고밀도 저에너지의 플라즈마 인헨스드 기상 에피택시를위한 시스템 및 공정 document_id A220623053621

Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체인 갈륨 나이트라이드(GaN) 및 그 알루미늄(Al) 및 인듐(In) 합금들은 고주파수 및 고전력 전자 응용들 모두에 대해 이상적인 물질들이다(예를 들어, Brown 등의, Solid-State El. 46, 1535(2002)를 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다). 이러한 물질들은 또한 단파장의 발광 다이오드들 및 레이저들에 대해서도 이상적이다(예를 들어, Nakamura, Annu. Mater. Sci. 28, 125 (1998); Nakamura, Science 281, 956(1998); 및 Smith 등의 J. Appl. Phys. 95, 8247 (2004)를 참조하는바, 이들의 내용은 본원의 참조로서 인용된다). 하지만, 이러한 물질들의 주요 단점들 중 하나는, 벌크 형태에서의 이들의 성장에 요구되는 높은 온도 및 압력의 과도한 조건들로 인한 커다란 단결정들의 결여이다. 상당한 크기의 GaN 웨이퍼들을 종합적으로 다루기 위한 유일한 방법은 헤데로에피택시(heteroepitaxy)로서, 이는 스스로 지탱(self-supporting)하는 두꺼운 GaN 층들이 사파이어 또는 실리콘 카바이드(SiC)와 같은 지지 기판상에 성장되게 하는 바, 이러한 기판은 이후 제거된다. 보다 얇은 헤테로에피택셜 Ⅲ-Ⅴ 나이트라이드층들은 기판을 제거하지 않으면서 디바이스 처리에 이용될 수 있다. GaN의 헤테로에피택셜 성장에 이용되는 모든 기술들의 하나의 공통적인 문제는 성장하는 층들 내에 처음에 존재하는 높은 전위(dislocation) 밀도이다. 이러한 문제는 GaN과 이용가능한 기판 물질들(사파이어, 실리콘 카바이드 및 실리콘 등)의 서로 다른 격자 파라미터들로 인해 야기된다(예를 들어, Dadgar 등의 Phys. Stat. Sol. (c) 0, 1583 (2003)을 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다). 높은 부적합(misfit) 전위 밀도의 결과로서, 헤데로에피택셜 GaN 층들은 높은 밀도의 쓰레딩 전위(threading dislocation, TD)들을 포함하는 경향이 있는바, 이것들은 임의의 활성층들 내로 투과될 때마다 디바이스의 성능을 저하시킨다. 다양한 형태의 버퍼층 성장, 또는 마스크들을 이용한 그리고 이용하지 않는 측면 과성장(lateral overgrowth)과 같은, 디바이스 제조에 받아들일 수 있는 가치(value)들에 대한 TD 밀도를 감소시키기 위한 많은 방법들이 고안되었다(예를 들어, Davis 등의 Proc. IEEE 90, 993 (2002)를 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다). 에피택셜 Ⅲ-Ⅴ 나이트라이드층들을 성장시키는 데에 이용되는 주요 방법들은 수소화물 기상 애피택시(HVPE), 금속-유기 화학 기상 증착(MOCVD) 및 분자 빔 에피택시(MBE)이다. HVPE에서는, 순수 금속들이 소스 물질들로서 이용되며, 이들은 가스 할라이드(halide)들로서 반응 구역으로 이송되어, 질소 함유 가스(대개, NH3)와 반응함으로써, 전형적으로 1000℃ 이상으로 가열되는 기판 위에 에피택셜층을 형성한다. HVPE는 최대 100㎛/h까지의 매우 높은 성장 속도의 장점을 갖는다(예를 들어, Nikolaev 등의 미국 특허 6,472,300호를 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다). 높은 성장 속도 때문에, HVPE는 주로 수십 마이크론 두께의 층들을 성장시키는 데에 이용되며, 특히 이후의 MOCVD 또는 MBE 단계들에 대한 기판들과 같이 스스로 지탱하는 층들을 제조하는 데에 이용된다. 하지만, 가파른 인터페이스들의 제어 및 낮은 속도는 HVPE에 의해 달성하기가 더욱 어려우며, 서로 다른 반응 구역들 간에 기판의 기계적인 이동을 요구한다(예를 들어, Tsvetkov 등의 미국 특허 6,706,119호를 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다). 또한, 반응 구역 내에 수소 가스가 존재하게 되면, 특히 예를 들어 Mg 불순물들에 의한 높은 p-타입 도핑이 이루어져야 할 때, 비활성 가스 환경에서 기판을 어닐링시킬 것을 요구한다(예를 들어, Nikolaev 등의 미국 특허 6,472,300호를 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다). MOVCD(또는 "금속-유기 기상 에피택시"에 대해서는 MOVPE)는 금속-유기 전구체(precursor)들이 음이온 함유의 다른 반응성 가스들(나이트라이드 성장의 경우에는, 암모니아)과 함께 이용되는 CVD 기술이다. 단지 수 ㎛/h의 다소 낮은 성장 속도와 함께, 값비싼 전구체 가스들의 필요성은 MOCVD의 큰 단점이다. 또한, GaN 헤테로에피택시에 대해서는, 활성층 스택들이 1000℃ 이상의 온도에서 증착되기 전에, 일반적으로 버퍼층이 보다 낮은 기판 온도에서 사파이어, SiC 또는 Si 상에 성장되어야 한다(예를 들어, Peczalski 등의 미국 특허 6,818,061호를 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다). 