1.1 반도체 물질 1.2 고체의 종류 1.3 공간격자 1.4 원자결합 1.5 고체내의 결함과 불순물 물리전자 1.1 반도체 물질 1.2 고체의 종류 1.3 공간격자 1.4 원자결합 1.5 고체내의 결함과 불순물

1.1 반도체란? 물질은 전기적 특성에 의해 도체, 부도체, 반도체로 구분할 수 있다. 반도체는 도체와 부도체 사이의 전도도를 가지는 물질. 온도, 외부여기, 불순물에 따라 전도도는 변함

금속/비금속의 전도도

반도체의 특성은 ?

진성반도체와 외인성 반도체 불순물 첨가에 의한 이동전하의 증가 진성 반도체: 불순물이 첨가되지 않은 반도체 외인성 반도체: 불순물(전자, 정공)이 첨가된 반도체 N-Type(전자>정공), P-Type(정공>전자)

도핑농도에 따른 저항율의 변화 저항율증가 불순물농도증가

구성원소에 따른 반도체 분류 원소형 반도체 : Si, Ge (4족 단일원소) 2.화합물 반도체 : 2종 이상의 원소 결합 - 2원소 반도체 : GaAs, GaP, ZnS InSb, CdSe (주로 3-5, 2-6족 원소결합) - 3원소 반도체 : AlGaAs, GaAsP 책 표1-2 참조

1.2 고체의 구조적 분류 원자의 공간적 배열에 따른 고체의 분류 비정질: 정렬된 영역이 원자, 분자 몇 개 정도 단결정: 10에 수승 정도의 정렬된 영역을 가진다. (전기적 성질 우수) 다결정: 단결정 물질이 여러 개 겹쳐진 것 결정립(grain) 정렬된 영역: 기하학적 배열이나 주기성을 갖는 공간

1.3 공간격자 격자 단결정 내 원자들의 주기적인 배열: 격자 (lattice)라고 한다 원자들의 배열은 격자점(lattice point)로 표시 격자 단위셀(unit cell) : 전체 결정을 만들어 내는데 필요한 결정의 가장 적은 부피 기본셀(Primitive cell) : 격자를 구성하기 위하여 반복될 수 있는 가장 작은 단위셀 격자점

1.3 공간격자 3차원 결정내의 격자점은 3개의 Vector a, b, c 를 이용하여 표현할 수 있다. (p, q, s는 정수) 일반적인 기본 단위셀 (3차원표시)

1.3 공간 격자 기본적인 결정구조 : 입방구조 (a=b=c, 벡터는 서로 직교) 단순입방구조 (simple cubic : SC) : - 모서리에 한 개의 원자가 위치 체심입방구조 (body centered cubic) : - 모서리에 한 개의 원자가 위치하고 입방체 가운데 한 개의 원자가 위치 면심입방구조 (Face centered cubic) : 각면의 중심에 한 개의 원자가 위치

                                                                                                     단순입방구조 (SC)                                                                                                      면심입방구조 (BCC)                                                                                                      체심입방구조 (FCC)

결정면과 밀러지수 결정면: 반도체 소자는 결정표면 혹은 표면 근처에서 만들어 지므로 표면의 특성은 중요 결정면의 격자를 이용한 표시 -> 밀러지수 - 격자축과 면이 만나는 점을 이용 과정1> 면과 결정축과의 교차점을 구하고, 이들 교차점을 기본벡터의 정수배로 나타낸다. 과정2> 과정1에서 얻어진 세 개 정수의 역수를 취하고 공통분모를 곱하여 정수 h, k, l을 구한다. 과정3> h, k, l을 밀러지수라고 하며 결정면의 표시에 사용된다. 과정4> 면이 중심을 지나면 평행이동 * 격자면: 동일선상에 있지 않는 3개의 격자점으로 이루어진 면

밀러지수 표현 예1> 축c 축b 축a

밀러지수표현 예2>                                                                                                                                                                                                                                                                                            a: 격자상수, 입방단위셀 한변의 길이

밀러지수 표현 격자상수의 정수배 만큼 떨어져 있는 면도 그 이름은 같다. SC, BCC, FCC 구조는 고도의 대칭성이 존재하며, 구조적으로 동등한 면들을 집합은 { } 로 표시한다. 예> 음의부호

결정 방향 결정방향: 결정방향 vector의 벡터성분인 3개의 정수로 표현 예) [1 0 0], [0 1 0], [1 1 1] * [h k l ] 결정방향은 밀러지수로 표현된 면 (h k l)에 수직 방향

결정방향의 또 다른 예

다이아몬드 구조 Si, Ge은 다이아몬드 구조를 가진다. * 체심 입방체에서 4개의 꼭지점을 제외한 사면체구조가 결합된 형태 * 체심 입방체에서 4개의 꼭지점을 제외한 사면체구조가 결합된 형태 다이아몬드구조 GaAs 섬광아연구조 구성원자가 2종류로 이루어진 경우 섬광아연 혹은 섬아연석 구조 라는 이름을 붙인다.

