1. 반도체 Wafer 공정) 실리콘이 반도체로 쓰이는 이유, 왜 P, B, As가 Si의 도핑 소스로 사용될까?

모래에서 Si Wafer로 만들어 봤습니다. 만드는 과정은 다음과 같았죠.

 

1. 모래에 매우 큰 열을 가하여 Si 가스를 만들었습니다.

 

2. Si 가스를 정제시키고, 이 가스를 지멘스 방법을 이용하여 고순도 다결정 Poly Si를 제작하였습니다. 

 

3. 고순도 다결정 Poly Si를 다시 녹여, 쵸크랄스키 방법으로 고순도 단결정 Si Ingot을 제작하였습니다.

 

4. Si Ingot을 다이아몬드 칼로 Slicing 하여 7mm 정도의 얇은 Si Wafer가 탄생합니다. 

위 Si Wafer을 가공하고 또 가공하여 Transistor, RAM, NAND 소자를 만듭니다.

 

위 과정을 까먹으셨거나 잘 모르신다면, 바로 아래 두 링크를 참고해 주세요.

 

2022.10.10 - [반도체 공학/1. Wafer] - 0. 반도체 공정 Intro, 고순도 실리콘의 탄생 (feat. 지멘스 방법)

0. 반도체 공정 Intro, 고순도 실리콘의 탄생 (feat. 지멘스 방법)

2022.10.11 - [반도체 공학/1. Wafer] - 1. 반도체 Wafer 공정 (feat. 쵸크랄스키 방법)

1. 반도체 Wafer 공정 (feat. 쵸크랄스키 방법)

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많고 많은 물질 중에 왜 '실리콘'을 이용하여 반도체 소자를 만들까요?

Why Si?

이유는 다음과 같습니다.

1. 모래의 주성분이기 때문에 엄청 싸고, 또 많습니다.

SiO2(모래)에서 O2를 빼면 Si이니까요.

 

2. 고품질의 절연막을 얻기 매우 용이합니다.

Si에 열 산화를 하면 다시 SiO2(절연막)가 됩니다. 이 SiO2의 품질, 기능이 엄청 좋아요.

 

3. 에너지 밴드갭이 1.12eV로, 타 물질에 비해 높습니다. 

따라서, 높은 온도에서 사용이 가능합니다. 

- 에너지 밴드갭이 작으면 높은 온도에서 원하지 않은 전자-정공쌍이 형성되기 때문에, 원하지 않은 상황에서 반도체가 동작할 수 있습니다.

4. 다이아몬드 구조로, 기계적 강도가 뛰어납니다. 

Si Wafer 위에 박막 및 metal을 쌓아야 합니다. 이 무게들을 잘 견딥니다. 

 

5. Dopant solid solubility가 10^21/cm^3으로, 매우 높은 도핑이 가능합니다. 

반도체는 원래 '부도체'이지만, Dopant를 넣어 전기가 통하게 만들 수 있습니다. 

*Dopant solid solubility는 도핑할 수 있는 최고의 도핑량을 의미합니다. 

Si의 Atomic density는 5 x 10^22/cm^3으로, Si 원자 50개 중 하나를 다른 dopant로 대체할 수 있습니다. 

 

6. Si 기판의 녹는점이 1414도로, 고온을 견딜 수 있어 차후 고온 공정에 있어 큰 제약이 없습니다. 

 

 

Si dopant solid solubility limit

Si의 dopant solid solubility limit을 나타낸 그림입니다.  

 

왜 수많은 가스 원자 중 P, B, As가 Si의 도핑 소스로 사용될까? 에 대한 답도 여기서 나옵니다. 

1. P, As, B가 Si에 잘 주입되기 때문입니다.

 

2. P, As, B의 이온화에너지가 낮기 때문입니다. 

*이온화에너지란 전자가 가전자대에서 전도대로 점프할 때 필요한 에너지로, 낮을수록 좋습니다.

구체적인 내용은 바로 아래 링크에 있습니다. 

2022.10.19 - [반도체 공학/반도체 물성 이론] - 반도체 물성과 소자) 4. 평형 상태의 반도체(p형과 n형 도핑 원소를 왜 B(붕소), P(인)을 사용할까?)

출처 : Neamen의 반도체 물성과 소자