도핑

반도체 생산 과정에서 주로 이용되는 도핑(doping)은 고유 반도체(intrinsic semiconductor)인 어떤 물질이 가진 순수한 전기적, 광학적 및 구조적 특성을 조절하기 위해, 결정 제조 과정 중에 불순물(원소나 화학 물질)을 의도적으로 첨가하는 것을 말한다. 이때 첨가되는 물질을 도핑제(dopant)라고 하며, 도핑된 물질을 비고유 반도체(extrinsic semiconductor)라고 한다. 한편, 전도체(conductor)와 비슷한 전기적인 특성을 보일 정도로 많은 양이 도핑된 반도체는 축퇴 반도체(degenerate semiconductor)라 한다. 아래에 나타낸 그림은 규소로 이루어진 고유 반도체에 규소보다 원자가 전자가 한 개 적은 13족 원소인 붕소(B)를 소량 첨가하여 만든 p-형 반도체의 모형을 간략하게 나타낸 것이다.

규소(Si) 반도체에 붕소(B)가 도핑된 p-형 반도체()

또한, 규소로 이루어진 고유 반도체에 규소보다 원자가 전자가 한 개 많은 15족 원소인 안티모니(Sb)를 소량 첨가하여 만든 n-형 반도체의 모형을 아래의 그림에 나타내었다.

규소(Si) 반도체에 안티모니(Sb)가 도핑된 n-형 반도체()

목차

반도체에 있어서 도핑의 효과는 크리스털 라디오(crystal radio) 검출기나 셀레늄 정류기(selenium rectifier)와 같은 장치에서 증명되었다. 특히, 영국의 물리학자이자 발명가인 비드웰(Shelford Bidwell)과 독일의 과학자 구덴(Bernhard Gudden)은 각각 1885년과 1930년에 독립적으로 반도체의 특성이 그 안에 포함된 불순물 때문이라고 발표했다. 도핑 공정은 제2차 세계 대전 중 스페리 자이로스코프 사(Sperry Gyroscope Company)에서 일하던 우드야드(John R. Woodyard)에 의해 최초로 개발되어 1950년 미국에서 특허가 등록되었지만, 그가 일하던 회사는 레이다에 관한 연구에만 집중하였기 때문에 반도체 도핑에 대해 연구를 할 기회를 얻지 못했다. 이후 1953년에 벨 연구소에서 틸(Gordon K. Teal)과 스팍스(Morgan Sparks)에 의해 이와 비슷한 연구가 진행되었고, 같은 해에 미국에 특허가 등록되었다.

주입된 도핑제의 농도는 반도체의 전지적 특성에 많은 영향을 끼치게 되는데 가장 큰 영향을 주는 요소는 물질의 전하 운반자 농도(charge carrier concentration)이다. 고유 반도체가 열평형 상태에 있을 때, 아래에 나타낸 것과 같이 전자와 정공(hole)의 농도는 같다. 즉,

@@NAMATH_INLINE@@ {n} =p= n_i @@NAMATH_INLINE@@

또한, 비고유 반도체(낮은 수준의 도핑)가 열평형 상태에 있을 때는 다음과 같은 관계가 성립한다.

@@NAMATH_INLINE@@ n_0\cdot p_0= n_i^2 @@NAMATH_INLINE@@(단, @@NAMATH_INLINE@@ n_0 @@NAMATH_INLINE@@: 자유 전자의 농도, @@NAMATH_INLINE@@ p_0 @@NAMATH_INLINE@@: 정공의 농도, @@NAMATH_INLINE@@ n_i @@NAMATH_INLINE@@: 물질 고유의 운반자 농도)

고유 운반자의 농도는 물질의 종류에 따라 다르며, 온도에 따라 변화한다. 예를 들어, 규소의 @@NAMATH_INLINE@@ n_i @@NAMATH_INLINE@@값은 300K에서 약 1.08 ×10¹⁰cm^–3 이다.

일반적으로, 도핑을 많이 할수록 농도가 높아지므로 전기 전도성은 증가하게 된다. 높은 수준으로 도핑된 축퇴 반도체의 경우, 전기 전도성이 금속과 비슷하기 때문에 집적 회로(integrated circuit)에서 금속의 대체재로 사용된다.

보통 위 첨자의 +, - 부호는 반도체에서 운반자 농도를 상대적으로 나타낸 것이다. 예를 들어, n⁺는 높은 농도를 가진 축퇴된 n-형 반도체를 나타내며, p⁻ 는 낮은 농도가 도핑된 p-형 반도체를 의미한다. 비록 매우 많은 양이 도핑된 축퇴 반도체라 할지라도 실제로 도핑된 불순물의 농도는 기존 고유 반도체의 농도에 비하면 매우 낮은 수준이다. 결정성의 규소로 이루어진 고유 반도체에는 cm³ 당 약 5×10²²개의 원자가 존재하는데, 이러한 규소 반도체를 도핑할 때 사용되는 운반자 농도는 cm³ 당 10¹³~10¹⁸개 정도이다. 대략 10¹⁸/cm^-3 이상의 농도로 도핑된 물질은 상온에서 축퇴된 것으로 여겨진다. 이러한 축퇴 규소 반도체에 존재하는 불순물의 양은 규소와 비교해 보면 천분의 일 정도이며, 이 비율은 매우 적게 도핑된 규소의 경우 십억분의 일 수준까지 내려가기도 한다. 일반적인 도핑된 반도체의 농도는 이 범위의 어딘가에 속하게 되며, 특정 반도체에서 요구되는 특성을 보일 수 있도록 조절한다.

일정량의 도핑제가 각 웨이퍼(wafer, 보통 실리콘 웨이퍼)에 균일하게 도핑되도록 공정이 진행되는데, 회로에서의 역할에 따라 정해진 구역마다 다른 방식으로 도핑이 이루어진다. 주로 광석판인쇄(photo-lithography) 방식으로 이루어지며, 선택된 특정 영역은 확산(diffusion)과 이온 주입(ion implantation)법과 같은 방식으로 추가적인 도핑이 이루어지기도 한다. 이러한 이온 주입법의 경우, 제어 가능성이 높아 대량 생산 공정에 자주 이용된다.

도핑되는 물질의 원자 수가 소량인 경우에도 반도체의 전기 전도성을 변화시킬 수 있다. 일반적으로 백만개의 원자 당 한 개의 원자가 도핑되면 낮게 혹은 약하게 도핑되었다고 한다. 더 많은 수의 원자가 도핑되어 만개의 원자 당 한 개의 비율로 원자가 도핑되면 높게 혹은 강하게 도핑되었다고 한다.

실리콘 반도체에 도핑되어 p-형 또는 n-형 반도체를 형성하는 도핑제의 예를 아래에 나타내었다.

Retrieved on 2019-06-11.