박막공학 [5] Wafer의 제조, 단결정 성장 이론, 편석 계수 등

 

박막공학 [4] MOSFET의 구성과 작동 원리, 주요 term

 

1. Wafer의 제조 과정

Wafer는 반도체 제품의 가판으로, 고순도 정련 + 단결정 성장 + 평탄화 과정을 통해 제작되며 N형 혹은 P형으로 제작된다.

 

웨이퍼 제조 공정의 모식도

 

 

1-1. Si 순도 키우기 (고순도 Si)

 

 Si(실리콘)은 보통 자연 상태에서 암석이나 흙의 형태 (Ex. CaSiO3) 로 존재한다. 따라서 반도체 공정에 이를 쓰기 위해서는 환원과 불순물을 제거하는 과정이 필수적이다.

 

 

 무산소 환경에서 SiO2를 C( 탄소 )와 반응시킨 후 얻은 Si를 HCl(g)와 반응시킨 후 H2 (g) 로 불순물을 제거하여 고순도의 Si를 얻을 수 있다. 이때 Si는 고순도이지만, 단결정은 아니다.

 

 

1-2. 다결정 ▶  단결정 Si

이제 다결정 상태의 Si를 단결정으로 만들어주자.

 

웨이퍼 제조 공정의 모식도

 

 

1. Crystal Growth	Czochralski 공정의 경우, Si Crystal 조각을 넣고 Seed를 천천히 돌리면서 위로 끌어올려 단결정을 성장시킨다.
2. Single Crystal Ingot	위 과정에서 얻은 원통형의 Si은 Ingot이라고 한다.
3. Crystal Trimming and Diameter Grind	불순물이 많고 wafer의 두께가 다른 앞 뒤 부분을 절단한다.이때 원통형의 Ingot은 울퉁불퉁한 모습을 보인다.
4. Flat Grinding	Wafer의 울퉁불퉁한 부분을 제거하고 매끄럽게 만드는 과정이다.
5. Wafer Slicing	다이아몬드 블레이드를 이용한 Wafer Slicing과정을 통해 Wafer를 얇은 원판 형태로 절단한다.
6. Edge Rounding	Wafer의 Edge부분을 rounding해준다.
7. Lapping	Wafer를 살짝 갈아주는 과정이다. 이때 Dust가 발생하므로 Etchin과정이 필수적이다.
8. Wafer Etching	Dust를 씻어내는 과정이다.
9. Polishing	절단된 실리콘 웨이퍼의 표면은 매우 거칠기 때문에 이를 연마해 표면을 매끄럽게 만들어야한다. CMP 공정 등을 사용하여, 웨이퍼의 표면을 정밀하게 연마하여 미세한 흠집과 불균형을 제거한다.
10. Wafer Inspection	웨이퍼의 테스트와 품질 검사를 한다.

 

 

  현재 반도체 공정에서 사용하는 웨이퍼의 크기는 주로 300mm 로, 웨이퍼의 직경이 클수록 Wafer에서 만들어지는 Chip의 개수는 증가하고 생산 단가를 줄일 수 있으나, 공정 장비 변경 및 시설 투자의 한계로 직경을 무조건적으로 키우는 것은 한계가 존재한다.

 

 위에 언급된 Czochralski(CZ) 제조 방식에 대해 알아보자.

 

2. Czochralski(CZ)  제조 방식

 실리콘 웨이퍼를 제조할 때 실리콘의 단결정 Ingot을 성장 시키는 과정으로, 고온에서 실리콘을 녹여 만드는 방식이다.

생산성이 좋지만, Crucible을 이용하여 발생하는 불순물이 존재한다.

CZ 방식으로 얻은 Si Ingot

 

일정 방향으로 Congruent 응고가 진행되며, Seed가 필요하고 액체상과 고체상의 온도 구배(Heat Gradient)를 이용한다는 특징이 있다.

