조용 HVPE 장치 및 그에 의한 GaN 웨이퍼 제조 방법에 관한 것이다. GaN 웨이퍼 제조용 HVPE 장치는 메인 튜브(11); 메인 튜브(11)에 배치되는 GaN 질화물 반도체 단결정 성장을 위한 반응기 챔버(12); 메인 튜브(11)의 둘레 면에 설치되어 소스 영역의 반도체 원료를 가열하는 제1 가열로(14a); 및 제1 가열로(14a)에 비하여 높은 온도로 가열하도록 메인 튜브(11)의 둘레 면에 설치된 제2 가열로(14b)를 포함하고, 제2 가열로(14b)에 의하여 가열되는 성장 영역은 Si 또는 O의 발생을 제한하는 소재로 보호된다.The present invention relates to an HVPE apparatus for manufacturing a GaN wafer for growing a nitride semiconductor single crystal wafer such as a nitride GaN wafer by a vapor phase growth method, and a method for manufacturing a GaN wafer therefrom. The HVPE apparatus for manufacturing a GaN wafer includes a main tube 11; A reactor chamber 12 for growing a single crystal of a GaN nitride semiconductor disposed in the main tube 11; A first heating furnace (14a) installed on the circumferential surface of the main tube (11) to heat the semiconductor raw material in the source region; And a second heating furnace 14b installed on a circumferential surface of the main tube 11 so as to heat to a higher temperature than the first heating furnace 14a, and the growth region heated by the second heating furnace 14b is It is protected by a material that limits the generation of Si or O.
Description
본 발명은 기상 성장법에 의한 질화물 GaN 웨이퍼와 같은 질화물 반도체 단결정 웨이퍼의 성장을 위한 GaN 웨이퍼 제조용 HVPE 장치 및 그에 의한 GaN 웨이퍼 제조 방법에 관한 것이고, 구체적으로 불순물 제어를 위한 반응기를 가진 GaN 웨이퍼 제조용 HVPE 장치 및 그에 의한 GaN 웨이퍼 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an HVPE apparatus for manufacturing a GaN wafer for growing a nitride semiconductor single crystal wafer such as a nitride GaN wafer by a vapor phase growth method, and a method for manufacturing a GaN wafer therefrom, and specifically, an HVPE for manufacturing a GaN wafer having a reactor for impurity control. It relates to an apparatus and a method of manufacturing GaN wafers thereby.
질화물 반도체 재료인 GaN은 밴드 갭이 3.4 eV가 되는 직접 천이형 반도체 재료로 LED, LD와 같은 발광소자용 재료로 각광을 받고 있다. 또한 GaN은 물성이 단단하면서 강하여 절연 파괴 전압(breakdown voltage)과 포화 전자 속도(electron saturation velocity)가 매우 높고, 밴드 갭(bandgap)이 넓은 장점이 있어 고온, 방사능과 같은 열악한 환경에서 높은 출력으로 동작하는 고온/고출력/고속 전자 소자로 활용되는 재료가 될 수 있다. 이러한 GaN 단결정 웨이퍼를 제조하는 방법으로 HVPE법이 가장 일반적인 방법으로 시판되는 대부분의 GaN 기판들은 HVPE법으로 제조된 것들이다. HVPE 법은 화학 기상 성장법(CVD법) 중의 하나로 성장속도가 빠르면서 원료가 저렴하면서 불순물 농도가 상대적으로 낮고, 우수한 결정 품질을 얻을 수 있다는 장점으로 인하여 GaN 후막 또는 벌크(bulk) GaN 결정 성장에 주로 사용된다. 이에 비하여 Na flux법, Ammono-thermal 법과 같은 방법이 적용되는 경우 GaN 단결정의 성장 과정에서 점 결함이 많이 발생하며, 불순물이 혼입되는 단점을 지니고 있어 전자 소자용으로 적용되기 어렵다. 전자 소자용으로 GaN 웨이퍼를 사용하는 경우 Si또는 GaAs에 비하여 큰 전력으로 고속 동작이 가능한 전자소자를 구현할 수 있다. 이러한 전자 소자용으로 GaN 웨이퍼를 사용할 경우 GaN 웨이퍼에 존재하는 불순물은 전자 소자의 성능에 악영향을 미치므로 매우 정밀한 불순물 제어가 필수적이나, 수정 튜브(Quartz tube)를 사용하는 공지의 HVPE 방법으로 5x1015/㎤ 이하로 낮은 불순물 농도를 얻을 수 없었다. 구체적으로 1,050℃ 정도의 고온에서 GaN 성장원료로 사용되는 HCl 가스와 수정(quartz)이 미세하게 반응하여 SiO2를 SiO + (1/2)O2로 분해시키고, 분해된 SiO와 O2는 성장되는 GaN에 혼입되어 GaN 결정내 Si과 O와 같은 불순물 농도를 높이는 원인으로 작용한다. GaN 웨이퍼의 제조와 관련된 선행기술로 특허등록번호 10-1517808은 실리콘 기판 위에 증착된 GaN 박막의 결정성을 극대화하고 크랙 발생 없이 안정된 성장을 가능하도록 하는 실리콘 기판 위 GaN 성장 방법에 대하여 개시한다. 또한 특허등록번호 10-1873568은 기판으로부터 GaN계 반도체 층을 분리하는데 이용되는 CLO(Chemical lift-off) 공정의 공정시간을 크게 단축 시킬 수 있는 구조를 가지는 GaN계 반도체 층 성장용 기판 및 그 제조방법에 대하여 개시한다. 제시된 선행기술 또는 공지 기술은 불순물의 함량을 감소시켜 균일한 특성을 가질 수 있도록 하는 성장 장치 및 그 방법에 대하여 개시하지 않는다.GaN, a nitride semiconductor material, is a direct transition type semiconductor material with a band gap of 3.4 eV and is attracting attention as a material for light emitting devices such as LEDs and LDs. In addition, GaN has strong physical properties, so its breakdown voltage and electron saturation velocity are very high, and it has a wide bandgap, so it operates with high output in poor environments such as high temperature and radiation. It can be a material used as a high temperature/high power/high speed electronic device. As a method of manufacturing such a GaN single crystal wafer, the HVPE method is the most