박막공학 [1] 정의, 소재와 소자, 반도체의 분류와 집적도

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1. 박막공학이란?

박막 공학이란, 기판의 표면에 단층 혹은 다층의 박막을 형성하고 미세한 형태로 가공하여 재료의 기계적, 광학적, 전기적, 자기적, 열적 등의 기능을 만드는 기술이다.

현재 상품화된 거의 모든 소자(Device)는 박막 공학 기술을 이용한다.

2. 소재와 소자의 차이

소재(Materials)	물리적, 화학적 특성을 지닌 물질 자체를 의미 ex) Si, Ge, GaAs...
소자(Devices)	소재를 가공하거나 조합하여 만든 기능성 구조물로, 특성한 성능을 가짐 ex) Transistor, Solar Cell, Capacitors, LEDs
반도체는 문맥에 따라 소재와 소자의 의미를 둘 다 가진다.

3. 반도체의 종류

- 구성요소 별 분류

1) 순수 반도체: Si, Ge

2) 화합물: GaAs, GaN, InGaAs, InP

- 전기적 특성에 의한 분류

1) N형 반도체: '전자'에 의한 소자의 작동

2) P형 반도체: '정공'에 의한 소자의 작동

- 제품에 의한 분류

1) 개별 소자

- Diode: PN

- Transistor

- BJT, MOSFET, BICMOS

2) 집적 회로 = Chip

- Logic IC

- Linear IC

- Micro-processor(= CPU)

- Memory (= DRAM, SRAM, FRAM)

Memory	System IC
- '기억'과 관련	- '연산'과 관련

4. 집적도( Packing Density )

집적도는 단위 면적(또는 부피) 당 포함된 소자의 개수를 의미한다

반도체 산업에서 트랜지스터의 개수를 기준으로 사용되며, 집적도가 높을수록 더 작은 공간에 더 많은 기능을 구현할 수 있다. 또한, 성능 향상/ 소형화 기능/ 전력 효율 증가/ 제조 단가 절감 등의 효과가 있다. 소자의 미세화 정도는 보통 트렌지스터의 최소 형상(보통 gate Length) 크기를 의미하며 이를 Technology node라고한다. 이때, Technology node의 정의는 gate의 간격거리 pitch로 정의한다.

집적도를 높이는 방식으로는 Wafer 당 Net Die 개수를 증가시키거나, Chip의 Density(메모리 용량)을 증가시킴으로써 Cost 절감을 실현한다.

4-1. 무어의 법칙(Moore's Law)

Moore's Law(무어의 법칙)
: Intel의 CEO 고든 무어가 예측한 것으로, 반도체 Chip에 들어가는 Transistor의 개수가 2년마다 2배씩 증가한다는 내용이다.

무어의 법칙은 반도체의 '집적도'가 약 2년마다 2배 증가한다는 법칙이다. 현재는 물리적 한계와 공정 난이도의 증가로 인해 최근에는 성장이 둔화되고 있다. 반도체 기술의 발전은 소자의 미세화와 집적도의 증가로 설명할 수 있다.

5. Si ; 반도체 산업에서 가장 많이 사용되는 반도체 재료

실리콘(Si)이 반도체 산업에서 가장 널리 사용되는 이유가 무엇일까?

1. 화합물 반도체의 경우와 같이 decomposition의 우려가 없다.

화합물 반도체(Compound Semiconductor)
: 실리콘(Si) 같은 단일 원소 반도체와 달리, 두 가지 이상의 원소로 이루어진 반도체를 의미한다.
ex. GaAs, InP, GaN

Decomposition(분해)
: 고온에서 반도체 물질이 원소들로 분해되는 현상을 의미한다.

GaAs는 전자의 이동도가 높지만 고온에서 Ga와 As로 분해될 가능성있다. 그러나, Si는 고온에서 쉽게 분해되지 않는다.

Decomposition이 일어나면 상분리나 미세구조 등이 형성될 수 있는데, 이러한 상태에서는 처리속도가 낮아지고 mobility가 낮아진다. 즉, Si는 온도가 높아도 화합물이 안정적으로 유지된다는 뜻이다. 즉, 반도체 재료가 열/ 화학적으로 안정적이라는 의미이다.

2. Si는 Ge보다 큰 에너지 갭을 가지고 있다. Eg Si (1.2 eV) > Eg Ge (0.7eV)

반도체는 동작 중에 열이 발생하는데, 온도가 올라가면 전자가 쉽게 전도대로 이동하는데 밴드갭이 작은 Ge는 온도 변화에 취약하고 고온에서 전기적 특성이 변할 가능성이 크다. 그러나 Si는 높은 온도에서 안정되게 작동할 수 있다.

3. Si는 Ge, GaAs와는 달리 양질의 절연막(SiO2)를 갖는다.

현재 대부분의 IC회로는 MOS 구조이며, MOS 구조는 양질의 절연막이 필요한 소자이다. SiO2는 매우 양질의 절연막을 형성하는 반면, GeO2의 경우 불균일한 경우가 발생하며 GaAs는 각각 Ga와 As가 산화막을 형성하며 분리되는 부작용이 발생한다.

아래 그림은 Si, Ge, GaAs에서 절연막의 모습이다.

5-1. GaAs

GaAs의 장점은 무엇일까?

1. 전자 이동도가 Si보다 높아 빠른 작동 소자에 적합하다.

이동도(mobility)가 중요한 이유는 무엇일까?
: Chip의 구동 속도를 조절하는 반도체의 가장 큰 특성이 이동도이다.

2. Si은 indirect gap 반도체이지만 GaAs는 Direct Gap 반도체로 LED 등 광학소자에 적합하다.