Почему<100>Ориентированный монокристаллический кремний – «оптимальный выбор» для полупроводниковой промышленности?

В производстве полупроводников выбор ориентации кристаллов пластины напрямую определяет производительность полупроводниковых чипов. Монокристаллический кремний имеет кубическую кристаллическую структуру алмаза. При разрезе по направлениям, образующим разные углы с осями кристалла, обнажаются кристаллические плоскости с определенным расположением атомов. Среди трех основных направлений ⟨100⟩, ⟨110⟩ и ⟨111⟩, ориентация ⟨100⟩ доминирует в полупроводниковой промышленности с долей рынка, превышающей 93% (до 98% для 12-дюймовых кремниевых пластин). Это почти доминирующее положение является результатом комбинированного влияния электрических характеристик и совместимости процессов.

1. Электрические характеристики: двойные преимущества плотности состояний интерфейса и мобильности носителей

1.1 Самая низкая плотность состояний интерфейса

Устройства CMOS чрезвычайно чувствительны к состояниям интерфейса. Ориентация ⟨100⟩ демонстрирует самую низкую плотность поверхностных состояний среди трёх основных ориентаций кристалла. Низкая плотность состояний интерфейса стабилизирует пороговое напряжение МОП-устройств, что является основной причиной того, почему пластины ⟨100⟩ служат подложками для интегральных схем МОП.

На атомном уровне атомы на плоскости ⟨100⟩ образуют квадратную решетку с минимальной плотностью поверхностных оборванных связей. Интерфейс (100)/(100), сформированный из затворного оксида, обеспечивает превосходное качество интерфейса. Напротив, хотя плоскость ⟨111⟩ имеет самую высокую плотность атомной упаковки (7,83×10¹⁴ атомов/см²), она отличается более высокой плотностью поверхностных оборванных связей и заметно повышенной плотностью интерфейсных состояний. Это объясняет, почему ориентация ⟨111⟩ обычно применяется для биполярных устройств, а не для МОП-устройств.

1.2 Высочайшая подвижность электронов

Расположение атомов ориентации ⟨100⟩ приводит к наименьшему рассеянию решетки на электронах, проходящих через канал. Подвижность электронов <100> ориентированакремниевые пластиныможет достигать 1450 см²/(В·с), что примерно на 35 % выше, чем у ориентации <111>.

В ранних полупроводниковых схемах nMOS-устройства доминировали в логических операциях, тогда как pMOS-устройства функционировали просто как дополнительные вспомогательные структуры. Преимущество производительности nMOS, обеспечиваемое подложками ⟨100⟩, было достаточным для удовлетворения требований всех схем. Таким образом, ориентация ⟨100⟩ оставалась отраслевым приоритетом для зрелых технологических узлов в диапазоне от 0,18 мкм до 40 нм. Данные Международной технологической карты полупроводников (ITRS) показывают, что 92% мировых логических чипов производятся на ⟨100⟩ кремниевых пластинах.

1.3 Превосходное качество термически выращенного оксида

Рост оксида на плоскости ⟨100⟩ является изотропным, что способствует формированию однородных слоев затворного оксида с отклонением толщины, контролируемым в пределах ±2%. Плотность дефектов термически выращенного оксида примерно на 40% ниже, чем у оксидов, образовавшихся при других ориентациях кристаллов. Высококачественный оксид затвора имеет основополагающее значение для надежности МОП-устройств, что является незаменимым преимуществом при производстве логических микросхем.

---

2. Совместимость процессов

2.1 Преимущества анизотропного травления и текстурирования

В щелочных растворах S (таких как КОН и ТМАГ) различные ориентации кристаллов кремния демонстрируют совершенно разные скорости травления. Скорость травления плоскости ⟨100⟩ более чем в десять раз превышает скорость травления плоскости ⟨111⟩; в некоторых исследованиях сообщается о соотношении ставок до 400:1. Эта характеристика обеспечивает выдающуюся инженерную ценность:

После анизотропного травления пластин монокристаллического кремния ⟨100⟩ на поверхности образуется бесчисленное количество квадратных пирамид, ограниченных ⟨111⟩ гранями. Такие текстурированные поверхности снижают отражательную способность поверхности кремния примерно до 11% и улучшают поглощение падающего света за счет эффекта улавливания света, существенно повышая эффективность преобразования солнечных элементов. По этой причине фотоэлектрическая промышленность выбирает ⟨100⟩ в качестве предпочтительной ориентации кристалла.

Обладая плотной атомной упаковкой и превосходной химической стабильностью, кремний ⟨111⟩ практически не травится в щелочных растворах, что делает текстурирование невозможным. Это ключевой фактор, ограничивающий применение пластин ⟨111⟩ в фотоэлектрическом секторе.

2.2. Возможность выращивания кристаллов

В то время как ориентация ⟨111⟩ демонстрирует более стабильный рост кристаллов во время вытягивания кристаллов, ориентация ⟨100⟩ обеспечивает лучшее подавление дефектов. Исследования показывают, что ⟨100⟩ является оптимальным направлением роста для направленной кристаллизации, поскольку оно более эффективно препятствует образованию кластеров дефектов над зазорами затравочных кристаллов, чем ориентации ⟨111⟩ и ⟨110⟩. Ранние монокристаллы ⟨100⟩ имели низкий выход кристаллизации и высокую плотность дислокаций, однако эти проблемы были эффективно решены за счет оптимизации конструкции термической системы и производственных процедур.

Монокристаллы кремния, вытянутые в направлении ⟨100⟩, образуют цилиндрические слитки с четырьмя выступами, что упрощает последующие процессы ориентации пластин и обработки.

2.3. Эпитаксия и совместимость допингов.

Высококачественный эпитаксиальный рост может быть достигнут на подложках ⟨100⟩. Например, плотность дислокацийЭпитаксия GaNвыращенные на субстратах ⟨100⟩, можно контролировать ниже 10⁶ см⁻². Что касается легирования, атомы легирующей примеси включаются в решетку по-разному в зависимости от ориентации кристалла. Симметрия ориентации кристалла <100> делает распределение легирования более равномерным и контролируемым, что имеет решающее значение для производства интегральных схем.

2.4 Обрабатываемость

Твердость по Виккерсу для ориентации кристаллов <100> составляет примерно 11,5 ГПа, что является самым низким показателем среди трех основных ориентаций кристаллов. Это означает, что кремниевые пластины с ориентацией <100> легче обрабатывать в процессах резки, шлифования и полировки, что приводит к меньшему износу инструмента и более высокой эффективности обработки. Напротив, ориентация кристаллов <111> имеет самую высокую твердость (около 13,5 ГПа), что требует использования алмазных канатных пил более высокой твердости и снижения скорости подачи во время резки. С точки зрения затрат на производство пластин пластины с кристаллической гранью <100> дешевле, чем пластины <110> и <111>.

Semicorex предлагает высококачественныеиндивидуальныйкремниевые пластины. Пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нашей команде для получения индивидуальных решений или дополнительной технической информации.

Телефон: +86-13567891907

Электронная почта: sales@semicorex.com