common method and most of the GaN substrates commercially available are those manufactured by the HVPE method. The HVPE method is one of the chemical vapor deposition methods (CVD method). It is suitable for the growth of GaN thick films or bulk GaN crystals due to the advantages that the growth rate is fast, the raw material is cheap, the impurity concentration is relatively low, and excellent crystal quality can be obtained. It is mainly used. In contrast, when methods such as the Na flux method and the Ammono-thermal method are applied, point defects occur in the growth process of the GaN single crystal, and impurities are mixed, so it is difficult to apply for electronic devices. When a GaN wafer is used for an electronic device, it is possible to implement an electronic device capable of high-speed operation with a higher power than that of Si or GaAs. When a GaN wafer is used for such an electronic device, impurities present in the GaN wafer adversely affect the performance of the electronic device, so very precise impurity control is essential.However, the known HVPE method using a quartz tube is 5x10 15 An impurity concentration as low as /cm 3 could not be obtained. More specifically, HCl gas and the modified (quartz) is used at a high temperature of about 1,050 ℃ a GaN material is grown to finely reaction and decomposition of SiO2 to SiO + (1/2) O2, and O 2 is an exploded SiO grown GaN It is mixed in and acts as a cause of increasing the concentration of impurities such as Si and O in the GaN crystal. As a prior art related to the manufacture of GaN wafers, Patent Registration No. 10-1517808 discloses a method of growing GaN on a silicon substrate that maximizes crystallinity of a GaN thin film deposited on a silicon substrate and enables stable growth without cracking. In addition, Patent Registration No. 10-1873568 is a substrate for growing a GaN-based semiconductor layer having a structure that can greatly shorten the processing time of the CLO (Chemical lift-off) process used to separate the GaN-based semiconductor layer from the substrate, and its manufacturing method. Is disclosed. The presented prior art or known art does not disclose a growth apparatus and method for reducing the content of impurities to have uniform properties.
본 발명은 선행기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 아래와 같은 목적을 가진다.The present invention has the following objects to solve the problems of the prior art.
본 발명의 목적은 불순물의 혼입이 제한되도록 하는 것에 의하여 높은 순도를 가진 GaN 단결정을 성장시킬 수 있는 GaN 웨이퍼 제조용 HVPE 장치 및 그에 의한 GaN 웨이퍼 제조 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an HVPE apparatus for manufacturing a GaN wafer capable of growing a GaN single crystal having a high purity by limiting the incorporation of impurities, and a method for manufacturing a GaN wafer thereby.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, GaN 웨이퍼 제조용 HVPE 장치는 메인 튜브; 메인 튜브에 배치되는 GaN 질화물 반도체 단결정 성장을 위한 반응기 챔버; 메인 튜브의 둘레 면에 설치되어 소스 영역의 반도체 원료를 가열하는 제1 가열로; 및 제1 가열로에 비하여 높은 온도로 가열하도록 메인 튜브(11)의 둘레 면에 설치된 제2 가열로를 포함하고, 제2 가열로에 의하여 가열되는 성장 영역은 Si 또는 O의 발생을 제한하는 소재로 보호된다.According to a preferred embodiment of the present invention, an HVPE apparatus for manufacturing a GaN wafer comprises: a main tube; A reactor chamber for growing a single crystal of GaN nitride semiconductor disposed in the main tube; A first heating furnace installed on the circumferential surface of the main tube to heat the semiconductor material in the source region; And a second heating furnace installed on the circumferential surface of the
본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 제한하는 소재는 PBN(pyrolytic boron nitride) 또는 PG(pyrolytic graphite)이 된다.According to another suitable embodiment of the present invention, the limiting material is pyrolytic boron nitride (PBN) or pyrolytic graphite (PG).
