KR101123352B1 - A method of growing non-polar nitrides thin films on off-angle Si substrate - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비극성 질화물 박막 성장 방법에 관한 것으로서, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 기판 표면 스텝 측면이 (111)면이 되도록 경사 가공한 경사면 실리콘 기판 상층에 전이금속 카바이드 버퍼층을 형성한 후, 그 상층에 질화물 박막을 성장시키는 것을 특징으로 하는 경사면 실리콘 기판을 이용한 비극성 질화물 박막성장 방법을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 특정 면방향을 갖는 실리콘 기판에 얇은 WC 버퍼층을 형성하는 간단한 프로세스 만으로 비극성 질화물 박막결정 구현이 가능하고, 저가의 실리콘 기판을 사용하여 고품질, 고결정성을 갖는 대구경의 질화물 박막을 제작할 수 있어 경제적인 효과가 있다.The present invention relates to a method of growing a non-polar nitride thin film, in order to achieve the above object, the present invention, after forming the transition metal carbide buffer layer on the inclined surface silicon substrate layer inclined processing so that the substrate surface step side surface is (111) plane, The technical gist of the non-polar nitride thin film growth method using an inclined silicon substrate characterized by growing a nitride thin film on the upper layer. As a result, non-polar nitride thin film crystals can be realized by a simple process of forming a thin WC buffer layer on a silicon substrate having a specific surface direction, and a large diameter nitride thin film with high crystallinity can be manufactured using a low-cost silicon substrate. Has an effect.
Description
본 발명은 비극성 질화물 박막 성장 방법에 관한 것으로서, 경사 가공한 경사면 실리콘 기판 상에 전이금속 카바이드 버퍼층을 형성하고 그 위에 질화물 박막을 형성시켜 대구경, 고품질, 고결정의 질화물 박막을 제공할 수 있는 경사면 실리콘 기판을 이용한 비극성 질화물 박막성장 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for growing a non-polar nitride thin film, wherein the transition metal carbide buffer layer is formed on the inclined surface silicon substrate and the nitride thin film is formed thereon to provide a large diameter, high quality, high crystalline nitride film. A non-polar nitride thin film growth method using a substrate.
질화물 반도체(예, GaN, InN, AlN)는 고휘도 LED 광원, 고출력 전자소자 등 다양한 응용분야를 갖고 있어, 산업적으로 대단히 중요한 재료이다. 이러한 질화물 반도체 전자소자 및 광소자 등은 사파이어나 실리콘 카바이드(SiC) 기판의 C면 상(도 1 (나))에 박막 형태의 결정성장 기술을 통하여 구현하며, 이러한 (0001)면 방향으로 질화물 박막 결정을 성장하는 기술은 이미 상용화되어 있다.Nitride semiconductors (eg, GaN, InN, AlN) have various applications such as high-brightness LED light sources and high-output electronic devices, and thus are very important industrial materials. Such nitride semiconductor electronic devices and optical devices are implemented through a thin film crystal growth technology on the C plane (FIG. 1B) of a sapphire or silicon carbide (SiC) substrate, and the nitride thin film in this (0001) plane direction. Techniques for growing crystals are already commercially available.
하지만 이렇게 성장된 박막을 이용하여 C면 상에 제작된 발광소자는 자발분극(spontaneous polarization)이라는 현상에 의해서 발광효율이 감소하는 문제점을 가지고 있다.However, the light emitting device fabricated on the C plane using the grown thin film has a problem in that the luminous efficiency decreases due to a phenomenon called spontaneous polarization.
