Чому Є<100>Орієнтований монокристалічний кремній «оптимальний вибір» для напівпровідникової промисловості?

У виробництві напівпровідників вибір орієнтації кристала пластини безпосередньо визначає продуктивність мікросхеми Semiconductor. Монокристалічний кремній має алмазну кубічну кристалічну структуру. При розрізі вздовж напрямків, що утворюють різні кути з осями кристалів, оголюються площини кристалів зі специфічним розташуванням атомів. Серед трьох основних орієнтацій ⟨100⟩, ⟨110⟩ та ⟨111⟩ орієнтація ⟨100⟩ домінує в напівпровідниковій промисловості з часткою ринку, що перевищує 93% (до 98% для 12-дюймових кремнієвих пластин). Це майже домінуюче положення є результатом спільного впливу електричних характеристик і сумісності процесів.

1. Електричні характеристики: подвійні переваги щільності стану інтерфейсу та мобільності несучої

1.1 Найнижча щільність стану інтерфейсу

Пристрої CMOS надзвичайно чутливі до стану інтерфейсу. Орієнтація ⟨100⟩ демонструє найнижчу щільність поверхневих станів серед трьох основних орієнтацій кристалів. Низька щільність стану інтерфейсу стабілізує порогову напругу МОП-пристроїв, що є основною причиною того, чому пластини ⟨100⟩ служать підкладками для МОП-інтегральних схем.

В атомному масштабі атоми на площині ⟨100⟩ утворюють квадратну решітку з мінімальною щільністю поверхневих обірваних зв’язків. Інтерфейс (100)/(100), утворений оксидом затвора, забезпечує чудову якість інтерфейсу. Навпаки, хоча площина ⟨111⟩ має найвищу щільність упаковки атомів (7,83 × 10¹⁴ атомів/см²), вона має вищу щільність поверхневих звисаючих зв’язків і помітно підвищену щільність міжфазних станів. Це пояснює, чому орієнтація ⟨111⟩ зазвичай використовується для біполярних пристроїв, а не для MOS-пристроїв.

1.2 Найвища рухливість електронів

Розташування атомів з орієнтацією ⟨100⟩ призводить до найслабшого розсіювання гратки на електронах, що рухаються через канал. Рухливість електронів <100> орієнтованакремнієві пластиниможе досягати 1450 см²/(В·с), що приблизно на 35% вище, ніж в орієнтації <111>.

У ранніх напівпровідникових схемах пристрої nMOS домінували над логічними операціями, тоді як пристрої pMOS функціонували лише як додаткові допоміжні структури. Перевага продуктивності nMOS, запропонована підкладками ⟨100⟩, була достатньою для задоволення вимог загальних схем. Тому орієнтація ⟨100⟩ залишалася галузевим пріоритетом для вузлів зрілої технології в діапазоні від 0,18 мкм до 40 нм. Дані Міжнародної технологічної дорожньої карти для напівпровідників (ITRS) показують, що 92% глобальних логічних мікросхем виготовляються на кремнієвих пластинах ⟨100⟩.

1.3 Найвища якість термічно вирощеного оксиду

Зростання оксиду на площині ⟨100⟩ є ізотропним, сприяючи формуванню рівномірних шарів оксиду затвора з відхиленням товщини, що контролюється в межах ±2%. Щільність дефектів термічно вирощеного оксиду приблизно на 40% нижча, ніж у оксидів, утворених на інших кристалічних орієнтаціях. Високоякісний оксид затвора є основою надійності MOS-пристроїв, незамінною перевагою у виготовленні логічних мікросхем.

---

2. Сумісність процесу

2.1 Переваги анізотропного травлення та текстурування

S У лужних розчинах (таких як KOH і TMAH) різна орієнтація кристалів кремнію демонструє різко різні швидкості травлення. Швидкість травлення площини ⟨100⟩ більш ніж у десять разів вища, ніж у площини ⟨111⟩; деякі дослідження повідомляють про співвідношення частот до 400:1. Ця характеристика забезпечує надзвичайну інженерну цінність:

Після анізотропного травлення монокристалічних кремнієвих пластин ⟨100⟩ на поверхні утворюються незліченні квадратні піраміди, обмежені гранями ⟨111⟩. Такі текстуровані поверхні знижують відбивну здатність поверхні кремнію приблизно до 11% і підвищують поглинання падаючого світла завдяки ефекту уловлювання світла, істотно підвищуючи ефективність перетворення сонячних елементів. З цієї причини фотоелектрична промисловість обирає ⟨100⟩ як бажану орієнтацію кристалів.

Завдяки щільній атомарній упаковці та чудовій хімічній стабільності, кремній ⟨111⟩ майже не витравлюється в лужних розчинах, що робить текстурування неможливим. Це ключовий фактор, що обмежує застосування пластин ⟨111⟩ у фотоелектричному секторі.

2.2 Можливість вирощування кристалів

У той час як орієнтація ⟨111⟩ демонструє більш стабільну поведінку росту кристалів під час витягування кристала, орієнтація ⟨100⟩ забезпечує краще придушення дефектів. Дослідження вказують на те, що ⟨100⟩ є оптимальним напрямком росту для спрямованого затвердіння, оскільки він перешкоджає утворенню кластерів дефектів над проміжками затравкових кристалів ефективніше, ніж орієнтації ⟨111⟩ та ⟨110⟩. Ранні монокристали ⟨100⟩ мали низький вихід кристалізації та високу щільність дислокацій, але ці проблеми вдалося ефективно вирішити шляхом оптимізації конструкції теплової системи та процедур виробництва.

Поодинокі кристали кремнію, витягнуті вздовж напрямку ⟨100⟩, утворюють циліндричні злитки з чотирма ребрами, що спрощує подальшу орієнтацію пластини та процеси обробки.

2.3 Епітаксія та допінг-сумісність

Високоякісний епітаксіальний ріст можна досягти на підкладках ⟨100⟩. Наприклад, щільність дислокаційGaN епітаксіявирощені на ⟨100⟩ субстратах можна контролювати нижче 10⁶ см⁻². Що стосується допування, атоми легуючої домішки вбудовуються в решітку різними способами залежно від орієнтації кристала. Симетрія орієнтації кристала <100> робить розподіл легування більш рівномірним і контрольованим, що має вирішальне значення для виробництва інтегральних схем.

2.4 Оброблюваність

Твердість за Віккерсом орієнтації кристалів <100> становить приблизно 11,5 ГПа, що є найнижчою серед трьох основних орієнтацій кристалів. Це означає, що кремнієві пластини з орієнтацією <100> легше обробляти в процесах різання, шліфування та полірування, що призводить до меншого зносу інструменту та вищої ефективності обробки. Навпаки, орієнтація кристала <111> має найвищу твердість (приблизно 13,5 ГПа), що вимагає використання пив з алмазним дротом вищої твердості та зниженої швидкості подачі під час різання. З точки зору витрат на виробництво пластини <100> кристалічні пластини дешевші, ніж <110> і <111> пластини.

Semicorex пропонує високу якістьіндивідуальнікремнієві пластини. Будь ласка, не соромтеся зв’язуватися з нашою командою для отримання індивідуальних рішень або додаткової технічної інформації.

Телефон: +86-13567891907

Електронна адреса: sales@semicorex.com