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 제한하는 소재는 웨이퍼가 로딩이 되는 서셉터를 둘러싸는 격막 구조로 형성된다.According to another suitable embodiment of the present invention, the limiting material is formed into a diaphragm structure surrounding a susceptor onto which a wafer is loaded.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 격막 구조는 기체의 공급을 위한 다수 개의 유입 홀이 형성된 유입 격막을 포함한다.According to another suitable embodiment of the present invention, the diaphragm structure includes an inlet diaphragm formed with a plurality of inlet holes for supplying gas.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 격막 구조는 GaCl의 공급을 위한 적어도 하나의 노즐 튜브를 포함한다.According to another suitable embodiment of the invention, the diaphragm structure comprises at least one nozzle tube for supply of GaCl.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, HVPE 방법에 의한 기판의 성장 방법은 반응기 쳄버에 기판이 로딩되는 단계; 반응 제한 영역이 설정되는 단계; 소스 영역 및 성장 영역이 각각 미리 정해진 온도로 가열되는 단계; 반응기 챔버로 불활성 기체가 공급되는 단계; NH3이 공급에 의하여 기판이 질화처리가 되는 단계; HC1의 공급에 따라 GaCl이 발생되어 공급되고, 이에 따라 기판 위에 GaN이 성장되는 단계; 성장이 완료된 이후 소스 영역 및 성장 영역이 냉각되어 기판이 언 로딩이 되는 단계를 포함하고, 반응 제한 영역은 성장 영역의 미리 정해진 가열 온도에 기초하여 설정된다.According to another suitable embodiment of the present invention, a method of growing a substrate by the HVPE method comprises: loading a substrate into a reactor chamber; Setting a reaction restriction area; Heating the source region and the growth region to a predetermined temperature, respectively; Supplying an inert gas to the reactor chamber; Nitriding the substrate by supplying NH3; GaCl is generated and supplied according to the supply of HC1, and thus GaN is grown on the substrate; After the growth is completed, the source region and the growth region are cooled to unload the substrate, and the reaction restriction region is set based on a predetermined heating temperature of the growth region.
본 발명에 따른 GaN 웨이퍼 제조용 HVPE 장치는 수정(Quartz) 재질을 사용하는 공지의 HVPE 성장 장치와 비교할 때 Si 및 O와 같은 불순물 농도가 매우 낮은 GaN 질화물 반도체 단결정을 성장시킬 수 있다. 본 발명에 따른 제조 장치는 열전도도가 높은 PBN(pyrolytic boron nitride) 또는 PG(pyrolytic graphite) 재질을 사용하여 반응기 내부의 온도 편차를 크게 감소시켜 균일한 품질의 GaN 질화물 반도체 단결정을 얻을 수 있다. 또한 본 발명에 따른 제조 방법은 불순물 농도가 매우 낮으면서 균일한 품질을 가지는 고온/고출력/고속 전자 소자용 GaN 질화물 반도체 기판의 제조가 가능하도록 한다.The HVPE apparatus for manufacturing a GaN wafer according to the present invention can grow a GaN nitride semiconductor single crystal having a very low impurity concentration such as Si and O as compared to a known HVPE growing apparatus using a quartz material. The manufacturing apparatus according to the present invention can obtain a GaN nitride semiconductor single crystal of uniform quality by significantly reducing the temperature variation inside the reactor by using a material of pyrolytic boron nitride (PBN) or pyrolytic graphite (PG) having high thermal conductivity. In addition, the manufacturing method according to the present invention makes it possible to manufacture a GaN nitride semiconductor substrate for high-temperature/high-power/high-speed electronic devices having a very low impurity concentration and uniform quality.
도 1은 본 발명에 따른 GaN 웨이퍼 제조용 HVPE 장치의 실시 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 HVPE 장치에 적용되는 반응기 챔버의 실시 예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 GaN 웨이퍼의 제조 방법의 실시 예를 도시한 것이다.1 shows an embodiment of an HVPE device for manufacturing a GaN wafer according to the present invention.
2 shows an embodiment of a reactor chamber applied to the HVPE device according to the present invention.
3 shows an embodiment of a method of manufacturing a GaN wafer according to the present invention.
아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 아래의 설명에서 서로 다른 도면에서 동일한 도면 부호를 가지는 구성요소는 유사한 기능을 가지므로 발명의 이해를 위하여 필요하지 않는다면 반복하여 설명이 되지 않으며 공지의 구성요소는 간략하게 설명이 되거나 생략이 되지만 본 발명의 실시 예에서 제외되는 것으로 이해되지 않아야 한다.In the following, the present invention will be described in detail with reference to the embodiments shown in the accompanying drawings, but the embodiments are for a clear understanding of the present invention, and the present invention is not limited thereto. In the following description, components having the same reference numerals in different drawings have similar functions, so if they are not necessary for the understanding of the invention, they will not be described repeatedly, and well-known components will be briefly described or omitted. It should not be understood as being excluded from the embodiment of.
도 1은 본 발명에 따른 GaN 웨이퍼 제조용 HVPE 장치의 실시 예를 도시한 것이다.1 shows an embodiment of an HVPE device for manufacturing a GaN wafer according to the present invention.
