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KR102557905B1 - 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법 - Google Patents

고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법 Download PDF

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KR102557905B1
KR102557905B1 KR1020220115633A KR20220115633A KR102557905B1 KR 102557905 B1 KR102557905 B1 KR 102557905B1 KR 1020220115633 A KR1020220115633 A KR 1020220115633A KR 20220115633 A KR20220115633 A KR 20220115633A KR 102557905 B1 KR102557905 B1 KR 102557905B1
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황종희
김진호
이영진
이미재
김선욱
김형윤
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한국세라믹기술원
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Abstract

Ⅵ족 전구체의 공급 유량을 극도로 낮게 제어하는 MOCVD 방식을 이용하여 10nm 이하의 매우 얇은 두께로 산화갈륨을 성장시키는 것에 의해, Ⅲ족 전구체 및 Ⅵ족 전구체 간의 충분한 반응 시간 확보가 가능하여 고품질의 산화갈륨 박막을 형성할 수 있는 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법은 기판을 준비하는 단계; 및 상기 기판 상에 MOCVD 방식을 이용하여 Ⅲ족 전구체 및 Ⅵ족 전구체를 반응시켜 산화갈륨 박막을 성장시키는 단계;를 포함하며, 상기 산화갈륨 박막 성장 단계에서, 상기 Ⅵ족 전구체를 0.01 ~ 2,000sccm의 공급 유량 조건으로 공급하는 것을 특징으로 한다.

Description

고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법{MANUFACTURING METHOD FOR LARGE AREA ULTRA THIN GALLIUM OXIDE THIN FILM OF HIGH QUALITY}
본 발명은 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Ⅵ족 전구체의 공급 유량을 극도로 낮게 제어하는 MOCVD 방식을 이용하여 산화갈륨을 성장시키는 것에 의해, Ⅲ족 전구체 및 Ⅵ족 전구체 간의 충분한 반응 시간 확보가 가능하여 고품질의 산화갈륨 박막을 형성할 수 있는 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법에 관한 것이다.
종래의 Si 기반 전력반도체 소자는 본질적인 물성한계로 인하여 기술발전 대비 성능개선의 한계에 도달하여 WBG(Wide bandgap)와 UWB(Ultra-wide bandgap) 특성을 갖는 전력반도체 소재의 산업적 필요성이 점점 확대되고 있다.
UWB 산화갈륨(Ga2O3) 소재는 GaN 또는 SiC 대비 제조비용이 대략 1/3 ~ 1/5 수준으로 저렴하여 가격 경쟁력을 갖춘 차세대 전력반도체용 웨이퍼이다.
특히, UWB 산화갈륨(Ga2O3) 소재는 밴드갭(Bandgap)에 의한 내 항복전압 특성에 의해 같은 항복전압을 가지기 위해서 박막의 두께를 대략 1/3 정도로 얇게 성장할 수 있을 뿐만 아니라, 고온 성장이 아니므로 이에 따른 비용이 절감될 수 있다.
산화갈륨(Ga2O3) 에피 기술은 α-Ga2O3 기판 위에 동종의 α-Ga2O3 단결정층을 성장하거나, 사파이어 등 이종기판 위에 α-Ga2O3 단결정층을 성장하는 기술로, 고품위의 단결정층을 얻기 위한 기술과 n 타입(n-type) 특성을 얻기 위한 도핑 기술을 포함한다.
이러한 산화갈륨은 대략 4.9eV의 넓은 밴드 갭을 가지는 물질로 결정 구조와 Ga 이온의 수에 따라 서로 다른 상(α-, β-, γ-, δ-, κ-, ε-)을 가질 수 있다.
또한, 이러한 다양한 상들은 고온 열처리 공정에 따라 그 상이 α-, γ-, δ-, κ-, ε- 에서 열적으로 가장 안정한 상인 β-상으로 변형이 가능하다.
종래의 헤테로 산화갈륨(Ga2O3) 에피 성장 기술로는 원자층 증착법(ALD), 수소화물 기상 에피택시법(HVPE) 등이 사용되었다.
