Si의 3가지 형태 (단결정, 다결정, 비정질) 1 - 단결정 실리콘

들어가는 글

반도체 소자를 제작하는 과정에서 가장 중요하게 쓰이는 소재는 단연 Si 실리콘이라 볼 수 있다. Si 실리콘으로 반도체 기판을 제작하고, SiO2 실리콘 산화막으로 절연막을, poly-Si 폴리실리콘으로 트랜지스터의 gate를 형성한다. 이렇게 반도체 공정에서 빼놓을 수 없는 소재인 Si 실리콘의 3가지 형태 (단결정, 다결정, 비정질)에 관해 2개의 포스팅에 걸쳐 알아보도록 하겠다. 특히 이번 포스팅에서는 단결정 실리콘에 관해 살펴보도록 하겠다.

요약

실리콘 (이하 Si)는 결정 구조에 따라 3가지 형태를 가진다. 첫째, 모든 영역에서 Si 원자가 규칙적으로 배열된 상태 single crystalline Si (SCS) 단결정 실리콘. 둘째, 일정 부분마다 규칙성을 갖는 상태인 polycrystalline Si (poly-Si) 다결정 실리콘 (폴리실리콘). 셋째, 결정성을 갖지 않는 상태인 amorphous Si 비정질 실리콘이 있다. 하나씩 알아보도록 하겠다.

결정 구조에 따른 Si의 3가지 형태. (a) 비정질 실리콘 (b) 다결정 실리콘 (c) 단결정 실리콘

single crystalline Si (SCS) 단결정 실리콘 개념

single crystalline Si (SCS) 단결정 실리콘은, 모든 영역에서 Si 원자가 규칙적으로 배열된 상태이다. 이렇게 원자가 규칙적으로 배열된 상태를 uniform 하다고 말한다. 단결정 실리콘을 제작하기 위해 쵸크랄스키 방식을 사용한다. 쵸크랄스키 방식이란 Si 물질이 녹아있는 거대한 용광로에, 단결정 실리콘이 살짝 묻어있는 얇은 tip(seed)이 달린 막대를 담갔다가 빼올리면서 단결정 실리콘 덩어리를 제조하는 방식이다.

single crystalline Si (SCS) 단결정 실리콘 특징

단결정 실리콘 상태에서는 원자끼리 공유 결합을 형성하기 때문에 매우 안정적이라는 특징이 있다. Si의 3가지 형태 중 전자의 이동도가 가장 높다. 내부 stress도 크지 않기 때문에 bulk wafer로 사용할 수 있다. bulk wafer란 웨이퍼 기판 같은 것을 말한다. 다만, 단결정 실리콘에 doping을 하면 내부 stress가 발생할 수 있다. Si의 3가지 형태 중에서 열전도가 높고, 열팽창은 적게 나타나며, 압저항이 높다.