잉곳이란 반도체 웨이퍼를 만들기 위한 기본 소재로, 고 순도의 실리콘 결정체입니다. 잉곳은 도핑이라는 과정을 통해 원하는 전기적 특성을 가지게 됩니다. 도핑은 잉곳에 다른 원소를 첨가하는 것으로, n type과 p type으로 구분됩니다. n type은 전자를 많이 가진 원소를 첨가하여 전자가 이동하기 쉬운 반도체를 만드는 것이고, p type은 전자를 적게 가진 원소를 첨가하여 정공이 이동하기 쉬운 반도체를 만드는 것입니다. 이번 포스팅에서는 실리콘 잉곳의 도핑 공정에 대해 알아보겠습니다.
도핑의 개념과 목적
도핑은 실리콘에 다른 원자를 첨가하여 불순물을 주입하는 과정으로, 이는 반도체의 전기적 특성을 조절하고 향상시키는 주요 방법 중 하나입니다. 주로 인, 갈륨 등의 불순물이 사용되며, 이들 불순물은 실리콘의 결정 구조에 삽입되어 전하를 전달하거나 차단함으로써 반도체 소자의 특성을 변화시킵니다. 도핑의 목적은 다양합니다. 첫째로, 도핑은 전기 전도도를 높이거나 낮춤으로써 반도체 소자의 전기적 특성을 제어합니다. 둘째로, 특정한 전하 상태를 가진 이동 전자를 생성하여 반도체 소자가 전기 신호를 처리하고 저장할 수 있도록 합니다.
잉곳
고 순도 실리콘 소재를 선택하고 정제합니다. 일반적으로 실리콘 소재는 석영 등을 이용하며 고 순도로 정제된 실리콘을 특정 비율로 혼합하여 고온의 용광로에서 녹여 고 순도의 실리콘 용액을 만들면 반도체 웨이퍼 제조에 적합한 물성을 얻습니다. 이렇게 만들어진 실리콘 용액은 정제 과정을 거쳐 불순물을 제거 한 후 혼합된 실리콘 액을 특정 형상의 크리스탈로 만들기 위해 특수한 형상의 몰드에 넣어 형성합니다. 크리스탈을 얻기 위해 초크랄스키 공정을 사용합니다. 이는 크리스탈 씨앗을 이용하여 실리콘 용융 체를 어느 정도의 속도로 회전시키면서 실리콘 결정을 형성하는 과정입니다. 회전 중인 결정을 천천히 끌어올려 결정을 성장시킵니다. 이로써 크리스탈이 길어지면서 실리콘 잉곳을 형성합니다.
잉곳 도핑
실리콘 잉곳을 n type 또는 p type 반도체로 만들기 위해서는 전자를 많이 또는 적게 가진 원소를 첨가해야 합니다. 이러한 원소를 도핑제 라고 하며, n 형 도핑제로는 인 (Phosphorus), 비소 (Arsenic), 안티몬 (Antimony) 등이 사용하여 전자의 이동이 용이해지며, n-형 반도체가 형성됩니다. n-형 반도체는 전자를 주요 이동 수단으로 사용하므로 전기 전도도가 향상됩니다. p 형 도핑제로는 보론 (Boron), 알루미늄 (Aluminum), 갈륨 (Gallium) 등이 사용되며 적은 전자를 제공하여 정공이 형성되도록 합니다. 이는 p-형 반도체를 형성하며, 정공은 전자와 반대로 이동하여 전기 전도도를 제어합니다. 초크랄스키 과정 중, 잉곳이 형성되는 동안 특정 시점에서 도핑 제를 용융된 실리콘에 첨가합니다. 도핑 제는 정확한 시점과 속도로 투입되어 잉곳에 도핑이 이루어집니다. 잉곳이 성장하는 동안, 도핑제의 도입 속도와 시점을 조절하여 정확한 도핑 농도와 분포를 얻습니다. 이로써 원하는 전기적 특성을 얻을 수 있습니다. 또한 잉곳을 만든 후에 고온에서 도핑 제를 증발시켜 잉곳 표면에 침투시키는 방법 등으로 도핑 할 수 있습니다. 도핑 된 잉곳은 n 형 또는 p 형 반도체의 특성을 가지게 되며, 전자 또는 정공이 이동하기 쉬운 반도체가 됩니다.
웨이퍼의 도핑은 전자 소자의 특정 기능을 활성화하고 전기적 특성을 제어하는 역할을 합니다. 이렇게 특정한 형태로 도핑 된 잉곳은 이후 많은 제조 공정을 거쳐 다양한 반도체 소자를 제작하는 데 활용되어 반도체 디바이스를 형성하게 됩니다. 잘 조절된 도핑은 반도체 소자의 효율성, 성능 및 안정성을 높일 수 있습니다.