Si의 결정구조 (단결정, 다결정, 비정질)

Si의 결정구조 (단결정, 다결정, 비정질)

반도체 제조 과정에서 쓰이는 물질 중 가장 중요한 물질이 무엇이냐 하면, 실리콘(Si)이라고 할 수 있다. 이 글에서는 Si의 3가지 결정구조에 관해 알아보겠다. 단결정 실리콘(single-crystal silicon, SCS), 다결정 실리콘(polycrystalline silicon), 비정질 실리콘(amorphous silicon)이 있다.

Si가 사용되는 반도체 공정

반도체를 제조하는데 가장 기본적으로 필요한 재료는 실리콘(Si)이다. 반도체 제조 공정 중 많은 곳에서 Si가 쓰이고 있다. 웨이퍼 제조 공정에서 웨이퍼의 주재료로 Si가 사용된다. 각종 박막 증착 공정에서 Si이 포함된 실레인(silane, SiH4)과 같은 gas를 사용한다. CMP 공정에서 슬러리를 구성하는 나노 입자로 Si가 포함된 실리카(Silica, SiO2)를 사용하기도 한다. 이렇게 다양한 공정에서 Si가 사용되는데, 그때 사용되는 Si은 각각 다른 상태 및 결정구조를 띄고 있다.

Si의 3가지 결정구조

1. 단결정 실리콘(single-crystal silicon, SCS)

위 그림의 (c)처럼 Si 고체의 모든 영역에서 Si 원자가 규칙적으로 배열되어 있는 상태이다. 배열 상태가 uniform하다고 말한다. 원자끼리 공유 결합을 이루고 있기 때문에 매우 안정적인 상태이다. 단결정 실리콘을 얻으려면 초크랄스키 (Chochralski) 기법을 활용해야 한다. 용광로에 녹아있는 Si을 끌어올려 잉곳(ingot)을 얻어낸다. 그렇게 만들어진 잉곳은 규칙적으로 배열된 Si으로 이루어져 있다. 그 잉곳을 slice 하면 하나의 원판이 만들어지는데 그것이 바로 웨이퍼이다. 즉 일반적인 웨이퍼는 단결정 실리콘으로 이루어져 있다. 제련 과정을 거쳐야 하기 때문에 제조 단가가 가장 높다. 3가지 결정구조 중 전자의 이동도가 가장 높다. 원자가 가장 규칙적으로 배열되어 있어 전자가 쉽게 원자 사이를 지나갈 수 있기 때문이다. 그렇기 때문에 전기전도도가 높으며 압저항(압력을 가하면 저항이 변화하는 현상) 효과가 우수하다. 또한, 열전도성이 높으며, 열팽창이 적게 나타난다.

2. 다결정 실리콘(polycrystalline silicon)

위 그림의 (b)처럼 일부 영역에서 Si 원자가 규칙적으로 배열되어 있는 것들이 모여있는 상태이다. 단결정 실리콘이 여러개 뭉쳐진 것이라고 이해하면 된다. 배열이 달라지는 그 경계면을 grain boundary라고 한다. 뒤에 살펴볼 비정질 실리콘에 높은 에너지를 가하면 다결정 실리콘이 형성된다. 에너지를 가하는 방식에 따라 furnace를 이용한 SPC(solid phase crystallization), 레이저를 이용한 ELA(eximer laser annealing) 방법 등이 있다. 높은 에너지만 가하면 만들 수 있기 때문에 상대적으로 단결정 실리콘보다 제조 단가가 저렴하다. 3가지 결정구조 중 전자의 이동도가 중간 정도이다. grain boundary가 전자의 이동에 방해되기 때문이다. 하지만, 전류를 흘리기에 충분하기 때문에 MOSFET의 gate 전극을 형성하거나 배선을 형성하는 데 사용된다.

3. 비정질 실리콘(amorphous silicon)

위 그림의 (c)처럼 모든 영역에서 Si 원자가 불규칙적으로 배열되어 있는 상태이다. 비정질 실리콘은 3가지 결정구조 중 가장 만들어내기 쉽다. 제조 과정이 간단하기 때문에 제조 단가 또한 낮다. 3가지 결정구조 중 전자의 이동도가 가장 낮다. 따라서 전류가 잘 흐르지 않아 전기가 전달되는 속도가 느리다. 그러므로 고성능을 요구하는 반도체 분야에는 사용되지 않고, 디스플레이나 태양광 패널을 제작하는데 사용된다. 제작 과정에서 플라스틱 등의 기판 위에 CVD나 PVD 방식을 이용해 비정질 실리콘 박막을 형성한다.