에피택셜 성장과 CVD의 차이: 결정·하지·온도·용도 비교

에피택셜 성장은 단결정 기판 위에 기판과 같은 결정 방위의 단결정 막을 키우는 기술입니다. 실리콘 에피택시는 대부분 CVD(화학 기상 증착)로 이루어지므로 둘은 대립하는 개념이 아닙니다. 에피택시는 기판의 결정을 이어받아 단결정을 키우는 CVD라고 볼 수 있습니다(MBE처럼 CVD가 아닌 방법도 있습니다). 이 표는 단결정을 키우는 에피택셜 성장과, 폴리실리콘·비정질 실리콘·산화막·질화막처럼 단결정이 아닌 막을 쌓는 일반 CVD를 비교합니다.

비교 항목에피택셜 성장CVD(일반 성막)
얻어지는 결정아래 결정의 배열과 방위를 이어받은 단결정다결정(폴리실리콘)이나 비정질. 실리콘 산화막과 질화막도 비정질입니다
하지 조건본뜰 깨끗한 단결정 표면이 필요합니다. 다른 재료를 키우는 헤테로 에피택시에서는 격자 상수와 열팽창의 차이가 문제가 됩니다단결정일 필요가 없습니다. 산화막, 금속, 패턴의 단차 등 가스가 닿는 곳이면 어디든 쌓입니다
성장 전 표면 처리엄격합니다. 표면에 남은 두께 약 1 nm의 자연 산화막이나 탄소가 적층 결함 같은 결함의 씨앗이 됩니다. 실리콘에서는 보통 HF 세정 뒤 약 1,100 °C의 수소 베이크로 산화막을 제거합니다아래층과 결정을 이을 필요가 없으므로, 산화막 제거는 일반적으로 에피택시만큼 엄격하지 않습니다
온도 경향실리콘은 원료에 따라 다릅니다. 트리클로로실란으로 약 1,100~1,150 °C, 디클로로실란으로 약 1,000~1,100 °C, 실란으로 대략 600~900 °C. SiC는 약 1,500~1,650 °C를 사용합니다방식에 따라 범위가 넓습니다. LPCVD 약 600~800 °C, 플라즈마 CVD 약 300~400 °C. 실란으로 만드는 실리콘은 약 580 °C 미만에서 비정질, 그 이상에서 다결정이 됩니다
대표 막실리콘 에피택셜층, SiGe, SiC, GaN이나 GaAs 같은 화합물 반도체층폴리실리콘, 비정질 실리콘, 실리콘 산화막(TEOS 등 원료), 실리콘 질화막, 텅스텐
도핑 제어성장 중 포스핀이나 디보레인으로 인시투 도핑해 층마다 농도를 정하고 급준한 깊이 프로파일을 얻을 수 있습니다. 고농도 기판에서의 오토도핑을 억제해야 합니다폴리실리콘은 인시투 도핑으로 도전성을 줄 수 있습니다. 절연막에서는 도핑이 주목적이 아닙니다
주요 용도전력 소자의 저농도 드리프트층, CMOS용 에피 웨이퍼(p/p+ 등), CMOS 이미지 센서용 기판, 트랜지스터의 소스/드레인 올림 구조, SiGe HBT의 베이스, LED와 레이저의 다층 구조층간 절연막, STI 매립, 스페이서, 하드 마스크, 폴리실리콘 게이트와 저항, 텅스텐 플러그
품질의 의미적층 결함이나 전위 같은 결정 결함, 에피 두께와 비저항(도핑). 헤테로 에피택시에서 임계 두께를 넘으면 미스핏 전위가 생깁니다두께 균일성, 스텝 커버리지, 막 밀도와 수소 등의 불순물, 막 응력
장비300 mm 웨이퍼의 실리콘에서는 램프 가열 매엽식 반응로가 주류입니다. 화합물 반도체에는 MOCVD가 널리 쓰이고, 연구 등에서는 MBE도 씁니다종형로에서 많은 웨이퍼를 한 번에 처리하는 LPCVD, 플라즈마 CVD, 갭 필용 HDP-CVD 등

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

에피택셜 성장
전력 소자의 드리프트층이나 SiGe 소스/드레인처럼, 결함이 적고 도핑을 기판과 독립적으로 정한, 소자의 전기적 동작을 담당하는 층이 필요할 때.
CVD(일반 성막)
단결정일 필요가 없는 절연막, 전극, 마스크, 매립막을 단차를 덮으면서 만들고 싶을 때.
같은 가스, 다른 결과
같은 실리콘 원료라도 깨끗한 단결정 실리콘 위에서는 단결정이 되고, 산화막 위에서는 폴리실리콘 등이 됩니다. 선택적 에피택셜 성장은 염소를 포함한 원료나 HCl로 이 차이를 강하게 만들어, 실리콘이 노출된 곳에서만 단결정을 키웁니다.

자주 묻는 질문

에피택셜 성장은 CVD의 일종인가요?

실리콘 에피택시는 대부분 CVD로 이루어지므로 CVD로 단결정을 키우는 방법이라고 볼 수 있습니다. 다만 엄밀히 말하면 에피택시는 아래 결정을 이어받아 단결정을 키운다는 결과를 가리키는 말이며, 방법은 CVD에 한정되지 않습니다. 화합물 반도체에 널리 쓰이는 MOCVD는 CVD에 의한 에피택시이고, MBE(분자선 에피택시)는 초고진공에서 원료를 분자선으로 공급하므로 CVD가 아닙니다.

에피택시 전에 수소 베이크를 하는 이유는 무엇인가요?