도 1은 종래에 따른 ALD 방식의 박막 제조 장치를 설명하기 위한 모식도이고, 도 2는 종래에 따른 HVPE 방식의 박막 제조 장치를 설명하기 위한 모식도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래에 따른 ALD 방식의 박막 제조 장치(1)는 반응챔버(10)와 가스 공급부(12)를 포함할 수 있다. 반응챔버(10)는 반응챔버(10)의 내부로 투입되는 기판 상에 산화갈륨 박막을 성장시키기 위한 반응 공간이 형성된다.
도면으로 도시하지는 않았지만, 반응챔버(10)는 기판이 출입할 수 있는 게이트가 형성될 수 있다. 반응챔버(10)의 내부로 기판이 투입되면, 가스 공급부(12)의 밸브를 온(on)시켜 반응챔버(10)의 내부로 반응가스, 캐리어 가스 등을 공급하게 된다. 아울러, 반응챔버(10)의 하측에는 반응가스를 배기하기 위한, 트로틀 밸브(14), 퍼니스 트랩(16), 배기펌프(18) 등이 설치되어 있다.
그러나, 전술한 종래에 따른 ALD 방식의 박막 제조 장치(1)를 이용한 성장 방법은 성장 두께 제어에 장점이 있지만, 도핑이 매우 어렵고 다결정 형태로 성장되며, 박막의 품질이 낮은 단점이 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 종래에 따른 HVPE 방식의 박막 제조 장치(50)는 반응챔버(52)의 외측에 장착된 히터(56)를 이용하는 저항 가열 방식으로 승온되고 소스 영역과 성장 영역으로 구성되어 있다. 소스 영역은 GaClx의 전구체인 갈륨 금속이 놓여있고, 반응 가스인 HCl 가스를 주입함에 따라 생성된다. 성장 영역에는 소스 영역에서 생성된 GaClx와 산소가 반응하여 서셉터(54) 상에 안착된 기판(S) 상에 α-, γ-, δ-, κ- 및 ε- 중 적어도 하나 이상의 다양한 상을 갖는 산화갈륨 박막이 형성된다. N2, Ar 가스 등은 각 반응 가스를 소스 영역에서 성장 영역으로 이동시키기 위한 캐리어 가스로 사용된다.
여기서, 소스 영역과 성장 영역은 쿼츠 튜브(58)로 덮여 있을 수 있다. 이때, 도펀트는 n형 또는 p형 도펀트가 주입될 수 있다. 아울러, 성장 영역에서 사용된 가스는 배기구를 통하여 반응챔버(52)의 외부로 배출된다.
그러나, 종래에 따른 HVPE 방식의 박막 제조 장치(50)를 이용한 성장 방법은 빠른 성장속도 및 도핑 공정이 가능하다는 장점이 있지만, 수 나노미터 두께의 나노멤브레인(nano-membrane) 형태의 성장 기술을 개발하는데 그 한계가 있다.
상술한 바와 같이, 종래의 ALD 및 HVPE 성장 방법의 조건에서는 대면적의 초박막(Ultra-thin layer) 형태로 산화갈륨 박막을 형성할 시 성장이 매우 어렵거나 그 품질이 떨어진다.
아울러, 종래에는 산화갈륨 박막이 도핑된 채널층의 역할이 아닌 절연막으로 성장되어 이용되었다.
또한, 사파이어 기판에 바로 성장한 산화갈륨 박막은 다양한 결함으로 인해 고품질의 고도핑된 높은 전도성을 가진 박막을 성장시키는데 어려움이 있었다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0044364호(2013.05.02. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 박막 제조 방법 및 박막 제조 장치가 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 Ⅵ족 전구체의 공급 유량을 극도로 낮게 제어하는 MOCVD 방식을 이용하여 10nm 이하의 매우 얇은 두께로 산화갈륨을 성장시키는 것에 의해, Ⅲ족 전구체 및 Ⅵ족 전구체 간의 충분한 반응 시간 확보가 가능하여 고품질의 산화갈륨 박막을 형성할 수 있는 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법은 기판을 준비하는 단계; 및 상기 기판 상에 MOCVD 방식을 이용하여 Ⅲ족 전구체 및 Ⅵ족 전구체를 반응시켜 산화갈륨 박막을 성장시키는 단계;를 포함하며, 상기 산화갈륨 박막 성장 단계에서, 상기 Ⅵ족 전구체를 0.01 ~ 2,000sccm의 공급 유량 조건으로 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 기판은 상기 산화갈륨 박막과 이종 재질이 이용된다.