하지만, MOCVD는 디바이스 제조에 적절한 활성층 구조들을 성장시키는 데에 가장 빈번하게 이용되는 기술이다(예를 들어, Wang 등의 Appl. Phys. Lett. 74, 3531 (1999) 및 Nakamura의 Science 281, 956 (1998)을 참조하는바, 그 내용들은 본원의 참조로서 인용된다). 성장 동안의 높은 기판 온도와 함께, 공통의 기판들과 GaN 간의 열 팽창 계수의 큰 차이는 크랙이 없는(crack-free) 에피택셜층들을 달성하는 것을 크게 방해한다. 크랙을 피하기 위해서는, 다소 복잡한 인터레이어 방식(interlayer scheme)을 필요로 하는 것으로 여겨진다(예를 들어, Blasing 등의 Appl. Phys. Lett. 81, 2722 (2002)를 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다). HVPE 및 MOCVD는 모두 대기압 또는 다소 감소된 압력에서 이루어지는 증착 기술들이다. 반응기의 기하구조(geometry) 및 가스 흐름이 층의 균일성을 대부분 결정한다. 대조적으로, MBE에서, 압력은 고진공에서 초고진공의 범위에 있으며, 이에 따라 평균 자유 행로(mean-free path)는 반응기의 치수를 크게 넘는다. 금속들은 소위 이퓨젼 셀(effusion cell)들에서 증발(evaporate)되는 바, 이러한 이퓨젼 셀들로부터 분자빔 또는 원자빔은 가스 상태에서 산란되지 않으면서 가열된 기판 쪽으로 이동한다. 나이트라이드 성장에 대해서는, 활성화된 질소를 제공하는 질소 소스가 이용되어야 한다. 활성화는 대개 분자 질소의 플라즈마 여기에 의해 이루어진다. 질소 활성화를 위해 전자 사이클로트론 공진(ECR) 플라즈마 소스를 이용하여 갈륨 나이트라이드층들을 에피택셜 성장시키는 시스템은, 예를 들어 Moustakas 등의 미국 특허 5,633,192호에서 설명되는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다. 갈륨(Ga)은 대개 이퓨젼 셀로부터 공급되기 때문에, MBE는 MOCVD에서는 일반적인 값비싼 금속-유기 전구체들을 요구하지 않는다. 또한, MBE는 층의 구성 및 인터페이스의 가파름을 우수하게 제어한다(예를 들어, Elsass 등의, Jpn. J. Appl. Phys. 39, L1023 (2000)을 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다). 하지만, 1㎛/h 정도의 낮은 성장 속도 및 복잡한 장비로 인해, MBE는 반도체 헤테로구조들의 큰 규모의 제조에 적절한 기술로서 여겨지지 않는다. 나이트라이드 반도체들의 큰 규모의 제조에 잠재적으로 적절한 다른 방법(예를 들어, von Kanel 등의 미국 특허 6,454,855호를 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다)은 저에너지의 플라즈마 인헨스드 화학 기상 증착(LEPECVD)이다. 원격 플라즈마 소스에서 질소 활성화가 일어나는 플라즈마 보조의 MBE와 대조적으로, LEPECVD에서는 밀도 높은 저에너지의 플라즈마가 기판의 표면과 직접 접촉한다. 저에너지의 플라즈마는 DC 아크 방전(arc discharge)에 의해 발생되는 바, 이러한 DC 아크 방전에 의해 금속 유기 전구체들 및 질소가 활성화된다(예를 들어, von Kanel 등의 미국 특허 6,918,352호를 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다). 가능하게는, LEPECVD는 성장 속도의 동적 범위를 최적으로 제어하면서, HVPE의 성장 속도(수십 ㎛/h)에 필적하는 성장 속도를 이룰 수 있는바, 결과적으로 우수한 인터페이스 품질을 달성할 수 있게 된다. 또한, 반응성 전구체들의 활성화는 열적으로 이루어지는 것이 아니라 플라즈마에 의해 이루어지기 때문에, 공정은 보다 낮은 기판 온도들에서 동작할 것으로 기대된다. LEPECVD에 이용되는 DC 플라즈마 소스는 300mm 기판들에 대해 확장(scalable)될 수 있는 것으로 나타났다(예를 들어, von Kanel 등의 WO 2006/000846을 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다). 비록 용어 "LEPECVD"가 DC 아크 방전과 관련하여 만들어지긴 하였지만(예를 들어, Rosenblad 등의 J. Vac. Sci. Technol. A 16, 2785 (1998)을 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다), 이러한 DC 아크 방전이 에피택시에 적절한 저에너지의 플라즈마를 발생시키는 유일한 방법은 아니다. 종래 기술에 따르면, 에피택셜 설장에 적절한 충분히 낮은 에너지의 이온들은 전자 사이클로트론 공진(ECR) 플라즈마 소스들로부터도 비롯될 수 있다(예를 들어, Heung-Sik Tae 등의 Apl. Phys. Lett. 64, 1021 (1994)를 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다). 