[반도체공학]웨이퍼 제조공정 - 결정(Crystal Growth) 2부






앞서, 반도체 제조공정의 전체적인 흐름과 중요한 제조공정에 대해서 간단히 알아보았다. 앞에서는 제조과정의 큰 줄기를 잡는데 중점을 맞추다보니 복잡한 기술과 이론이 필요한 공정에 대한 설명이 다소 부족했을 수 있다. 웨이퍼 제조에 있어서 가장 중요한 공정을 말하라면 역시 “단결정성장(Crystal Growth)” 과정이라 말할 수 있을 것이다. 이미 말했듯이 EGS까지의 공정은 그다지 어려운 편이 아니지만 단결정성장 과정은 “전단현상”, “반응속도론”, “상변태”등 여러 가지 복잡한 이론이 복합적으로 어우려져 높은 기술력을 요하는 공정이다. 즉, 웨이퍼 제조를 위해서는 단결정성장이 필수적이므로 이번에는 단결정성장이란 과연 무엇을 의미하고, 어떠한 과정에 의해 진행되며, 단결정 성장법에는 어떤 방법들이 있는지 서로 비교해 보고자 한다.

 

결정성장(Crystal Growth)


결정구조를 가진 물질에서, 동일한 결정의 핵으로부터 차차 결정입자가 커지는 현상이다. 결정은 갑자기 큰 것으로 생기는 것이 아니라, 작은 것이 생겨 차차 커가는 것이다. 염의 진한 수용액을 만들어 방치해 두면 물이 증발함에 따라 그릇의 벽에 미소한 결정이 생기고, 차차 큰 것으로 변하여 간다. 포화용액 속에 미리 씨가 될 미소 결정을 넣어 두면, 이 씨를 핵으로 하여 결정은 쉽게 큰 것으로 성장한다. 수용액뿐만 아니라 녹아서 액체상이 된 물질에서도 같은 식으로 결정이 생긴다. 결정은 여러 가지 목적에 이용되므로, 오늘날에는 각종 인공결정을 만드는 연구가 활발해지고 있다. 특히 천연으로는 존재하지 않는 순도 높은 것, 필요한 격자결함이 있는 것, 천연으로는 산출되지 않는 것 또는 산출이 적은 것 등을 상당히 자유롭게 만들 수 있게 되었다. 인조다이아몬드, 인조루비, 인조수정, 텅스텐선, 게르마늄 실리콘 등의 반도체, 페라이트 등 현대 과학기술에 없어서는 안 될 결정체가 결정성장의 연구에 의해서 인공적으로 만들어지고 있다.



1. 결정의 종류

고체는 단결정, 다결정, 비정질 이 세가지로 나눌 수 있다. 이 세가지가 모두 반도체에 쓰이므로 잘 구별할 필요가 있다. 결정 이라함은 '분자의 규칙적인 배열' 이라고 정의 할 수 있다. 이 규칙적인 배열이 고체 전체에 균일하게 이루어져 있으면 단결정이라 한다.


 


그런데 부분적으로는 결정을 이루지만 전체적으로는 하나의 균일한 결정이 아닌 경우를 다결정이라 부른다.


비정질이라 함은 고체이지만 분자가 무작위로 배열되어 규칙이 없는 경우를 말한다. 다이아몬드는 단결정이고 돌맹이는 보통은 다결정이다. 그리고 대부분의 금속은 다결정이다. 이 다결정과 단결정은 경계가 애매하다. 예를 들어보면, 만약에 부분 부분의 결정이 1센티미터 정도되는 결정이 모인 집합은 단결정인가 다결정인가에 대한 질문의 답은 상황에 따라 정의될수 있을 것이다. 지름2cm되는 8인치 실리콘 웨이퍼 (wafer) 전체의 크기를 생각하면 이것은 물론 다결정이라고 해야한다.


예) 16메가디램 (Mega DRAM, 1Mega=100만) : 기억 셀의 전체 길이가 2 마이크론 (micrometer=1/1000 미리)이 안된다. 이 트랜지스터 입장에서 보면은 1cm의 크기는 단결정으로 보일 것이다. 그러므로 단결정과 다결정은 그것을 사용하는 상황이 어떤가에 따라 단결정, 다결정이 정의 된다.