이러한 문제점을 개선하기 위하여, 비극성 면인 m-면인 (1-100)면의 GaN를 이용하는 방법이 제안되어 있으나[nature 406, 865 (2000), US patent US 7,338,828 B2], m-면 GaN의 결정성장은 결정성의 이방성[APL 92 101104 (2008)], 평탄한 표면이 구현하기 힘든 점[APL 84 1281 (2004)] 등의 문제점이 해결되지 않고 있으며, 소자 제작에 적합한 수준의 양질의 M면 GaN를 제작하는 것은 아직도 매우 어렵다. 이러한 결정성장의 문제점을 해결하고자, 화학적 식각 및 보호막 증착을 포함한 복잡한 반도체 공정을 이용한 방법[APL 92 232902 (2008)] 등도 제안되어 있지만, 공정이 복잡한 만큼 대구경화가 힘들고 부가적인 공정 비용이 발생한다. 따라서, 보다 간단하고 대구경 기판에도 적용이 가능한 새로운 박막 결정성장 방법의 제안이 필요하다.In order to solve this problem, a method of using GaN of (1-100) plane which is the non-polar plane m-plane is proposed [nature 406, 865 (2000), US patent US 7,338,828 B2], but crystal growth of m-plane GaN The problems of crystallinity anisotropy [APL 92 101104 (2008)] and the difficulty of flat surface implementation [APL 84 1281 (2004)] have not been solved. It is still very difficult to do. In order to solve this problem of crystal growth, a method using a complicated semiconductor process including chemical etching and a protective film deposition has been proposed [APL 92 232902 (2008)], but as the process is complicated, large diameter hardening and additional process costs are incurred. . Therefore, there is a need for a new thin film crystal growth method that is simpler and applicable to large diameter substrates.
또한, 현재 질화물 박막결정 성장에는 사파이어(Al2O3)나 실리콘 카바이드(SiC) 기판이 주로 사용되는데, 이러한 기판은 비교적 고가이며 대구경 기판이 구현되어 있지 않아, 질화물을 이용한 소자 개발의 주요한 문제점으로 지적되고 있다. 특히 사파이어 기판의 경우에는 SiC 기판에 비해서 비교적 염가로 질화물 박막결정 성장에 가장 많이 이용되는 기판이지만 전기절연체로 사파이어 기판 상에 성장한 질화물 박막결정을 이용한 소자는 수직형 전류 주입구조가 불가능하기 때문에 수평형 전극 구조를 채택할 수 밖에 없어 소자의 전극 구조가 복잡해지는 문제를 해결하지 못하고 있다. 따라서, 염가이며 이미 대구경 기판이 구현되어 있는 실리콘(Si) 기판을 이용한 질화물 박막결정 성장이 필요한 실정이다.In addition, sapphire (Al 2 O 3 ) or silicon carbide (SiC) substrates are mainly used to grow nitride thin film crystals, which are relatively expensive and large diameter substrates are not implemented. It is pointed out. In the case of sapphire substrate, the substrate is the most used for nitride thin film crystal growth at a relatively low cost compared to SiC substrate. Since the electrode structure is inevitably adopted, the electrode structure of the device has not been solved. Therefore, the growth of nitride thin film crystals using a silicon (Si) substrate, which is inexpensive and already has a large diameter substrate, is required.
한편, 일반적으로 이종 기판을 사용한 박막 결정성장에는 기판과 질화물 박막 사이에 물성의 불일치를 완화시키기 위한 버퍼층이 사용되며, 이러한 버퍼층은 다음과 같은 요구사항을 만족시켜야 한다. (1)기판 상에 양호한 결정성을 갖는 질화물 박막을 성장하기 위해서는 기판으로부터의 불순물 확산을 방지할 수 있어야 하고, (2)상기 버퍼층은 질화물 박막에 인가되는 응력을 최소화할 수 있어야 하고, 또한 (3)질화물 박막과 기판 사이의 열팽창 계수의 차에 의한 기계적 스트레스를 완화할 수 있는 물리적 특성을 가지고 있어야 한다.On the other hand, in general, thin film crystal growth using a heterogeneous substrate is used as a buffer layer to mitigate the mismatch of physical properties between the substrate and the nitride thin film, the buffer layer must satisfy the following requirements. (1) In order to grow a nitride thin film having good crystallinity on the substrate, it must be possible to prevent diffusion of impurities from the substrate, (2) the buffer layer must be able to minimize the stress applied to the nitride thin film, and ( 3) It should have physical properties to relieve mechanical stress caused by the difference of thermal expansion coefficient between nitride thin film and substrate.
