1. 반도체 Wafer 공정 (feat. 쵸크랄스키 방법)

저번 포스팅에서는 '모래'에서 '고순도 다결정 실리콘'이 되는 과정을 설명하였습니다.

요약을 해 드리자면 다음과 같습니다. 

 

모래는 아크 방전로에서 탄소와 반응하여 '실리콘'을 형성시키고, 실리콘을 가스화 공정을 통해 '실란 가스'로 기체화 시킵니다. 실란 가스를 화학 공장에서 '증류 방법'으로 정제를 하여 고순도 기체 실란 가스를 만듭니다. 그 후, 지멘스 방법으로 고순도 다결정 고체 실리콘을 만듭니다.

 

2022.10.10 - [전자공학/반도체 공정] - 고순도 실리콘의 탄생 (feat. 지멘스 방법)

고순도 실리콘의 탄생 (feat. 지멘스 방법)

 

'다결정'은 grain boundry가 많아 전자 이동의 장애물 역할을 합니다. 

결정이 정렬되어 있는 '단결정'을 만들어 grain boundry를 없애줘야 합니다.

 

즉 '고순도 단결정 실리콘'이 되는 것이 목표이지요. 

 

따라서 '쵸크랄스키 방법'을 통해 단결정 실리콘 ingot을 만듭니다. 

쵸크랄스키 방법 

쵸크랄스키 방법, 출처 : Sciencedirect

그림과 함께 글 내용을 보며 단계를 이해해 주시면 훨씬 편하십니다. 

쵸크랄스키 공정 단계

1. Furnace 도가니에 고순도 Poly(다결정) 실리콘을 녹입니다. 

2. 매우 작은 외부 단결정 실리콘(seed라고 합니다)을 seed holder에 장착시킵니다.

3. Seed를 내려서 도가니의 고순도 액체 poly 실리콘과 접촉을 시킵니다.

4. Seed가 열을 받아 적당히 녹게 되어 말랑말랑해지면, seed holder를 위로 올립니다.

5. 열이 뺏기면서 액체가 굳어 고체가 되며, 굳을 때 seed 단결정 구조에 맞춰서 굳게 되어 단결정 Ingot이 형성되게 됩니다.

쵸크랄스키 방법, 출처 : Sciencedirect

 

Ingot 사진 (아랫 부분은 slice한 ingot입니다.)

쵸크랄스키 도핑 과정

Ingot Si는 전류가 흐르지 않습니다. 따라서 '도핑'이라는 것을 해줘야 합니다. (nmos, pmos 구조 참고)

CMOS에서 대부분 P-type Si wafer을 쓰는 것을 보셨을 겁니다.

 

Poly-Si 용액에서 원하는 도핑 물질(dopant)을 첨가해서 쵸크랄스키 공정을 진행합니다. 

하지만, '편석 계수'의 차이로 인해서 ingot 위치마다 도핑 농도가 다르게 됩니다.

 

위 편석 계수 관련하여 해석을 쉽게 해드리자면, 대부분 dopant들은 고체보다 액체에 있고 싶어하는 성질이 크기 때문에 농도보다 크기 때문에 공정이 진행될수록(고체화가 될 수록) 용액 내의 dopant가 많아져 아래 Si의 도핑 농도가 커지게 됩니다.

이 때문에 공정이 진행되면서 고순도 Poly Si를 계속적으로 첨가시켜 도핑 농도를 같게 합니다. 

 

쵸크랄스키의 단점은 다음과 같습니다. 

'SiC 도가니'를 사용하기 때문에 탄소 불순물이 포함 되어있습니다.

즉, 불순물을 줄이는 데에 있어 한계가 있습니다.

 

Float-Zone Refining 방법

이 방법은 상용화가 어렵기 때문에 간단하게만 설명해드리고 넘어가겠습니다. 

이 같은 경우는 쵸크랄스키 방법과 매우 흡사하지만, 도가니 대신 RF coil을 이용하여 고순도 단결정 실리콘을 만드는 공정입니다. 

순도가 매우 높지만, '대구경'을 만들지 못하여 상용화가 어렵다는 것이 매우 큰 단점입니다. 

따라서 대중적으로 쵸크랄스키 방법을 사용합니다. 

 

 

중성자 방사법

웨이퍼를 도핑하는데 Poly Si를 계속 첨가하는 게 너무 귀찮은데?

이럴 때 중성자 방사법을 통해 거의 변함없는 도핑 농도를 가진 웨이퍼를 얻을 수 있습니다.

실리콘(30/14)이 중성자를 얻으면, 실리콘(31/14)이 됩니다. 그 후, 실리콘은 베타 ray를 방출하며 P(31/15)가 됩니다.