반도체 기초 Ⅰ

1 반도체란 무엇인가?

반도체를 정의할 때 가장 손 쉽게 접근할 수 있는 방법이 각 물질 간의 비저항(Resistivity)¹을 비교하는 것이다. 자유전자가 많은 전도체는 가장 낮은 비저항(10^{-5}~10^{-6}Ω·cm)을 가지는 반면, 절연체(부도체)는 매우 높은 비저항(10^{14}~10^{18}Ω·cm)을 가진다. 이는 절연체 내부에 전하를 이동시킬 수 있는 캐리어²가 없기 때문이다. 어떤 물질 내의 캐리어 수를 의도적으로 조절하면, 비저항이 전도체와 절연체의 중간 수준(10^{-3}~10^{18}Ω·cm)인 반도체를 만들 수 있다. 이러한 반도체에는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 등 한 가지 원소로 된 단일 원소 반도체와 갈륨비소(GaAs)나 인듐안티몬(InSb) 등 Ⅲ-Ⅴ족의 원소가 화합하여 구성된 화합물 반도체가 있다. 본 서에서는 실리콘 기반의 단일 원소 반도체를 설명하고자 한다.

비저항¹: 전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 성질로, 물질마다 고유값을 가짐. 비저항이 큰 물질은 전류가 잘 통하지 않음.

캐리어²: 전하를 이동시킬 수 있는 전자나 정공(빈 구멍)

2 고체의 결정 구조

고체의 결정은 X선 회절과 전자 현미경 등으로 측정이 가능하며, 고체를 구성하고 있는 원자들이 규칙적으로 배열되어 있을 때 이것을 결정질 고체라 한다. 결정질 고체의 내부는 [그림 1-1]과 같은 구조가 3차원적으로 반복 배열되어 있으며, 이것을 결정 격자(Crystal lattice)라고 한다. 그중 하나의 구역을 단위 셀(Unit cell)이라 하고, 단위 셀의 모서리 길이를 격자 상수(Lattice constant, a)라고 한다. 격자 상수는 물질에 따라 다르다.

고체는 원자 배열에 따라 [그림 1-2]와 같이 3가지 형태로 분류된다. 결정 내의 원자 배열이 주기적인 것을 단결정 고체(Single crystalline solid), 전혀 주기성을 띠지 않는 것을 비정질 고체(Amorphous solid), 결정 입계(Grain boundary)³로 경계 지어진 작은 영역에서 단결정인 물질이 서로 다른 방향으로 여러 개 합쳐져 있는 것을 다결정 고체(Polycrystalline solid)라고 한다. 반도체에서는 소자를 제작하는 기판으로 단결정 실리콘을 사용하고 있으며, 다결정 또는 비정질 실리콘은 박막(Thin film)⁴ 형태로 사용하게 된다.

결정 입계³: 미세한 결정의 집합체인 다결정 내의 단위 부분을 결정립(Grain)이라 하고, 결정립 간의 경계를 결정 입계라고 함.

박막⁴: 1μm 이하의 매우 엷은 두께의 막. 반도체의 금속박막 및 산화막에 해당함.

반도체는 소자 제작 시에 특정한 결정면과 결정 방향을 선택하여 제작한다. 이때 결정면은 3차원 직교 좌표의 각 축과 결정면이 만나는 점의 역수를 취하여 표시한다. [그림 1-3(a)]에서 (100)이라 표시한 면을 예로 들면, 격자 상수를 1이라 했을 때 결정면은 x축과 1에서 만나지만, y축, z축과는 평행하므로 교점은 ∞이다. 따라서 결정면은 (1/1, 1/∞, 1/∞)인 (100)이 되는 것이다. 또한 (010), (001) 입방면은 (100)면과 결정학적으로 등가적⁵이므로, 이러한 등가적인 면을 전체적으로 {100}으로 표시하고, 3개의 정수를 밀러 지수(Miller index)라 한다. 결정 방향도 3개의 정수로 표현할 수 있으며, 결정면에 수직인 방향이다. 또한 [100], [010], [001] 방향이 등가 방향이므로 이들 방향을 전체적으로 대표하여 <100>으로 표시한다.

등가적⁵: 같은 값을 가짐.

일반적으로 삼성전자와 SK하이닉스를 비롯한 대부분의 반도체 업체는 웨이퍼 공급업체로부터 실리콘 웨이퍼⁶를 공급받아 사용하는데, 이때 실리콘 웨이퍼는 균일하고 양호한 소자 특성의 확보가 가능한 (100)면이 사용된다.⁷ 또 소자 제작 중 일관된 위치 정렬을 위해 웨이퍼 상에 [그림 1-4]와 같은 평탄면(Flat zone) 또는 새김눈(Notch)을 형성한다.

웨이퍼⁶: 반도체의 재료가 되는 실리콘이나 갈륨비소 등 단결정 봉(Ingot, 잉곳)을 얇게 썬 둥근 판

산화막 성장 시 실리콘과 산화막(SiO2) 경계면의 특성은 (100)이 우수하기 때문임.⁷

3 실리콘 반도체의 특성

반도체의 주 재료로 사용되는 실리콘은 [그림 1-5]와 같이 최외각 전자가 4개인 4족 원소이다. 원자 번호는 14이고 원자 밀도는 5 × 10^{22}cm^{-3}이며 1S²2S²2P⁶3S²3P²의 전자배치를 갖는다. 실리콘은 [그림 1-6]과 같은 다이아몬드 입방체(Diamond cubic)의 결정 구조이고, 5.43Å의 격자 상수를 갖는다. 여기에서 다이아몬드 구조란 면심 입방(Face-Centered Cubic, FCC) 격자의 배열에 x, y, z가 각 1/4 격자 상수만큼 떨어진 위치에 별도의 원자가 더 있는 구조로, 격자 내의 각 실리콘 원자는 가장 근접한 이웃 원자 4개와 결합을 하고 있다. 이를 기본 셀(Primitive cell)이라 한다.

