반도체에서 사용되는 Silicon Wafer 결정 구조 및 특징 (Single Crystal, 단결정)

*목차*

1. Silicon Wafer의 결정 구조(Crystal Structure)

2. 반도체 제조에서 Single Crystal Si Wafer의 중요성

반도체 디바이스를 만들 때

얇은 원판 모양의 실리콘 웨이퍼(Si Wafer)를 주로 사용해요.

얇은 원판의 Si Wafer 위에 피자처럼 다양한 물질을 다양한 패턴으로 층층이 쌓아서

반도체 IC(집적회로)를 만들어요.

Si Wafer는 '웨이퍼 제조 공정(Ingot 공정)'을 통해서 만들어 지는데요.

이번 포스팅에서는 반도체 제조에 사용되는 Si Wafer의 결정 구조와 그 특징에 대해서 공부하고 정리해봤어요.

1. Silicon Wafer의 결정 구조(Crystal Structure)

-. 반도체 제조에서 사용하는 Silicon Wafer의 결정 구조는 

'다이아몬드 구조(Diamond Structure)' 에요.

'탄소(C, Carbon)' 원자로 이루어진 단단한 '다이아몬드'와 같은 구조에요.

Si wafer의 구조는

'작은 단위 격자(Small Unit Cell)'과 '큰 단위 격자(Large Unit Cell)'로 볼 수 있어요.

1.1) 작은 단위 격자 (Small Unit Cell)

-. Si Wafer의 결정 구조를 '작은 단위 격자(Small Unit Cell)'로 선택해서 보면

원자 5개가 '정사면체(Tetrahedron)' 형태를 갖는

'사면 입방체(Tetrahedral Cubic)' 구조로 볼 수 있어요.

원자 4개가 입방체를 형성하고 나머지 1개는 중심에 위치해요.

1.2) 큰 단위 격자 (Large Unit Cell)

-. '큰 단위 격자(Large Unit Cell)'로 선택해서 보면

'작은 사면 입방체(Small Tetrahedral Cubic)'이 모여서

'큰 사면 입방체(Large Tetrahedral Cubic)'가 만들어져요.

'작은 사면 입방체'가 위 2개, 아래 2개

총 4개의 작은 사면 입방체가 모여서 하나의 Unit Cell이 돼요.

Cubic 꼭지점은 8개이기 때문에

Large Cubic 하나는 8개의 Small Cubic이 포함되어 있지만

Large Unit Cell 안에서 Cubic을 형성하는 Small Cubic은 4개 뿐이에요.

반도체 디바이스를 만들기 위해서는

전기 전도도가 낮은 Si Wafer에 불순물을 주입하는 공정(Doping)을 통해서

전류가 흐를 수 있도록 만들어야 돼요.

여기서 '다이아몬드 구조(Diamond Structure)'를 갖는 Silicon은

'원자 충진률'이 34%로 빈 공간이 많아요.

그래서 불순물을 Si 원자 결정 구조 사이에 넣기가 유리해요.

이런 장점 때문에 반도체 제조 공정에서 Si Wafer가 주로 사용돼요.

2. 반도체 제조에서 Single Crystal Si Wafer의 중요성

-. 반도체 IC가 동작하기 위해서는 원하는 방향으로만 전기 신호를 보내고

불필요한 방향으로는 전류가 흐르면 안돼요.

때문에 반도체 제조의 기초가 되는 Si Wafer는 전류가 자유분방하게 흐르지 않는 구조를 갖고 있어야 돼요.

반도체 제조 공정에서 주로 사용되는 Si Wafer는

Si 원자가 '공유결합(Covalent Bonding)'으로 연결되어있기 때문에

'자유전자'가 없어서 기본적으로 전류가 잘 흐르지 못해요.

그리고 앞서 설명한 '다이아몬드 구조'의 Unit Cell이

한 덩어리로 쭉 연결되어있는 '단결정(Single Crystal)' 구조의 Wafer를 사용해요.

그런데 만약 Si 원자가 제대로 공유결합을 하지 못해서

'다결정(Poly Crystal)' 또는 '비결정성(비정질, Amorphous)' 구조로 Wafer가 만들어지면

결정 사이 '계면'으로 '누설전류(Leakage Current)'가 생기게 돼요.

이러면 원하지 않는 방향으로 전기신호가 흐르게 되거나

'잡음(노이즈)' 신호가 커지면서 반도체 IC 성능에 문제가 돼요.

그래서 Wafer를 만드는 '잉곳(Ingot)' 공정에서 '단결정' 구조를 만드는 것이 중요해요.

'잉곳' 공정에서 급격하게 냉각을 하면 '다결정' 구조가 생길 수 있어요....

**공부하면서 정리했는데 오류가 있으면 댓글로 수정 부탁드려요.