epitaxy 에피택시 2 - 특징 및 활용

들어가는 글

이번 포스팅에서는 앞서 예고한 것처럼, 에피택셜 박막의 특징과 활용처에 관해 알아보도록 하겠다. 이 글을 읽기 전에 앞서 에피택시에 관해 작성했던 포스팅을 읽고 오시길 추천한다. 에피택셜 박막의 특징은 무엇이고, 어떤 반도체 소자를 제작할 때 에피택셜 박막이 사용되는지 살펴보도록 하겠다. 특히 에피택셜 박막을 형성할 때 발생하는 현상인 autodoping에 관해서도 알아보도록 하겠다.

epitaxial layer 에피택셜 박막 특징

일반적으로 형성되는 에피택셜 박막의 특징을 살펴보면, 순도가 높고 오염 및 결함이 적다는 특징이 있다. 에피택셜 박막을 형성할 때, dopant를 함께 넣어 반응시키면 도핑된 에피택셜 박막을 형성 가능하다. 가능한 도핑 농도는 10^14 ~ 10^17 수준으로, 불순물 농도 (도핑 농도)를 정밀하게 조절 가능하다. 에피택셜 박막을 형성하는 공정의 재현성 (repeatability)와 균일성 (uniformity)가 높다는 특징도 있다.

epitaxial layer 에피택셜 박막 사용처

CMOS 이미지센서에서 사용되는 에피택셜 박막

에피택셜 박막이 사용되는 대표적인 사용처는 세 군데가 있다. 첫 번째로, D램의 커패시터 형성이다. D램의 커패시터에서 전자가 누설되는 현상을 최대한 방지하기 위해 오염이 적고 결함이 적은 고순도의 박막이 필요하다. 그러기 위해서는 다른 공정 방식보다 에피택시 방식이 적합하다. 두 번째로, CMOS의 이미지센서 형성이다. 특정 layer에 전자가 trap 돼서 trap state로 인한 열화에 의해 이미지가 왜곡되는 현상을 방지하기 위해 마찬가지로 오염이 적고 결함이 적은 고순도의 박막이 필요하다. 마지막 세 번째로 SOI wafer를 제작하는 데 사용된다. SOI wafer란 Silicon on Insulator로서, Si 기판 가운데에 insulator 절연체 역할을 하는 oxide가 형성돼 있는 wafer를 말한다. SOI wafer를 제작하는데도 에피택시 방식이 사용된다.

epitaxial layer 에피택셜 박막에서 autodoping

에피택셜 박막을 형성할 때, autodoping 현상이 나타나기도 한다. autodoping이란 말 그대로 자동적으로 도핑이 되는 현상을 말하는데, 에피택셜 박막에 원하지 않는 도핑이 발생한 경우를 말한다. 이 현상이 발생하는 원인과 해결방안을 알아보도록 하겠다. 첫번째로, 기판에 이미 존재하고 있던 dopant가 위쪽 방향으로 확산되어 새로 형성된 에피택셜 박막 하부로 이동하는 경우가 있다. 두 번째로 기판에 이미 존재하고 있던 dopant가 아래쪽 방향으로 확산되는, 챔버 내로 outgasing 되는 경우가 있다. 이럴 경우 outgasing 되어 새로 만들어지는 에피택셜 박막 상단에 다시 도핑되게 된다. 이를 해결하기 위해 기판 후면에 SiO2 박막을 형성해 outgasing을 방지한다. 하지만 이미 에피택셜 박막 상단에 도핑이 이뤄진 경우, 에피택셜 표면을 HCl로 etch 하고 gas를 purge 하는 방법을 사용해야 한다.

이미지 출처 https://www.researchgate.net/figure/Overview-of-CIS-technology-a-Typical-CMOS-Image-Sensor-Integrated-Circuit_fig2_291787868