이러한 요구조건을 일부 만족시키는 버퍼층으로 종래의 연구에서는 질화알루미늄(AlN)이나 질화실리콘(SiN) 등을 사용한 결과가 존재한다. 그러나, 이러한 버퍼층을 사용한 경우 C면 질화물 박막결정 성장시 결정성이 향상되는 효과를 갖게 되는 보고는 존재하나, 이러한 버퍼층 만을 사용하여 양질의 결정성을 갖는 M면 질화물 박막 결정성장에 성공한 예는 존재하지 않는다. 다만, Si (001) 기판을 이용하여 비극성 M면 질화물 박막결정 성장을 위해서 기판의 식각 및 산화실리콘 보호막 증착 등의 복잡한 공정을 이용한 결과는 존재하지만 이러한 방법은 종래의 기술과 동일한 대구경화 및 경제성에 제한을 받는다.As a buffer layer that satisfies some of these requirements, conventional research has resulted in using aluminum nitride (AlN), silicon nitride (SiN), or the like. However, there is a report that the crystallinity is improved when the C-layer nitride thin film crystal is grown using such a buffer layer, but there is an example of the successful growth of the M-plane nitride thin film crystal having good crystallinity using only the buffer layer. I never do that. However, the results of using a complex process such as etching of the substrate and deposition of a silicon oxide protective film for the growth of the non-polar M-plane nitride thin film crystals using the Si (001) substrate exist. Restricted
따라서 Si 기판상에 양질의 M면 질화물 박막성장을 구현하기 위해서는, 새로운 버퍼층의 제안과 기판과 박막의 결정학적 관계를 고려한 새로운 결정성장 방법의 제안이 필요하다.Therefore, in order to realize high quality M plane nitride thin film growth on a Si substrate, it is necessary to propose a new buffer layer and a new crystal growth method considering the crystallographic relationship between the substrate and the thin film.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기판 표면 스텝 측면이 (111)면이 되도록 경사 가공한 경사면 실리콘 기판 상에 전이금속 카바이드 버퍼층을 형성하고 그 위에 질화물 박막을 형성시켜 대구경, 고품질, 고결정의 경제적인 질화물 박막을 제공할 수 있는 경사면 실리콘 기판을 이용한 비극성 질화물 박막성장 방법의 제공을 그 목적으로 한다.The present invention is to solve the above problems, forming a transition metal carbide buffer layer on the inclined silicon substrate inclined so that the substrate surface step side is a (111) plane, and formed a nitride thin film thereon, large diameter, high quality, high crystal It is an object of the present invention to provide a non-polar nitride thin film growth method using an inclined silicon substrate capable of providing an economical nitride thin film.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 기판 표면 스텝 측면이 (111)면이 되도록 경사 가공한 경사면 실리콘 기판 상층에 전이금속 카바이드 버퍼층을 형성한 후, 그 상층에 질화물 박막을 성장시키는 것을 특징으로 하는 경사면 실리콘 기판을 이용한 비극성 질화물 박막성장 방법을 기술적 요지로 한다.In order to achieve the above object, the present invention is characterized in that, after forming the transition metal carbide buffer layer on the inclined silicon substrate inclined so that the substrate surface step side is the (111) plane, the nitride thin film is grown on the upper layer. Non-polar nitride thin film growth method using a sloped silicon substrate is a technical gist.
또한, 상기 전이금속 카바이드 버퍼층은, 텅스텐 카바이드(WC)를 사용하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable to use tungsten carbide (WC) as the transition metal carbide buffer layer.
여기에서, 상기 경사면 실리콘 기판을 화학적 식각이나 연마를 통해 제거하여 비극성 질화물 자립형 기판의 구현이 가능하게 된다.Here, the inclined silicon substrate is removed by chemical etching or polishing, thereby enabling the implementation of a nonpolar nitride freestanding substrate.
