유기금속기상성장법

유기금속기상성장법(Metalorganic vapour-phase epitaxy, MOVPE, 유기금속 기상 에피택시, organometallic vapour-phase epitaxy, OMVPE 또는 유기금속화학기상증착, metalorganic chemical vapour deposition, MOCVD)^[1]라고도 불리며, 단결정 또는 다결정 박막을 생산하는 데 사용되는 화학 기상 증착 방법이다. 이것은 복잡한 반도체 다층 구조를 만들기 위해 결정층을 성장시키는 공정이다.^[2] 분자 빔 에피택시(MBE)와 달리, 결정의 성장은 화학 반응에 의한 것이며 물리적 증착이 아니다. 이는 진공이 아닌, 보통의 압력(10 ~ 760 Torr)에서 기체 상태에서 일어난다. 따라서 이 기술은 열역학적으로 준안정 합금을 포함하는 소자 형성에 선호되며, 가장 널리 적용되는 발광 다이오드와 같은 광전자 공학 제조의 주요 공정이 되었다.^[3] 이 기술은 1967년 노스아메리칸 (이후 로크웰 인터내셔널) 오토네틱스 사업부에서 해럴드 M. 마나세빗에 의해 처음 시연되었다.

공정의 그림

기본 원리

MOCVD에서는 초고순도 전구체 기체가 반응기 내로 주입되며, 일반적으로 비활성 운반 기체와 함께 사용된다. III-V족 반도체의 경우, 13족 전구체로 금속유기 화합물을, 15족 전구체로 수소화물을 사용할 수 있다. 예를 들어, 인화 인듐은 트리메틸인듐((CH₃)₃In)과 포스핀(PH₃) 전구체로 성장시킬 수 있다.

전구체가 반도체 웨이퍼에 접근하면 열분해를 겪고 부산물이 반도체 웨이퍼 표면에 흡착된다. 전구체 부산물의 표면 반응은 새로운 에피택시 반도체 결정 격자층에 원소를 통합시킨다. MOCVD 반응기가 일반적으로 작동하는 물질 전달 한계 성장 영역에서, 성장은 기체상에 있는 화학종의 과포화에 의해 주도된다.^[4] MOCVD는 13족 원소와 15족 원소, 12족 원소와 16족 원소, 14족 원소의 조합을 포함하는 박막을 성장시킬 수 있다.

필요한 열분해 온도는 전구체의 화학 결합 강도가 증가함에 따라 증가한다. 중심 금속 원자에 더 많은 탄소 원자가 붙어 있을수록 결합이 약해진다.^[5] 기판 표면의 원자 확산은 표면의 원자 단계에 의해 영향을 받는다.

13족 금속 유기 소스의 증기 압력은 MOCVD 성장의 중요한 제어 매개변수이다. 이는 물질 전달 제한 영역에서 성장 속도를 결정하기 때문이다.^[6]

반응기 구성 요소

MOCVD 장치

금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD) 기술에서는 반응기에서 반응 기체들이 높은 온도에서 결합하여 화학적 상호작용을 일으키고, 그 결과 기판 위에 물질이 증착된다.

반응기는 사용되는 화학물질과 반응하지 않는 재료로 만들어진 챔버이다. 또한 높은 온도를 견뎌야 한다. 이 챔버는 반응기 벽, 라이너, 서셉터, 기체 주입 장치 및 온도 제어 장치로 구성된다. 일반적으로 반응기 벽은 스테인리스강 또는 석영으로 만들어진다. 세라믹 또는 석영과 같은 특수 유리는 종종 반응기 벽과 서셉터 사이의 반응기 챔버에서 라이너로 사용된다. 과열을 방지하기 위해 반응기 벽 내부의 채널을 통해 냉각수가 흘러야 한다. 기판은 제어된 온도의 서셉터 위에 놓인다. 서셉터는 사용되는 온도 및 금속 유기 화합물에 내성이 있는 재료로 만들어지며, 종종 흑연으로 가공된다. 질화물 및 관련 재료를 성장시키기 위해서는 암모니아(NH₃) 기체에 의한 부식을 방지하기 위해 흑연 서셉터에 질화 규소 또는 탄탈륨 카바이드와 같은 특수 코팅이 필요하다.

MOCVD를 수행하는 데 사용되는 반응기 유형 중 하나는 냉벽 반응기이다. 냉벽 반응기에서 기판은 받침대에 의해 지지되며, 받침대는 서셉터 역할도 한다. 받침대/서셉터는 반응 챔버에서 열 에너지의 주요 원천이다. 서셉터만 가열되므로 기체는 뜨거운 웨이퍼 표면에 도달하기 전에 반응하지 않는다. 받침대/서셉터는 탄소와 같은 방사선 흡수 재료로 만들어진다. 이와 대조적으로, 냉벽 반응기에서 반응 챔버의 벽은 일반적으로 전자기파에 대해 크게 투명한 석영으로 만들어진다. 그러나 냉벽 반응기에서 반응 챔버 벽은 뜨거운 받침대/서셉터에서 방출되는 열에 의해 간접적으로 가열될 수 있지만, 받침대/서셉터와 받침대/서셉터가 지지하는 기판보다 더 차가운 상태를 유지한다.

열벽 CVD에서는 전체 챔버가 가열된다. 이는 일부 기체가 웨이퍼 표면에 달라붙을 수 있도록 웨이퍼 표면에 도달하기 전에 미리 분해되어야 할 때 필요할 수 있다.

