2023. 6. 15. 00:01ㆍ반도체
이번 시간부터는 에피택시 성장법 (Epitaxial Growth, Epi)에 대하여 알아보겠습니다.
에피택시 성장법 (Epitaxial Growth, Epo)
에피택시 성장법은 최근 20 나노 이하 미세구조의 반도체에서 매우 중요한 공정 중 하나입니다. 과거에는 주로 화합물 반도체를 중심으로 단결정 기반의 고효율 고성능 광학 특성을 이용하기 위해 많이 사용되는 기술이었습니다. Si 기반 반도체에서도 소자가 작아지면서 물질 본질적인 특성의 한계를 극복하기 위해 사용하고 있습니다. 상업적으로 가장 에피택시 공정을 성공적으로 잘 사용하는 분야가 LED 광소자 분야입니다. 사파이어 기판에 질화갈륨을 에피 성장시켜서 발광소자로 사용하고 있습니다. 에피택시의 기본 원리와, 왜 소자가 작아지면서 에피공정을 도입하였는지, 에피택시의 특성적인 장점에 대하여 알아보겠습니다.
에피택시 공정
에피택시는 단결정의 기판 위에 막을 성장하는데, 성장된 막이 기판의 결정 구조 및 결정 방향이 동일하도록 단결정 막을 성장하는 것을 말합니다. 이렇게 성장시킨 막은 특성이 기판과 동등한 수준이며, 조건에 따라서는 품질이 더 좋은 막이 형성되는 경우도 있습니다. 이렇게 에피택시를 사용하면 기판과 동일한 결정을 얻을 수 있는데, 공정 도중 불순물을 첨가하여 성장하게 되면 원하는 농도의 불순물이 포함된 단결정을 얻을 수 있습니다. 또한, 성장시킨 막의 농도를 두께별로 바꾸거나 농도의 차이를 유발하면서 성장시킬 수 있기 때문에 소자의 juction 측면에서 매우 유용한 공정입니다.
기판과 동일한 물질로 성장시키는 경우 동종에피(Homo-epi)라 하고, 기판과 다른 물질로 성장시키는 경우 이종에피(Hetero-epi)라고 합니다. 에피택시 성장의 목적에 따라 동종에피와 이종에피의 방법으로 막을 성장시킬 수 있지만, 동종에피의 경우 앞서 설명한 바와 같이, 성장시키면서 불순물의 농도 조절이 필요한 경우 많이 사용하고, 이종에피의 경우 기판의 결정성을 바탕으로 다른 물질의 단결정 막을 성장할 경우 많이 사용합니다. 동종에피와 이종에피를 비교한 내용을 살펴보면, 실리콘 기판 위에 Si-Ge 물질을 성장시키는 이종에피의 방법으로 Si의 결정성을 바탕으로 Si-Ge 막이 성장됩니다. 이종에피는 기판과 물질이 달라지기 때문에 격자 상수(lattice constant)가 서로 다른 물질이 에피택시 성장하게 되고 그로 인해 기판과 에피 성장된 막 간에 스트레스가 발생하게 됩니다.
이러한 기판과 에피 성장 막 간 stress에 대한 내용은 다음 게시물에서 이어집니다.
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