상기 기판은 알파 산화갈륨 기판, 베타 산화갈륨 기판, 사파이어 기판 및 에피텍셜 성장 가능한 이종 기판 중에서 선택된 어느 하나를 포함한다.
상기 기판 준비 단계와 상기 산화갈륨 박막 성장 단계 사이에, 버퍼층을 형성하는 단계;를 더 포함한다.
상기 Ⅲ족 전구체는 트리메틸갈륨(TMGa) 및 트리에틸갈륨(TEGa) 중에서 선택된 하나 이상을 포함한다.
상기 Ⅲ족 전구체는 1 ~ 100sccm의 공급 유량 조건으로 공급한다.
상기 Ⅵ족 전구체는 O2, N2O 및 H2O 중 선택된 하나 이상을 포함한다.
상기 Ⅵ족 전구체로 O2를 이용할 시, 하기 식 1을 만족하고, 상기 Ⅵ족 전구체로 N2O를 이용할 시, 하기 식 2를 만족하고, 상기 Ⅵ족 전구체로 H2O를 이용할 시, 하기 식 3을 만족한다.
식 1 : Ⅵ족 전구체 / Ⅲ족 전구체 < 10
식 2 : Ⅵ족 전구체 / Ⅲ족 전구체 < 5
식 3 : Ⅵ족 전구체 / Ⅲ족 전구체 < 100
상기 산화갈륨 박막 성장 단계에서, 성장 온도는 400 ~ 1,000℃ 조건으로 실시한다.
상기 산화갈륨 박막 성장 단계에서, 성장 압력은 20 ~ 500torr 조건으로 실시한다.
상기 산화갈륨 박막 성장 단계에서, 성장 속도는 30nm/hr 이하로 유지된다.
상기 성장 속도는 5 ~ 15nm/hr 조건으로 유지된다.
상기 산화갈륨 박막 성장 단계에서, 상기 산화갈륨 박막 성장시, 도핑 처리를 함께 실시한다.
상기 도핑 처리시, 도핑 원소는 Si, Sn, Ge, N, Fe 및 Mg 중에서 선택된 하나 이상을 포함한다.
본 발명에 따른 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법은 MOCVD 방식을 이용하여 Ⅲ족 전구체 및 Ⅵ족 전구체를 반응시킬 시, Ⅵ족 전구체로 사용되는 산소 소스(Oxygen source)의 공급 유량을 극도로 낮게 제어하여 산화갈륨 박막을 성장시키는 것에 의해, 충분한 반응 시간으로 인하여 기존 반응 조건에 비하여 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막으로 성장시키는 것이 가능하다.
따라서, 본 발명에 따른 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법은 산화갈륨 박막에 도핑 시 적은 양의 도펀트 소스로도 높은 도핑 효과를 얻을 수 있으며, 이를 통해 높은 전기 전도성과 높은 전자 이동도 확보가 가능해질 수 있다.
이를 통해, 본 발명에 따른 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법은 전자소자의 제작 시 접촉 저항(contact resistance) 감소를 위한 금속 접촉층(Metal contact layer), 고품질의 초박막 소자 등에 활용될 수 있으며, 대면적 및 대량 성장 기술에 활용될 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 방법으로 제조되는 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막은 나노미터 스케일의 두께로 제조될 시 디바이스 크기 제어, 열방출성 증가, 문턱전압(Vth) 제어 등의 장점을 가질 수 있다.
도 1은 종래에 따른 ALD 방식의 박막 제조 장치를 설명하기 위한 모식도.
도 2는 종래에 따른 HVPE 방식의 박막 제조 장치를 설명하기 위한 모식도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법을 나타낸 공정 단면도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막을 제조하기 위해 사용되는 MOCVD 방식의 박막 제조 장치를 설명하기 위한 모식도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법을 나타낸 공정 단면도이다. 또한, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막을 제조하기 위해 사용되는 MOCVD 방식의 박막 제조 장치를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법은 기판 준비 단계(S110), 버퍼층 형성 단계(S120) 및 MOCVD 방식을 이용한 산화갈륨 박막 성장 단계(S130)를 포함한다. 여기서, 본 발명의 실시예에 따른 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법에서, 버퍼층 형성 단계(S120)는 필수적으로 실시되는 것은 아니며, 필요에 따라 선택적으로 생략될 수도 있다.
