Hvorfor er<100>Orienteret monokrystallinsk silicium det "optimale valg" for halvlederindustrien?

I halvlederfremstilling bestemmer valget af waferkrystalorientering direkte halvlederchippens ydeevne. Monokrystallinsk silicium har en diamant kubisk krystalstruktur. Når de skæres langs retninger, der danner forskellige vinkler med krystalakserne, blotlægges krystalplaner med specifikke atomarrangementer. Blandt de tre primære orienteringer ⟨100⟩, ⟨110⟩ og ⟨111⟩ dominerer ⟨100⟩-orienteringen halvlederindustrien med en markedsandel på over 93 % (op til 98 % for 12-tommer siliciumwafers). Denne næsten dominerende stilling skyldes de kombinerede virkninger af elektrisk ydeevne og proceskompatibilitet.

1. Elektrisk ydeevne: Dobbelte fordele ved grænsefladetilstandstæthed og transportørmobilitet

1.1 Laveste grænsefladetilstandstæthed

CMOS-enheder er ekstremt følsomme over for grænsefladetilstande. ⟨100⟩-orienteringen udviser den laveste overfladetilstandstæthed blandt de tre vigtigste krystalorienteringer. Lav grænsefladetilstandstæthed stabiliserer tærskelspændingen for MOS-enheder, hvilket udgør hovedårsagen til, at ⟨100⟩-wafere fungerer som substrater for MOS-integrerede kredsløb.

På atomskalaen danner atomer på ⟨100⟩-planet et kvadratisk gitter med den mindste tæthed af hængende overfladebindinger. (100)/(100)-grænsefladen dannet med gate-oxid leverer overlegen grænsefladekvalitet. I modsætning hertil, selvom ⟨111⟩-planet har den højeste atomare pakningstæthed (7,83×10¹⁴ atomer/cm²), har det en højere tæthed af hængende overfladebindinger og markant forhøjet grænsefladetæthed. Dette forklarer, hvorfor ⟨111⟩-retning generelt anvendes til bipolære enheder frem for MOS-enheder.

1.2 Højeste elektronmobilitet

Atomarrangementet af ⟨100⟩-orienteringen resulterer i det svageste gitterspredning på elektroner, der bevæger sig gennem kanalen. Elektronmobiliteten af ​​<100> orienteretsilicium waferskan nå 1450 cm²/(V·s), hvilket er omkring 35 % højere end orienteringen <111>.

I tidlige halvlederkredsløb dominerede nMOS-enheder logiske operationer, mens pMOS-enheder kun fungerede som komplementære hjælpestrukturer. nMOS-ydelsesfordelen, der tilbydes af ⟨100⟩-substrater, var tilstrækkelig til at opfylde kravene til overordnede kredsløb. Derfor forblev ⟨100⟩ orientering industriens prioritet for modne teknologiknuder, der spænder fra 0,18 μm til 40 nm. Data fra International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) viser, at 92% af globale logiske chips er fremstillet på ⟨100⟩ siliciumwafers.

1.3 Overlegen kvalitet af termisk dyrket oxid

Oxidvækst på ⟨100⟩-planet er isotropisk, hvilket letter dannelsen af ​​ensartede gateoxidlag med tykkelsesafvigelse kontrolleret inden for ±2 %. Defekttætheden af ​​termisk dyrket oxid er omtrent 40 % lavere end oxider dannet på andre krystalorienteringer. Gateoxid af høj kvalitet er grundlæggende for pålideligheden af ​​MOS-enheder, en uerstattelig fordel ved fremstilling af logiske chip.

---

2. Proceskompatibilitet

2.1 Fordele ved anisotropisk ætsning og teksturisering

I alkaliske opløsninger (såsom KOH og TMAH) udviser forskellige krystalorienteringer af silicium drastisk forskellige ætsningshastigheder. Ætsningshastigheden for ⟨100⟩-planet er mere end ti gange højere end ⟨111⟩-planet; visse undersøgelser rapporterer rateforhold op til 400:1. Denne egenskab giver bemærkelsesværdig teknisk værdi:

Efter anisotropisk ætsning af ⟨100⟩ monokrystallinske siliciumwafers dannes utallige firkantede pyramider afgrænset af ⟨111⟩ facetter på overfladen. Sådanne teksturerede overflader reducerer siliciumoverfladereflektiviteten til ca. 11 % og forbedrer indfaldende lysabsorption via lysindfangningseffekten, hvilket væsentligt øger omdannelseseffektiviteten af ​​solceller. Af denne grund vælger solcelleindustrien ⟨100⟩ som den foretrukne krystalorientering.

Med tæt atomær pakning og fremragende kemisk stabilitet er ⟨111⟩ silicium knap ætset i alkaliske opløsninger, hvilket gør teksturering uopnåelig. Dette er en nøglefaktor, der begrænser anvendelsen af ​​⟨111⟩ wafers inden for solcellesektoren.

2.2 Gennemførlighed af krystalvækst

Mens ⟨111⟩-orienteringen udviser mere stabil krystalvækstadfærd under krystaltrækning, giver ⟨100⟩-orienteringen bedre defektundertrykkelse. Forskning viser, at ⟨100⟩ er den optimale vækstretning for retningsbestemt størkning, da det hæmmer dannelsen af ​​defektklynger over frøkrystalgab mere effektivt end ⟨111⟩ og ⟨110⟩ orienteringer. Tidlige ⟨100⟩ enkeltkrystaller led lavt krystallisationsudbytte og høj dislokationstæthed, men alligevel er disse udfordringer blevet effektivt løst ved at optimere termisk systemdesign og fremstillingsprocedurer.

Enkelte siliciumkrystaller trukket langs ⟨100⟩-retningen danner cylindriske barrer med fire kamme, hvilket forenkler efterfølgende waferorientering og bearbejdningsprocesser.

2.3 Epitaksi og dopingkompatibilitet

Epitaksial vækst af høj kvalitet kan opnås på ⟨100⟩ underlag. For eksempel dislokationstætheden afGaN epitaksidyrket på ⟨100⟩ underlag kan kontrolleres under 10⁶ cm⁻². Med hensyn til doping inkorporeres dopingatomer i gitteret på forskellige måder afhængigt af krystalorientering. Symmetrien af ​​<100> krystalorienteringen gør dopingfordelingen mere ensartet og kontrollerbar, hvilket er afgørende for fremstilling af integrerede kredsløb.

2.4 Bearbejdelighed

Vickers-hårdheden af ​​<100>-krystalorienteringen er ca. 11,5 GPa, den laveste blandt de tre vigtigste krystalorienteringer. Dette betyder, at <100>-orienterede siliciumskiver er nemmere at behandle i skære-, slibe- og poleringsprocesser, hvilket resulterer i mindre værktøjsslid og højere forarbejdningseffektivitet. I modsætning hertil har krystalorienteringen <111> den højeste hårdhed (ca. 13,5 GPa), hvilket kræver brug af diamantwiresave med højere hårdhed og reducerede tilspændingshastigheder under skæring. Fra et omkostningsperspektiv på waferfremstilling er <100>-krystalfladewafere billigere end <110>- og <111>-wafere.

Semicorex tilbyder høj kvalitettilpassetsilicium wafers. Du er velkommen til at kontakte vores team for skræddersyede løsninger eller yderligere teknisk information.

Telefon: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com