KR101149309B1 - 질화갈륨 성장 반응로 및 질화갈륨 성장 방법 - Google Patents

Abstract

질화갈륨을 성장시키는 반응로에 있어서, 질화갈륨 생성용 반응 가스와는 별도로 상기 반응로의 내벽을 따라 기체 흐름을 발생시키는 기체 샤워블럭이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장 반응로를 제공한다. 기상에피탁시법으로 질화갈륨을 성장시키는 경우, 질화갈륨 성장 반응로 내부에 반응 가스 공급과 더불어 상기 반응로 내벽을 따라 별도의 가스 흐름에 의한 별도의 기체 샤워블럭을 형성시킴으로써 반응로 내벽에 다결정 질화갈륨이 증착되는 것을 방지할 수 있고, 결함이 없는 고품질의 질화갈륨을 성장시킬 수 있다.

질화갈륨, 반응로, 샤워블럭

Description

질화갈륨 성장 반응로 및 질화갈륨 성장 방법{REACTION CHAMBER FOR GALLIUM NITRIDE AND FABRICATING METHOD FOR GALLIUM NITRIDE}

본 발명은 질화갈륨 성장 반응로 및 질화갈륨 성장 방법에 관한 것으로, 성장 반응로 내벽에 기체 샤워블럭을 형성함으로써 반응 부산물이 내벽에 쌓이지 않도록 하며 고품질의 질화갈륨 웨이퍼를 성장시킬 수 있는 방법을 제안한다.

질화갈륨은 에너지 밴드갭(Bandgap Energy)이 3.39eV고, 직접 천이형인 반도체 물질로 단파장 영역의 발광 소자 제작 등에 유용한 물질이다. 질화갈륨 단결정은 융점에서 높은 질소 증기압 때문에 액상 결정 성장은 1500℃ 이상의 고온과 20000 기압의 질소 분위기가 필요하므로 대량 생산이 어려울 뿐만 아니라 현재 사용 가능한 결정 크기도 약 100㎟ 정도의 박판형으로 이를 소자 제작에 사용하기 곤란하다.

지금까지 질화갈륨막은 이종 기판상에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 또는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법 등의 기상 성장법으로 성장되고 있다. MOCVD법은 고품질의 막을 얻을 수 있음에도 불구하고 성장 속도가 너무 느리기 때문에 수십 또는 수백 ㎛의 GaN 기판을 얻는데 사용하기가 어려운 문 제가 있다. 이러한 이유로 GaN 후막을 얻기 위해서는 HVPE를 이용한 성장 방법이 주로 사용된다.

질화갈륨막 제조용 이종 기판으로는 사파이어(Sapphire) 기판이 가장 많이 사용되고 있는데, 이는 사파이어가 질화갈륨과 같은 육방정계 구조이며, 값이 싸고, 고온에서 안정하기 때문이다. 그러나 사파이어는 질화갈륨과 격자 상수 차(약 16%) 및 열팽창 계수 차(약 35%)에 의해 계면에서 스트레인(Strain)이 유발되고, 이 스트레인이 결정 내에 격자 결함 및 크랙(crack)을 발생시켜 고품질의 질화갈륨막 성장을 어렵게 하고, 질화갈륨막 상에 제조된 소자의 수명을 단축시킨다.

한편, 기상에피탁시(HVPE) 방법을 이용하여 질화갈륨을 성장시키는 경우 반응로 내벽에는 반응 가스의 부산물로 다결정 질화갈륨(poly GaN)이 증착되는 문제가 있다.

이렇게 반응로 내벽에 증착된 다결정 질화갈륨은 반응로를 지속적으로 사용하는 도중에 반응로 내부에서 성장하는 질화갈륨 웨이퍼 표면에 원치않는 파티클(particle) 형태로 떨어져 질화갈륨 웨이퍼의 표면 결함을 유발하고 품질의 저하를 가져올 수 있다.

또한, 질화갈륨 성장 도중에 반응로 내벽에 쌓이는 다결정 질화갈륨은 반응로 냉각시 반응로에 크랙을 유발할 수 있어 반응로의 내구성을 떨어뜨리고 내벽 재료로 사용하는 쿼츠(quartz)의 재사용을 불가능하게 하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 질화갈륨 성장 중에 반응로 내벽에 다결정 질화갈륨이 증착되는 것을 방지하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 결함이 없는 고품질의 질화갈륨을 성장시키는데 있다.

본 발명은 질화갈륨을 성장시키는 반응로에 있어서, 질화갈륨 생성용 반응 가스와는 별도로 상기 반응로의 내벽을 따라 기체 흐름을 발생시키는 기체 샤워블럭이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장 반응로를 제공한다.

상기 반응로 입구에 기체 샤워블럭 공급부가 설치되며, 기체 샤워블럭 공급부는 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급부와 분리되어 설치되는 것이 바람직하다.

