반도체의 모든 것

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2024-03-20 2515

반도체는 최근 국가발전의 핵심산업으로 자리잡았습니다. 그래서 반도체란 정확히 무엇인가?

일상생활에서 모든 물체는 전기 전도도에 따라 대략적으로 도체, 반도체, 절연체의 세 가지 범주로 분류됩니다.

이는 이해하기 쉽습니다. 물체는 전기를 전도하거나, 전기를 전도하지 않거나, 약간만 전도합니다. 물리학자들에게 다양한 탐구 기회를 제공하는 것은 바로 이러한 재료가 모호하고 부분 전도성을 나타내는 것입니다.

순수하게 전도성이거나 비전도성인 재료는 그다지 의미가 없습니다. 흥미로운 것은 다양한 조건에서 전도성이 변하는 물질입니다.

보다 직관적인 이해를 위해 재료의 전기전도도를 도표를 통해 살펴보겠습니다.

전기 전도도에 따라:

절연체: 용융 석영 및 유리와 같이 대략 20^-18S/cm ~ 10^-8S/cm 범위의 낮은 전기 전도성을 가집니다.

도체: 알루미늄 및 은과 같은 금속과 같이 10^4S/cm ~ 10^6S/cm 범위의 더 높은 전기 전도성을 가집니다.

반도체: 전기 전도도는 절연체와 도체의 중간 수준입니다.

자연에서 발견되는 일반적인 원소 반도체에는 실리콘과 게르마늄이 포함됩니다. 게르마늄 기반의 반도체는 실리콘 기반의 반도체보다 더 일찍 발견되어 사용되었다고 하지만, 실리콘의 장점은 가격이 저렴하다는 점입니다. 자연에서 흔히 볼 수 있는 모래에는 실리콘이 다량 함유되어 있다는 사실!

자연계에는 규사가 많지만 불순물과 결함이 너무 많아 직접 사용할 수 없고 정제가 필요합니다.

어떻게 개선하나요? 한마디로 불타오르세요!

우리는 중학교 화학에서 배운 것처럼 산화환원반응을 합니다.

SiC + SiO2 → Si(고체) + SiO2(가스) + CO(가스)
Si(고체) + 3HC → SiHCl3(기체) + H2(기체)
SiHCl3(기체) + H2(기체) → Si(고체) + 3HCl(기체)

세 번의 고온 화학 반응을 거쳐 고체 실리콘을 얻게 되지만, 이 시점의 실리콘은 다결정 상태입니다.

다결정 실리콘이란 무엇입니까?

우리가 오렌지 껍질을 벗길 때처럼 내부에는 많은 조각(다결정 조각)이 있고 각 조각은 맛이 다릅니다(결정 방향). 가장 맛있는 부분을 선택하고 스스로 성장하도록 해야 합니다!

작은 단결정을 개별적으로 성장시키는 방법은 무엇입니까?

물리학자들은 참으로 똑똑해서 초크랄스키(Czochralski) 방법이라고 불리는 단결정 성장 방법을 발명했는데, 아마도 이 방법을 개발한 과학자의 이름을 따서 명명되었을 것입니다.

Bridgman 방법으로 알려진 이 프로세스에 대한 직관적인 업계 용어도 있습니다!

왜냐하면 단결정을 성장시킬 때 작은 결정을 위로 끌어당기는 것과 같기 때문입니다! 당기는 속도는 좀 느립니다. 이 장치를 살펴보십시오.

이미지의 파란색 원통형 막대는 단결정 실리콘입니다. 당기는 과정에서 위쪽으로 당겨지면서 회전하게 되는데, 이로 인해 브리지먼법으로 성장한 원통형 잉곳이 만들어진다.

성장한 잉곳은 기계식 블레이드를 사용하여 디스크 모양의 조각으로 절단되어 웨이퍼라고 불리는 것을 형성합니다.

이 과정이 당신에게 친숙하게 들리나요?

웨이퍼는 이렇게 생산됩니다.

지금은 웨이퍼를 보유하고 있지만, 현 단계에서는 단결정 실리콘의 전기화학적 특성이 칩 제조에 직접 사용하기에는 충분하지 않습니다. 그런 다음 엔지니어들은 단결정 실리콘의 전기화학적 특성을 수정하는 작업을 수행합니다.

단결정 실리콘을 어떻게 수정합니까?

먼저, 실리콘 원소에 대한 이해를 좀 더 살펴보겠습니다. 주기율표에서 실리콘은 14번째에 위치합니다. 실리콘 원자는 외부 껍질에 XNUMX개의 전자를 갖고 있으며, 이를 이웃한 XNUMX개의 원자와 공유하여 XNUMX쌍의 공유 전자를 형성합니다. 공유 전자쌍의 이러한 구조는 공유 결합으로 알려져 있습니다. 각 전자쌍은 공유결합을 형성합니다.

이 부분은 중학교 화학시간에 배웠을 겁니다. 좀 더 시각적인 이해를 위해 사진을 살펴보겠습니다.

왼쪽 이미지는 다이아몬드 결정의 구조와 유사한 단결정 실리콘의 결정 구조를 보여줍니다. 오른쪽에는 전자를 공유하는 실리콘 원자가 묘사되어 있습니다. 가운데 하나의 실리콘 원자는 4개의 "형제" 실리콘 원자와 전자를 공유합니다.

어느 날, 한 물리학자가 갑자기 아이디어를 떠올렸습니다. 실리콘이 "형제" 원자와 전자를 공유하지 않고 다른 "형제"를 그룹에 초대하면 어떻게 될까요?

어느 날 물리학자는 비소를 그룹에 초대했고 기적이 일어났습니다.