표면에 남은 자연 산화막(약 1 nm)이나 탄소 같은 오염이 올바른 단결정 성장을 방해해 적층 결함 같은 결함을 일으키기 때문입니다. 수소 속에서 약 1,100 °C로 가열하면 산화막이 SiO로 증발해 깨끗한 결정 표면이 드러납니다. 열 예산을 제한해야 하는 첨단 공정에서는 습식 세정이나 플라즈마 처리와 조합해 더 낮은 온도에서 합니다.

에피택셜 실리콘층과 폴리실리콘은 무엇이 다른가요?

에피택셜층은 기판과 이어진 단결정이며 결정 결함이 적으므로, 드리프트층이나 소스/드레인처럼 소자의 전기적 동작을 담당하는 층으로 쓸 수 있습니다. 폴리실리콘은 작은 결정립의 집합으로 산화막 위를 포함해 어디에나 쌓을 수 있으며, 게이트 전극이나 저항 같은 부분에 쓰입니다.

이해도 확인

에피택셜 성장에 대한 설명으로 올바른 것은?

  1. A단결정 기판 위에 기판의 결정 방위를 맞추어 단결정 박막을 성장시키는 것
  2. B기판 위에 비정질 막을 증착하는 것
  3. C기판을 고온에서 녹여 재결정시키는 것
정답과 해설 보기

정답: A. 단결정 기판 위에 기판의 결정 방위를 맞추어 단결정 박막을 성장시키는 것

에피택셜 성장에서는 기판의 결정 배열을 이어받도록 원자가 쌓여 기판과 같은 방위를 가진 단결정 막이 만들어집니다. 기판과는 독립적으로 불순물 농도나 재료를 선택할 수 있고 CZ 웨이퍼보다 결함이 적은 층을 만들 수 있어, 파워 디바이스의 저농도 드리프트층, CMOS 이미지 센서용 기판, 트랜지스터 소스·드레인의 SiGe, LED와 레이저의 다층 구조 등에 사용됩니다.

실리콘 에피택셜 성장 직전에 고온의 수소 분위기에서 웨이퍼를 가열하는 주된 목적은?

  1. A표면을 두껍게 산화시킨다
  2. B불순물을 고농도로 첨가한다
  3. C표면의 자연 산화막을 제거하고 청정한 결정면을 노출시킨다
정답과 해설 보기

정답: C. 표면의 자연 산화막을 제거하고 청정한 결정면을 노출시킨다

표면에 자연 산화막(약 1 nm)이나 탄소 등의 오염이 남아 있으면 그 위에는 단결정이 잘 성장하지 않아 적층 결함 등의 원인이 됩니다. 성장 전에 수소 중에서 약 1100 ℃로 가열(수소 베이크)하면 SiO2가 실리콘과 반응하여 SiO로 증발하고, 청정한 실리콘 결정면이 노출됩니다. 열 예산을 줄여야 하는 첨단 공정에서는 사전 약액 세정이나 플라즈마 처리와 조합하여 더 낮은 온도에서 수행합니다.

실레인을 열분해하여 실리콘 막을 증착할 때, 성막 온도를 낮추면 만들어지는 막은 무엇인가?

  1. A단결정 실리콘
  2. B비정질 실리콘
  3. C이산화실리콘
정답과 해설 보기

정답: B. 비정질 실리콘

실레인의 열분해로 만든 실리콘 막은 대략 580 ℃보다 낮은 온도에서는 비정질이 되고, 그보다 높은 온도에서는 다결정(폴리실리콘)이 됩니다. 비정질로 성막한 뒤 600 ℃ 전후에서 장시간 열처리하면 핵이 적은 채로 결정이 성장하므로, 직접 성막한 막보다 결정립이 큰(이동도가 높은) 막을 얻을 수 있습니다. 액정 디스플레이의 박막 트랜지스터(TFT)에서는 레이저로 결정화하는 방법도 사용됩니다.

  1. 실리콘 에피택셜 성장에서 원료로 사용되는 가스는?
  2. 에피택셜 성장 중에 도핑 가스를 흘려 성장과 동시에 불순물을 첨가하는 것을 무엇이라고 합니까?
  3. 선택 에피택셜 성장에 대한 설명으로 올바른 것은?

에피택셜 성장 문제 풀기

주요 용어 설명

에피택셜 성장
단결정 기판 위에 기판의 결정 방위를 맞추어 단결정 박막을 성장시키는 기술.
CVD
화학 기상 증착. 원료 가스의 화학 반응으로 웨이퍼 위에 박막을 퇴적하는 방법.
선택적 에피택셜 성장
절연막으로 덮이지 않은, 실리콘이 노출된 부분에만 결정을 성장시키는 방법. 트랜지스터 소스·드레인의 SiGe 등에 사용된다.
자연 산화막(Native Oxide)
실리콘이 공기나 물에 닿아 자연스럽게 생기는 두께 1 nm 안팎의 얇은 산화막. 접촉 저항 증가와 에피택셜 성장의 방해가 되므로 필요한 공정 직전에 제거한다.
오토도핑(Autodoping)
에피택셜 성장 중 기판 등의 불순물이 기상을 통해 성장층에 유입되는 현상. 고농도 기판 위에 저농도 층을 성장시킬 때 문제가 된다.
LPCVD(저압 CVD)
감압 하에서 수행하는 열 CVD. 기체 분자의 확산이 빨라지므로 막 두께 균일성과 단차 피복성이 좋고, 다수의 웨이퍼를 수직로에서 한 번에 처리할 수 있다. 폴리실리콘과 질화막 성막에 사용된다.
MOCVD(유기금속 기상 성장)
유기금속 화합물과 암모니아 등의 원료 가스를 사용하여 결정을 성장시키는 방법. GaN, GaAs 등 화합물 반도체의 성장에 널리 사용된다.

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