기판 준비
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 기판 준비 단계(S110)에서는 상면(120a) 및 상면(120a)에 반대되는 하면(120b)을 갖는 기판(120)을 준비한다.
여기서, 기판(120)은 산화갈륨 박막과 이종 재질이 이용된다. 이를 위해, 기판(120)은 알파 산화갈륨 기판, 베타 산화갈륨 기판, 사파이어 기판 및 에피텍셜 성장 가능한 이종 기판 중에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
버퍼층 형성
도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 버퍼층 형성 단계(S120)에서는 기판(120) 상에 버퍼층(140)을 형성한다.
이때, 버퍼층(140)은 에칭 처리된 기판(120) 상에 형성될 수 있다. 에칭은 300 ~ 700℃의 에칭온도에서 5 ~ 15분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 에칭온도가 300℃ 미만이거나, 또는 에칭시간이 5분 미만으로 실시될 경우, 표면 특성 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 에칭온도가 700℃를 초과하거나, 에칭시간이 15분을 초과할 시에는 더 이상의 효과 상승 없이 제조 비용만을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
본 단계에서, 버퍼층(140)은 에칭된 기판(120) 상에 GaCl을 증착하는 것에 의해 형성될 수 있다. 즉, 에칭된 기판(120) 상에 갈륨소스를 HCl에 노출시키는 반응으로 GaCl을 400 ~ 700℃ 조건으로 5 ~ 10분 동안 증착하여 버퍼층을 형성하게 된다. 여기서, 갈륨소스와 HCl은 온도에 따라서 GaCl 및 GaCl3를 발생하게 되므로 소스온도를 적절하게 유지시켜 주어야 한다. 또한, GaCl를 이용한 버퍼층 증착은 이후 산화갈륨 박막 성장에서 핵생성을 위한 공정이므로 박막의 결정질에 상당한 영향을 미치는 요인 중 하나이다.
MOCVD 방식을 이용한 산화갈륨 박막 성장
도 3, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, MOCVD 방식을 이용한 산화갈륨 박막 성장 단계(S130)에서는 버퍼층(140)이 형성된 기판(120) 상에 MOCVD 방식을 이용하여 Ⅲ족 전구체 및 Ⅵ족 전구체를 반응시켜 산화갈륨 박막(160)을 성장시킨다.
본 단계에서, MOCVD 방식을 이용하여 산화갈륨 박막(160)으로 성장시키기 위해, 버퍼층(140)이 형성된 기판(120)은 MOCVD 방식의 박막 제조 장치(200)의 내부로 투입된다.
MOCVD 방식의 박막 제조 장치(200)는 반응 챔버(210)와, 반응챔버(210) 내에 배치되어 버퍼층(140)이 형성된 기판(120)을 지지하기 위한 서셉터(220)를 포함한다. 기판(120)은 서셉터(220)에 의해 지지되고, 로테이션 유닛(240)을 통한 서셉터(220)의 회전에 따라 기판(120)은 공전하게 된다. 이때, 서셉터(220) 아래에는 가열 부재(230)가 배치되어 있고, 서셉터(220) 위에는 냉각 재킷(250)이 배치되어 있다.
여기서, 가열 부재(230)는 유도 가열 방식으로 서셉터(220)를 가열한다. 이러한 가열 부재(230)는 자기장을 발생시켜 서셉터(220)에 유도 전류를 발생시킬 수 있는 RF 코일과 같은 고주파 가열 수단이 사용될 수 있다. RF 코일에 전력이 공급 되면, RF 코일에 의해 발생된 자기장에 의해 서셉터(220)에 유도 전류가 발생된다. 이로 인해, 서셉터(220)는 유도 가열되고, 서셉터(220)의 열이 서셉터(220) 상에 안착된 기판(120)으로 전달됨으로써, 기판(120)이 성장 온도로 가열된다.
