반도체 물질의 결정 결함 (crystal defects)

결정학과 결정구조(crystallography and crystal structure)

결정(crystal) : 3차원에 걸쳐 매우 규칙적으로 반복되는 cell의 배열

(x, y, z)는 특정 평면(particular plane)을 나타내는 데 사용된다.

[x, y, z]는 원점에서 평면(x, y, z)으로 직교 벡터(orthogonal vector)를 나타내는 데 사용된다.

{x, y, z}는 모두 동등한 결정면(crystal planes that are all equivalent)을 나타내는데 사용된다.

결정 결함 (crystal defect)

반도체 제조에 사용되는 silicon wafer은 highly pure single crystal이 필요하나 다양한 요인들에 의해 결정에 결함이 생길 수 밖에 없다. 대체로 이러한 결함은 surface energy와 연관이 있다.

이때 point defect의 밀도가 equilibrium value를 초과하게 되면 dislocation이나 더 높은 차원의 defect으로 발전할때까지 서로 뭉치게 되며 이를 agglomeration이라고 한다.

1) Point defects (0 dimension) (A), (B), (C)

(A) Vacancy 

격자구조에 원자가 없는 빈공간이 발생한 경우이다. 생길 경우 4개의 unsatisfied valence electron을 만든다.

(B) Interstitial

격자구조 공간 사이에 추가로 원자가 들어있는 경우이다. Vacancy와 interstitial defect가 같이 일어나는 경우를 Frenkel defect이라고도 한다.

 

(C) Substitutional impurities (doping시에는 생겨야 유리하다)

격자구조 공간에 원래의 원자가 아닌 불순물(impurities) 원자가 들어있는 경우이다. 

2) Line defects (1 dimension)(D), (E)

(D) Edge dislocations

여분의 원자 line이 두 개의 다른 원자 line 사이에 삽입된 경우이다. 결정 격자구조에서 전체적인 stress가 발생하는 원인이기도 하다.

(E) Dislocation loops

3) Area defects (2 dimension)

Stacking fault : 격자 평면 사이에 추가적인 평면이 형성된다.

Intrinsic stacking fault (ISF)는 {111} 평면에 존재하는 일부 평면이 제거된 형태이다. 

Extrinsic stacking fault (ESF)는 {111} 평면에 존재하는 일부 평면이 추가된 형태이다. 

Volume defect는 이러한 0차원, 1차원, 2차원의 defect가 복합적으로 쌓여 3차원의 형태로 나타나는 것이다.

일반적으로 defect는 없어야하지만, 때때로 반도체 비활성 영역의 결함(defects in inactive region)은 이로운 효과를 발생시키기도 한다.

다른 불순물 및 결함이 크리스탈을 통해 확산되어(diffusion) 소자에 영향을 주지 않는 부분에 쌓여 갇히게 된다. 특히 중금속(heavy metal)이나 원하지 않는 이온(unwanted ions)들이 active 영역으로부터 확산되어 active 영역에 존재하는 불순물의 농도가 줄어들게 되는 효과를 볼 수 있다.