4.2. 실리콘 웨이퍼 및 실리콘 도핑(doping)

Czochralski(CZ) 공정

• 가장 널리 사용되는 실리콘 단결정 성장 방법.
• 폴리 실리콘을 도가니에서 녹인 후 고순도의 실리콧 seed crystal을 용융된 실리콘에 천천히 담그고 회전시키면서 끌어올려 단결정을 형성
• seed crystal은 정해진 방향으로 결정체가 성장하도록 유도하며 긴 원통형의 단결정 실리콘 봉이 생성되는데, 이를 ingot이라 한다.

 

300mm 웨이퍼 도입은 단위 칩당 제조 비용을 줄이는데 중요한 역할을 했다. 웨이퍼 크기가 커지면서 이를 처리할 수 있는 포토리소그래피 장비, 에칭 장비, 증착 장비 등이 함꼐 발전했다.

 

실리콘 도핑

도핑은 반도체 소자의 전기적 특성을 조절하기 위해 반도체 기반에 불순물 원자(dopant)를 추가하여 전기 전도도를 조절하는 과정이다. 이를 통해 n형과 p형 반도체가 형성되며, 트랜지스터와 다이오드 같은 소자에서 중요한 역할을 한다.

도핑에는 확산법(Diffusion), 이온주입(Ion Implantation), 기체상 도핑(Gas Phase Doping)등으로 나눌 수 있다

(1) Acceptor Impurities (수용체 불순물, P형)

• Group III 원소로, 실리콘보다 전자 하나가 부족한 원소들이다.
• 실리콘 결정에 첨가되면 전자보다 정공(hole)을 더 많이 생성하여 P형 반도체를 형성.
• 주요 원소:
  • Boron (5번): 가장 일반적으로 사용됨.
  • Aluminum (13번), Gallium (31번), Indium (49번)도 사용 가능.

(2) Semiconductor (반도체 재료)

• Group IV 원소로, 실리콘(Silicon, 14번)이 가장 널리 사용된다.
• 다른 Group IV 원소인 탄소(Carbon, 6번), 게르마늄(Germanium, 32번), 주석(Tin, 50번)도 반도체 재료로 사용 가능하나, 실리콘이 주로 사용된다.

(3) Donor Impurities (공여체 불순물, N형)

• Group V 원소로, 실리콘보다 전자 하나가 더 많은 원소들이다.
• 실리콘 결정에 첨가되면 자유 전자를 생성하여 N형 반도체를 형성.
• 주요 원소:
  • Phosphorus (15번): 가장 일반적으로 사용됨.
  • Arsenic (33번), Antimony (51번)도 사용 가능.

 

이 그래프는 도핑 농도(Dopant Concentration)와 전기 저항(Electrical Resistivity) 간의 관계를 보여준다. 이를 통해 N형 및 P형 반도체의 특성을 이해할 수 있다.

 

1. 축의 의미

• X축 (Electrical Resistivity, ohm-cm):
  • 반도체의 전기 저항을 나타냄. 값이 작을수록 전류가 쉽게 흐르고, 값이 클수록 전류 흐름이 어렵다.
• Y축 (Dopant Concentration, atoms/cm³):
  • 단위 부피당 첨가된 도핑 원소의 농도.
  • 값이 클수록 더 많은 도핑 원소가 첨가되었음을 의미한다.

2. 그래프의 특징

• 그래프는 N형과 P형 반도체로 나뉘며, 도핑 농도에 따라 전기 저항이 변하는 양상을 보여준다.
• 도핑 농도가 높아질수록 :
  • 전기 저항(X축 값)이 낮아진다.
  • 도핑 농도가 높아지면 더 많은 자유 전자(N형) 또는 정공(P형)이 생성되어 전류가 더 쉽게 흐른다.
• 도핑 농도가 낮아질수록 :
  • 전기 저항(X축 값)이 증가한다.
  • 자유 전자나 정공의 수가 줄어들어 전류 흐름이 어려워지기 때문.

 

• 5가의 불순물을 첨가하여 Excess electron(-)를 생기게 하여 n-type 반도체의 특성을 부여하였다.
• 만약 Boron을 첨가하면 3가의 불순물(dopant)를 첨가하게 되는 것이므로 정공(hole)을 생기게 하여 p-type 반도체의 특성을 부여하게 된다.

 

 

 

 

 

확산법(Diffusion Doping)

 

1) Deposition Step (증착 단계)

• 웨이퍼 표면에 dopant dispenser(도핑 물질 분배기)를 통해 불순물(dopant)을 균일하게 증착.
• 이 단계에서 웨이퍼 표면에 dopant layer(도핑층)이 형성된다.

2) Drive-in & Diffusion Step (확산 단계)

• 웨이퍼를 고온에서 가열하여 증착된 도핑 원소가 실리콘 기판 내부로 확산.
• 도핑 원소가 웨이퍼의 실리콘 격자 구조 안으로 균일하게 침투하여 필요한 농도와 분포를 형성한다.

3) Activation Step (활성화 단계)

• 확산된 도핑 원소가 실리콘 격자 내에서 자리를 잡아 활성화되며, 전기적 특성을 부여.
• N형 도핑(P, As) 또는 P형 도핑(B) 원소가 전자나 정공을 생성해 반도체의 전기적 성질을 제어.

 

이온 주입법(Ion Implantation)

• 전기적으로 가속된 불순물 이온을 실리콘 기판에 충돌시켜 기판 내부에 도핑하는 방식.
• 도핑 농도를 매우 정밀하게 제어 가능하여 현대 반도체 소자에서 널리 사용

1) 도펀트 이온화

• 기체상태의 도펀트를 플라즈마 상태로 이온화

2) 이온 가속 및 주입

• 전기장을 이용해 이온을 가속한 후, 고에너지 상태로 실리콘 기판에 충돌시켜 깊이를 제어
• 이온의 에너지를 조절해 도핑 깊이를 조절하며, 낮은 에너지에서는 얕게, 높은 에너지에서는 깊게 도핑

3) 어닐링

• 주입된 이온이 실리콘 격자 내에서 활성화되도록 열처리를 진행
• 기판 내부의 격자 결함을 복구하고 전기적 특성을 조절