상기 기체 샤워블럭은 N₂, Ar, 또는 H₂ 가스의 흐름일 수 있고, 상기 기체 샤워블럭의 가스 유속은 반응 가스의 유속 보다 큰 것이 바람직하다.

본 발명은 또한, 기상에피탁시법으로 질화갈륨을 성장시키는 방법에 있어서, 질화갈륨 성장 반응로 내부에 반응 가스 공급과 더불어 상기 반응로 내벽을 따라 별도의 가스 흐름에 의한 별도의 기체 샤워블럭을 형성시키면서 질화갈륨을 성장시키는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 질화갈륨 성장 중에 반응로 내벽에 다결정 질화갈륨이 증 착되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 결함이 없는 고품질의 질화갈륨을 안정적으로 성장시킬 수 있어, 질화갈륨 제조 수율이 향상되며 전체적인 생산 원가를 절감할 수 있다.

질화갈륨을 기상에피탁시 방법으로 성장하는 경우에는 도 1에 도시한 바와 같은 고온으로 유지되는 성장 반응로에서 반응 가스를 공급하여 지지대(210) 위의 베이스 기판(미도시)에 질화갈륨(200)을 성장시킨다.

질화갈륨 성장용 소스로는 예를 들어 NH₃, HCl과, Ga metal을 사용할 수 있으며, 이들 반응 소스들은 반응로(100) 내에서 다음과 같은 두 가지 기상 반응을 거치게 된다.

2HCl + 2Ga --> 2GaCl(gas) + H2

2GaCl + 2NH₃ --> 2GaN +NH₄Cl + H2

반응로 내부에는 이러한 기상 반응을 적절히 제어하기 위하여 region I 과 region II가 서로 다른 온도로 유지되며, region I 이 약 900℃, region II는 약1100℃ 정도로 region II가 더 높은 온도를 유지한다. 이와 같이 고온을 유지하기 위하여 반응로 내벽(110)은 외벽(105)과 다르게 쿼츠(quartz) 등의 내열성 재료로 형성된다.

기체 반응에 의하여 베이스 기판 위에 질화갈륨이 성장되는 과정에서 반응에 참여하지 못한 가스 흐름이나 단결정 상태로 성장하지 못한 다결정 질화갈륨의 흐 름(second flow)이 반응로 내벽(110)에 증착될 수 있다.

이러한 다결정 질화갈륨 증착은 반응로 내벽을 구성하는 쿼츠와의 열팽창계수 차이에 의하여 반응로의 온도 변화시 반응로에 크랙을 유발함으로써 반응로의 내구성을 떨어뜨릴 수 있다. 뿐만 아니라, 반응로 내벽에 증착된 다결정 질화갈륨이 파티클 형태로 성장 중인 질화갈륨 표면에 낙하하여 질화갈륨의 품질을 저하시킬 수 있다.

본 발명에서는 질화갈륨 성장 반응로의 내벽을 따라 반응 가스와는 다른 종류의 기체 샤워블럭을 형성함으로써 상술한 기상에피탁시 성장 반응로의 문제점을 원천적으로 해결한다,

도 2를 참조하면, 질화갈륨을 성장시키는 반응로에 있어서, 질화갈륨 생성용 반응 가스 흐름(300)과는 별도로 반응로의 내벽을 따라 기체 흐름을 발생시키는 기체 샤워블럭(310)이 형성되어 있는 것을 볼 수 있다.

이 기체 샤워블럭(310)은 반응로 입구로부터 내벽을 따라 흐르는 가스 흐름으로써 반응로 내부 중앙쪽으로 흐르지 않도록 제어되고, 반응로 출구 측에서는 별도의 배출구(120)를 통해 외부로 배출된다.

이러한 기체 샤워블럭으로 인하여 질화갈륨 성장 중에 반응로로 공급되는 반응 가스, 또는 반응 부산물들을 반응로 내벽과 차단시킨다. 따라서, 질화갈륨 성장시 반응로 내벽에 이물질, 특히 다결정 질화갈륨이 증착되지 않는다.

그 결과, 성장되는 질화갈륨 막의 품질 특성을 향상시킬 수 있고, 반응로의 잦은 온도 변화에도 내벽에 균열이 발생되지 않는다. 또한, 반응로 내벽 재료인 쿼 츠를 지속적으로 재활용할 수 있어 생산 비용 절감에도 큰 효과가 있다.

도 3은 질화갈륨 성장 반응로 입구에 배치되는 반응 가스 공급부(300a)와 기체 샤워블럭을 형성하는 기체 샤워블럭 공급부(310a, 310b)를 보이고 있다. 상기 기체 샤워블럭 공급부는 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급부와 분리되어 설치되는 것이 바람직하다.

상기 기체 샤워블럭 공급부는 파이프 형태의 복수의 공급관을 반응로 입구에 배치할 수도 있지만, 복수의 구멍(315)을 포함하는 플랜지 구조의 기체 배출부(310c)(도 4 참조)로 구성할 수도 있다.