비소 "형제"는 외부 껍질에 5개의 전자를 가지고 있으며, 4개의 전자는 실리콘 원자와 결합을 형성하여 XNUMX개의 전자는 짝을 이루지 않습니다. 이 짝을 이루지 않은 전자는 자유 대리인이 되어 전하로 인해 실리콘의 전도성을 변경하고 이리저리 돌아다니게 됩니다.

실리콘 계열에 추가 전자를 제공함으로써 비소 원자는 기증자로 알려져 있습니다.

실리콘 계열의 자유 전자가 증가함에 따라 음으로 하전된 캐리어가 증가하여 실리콘을 n형 반도체로 변환합니다.

왜 N형이라고 불리는 걸까요? 영어에서 "Negative"는 부정을 나타냅니다. 이 단어의 첫 글자를 취하면 N이 됩니다.

마찬가지로, 물리학자는 여분의 전자를 가진 비소 원자를 도입할 수 있다면 전자가 더 적은 붕소 원자도 그룹에 도입할 수 있다고 생각했습니다. 그래서 물리학자는 무슨 일이 일어나는지 알아보기 위해 붕소 원자를 혼합물에 넣기로 결정했습니다.

붕소 원자는 실리콘보다 전자가 하나 적은 3개의 전자만 갖고 있기 때문에 원래 2개의 전자쌍을 갖고 있던 각 공유 결합은 이제 단 한 쌍으로 구성되어 양전하를 띤 정공이라는 공백을 남깁니다.

이때 실리콘 기반 반도체를 p형 반도체라고 한다. 마찬가지로 "P"는 영어 단어 "Positive"의 첫 글자에서 유래되었으며 붕소 원자를 수용체라고 합니다.

단결정 실리콘에 서로 다른 원자를 도입하면 N형 및 P형 반도체가 형성됩니다.

단결정 실리콘이 있고 그 표면을 이산화규소로 산화시키는 방법을 찾을 수 있으면 이산화규소는 많은 장치 구조의 절연체 역할을 하거나 확산 또는 이온 주입과 같은 장치 제조 공정 중에 장벽층 역할을 할 수 있습니다.

pn 접합의 제조 공정에서 이산화규소의 얇은 층을 사용하여 접합 영역을 정의할 수 있습니다.

이 개략도를 살펴보십시오. (a)는 산화 단계 준비가 완료된 덮지 않은 실리콘 웨이퍼를 보여주고, (b)는 산화된 웨이퍼의 최상층만 묘사합니다.

P형 및 N형 반도체에 대한 이론적 지식을 바탕으로 한 단계 더 나아가 이산화규소의 표면을 변형하여 고양이나 꽃을 그리는 등 원하는 패턴을 만들 수 있습니다.

웨이퍼 표면을 수정하는 방법을 포토리소그래피라고 합니다!

하지만 포토리소그래피에는 고급 장비가 필요하지 않나요? 그 기계가 정말 인상적이라고 들었는데... 먼저 포토리소그래피의 원리를 이해해 봅시다.

고속 스핀 코터를 사용하여 포토레지스트라고 하는 자외선(UV) 감광성 재료 층을 칩 표면에 회전시킵니다. 스피너에서 칩을 꺼낸 후 80~100°C의 온도에서 베이킹하여 포토레지스트의 용제를 제거하고 경화시켜 칩과의 접착력을 높입니다.

다음으로 UV 광원을 사용하여 패턴 마스크를 통해 칩을 노출시킵니다. 그런 다음 완충된 불산을 산 에칭제로 사용하여 보호되지 않은 이산화규소 표면을 제거합니다. 마지막으로, 화학 용매나 플라즈마 애싱 시스템을 사용하여 포토레지스트를 벗겨냅니다.

개략도를 살펴보십시오. (a)만 표시되어 있습니다.

이 과정은 도장을 만드는 것과 다소 유사합니다. 먼저 모형을 돌 위에 안료로 칠한 다음 모형의 치수에 따라 조각합니다. 본질적으로 같은 원리입니다.

씰이 돌출되거나 함몰된 디자인을 가질 수 있는 것처럼 웨이퍼도 유사하게 처리될 수 있습니다. 포지티브 또는 네거티브 포토레지스트 선택에 따라 융기형(포지티브) 패턴과 함몰형(네거티브) 패턴을 얻을 수 있습니다. 사용되는 포토레지스트는 포지티브 레지스트와 네거티브 레지스트로 불린다.

포토리소그래피 이후 실리콘 표면은 외부 환경에 노출됩니다. 그런 다음 물리학자들은 이온 주입이라고 알려진 과정을 통해 이 실리콘 표면에 다른 원소를 도입합니다.

붕소(B) 또는 비소(As) 이온이 주입되면 실리콘의 전통적인 특성이 바뀌어 전기화학적 특성이 달라집니다. 이때 반도체를 외인성 반도체(Extrinsic Semiconductor)라고 한다.

P형 반도체와 N형 반도체가 접촉하여 형성된 접합을 pn접합이라고 합니다!

도핑이 완료된 후 이 반도체의 성능을 추출하기 위한 노력이 이루어지고 있습니다. 여기에는 반도체 표면을 금속화하는 작업이 포함되며, 후속 금속화 공정에서 완성되는 옴 접촉 및 상호 연결을 포함한 단계가 포함됩니다. 금속박막은 물리기상증착(PVD)이나 화학기상증착(CVD)을 이용해 형성할 수 있다.

금속화가 완료되면 이제 pn 접합이 기능할 수 있습니다!

반도체 기초 지식은 여기까지입니다!

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