상기 과제 해결 수단에 의해 본 발명은, 기존의 실리콘 기판을 이용하여 M면 박막결정 성장에 이용한 방법이 기판의 화학적 식각과 산화실리콘이나 질화실리콘 등의 형성 및 식각 등 복잡한 반도체 프로세스가 필요함에 비해서, 특정 면방향을 갖는 실리콘 기판에 얇은 WC 버퍼층을 형성하는 간단한 프로세스 만으로 비극성 질화물 박막결정 구현이 가능한 경제적인 효과가 있다.According to the above-described problem solving means, the present invention, compared to the conventional method used for growing the M-plane thin film crystal using a silicon substrate requires a complicated semiconductor process, such as chemical etching of the substrate and the formation and etching of silicon oxide or silicon nitride, A simple process of forming a thin WC buffer layer on a silicon substrate having a specific surface direction has an economical effect of realizing a nonpolar nitride thin film crystal.
또한, 본 발명은 경사면 실리콘 기판 상에 질화물 박막이 비극성을 갖도록 M면 또는 A면 방향으로 성장되어, 자발분극(spontaneous polarization) 현상을 방지할 수 있어 이를 이용한 발광소자의 발광효율을 향상시키는 효과가 있다.In addition, the present invention is grown in the M plane or A plane direction so that the nitride thin film on the inclined silicon substrate to have a non-polarity, it is possible to prevent the spontaneous polarization phenomenon to improve the luminous efficiency of the light emitting device using the same have.
또한, 본 발명은 염가의 실리콘 기판을 이용하므로써, 대구경화가 용이하고 염가의 M면 질화물 박막 결정을 구현할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention uses an inexpensive silicon substrate, it is easy to large diameter and there is an effect that can implement a low-cost M surface nitride thin film crystal.
또한, 후속 결정성장을 통하여 두꺼운 질화물 박막을 성장시키고 기판을 제거하여 경제적이면서도 대면적의 M면 질화물 자립형 기판의 구현이 용이한 효과가 있다.In addition, the growth of a thick nitride thin film and subsequent substrate growth through the subsequent crystal growth has the effect of easy to implement the economical and large area M surface nitride freestanding substrate.
도 1 - 질화물 박막 결정의 결정 구조 및 여러가지 결정면을 나타낸 도(도 1 (가)육방정계 결정의 단위결정 벡터 및 결정 방향의 정의, 도 1 (나)육방정계 결정의 조감도 및 극성 C-면(polar C (0001) plane), 도 1 (다)육방정계 결정의 조감도 및 준극성 R-면(semipolar R (10-12) plane), 도 1 (라)육방정계 결정의 조감도 및 비극성 M-면(nonpolar M (10-10) plane), 도 1 (마)육방정계 결정의 조감도 및 비극성 A-면(nonpolar A (11-20) plane).
도 2 - 본 발명의 일실시예에 의한 WC 버퍼층이 형성된 경사면 실리콘 기판 상에 비극성 질화물 결정성장에 대한 모식도를 나타낸 도.Figure 1-Figure showing the crystal structure and various crystal planes of the nitride thin film crystal (Fig. 1 (a) Definition of the unit crystal vector and crystal direction of the hexagonal crystal, Fig. 1 (b) Bird's eye view and polar C-plane ( polar C (0001) plane), FIG. 1 (C) bird's eye view and semi-polar R-plane (semipolar R (10-12) plane), FIG. 1 (D) Hexagonal crystal view and non-polar M-plane (nonpolar M (10-10) plane), FIG. 1 (e) Bird's eye view and nonpolar A (11-20) plane.
FIG. 2 shows a schematic diagram of non-polar nitride crystal growth on an inclined silicon substrate having a WC buffer layer according to an embodiment of the present invention. FIG.
