에피택시(epitaxy)라는 단어는 그리스어 "epi"에서 유래되었는데, "위에..."라는 뜻입니다. 이 단어의 어원에서 실리콘 기판 위의 질화갈륨 구조를 나타내는 "gan on si"라는 일반적인 표현을 쉽게 이해할 수 있습니다. 반도체 재료 제조 공정에서 웨이퍼 준비는 핵심적인 단계이며, 주로 기판 준비와 에피택시 공정이라는 두 가지 주요 단계로 구성됩니다. 기판은 반도체 단결정 재료로 정교하게 만들어진 웨이퍼입니다. 건물의 초석과 같으며 반도체 소자 제조에 필수적인 기본 지지 역할을 합니다. 한편으로 기판은 다양한 반도체 소자 생산을 위한 웨이퍼 제조 공정에 직접 투입될 수 있으며, 다른 한편으로는 에피택시 공정을 통해 에피택셜 웨이퍼를 생산하는 기반으로 사용될 수도 있습니다.

에피택시는 매우 섬세하고 중요한 공정입니다. 절단, 연삭, 연마와 같은 일련의 미세 가공을 거친 단결정 기판에 새로운 단결정 층을 성장시키는 공정을 말합니다. 이 새로 성장된 단결정과 기판 사이에는 두 가지 다른 관계가 있습니다. 하나는 새로운 단결정과 기판이 같은 재료라는 것인데, 이를 호모에피택시얼 성장이라고 합니다. 다른 하나는 새로운 단결정과 기판이 다른 재료라는 것인데, 이를 헤테로에피택시얼 성장이라고 합니다. 이 새로운 단결정 층은 기판의 결정상 방향으로 확장되고 성장하므로 비유적으로 에피택시얼 층이라고 합니다. 그 두께는 일반적으로 비교적 얇으며, 일반적으로 수 마이크론입니다.

실리콘을 예로 들면, 실리콘 에피택셜 성장의 중요성은 기판과 동일한 결정 방위를 갖지만 저항률과 두께가 다르고 격자 구조가 양호한 결정층이 특정 결정 방위를 갖는 실리콘 단결정 기판에 성장된다는 것입니다. 에피택셜 층이 기판에 성공적으로 성장되면 전체를 에피택셜 웨이퍼라고 합니다. 간단히 말해서, 에피택셜 웨이퍼 = 에피택셜 층 + 기판입니다. 실제 반도체 소자 제조에서 소자가 에피택셜 층에서 만들어지면 양성 에피택시라고 하고, 소자가 기판에서 만들어지면 역 에피택시라고 합니다. 이 경우 에피택셜 층은 주로 지지 역할을 합니다. 호모에피택시와 헤테로에피택시의 차이점을 자세히 살펴보겠습니다. 균질 에피택시에서는 에피택시층과 기판이 동일한 재료로 만들어집니다. 예를 들어, 일반적인 Si/Si(실리콘/실리콘), GaAs/GaAs(갈륨비소화물/갈륨비소화물), 갭/갭(갈륨인화물/갈륨인화물) 및 기타 조합이 있습니다. 이질 에피택시에서는 에피택시층과 기판이 서로 다른 재료로 만들어집니다. 예를 들어, Si/Al2O3(실리콘/알루미늄산화물), Gas/Si(황화갈륨/실리콘), GaAs/GaAs(갈륨알루미늄비소/갈륨비소화물), GaN/SiC(질화갈륨/탄화규소) 등이 있습니다.

그렇다면 에피택셜 공정은 반도체 소재 분야에서 어떤 핵심 문제를 해결할까요? 반도체 기술의 지속적인 발전으로 인해 단순한 벌크 단결정 소재로는 점점 더 다양하고 복잡한 반도체 소자 제조 요구를 충족하기가 점점 더 어려워졌습니다. 이러한 맥락에서 1959년 말, 박막 단결정 소재 성장 기술인 에피택셜 성장 기술이 등장했습니다. 실리콘을 예로 들어보면, 실리콘 에피택셜 성장 기술이 막 등장했을 당시에는 실리콘 고주파 및 고전력 트랜지스터 생산이 엄청난 어려움에 직면해 있었습니다. 트랜지스터의 기본 원리 관점에서 볼 때, 고주파 및 고전력 성능을 얻기 위해서는 두 가지 상반되는 요구 조건이 동시에 충족되어야 합니다. 하나는 컬렉터 영역의 항복 전압이 높아야 하므로 컬렉터 영역 소재의 저항률이 높아야 합니다. 다른 하나는 직렬 저항이 작아야 하므로 포화 전압 강하가 작아야 하므로 컬렉터 영역 소재의 저항률이 낮아야 합니다. 수집기 영역 재료를 단순히 얇게 하여 직렬 저항을 낮추면 실리콘 웨이퍼가 너무 얇아져 깨지기 쉬워 후속 가공이 불가능해집니다. 재료의 저항률을 낮추면 높은 파괴 전압 요구 사항과 충돌하게 됩니다. 에피택셜 기술의 등장으로 오랫동안 업계를 괴롭혀 온 이 문제가 성공적으로 해결되었습니다.