도 1을 참조하면, GaN 웨이퍼 제조용 HVPE 장치는 메인 튜브(11); 메인 튜브(11)에 배치되는 GaN 질화물 반도체 단결정 성장을 위한 반응기 챔버(12); 메인 튜브(11)의 둘레 면에 설치되어 소스 영역의 반도체 원료를 가열하는 제1 가열로(14a); 및 제1 가열로(14a)에 비하여 높은 온도로 가열하도록 메인 튜브(11)의 둘레 면에 설치된 제2 가열로(14b)를 포함하고, 제2 가열로(14b)에 의하여 가열되는 성장 영역은 Si 또는 O의 발생을 제한하는 소재로 보호된다.Referring to FIG. 1, an HVPE apparatus for manufacturing a GaN wafer includes a
메인 튜브(11)는 내부에 수용 공간을 형성하도록 수정(quartz) 또는 이와 유사한 소재로 만들어질 수 있다. 메인 튜브(11)의 한쪽 부분에 기체의 공급을 위한 제1 플랜지(16a)가 결합되고, 다른 부분에 반응기 챔버(12)를 지지하는 지지대(17)를 고정하면서 반응 후 기체를 배출시키는 제2 플랜지(16b)가 결합될 수 있다. 메인 튜브(11)의 외부로부터 기체가 접촉되는 것이 방지되도록 하는 구조로 만들어질 수 있고, 메인 튜브(11)의 내부에 기판에 GaN을 성장시키는 반응기 챔버(12)가 설치될 수 있다. 반응기 챔버(12)에서 GaN 질화물 반도체 단결정 성장이 이루어질 수 있고, 성장을 위한 공급관(151, 153)이 연결될 수 있다. 예를 들어 메인 튜브(11)의 외부로부터 기판의 질화 처리를 위한 N2, H2 및 NH3의 공급을 위한 제1 공급관(151)이 반응기 챔버(12)와 연결될 수 있다. 또한 Ga 보트(13)로부터 단결정 성장을 위한 GaCl 기체 공급을 위한 제3 공급관(153)에 의하여 Ga 보트(13)와 반응기 챔버(12)가 기체 유동이 가능하도록 연결될 수 있다. 메인 튜브(11)의 내부에 설치되는 Ga 보트(13)에 제2 공급관(152)이 연결되어 외부로부터 HCl 기체가 공급될 수 있다. 그리고 Ga 보트(13)에서 GaCl이 생성되어 제3 공급관(153)을 통하여 반응기 챔버(12)로 공급되어 GaN이 성장될 수 있다. 기체 소스가 반응기 챔버(12)로 주입되는 과정에서 그리고 GaN 성장 과정에서 성장 영역이 미리 결정된 온도가 되도록 가열될 필요가 있다. 이를 위하여 메인 튜브(11)의 둘레 또는 다른 적절한 위치에 가열 수단이 설치될 수 있다. Ga 보트(13)를 둘러싸는 영역의 주위에 제1 가열로(14a)가 설치될 수 있다. 제1 가열로(14a)는 상부 플랜지(16a)의 아래쪽에 설치되어 소스 영역의 반도체 원료 주변을 가열시킬 수 있다. 제1 가열로(14a)에 의하여 제1 공급관(151)을 통하여 반응기 챔버(12)로 공급되는 캐리어 기체에 해당하는 H2, N2 또는 이들의 혼합 기체 및 성장을 위한 NH3 기체가 가열될 수 있다. 또한 제2 및 제3 공급관(152, 153)을 통하여 공급되는 성장을 위한 HCl, 및 GaCl 기체가 가열될 수 있다. 제2 가열로(14b)가 반응기 챔버(12)의 가열을 위하여 메인 튜브(11)의 둘레 면에 설치될 수 있고, 예를 들어 제1 가열로(14a)의 아래쪽에 설치될 수 있다. 반응기 챔버(12)에 예를 들어 사파이어, SiC, GaAs, Si 또는 GaN 기판이 될 수 있고, 반응기 챔버(12)에서 이와 같은 기판 위에 GaN이 성장될 수 있다. 이와 같은 성장 과정에서 반응기 챔버(12)의 내부가 정해진 온도 범위로 유지될 필요가 있고, 제2 가열로(14)에 의하여 반응기 챔버(12)가 가열될 수 있다. 제1 가열로(14a)에 의하여 메인 튜브(11)의 위쪽 영역에 해당하는 소스 영역이 예를 들어 900 ℃ 또는 그 이하의 온도로 유지되도록 가열될 수 있다. 또한 제2 가열로(14b)에 의하여 반응기 내부 또는 성장 영역의 온도가 1,000 내지 1,100 ℃의 온도가 유지되도록 가열될 수 있다. 반응기 쳄버(12)은 지지대(17)에 의하여 지지될 수 있고, 제2 가열로(14b)에 의하여 정해진 온도로 유지되면서 GaN 질화물 반도체 단결정의 성장이 이루어질 수 있다. 이후 성장이 완료되면, 하부 플랜지(16b)를 통하여 공정에 사용된 기체가 배출될 수 있다. 그리고 반응기 챔버(12)가 냉각이 되고 기판이 언 로딩이 될 수 있다.The
본 발명의 하나의 실시 예에 따르면, 제2 가열로(14b)에 의하여 가열되는 성장 영역은 Si 또는 O의 발생을 제한하는 소재로 보호될 수 있다. 메인 튜브(11)는 수정(quartz) 또는 이와 유사한 소재로 형성될 수 있고, 성장을 위한 기체로 HCl이 공급될 수 있다. 수정과 HCl은 예를 들어 약 1, 050 ℃의 온도에서 반응하여 SiO와 (1/2)O2로 수정을 분해시킬 수 있고, 이로 인하여 SiO 또는 O가 GaN 질화물 단결정 성장 과정에서 GaN 결정 내로 혼입될 수 있다. 이로 인하여 Si, O 와 같은 불순물이 혼입된 GaN 질화물 반도체 웨이퍼가 제조되어 전자 소자용 GaN 웨이퍼가 제조되기 어렵다는 문제점을 발생시킬 수 있다. 구체적으로 수정 소재 HVPE 반응 장치를 사용하여 GaN 질화물 반도체 웨이퍼를 성장시키는 경우 Si 불순물은 1x1017/㎤ 이상이 될 수 있고, O 불순물 농도는 5x1016/㎤ 이상이 될 수 있다. 그리고 전자소자용 GaN 웨이퍼에 요구되는 불순물 농도는 5x1015/㎤ 이하가 되어야 하므로 공지의 수정(Quartz) 소재의 HVPE 반응 장치의 경우 전자 소자용 GaN 웨이퍼가 제조되기 어렵다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 HPVE의 장치에 Si 또는 O의 발생을 제한하는 수단이 형성될 수 있고, 예를 들어 적어도 반응기 챔버(12)가 Si 또는 O를 발생시킬 수 있는 소재로부터 보호될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the growth region heated by the
아래에서 이에 대하여 설명된다.This is described below.