 

2-1. CZ 방식으로 결정성장한 단결정 Si의 특징

결정 결함	단위 면적당 Dislocation의 # - 적을 수록 좋음
비저항	undoped	quartz/ graphite 도가니에서 오염되는 불순물에 의해 결정 - 최대 비저항: 50~100 Ω-cm
	doped	P형 :  0.0005~50 Ω-cm N형: : 0.005~40 Ω-cm
불순물의 농도	4-point probe에 의해 비저항을 측정하고 차트로 계산

 

 

4 point probe (4점 탐침법)

재료의 전기적 저항(전기 전도도, 비저항, Sheet Resistance) 측정법

 

 

 

2-2. CZ 공정에서 Oxygen과 Carbon의 영향

 

Oxygen	- 일반적으로 5×10^17∼10^18 cm−3 수준으로 존재 - CZ 공정 중 quartz 도가니에서 녹아나와 용융된 실리콘에 용해
	영향) ① Donor 생성 (전하 제공 역할)  : Si 내 산소의 95%는 Int site에 존재하는데, 일부는 실리콘과 반응하여 Donor 역할을 하며 N형 도핑 효과를 제공한다. ② 항복강도(Yield Strength) 증가 : Int site의 산소가 실리콘의 강도를 증가시킴 ③ 산소 침전(Precipitation) : 산소 농도가 6.4×10^17 cm−3 이상이면 침전(Precipitation) 현상 발생하여 작은 입자(ppt) 형성하고, 이들은 내부에서 압축 변형을 일으켜 Dislocation 형성 ④ Gettering 효과 : 산소 침전물이 금속 불순물을 포획하여 결함을 내부로 유도
Carbon	- 일반적으로 10^16∼5×10^17 cm−3수준 - 탄소는 실리콘 용융 과정에서 SiC 도가니 혹은 흑연 부품에서 유입
	영향) - 탄소는 산소 침전물(ppt) 형성을 도울 수 있음 - 또한 결함(defect)의 형성이 빨라질 수 있음 - 따라서 탄소 농도가 너무 높으면 웨이퍼 품질이 저하될 가능성 있음

 

 

 

2-3. Float Zone(FZ) 제조 방식

 추가로 FZ (Float Zone) 방식도 존재한다. 이 방식은 Quartz/ Graphite 도가니를 이용하지 않아, 불순물이 거의 없지만, 공정 속도가 느려 생산성이 낮다.

 

 

 

 

 

3. 성장 속도에 따른 단결정 성장 이론

 

 

천천히 Ingot을 성장할 경우, 안정적으로 단결정을 성장한다. 그러나, 빠르게 성장시킬 경우 잠열이 빠르게 빠져나가지 못해 단결정이 아닌 Dendrite 형태 (가지 모양)로 성장한다.

 

Dendrite 형태의 Si

 

4. Ingot의 농도 분포와 편석 계수

 또한, 성공적으로 만들어진 Wafer는 Ingot의 Seed~ Tail 까지 균일한 농도를 가지고 있어야한다. 이때, 농도 분포에 영향을 주는 것은 크게 3개가 있다.

 

<농도 분포에 영향을 주는 것>

 

1. 불순물의 편석 계수(Segregation Coefficient)

2. 결정 성장 속도

3. 결정 회전 속도

 

4-1. 편석 계수 (Segregation Coefficient)

편석 계수
: 물질의 혼합 또는 결정화 과정에서 한 성분이 고체와 액체 또는 두 상(phase) 사이에서 어떻게 분포하는지 나타내는 중요한 물리적 파라미터이다.

 

Cs는 고체 상에서의 성분 농도, C(l)은 액체 상에서의 성분 농도

 

k = 1일 경우, 성분이 고체와 액체 상에서 동일한 농도로 분포한다는 의미이다. 이 경우 성분은 고체와 액체 상에서 동일하게 분포한다.

 

k < 1일 경우, 고체 상에서 성분의 농도가 액체상보다 더 낮다는 의미이다. 이 경우, 성분은 액체 상으로 선호되어 액체가 고체로 결정하되는 동안 성분이 액체에게 몰리게 된다.

 

편석 현상 (Segregation)

 편석은 주로 결정화(Solidification) 또는 결정 성장에서 발생하는 과정이다.