따라서, 가열 부재(230)를 이용한 유도 가열 방식으로 서셉터(220) 상에 안착된 기판(120)을 성장 온도로 가열시킨 상태에서, 가스 주입구(260)를 통하여 반응챔버(210)의 내부로 Ⅲ족 전구체 및 Ⅵ족 전구체를 주입한 후, Ⅲ족 전구체 및 Ⅵ족 전구체를 반응시켜 버퍼층(140)이 형성된 기판(120) 상에 산화갈륨 박막(160)을 성장시키게 된다.
일반적으로, MOCVD 방식을 이용하여 산화갈륨 박막을 형성할 시, Ⅲ족 전구체와 Ⅵ족 전구체의 충분한 반응을 위해 Ⅵ족 전구체 / Ⅲ족 전구체의 공급 유량 부피 비율을 높게 유지하고 있다.
그러나, MOCVD 방식의 박막 제조 장치로 초박막 형태의 산화갈륨 박막을 형성할 경우, 에피레이어의 초기 성장시 아일랜드 모드(VW : Volmer-Weber)로 성장되어 10nm 이하의 평탄한 초박막 형태의 산화갈륨 박막의 성장 및 성장 조건을 제어하는데 어려움이 있다.
아일랜드와 레이어(layer)가 혼합되는 형태로 성장이 시작되는 FM 모드, SF 모드 및 SK 모드 중 어느 하나로 성장할 시, 수 나노미터 두께의 박막 형태로 성장되기 매우 어렵다.
또한, 산화갈륨을 10nm 이하 두께의 나노멤브레인(Nanomembrane) 및 박막을 얻기 위해서는 성장시킨 에피 또는 벌크 재료를 산화갈륨의 결정학적 특징을 이용하여 기계적으로 박리하거나 레이저를 통해 박리하는 방법이 이용되고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 기존의 일반적인 반응 조건에 비해 Ⅳ족 전구체의 공급 유량을 극도로 낮게 제어하여 VI족 전구체 / Ⅲ족 전구체 의 공급 유량 부피 비율을 낮게 제어한 상태에서 박막을 성장시켰다.
여기서, Ⅲ족 전구체는 트리메틸갈륨(TMGa) 및 트리에틸갈륨(TEGa) 중에서 선택된 하나 이상을 포함한다.
이때, Ⅲ족 전구체는 1 ~ 100sccm의 공급 유량 조건으로 공급하는 것이 바람직하다. Ⅲ족 전구체의 공급 유량이 1sccm 미만일 경우에는 III족 전구체의 공급 유량이 적어 성장률이 낮아지는 관계로 생산 수율을 저하시키는 문제가 있다. 반대로, Ⅲ족 전구체의 공급 유량이 100sccm을 초과할 경우에는 표면 특성이 나빠지고 입자가 커져 산화갈륨 박막(160)의 두께가 과도하게 증가시킬 우려가 있다.
Ⅵ족 전구체는 O2, N2O 및 H2O 중 선택된 하나 이상을 포함한다. 이러한 VI 족 전구체는 그 종류에 따라 균열비(cracking ratio) 차이가 발생하고, 그에 따라 VI 전구체의 공급량이 달라질 수 있다. 아울러, 챔버 사이즈에 따라 그 절대량이 커질 수 있다.
예를 들어, Ⅵ족 전구체를 N22O를 사용시 810℃, 30torr 조건에서 트리에틸갈륨(TEGa) 90 sccm 및 N2O 600 sccm을 공급하였을 때 대략 10nm/hr 수준의 성장 속도가 형성된다.
따라서, Ⅵ족 전구체로 O2를 이용할 시, 하기 식 1을 만족하고, Ⅵ족 전구체로 N2O를 이용할 시, 하기 식 2를 만족하고, Ⅵ족 전구체로 H2O를 이용할 시, 하기 식 3을 만족하는 것이 바람직하다.
식 1 : Ⅵ족 전구체 / Ⅲ족 전구체 < 10
식 2 : Ⅵ족 전구체 / Ⅲ족 전구체 < 5
식 3 : Ⅵ족 전구체 / Ⅲ족 전구체 < 100
이 중, Ⅵ족 전구체로는 O2를 이용하고, 하기 식 1을 만족하는 조건으로 O2 유량을 제어하는 것이 보다 바람직하다.
