SiO2(산화막)을 사용하는 이유를 알아보자!

안녕하세요. 베어훈릴스입니다.

우리는 반도체를 만들 때, 해변에서 흔하게 볼 수 있는 Si을 이용해서 기판을 만들어냅니다. 기판이라는 것은 기초가 되는 판으로서, 각종 공정이 이루어지는 기초라고 생각하시면 쉽게 생각하실 수 있을 것입니다. 어쨌든, 우리는 Si을 기판으로 사용하는 많은 이유가 있습니다. 그 이유를 살펴보자면,

 

Si을 반도체 기판으로 사용하는 이유

1. 원료가 지구상에 아주 풍부한 물질이기 때문에 구하기 용이하다.

2. 양질의 산화막을 가진다.

3. 가격이 저렴하다.

4. 안정적인 온도 특성을 갖는다.

5. 반도체 에너지 갭이 1.12 eV으로 진성반도체 특성에서 절연 특성이 우수하다.

 

위와 같은 이유 때문에 Si을 반도체 기판으로 사용한답니다. 그렇다면 위와 같은 이유 중 오늘의 토픽은 "산화막을 사용하는 이유"입니다. 산화막을 사용하는 이유를 살펴보자면,

 

1. 포토 공정에서 선택비가 우수하다.

2. 불순물 확산을 보호해준다

3. 전기절연 특성이 우수하다

4. 고압에서 안정적인 전기 특성을 가진다

5. 만들어내기 쉽다.

 

정말로 이렇게 우수한 산화막 특성을 갖고 있는 실리콘을 사용하지 않을래야 않을 수 없습니다. 또한, 반도체는 Si으로 만들기 때문에 폐기 한다고 해서 환경에 큰 영향을 끼치지 않는다는 우수한 장점이 있습니다. 즉, 버려도 애초에 원래 지구상에 존재하던 물질이기 때문에 생태계에 큰 영향을 끼치지 않는다는 것입니다.

 

마지막으로, 순수한 원소 반도체이기 때문에 결함이 적다는 장점도 있습니다. 가령 화합물 반도체인(GaAs)는 2개의 원소로 구성된 화합물 반도체입니다. 화합물 반도체는 순서대로 일정한 방향으로 규칙 적으로 정렬된 단결정을 만들 때에 원소들이 1대1 비율을 유지하는 것이 여간 힘든 것이 아닙니다. 그렇기 때문에 결함이 생기기 아주 용이합니다. Si은 단결정을 만들 때, 표면에는 산화막이 생겨도 안쪽에는 단결정 Si이 유지되기 때문에 특성을 쉽게 유지할 수 있습니다. 즉 원소 안정성 면에서 Si이 다른 화합물 반도체보다 훨씬 우수하기 때문에 Si을 현장에서 사용한다고 판단할 수 있습니다.

 

물론 화합물 반도체의 장점도 존재합니다. 화합물 반도체는 원소들의 선택과 성분비에 의하여 여러가지 종류를 만들어낼 수 있으며, 3개의 원소라도 구성될 수 있기 때문에 그 특성의 종류가 무한대에 가깝습니다. 또한, mobility 측면에서도 Si 보다 더 우수한 특성을 지니게 만들 수도 있지만, 안정성과 생산성 그리고 수율 측면에서 Si이 더 우수하기에 우리는 현재 Si을 반도체 기판으로 사용하고 있습니다. 그리고 앞서 말씀 드린 양질의 산화막은 카운터 펀치라고 생각할 수 있겠죠.

 

여러분은 이런 질문을 하실 수 있을 것입니다. "실리콘이 아닌 다른 종류의 원소 반도체는 왜 사용하지 않을까?" 실리콘 이외의 4족 원소 반도체로서(주기율표 상에서 4족상에 있는 물질이 우리가 도체로 만들기도 쉽고 부도체로 만들기도 쉽기에 4족원소를 사용합니다.) 탄소(C) 혹은 게르마늄(Ge)이 있습니다. 그 중에서 탄소는 다이아몬드 결정 구조를 하고, 밴드 갭 에너지가 아주 크기 때문에 절연체에 가깝습니다. 게르마늄은 실리콘 반도체 기술이 발전하기 전에 한 때 사용된 원소 반도체입니다. 게르마늄의 유리한 점은 전계가 걸린 경우 전자 나 정공이 움직이는 이동 속도를 나타내는 이동도(mobility)가 실리콘에 비하 여 약 3배 이상 크다는 점입니다.

 

그러나 게르마늄은 밴드 갭 에너지가 0.66 eV 로 실리콘의 밴드 갭 1.12 eV보다 작아서, 진성 캐리어 농도가 커지고 소자의 누설전류가 증가하기 때문에 사용할 수 온도가 한정적입니다. 즉, 고온에서의 사용이 불안정한 특성을 가지고 있습니다. 게르마늄은 또한, 안정된 산화막이 없어서 소자제작에 아주 불리하다는 것도 큰 disadvantage입니다.

 

정리하자면, 우리가 실리콘을 반도체 기판의 원료로 사용하는 이유는

1. 우수한 산화막이 존재한다

2. 지구상에 풍부하게 존재한다.

3. 원소 반도체로서의 안정성과 제작의 용이성이 우수하다

4. 온도특성이 우수하다.

5. 가격이 저렴하다.

 

위와 같은 이유 때문에 우리가 사용하는 반도체 재료는 Si을 사용한답니다.

 

요새 열심히 블로그 포스팅을 하고 있습니다. 천천히 우직하게 꾸준히 할 수 있도록 더욱 노력하겠습니다! 감사합니다.

오늘도 좋은 하루 보내세요!