[물리전자] 1-5. Epitaxial Growth

지난 포스팅에서 Silicon Wafer의 제조과정에 대해 살펴보았습니다. 이와같이 Wafer를 제조하고 나면 만들어진 Wafer를 가공업체가 구햅해서 그 뒤에 구조물을 올린다던지 하는 방법을 통해 우리가 알고 있는 반도체 Chip을 만들게 됩니다. Wafer를 가공하는 공정이 여러 가지가 존재하는데, 그 중 하나가 Epitaxial Growth라는 단계입니다. 이번 포스팅에서는 이것에 대해 자세히 알아보겠습니다.

Epitaxial Growth 

 Epitaxial Growth란 이미 만들어진 Wafer 위에 새로운 Semiconductor 층을 키우는 것을 의미합니다. 이때 새로 올린 Semiconductor 층을 Epitaxial Layer라고 합니다. Epitaxial Growth 단게가 진행된 상태를 그림으로 표현하면 다음과 같습니다.

 그림을 보면 왼쪽과 오른쪽의 모양이 비슷하면서도 조금 다르다는 것을 볼 수 있습니다. 왼쪽 그림은 구매한 Wafer 위에 같은 종류의 Semiconductor를 Epitaxial Growth을 통해 키워준 것입니다. 예를들면 Silicon Wafer를 사서 그 위에 Silicon 층을 키우는 상황이 왼쪽 그림과 같은 상황입니다. 이런 경우에는 같은 물질을 위에 올리는 경우이기 때문에 큰 문제가 발생하지 않습니다.

 문제는 오른쪽 그림처럼 위/아라에 서로 다른 Semiconductor층을 형성시킬 때 발생합니다. 두 Semiconductor의 Lattice constant가 크게 차이나게 되면 Substrate와 Epitaxial Layer의 경계 영역에서 Lattice 사이에 Miss Match가 발생하기 때문입니다. 위 그림과 같이 Miss match가 생기게 되면 경계면의 원자들 중 공유결합을 하지 못하는 원자들이 발생할 수 있습니다. 이런 현상을 Defect이 발생했다 또는 Dislocation이 발생했다라고 표현합니다.

 Dislocation 때문에 Substrate 위에 Epitaxial Layer를 형성할 때는 두 Semiconductor의 Lattice constant가 비슷한지 반드시 확인해야 합니다

 

Application

 이런 Epitaxy Layer를 어떻게 활용할지에 대해 알아보겠습니다. 처음에 반도체의 종류를 분류를 했습니다. Elemental Semiconductor, Compound Semiconducor, Alloy Semiconductor 이렇게 3가지로 분류할 수 있었죠. 여기서 Alloy Semiconductor는 3족과 5족의 Semiconductor를 섞어서 만드는 것을 말했습니다. 

 그런데 여기서 질문. 3족과 5족의 원소를 아무렇게나 섞으면 새로운 Semiconductor를 만드는 것이 가능할까요? 3족과 5족의 원소를 섞어서 새로운 Semiconductor를 만드는 목적은 기본적으로 다음과 같습니다.

 

1. Switching 속도가 더 빠른 Semiconductor (= 전자의 Mobility가 우수한 Semiconductor)

2. 원하는 파장을 방출하는 Semiconductor

 

 하지만 Epitaxial Growth에서 살펴보았듯이 Alloy를 만드는데 Lattice Constant가 맞지 않으면 Defect이 생기기 때문에 3족과 5족의 원소를 아무렇게나 섞게 되면 제대로 된 Device를 만들 수가 없습니다. 따라서 Lattice Constant가 비슷한 두 원소끼리 합쳐주어야 한다는 제약조건이 생기게 됩니다. 

 이런 문제를 해결하기 위해 각 Semiconductor들의 Lattice Constant와 Band Gap을 그래프로 만들었습니다. 예를들어, GaAs를 보시면 Lattice Constant는 약 5.6$\AA$ 정도 되고 Band Gap은 1.4 eV정도 된다는 것을 쉽게 알 수 있습니다. 또한 InAs를 보면 Lattice Constant는 6.05$\AA$로 상대적으로 크네요.

