에피택셜 층은 반도체 소자에 어떻게 도움이 되나요?

에피택셜 웨이퍼라는 이름의 유래

먼저, 간단한 개념을 대중화해 보겠습니다. 웨이퍼 준비는 기판 준비와 에피택셜 공정이라는 두 가지 주요 단계로 구성됩니다. 기판은 반도체 단결정 소재로 만들어진 웨이퍼입니다. 이 기판은 웨이퍼 제조 공정에 직접 투입되어 반도체 소자를 생산할 수도 있고, 에피택셜 공정을 통해 가공되어 에피택셜 웨이퍼를 생산할 수도 있습니다. 에피택시는 절단, 연삭, 연마 등의 정밀 가공을 거친 단결정 기판에 새로운 단결정 층을 성장시키는 공정을 말합니다. 새로운 단결정은 기판과 동일한 소재일 수도 있고, 다른 소재(균일 에피택시 또는 헤테로 에피택시)일 수도 있습니다. 새로운 단결정 층이 기판의 결정상에 따라 확장되고 성장하기 때문에 에피택셜 층(두께는 보통 수 마이크론이며, 실리콘을 예로 들면 실리콘 에피택셜 성장이란 특정 결정 방위를 가진 실리콘 단결정 기판 위에 성장하는 것을 의미한다. 격자 구조의 무결성이 양호하고 기판과 동일한 결정 방위를 가지며 저항률과 두께가 다른 결정 층이 성장된다.)이라고 하며, 에피택셜 층이 있는 기판을 에피택셜 웨이퍼(에피택셜 웨이퍼 = 에피택셜 층 + 기판)라고 한다. 에피택셜 층 위에 소자를 만들면 양성 에피택시라고 하고, 기판 위에 소자를 만들면 역 에피택시라고 한다. 이때 에피택셜 층은 지지 역할만 한다.

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 기판에 증착합니다. MBE는 증착되는 물질의 두께를 원자 수준에서 정밀하게 제어할 수 있는 매우 정밀하고 제어 가능한 반도체 박막 성장 기술입니다.
금속 유기 CVD(MOCVD): MOCVD 공정은 필요한 원소를 함유한 유기 금속과 수소화물 가스 N2가 적절한 온도에서 기판에 공급되어 화학 반응을 일으켜 필요한 반도체 물질을 생성하고, 기판에 증착시키는 동시에 나머지 화합물과 반응 생성물은 배출합니다.
기상 에피택시(VPE): 기상 에피택시는 반도체 소자 생산에 널리 사용되는 중요한 기술입니다. 기본 원리는 원소 물질이나 화합물의 증기를 캐리어 가스로 운반하고 화학 반응을 통해 기판에 결정을 증착하는 것입니다.

에피택시 공정은 어떤 문제를 해결합니까?

벌크 단결정 재료만으로는 다양한 반도체 소자 제조에 대한 증가하는 수요를 충족할 수 없습니다. 따라서 1959년 말, 박막 단결정 재료 성장 기술인 에피택셜 성장이 개발되었습니다. 그렇다면 에피택시 기술은 재료 발전에 구체적으로 어떤 기여를 할까요?

실리콘의 경우, 실리콘 에피택셜 성장 기술이 처음 시작되었을 당시는 실리콘 고주파 및 고전력 트랜지스터 생산에 있어 매우 어려운 시기였습니다. 트랜지스터 원리의 관점에서 볼 때, 고주파 및 고전력을 얻으려면 컬렉터 영역의 항복 전압이 높아야 하고 직렬 저항은 작아야 합니다. 즉, 포화 전압 강하가 작아야 합니다. 전자는 컬렉터 영역의 재료 저항률이 높아야 하는 반면, 후자는 컬렉터 영역의 재료 저항률이 낮아야 합니다. 이 두 가지 조건은 서로 상충됩니다. 직렬 저항을 줄이기 위해 컬렉터 영역의 재료 두께를 얇게 하면 실리콘 웨이퍼가 너무 얇아지고 깨지기 쉬워 가공이 어려워집니다. 재료 저항률을 낮추면 첫 번째 요구 조건에 위배됩니다. 그러나 에피택셜 기술의 발전은 이러한 어려움을 해결하는 데 성공했습니다.

해결책: 매우 낮은 저항 기판에 고저항 에피택셜층을 성장시키고, 이 에피택셜층 위에 소자를 제작합니다. 이 고저항 에피택셜층은 진공관의 높은 항복 전압을 보장하는 동시에, 낮은 저항 기판은 기판의 저항을 낮춰 포화 전압 강하를 줄여 이 둘 사이의 모순을 해결합니다.

또한, GaAs 및 기타 III-V, II-VI 및 기타 분자 화합물 반도체 재료의 기상 에피택시 및 액상 에피택시와 같은 에피택시 기술 또한 크게 발전하여 대부분의 마이크로파 소자, 광전자 소자, 전력 소자 생산에 필수적인 공정 기술로 자리 잡았습니다. 특히 분자 빔 및 금속 유기 기상 에피택시 기술을 박막, 초격자, 양자 우물, 변형 초격자, 원자 수준의 박막 에피택시에 성공적으로 적용한 것은 반도체 연구의 새로운 진전입니다. 이 분야에서 "에너지 벨트 엔지니어링"의 발전은 탄탄한 기반을 마련했습니다.

실제 응용 분야에서 와이드 밴드갭 반도체 소자는 거의 항상 에피택셜층 위에 제작되며, 실리콘 카바이드 웨이퍼 자체는 기판 역할만 합니다. 따라서 에피택셜층 제어는 와이드 밴드갭 반도체 산업에서 중요한 부분입니다.

에피택시 기술의 7가지 주요 기술

1. 높은(낮은) 저항 에피택셜 층은 낮은(높은) 저항 기판에 에피택셜 성장될 수 있습니다.
2. N(P)형 에피택셜층은 P(N)형 기판 위에 에피택셜 성장되어 PN 접합을 직접 형성할 수 있습니다. 단결정 기판 위에 확산법을 사용하여 PN 접합을 형성할 경우 보상 문제가 발생하지 않습니다.
3. 마스크 기술과 결합하여 지정된 영역에서 선택적 에피택셜 성장을 수행하여 특수 구조의 집적 회로 및 소자를 생산할 수 있는 환경을 조성합니다.
4. 도핑의 종류와 농도는 에피택셜 성장 공정 중 필요에 따라 변경될 수 있습니다. 농도 변화는 급격하거나 완만할 수 있습니다.
5. 이종, 다층, 다성분 화합물 및 다양한 성분을 갖는 초박막을 성장시킬 수 있습니다.
6. 에피택셜 성장은 재료의 녹는점보다 낮은 온도에서 수행될 수 있으며, 성장 속도를 제어할 수 있고, 원자 수준의 두께의 에피택셜 성장을 달성할 수 있습니다.
7. GaN, 3차, 4차 화합물의 단결정층 등, 인장할 수 없는 단결정 재료를 성장시킬 수 있습니다.