반도체 8대 공정 - Doping 공정 (9)

지난 시간에 이종에피로 인해 기판과 에피 성장된 막간 발생하는 스트레스에 대하여 알아보았습니다.

이번 시간에 더 자세하게 알아보겠습니다.

 

기판보다 격자 상수가 큰 경우 에피막은 압축응력(compressive stress)을 받게 되고, 기판보다 격자 상수가 작은 경우에는 인장응력(tensile stress)을 받게 됩니다. 성장된 막이 두꺼워질수록 응력이 커지게 되는데, 그 힘에 의해 기판(웨이퍼)이 휘거나 심한 경우 깨지기도 합니다. 또한, 기판과 격자 상수의 차이가 클 경우 기판의 결정성을 에피막이 유지할 수 없기 때문에 에피택시 성장이 되지 않습니다. 보통 약 5~10% 격자 상수의 차이 내에서 에피막이 성장되며 그 이상의 차이나 나는 경우 에피막이 아닌 박막이 성장됩니다. 이는 에피 성장의 메커니즘의 관점에서 설명될 수 있는데, 결정성을 가진 막의 표면에서 나타나는 현상에서 표면에 소스가 흡착되어 성장하는 것보다 kink나 terrace에 소스가 흡착될 경우 주변에 원자가 더 많이 모여있기 때문에 결합을 하여 bonding이 될 때 더 안정한 상태가 됩니다. 따라서 에피성장은 주로 kink와 terrace를 따라서 이루어지는데, 성장되는 물질의 격자상수가 큰 경우 기판의 격자가 작은 상태의 원자배열을 따라가지 못해 bonding이 되지 못하고 그다음 원자와 bonding 하게 됩니다. 이럴 경우 기판의 표면 원자가 bonding을 하지 못하고 결점(defect)이 형성되는데 이를 misfit dislocation이라고 합니다. misfit dislocation이 적정 수준 이내 형성이 되면 에피 성장된 막은 기판의 결정성을 가지고 성장되지만 어느 수준을 넘어서면 에피 성장이 일어나지 않게 됩니다. 결국 격자 상수의 차이가 커지면 misfit dislocation이 많아지므로 에피성장이 방해되기 때문에 격자 상수의 차이가 크지 않은 물질이 에피성장될 수 있습니다.

 

 

PMOS의 Si-Ge 에피 성장

 

실리콘 반도체에서 에피성장이 사용되는 곳이 PMOSFET의 소스와 드레인 단자인데, 실리콘 위에 Si-Ge을 이종에피 성장을 시켜서 소스와 드레인 사이의 채널 영역에 stress를 유발하는 것이 목적입니다. 실리콘보다 Ge의 원자 크기가 크고 격자 상수가 크기 때문에 실리콘 자리에 Ge이 들어가면 부피가 팽창합니다.  실리콘에 Ge이 많이 들어갈수록 격자상수가 더 커지는데, Ge의 비율이 높아질수록 부피가 더 커지게 됩니다. 동일한 공간에 실리콘과 동일한 원자 수의 Si-Ge가 이종성장될 경우 부피 팽창으로 인해 주변에서는 압축 응력(compressive stress)을 받게 됩니다.

 

 

PMOS의 Si-Ge 에피 성장에 대하여는 다음 게시물에서 더욱 자세하게 알아보겠습니다.