비정질 구조를 가진 것으로 우리 주위에 흔히 볼 수 있는 것은 유리다. 유리는 비정질이기 때문에 갖가지 모양으로 가공하기 쉽다고 한다. 유리가 석영같은 다결정이나 단결정이였으면 유리컵이나 거울을 만들기 훨씬 어려웠을 것이다. 금속을 초고속으로 냉각시켜도 비정질이 된다. 때로는 액체 중에서도 결정 구조를 가진 경우가 있다. 자연상태에서 저절로 결정을 이루는 것이 아니라 외부에서 전압을 걸어주었을 때 결정과 같이 규칙적인 배열 구조가 나타나는 것이다. 


이것을 액정, 즉 액체 결정이라 부르며 이것은 LCD (liquid crystal display)에 사용되는데 전자시계, 전자 계산기에 쓰여 왔고 앞으로 평면 TV에도 쓰이게 될 물질이다. 반도체에서 대부분의 chip은 단결정 웨이퍼에 제작을 한다. 그러나 트랜지스터의 게이트는 다결정 실리콘으로 만든다. 그리고 DRAM의 저장용 커패시터는 비정질 실리콘으로 만들고 앞서 말한 LCD를 구동하는 트랜지스터도 보통 비정질 실리콘으로 제작하며 이것을 TFT-LCD라 부른다.


2. 결정성장 Mechanisms

결정생성은 핵생성과 결정성장의 두 가지 과정을 통해 이루어진다.

① 결정핵 생성(Nucleation)

용액에서 결정을 구성하는 원자가 적어도 단위격자의 몇 배 정도 모여서 규칙적으로 배열되어 결정화 초기에 미소한 결정이 발생하는 일을 말한다.

▷ 균일 핵생성 : 초기에 미결정인 결정핵이 없어 모든 곳에서 결정이 생길 확률이 같으며 액체상의 온도요동에 의한 밀도 요동으로 결정핵이 생성되는 것.

▷ 불균일 핵생성 : 결정핵이 결정화하기 전에 이미 존재하거나 결정핵이 될 수 있는 이종물질(異種物質)이 존재하는 경우의 핵생성


② 결정성장(Crystal Growth)

결정의 핵으로부터 차차 결정입자가 커지는 현상을 말하는 것으로, 결정성장시에는 그 결정의 구성원소가 규칙적인 배열을 이뤄가도록 키워야 한다. 결정육성방법에는 수용액법, Czochralski법, Floating Zone법, Slow Cooling법, Bridgman_Stockbarfer법, Hydrothremal법, Nongra-vitizing법 등 여러 가지가 있다.


실리콘 단결정(Single Crystal)


1950대 중반 이후로 반도체 공업의 경이적인 성장은 실리콘에 관련된 기술의 발전에 의하여 비롯되었다. 1947년 게르마늄(germanum) 트랜지스터의 개발을 시점으로 상업성이 있는 반도체의 단결정 성장법의 연구가 활성화되기 시작하여 현재는 12인치 이상의 대구경 실리콘 단결정이 생산되기에 이르렀다. 


초크랄스키(Czochralski, CZ)법으로 알려진 대표적인 단결정 성장법은 30여년 전에 CZ에 의해서 발명된 것으로서 CZ법에 의해 성장된 단결정은 전세계적으로 태양전지뿐만 아니라 집적회로(Integrate Circuits, ICs) 제조를 위한 기판으로 가장 널리 사용되고있다. CZ법에 의해 생산된 실리콘 단결정은 실리콘 고집적회로 제조에 적절한 정도의 고순도 및 대구경의 웨이퍼에 대한 요구를 만족시키고 있어 가장 대표적인 단결정 성장법으로 널리 활용되고 있다.


플롯 존(Float Zone, FZ) 법은 CZ법외에 유일하게 단결정 실리콘을 상업적으로 생산할 수 있는 방법이다. FZ 법은 높은 전도성과 초순도의 결정을 생산할 수 있기 때문에 사이리스터(thyristor)나 민감하게 적외선 분광을 측정할 수 있는 소자 등, 특수한 용도로의 활용을 위해 선택되고 있는 방법이다. FZ 법은 생산할 수 있는 웨이퍼 크기의 제한이 있다는 점과 경제성의 문제 때문에 집적회로 제조 산업에서는 일반적으로 사용되고 있지 않다. 이러한 방법들을 사용해 성장된 결정들은 원통형의 모양으로 만들어지며, 원형의 웨이퍼로 가공되어 집적회로의 기판으로 사용된다. 






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