본 발명은 기판으로 염가에 대구경화가 가능한 실리콘(Si) 기판을 이용하여 양질의 결정성을 갖는 비극성(예, M면) 질화물 박막을 성장시키기 위한 것으로, 기판 표면 스텝 측면이 (111)면이 되도록 경사 가공한 경사면 실리콘 기판 상에 질화물 박막을 형성시키되, 상기 실리콘 기판과 질화물 박막 사이에 물성의 불일치를 완화시켜 줄 버퍼층으로 전이금속 카바이드를 형성시키는 것이다.The present invention is to grow a non-polar (eg, M surface) nitride thin film having a good crystallinity by using a silicon (Si) substrate that can be large diameter at low cost as a substrate, the (111) plane of the substrate surface step side The nitride thin film is formed on the inclined silicon substrate as inclined as possible, but the transition metal carbide is formed as a buffer layer to mitigate the mismatch between the silicon substrate and the nitride thin film.
이에 의해 특정 면방향을 갖는 염가의 Si 기판에 전이금속 버퍼층을 형성하는 간단한 과정만으로 양질의 결정성을 갖는 비극성 M면 질화물 박막의 구현이 가능하게 된다.
As a result, a simple process of forming a transition metal buffer layer on an inexpensive Si substrate having a specific surface direction enables the implementation of a non-polar M surface nitride thin film having good crystallinity.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 1은 질화물 박막 결정의 결정 구조 및 여러가지 결정면을 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 WC가 성막된 경사면 실리콘 기판 상에 비극성 질화물 결정성장에 대한 모식도를 나타낸 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail for the present invention. 1 shows a crystal structure and various crystal planes of a nitride thin film crystal, and FIG. 2 shows a schematic diagram of non-polar nitride crystal growth on an inclined silicon substrate on which WC is deposited according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 기판 표면 스텝 측면이 (111)면이 되도록 경사 가공한 실리콘 기판 상에 질화물 박막이 비극성을 갖도록 M면 또는 A면 방향으로 성장시키는 것이다. 이와 같이 질화물 박막이 비극성을 갖는 M면 또는 A면 방향으로 성장이 되면 C면 상에 제작된 발광소자에 비해 자발분극(spontaneous polarization) 현상을 방지할 수 있어 발광효율을 향상시키게 된다.As shown in Fig. 1, the present invention is to grow in the M plane or A plane direction so that the nitride thin film has a nonpolarity on a silicon substrate inclined so that the substrate surface step side becomes the (111) plane. As such, when the nitride thin film is grown in a non-polar M plane or A plane direction, spontaneous polarization may be prevented as compared to a light emitting device manufactured on the C plane, thereby improving luminous efficiency.
그리고, 상기 실리콘 기판과 질화물 박막 사이에는 물성의 불일치를 완화시켜줄 버퍼층이 더 형성되며, 상기 버퍼층은 스퍼터 등의 물리적 박막 증착법에 의해 형성된다. 여기에서, 상기 버퍼층은 상기 실리콘 기판 상의 질화물 박막이 양호한 결정성을 갖도록 실리콘 기판으로부터의 불순물 확산을 방지할 수 있어야 하며, 질화물 박막에 인가되는 응력을 최소화할 수 있는 격자정수를 보유하여 격자정수 부정합에 의한 결함의 발생을 최소화할 수 있어야 하고, 질화물 박막과 실리콘 기판 사이의 열팽창 계수의 차에 의한 기계적 스트레스를 완화할 수 있는 물질을 사용하여야 한다. 이러한 버퍼층으로의 여러 조건을 만족하는 물질로서 전이금속 카바이드를 사용하며, TiC, CrC, WC, NiC, MoC, TaC, 또는 ZrC 등의 물질이 바람직하며, 그 중에서 WC가 더욱 바람직하게 사용될 수 있다.A buffer layer is further formed between the silicon substrate and the nitride thin film to mitigate the mismatch of physical properties, and the buffer layer is formed by physical thin film deposition such as sputtering. Here, the buffer layer must be able to prevent the diffusion of impurities from the silicon substrate so that the nitride thin film on the silicon substrate has good crystallinity, and has a lattice constant that can minimize the stress applied to the nitride thin film, the lattice constant mismatch It should be possible to minimize the occurrence of defects by using a material and to use a material that can alleviate the mechanical stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the nitride thin film and the silicon substrate. Transition metal carbide is used as a material satisfying various conditions for such a buffer layer, and materials such as TiC, CrC, WC, NiC, MoC, TaC, or ZrC are preferable, and WC may be more preferably used.
