반도체에서 실리콘 사용 이유

3.1 왜 실리콘인가? IC 구조와 제조공정을 이해하기 위해서는 현재 생산되고 있는 IC의 대 부분이 왜 실리콘 기판을 사용하여 제작되는지를 알 필요가 있다. 실리콘 재 료가 IC 시장을 지배하는 데에는 다음과 같은 여러 가지 이유들이 있다. 가장 중요한 이유는 우수한 실리콘 산화막(SiO2)이 존재한다는 점이 다. 실리콘을 산화성 가스 중에서 가열하면 산화되어 산화실리콘, 즉 산화막 이 된다. 이것은 석영이라는 아주 안정한 절연물으로 다른 반도체에는 존재하 지 않는 행운인 것이다. 이 실리콘 산화막은 반도체 소자 및 공정에서 아주 유용하게 사용되는 재료이다. 즉, 실리콘 산화물은 우수한 절연막으로서 소자 를 전기적으로 격리할 때 사용될 뿐만 아니라, IC 제작공정에 필요한 불순물 의 선택 확산을 위한 격리막으로서도 사용된다. 마치 한약의 감초와 같이 반 도체 전반에 걸쳐 유용하게 사용된다. 다음으로 실리콘은 지구상에서 아주 풍부한 원소라는 점이다. 표 3-1 에서 보는 바와 같이 실리콘은 산소 다음으로 지구상에서 많이 존재하는 원소 이다. 어디에 이처럼 많은 실리콘이 있는 것일까? 우리 주변에서 쉽게 접할 수 있는 모래나 암석 등은 모두 실리콘 산화물이 주된 성분이다. 따라서, 모 래를 적절한 공정과정을 거쳐 환원함으로써 실리콘을 만들 수가 있다.

에너지도 유한하지만 물질 또한 더욱 더 유한하며, 대량으로 물질을 사용할 때는 그 물질이 지구상에서 풍부하게 존재하는지를 확인하여야 한다. 특히, 에너지 대책으로 반도체를 사용한 태양전지의 개발이 진행되었는데, 이 경우 에너지 문제를 해결하기 위하여 상당량을 필요로 하고 있어 이점에서 실 리콘에 의한 태양전지가 가장 유망하다. IC의 경우는 에너지 대책을 위한 태 양전지보다는 양이 적으나 지구상에 많을수록 좋으며 가령 폐기한다 해도 전 혀 무공해의 장점이 있다. 또한 실리콘의 유리한 점은 이것이 화합물이 아닌 순수한 원소 반도체 라는 것이다. 같은 반도체라도 예를 들어 갈륨비소(GaAs) 등은 2개의 원소로 구성된 화합물 반도체이다. 화합물 반도체는 순서대로 일정한 방향으로 규칙 적으로 정렬된 단결정을 만들 때에 원소들이 1 대 1의 비율이 아니고는 결함 이 생기기 쉽다. 더욱 가열할 경우 실리콘은 표면이 다소 증발하여도 나머지 도 순수한 실리콘으로 남으며, 산화하여도 실리콘이 일부 산화되어 나머지도 실리콘인 것이다. 그러나 갈륨비소의 경우 가열하면 두 원소들이 증발하여 나 머지의 성분비는 1 대 1에서 벗어난다. 산화하는 경우도 산화하기 쉬운 원소 부터 산화하여 1 대 1의 비율이 깨어진다. 즉, 원소 반도체의 장점은 안정성 에 있다. 물론 갈륨비소 화합물 반도체도 장점이 있다. 화합물 반도체의 유리한 점은 원소들의 선택과 성분비에 의하여 여러 가지 종류를 만들어 낼 수 있다 는 것이다. 특히, 갈륨비소와 같이 두개의 원소에 제한하지 않고 3개 이상의 원소라도 구성될 수 있다. 이렇게 되면 그 수는 무한에 가까워 그 중에는 특 성이 실리콘보다 우수한 것이 나올 수도 있다. 사실 실리콘보다도 이동도가 10배 이상 빠른 화합물 반도체도 있으며 이와 같은 재료는 특히 고속의 특성 을 요하는 특별한 용도로 사용될 수 있다. 그러나 갈륨비소가 실리콘에 비하 여 시장에서 확산되지 못하는 이유는, 양질의 산화막이 없기 때문에 소자 제 작이 힘들고 수율(yield)의 하락 등으로 인한 대량 생산의 문제가 있다. 다시 원소 반도체로 돌아와서 실리콘이 아닌 다른 종류의 원소 반도체 를 사용할 수 없을까 하는 의문이 생긴다. 실리콘 이외의 4족 원소 반도체로 서(꼭 4족이 되어야 하는 이유는 반도체 소자에 전류를 흘리기 위해서는 전자 혹은 정공과 같은 캐리어가 필요한데 4족일 때 불순물을 투입하여 전자나 정 공을 만들기 제일 적합하기 때문이다.) 탄소(C) 혹은 게르마늄(Ge)이 있다. 그 중에서 탄소는 다이아몬드 결정 구조를 하고, 밴드 갭 에너지가 아주 크기 때문에 절연체에 가깝다. 게르마늄은 실리콘 반도체 기술이 발전하기 전에 한 때 사용된 원소 반도체이다. 게르마늄의 유리한 점은 전계가 걸린 경우 전자 나 정공이 움직이는 이동 속도를 나타내는 이동도(mobility)가 실리콘에 비하 여 약 3배 이상 크다는 점이다. 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 높지 않다. 즉, 고온에서의 사 용이 불가능하다. 게르마늄은 또한 안정된 산화막이 없어서 소자제작에 아주 불리하다. 이와 같이 실리콘은 우수한 산화막이 있고, 지구상에 풍부하게 존재하 고 있으며, 원소 반도체로서의 안정성과 제작의 용이성이 있고, 온도 특성이 우수하여 반도체 시장을 제패하게 된 것이다. 장래에도 실리콘의 이러한 우수 한 특성 때문에 실리콘을 능가할 반도체는 없을 것이라고 예상된다. 이러한 실리콘의 고유한 특성을 고려하여 다음에서 설명할 소자 구조와 적절한 제작 공정들이 개발되어 왔다.