그렇다면 반도체의 재료로 실리콘을 사용하는 이유는 무엇일까? 1 실리콘은 원재료를 얻기 쉽고 가격이 싸다는 장점이 있다. 또한 실리콘 산화막⁸의 특성이 다른 반도체 재료에 비해 월등히 우수하고, 다음 절에서 설명할 적절한 에너지 밴드 갭(1.12eV)을 가지고 있으며, 높은 온도(1,414℃)의 녹는점과 고순도의 불순물 정제 기술의 발달로, 상대적으로 저가이면서 고품질의 웨이퍼를 생산할 수 있기 때문이다.

실리콘 산화막⁸: 공정 과정에서 발생하는 불순물로부터 실리콘 표면을 보호하거나 MOSFET의 게이트 산화막 용도로 사용

4 에너지 밴드 모델(Energy band model)

독립된 원자 내에서 불연속적인 에너지 준위는 원자 간의 간격이 가까워짐에 따라 파울리의 배타율⁹이 적용되어 [그림 1-7]과 같은 에너지 대역(밴드)을 형성하게 된다. 반도체 역시 여러 원자들이 모여 구성되는 것이므로, 에너지 밴드를 형성하고 있다.

파울리의 배타율⁹: 2개의 전자는 4개의 양자수(Quantum number), 즉 주양자수(n), 부양자수(l), 자기양자수(m), 스핀양자수(s)가 모두 동일할 수 없다는 규칙

반도체의 주 재료인 실리콘은 [그림 1-7]과 같이 원자 간 거리가 가까워지더라도, 핵에서 가까운 1S에서 2P까지의 에너지 준위는 서로 영향을 미치지 못한다. 즉, 에너지 밴드를 형성하지 못한다. 반면, 최외각의 3S3P의 경우에는 원자 간 거리가 가까워짐에 따라 상위 4N개, 하위 4N개의 에너지 준위로 양분된다. 그리고 원래 실리콘이 가지고 있던 총 4N개의 전자¹⁰는 모두 하위 4N개의 에너지 준위에만 존재하게 된다. 이렇게 전자로 가득 차 있는 하위 에너지 대역을 가전자대(Valence band)라고 하고, 전자가 존재하지 않는 상부의 빈 에너지 대역을 전도대(Conduction band)라고 부른다. 두 에너지 대역 사이에는 전자가 점유할 수 없는 에너지 영역인 금지대(Forbidden band)가 있으며, 이때의 에너지 차를 금지대 폭 또는 에너지 갭(Energy gap, E g)이라 한다¹¹. 또한 전도대의 가장 낮은 에너지 준위, 즉 전도대역 최소에너지는 E_c, 가전자대의 가장 높은 에너지 준위는 E_v로 표기한다.

3S²의 2N개 전자와 3P²의 2N개 전자¹⁰

실리콘의 경우에는 1.12eV의 에너지 갭(E_g)을 가짐.¹¹

따라서 외부 전계¹² 인가 시 캐리어의 이동에 의해 전류를 흐르게 하려면, 가전자대에 있는 전자가 에너지 갭(E_g) 이상의 에너지(열 또는 빛 에너지)를 받아 비어 있는 전도대로 올라가, 전도대 내에서 자유전자 형태로 자유롭게 이동할 수 있어야 한다.

전계¹²: 전기장을 의미하며, 전기장 내의 한 점에 단위 전하량(1C)을 가진 양전하를 놓았을 때 그 전하가 받는 전기력의 크기

한편, 서두에 설명했던 반도체의 개념을 에너지 밴드 이론으로 다시 정의할 수도 있다. [그림 1-8]과 같이 에너지 갭이 5eV 이상으로 커서 가전자대에서 전도대로의 전자 이동이 어려운 물질은 절연체(부도체)로 정의하고, 에너지 갭이 매우 작은 경우나 두 대역이 겹쳐져 대역 내 전자와 정공이 서로 혼합되는 경우에는 전자가 자유롭게 이동하여 전류가 잘 흐를 수 있으므로, 전도체로 정의할 수 있다. 마지막으로 에너지 갭이 부도체와 전도체의 중간 정도(< ~3eV)인 물질은 반도체로 정의할 수 있다. 반도체 소자와 집적회로 제조를 위해서는 절연체와 전도체, 반도체 모두가 필요한 재료이다.

5 전하 캐리어(반송자, Carrier)

금속과는 달리, 반도체에는 전하를 운반하는 역할을 하는 캐리어(반송자)가 2가지 있다. 첫 번째는 우리에게 익숙하며 음전하를 가진 전자(Electron)이고, 다른 하나는 전자가 빠져나온 자리에 생기는 빈 구멍으로서, 양전하를 띠고 있는 정공(홀, Hole)이다. [그림 1-9]와 같이 가전자대에 있던(원자핵에 구속되어 있던) 전자가 열에너지를 받으면, 에너지 갭을 넘어 전도대로 올라가 자유전자로 자유롭게 이동하게 되고, 가전자대의 전자가 있던 자리는 비어 있게 된다. 그 구멍으로 가전자대에 있는 또 다른 전자가 들어오는 일련의 과정을 거치면서 전하의 이동이 발생하고 이로 인해 전류가 흐른다.¹³

전류의 방향은 정공의 방향과 같음.¹³