[Chapter 1] 1.4 에피택셜 성장

안녕하세요 물리는 무리야 입니다.

이번에는 에피택셜 성장(epitaxial growth)/에피택시(epitaxy)에 대해서 알아보겠습니다.

소자의 응용을 위해서 사용하는 결정성장방법 중 하나인 에피택셜 성장(epitaxial growth)/에피택시(epitaxy)는 

호환성 있는 결정으로 이루어진 웨이퍼 상에 얇은 결정을 성장시키는 것 입니다.

기판 웨이퍼 위에 일정한 방향성의 단결정을 성장시키는 방법입니다.

기판이 seed 역할을 하여 벌크(bulk) 결정과 박막형 결정을 성장시킵니다.

 

에피택셜 성장시 기판결정의 용융점보다 훨씬 낮은 온도에서 행해지며,

성장막의 표면에 적절한 원자를 공급하기 위한 다양한 방법이 사용되었습니다.

 

에피택셜 성장시 중요하게 고려되어야하는 것은 소재의 격자 구조및 격자 상수입니다.

 격자 상수가 큰 차이를 가지게 되면 서장층에서 스트레스를 받아

앞에서 이야기했던 결함이 발생할 수 있기 때문입니다.

f>0 장력 스트레스                                                                        f<0 압축 스트레스

결자부정합(f)에 따라서 성장중인 에피층이 받는 스트레스가 달라지게 됩니다.

f=0이면 기판과 에피층의 격자상수가 완전 일치하여 스트레스를 받지 않습니다.

f>0이면 에피층의 격자상수가 작아 장력스트레스를 받게 됩니다. 

f<0이면 에피층의 격자상수가 커서 압축스트레스를 받게 됩니다.

 

위와 같은 이유로 기판과 다른 에피택셜층을 성장시킬때

격자구조 및 격자상수가 비슷한 경우에 성장될 수 있습니다.

 

격자상수-밴드갭 그래프

위 그래프는 화합물반도체의 밴드갭과 격자상수를 알려주는 그래프입니다.

예를 들어서 AlGaAs를 기판에 성장시킬때 GaAs에서부터 성장시킵니다.

혹은 InGaAs를 성장시킥 때는 InAs에서 GaAs로 성장시키는 것이 아니라

InAs와 GaAs의 중간 정도의 격자상수를 가지는 InP를 이용하여 성장시킵니다.

 

 

 

다음은 에피택시의 종류에 대해서 알아보겠습니다.

 

1. 기상 에피택시(Vapor Phase Epitaxy,VPE)

 기상 에피택시는 쌍극자 실리콘 직접회로 소자제작에 주로 이용되어 왔습니다.

화학적 증기(Chemical vapor)이나 가스 혼합(Gas mixture)을 활용해서

기판위에 에피층을 성장 시키는 것입니다.

 

기상 에피택시는원하는 불순물 농도를 갖는 에피층을

연속적으로 여러층을 성장시킬 수 있습니다.

이를 통해서 불순물 간의 상호 침투 현상을 최소화시킬 수 있습니다.

 

기상 에피택시는 기체 혼합물을 원료로 사용한다는 점에서

화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)과 동일합니다.

기상 에피택시의 경우 단결정층 성장이 목적입니다.

기상 에피택시

 

2. 액상 에피택시(Liquid Phase Epitaxy,VPE)

액상 에피택시

액상 에피택시는 주로 저융점 III족 원소 (Ga, In)와

III-V족 반도체 결정의 혼합체를 이용하는 에피층 성장에 활용합니다.

성장방법은

기판으로 사용되는 반도체A 보다 낮은 융점을 가지고 있는 원소B를 사용한

혼합체 AB는 A보다는 낮은 융점을 가지고 있습니다.

그러므로 용융된 혼합체 AB를 기판 A위에서 저속냉각하여 AB 에피층을 형성합니다.

혼합체 AB에 B를 추가하거나 C를 추가하여 AB+나 ABC혼합체를 형성합니다.

(+ 의미는 강한 도핑이라는 뜻입니다.)

 

A-AB-ABC의 순서로 에피층을 형성합니다.

 

 

3. 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy,MBE)

분자선 에피택시

분자선 에피택시는 기판을 고진공실에 설치하고

여러 성분의 분자선 또는 원자선을 그 기판 위에 충돌시키는 것입니다.

필요한 원소들을 각각 격리된 원통형 셀에서 가열하고, 기판을 겨냥하여 

각 성분의 빔을 사출하여 표면 위로 향하게 합니다.

충돌하는 비율은 정확히 조절되며 매우 높은 품질의 결정성장이 이루어집니다.