Зошто е<100>Ориентиран монокристален силикон „оптимален избор“ за полупроводничката индустрија?

Во производството на полупроводници, изборот на кристална ориентација на обланда директно ги одредува перформансите на полупроводничкиот чип. Монокристалниот силикон има дијамантска кубна кристална структура. Кога се сечат по насоки кои формираат различни агли со кристалните оски, се изложуваат кристалните рамнини со специфични атомски распореди. Помеѓу трите основни ориентации ⟨100⟩, ⟨110⟩ и ⟨111⟩, ориентацијата ⟨100⟩ доминира во индустријата за полупроводници со пазарен удел кој надминува 93% (до 98% за 12-инчни силиконски наполитанки). Оваа речиси доминантна позиција произлегува од комбинираните ефекти на електричните перформанси и компатибилноста на процесите.

1. Електрични перформанси: двојни предности на густината на состојбата на интерфејсот и мобилноста на носачот

1.1 Најниска густина на состојбата на интерфејсот

CMOS уредите се исклучително чувствителни на состојби на интерфејсот. Ориентацијата ⟨100⟩ покажува најниска густина на состојбата на површината меѓу трите главни кристални ориентации. Ниската густина на состојбата на интерфејсот го стабилизира прагот на напонот на уредите MOS, што ја сочинува основната причина зошто наполитанките ⟨100⟩ служат како подлоги за MOS интегрираните кола.

На атомска скала, атомите на рамнината ⟨100⟩ формираат квадратна решетка со минимална густина на површинските виснати врски. Интерфејсот (100)/(100) формиран со оксид на портата обезбедува супериорен квалитет на интерфејсот. Спротивно на тоа, иако рамнината ⟨111⟩ може да се пофали со најголема атомска густина на пакување (7,83×1014 атоми/cm²), таа се одликува со поголема густина на површинските обесени врски и значително зголемена густина на состојбата на меѓусебното поврзување. Ова објаснува зошто ориентацијата ⟨111⟩ е генерално усвоена за биполарни уреди наместо за MOS уреди.

1.2 Највисока мобилност на електрони

Атомскиот распоред на ориентацијата ⟨100⟩ резултира со најслабата решетка што се расејува на електроните што патуваат низ каналот. Подвижноста на електроните на <100> ориентиранасиликонски наполитанкиможе да достигне 1450 cm²/(V·s), што е околу 35% повисоко од оној на ориентацијата <111>.

Во раните полупроводнички кола, nMOS уредите доминираа во логичките операции, додека pMOS уредите функционираа само како комплементарни помошни структури. Предноста на nMOS перформансите што ја нудат подлогите ⟨100⟩ беше доволна за да се задоволат барањата на целокупните кола. Затоа, ориентацијата ⟨100⟩ остана индустриски приоритет за зрели технолошки јазли кои се движат од 0,18 μm до 40 nm. Податоците од Меѓународниот технолошки патоказ за полупроводници (ITRS) покажуваат дека 92% од глобалните логички чипови се произведени на ⟨100⟩ силиконски наполитанки.

1.3 Врвен квалитет на термички одгледан оксид

Растот на оксидот на рамнината ⟨100⟩ е изотропен, што го олеснува формирањето на униформни оксидни слоеви на портата со девијација на дебелината контролирана во рамките на ±2%. Густината на дефектот на термички одгледаниот оксид е приближно 40% помала од оксидите формирани на други кристални ориентации. Висококвалитетниот оксид на портата е фундаментален за доверливоста на MOS уредите, што е незаменлива заслуга во изработката на логички чипови.

---

2. Компатибилност на процесот

2.1 Предности во анизотропното офортирање и текстуризација

Во алкалните раствори (како KOH и TMAH), различните кристални ориентации на силициумот покажуваат драстично различни стапки на офорт. Стапката на офорт на рамнината ⟨100⟩ е повеќе од десет пати повисока од онаа на рамнината ⟨111⟩; одредени студии известуваат за сооднос на стапка до 400:1. Оваа карактеристика дава извонредна инженерска вредност:

По анизотропното гравирање на ⟨100⟩ монокристални силиконски наполитанки, на површината се формираат безброј квадратни пирамиди ограничени со ⟨111⟩ аспекти. Ваквите текстурирани површини ја намалуваат рефлексивноста на силициумската површина на приближно 11% и ја подобруваат апсорпцијата на упадната светлина преку ефектот на заробување на светлината, значително зголемувајќи ја ефикасноста на конверзија на соларните ќелии. Поради оваа причина, фотоволтаичната индустрија избира ⟨100⟩ како претпочитана кристална ориентација.

Одликувајќи се со густо атомско пакување и одлична хемиска стабилност, силиконот ⟨111⟩ едвај е врежан во алкалните раствори, што ја прави текстуризацијата неостварлива. Ова е клучен фактор што ја ограничува примената на ⟨111⟩ обландите во фотоволтаичниот сектор.

2.2 Изводливост на растот на кристалите

Додека ориентацијата ⟨111⟩ покажува постабилно однесување на растот на кристалите за време на влечење на кристалите, ориентацијата ⟨100⟩ обезбедува подобро потиснување на дефектите. Истражувањата покажуваат дека ⟨100⟩ е оптимална насока на раст за насочен зацврстување, бидејќи го инхибира формирањето на гроздовите на дефекти над празнините на семените кристали поефикасно од ориентациите ⟨111⟩ и ⟨110⟩. Раните ⟨100⟩ единечни кристали претрпеа низок принос на кристализација и висока густина на дислокација, но сепак овие предизвици беа ефективно решени со оптимизирање на процедурите за дизајнирање и производство на термички системи.

Единечните силиконски кристали влечени по насоката ⟨100⟩ формираат цилиндрични инготи со четири гребени, што ја поедноставува последователната ориентација на обландата и процесите на обработка.

2.3 Компатибилност со епитаксии и допинг

Висококвалитетниот епитаксијален раст може да се постигне на ⟨100⟩ подлоги. На пример, густината на дислокација наGaN епитаксијаодгледувани на ⟨100⟩ подлоги може да се контролираат под 106 cm-². Што се однесува до допингот, допантните атоми се инкорпорираат во решетката на различни начини во зависност од кристалната ориентација. Симетријата на кристалната ориентација <100> ја прави дистрибуцијата на допинг порамномерна и контролирана, што е од клучно значење за производството на интегрирани кола.

2.4 Обработливост

Викерсовата цврстина на кристалната ориентација <100> е приближно 11,5 GPa, најниска меѓу трите главни кристални ориентации. Ова значи дека силиконските наполитанки ориентирани кон <100> се полесни за обработка при процесите на сечење, мелење и полирање, што резултира со помало абење на алатот и поголема ефикасност на обработката. Спротивно на тоа, кристалната ориентација <111> има најголема цврстина (приближно 13,5 GPa), што бара употреба на дијамантски жичани пили со поголема цврстина и намалени стапки на напојување за време на сечењето. Од перспектива на трошоците за производство на нафора, <100> кристалните наполитанки се поевтини од <110> и <111> наполитанките.

Semicorex нуди висок квалитетприлагоденисиликонски наполитанки. Ве молиме слободно контактирајте го нашиот тим за приспособени решенија или дополнителни технички информации.

Телефон: +86-13567891907

Е-пошта: sales@semicorex.com