에피택시 공정

예상문제 풀이

예상문제 ❶

에피택시(Epitaxy) 공정에 대해 설명하시오.

STEP1 접근 전략

• 설명형 문제로 난이도는 중 수준이다.

• 첨단 로직 반도체에 사용되는 공정으로, 향후 출제 가능성이 높은 문제이다.

• 에피택시의 정의, 종류, 용도에 대해 간략히 설명한다.

• 공정 원리 및 설비에 대해서 설명하고, 격자 상수 차이의 극복 방안을 제시한다.

STEP2 답안 구조화 TIP

Q 에피택시 공정?

• 에피택시 → 결정 성장

• 동종성장, 이종성장

• Strained Si → 이동도↑ → MOSFET I_{DS}↑

• 선택적 에피택시 → SiGe, SiC

• CVD 원리 → Cluster chamber

• 격자 상수 차이 → Misfit dislocation → Buffer layer

STEP3 모범답안

기판 웨이퍼를 결정 씨앗(Seed)으로 하여 그 위에 일정한 방향성의 단결정을 성장시키는 방법을 에피택시 성장(Epitaxy growth)이라고 합니다. 기판과 동일 물질로 성장하는 경우를 동종 에피택시(Homo-Epitaxial growth)라 하고, 성장하는 물질이 기판과 다른 경우를 이종 에피택시(Hetero-Epitaxial growth)라고 합니다. 에피택시 공정이 첨단 반도체 소자에 적용되는 예로는 실리콘 격자 변형(Strained silicon) 기술을 들 수 있는데, 이는 반도체 소자, 특히 로직 반도체에 사용되는 MOSFET의 채널부에 응력을 인가하여 캐리어의 이동도를 증가시킴으로써 소자의 전류 구동 능력을 향상시키는 기술을 말합니다. pMOS의 경우는 채널에 압축응력을 주면 정공의 이동도가 올라가는데, 이를 위해 MOSFET의 소스와 드레인 영역의 Si를 식각하고 거기에 Si보다 격자 상수가 큰 SiGe를 에피택시 공정으로 성장시키면 채널이 압축응력을 받게 되는 원리입니다. nMOS의 경우는 pMOS와는 반대로 소스와 드레인 영역에 Si보다 격자 상수가 작은 SiC를 증착시켜 채널이 인장응력을 받게 하여 전자의 이동도를 증가시키는 기술입니다. 이러한 기술은 웨이퍼 전면에 일괄적으로 성장시키는 공정 대비 일부 영역에만 선택적으로 결정 성장을 시킨다 하여 선택적 결정 성장 공정(Selective Epitaxial Growth, SEG)이라고 합니다.

에피택시 공정에 사용되는 장비는 공정 과정에서 웨이퍼가 대기에 노출되지 않도록 결정 성장 전 자연 산화막 등의 제거를 위한 표면 처리 공정과 결정 성장 공정을 In-Situ(원 위치에 있는 그대로의) 상태로 하는 클러스터 챔버(Cluster chamber) 형태의 설비입니다. 에피택시 공정은 반응 가스의 전달과 기판과의 표면 반응에 의해 결정이 성장하는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD) 방식과 동일한 원리를 사용하지만, CVD는 증착된 박막이 기판의 결정 특성과는 관계없이 증착된다는 점이 차이점입니다. 주요 공정 파라미터로는 공정 온도, 챔버 압력, 도펀트 농도 및 가스 유량 등이 있습니다. 이종 에피택시 공정의 경우, 기판과 성장될 물질의 격자 상수 차이가 클 경우, 격자 상수 정합성 불량으로 인한 조배전위(錯配轉位, Misfit dislocation) 등의 결정 결함을 발생시킬 수 있습니다. 따라서 기판과 성장될 물질 중간에, 두 물질의 격자 상수의 중간값을 갖는 완충 물질(Buffer layer)을 성장시켜 이러한 불량을 최소화하는 방법을 사용하고 있습니다.