도 2는 본 발명에 따른 HVPE 장치에 적용되는 반응기 쳄버의 실시 예를 도시한 것이다.2 shows an embodiment of a reactor chamber applied to the HVPE device according to the present invention.
도 2를 참조하면, SiO 또는 O의 발생을 제한하는 소재는 PBN(pyrolytic boron nitride) 또는 PG(pyrolytic graphite)이 된다. 이와 같은 소재에 의하여 웨이퍼(W)가 로딩이 되는 서셉터(21)를 둘러싸는 격막 구조로 형성될 수 있다. 격막 구조는 기체의 공급을 위한 다수 개의 유입 홀(24_1 내지 24_N)이 형성된 유입 격막(23b)을 포함할 수 있다. 또한 격막 구조는 GaCl의 공급을 위한 적어도 하나의 노즐 튜브(25, 251, 252)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, a material that limits the generation of SiO or O is a pyrolytic boron nitride (PBN) or pyrolytic graphite (PG). Using such a material, the wafer W may be formed in a diaphragm structure surrounding the
반응기 챔버(12)가 배치되는 메인 튜브 부분(26)은 수정 소재로 이루어질 수 있고, 반응기 챔버(12)의 적어도 일부는 예를 들어 PBN(pyrolytic boron nitride) 또는 PG(pyrolytic graphite)로 형성될 수 있다. 반응기 챔버(12)의 내부에 서셉터(21)가 배치되어 웨이퍼(W)와 같은 기판 위에 GaN이 성장될 수 있는 구조를 가질 수 있다. 반응기 챔버(12)는 둘레 벽을 형성하는 밀폐 격막(23a) 및 다수 개의 유입 홀(24_1 내지 24_N)이 형성된 유입 격막(23b)를 포함할 수 있다. 밀폐 격막(23a)은 반응기 내부를 보호하는 보호 튜브의 기능을 가질 수 있다. 그리고 유입 격막(23b)을 통하여 소스 기체 또는 캐리어 기체가 반응기 챔버(12)의 내부로 유입될 수 있다. 유입 격막(23b)에 형성된 유입 홀(24_ 1 내지 24_N)은 예를 들어 2 내지 10 ㎜의 직경을 가질 수 있고, 노즐 튜브(25, 251, 252)를 기준으로 양쪽에 균일하게 형성될 수 있다. 유입 홀(24_1 내지 24_N)은 반응기 챔버(12)의 위쪽으로 소스 기체가 역류되는 것을 방지할 수 있도록 노즐 튜브(25, 251, 252)를 중심으로 유입 격막(23b)의 1/2 내지 4/5가 되는 영역에 형성될 수 있다. 유입 홀(24_1 내지 24_N)을 통하여 예를 들어 N2, H2 또는 NH3와 같은 기체가 반응기 챔버(12)의 내부로 유입되어 웨이퍼(W)로 유도될 수 있다. 유입 격막(23b)의 중심 부분에 예를 들어 PBN(pyrolytic boron nitride) 또는 PG(pyrolytic graphite) 소재로 형성되는 노즐 튜브(25, 251, 252)가 형성될 수 있다. 노즐 튜브(25, 251, 252)는 예를 들어 이중 구조가 될 수 있고, GaCl의 유도를 위한 중심 노즐 튜브(25) 및 중심 노즐 튜브(25)를 둘러싸면서 중심 노즐 튜브(25)의 외부 둘레 면을 따라 N2 또는 H2와 같은 기체가 유입되도록 하는 둘레 노즐 튜브(251, 252)로 이루어질 수 있다. 중심 노즐 튜브(25)는 위에서 설명된 Ga 보트와 연결될 수 있고, 노즐 튜브(25, 251, 252)는 유입 격막(23b)의 위쪽으로 돌출되는 다양한 길이의 구조로 형성될 수 있으며 NH3 기체와 혼합될 수 없는 구조를 지닌다. 밀폐 격막(23a)의 내부에 배치되어 로딩이 된 웨이퍼(W)를 성장시키는 서셉터(21)는 서셉터 지지대(211)에 의하여 지지될 수 있다.The
본 발명의 하나의 실시 예에 따르면, 서셉터(21)의 둘레 면을 따라 서셉터 보호 튜브(22)가 형성될 수 있고, 세섭터 보호 튜브(22)는 PBN(pyrolytic boron nitride) 또는 PG(pyrolytic graphite) 소재로 형성될 수 있다. 서셉터 보호 튜브(22)는 서셉터(21)의 위쪽 면으로부터 아래쪽으로 연장되는 구조로 형성될 수 있고, 서셉터(21)의 둘레 면으로부터 기체 유동이 가능한 분리 틈을 형성할 수 있는 내부 직경을 가질 수 있다. 서셉터 지지대(211)는 회전 가능한 구조를 가질 수 있고, 서셉터 지지대(211)의 둘레 면을 따라 예를 들어 N2 또는 H2와 같은 기체가 유동될 수 있다. 또한 서셉터 보호 튜브(22)와 밀폐 격막(23a)에 의하여 형성된 공간을 따라 N2 또는 H2가 유동될 수 있다. 이와 같인 반응기 챔버(12)의 내부에서 성장 영역이 PBN(pyrolytic boron nitride) 또는 PG(pyrolytic graphite)과 같은 소재에 의하여 보호되는 것에 의하여 Si 또는 O의 발생이 제한된다. 이에 따라 GaN의 성장 과정에서 Si 또는 O와 같은 불순물이 혼입되는 것이 방지될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the
아래에서 이와 같은 구조를 가지는 반응기 챔버에 의하여 GaN이 성장되는 과정에 대하여 설명된다.Hereinafter, a process of growing GaN by a reactor chamber having such a structure will be described.