기체 유입 및 전환 시스템

기체는 '버블러'라고 알려진 장치를 통해 도입된다. 버블러에서는 운반 기체(일반적으로 비소화물 및 인화물 성장에는 수소, 질화물 성장에는 질소)가 금속 유기 액체를 통해 버블링되어 일부 금속 유기 증기를 흡수하고 이를 반응기로 운반한다. 운반되는 금속 유기 증기의 양은 운반 기체 유량과 버블러 온도에 따라 달라지며, 일반적으로 초음파 농도 측정 피드백 기체 제어 시스템을 사용하여 자동으로 가장 정확하게 제어된다. 포화 증기를 고려해야 한다.

압력 유지 시스템

기체 배출 및 정화 시스템. 독성 폐기물은 재활용(바람직함) 또는 처분을 위해 액체 또는 고체 폐기물로 전환되어야 한다. 이상적으로는 폐기물 생산을 최소화하도록 공정을 설계해야 한다.

유기금속 전구체

• 알루미늄
  • 트리메틸알루미늄 (TMA 또는 TMAl), 액체
  • 트리에틸알루미늄 (TEA 또는 TEAl), 액체
• 갈륨
  • 트리메틸갈륨 (TMG 또는 TMGa), 액체
  • 트리에틸갈륨 (TEG 또는 TEGa), 액체
• 인듐
  • 트리메틸인듐 (TMI 또는 TMIn), 고체
  • 트리에틸인듐 (TEI 또는 TEIn), 액체
  • 디이소프로필메틸인듐 (DIPMeIn), 액체
  • 에틸디메틸인듐 (EDMIn), 액체
• 저마늄
  • 아이소부틸저메인 (IBGe), 액체
  • 디메틸아미노 저마늄 트리클로라이드 (DiMAGeC), 액체
  • 테트라메틸저메인 (TMGe), 액체
  • 테트라에틸저마늄(TEGe), 액체
  • 저메인 GeH₄, 기체
• 질소
  • 페닐히드라진, 액체
  • 디메틸히드라진 (DMHy), 액체
  • 터셔리부틸아민 (TBAm), 액체
  • 암모니아 NH₃, 기체
• 인
  • 포스핀 PH₃, 기체
  • 터셔리부틸 포스핀 (TBP), 액체
  • 비스포스피노에탄 (BPE), 액체
• 비소
  • 아르신 AsH₃, 기체
  • 터셔리부틸 아르신 (TBAs), 액체
  • 모노에틸 아르신 (MEAs), 액체
  • 트리메틸 아르신 (TMAs), 액체
• 안티모니
  • 트리메틸 안티모니 (TMSb), 액체
  • 트리에틸 안티모니 (TESb), 액체
  • 트리이소프로필 안티모니 (TIPSb), 액체
  • 스티빈 SbH₃, 기체
• 카드뮴
  • 디메틸 카드뮴 (DMCd), 액체
  • 디에틸 카드뮴 (DECd), 액체
  • 메틸 알릴 카드뮴 (MACd), 액체
• 텔루륨
  • 다이메틸 텔루라이드 (DMTe), 액체
  • 다이에틸 텔루라이드 (DETe), 액체
  • 다이이소프로필 텔루라이드 (DIPTe), 액체
• 타이타늄
  • 알콕사이드, 예: 아이소프로폭사이드 타이타늄 또는 에톡사이드 타이타늄
• 셀레늄
  • 다이메틸 셀레나이드 (DMSe), 액체
  • 다이에틸 셀레나이드 (DESe), 액체
  • 다이이소프로필 셀레나이드 (DIPSe), 액체
  • 다이-터트-부틸 셀레나이드 (DTBSe), 액체
• 아연
  • 다이메틸아연 (DMZ), 액체
  • 다이에틸아연 (DEZ), 액체

MOCVD로 성장시킨 반도체

III-V족 반도체

• AlN
• AlP
• AlGaN
• AlGaP
• AlGaAs
• AlGaSb
• AlGaInP
• AlInSb
• GaSb
• GaAsP
• GaAsSb
• GaAs
• GaN
• GaP
• InAlAs
• InAlP
• InSb
• InGaSb
• InGaN
• GaInAlAs
• GaInAlN
• GaInAsN
• GaInAsP
• GaInAs
• GaInP
• InN
• InP
• InAs
• InAsSb
• AlInN

II-VI족 반도체

• ZnO
• ZnS
• ZnSe
• ZnTe
• CdO
• Cd
  xHg
  1-xTe

IV족 반도체

• Si
• Ge
• 변형 규소

IV-V-VI족 반도체

• GeSbTe

환경, 보건 및 안전

MOCVD가 잘 확립된 생산 기술이 되면서, 인력 및 지역사회 안전, 환경 영향, 그리고 소자 제작 작업에서 허용되는 유해 물질(기체 및 유기금속 등)의 최대량과 관련된 우려도 커지고 있다. 안전뿐만 아니라 책임 있는 환경 관리도 화합물 반도체의 MOCVD 기반 결정 성장에서 가장 중요한 요소가 되었다. 이 기술의 산업 적용이 증가함에 따라, 위험을 줄이는 데 필요한 보조 장비를 제공하는 여러 회사들도 수년 동안 성장하고 발전해 왔다. 이 장비에는 컴퓨터 자동화된 기체 및 화학 물질 공급 시스템, 단일 ppb 농도의 기체를 감지할 수 있는 독성 및 운반 기체 감지 센서, 그리고 GaAs 및 InGaAsP와 같은 비소 함유 합금 성장 시 존재할 수 있는 독성 물질을 완전히 포집하는 저감 장비 등이 포함되지만 이에 국한되지는 않는다.^[7]

같이 보기

• 원자층 증착
• 수소 정제기
• 반도체 재료 목록
• 분자 빔 에피택시
• 박막 증착