큰 면적의 기판들 상에서의 플라즈마 인헨스드 CVD에 의한 에피택셜 성장에 적절한 ECR 플라즈마 소스는, 예를 들어 Katsuya Watanabe 등의 미국 특허 5,580,420호에서 설명되는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다. 하지만, 산업적인 반도체 공정에 있어서, 커다란 ECR 소스들은 에피택시 보다는 식각에 이용된다. Ⅲ-Ⅴ 나이트라이드의 경우, 매우 높은 식각 속도를 달성할 수 있다(예를 들어, Vartuli 등의 Appl. Phys. Lett. 69, 1426 (1996)을 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다. 고밀도 저에너지 플라즈마들의 또 다른 소스들은 유도 결합되는 플라즈마(ICP) 소스들이다. 이러한 소스들은 ECR 소스들에 비해, 큰 웨이퍼 치수들에 대한 보다 용이한 확장성 및 보다 낮은 비용과 같은 많은 장점들을 갖는다. 다른 종류의 ICP 소스들에 대해 살펴보기 위해서는, Hopwood의 Plasma Sources Sci. Technol. 1, 109 (1992)를 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다. 플라즈마 처리에 이용되는 가장 일반적인 변형들로는, 플라즈마 용기 주위에 코일이 감겨지는 나선형 유도 커플러(helical inductive coupler)들(예를 들어, Steinberg 등의 미국 특허 4,368,092호를 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다) 및 나선 형태의 평평한 코일들을 갖는 나선형(spiral) 유도 커플러들(예를 들어, Ogle의 미국 특허 4,948,458호를 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다)이 있다. 나선형 커플러들에 기초하는 플라즈마 소스들은 플라즈마 균일성이 보다 높고, 큰 반도체 크기로의 확장이 용이하다는 장점을 갖는다(예를 들어, Collision 등의 J. Vac. Sci. Technol. A 16, 100 (1998)을 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다). ICP 소스들이 보통 13.56㎒의 주파수에서 동작하기는 하지만, 보다 낮은 주파수에서 동작하게 되면, 용량성 커플링을 감소시킴으로써 훨씬 더 낮은 이온 에너지들을 야기하는 것으로 나타났다(예를 들어, Ma 등의 미국 특허 5,783,101호를 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다). 일반적으로, ECR 소스들과 ICP 소스들은 모두 식각에 이용된다. ICP 소스들을 이용해서도, GaN에 대해 매우 높은 식각 속도가 얻어졌다(예를 들어, Shul 등의 Appl. Phys. Lett. 69, 1119 (1996)을 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다). 하지만, 반도체 품질 물질들의 에피택셜 성장에 이러한 소스들을 이용하는 것은 매우 드물다. 최근에는, 실리콘의 이온 도금(ion plating) 에피택셜 증착에 전기적으로 차폐된 ICP 소스를 적용하는 것이 제안되었다. 이 방법은 증착 챔버의 내부에 금속 시준기(metallic collimator)를 필요로 한다는 명백한 단점을 갖는다(예를 들어, Johnson의 미국 특허 6,811,611호를 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다). ICP 소스들 역시, 원격 플라즈마 소스가 이용되는 것이 일반적인 열 CVD에 이용되는 챔버들과 같은 공정 챔버들의 효율적인 세정(cleaning)에 이용될 수 있다(예를 들어, Steger의 미국 특허 5,788,799호를 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다). 챔버 세정은, 미립자 오염이 가능한 한 적게 유지되어야 하는 반도체 공정에 특히 중요하다. 물론, ICP 소스와 같은 플라즈마 소스를 갖추고 있는 공정 챔버들은 효율적인 세정을 위해 부가적인 원격 소스를 요구하지 않는다(예를 들어, Nemoto 등의 미국 특허 6,992,011호를 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다). 플라즈마 인헨스드 화학 기상 증착을 위해 저에너지의 플라즈마를 발생시키는 데에 어떠한 플라즈마 소스가 이용되든지 간에, Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체 성장에 적용될 때, 성장하고 있는 층들 내에 MOCVD에서 보다 훨씬 더 큰 정도로 탄소가 혼입(incorporation)되게 된다. 이러한 카본의 혼입은 MOCVD에서의 그리고 LEPECVD에서 제안되는 유기 전구체들의 이용으로부터 비롯된다(예를 들어, von Kanel 등의 미국 특허 6,454,855호를 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다). LEPECVD에서 전구체들을 크랙시키는 데에 이용되는 강한 플라즈마는 우연하게 탄소를 빨아들이는 것(uptake)을, 가능하게는 디바이스 응용들에 대해 수용할 수 없는 정도까지 크게 강화할 것으로 기대되는바, 이는 탄소가 도펀트로서 기능하기 때문이다(예를 들어, Green 등의 J. Appl. Phys. 95, 8456 (2004)를 참조하는바, 그 내용은 본원의 참조로서 인용된다).