에피택셜 웨이퍼라는 이름의 유래
먼저 간단한 개념부터 설명드리겠습니다. 웨이퍼 준비는 크게 기판 준비와 에피택시 공정 두 단계로 나뉩니다. 기판은 반도체 단결정 소재로 만들어진 웨이퍼입니다. 이 기판은 반도체 소자를 생산하는 웨이퍼 제조 공정에 직접 투입될 수도 있고, 에피택시 공정을 거쳐 에피택시 웨이퍼로 만들어질 수도 있습니다. 에피택시는 절단, 연삭, 연마 등으로 정밀하게 가공된 단결정 기판 위에 새로운 단결정 층을 성장시키는 공정입니다. 새로운 단결정은 기판과 동일한 소재일 수도 있고, 다른 소재일 수도 있습니다(동종 에피택시 또는 이종 에피택시). 새로운 단결정층이 기판의 결정상에 따라 확장되고 성장하기 때문에 이를 에피택셜층이라고 합니다(두께는 보통 수 마이크론이며, 실리콘을 예로 들면 실리콘 에피택셜 성장이란 특정 결정 방향을 가진 실리콘 단결정 기판 위에 기판과 동일한 결정 방향을 가지면서 격자 구조의 완전성이 좋고 저항과 두께가 다른 결정층을 성장시키는 것을 의미합니다). 에피택셜층이 형성된 기판을 에피택셜 웨이퍼라고 합니다(에피택셜 웨이퍼 = 에피택셜층 + 기판). 소자를 에피택셜층 위에 제작하는 것을 정방향 에피택시라고 하고, 소자를 기판 위에 제작하는 것을 역방향 에피택시라고 합니다. 이 경우 에피택셜층은 지지 역할만 합니다.
광택 웨이퍼
에피택셜 성장 방법
분자빔 에피택시(MBE): 초고진공 조건에서 수행되는 반도체 에피택시 성장 기술입니다. 이 기술에서는 원료 물질을 원자 또는 분자 빔 형태로 증발시켜 결정질 기판 위에 증착합니다. MBE는 증착된 물질의 두께를 원자 수준에서 정밀하게 제어할 수 있는 매우 정확하고 제어 가능한 반도체 박막 성장 기술입니다.
금속유기화학기상증착(MOCVD): MOCVD 공정에서는 필요한 원소를 포함하는 유기 금속과 수소화물 가스(N₂)가 적절한 온도에서 기판에 공급되어 화학 반응을 통해 필요한 반도체 재료를 생성하고 기판에 증착시키며, 잔류 화합물과 반응 생성물은 배출됩니다.
기상 증착(VPE): 기상 증착은 반도체 소자 생산에 널리 사용되는 중요한 기술입니다. 기본 원리는 원소 또는 화합물의 증기를 운반 기체에 담아 이동시키고, 화학 반응을 통해 기판 위에 결정을 증착하는 것입니다.
에피택시 공정은 어떤 문제를 해결합니까?
대량의 단결정 소재만으로는 다양한 반도체 소자 제조에 필요한 수요를 충족할 수 없습니다. 따라서 1959년 말, 박막 단결정 소재 성장 기술인 에피택시 성장법이 개발되었습니다. 그렇다면 에피택시 기술은 재료 과학 발전에 구체적으로 어떤 기여를 했을까요?
실리콘의 경우, 실리콘 에피택셜 성장 기술이 처음 등장했을 당시에는 고주파 고출력 실리콘 트랜지스터 생산에 상당한 어려움이 있었습니다. 트랜지스터 원리상 고주파 고출력을 얻으려면 컬렉터 영역의 항복 전압이 높아야 하고 직렬 저항은 작아야 합니다. 즉, 포화 전압 강하가 작아야 합니다. 전자를 위해서는 컬렉터 영역 재료의 저항률이 높아야 하지만, 후자를 위해서는 컬렉터 영역 재료의 저항률이 낮아야 합니다. 이 두 가지는 서로 상충됩니다. 직렬 저항을 낮추기 위해 컬렉터 영역 재료의 두께를 줄이면 실리콘 웨이퍼가 너무 얇아져 가공하기 어려워집니다. 반대로 재료의 저항률을 낮추면 첫 번째 요구 조건을 충족할 수 없습니다. 그러나 에피택셜 기술의 발전으로 이러한 어려움이 해결되었습니다.
해결책: 매우 낮은 저항을 가진 기판 위에 높은 저항을 가진 에피택셜 층을 성장시키고, 이 에피택셜 층 위에 소자를 제작한다. 이 높은 저항을 가진 에피택셜 층은 튜브의 높은 항복 전압을 보장하는 동시에, 낮은 저항을 가진 기판은 기판의 저항을 감소시켜 포화 전압 강하를 줄임으로써 두 가지 상충 관계를 해결한다.
또한, GaAs 및 기타 III-V, II-VI 등의 분자 화합물 반도체 소재의 기상 에피택시(VPE) 및 액상 에피택시(LPE)와 같은 에피택시 기술이 크게 발전하여 대부분의 마이크로파 장치, 광전자 장치, 전력 소자 생산의 기반이 되고 있습니다. 특히 분자빔 에피택시(MBE) 및 금속유기 기상 에피택시(MOCVE) 기술을 박막, 초격자, 양자 우물, 변형 초격자, 원자 수준 박막 에피택시에 성공적으로 적용한 것은 반도체 연구의 새로운 장을 열었으며, 이 분야의 "에너지 벨트 엔지니어링" 발전에 견고한 토대를 마련했습니다.
실제 응용 분야에서 광대역 반도체 소자는 거의 항상 에피택셜 층 위에 제작되며, 실리콘 카바이드 웨이퍼 자체는 기판 역할만 합니다. 따라서 에피택셜 층 제어는 광대역 반도체 산업에서 중요한 부분입니다.
에피택시 기술의 7가지 주요 기술
1. 높은(낮은) 저항의 에피택셜 층은 낮은(높은) 저항의 기판 위에 에피택셜 방식으로 성장시킬 수 있다.
2. N(P)형 에피택셜 층은 P(N)형 기판 위에 에피택셜 성장시켜 PN 접합을 직접 형성할 수 있다. 확산법을 이용하여 단결정 기판 위에 PN 접합을 형성할 때 보상 문제가 발생하지 않는다.
3. 마스크 기술과 결합하여 지정된 영역에서 선택적 에피택셜 성장을 수행함으로써 특수 구조를 가진 집적 회로 및 장치 생산을 위한 조건을 조성합니다.
4. 도핑의 종류와 농도는 에피택셜 성장 과정 중 필요에 따라 변경할 수 있다. 농도 변화는 급격한 변화 또는 완만한 변화로 이루어질 수 있다.
5. 이 기술은 이질적인 다층 구조의 다성분 화합물과 다양한 성분을 가진 초박막층을 성장시킬 수 있습니다.
6. 에피택셜 성장은 재료의 융점보다 낮은 온도에서 수행할 수 있고, 성장 속도를 제어할 수 있으며, 원자 수준의 두께를 갖는 에피택셜 성장을 달성할 수 있습니다.
7. GaN, 3원 및 4원 화합물의 단결정층 등 인발 방식으로는 성장시킬 수 없는 단결정 재료를 성장시킬 수 있습니다.
게시 시간: 2024년 5월 13일