이하에서는 상기 전이금속 카바이드 버퍼층으로 텅스텐과 카본이 동일한 원자수로 구성된 화합물 WC(텅스텐 카바이드)를 사용한 경우에 대해 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, a case in which a compound WC (tungsten carbide) composed of the same number of atoms of tungsten and carbon is used as the transition metal carbide buffer layer.
본 발명에 따른 비극성 질화물 박막 결정 성장을 위해서, 스텝 엣지면이 (111)면이 되도록 경사 가공된 경사면 실리콘 기판 상에 수 원자층 정도로 얇게 스퍼터(sputter)하여 표면에 WC 버퍼층을 형성하고, 이 WC 버퍼층이 형성된 기판 상에 질화물 박막 결정이 스텝을 따라 횡방향으로 성장하도록 하여 양호한 결정성을 갖는 M면 질화물 박막 결정 성장이 가능하도록 한 것이다. 도 2는 이러한 박막 성장에 대한 모식도를 나타낸 것으로, WC 버퍼층이 성막된 경사 가공된 실리콘 기판 상에 스텝 엣지면을 따라 횡방향으로 성장되어 최종 질화물 박막 표면은 평탄하게 형성된다.For the growth of the non-polar nitride thin film crystal according to the present invention, a sputtered thin layer of about several atomic layers is formed on the inclined silicon substrate inclined so that the step edge surface becomes the (111) plane, thereby forming a WC buffer layer on the surface. The nitride thin film crystals are grown laterally along the step on the substrate on which the buffer layer is formed, so that the M surface nitride thin film crystals having good crystallinity can be grown. FIG. 2 shows a schematic diagram of such thin film growth. The WN buffer layer is laterally grown along the step edge surface on the inclined silicon substrate on which the WC buffer layer is formed, so that the final nitride thin film surface is formed flat.
상기 WC 버퍼층은 질화물 박막과 결정구조가 같은 육방정계(hexagonal) 구조로 다른 전이금속 카바이드(TaC, TiC)가 정방정계(cubic) 구조를 갖는데 비해 질화물 박막 결정(육방정계 구조) 성장에 유리하고, 기계적 강도가 철의 세 배 이상 우수하여 사파이어에 맞먹는 강도를 가지고 있어 절삭공구의 표면처리에 사용되는 물질로, 질화물 박막 결정 성장 온도(1000℃~1100℃)에도 안정하여(융점 2870℃, 끓는점 6000℃) 효과적인 확산 방지 역할을 수행하며, 상온에서 산화가 되지 않는 등 많은 장점을 가지고 있다(산화시작 온도 500℃~600℃).The WC buffer layer has a hexagonal structure having the same crystal structure as that of the nitride thin film, and thus, transition metal carbides (TaC and TiC) have a cubic structure, and are advantageous for growing nitride thin film crystals (hexagonal structure). Its mechanical strength is more than three times that of iron, and it is comparable to sapphire. It is used for the surface treatment of cutting tools. It is stable even at the nitride thin film crystal growth temperature (1000 ℃ ~ 1100 ℃) (melting point 2870 ℃, boiling point 6000). ℃) It has an effective diffusion prevention role and has many advantages such as not oxidation at room temperature (oxidation start temperature 500 ℃ ~ 600 ℃).