도 3은 본 발명에 따른 GaN 웨이퍼의 제조 방법의 실시 예를 도시한 것이다.3 shows an embodiment of a method of manufacturing a GaN wafer according to the present invention.
도 3을 참조하면, HVPE 방법에 의한 기판의 성장 방법은 반응기 챔버에 기판이 로딩되는 단계(P31); 반응 제한 영역이 설정되는 단계(P32); 소스 영역 및 성장 영역이 각각 미리 정해진 온도로 가열되는 단계(P33); 반응기 챔버로 불활성 기체가 공급되는 단계(P34); NH3이 공급에 의하여 기판이 질화처리가 되는 단계(P35; HCl의 공급에 따라 GaCl이 발생되어 공급되고, 이에 따라 기판 위에 GaN이 성장되는 단계(P36); 성장이 완료된 이후 소스 영역 및 성장 영역이 냉각되어 기판이 언 로딩이 되는 단계(P37, P38)를 포함하고, 반응 제한 영역은 성장 영역의 미리 정해진 가열 온도에 기초하여 설정된다.Referring to FIG. 3, the method of growing a substrate by the HVPE method includes loading a substrate into a reactor chamber (P31); Step of setting a reaction restriction region (P32); Heating the source region and the growth region to a predetermined temperature, respectively (P33); Supplying an inert gas to the reactor chamber (P34); Nitriding the substrate by supplying NH3 (P35; GaCl is generated and supplied by the supply of HCl, and GaN is thus grown on the substrate (P36)); After growth is completed, the source region and the growth region are Cooling and unloading the substrate (P37, P38), and the reaction restriction region is set based on a predetermined heating temperature of the growth region.
반응기 챔버의 내부에서 예를 들어 사파이어 기판과 같은 기판이 서셉터에 로딩이 될 수 있고, 적어도 하나의 기판이 서셉터에 로딩이 될 수 있다(P31). 반응기 챔버 내부 또는 서셉터의 주위에 반응 제한 영역이 미리 설정이 될 수 있고, 반응 제한 영역은 예를 들어 가열되는 온도를 기준으로 설정될 수 있다(P32). 반응 제한 영역은 위에서 설명이 된 것처럼 Si 또는 O와 같은 불순물이 소스 기체 또는 캐리어 기체와 반응기 챔버를 형성하는 소재 사이의 반응에 의하여 발생될 수 있는 영역이 될 수 있다. 반응 제한 영역에 반응을 제한하는 보호 격막이 형성될 수 있고, 보호 격막은 예를 들어 PBN(pyrolytic boron nitride) 또는 PG(pyrolytic graphite)과 같은 소재에 의하여 형성될 수 있다. PBN 또는 아래와 같은 특성을 가진 화합물이 될 수 있다.A substrate such as, for example, a sapphire substrate may be loaded onto the susceptor inside the reactor chamber, and at least one substrate may be loaded onto the susceptor (P31). The reaction restriction region may be set in advance in the reactor chamber or around the susceptor, and the reaction restriction region may be set based on, for example, a heated temperature (P32). As described above, the reaction restriction region may be a region in which impurities such as Si or O may be generated by a reaction between a source gas or a carrier gas and a material forming the reactor chamber. A protective diaphragm for limiting the reaction may be formed in the reaction restricted region, and the protective diaphragm may be formed of, for example, a material such as pyrolytic boron nitride (PBN) or pyrolytic graphite (PG). It can be a PBN or a compound with the following characteristics.
