[물리전자] 1-4. Silicon Wafer

 오늘은 Silicon Wafer에 대해서 알아보겠습니다. 인간이 최초로 만들어낸 반도체는 Ge로 만들어진 반도체였습니다. 그러나 현재는 Ge Wafer는 거의 쓰지 않고 Si를 이용하죠. 그것은 Si가 Ge에 비해 좋은 점이 많기 때문일겁니다. 이제 실리콘의 특성에 대해서 하나씩 살펴보겠습니다.

실리콘 특성

반도체 재료로서의 장점

 Si가 반도체의 원료로 주로 사용되는 이유는 크게 4가지입니다. 

 

1. 자연에서 모래의 형태로 존재한다.

 모래는 대부분 $SiO_2$의 형태로 자연에서 존재합니다. 즉, 모래로부터 Si를 뽑아낼 수가 있습니다. 이것은 지구 상에 Si의 양이 거의 무한하다는 것을 의미하며 매우 싼 가격에 반도체를 제조할 수 있다는 것을 의미합니다. 

 

2. Band Gap이 1.1eV이다.

 Band Gap이라는 것은 이후에 Energy Band Theory를 설명하며 자세히 다루겠지만 지금 간단하게 설명하자면 원자에 묶여있는 전자가 원자로부터 벗어나기 위해 필요한 에너지를 말합니다. 전자가 원자로부터 벗어나야 비로소 전류가 흐르기 때문에 반도체에서는 매우 중요한 특성 중 하나입니다. 

 이 때 Band Gap이 Ge에 비해 낮으며 그렇다고 너무 높지도 않기 때문에 반도체로 사용하기 적절하다는 특징이 있습니다.

 

3. 높은 온도에서도 사용할 수 있다.

 Ge로 만든 반도체의 경우 고온에서 작동이 잘 안되는 특징이 있습니다. 그러나 Si로 반도체로 만들게 되면 비교적 높은 온도에서 반도체를 작동 시킬 수 가 있게 됩니다.

 

4. 쉽게 산화가 된다.

 쉽게 산화가 된다라는 것은 크게 와닿지 않을 수도 있습니다. 그러나 Si의 산화물이 $SiO_2$라는 것을 알게되면 상황이 달라집니다. $SIO_2$가 상당히 좋은 절연체이기 때문입니다. 이것은 후에 MOSFET에서 Gate Oxide로, 반도체 칩 내에서 

Shallow Trench Isolation으로 사용되는 등 무궁무진하게 활용할 수 잇습니다. 

 

실리콘 원자간 결합

 원자는 자연에서 단독으로 존재하지 않고 항상 다른 원자와 결합하려는 성질을 가지고 있습니다. 결합의 종류는 공유결합, 금속결합, 이온결합 등 여러가지가 있는데 이 중 실리콘 원자간 하는 결합은 공유결합에 해당합니다. 따라서 공유결합에 대해서만 간단히 살펴보고 넘어갑시다. 

 대부분의 원자는 최외각 전자가 8개가 될 때 가장 안정합니다. 이것을 Octet Rule이라고 부릅니다. 물론 예외는 존재합니다. 대표적으로 수소가 있죠. 수소는 첫번째 궤도에 전자가 존재하기 때문에 최외각 전자가 2개가 될 때 가장 안정합니다. 이 외에도 예외가 여러가지 더 있지만, 실리콘은 Octet Rule을 만족하기 때문에 이정도만 소개하고 넘어가겠습니다.

 

 Si는 14번 원자로 최외각 전자가 4개입니다. 따라서 Octet Rule을 만족하기 위해선 4개의 전자를 얻거나, 4개의 전자를 잃어야 합니다. 하지만 전자 4개를 내놓기 위해선 상당히 많은 에너지가 필요하기 때문에 주변에 있는 Si원자와 결합함으로써 전자를 공유하는 것이죠. 전자를 공유하면서 각각의 Si는 8개의 전자를 갖고 있는 것과 같은 효과를 얻을 수 있게 되며 원자간 결합이 형성됩니다. 이런 식으로 전자를 공유하면서 원자들끼리 결합하는 것을 공유 결합이라고 합니다. 실리콘 원자는 이런 공유 결합을 통해 안정된 상태를 유지할 수 있게 되는 것이죠.

실리콘의 정제

실리콘은 모래 상태로 많이 존재하지만 이것은 반도체로써 사용할 수가 없습니다. 반도체로 사용하기 위해서는 불순물을 제거하여 순도 높은 상태의 실리콘을 만들어 주어야 합니다.

 

1. Metallurgical Grade Silicon(MGS)

- 모래에서 환원시켜 만든 실리콘 -> 불순물이 많이 포함되어 있기 때문에 반도체로 쓰기는 어렵다.

- 제조 방법 : 모래를 SiC를 이용해 환원시켜 액상의 실리콘을 만들고, 산소는 SiO 기체와 CO기체로 만들어 날려버린다.

2. Semiconductor-Grade Silicon(SGS) 또는 Electronic Grade Silicon(EGS)

- MGS를 염산(HCl)과 반응시켜 기체상태의 트라이클로로실레인(SiHCl3)를 만든다.

- 기체 상태에서 불순물을 제거한다. (기체상태에서 불순물의 제거가 더 쉬움)

- 트라이클로로실레인(SIHCl3)를 수소(H2)와 반응시켜 순도높은 고체 상태의 실리콘(SGS or EGS)을 만든다.

