규소, 반도체 근간 : 원자구조 특성, 실리콘 확보, 반도체 공정

반도체의 구성요소인 규소(Silicon)

 

 지구 지각의 27% 차지하는 규소(Silicon)는 산소 다음으로 풍부한 원소입니다. 우리가 반도체에서 사용하는 실리콘(Silicone)과 이름이 흡사한데, 이 역시 규소와 연관된 물질입니다. 이 글에서는 규소의 원자 구조와 특성을 알아보고, 이산화규소를 이용한 실리콘(Silicone) 확보 과정, 그리고 그 실리콘(Silicone)이 적용되는 반도체 공정에 대해서 알아보겠습니다.

 

규소 원자 구조와 특성

 규소는 원자번호 14번으로 원자핵 14개를 가지고 있으며, 주기율표 14족에 위치합니다. 규소 전자 배치는 1s²2s²2p⁶3s² 3p² 패턴을 따릅니다. 첫 번째와 두 번째 껍질은 가득 차 있고, s와 p 궤도를 모두 가진 세 번째 껍질은 남아 있는 전자를 받아들일 수 있습니다. 여기서 원자가 껍질에 전자 4개가 있으므로, 이웃한 규소 원자 4개와 강한 공유결합을 형성하여 결정격자 구조를 형성합니다. 이때 규소의 p궤도는 전자는 이웃한 원자와 중첩되어 전자의 공유를 가능하게 하기 때문에 매우 중요한 역할을 합니다. 이러한 4가의 공유성은 실리콘에 안정을 부여하고, 반도체 기술에서 활용할 수 있는 기반이 됩니다. 규소의 전기전도도는 p궤도에 있는 전자의 상호작용에 의해 결정되는데, 이 성질은 전자소자의 트랜지스터와 집적회로의 기능을 좌우합니다. 이런 격자 구조를 가지고 있는 규소에 특정 원소를 첨가하여 원자가 전자에 영향을 주고, 규소의 전도적 특성을 변화시킬 수 있습니다. 예를 15족 원소인 인을 적용하면 규소 격자에 여분의 전자가 유입되어 과량의 음전하 캐리어가 생성되며 규소가 n형 반도체로 바뀝니다. 반대로 13족 원소인 붕소를 도입하면 전자가 부족해져 p형 반도체가 됩니다. 이렇게 영향을 받은 원자가 전자는 신호를 증폭시켜 복잡한 전자회로를 만드는 트랜지스터 기술의 근간을 형성합니다.

 

이산화규소(SiO2)로부터 실리콘 확보

 실리콘 확보 과정은 규소가 풍부한 석영 채굴부터 시작합니다. 석영은 이산화규소(SiO2)의 형태로, 바닷가에서 쉽게 볼 수 있는 모래도 이산화규소의 주요 저장소입니다. 원료를 얻고 나서는 순수한 실리콘 추출을 하기 위한 후속 공정을 거칩니다. 먼저 실리콘이 이산화규소의 산소 결합에서 벗어나기 위해서 환원 과정을 거칩니다. 석영은 전기로에서 진행하는 고온 환원 반응을 통해 탄소 감열이라고 하는 변환을 거칩니다. 이 과정에서 보통 코크스와 같은 탄소질 재료 형태의 탄소는 이산화규소와 반응하여 산소를 이산화탄소로 방출하고 야금 등급의 실리콘을 남깁니다. 이 중간 생성물에는 불순물이 포함되어 있어서 반도체 용도에 적합하지 않기 때문에 더 정제를 해야 합니다. 다음으로 정제 단계를 거치는데, 이 과정은 반도체 제조에 필요한 고수준의 순도를 달성하기 위해 실리콘을 정제하는 단계입니다. 가장 일반적인 방법은 지멘스 공정으로 야금 등급의 실리콘을 염화수소와 반응시켜 트리클로로실란을 생성합니다. 그러고 나서 일련의 화학반응을 통해 트리클로로실란을 고온에서 분해하여 정제된 실리콘을 생성하고 염화수소를 재활용합니다. 실리콘 추출 공정의 마지막 단계는 정제된 실리콘을 반도체 제조에 적합한 결정체 형태로 변형시키는 것입니다. 이를 위해 결정 성장 기술인 초크랄스키법이 널리 이용되고 있습니다. 이 방법은 용융된 실리콘에 작은 종자 결정을 담갔다가 천천히 위쪽으로 잡아당기는 것인데, 용융물에서 결정을 끌어당기면서 실리콘 원자들이 정렬하여 단결정 잉곳을 만듭니다. 이 잉곳은 반도체 제조에 사용되는 실리콘 웨이퍼의 제조 원료가 됩니다.

 

반도체 공정 알아보기

 위에서 확보된 순수한 규소의 결정체인 실리콘을 활용한 반도체 공정을 알아보겠습니다. 우선 큰 실리콘 결정에서 잘라낸 얇은 조각인 실리콘 웨이퍼릉 이용합니다. 이 웨이퍼는 반도체 장치의 복잡한 패턴을 만드는 캔버스 역할한다고 보시면 되겠습니다. 반도체 산업에서는 불순물이 최소화된 실리콘을 요구하기 때문에 실리콘의 순도는 매우 중요하므로 웨이퍼 역시 원하는 수준의 순도를 달성하기 위해 엄격한 세척 공정을 거칩니다. 실리콘 웨이퍼가 깨끗해지고 나면 다음 단계에는 포토리소그래피가 진행됩니다. 클린룸 환경에서 포토레지스트라는 빛에 민감한 물질이 실리콘 웨이퍼에 도포됩니다. 그 다음 마스크 또는 레티클이라고 알려진 반도체 회로 설계의 청사진을 자외선을 사용하여 웨이퍼에 투영됩니다. 빛에 노출된 영역은 사용된 포토레지스트의 유형에 따라 어느 정도 용해됩니다. 이 공정은 회로 설계의 복잡한 패턴을 실리콘 웨이퍼에 효과적으로 전사합니다. 이후에는 과도하게 전사된 재료를 식각하고 전기적 특성을 수정하기 위해 도펀트를 도입하는 작업이 포함됩니다. 화학적 에칭은 원치 않는 실리콘을 제거하여 반도체 장치가 필요한 경로를 남겨둡니다. 인이나 붕소와 같은 도펀트는 웨이퍼의 특정 영역의 전도성을 변경하기 위해 전략적으로 도입됩니다. 이러한 제어된 수정은 최종 반도체 장치를 형성할 구성 요소를 만드는 데 중요합니다. 그러고 나서 다층 케이크를 만드는 것과 같이 필요한 물질의 층을 쌓기 위해 증착이라는 기술이 적용됩니다. 증착 기술에는 절연체 및 도체와 같은 다양한 재료의 얇은 층을 웨이퍼 표면에 추가하는 작업이 포함됩니다. 화학 기상 증착(CVD)과 물리 기상 증착(PVD)은 정밀한 레이어링을 달성하기 위해 사용되는 일반적인 방법입니다. 그런 다음 접착 기술을 사용하여 이러한 레이어를 안전하게 결합하여 응집력 있는 구조를 만듭니다. 증착과 본딩 공정의 결합으로 반도체 장치의 복잡한 3차원 아키텍처가 구축됩니다.