상기 기체 샤워블럭을 형성하는 기체로는 질화갈륨 성장용 반응 가스와 화학적 반응을 하지 않는 기체로, 예를 들어 N₂, Ar, 또는 H₂ 가스를 사용할 수 있다.

본 발명에 있어서, 질화갈륨의 성장에 필요한 반응 가스의 흐름과 비교할 때 반응로 내벽의 보호를 위하여 상기 기체 샤워블럭의 가스량을 적절히 제어할 필요가 있다. 예를 들어, 기체 샤워블럭의 가스량은 반응 가스량과 비교할 때 적어도 25% 이상인 것이 바람직하다.

또한, 기체 샤워블럭의 가스 유속도 반응로 내벽에 이물질이 쌓이지 않도록 하면서 반응로 내부에서 질화갈륨 성장을 방해시키지 않도록 하는데 매우 중요하다. 기체 샤워블럭의 이물질 차단효과를 높이면서 질화갈륨 반응에 영향을 주지 않기 위해서는 도 5에 모식적으로 도시한 바와 같이 기체 샤워블럭의 가스 유속(V_f2)은 반응 가스의 유속(V_f1) 보다 큰 것이 바람직하다.

이와 같은 반응로를 이용하여 기상에피탁시법으로 질화갈륨을 성장시키는 경우, 반응로 내부에 반응 가스 공급과 더불어 상기 반응로 내벽을 따라 별도의 가스 흐름에 의한 기체 샤워블럭을 형성되므로, 질화갈륨이 안정적으로 성장될 수 있다.

이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.

도 1은 기상에피탁시 방법으로 질화갈륨을 형성하는 모습을 보인 모식도.

도 2는 본 발명에 따른 질화갈륨 반응로의 기체 샤워블럭을 보인 모식도.

도 3은 기체 샤워블럭을 형성하기 위한 기체 공급부의 예를 보인 모식도.

도 4는 플랜지 형태의 기체 샤워블럭 공급부를 보인 사시도.

도 5는 반응로 내의 가스 유속을 보인 모식도.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

100:반응로 105:외벽

110:내벽 200:질화갈륨

300:반응 가스 흐름 310:기체 샤워 블럭

Claims (11)

1. 질화갈륨을 성장시키는 반응로에 있어서,

   내부는 서로 다른 온도로 유지되는 2개의 구역(region)으로 구분되고,

   질화갈륨 생성용 반응 가스와는 별도로 상기 반응로의 내벽을 따라 기체 흐름을 발생시키는 기체 샤워블럭이 형성되어 있되,

   상기 기체 샤워블럭의 가스량은 반응 가스량과 비교할 때 적어도 25% 이상이고, 상기 기체 샤워블럭의 가스 유속은 상기 반응 가스의 유속보다 상대적으로 크며,

   상기 기체 샤워블럭을 형성하는 가스는 상기 반응로의 출구 쪽에 상기 반응 가스를 배출시키는 상기 반응로의 출구와는 별도로 형성되는 배출구를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장 반응로.
2. 제1항에 있어서, 상기 반응로 입구에 기체 샤워블럭 공급부가 설치되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장 반응로.
3. 제2항에 있어서, 상기 기체 샤워블럭 공급부는 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급부와 분리되어 설치되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장 반응로.
4. 제2항에 있어서, 상기 기체 샤워블럭 공급부는 복수의 구멍을 포함하는 플랜지 구조로 형성되어 있는 질화갈륨 성장 반응로.
5. 제1항에 있어서, 상기 기체 샤워블럭은 N₂, Ar, 또는 H₂ 가스의 흐름인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장 반응로.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 기상에피탁시법으로 질화갈륨을 성장시키는 방법에 있어서,

   질화갈륨 성장 반응로 내부를 2개의 구역(region)으로 구분하여 서로 다른 온도로 유지시키고, 상기 질화갈륨 성장 반응로 내부에 반응 가스 공급과 더불어 상기 반응로 내벽을 따라 별도의 가스 흐름에 의한 별도의 기체 샤워블럭을 형성시키면서 질화갈륨을 성장시키되,

   상기 기체 샤워블럭의 가스량은 반응 가스량과 비교할 때 적어도 25% 이상이고, 상기 기체 샤워블럭의 가스 유속은 상기 반응 가스의 유속보다 상대적으로 크며,

   상기 반응로의 출구 쪽에 상기 반응 가스를 배출시키는 상기 반응로의 출구와는 별도로 형성되어 있는 배출구를 통해 상기 기체 샤워블럭을 형성하는 가스를 배출시키는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장방법.
10. 삭제
11. 제9항에 있어서, 상기 기체 샤워블럭은 N₂, Ar, 또는 H₂ 가스의 흐름인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장 방법.

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