PBNPBN
화학식: BN, 분자량: 24.82 g·mol1, 외관: 무색 결정, 밀도: 2.1 (h-BN); 3.45 (c-BN) g/cm3, 녹는점: 2,973 °C (5,383 °F; 3,246 K) sublimates (cBN), 전자 이동성(Electron mobility): 200 cm2/(V·s) (cBN), 굴절률: 1.8 (h-BN); 2.1 (c-BN)Chemical formula: BN, molecular weight: 24.82 g·mol 1 , appearance: colorless crystals, density: 2.1 (h-BN); 3.45 (c-BN) g/cm 3 , Melting point: 2,973 °C (5,383 °F; 3,246 K) sublimates (cBN), Electron mobility: 200 cm 2 /(V·s) (cBN), Refractive index: 1.8 (h-BN); 2.1 (c-BN)
PGPG
화학식: C, 밀도: 1.30 내지 2.265 g/㎤, 외관: 시트 형상으로 검은 색 고체, 물에 대한 용해도: N/A, 녹는점: N/A, 전기 저항: 0.15-0.25 Ω·cm 내지 0.45 μΩ·cm, 인장력(tenslie Strength): 200 MPa, 열팽창율: 20 μm/m·°CChemical Formula: C, Density: 1.30 to 2.265 g/cm 3, Appearance: Black solid in sheet shape, solubility in water: N/A, melting point: N/A, electrical resistance: 0.15-0.25 Ω·cm to 0.45 μΩ Cm, tensile strength: 200 MPa, thermal expansion coefficient: 20 μm/m°C
이와 같은 PBN(pyrolytic boron nitride) 또는 PG(pyrolytic graphite) 소재에 의하여 보호 격막이 형성되거나 또는 반응기 챔버 전체가 형성되면 GaN 질화물 반도체 결정의 성장온도인 1,000℃~1,100℃ 범위에서 소스 가스인 HCl 또는 NH3와 반응하지 않고, 반응기를 오염시키는 불순물이 발생되지 않을 수 있다. 반응 제한 영역이 미리 설정이 되면(P32), 소스 영역 및 성장 영역이 미리 결정된 온도로 가열될 수 있다(P33). HVPE 방법의 적용을 위한 장치는 두 영역으로 구분될 수 있고, 예를 들어 제1가열로에 의하여 가열되는 Ga 금속 소스가 HCl 가스가 반응하여 GaCl 가스를 생성하는 Ga 보트 영역과 제2가열로에 의하여 가열되는 기판이 장착된 GaN 단결정 성장 영역으로 구분될 수 있다. Ga 보트 영역은 예를 들어 900 ℃ 이하의 온도 또는 800 내지 900 ℃의 온도로 가열될 수 있다. 그리고 GaN 단결정 성장 영역으로 소스 기체에 해당하는 GaCl 가스와 NH3 기체가 기판 위로 공급되고, 분위기 가스로 질소, 수소 또는 질소와 수소 혼합가스가 공급될 수 있다. 또한 n형 반도체의 제조를 위한 도핑 기체가 공급될 수도 있다. 이와 같은 성장 영역은 1000℃ 내지 1100℃로 가열될 수 있다. 수정(Quartz)을 반응기 재질로 사용할 경우 Si, O 등의 불순물이 생성되므로, 제2가열로 영역의 반응기 챔버를 구성하는 재질로 PBN(pyrolytic boron nitride) 또는 PG(pyrolytic graphite)를 사용하였다. 즉, 반응기 전체의 외부를 구성하는 부분인 상부 플랜지와 하부 플랜지를 연결하는 메인 튜브는 수정 재질을 사용하며 제1가열로 영역의 내부 재질도 수정 재질을 사용하여 구성하였으며, 제2가열로 영역의 내부 재질은 도 2와 같이 모두 PBN(pyrolytic boron nitride) 또는 PG(pyrolytic graphite) 재질로 구성하였다. 반응기 챔버로 예를 들어 N2와 같은 불활성 기체가 공급되어 산소가 없는 상태로 만들어질 수 있고(P34), 이후 NH3와 같은 기체가 공급되어 웨이퍼(W)가 질화 처리가 될 수 있다(P35). 질화 처리가 완료되면, 반도체 원료에 해당하는 Ga에 HCl이 공급되어 CaCl이 발생되도록 할 수 있고, 이에 따라 질화물 반도체 단결정 GaN이 기판 위에 성장할 수 있다(P36). 성장 과정에서 질화물 반도체 단결정GaN의 성장속도는 20~200㎛/hr가 될 수 있고, 기판 위에 성장된 GaN 후막의 두께는 예를 들어 약 500㎛가 될 수 있다. 이와 같은 성장이 되면, 제1, 2 가열로가 상온 범위로 냉각이 될 수 있고(P37), 냉각이 완료되면 성장이 완료된 기판이 언 로딩이 될 수 있다(P38). 이와 같이 반응 제한 영역을 설정하고 반응을 제한하는 소재로 격벽 형태의 보호 구조를 형성하는 것에 의하여 Si 또는 O와 같은 불순물이 성장 과정에서 혼입되는 것이 방지될 수 있다. 그리고 이와 같은 방법으로 제조된 GaN 기판은 불순물 농도가 매우 낮고, 균일한 특성을 가질 수 있다. 이에 따라 예를 들어 고온/고전력/고속 전자소자용으로 적합한 GaN 질화물 반도체 기판이 제조될 수 있다.When the protective diaphragm is formed by such a pyrolytic boron nitride (PBN) or pyrolytic graphite (PG) material, or the entire reactor chamber is formed, HCl or NH as the source gas at the growth temperature of the GaN nitride semiconductor crystal is in the range of 1,000°C to 1,100°C. 3 does not react and impurities contaminating the reactor may not be generated. When the reaction restriction region is set in advance (P32), the source region and the growth region may be heated to a predetermined temperature (P33). The apparatus for the application of the HVPE method can be divided into two areas, for example, the Ga metal source heated by the first heating furnace is in the Ga boat area and the second heating furnace where HCl gas reacts to generate GaCl gas. It can be divided into a GaN single crystal growth region on which a substrate heated by the heating is mounted. The Ga boat region may be heated, for example, to a temperature of 900° C. or less or 800 to 900° C. In addition, GaCl gas and NH3 gas corresponding to the source gas may be supplied to the GaN single crystal growth region over the substrate, and nitrogen, hydrogen, or a mixed gas of nitrogen and hydrogen may be supplied as an atmospheric gas. Also, a doping gas for manufacturing an n-type semiconductor may be supplied. Such a growth region may be heated to 1000 ℃ to 1100 ℃. When quartz is used as the reactor material, impurities such as Si and O are generated, so PBN (pyrolytic boron nitride) or PG (pyrolytic graphite) was used as a material constituting the reactor chamber in the second heating furnace region. That is, the main tube that connects the upper flange and the lower flange, which is a part constituting the outside of the entire reactor, is made of quartz material, and the inner material of the first heating furnace area is also composed of modified material. As shown in FIG. 2, the internal materials were all made of PBN (pyrolytic boron nitride) or PG (pyrolytic graphite) material. An inert gas such as N 2 may be supplied to the reactor chamber to be made without oxygen (P34), and then a gas such as NH3 may be supplied to the wafer W to be nitrided (P35). . When the nitriding treatment is completed, HCl is supplied to Ga, which is a semiconductor raw material, so that CaCl can be generated, and thus, nitride semiconductor single crystal GaN can be grown on the substrate (P36). During the growth process, the growth rate of the nitride semiconductor single crystal GaN may be 20 to 200 μm/hr, and the thickness of the GaN thick film grown on the substrate may be, for example, about 500 μm. When such growth is performed, the first and second heating furnaces may be cooled to a room temperature range (P37), and when cooling is completed, the growth-completed substrate may be unloaded (P38). By setting the reaction restriction region and forming a barrier-shaped protective structure with a material that restricts the reaction, impurities such as Si or O may be prevented from being mixed in the growth process. In addition, the GaN substrate manufactured in this way has a very low impurity concentration and may have uniform characteristics. Accordingly, for example, a GaN nitride semiconductor substrate suitable for high temperature/high power/high speed electronic devices can be manufactured.
