에피택셜 레이어는 반도체 장치에 어떻게 도움이 되나요?

에피택셜 웨이퍼라는 이름의 유래

먼저 작은 개념을 대중화해 보겠습니다. 웨이퍼 준비에는 기판 준비와 에피택셜 프로세스라는 두 가지 주요 링크가 포함됩니다. 기판은 반도체 단결정 소재로 만들어진 웨이퍼이다. 기판은 반도체 장치를 생산하기 위해 웨이퍼 제조 공정에 직접 들어갈 수도 있고, 에피택셜 웨이퍼를 생산하기 위해 에피택셜 공정으로 처리될 수도 있습니다. 에피택시란 절단, 연삭, 연마 등의 공정을 거쳐 세심하게 가공된 단결정 기판 위에 새로운 단결정 층을 성장시키는 공정을 말합니다. 새로운 단결정은 기판과 동일한 재료일 수도 있고, 다른 물질(균질한) 에피택시 또는 이종 에피택시). 새로운 단결정층은 기판의 결정상에 따라 신장 및 성장하기 때문에 에피택셜층(두께는 일반적으로 실리콘을 예로 들면 수 미크론이다. 실리콘 에피택셜 성장의 의미는 실리콘 단일층에 있다) 특정 결정 방향을 가진 결정 기판. 좋은 격자 구조 무결성과 기판과 동일한 결정 방향을 가진 서로 다른 저항률 및 두께를 갖는 결정 층, 에피택셜 층이 있는 기판을 에피택셜 웨이퍼라고 합니다(에피택셜 웨이퍼 = 에피택셜 층 + 기판). 에피택시층 위에 소자를 만드는 것을 포지티브 에피택시(Positive Epitaxy)라고 부른다. 장치가 기판 위에 만들어지는 경우 이를 역 에피택시라고 합니다. 이때 에피택셜층은 지지 역할만 한다.

연마된 웨이퍼

에피택셜 성장 방법

분자빔 에피택시(MBE): 초고진공 조건에서 수행되는 반도체 에피택시 성장 기술입니다. 이 기술에서는 소스 물질이 원자 또는 분자 빔 형태로 증발된 다음 결정질 기판에 증착됩니다. MBE는 증착 물질의 두께를 원자 수준에서 정밀하게 제어할 수 있는 매우 정밀하고 제어 가능한 반도체 박막 성장 기술입니다.
MOCVD(금속 유기 CVD): MOCVD 공정에서는 필요한 원소가 포함된 유기 금속 및 수소화물 가스 N 가스를 적절한 온도에서 기판에 공급하고 화학 반응을 거쳐 필요한 반도체 재료를 생성한 후 기판에 증착합니다. 계속되는 동안 나머지 화합물과 반응 생성물은 배출됩니다.
증기상 에피택시(VPE): 증기상 에피택시는 반도체 장치 생산에 일반적으로 사용되는 중요한 기술입니다. 기본 원리는 원소 물질이나 화합물의 증기를 운반 가스로 운반하고 화학 반응을 통해 기판에 결정을 증착하는 것입니다.

에피택시 공정은 어떤 문제를 해결합니까?

벌크 단결정 재료만으로는 다양한 반도체 장치 제조에 대한 증가하는 요구를 충족할 수 없습니다. 그래서 1959년 말에 박층 단결정 소재 성장 기술인 에피택시 성장 기술이 개발되었습니다. 그렇다면 에피택시 기술이 소재 발전에 구체적으로 어떤 기여를 하고 있을까요?

실리콘의 경우 실리콘 에피택셜 성장 기술이 시작되면서 실리콘 고주파, 고전력 트랜지스터 생산이 사실상 어려운 시기였다. 트랜지스터 원리의 관점에서 고주파, 고전력을 얻으려면 콜렉터 영역의 항복 전압이 높아야 하고 직렬 저항이 작아야 합니다. 즉, 포화 전압 강하가 작아야 합니다. 전자는 수집 영역에 있는 물질의 저항률이 높아야 하고, 후자는 수집 영역에 있는 물질의 저항률이 낮아야 함을 요구합니다. 두 지방은 서로 모순된다. 직렬 저항을 줄이기 위해 컬렉터 영역의 재료 두께를 줄이면 실리콘 웨이퍼가 너무 얇고 부서지기 쉬워 처리할 수 없게 됩니다. 재료의 저항률이 감소하면 첫 번째 요구 사항과 모순됩니다. 그러나 에피텍셜 기술의 개발은 성공적이었다. 이 어려움을 해결했습니다.

해결책: 저항이 매우 낮은 기판에 고저항 에피택셜 층을 성장시키고, 에피택셜 층 위에 디바이스를 만듭니다. 이 고저항 에피택셜 층은 튜브의 높은 항복 전압을 보장하는 동시에 저저항 기판은 기판의 저항을 줄여 포화 전압 강하를 줄여 둘 사이의 모순을 해결합니다.

또한 GaAs 및 기타 III-V, II-VI 및 기타 분자 화합물 반도체 재료의 기상 에피택시 및 액상 에피택시와 같은 에피택시 기술도 크게 개발되어 대부분의 마이크로파 장치, 광전자 장치, 전력의 기초가 되었습니다. 소자 생산에 없어서는 안 될 공정 기술이며, 특히 박층, 초격자, 양자우물, 변형된 초격자, 원자 수준의 박층에 분자빔과 금속 유기 기상 에피택시 기술을 성공적으로 적용하는 기술입니다. 반도체 연구의 새로운 단계인 에피택시(Epitaxy). 현장의 '에너지 벨트 공학' 개발은 견고한 기반을 마련했습니다.

실제 응용 분야에서 넓은 밴드갭 반도체 장치는 거의 항상 에피택셜 층에서 만들어지며 탄화규소 웨이퍼 자체는 기판 역할만 합니다. 따라서 에피택셜 층의 제어는 와이드 밴드갭 반도체 산업에서 중요한 부분입니다.

에피택시 기술의 7가지 주요 기술

1. 고(저) 저항 에피택셜 층은 저(고) 저항 기판 위에 에피택셜 성장될 수 있습니다.
2. N(P)형 에피층을 P(N)형 기판 위에 에피택셜 성장시켜 PN 접합을 직접 형성할 수 있다. 단결정 기판에 확산 방식을 사용하여 PN 접합을 만드는 경우 보상 문제가 없습니다.
3. 마스크 기술과 결합하여 지정된 영역에서 선택적 에피택셜 성장이 수행되어 특수 구조의 집적 회로 및 장치를 생산할 수 있는 조건을 만듭니다.
4. 에피택셜 성장 과정에서 필요에 따라 도핑의 종류와 농도를 변경할 수 있다. 농도의 변화는 급격한 변화일 수도 있고 느린 변화일 수도 있습니다.
5. 이종, 다층, 다성분 화합물 및 다양한 성분을 갖는 초박막 층의 성장이 가능합니다.
6. 물질의 녹는점보다 낮은 온도에서 에피택시 성장이 가능하며, 성장 속도 조절이 가능하고, 원자 수준 두께의 에피택시 성장이 가능하다.
7. GaN, 3차, 4차 화합물의 단결정층 등 잡아당길 수 없는 단결정 소재를 성장시킬 수 있다.