비 전공자도 쉽게 이해할 수 있는 반도체 확산 공정(Diffusion Process)

 

확산 공정을 아시나요? 확산 공정을 알아보기 전에 확산이란 무엇일까요? 나무위키 정의에 따른 확산이란 물질이 고농도에서 저농도로 또는 고밀도에서 저밀도로 에너지를 소모하지 않고 스스로 퍼져 나가는 현상을 의미합니다.

이처럼 반도체 확산 공정(Diffusion Process)은 불순물을 반도체에 주입하여 원하는 불순물 농도를 형성하는 과정입니다. 확산 공정은 주로 고온에서 이루어지며, 불순물이 반도체에 효과적으로 퍼지도록 하는 것이 목표입니다. 확산 공정은 반도체 소자의 특성을 조절하고, 필요한 특성을 갖는 반도체 소자를 형성하는 데 중요한 역할을 합니다.

확산 공정은 다음과 같이 진행됩니다. 먼저, 산화막이 특정 확산 과정에 대해 효과적인 보호층 역할을 하도록 확산할 물질을 주입하기 전, 산화막을 형성하는 단계로 시작합니다. 산화막을 형성했으면, 필요한 불순물을 주입하기 위해 확산 가스를 선택합니다. 일반적으로는 인화수소, 산소 등을 사용합니다. 공정은 웨이퍼를 고온으로 가열하여 진행되는데, 고온에서는 입자들의 에너지가 활성화되기 때문에 확산 공정이 용이해집니다. 이후 불순물들이 웨이퍼 표면으로 이동하게 되면, 소자 내부로 확산을 일으키며, 전기적인 특성이 형성됩니다. 우리는 이를 이용해 전하의 이동성을 조절하고, 반도체 소자가 동작할 수 있도록 회로를 구현합니다.

 

확산 공정의 장점

반도체 소자 형성이 필수적인 이온 주입 공정은 어떠한 장점에 의해서 사용되었을까요. 주요 장점 몇 가지 말씀드리겠습니다.

 

1) 고온에서 확산 공정은 높은 속도로 공정이 이루어질 수 있습니다. 이는 공정 시간을 단축하게 해, 반도체 생산 라인의 효율성을 향상해 대량 생산을 가능케 합니다.

 

2) 확산 공정을 통해 Dopant 형성, Doping, PN junction 생성 등 다양한 기능을 구현할 수 있습니다. 반도체 웨이퍼에 전기적 특성을 부여하기 위해 양전하 또는 음전하를 이용해 Doping을 진행합니다. 웨이퍼에 Dopant가 Doping 되면, 필요에 따라 P형 반도체 또는 N형 반도체를 형성 및 접합할 수 있는 장점이 있습니다.

 

3) 다양한 확산 물질을 사용할 수 있습니다. 인(P), 산소(O), 붕소(B), 인화수소(PH3) 등의 물질을 사용하여 소자의 특성을 다양하게 조절할 수 있는 장점이 있습니다.

 

4) 불순물을 소자 내부에 안정적으로 주입하여 소자의 안정성을 향상하는 데 큰 도움을 줍니다. 불순물이 안정적으로 배치되면, 소자의 성능 최적화가 가능해집니다.

확산 공정의 단점

확산 공정에서 고려해야 할 사항 몇 가지를 알려드리겠습니다.

 

1) 공정은 고온에서 요구되는 경우가 많은데 고온에서 확산이 이루어질 때, 열팽창, 스트레스 등이 발생할 가능성이 있습니다. 이는 반도체 소자의 특성을 변화시킬 수 있으며, 변화는 성능의 문제와 직결될 가능성이 큽니다.

 

2) 확산 공정은 상대적으로 정밀도가 낮은 공정에 속합니다. 정밀한 제어가 필요한 고성능, 최첨단 반도체 소자의 경우에는 확산 공정이 선택되지 않을 가능성이 큽니다. 

 

확산 공정의 단점을 개선하기 위한 노력

치명적인 단점을 개선하기 위해 현대의 반도체 산업에서는 지속해서 연구 및 개발하고 있는 것들이 있습니다.

 

1) 고온에서의 문제점을 개선하기 위해 저온 확산 공정을 개발하고 있습니다. 앞서 말했듯이 고온에서는 소자의 변형이라는 치명적인 문제가 생길 수 있는데, 저온 확산 공정에서는 상대적으로 열에 의한 변형을 최소화하려고 노력하고 있습니다.

 

2) 고온을 사용하지 않더라도 생산성에 문제가 되지 않도록 고속 확산 기술을 개발 중입니다. 기술 개선을 통해 대량 생산이 가능하도록 끊임없이 연구합니다. 다소 제한적인 확산 물질 개발을 통해 요구에 부응하고자 하는 연구가 진행되고 있습니다. 이는 현재보다 미래에 더 효율적인 공정을 진행할 수 있도록 합니다.

 

3) 소자의 표면 보호를 위해 고급 재료 및 코팅 기술을 연구하고 있습니다. 이는 확산 공정 시 문제의 소지가 있는 것들을 차단함으로써 부작용을 최소화할 수 있습니다.

 

[반도체] 비 전공자도 쉽게 이해하는 금속 공정(Metalization Process)

[반도체] 비 전공자도 쉽게 이해하는 웨이퍼 제조 공정(Wafer Fabrication Process)