본 단계에서, Ⅵ족 전구체는 0.01 ~ 2,000sccm의 공급 유량 조건으로 공급하는 것이 바람직하다. Ⅵ족 전구체의 공급 유량이 0.01sccm 미만일 경우에는 Ⅵ족 전구체의 공급 유량이 극미량으로 첨가되는데 기인하여 생산성이 저하될 수 있다. 반대로, Ⅵ족 전구체의 공급 유량이 2,000sccm을 초과할 경우에는 10nm 이하 두께의 평탄한 초박막 형태의 산화갈륨 박막(160)을 성장시키는 것이 어려울 수 있다.
이와 같이, MOCVD 방식을 이용한 산화갈륨 박막(160)을 형성할 시, Ⅵ족 전구체의 공급량을 극도로 낮게 제어하여 VI족 전구체 / Ⅲ족 전구체의 공급 유량 부피 비율을 매우 낮게 제어한 상태에서 박막을 성장시키게 되면, Ⅲ족 전구체로 이용되는 TMGa 및 TEGa와 Ⅵ족 전구체로 이용되는 산소 소스(oxygen source)가 충분히 반응하지 못한다. 이 결과, 반응하지 못한 대부분의 Ⅲ족 전구체는 기판(120)에서 박막 형성에 참여하지 못하고 극히 일부만이 반응하여 성장이 시작된다.
이에 따라, 성장 속도는 30nm/hr 이하로 유지되고, 보다 바람직하게 성장 속도는 5 ~ 15nm/hr로 유지된다. 이와 같이, 30nm/hr 이하의 극도로 낮은 성장 속도로 유지되기 때문에, 수 nm 단위의 레이어 바이 레이어(layer by layer) 형태의 성장 모드가 형성된다. 따라서, 산화갈륨 박막(160)의 두께를 수 nm 단위로 정밀하게 제어하는 것이 가능해질 수 있다.
이때, 30nm/hr 이하의 성장 속도를 유지시키기 위해, 성장 압력은 20 ~ 500torr 조건으로 실시하는 것이 바람직하다.
아울러, 본 단계에서, 성장 온도는 400 ~ 1,000℃ 조건으로 실시하는 것이 바람직하다. 성장 온도가 400℃ 미만일 경우에는 낮은 온도로 인하여 성장이 제대로 이루어지지 않을 수 있다. 반대로, 성장온도가 1,000℃를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 제조 비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
따라서, MOCVD 방식을 이용하여 Ⅲ족 전구체 및 Ⅵ족 전구체를 반응시킬 시, Ⅵ족 전구체로 사용되는 산소 소스(Oxygen source)의 공급 유량을 극도로 낮게 제어하여 산화갈륨 박막(160)을 성장시키게 되면, 충분한 반응 시간으로 인하여 기존의 일반적인 반응 조건에 비해 고품질의 초박형 산화갈륨 박막(160)으로 성장시키는 것이 가능하다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법은 산화갈륨 박막(160) 성장시, 도핑 처리를 함께 실시하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 산화갈륨 박막(160) 성장시, 도핑 처리를 함께 실시하게 되면, 30nm/hr 이하의 극도로 낮은 성장 속도로 인해 산화갈륨 박막(160)에 대한 정밀한 두께 제어와 더불어, 도핑농도의 제어가 가능해질 수 있다. 이러한 도핑 처리시, 도핑에 사용되는 도핑 원소는 Si, Sn, Ge, N, Fe 및 Mg 중에서 선택된 하나 이상을 포함한다.
이에 따라, 본 발명에서는 산화갈륨 박막(160)에 도핑 시 적은 양의 도펀트 소스로도 높은 도핑 효과를 얻을 수 있으며, 이를 통해 높은 전기 전도성과 높은 전자 이동도 확보가 가능해질 수 있다.
이를 통해, 본 발명은 전자소자의 제작 시 접촉 저항(contact resistance) 감소를 위한 금속 접촉층(Metal contact layer), 고품질의 초박막 소자 등에 활용될 수 있으며, 대면적 및 대량 성장 기술에 활용될 수 있다.