 이렇게 정제된 Si를 가지고 Silicon Ingot을 만들게 됩니다. 

Silicon Wafer 제조

 Silicon을 정제하고 나면 Semiconductor Chip을 만들 수 있는 Wafer로 만들어 주어야 합니다. 지금부터 Silicon Wafer의 제조과정에 대해 간단하게 살펴보겠습니다.

 

1. Crystal Growth

 Silicon Wafer를 생산하기 위해서는 제일 먼저 Silicon을 가공하여 Ingot의 형태를 만들어주어야 합니다. Ingot이란 그냥 덩어리를 의미하는데요 예를들어 Silicon이 뭉쳐 덩어리를 이룬 것을 Silicon Ingot이라고 합니다.일반적으로, Ingot을 만들기 위해서는 Czochralski Growth Method를 사용하며, 그 방법은 굉장히 간단합니다.

 Molten상태의 Silicon에 끈으로 묶인 Silicon Crystal Seed를 빠뜨립니다. 그 이후, Seed를 돌리면서 서서히 끌어올리면 Molten상태의 실리콘이 Seed에 달라붙으면서 Ingot이 만들어지게 됩니다. 이 때 만들어지는 Ingot은 약 2m 정도로 알려져 있습니다.

 

2. Float Zone Method

 Crystal Growth를 하기 전에 Si를 정제해 순도를 높여주긴 했지만 반도체 소자에 사용할 Si는 순도가 높으면 높을수록 좋기 때문에 불순물 제거 과정을 한번 더 거치게 됩니다. 불순물을 제거하기 위해 사용하는 방법이 Float Zone Method입니다. 

 이 방법은 불순물을 포함하고 있을 때 어는점이 내려가는 것을 이용한 방법입니다. 물과 소금물의 어는 점을 비교해보면 소금물의 어는 점이 더 낮습니다. 같은 관점에서 Si도 불순물이 포함된 것이 순수한 Si보다 어는 점이 낮습니다. 이것을 이용해서 불순물이 포함된 부분만 액체로 만들어 한 곳으로 불순물을 모아줄 수가 있습니다.

 예를들어, 순수한 Si의 녹는점이 1500도라고 하고, 불순물이 포함된 Si의 녹는점이 1400도라고 해봅시다. 그러면 Ingor의 일부분을 순간적으로 1500도 이상으로 올린 후 1450도 정도로 식혀주게 되면, 순수한 Si는 고체가 되는데, 불순물이 섞인 Si는 액체 상태가 되죠. 이후, 가열하는 위치를 조금씩 옮겨주게 되면 불순물이 같이 끌려오게 됩니다. 그러면서 제일 끝으로 불순물을 모을 수 있게되고, 마지막에 완전히 굳힌 후 끝부분만 잘라내주면 되는 것이죠. 

 

3. Crystal Trimming and Diameter Grind

 Ingot이 만들어지면 원판모양의 Wafer을 만들기 위해 양쪽을 평평하게 잘라냅니다. 

 

4. Flat Grinding

 이후, Wafer에 Flat Zone을 형성하기 위해 한 면을 평평하게 갈아냅니다.

 

5. Wafer Slicing

 모양이 잡힌 Ingot을 얇게 잘라 Wafer를 만들어 냅니다. (약 700마이크로미터의 두께로 자름)

 

6. Edge Rounding

 Wafer로 잘라낸 후 울퉁불퉁한 가장자리를 둥글게 갈아줌으로써 원판모양의 Wafer가 되도록 합니다.

 

7. Lapping

 Wafer Slicing과정에서 톱을 이용해 자르기 때문에 표면이 거칠어 집니다. 이 표면에 Chip을 만들어 주어야하기 때문에 불량률을 줄이기 위해 표면을 polishing을 통해 갈아주게 됩니다.

 

7. Wafer Etching

 polishing을 통해 갈아준 표면을 더욱 평평하게 해주기 위해 화학적으로 용액에 담궈 거친 표면을 한번 더 평평하게 만들어 줍니다.

 

8. Polishing

마지막으로 CMP를 이용해 Polishing을 하여 거울 처럼 평평한 표면을 만들어 줍니다.

 

9. Wafer Inspection

 Wafer가 제대로 만들어졌는지 확인하기 위해 Wafer를 검사한 후 제품을 출하합니다.

 

이렇게 만들어진 Wafer를 그림으로 그려보면 다음과 같습니다.

 Wafer를 이렇게 만들게 되면 Wafer의 면에 Silicon Atom이 배열되어 있는 모습에 따라 Wafer의 이름을 다르게 붙여주는데요. 이런 Wafer의 종류에 따라 육안으로 구분할 수 있도록 Flat Zone을 형성해 주게 됩니다. 

 

 마지막으로 Wafer의 가공 역사를 보게 되면 처음에는 지름이 2~3inch인 작은 Wafer를 만들어 쓰다가 최근에는 12inch Wafer까지 크기가 점점 커지고 있습니다. Wafer Size가 점점 커지는 이유는 생산성 때문입니다. Wafer Size가 커야 같은 시간내에 더 많은 Chip을 만들어 낼 수 있겠죠. 그러면 Chip당 생산단가가 떨어지게 됩니다. 따라서 기술의 진보와 함께 Wafer Size가 커지는 것은 자연스러운 일입니다. 하지만 Wafer Size가 커짐에 다라 Wafer를 가공할 수 있는 장비가 함께 개발되어야 하는 점도 고려를 해야합니다.