 그러면 여기서 GaAs와 InAs를 이은 선의 의미가 무엇일까요? 지난번에 배운 Ga, As, In의 Ternery Semiconductor가 갖는 Lattice Constant와 Band Gap을 의미합니다. 즉 In$_x$Ga$_{1-x}$As의 Lattice Constant와 Band Gap을 알려주는 선입니다. 따라서 Ga와 In의 몰분율을 잘 조절하면 우리가 원하는 파장을 내는 Semiconductor를  만들어 낼 수 있습니다.

 하지만 여기서 더 나아가면 고려해야할 것이 InAs와 GaAs의 Lattice Constant의 차이가 크기 때문에 Epitaxy Layer를 형성하게 되면 Defect이 생길 수 밖에 없는데요. 그래서 이 그래프를 통해서는 이론적으로 원하는 Band Gap을 갖는지만 판단할 수 있습니다. 따라서 Epitaxy Layer를 만들 Semiconductor를 만들 때, Lattice Constant도 반드시 고려해주어야 합니다.

Pseudomorphic growth

 GaAs 위에 InAs를 올리게 되면 Lattice Constant 차이가 커서 Defect이 생긴다고 했습니다. 이 상황에서 Epitaxy Layer를 계속 키우면 Defect이 너무 많아 쓸 수 없는 Semiconductor가 되겠죠. 그러나 InAs를 얇게 키우면 Epitaxu Layer에 Defect이 생기는 것을 막을 수가 있습니다. 즉 밑의 기판과 위의 기판 사이에 가해지는 응력을 기판들이 견딜 수 있을 정도로 조절해주기 위해 얇게 만들어주는 것이죠. 이 때 Defect이 생기지 않는 한계두께를 Critical Thickness $t_c$라고 하며, Critical Thickness $t_c$내에서 Epitaxy Layer를 키울 때 Peudomorphic Growth라고 합니다. 

Epitaxial Growing Equipment

 Substrate에 Epitaxial Layer를 키우는 장비는 여러가지가 있는데 이번 포스팅에서는 Vapor Deposition과 Molecular Beam. 두가지를 소개하고자 합니다.

 

Vapor Phase Epitaxy

 Vapor Phase Epitaxy(기상증착방식)은 말 그대로 Chemical을 Vapor 상태로 공급해주며 Vapor 상태의 원자로부터 Epitaxial Layer가 성장하게 하는 기법을 말합니다. 

 장비의 작동방식에 대해 간단하게 설명하자면, 먼저 Chamber 내부에 Wafer를 장착시킵니다. 그 후 Epitaxy Layer를 만들 성분을 포함하는 Gas를 집어넣습니다. 그러면 Wafer 위에서 Gas가 반응을 하며 Epitaxy Layer가 생성됩니다. 예를들어 H$_2$ Gas와 SiCl$_4$ Gas를 혼합시키면 Si Epitaxial Layer가 성장하게 됩니다. 

 

Molecular Beam Epitaxy

 Molecular Beam Epitaxy은 코일이 감긴 여러 개의 통에 다양한 종류의 Atom을 채워넣은 후 가열시켜서 기화된 Atom을 이용해 Epitaxy Layer를 만들어 내는 것을 의미합니다. 한편 원하지 않는 Atom들이 날아가는 것을 막기 위해 Gas가 전진하지 못하도록 막는 Shutter가 통에 달려있기 때문에 원하는 Atom만 성장시켜줄 수 있습니다. 

 예를 들어 GaAs Wafer 위에 Ga$_x$In$_{1-x}$As를 성장시키고 싶다면 Ga가 담긴 통, In이 담긴 통, As가 담긴 통을 제외하고 나머지 통의 Shutter를 닫아버리면 원하는 Epitaxy Layer를 만들어 줄 수가 있겠죠.