또한 (111)면 실리콘 기판과 질화물 박막으로 사용되는 GaN의 격자정수 부정합이 -20%임에 비해, WC와 GaN는 8.8%의 격자정수 부정합 만을 가져(WC와 Si(111)은 24%), 얇은 WC 버퍼층을 성막한 경우에 효과적으로 격자정수 부정합을 완화해줄 수 있다. 다음 표 1은 대표적인 질화물 박막 결정 및, 실리콘, 실리콘 카바이드, 전이금속 카바이드의 물리적 성질을 비교한 것이다.In addition, the lattice constant mismatch of GaN used as (111) plane silicon substrate and nitride thin film is -20%, whereas WC and GaN have only 8.8% lattice constant mismatch (24% for WC and Si (111)), In the case of forming a thin WC buffer layer, lattice constant mismatch can be effectively alleviated. Table 1 compares the representative nitride thin film crystals and the physical properties of silicon, silicon carbide, and transition metal carbide.
여기에서, WC를 (111)면 실리콘 기판 상에 성막하는 것만으로는 C면 질화물 박막 성장은 가능하지만, 비극성 질화물 박막결정 성장에 이용할 수 없으며, 비극성 질화물 박막결정 성장에 응용하기 위해서는 상기와 같이 경사면 실리콘을 이용하여야 한다. 실리콘 기판 표면에 존재하는 스텝의 측면이 (111)면이 되도록 경사 가공한 실리콘 기판을 사용하여 그 측면(Si(111)면)에 얇은 WC 버퍼층을 성막해주면 스텝 엣지에는 단일상 단결정 WC가 성장되게 된다. 이는 질화물 박막 결정과 동일한 결정 구조를 갖게 되므로, 질화물 박막 결정 성장을 위한 시드(seed)로 작용하게 된다. 이때 형성된 질화물 박막 결정은 테라스 방향으로 (0001) 방향을 갖게 되므로 적절한 성장 조건 하에서 (0001) 방향의 질화물 박막결정 속도가(1-100) 방향이나 (11-20)면 방향보다 빠른 점을 이용하면 질화물 박막 결정은 도 2에 도시한 바와 같이 (0001) 방향으로 우선 성장하게 된다. 결과적으로 각각의 스텝에서부터 질화물 박막 결정은 얇은 막의 형태로 성장되므로 전체적으로 매우 평탄한 표면을 갖는 양질의 질화물 박막 결정 성장이 가능하게 된다.Here, the C-plane nitride thin film growth is possible only by depositing the WC on the (111) plane silicon substrate, but it cannot be used for the growth of the non-polar nitride thin film crystals. Silicone should be used. If a thin WC buffer layer is formed on the side surface (Si (111) surface) using a silicon substrate inclined so that the side surface of the step existing on the surface of the silicon substrate is the (111) surface, single phase single crystal WC is grown on the step edge. do. Since it has the same crystal structure as the nitride thin film crystals, it serves as a seed for the nitride thin film crystal growth. In this case, since the nitride thin film crystal has a (0001) direction in the terrace direction, when the nitride thin film crystal velocity in the (0001) direction is faster than the (1-100) direction or the (11-20) plane direction under suitable growth conditions, The nitride thin film crystal first grows in the (0001) direction as shown in FIG. As a result, nitride thin film crystals are grown in the form of a thin film from each step, thereby enabling high quality nitride thin film crystals having a very flat surface as a whole.
또한, 상기와 같이 질화물 박막 결정 성장이 완료되면, 후속 결정 성장 과정을 통하여 두꺼운 질화물 박막을 성장시키고 WC가 성막된 실리콘 기판을 화학적 식각이나 연마를 통해 제거하면, 쉽게 비극성(M면) 질화물 자립형 기판의 구현이 가능하게 된다. 이는 종래의 기술로 제작된 M면 질화물 자립형 기판이 매우 고가이며, 구현된 사이즈가 10mm x 10mm 정도에 불과한 점을 대폭 개선할 수 있게 된다.
In addition, as described above, when the nitride thin film crystal growth is completed, a thick nitride thin film is grown through a subsequent crystal growth process and the silicon substrate on which the WC is formed is removed by chemical etching or polishing, and thus, a nonpolar (M plane) nitride freestanding substrate is easily obtained. Implementation of. This is a very expensive M-surface nitride self-supporting substrate produced in the prior art, it is possible to significantly improve that the implemented size is only about 10mm x 10mm.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하고자 한다.Hereinafter will be described for the preferred embodiment of the present invention.
