2. 그래서 반도체는 어떻게 만드는 건데?

안녕하세요, 반연입니다. 앞 선 포스팅에서는 반도체는 무엇인지 간단하게 알아봤는데요,

 오늘은 반도체는 어떻게 만드는지 알아볼 거예요.

 결론부터 이야기 드리자면..

                                  <Fig 1. 위키피디아, 물결모양모래.jpg, Mannergirl79>

 

 반도체는 모래로 만듭니다. 

 엥? 이게 무슨 소리인가 싶겠죠? 바로 반도체를 구성하고 있는 실리콘(학창 시절에는 이걸 규소라고 배워요)을 모래에서 손쉽게 구할 수 있기 때문이에요 (이제 반도체 산업이 왜 부가가치가 높은지 아시게 될 거예요)

 널리고 널린 모래로 반도체를 만들어 제품으로 팔 수 있다니 어쩌면 과거의 연금술사도 이런 걸 꿈꿔오지 않았을까요.

•  실리콘? 성형수술에 사용하는거 아니야?

 Silicon(실리콘)이라는 이름은 라틴어로 부싯돌을 의미하는 silex와 탄소를 의미하는 carbon이 결합된 것이 그 어원입니다. 학창 시절에 배우는 규소(硅素)라는 이름은 규소, 흙 규 자와 본디, 성질을 의미하는 본디 소자로 이루어져 있는데 흙의 원소라고 이해하시면 될 것 같아요.

 혹시 학창 시절에 이런 거 외우셨나요? 저는 어렸을 때 맞으면서 배워서 아직도 기억하고 있는데,

 지각을 이루는 8대 물질인가 해서..

 산소, 규소, 알루미늄, 철, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 마그네슘 (가끔 이런거 기억하는 거 보면 소름 끼쳐요.)

 앞의 순서부터 지각에 존재하는 풍부한 원소의 이름인데요, 보시는 바와 같이 규소는 산소 다음으로 지각에 많이 존재합니다.

 Si로 또 무엇이 만들어지는지 아시나요? 많은 물질들이 있지만 가장 생각나는 건 유리(SiO₂ )입니다.

실리콘 하면 성형수술로나 쓰이는 물질인 줄 알았는데 의외로 우리 주변에 쓰이는 곳이 많은 물질이네요.

•  모래가 어떻게 반도체로 변하는 거에요?

 모래에 어떤 마법의 주문을 외워서 반도체가 만들어지는 것은 아닐테고.. 과연 어떻게 모래가 반도체가 될까요.

 모래의 구성은 SiO₂ 입니다. (이산화 규소, 영어로는 실리콘다이옥사이드라고 해요 Si가 실리콘이라는건 이제는 바로 알아야하겠죠?)

이러한 모래를 우선 탄소(carbon, C)과 함께 반응 시키는데요 간단한 화학식으로 보면 아래와 같습니다.

(화학식은 많이 중요하지 않아요 결과로 나오는 화합물 위주로 확인하시면 됩니다.)

 

SiO₂ + 2C → Si + 2CO

 

이러한 형태로 만들어진 Si은 Matallurgical Grade Si (MGS)라고 불립니다. 철(Fe),알루미늄(Al) 등 수백가지의 불순물들이 포함된 Si을 의미하는 말입니다. MGS의 경우 일반적인 용도로 사용되는 공업용 실리콘에는 사용가능하지만 반도체를 만드는 데에는 불순물이 많아서 부적합 합니다.

 

그래서 이러한 MGS를 Electronic Grade Si (EGS)로 바꾸어주는 과정이 필요한데요. 쉽게 말해 정제해서 더욱 순수한 Si을 만드는 과정이라고 이해하시면 됩니다.

 

 이러한과정은 MGS를 dry HCl과 반응시키면서 얻어집니다.

(HCl은 염화수소이고 흔히들 염산이라고 불리는 것입니다. 그리고 화학반응은 dry와 wet 방식으로 나뉘는데 dry는 가스를 이용한 것, wet은 액체를 이용한 것 이라고 생각하시면 됩니다.)

 

Si + 3HCl → SiHCl₃ + H₂

 

결과를 보면 SiHCl₃가 형성되고 H₂는 가스로 빠져나가는 형태가 되죠.

이외에도 MGS에 포함되어있는 수많은 불순물들이 FeCl₃같은 형태로 형성되게 되는데 각 염화물의 끓는점이 달라 이를 열처리를 통해 증발시키면서 순수한 Si를 추출할 수 있습니다.

이러한 방법을 fractional distillation 이라고 하는데요 (아래 Fig2.를 참고해주세요)

SiHCl₃와 FeCl₃와 같은 불순물이 포함된 염화물을 끓여서 끓는 점이 다른 특성을 이용해 순수한 SiHCl₃가 나오는 지점에서 열을 가하면서 가스를 채취하면

 

2SiHCl₃ + 2H₂ → 2Si + 6HCl

 

EGS를 얻을 수 있죠.

 

<FIg.2 fractional distillation, https://en.wikipedia.org/wiki/Fractional_distillation>

• 원자의 배열 상태에 따른 3가지 구분 방법

 이렇게 얻어진 EGS는 polycrystalline의 Si이 되는데, 여기서 새로운 개념을 배우고 넘어가야겠네요.