 

 금속 합금에서 편석 계수는 합금의 구성 원소가 고체/ 액체 상에서 어떻게 분포하는 지에 영향을 미친다. 예를 들어, 구리 - 아연 합금에서 아연은 액체상에 더 많이 존재하고, 구리는 고체 상에 더 많이 존재한다.

 

k < 1이며, 결정 성장 중 불순물은 용탕 쪽으로 유입되어 용탕의 농도는 Co보다 상승한다. 용탕에서 응고되는 고상의 농도는 지속적으로 상승한다. Cs의 농도가 상승되면 균일한 농도 분포를 얻기가 어려우며, Cs의 농도 상승 속도 및 농도 분포는 불순물의 종류, 회전 속도, 성장 속도의 함수이다. 

 

4-2. 편석 계수와 도핑

 

불순물 농도의 고체 내 분포를 나타내는 분배 법칙

 

위 식은 특정 응고율(f)에 따라 고체 내 불순물의 농도가 어떻게 변하는 지 보여주는 관계식이다.

 

응고된 용액의 비율과 고체내 불순물 농도의 관계

 

 위 그래프는 다양한 k0(편석 계수) 값에 따른 불순물의 농도 변화를 나타내고 있다.

 

 k0 =1일 경우 불순물이 균일하게 분포하지만, k0가 작아질 수록 (k0<1) 응고가 진행되면서 불순물의 농도가 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있다.

 

불순물과 편석 계수

따라서, 편석 계수가 작은 물질은 doping에 별로 사용되지 않는다.

 

응고된 융용액의 비 - 불순물 농도의 비

 

이 그래프는 B, P, As가 응고 과정에서 어떻게 분포하는 지 보여준다.

 

 As(Antimony)의 경우 불순물이 액체에 남아있으려는 성향이 크기 때문에(k0가 작음) 응고가 진행될 수록 불순물의 농도가 급격히 증가하지만, B(붕소)의 경우 k0값이 상대적으로 크기 때문에 불순물이 고체에 더 많이 포함된다.

 

 편석 계수가 지나치게 적을 경우,  결정화가 진행될 때 불순물이나 다른 성분들이 액체 상에 많이 남게 된다. 즉, 고체 상에서 해당 성분이 제대로 결정을 형성하지 못하고 대신 액체상에서 많이 분포하게 되는 것이다. 이로 인해, 결정화 과정에서 불순물의 분포가 불균형해지고 품질과 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

 

4-3. 성장속도와 k_eff(유효 편석 계수)의 관계

유효 편석 계수(k_eff)
: 성장 속도가 빠르면 평형을 유지하기 어려워 지기 때문에, 유효 편석 계수가 변화한다.

 

성장 속도가 증가하면, k_eff가 1에 가까워지며 고체 내 불순물이 균일하게 분포할 가능성이 높아진다. 아래 그래프를 보자

 

성장 속도와 log (k_eff)

 

 

 

위 그래프는 여러 불순물의 성장 속도에 따른 유효 편석 계수의 변화를 보여준다.

 

 B, P, As 등은 초기 k0값이 높기 때문에, 성장 속도가 증가해도 큰 변화가 없다.

 

 그러나, Sb, Ga, Al 등은 성장속도가 증가할 수록 k_eff가 1에 가까워지며 불순물이 고체 내에 균일하게 분포하는 모습을 보인다.

 

추가로, B에 비해 k가 비교적 낮은 P와 As는 균일한 농도를 가지기 어렵다.

성장 속도 증가	- 성장 속도가 낮으면 불순물이 마지막 부분에 농축되지만, 속도가 증가하면 이러한 농축 현상이 완화된다. - 액체 내 불순물이 확산 되지 못함 - 계면 내에서 확산하며 Keff가 1에 근접 - 균일한 불순물 분포를 얻지만 단결정으로의 성장이 어려움
성장 속도 감소	-액체 내에서 불순물이 충분히 확산하면서 K_eff ~= K0이다.

 

∴ 결정 성장 속도가 커질 수록, 불순물은 균일하게 분포하지만 단결정으로 성장이 어려울 수 있다.