박막공학 [3] Defect/ 불순물/ 고용 포화도(Solid Solubility)

 

박막공학 [2] 반도체의 Band 구조와 Mobility

 

 

1. Defect (결함)

물질 Defect의 종류

 

물질에는 다양한 종류의 Defect이 존재한다.

 

1-1. 결함의 영향

 결함은 물질에 많은 영향을 끼친다.

 

 

1) Defect의 Energy Level이 Eg 중앙에 위치할 경우, Recombination이 많이 일어날 수 있다.

 

 recombination이 많이 일어나면, 전자와 정공을 잡아당겨 재결합을 시키고 이로 인해 전자 - 정공 쌍의 수명이 짧아져 광센서, 태양 전지, LED 등의 효율이 급감한다. 또한, Breakdown의 위험이 커지고, 전류 누설이 증가할 수 있다.

 

2) 유용 불순물과 불유용 불순물을 포획하여 전기적 특성을 바꿀 수 있다.

 

3) Defect들은 전자와 정공을 Scattering 시켜 물질의 Mobility를 낮춰 소자의 특성을 저하

 

4) 불순물의 확산 통로로 이용될 수 있다.

 

 불순물은 Defect을 타고 빠르게 확산므로, 불순물들이 물질에 쉽게 확산되는 통로로 사용될 수 있다.

 

 

2. 불순물의 종류 (유용, 불유용, GaAs형)

 

 박막 공학에서 불순물은 박막 재료에 영향을 미치는 중요한 요소로, 의도적으로 첨가되거나(Doping) 공정 중 의도치 않게 유입되기도 한다. 불순물은 크게 2가지 종류로 나눌 수 있다.

 

유용 불순물 (Useful Impurities)	- 박막의 물리/전기/ 광학적 특성을 개선하거나 조절하는데 사용되는 불순물로, 도핑 공정에서 주로 사용된다.   - 치환형(Sub 형) 불순물로, 확산 속도가 낮은 것이 특징이다.  ex) N형 반도체의 경우 5족 유용 불순물을, P형 반도체의 경우 3족 불순물을 첨가한다.
불유용 불순물 (Harmful Impurities)	- 박막의 성질을 저해하거나 불필요한 결함을 유발하는 불순물로, 공정 중 오염에 의해 혼입될 수 있다. - 보통 침입형(Int 형) 불순물로, 결정 구조에 결함을 생성하여 전기적 특성을 저하시키며 박막의 균일도를 낮춘다. ex) H, O, C 등의 오염으로 발생한다.
cf. GaAs형 불순물	- GaAs 반도체에서 흔히 문제를 일으키거나 전기적 특성을 결정하는 불순물로, Si와 다른 도핑 매커니즘과 불순물의 영향을 받는다. - N형 불순물로는 S, Se, Te(6족원소), P형 불순물로는 2족원소 Zn, Cd, Be, Mg가 존재한다.

 

 

 

 

 Band Gap(Eg)와 불유용/ 유용 불순물의 관계에 대해 알아보자. Band Gap이 Si와 비슷한 경우, N 혹은 P type의 dopant로 사용될 수 있다. 그러나, 불순물의 Eg가 Si의 Band Gap의 중간에 위치할 수록 들어갈 경우, Recombination이 많이 일어나는 불유용 불순물로 작동한다.

 

 거의 모든 금속 불순물은 불유용 불순물로 deep impurity level을 가진다. 이러한 deep level impurity는 주위의 전자와 정공을 포획하여 없애는 Recombination Center로 작용한다. 즉, 누설 전류를 증가시키고 소자의 특성에 악영향을 주기 때문에 모든 금속 불순물은 ppb 단위로 정제된다.

 

Recombination 하는 모습

 

정리한 내용이다

 

 

2-1. 원자번호와 확산

Q. 원자 번호가 높으면 확산이 낮을까?
A. 그렇지 않다.

 

확산이 잘 일어나기 위해서는 크게 2가지 조건이 필요하다.

 

<확산이 잘 일어나기 위한 조건>

 

① 물질 내를 얼마나 잘 비집고 들어갈까?

② 물질 안에서의 크기가 어떠한가?

 

 

 물질이 양이온화를 할 경우 크기가 크게 줄기 때문에 원자번호가 크다고 반드시 확산이 낮은 것은 아니다.

 

 

3. 고용 포화도(Solubility Limit)

고용포화도 
: 특정 온도에서 고용체(Solid Solution) 내에 용질 원자가 최대로 용해될 수 있는 한계치를 의미한다. 즉, 어떤 물질(Solute)이 다른 물질(용매, Solvent)에 고용될 수 있는 최대 농도를 의미한다.

 

 

 고용 포화도에 대해 알기 위해서 고용체(Solid Solution)의 개념에 대해 알아야 한다.

 

고용체 (Solid Solution)

고용체
: 두 개 이상의 원소가 균일하게 섞여있는 고체 상태의 혼합물

 

 특정 원소가 고용체에서 고용포화도를 초과하여 첨가하면, 제 2상(Second Phase)으로 분리된다.

 

3-1. 고용포화도와 온도의 관계

 

온도 - 고용포화도 사이의 관계

 

 고용포화도는 일반적으로 온도가 증가할 때 증가하나, 특정 온도 이상에서는 감소할 수 있다. 이는 Dopant의 Desorption(탈리)나 응집(Cluster Formation)으로 인한 결과이다.

 

 위 그래프 상에서 원소 P를 보자. 1400도까지는 고용도가 증가하다가 그 이후부터는 고용 포화가 일어나가 감소하는 것을 확인 할 수 있다.

 

도펀트의 탈리(Desorption)	- 고온에서는 고체 내 용질 원자가 고용되는 대신, 표면으로 확산하여 빠져나갈 가능성이 증가.  특히, 반도체 공정에서는 특정 온도를 초과할 경우 dopant 원자가 기화하여 증발하거나 표면에서 제거된다.
도펀트의 응집(Cluster Formation)	- 특정 온도 이상에서는 도펀트 원자가 더이상 개별 원자로 고용되지 않고, 클러스터나 제 2상의 형태로 응집하여 분리된다.

 

3-2. Resistivity와 Dopant Density 그래프 분석

 Resistivity와 Dopant Density 간의 관계 그래프를 통해, 고용 포화도를 이해할 수 있다.

 

위 그래프의 x축은 Resistivity(저항률), y축은 Dopant Density(도펀트의 농도)이다. 두 곡선은 각각 P(n형), B(p형)으로, 도펀트의 농도가 높을수록, 자유 전자의 수(N형) 또는 정공의 수(p형)가 증가하여, 전기전도도가 높아지고 Resistivity가 낮아진다.

 따라서, 일반적으로 Resistivity(저항률)은 도핑 농도에 반비례하는 경향을 보인다.

 

 도펀트의 농도가 특정값을 넘어서면, 위 그래프는 완만해 지는데, 이 지점이 고용포화도이다. 고용 포화도를 초과하면, 더이상 결정 구조에 도펀트가 녹아들지 못하고 inactivation, precipitation 등의 문제가 발생하며, 도핑 농도가 증가해도 저항률 감소 효과가 둔화된다.