다이아몬드 구조 블록 CAMP and Dept. of EE, SUNY at Buffalo

GaAs, ZnS 의 구조 블록 CAMP and Dept. of EE, SUNY at Buffalo

1.4 원자 결합 이온결합: 반대로 대전된 이온의 쿨롱인력에 의한 결합 1족원자는 전자를 잃어 양이온이 되려고 하고 7족원자는 전자를 받아 음이온이 되려고 한다. ex) 절연체 (2) 공유결합: 전자가 에너지 껍질을 채우기 위해 원자들 간에 서로 공유되어 결합한 경우(전자를 공유) ex) Si, Ge, H 금속결합: 금속이온들이 자유전자와의 정전력으로 묶여 있는 상태 (가 전자들은 자유롭게 원자들을 이동) ex) 도체 (4) 반데르발스결합: 원자핵이 전자전하분포의 중심에서 벋어난 결과로 생기며, 전하변위는 전기쌍극자를 형성 ex) 유전체

공유결합 Si의 결정구조 Si : 원자 번호 14, 체외각에 4개의 전자

1.5 고체내의 결함 틈새결함 열진동에 의한 결함 : 격자진동 - 열에너지에 의해 원자간 거리가 변하는 것 2) 점결함 (point defect): - 공공결함, 특정위치 원자가 빠져있는 경우 - 틈새결함, 원자가 격자점 사이에 위치하는 경우 3) 프렌클 결함: - 공공결함과 틈새결함이 가깝게 위치하여 상호 작용하는 경우 4) 선결함: 원자배열 중 한 줄 혹은 부분이 빠져있는 경우 interstitial vacancy 공공결함

1.5 고체내의 결함과 불순물 치환 불순물, 틈새 불순물 - 치환 불순물: 불순물 원자가 원래의 원자를 대신하여 격자점에 위치하는 것 - 틈새 불순물: 불순물 원자가 격자점 사이에 위치하는 것 도핑 : 반도체의 전도도를 변화시키기 위하여 불순물 원자를 첨가하는 것 도핑의 방법 : 확산과 이온 주입법이 있다. 확산: 불순물 이온을 기체상태로 하여 결정내로 이동 시키는 것, 고온 (공공 결함의 위치에 이동) 이온주입: 저온에서 실행, 불순물을 고에너지 빔으로 결정내에 주입 (필요한양을 필요한 위치에 주입 가능)

단결정 생성 : Czochralski 법

Photograph courtesy of Kayex Corp., 300 mm Si crystal puller

불순물제거

Chemical vapor deposition 화학기상증착기 Capacitive-coupled RF input Susceptor Heat lamps Wafer Gas inlet Exhaust Chemical vapor deposition (화학기상증착기) Process chamber CVD cluster tool Semiconductor Manufacturing Technology by Michael Quirk and Julian Serda

액상 에피텍시

액상 에피텍시

액상 에피텍시

분자선 에피텍시

Molecular Beam Epitaxy System in the William R. Wiley Environmental Molecular Sciences Laboratory

이온주입법

Wafer Diameter Trends 300 mm 200 mm 150 mm 125 mm 100 mm 75 mm 3² 4² 5² 6² 8² 12² Semiconductor Manufacturing Technology by Michael Quirk and Julian Serda

Increase in Number of Chips on Larger Wafer Diameter 88 die 200-mm wafer 232 die 300-mm wafer Semiconductor Manufacturing Technology by Michael Quirk and Julian Serda

Yield of a Wafer Yield = 66 good die 88 total die = 75% Semiconductor Manufacturing Technology by Michael Quirk and Julian Serda

Chemical Etch of Wafer Surface to Remove Damage Semiconductor Manufacturing Technology by Michael Quirk and Julian Serda

한국과학기술원:석현광

반도체 제조공정 동영상 (삼성) http://www.samsung.com/sec/business/semiconductor/aboutus/videoclip/Videoclip4.html