위에서 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.The present invention has been described in detail above with reference to the presented embodiments, but those of ordinary skill in this field will be able to make various modifications and modifications without departing from the technical spirit of the present invention with reference to the presented embodiments. . The present invention is not limited by such modifications and modifications, but is limited by the claims appended below.
11: 메인 튜브 12: 반응기 챔버
13: Ga 보트 14a, 14b: 가열로
151, 152, 153: 공급관: 16a, 16: 플랜지
17: 지지대
21: 서셉터 22: 서셉터 보호 튜브
23a, 23b: 격막 24_1 내지 24_N: 유입 홀
25, 251, 252: 노즐 튜브11: main tube 12: reactor chamber
13:
151, 152, 153: supply pipe: 16a, 16: flange
17: support
21: susceptor 22: susceptor protective tube
23a, 23b: diaphragm 24_1 to 24_N: inlet hole
25, 251, 252: nozzle tube
Claims (6)
메인 튜브(11)에 배치되는 GaN 질화물 반도체 단결정 성장을 위한 반응기 챔버(12);
메인 튜브(11)의 둘레 면에 설치되어 소스 영역의 반도체 원료를 가열하는 제1 가열로(14a); 및
제1 가열로(14a)에 비하여 높은 온도로 가열하도록 메인 튜브(11)의 둘레 면에 설치된 제2 가열로(14b)를 포함하고,
제2 가열로(14b)에 의하여 가열되는 성장 영역은 Si 또는 O의 발생을 제한하는 소재로 보호되고,
제한하는 소재는 PBN(pyrolytic boron nitride) 또는 PG(pyrolytic graphite)이 되며,
반응기 챔버(12)는 둘레 벽을 형성하는 밀폐 격막(23a), 다수의 유입 홀(24_1 내지 24_N)이 형성된 유입 격막(23b), 유입 격막(23b)의 중심 부분에 형성된 노즐 튜브(25, 251, 252), 및 웨이퍼(W)가 로딩이 되는 서셉터(21)를 둘러싸는 격막 구조로 형성되는 서셉터 보호 튜브(22)를 포함하고
상기 노즐 튜브(25, 251, 252)는 GaCl의 유도를 위한 중심 노즐 튜브(25) 및 중심 노즐 튜브(25)를 둘러싸면서 중심 노즐 튜브(25)의 외부 둘레 면을 따라 N2 또는 H2를 포함하는 기체가 유입되도록 하는 둘레 노즐 튜브(251, 252)로 이루어지고,
상기 밀폐 격막(23a), 상기 유입 격막(23b), 상기 노즐 튜브(25, 251, 252) 및 상기 서셉터 보호 튜브(22)는 상기 제한하는 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 GaN 웨이퍼 제조용 HVPE 장치.Main tube 11;
A reactor chamber 12 for growing a single crystal of a GaN nitride semiconductor disposed in the main tube 11;
A first heating furnace (14a) installed on the circumferential surface of the main tube (11) to heat the semiconductor raw material in the source region; And
It includes a second heating furnace (14b) installed on the circumferential surface of the main tube 11 to heat to a higher temperature than the first heating furnace (14a),
The growth region heated by the second heating furnace 14b is protected with a material that limits the generation of Si or O,
The limiting material is PBN (pyrolytic boron nitride) or PG (pyrolytic graphite),
The reactor chamber 12 includes a sealing diaphragm 23a forming a circumferential wall, an inflow diaphragm 23b having a plurality of inflow holes 24_1 to 24_N, and nozzle tubes 25 and 251 formed at the center of the inflow diaphragm 23b. , 252, and a susceptor protection tube 22 formed in a diaphragm structure surrounding the susceptor 21 on which the wafer W is loaded, and
The nozzle tube (25, 251, 252) includes N2 or H2 along the outer circumferential surface of the center nozzle tube 25 while surrounding the center nozzle tube 25 and the center nozzle tube 25 for induction of GaCl. Consisting of a peripheral nozzle tube (251, 252) through which gas is introduced,
The sealing diaphragm (23a), the inflow diaphragm (23b), the nozzle tube (25, 251, 252) and the susceptor protection tube (22) are HVPE apparatus for manufacturing a GaN wafer, characterized in that made of the limiting material.
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