아울러, 본 발명의 산화갈륨 박막은 나노미터 스케일의 두께로 제조될 시 디바이스 크기 제어, 열방출성 증가, 문턱전압(Vth) 제어 등의 장점을 가질 수 있다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법은 MOCVD 방식을 이용하여 Ⅲ족 전구체 및 Ⅵ족 전구체를 반응시킬 시, Ⅵ족 전구체로 사용되는 산소 소스(Oxygen source)의 공급 유량을 극도로 낮게 제어하여 산화갈륨 박막을 성장시키는 것에 의해, 충분한 반응 시간으로 인하여 기존 반응 조건에 비하여 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막으로 성장시키는 것이 가능하다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법은 산화갈륨 박막에 도핑 시 적은 양의 도펀트 소스로도 높은 도핑 효과를 얻을 수 있으며, 이를 통해 높은 전기 전도성과 높은 전자 이동도 확보가 가능해질 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법은 전자소자의 제작 시 접촉 저항(contact resistance) 감소를 위한 금속 접촉층(Metal contact layer), 고품질의 초박막 소자 등에 활용될 수 있으며, 대면적 및 대량 성장 기술에 활용될 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 고품질의 대면적 산화갈륨 박막은 나노미터 스케일의 두께로 제조될 시 디바이스 크기 제어, 열방출성 증가, 문턱전압(Vth) 제어 등의 장점을 가질 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
S110 : 기판 준비 단계
S120 : 버퍼층 형성 단계
S130 : MOCVD 방식을 이용한 산화갈륨 박막 성장 단계

Claims (14)

  1. 기판을 준비하는 단계; 및
    상기 기판 상에 MOCVD 방식을 이용하여 Ⅲ족 전구체 및 Ⅵ족 전구체를 반응시켜 산화갈륨 박막을 성장시키는 단계;를 포함하며,
    상기 산화갈륨 박막 성장 단계에서, 상기 Ⅵ족 전구체를 0.01 ~ 2,000sccm의 공급 유량 조건으로 공급하고,
    상기 산화갈륨 박막 성장 단계에서, 성장 압력은 20 ~ 500torr 조건으로 실시하고,
    상기 산화갈륨 박막 성장 단계에서, 상기 산화갈륨 박막에 대한 정밀한 두께 제어를 위해, 성장 속도는 5 ~ 15nm/hr 조건으로 유지되고,
    상기 산화갈륨 박막 성장 단계 이후, 상기 산화갈륨 박막은 10nm 이하 두께의 평탄한 초박막 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은
    상기 산화갈륨 박막과 이종 재질이 이용되는 것을 특징으로 하는 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기판은
    알파 산화갈륨 기판, 베타 산화갈륨 기판, 사파이어 기판 및 에피텍셜 성장 가능한 이종 기판 중에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판 준비 단계와 상기 산화갈륨 박막 성장 단계 사이에,
    버퍼층을 형성하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 Ⅲ족 전구체는
    트리메틸갈륨(TMGa) 및 트리에틸갈륨(TEGa) 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 Ⅲ족 전구체는
    1 ~ 100sccm의 공급 유량 조건으로 공급하는 것을 특징으로 하는 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 Ⅵ족 전구체는
    O2, N2O 및 H2O 중 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 Ⅵ족 전구체로 O2를 이용할 시, 하기 식 1을 만족하고,
    상기 Ⅵ족 전구체로 N2O를 이용할 시, 하기 식 2를 만족하고,
    상기 Ⅵ족 전구체로 H2O를 이용할 시, 하기 식 3을 만족하는 것을 특징으로 하는 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법.

    식 1 : Ⅵ족 전구체 공급 유량 / Ⅲ족 전구체 공급 유량 < 10
    식 2 : Ⅵ족 전구체 공급 유량 / Ⅲ족 전구체 공급 유량 < 5
    식 3 : Ⅵ족 전구체 공급 유량 / Ⅲ족 전구체 공급 유량 < 100
  9. 제1항에 있어서,
    상기 산화갈륨 박막 성장 단계에서,
    성장 온도는 400 ~ 1,000℃ 조건으로 실시하는 것을 특징으로 하는 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 산화갈륨 박막 성장 단계에서,
    상기 산화갈륨 박막 성장시,
    도핑 처리를 함께 실시하는 것을 특징으로 하는 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 도핑 처리시,
    도핑 원소는 Si, Sn, Ge, N, Fe 및 Mg 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고품질의 대면적 초박형 산화갈륨 박막 제조 방법.
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