구체적인 해결책은 저항이 극히 낮은 기판 위에 높은 저항률의 에피택셜층을 성장시킨 다음, 에피택셜층 위에 소자를 만드는 것입니다. 이렇게 하면 높은 저항률의 에피택셜층이 튜브의 높은 파괴 전압을 보장하고, 저항이 낮은 기판이 기판의 저항을 효과적으로 낮춰 포화 전압 강하를 줄여 이 두 가지 상충되는 요구 사항 간의 충돌을 완벽하게 해결할 수 있습니다. 또한 실리콘 에피택시 기술뿐만 아니라 iii-v, ii-vi 및 GAAS와 같은 기타 분자 화합물 반도체 재료의 기상 에피택시 및 액상 에피택시와 같은 에피택시 기술도 큰 진전을 이루었습니다.

오늘날 이러한 에피택시 기술은 대부분의 마이크로파 소자, 광전자 소자, 전력 소자 등의 생산 공정에서 필수적인 핵심 공정 기술이 되었습니다. 특히 분자 빔 에피택시 기술과 금속 유기 기상 에피택시 기술은 박막, 초격자, 양자 우물, 변형 초격자, 원자 박막 에피택시 분야에서 성공적으로 적용되어 새로운 반도체 연구 분야인 "밴드 엔지니어링" 발전의 견고한 토대를 마련했습니다. 실제 응용 분야에서는 거의 모든 와이드 밴드갭 반도체 소자가 에피택시층에서 제작되는 반면, 실리콘 카바이드 웨이퍼 자체는 일반적으로 기판으로만 사용됩니다. 이는 에피택시층 제어가 와이드 밴드갭 반도체 산업에서 중추적인 위치를 차지하고 있으며 전체 산업 발전에 중요한 역할을 한다는 것을 충분히 보여줍니다. "에피택시"의 의미를 더 자세히 이해하기 위해 포모사 플라스틱 공식 웹사이트의 정보를 인용해 보겠습니다. "에피"는 위에서 언급된 것을 의미하고, "택시"는 규칙적인 배열을 의미합니다. 에피택셜(epitaxial)은 문자 그대로의 의미로, 에피택셜이라고도 불립니다. 초창기에는 에피택셜 웨이퍼는 주로 바이폴라 트랜지스터와 같은 부품의 품질을 향상시키는 데 사용되었습니다.

기술의 지속적인 발전으로 최근에는 바이폴라 IC 부품과 MOS 공정에도 널리 사용되고 있습니다. 에피택셜 기술이 반도체 소재 분야에서 매우 중요한 이유는 이 기술이 7가지의 고유한 기술을 보유하고 있기 때문입니다.

첫째, 낮은(높은) 저항 기판에 높은(낮은) 저항 에피택시얼 층을 에피택시얼 성장시킬 수 있으며, 이런 방식으로 재료의 전기적 특성을 유연하게 조절하여 다양한 장치의 요구 사항을 충족시킬 수 있습니다.

둘째, p(n)형 기판에 n(p)형 에피택셜층을 에피택셜 성장시켜 pn 접합을 직접 형성할 수 있다. 이 방법은 확산법으로 단결정 기판에 pn 접합을 만들 때 발생할 수 있는 보상 문제를 피하고 pn 접합의 품질과 성능을 크게 향상시킨다.

셋째, 에피택셜 기술은 마스크 기술과 결합되어 지정된 영역에 선택적으로 에피택셜 성장을 이룹니다. 이러한 특징은 특수한 구조를 가진 집적 회로 및 소자 생산에 매우 유리한 조건을 만들어내어 반도체 소자의 설계 및 제조를 보다 유연하고 다양하게 만듭니다.

넷째, 에피택셜 성장 공정에서 도핑의 종류와 농도는 실제 필요에 따라 변경될 수 있습니다. 더욱이 농도의 변화는 급격하거나 점진적일 수 있습니다. 도핑을 정확하게 제어하는 이러한 능력은 반도체 소자의 성능을 최적화하는 데 매우 중요합니다.

다섯째, 에피택셜 기술은 이종, 다층, 다성분 화합물을 성장시킬 수 있으며, 다양한 성분을 갖는 초박막 층을 성장시킬 수 있습니다. 이를 통해 고성능, 다기능 반도체 소자를 제조하기 위한 풍부한 재료 선택과 구조 설계 공간을 제공합니다.

여섯째, 에피택시얼 성장은 재료의 녹는점 이하의 온도에서 수행될 수 있으며, 성장 속도를 제어할 수 있습니다. 더 중요한 것은, 원자 수준의 두께로 에피택시얼 성장을 달성할 수 있어 반도체 소자 제조에서 매우 높은 정밀도와 성능 수준을 달성할 수 있다는 것입니다.

일곱째, 에피택셜 기술은 전통적인 인상 방법으로는 얻을 수 없는 갠트리 및 3원, 4원 화합물과 같은 일부 단결정 층을 성장시킬 수 있습니다. 이는 반도체 소재의 종류와 응용 범위를 크게 확장하고 반도체 기술의 혁신적 개발에 더 많은 가능성을 제공합니다.

요약하자면, 기판과 에피택셜층은 반도체 재료에서 명확한 역할 분담과 필수적인 역할을 합니다. 에피택셜층의 존재는 반도체 소자 제조에서 많은 문제를 해결할 뿐만 아니라 반도체 기술의 지속적인 혁신과 발전에 강력한 지원을 제공합니다. 반도체 기술의 지속적인 발전에 따라 에피택셜 기술은 계속해서 개선되고 발전하여 더 많은 우수한 성능과 강력한 기능을 갖춘 반도체 소자를 선보일 것입니다.