(1)표면 스텝 측면이 (111)면이 되도록 경사 가공한 경사면 실리콘 기판을 유기금속세정법에 따라서 세정한다(초음파 세정기를 사용하여 반도체 공정용 아세톤/메탄올/초순수 용액 속에서 10분 이상 초음파 세척을 진행한다).(1) Clean the inclined surface silicon substrate inclined so that the surface step side becomes the (111) surface according to the organometallic metal washing method (using an ultrasonic cleaner, ultrasonic cleaning in acetone / methanol / ultra pure water solution for semiconductor processing for 10 minutes or more). Proceed).
(2)건조질소를 이용하여 실리콘 기판 표면을 완전히 건조시킨다.(2) Dry the surface of the silicon substrate completely using dry nitrogen.
(3)질소 분위기의 건조 상자 속에서 건조시킨 기판 표면의 자연 산화막 제거 공정을 진행한다(공업용 수화불산 용액 속에서 30초, 초순수 속에서 30초 세정하는 방법을 3회 반복하여 기판 표면의 자연 산화막을 제거한다).(3) The process of removing the natural oxide film on the surface of the substrate dried in a dry box in a nitrogen atmosphere is carried out three times (30 seconds in an industrial hydrofluoric acid solution and 30 seconds in ultrapure water for three times). Remove it).
(4)(3)번 산화막 제거 공정이 끝나면 최단 시간 내에 스퍼터 장치 안에 실리콘 기판을 장착한다.After the oxide film removal process of (4) (3) is completed, the silicon substrate is mounted in the sputtering device in the shortest time.
(5)스퍼터 장치를 작동하여 WC 버퍼층의 성막을 실시한다. 이때 스퍼터에는 Ar과 CH3 가스를 가스질량조절기(mass flow controller)를 이용하여 프라즈마를 형성시켜야, WC 버퍼층 내부의 탄소의 결핍을 방지할 수 있다. WC 버퍼층의 두께는 수nm 정도로 제한하며 지나치게 두꺼워지지 않도록 성막 조건을 설정하여야 한다.(5) The sputtering device is operated to form the WC buffer layer. At this time, in the sputtering, plasma must be formed using a gas flow controller using Ar and CH 3 gas to prevent the lack of carbon in the WC buffer layer. The thickness of the WC buffer layer is limited to about several nm and the film formation conditions must be set so as not to be too thick.
(6)WC 버퍼층이 성막된 경사면 실리콘 기판은 공업용 염산을 이용하여 40℃에서 1분간 식각하여 표면의 금속 클러스터를 제거하고 초순수를 이용하여 표면을 세정한 후, 반도체 공정용 HF 용액을 이용하여 표면의 자연 산화막을 제거한다.(6) The inclined silicon substrate on which the WC buffer layer is formed is etched at 40 ° C. for 1 minute using industrial hydrochloric acid to remove metal clusters from the surface, and the surface is cleaned using ultrapure water, followed by surface treatment using HF solution for semiconductor processing. Removes the natural oxide film.
(7)(6)번 공정 후 최단 시간 안에 질화물 박막 성막용 결정성장 장치(예, 분자선에피택시 장치 또는 유기금속증착장치, 수화물기상증착장치 등)에 기판을 결정 성장 위치로 위치시킨다.In the shortest time after the steps (7) and (6), the substrate is placed in a crystal growth position in a crystal growth apparatus for forming a nitride thin film (for example, a molecular beam epitaxy apparatus or an organometallic deposition apparatus, a hydrate vapor deposition apparatus, etc.).
(8)각 결정성장 장치에서 질화물 박막 결정 성장에 최적화된 결정성장 조건에서 질화물 박막 결정 성장을 실시한다.(8) In each crystal growth apparatus, nitride thin film crystal growth is performed under crystal growth conditions optimized for nitride thin film crystal growth.
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