재료적인 이야기이지만 반도체에서는 아주 중요한 개념이에요.

결정구조에 대한 내용인데 필요한 부분만 아주 간략히 이야기 드릴테니 벌써 겁먹지마시고 봐주세요

물질의 결정구조는 크게

1. Amorphous (비결정)

2. Polycrystlline (결정형이 여러개 합쳐진 형태, crystalline이 여러개 뭉쳐져 있는 상태)

3. Crystalline (결정형)

으로 구분할 수 있는데요, 원자의 배열 상태에 따라 이름을 붙여 부릅니다. Fig3.에서 원자의 배열을 확인하시면 쉽게 이해되실 거에요(검정색 점이 실리콘 원자라고 생각하시면 됩니다).

<Fig 3. 원자의 결정 구조 (a)crystalline, (b)amorphous, (c)polycrystalline, solid state electronic devices, Ben G. Streetman>

 반도체의 종류에 따라 디스플레이로 많이 사용되는 InGaZnO(IGZO)와 같이 Oxide 계열의 Thin Film Transistor (TFT)의 경우 amorphous 상태의 물질을 사용하는데, Si의 경우 전기 전도도가 가장 빠른 crystalline으로 거의 모든 반도체를 제작한다고 해도 과언이 아니죠.

 전기 전도에 대한 mechanism만 이야기해도 몇 개의 포스팅을 해야하는 분량이기 때문에 해당 내용에 대해서는 다음에 다뤄보도록하고 일단은 이 정도만 알고 넘어가시면 될 것 같습니다.

 그리고 원자의 구조와 배열에 대해 추가로 설명드릴 내용을 다음에 포스팅 할 것이니 좀 더 자세하게 공부하고 싶으신 분은 나중에 참고해 주세요

•  Crystalline 실리콘 잉곳(ingot)의 제작

 다시 본론으로 넘어와서 위에서 정제된 EGS를 single-crystal(crystalline) Si으로 만들어 줘야합니다. 이 때사용되는 방법이 czochralski 방법인데 주로 쵸크랄스키 방법이라고 이야기해요. Fig4. 같이 EGS를 약 1412℃ 로 가열하면서 crystal seed에 붙여 천천히 회전시키며 끌어올리면, EGS가 seed에 의해 녹아 있는 Si을이 crystalline으로 정렬되면서 거대한 막대기(?)를 만들게 되는데요, 이 때 만들어진 막대기(?) Si를 끌어올리는 방식인데 이를 통해 '잉곳(ingot)'이라는 것을 만듭니다(Fig 5.).

<Fig 4. czochralski method, https://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/elmat_en/kap_6/backbone/r6_1_2.html>

 

Fig 5. Silicon ingot, wekipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Czochralski_method

 

 이 방법은 Si 뿐 아니라 Ge 라든지 화합물반도체를 만들때도 사용해요.

그리고 이렇게 만들어진 ingot을 잘라 wafer(웨이퍼)를 만들게 됩니다.

 

  Ingot의 사이즈(엄밀히 말하면 diameter를 이야기합니다)가 매우 중요한데 그 이유는 현대 반도체 제작이 규격화 되어 자동화로 제작되기 때문에 약간의 오차가 발생해도 장비에 안들어가거나 특성이 달라질 수 있기 때문이에요. 현재 삼성 하이닉스와 같은 반도체 생산 공장에서는 12인치(300mm) wafer를 사용하고 있고 450mm의 웨이퍼를 사용하기 위해 준비 중에 있죠. wafer가 커지면 한 번의 공정비용을 들여 더 많은 소자를 생산해 낼 수 있기 때문에 기업의 이익을 극대화 시킬 수 있거든요, 반도체를 계속 작게 만드는 것도 같은 이유로 볼 수 있습니다. 반도체를 계속 작게 만드는 것을 일반적으로 scale down이라고 하는데 이 내용도 다음에 특별 주제로 포스팅 하겠습니다.

•  잉곳에서 웨이퍼로

 그리고 이렇게 만들어진 ingot을 얇게 자르고(자르는 방향도 중요한데 이건 다음에 특별 부록으로 포스팅할게요) Chemical Mechanical Polishing (CMP)라는 공정을 통해 표면을 매끈하게 다듬고 cleaning을 해서 약 775um의 두께로 만들면 DRAM과 같은 반도체 소자를 만들 수 있는 wafer가 됩니다.

모든 반도체는 이러한 wafer 위에서 시작한 다 해도 과언이 아니죠.

 

 오늘 내용은 상당히 복잡하죠? 최대한 쉽게 풀어 쓴다고 썼는데도 어지럽네요. 앞으로 더 복잡한 이야기가 많이 남아있는데 벌써 걱정이에요. 천천히 읽어보시면서 이해안되시는 부분을 질문해 주시면 답변드릴테니 언제든 편하게 질문해주세요.

 그럼 다음시간에는 아주 간단한 양자역학에 대해 같이 공부해볼까요?

 앞 서 말씀드렸듯이 특별 부록으로 원자의 배열과 구조 웨이퍼 방향에 대해서도 포스팅을 할테니 자주 놀러와주세요