Prečo je<100>Orientovaný monokryštalický kremík je „optimálnou voľbou“ pre polovodičový priemysel?

Vo výrobe polovodičov výber orientácie kryštálov doštičky priamo určuje výkon polovodičového čipu. Monokryštalický kremík má diamantovú kubickú kryštálovú štruktúru. Pri rozrezaní pozdĺž smerov tvoriacich rôzne uhly s osami kryštálov sa odkryjú kryštálové roviny so špecifickým usporiadaním atómov. Spomedzi troch základných orientácií ⟨100⟩, ⟨110⟩ a ⟨111⟩ dominuje v polovodičovom priemysle orientácia ⟨100⟩ s podielom na trhu presahujúcim 93 % (až 98 % pre 12-palcové kremíkové doštičky). Toto takmer dominantné postavenie vyplýva z kombinovaných účinkov elektrického výkonu a kompatibility procesov.

1. Elektrický výkon: Dvojité výhody hustoty stavu rozhrania a mobility nosiča

1.1 Najnižšia hustota stavu rozhrania

Zariadenia CMOS sú mimoriadne citlivé na stavy rozhrania. Orientácia ⟨100⟩ vykazuje najnižšiu hustotu povrchového stavu spomedzi troch hlavných kryštálových orientácií. Nízka hustota stavu rozhrania stabilizuje prahové napätie zariadení MOS, čo predstavuje hlavný dôvod, prečo ⟨100⟩ doštičky slúžia ako substráty pre integrované obvody MOS.

V atómovej mierke tvoria atómy v rovine ⟨100⟩ štvorcovú mriežku s minimálnou hustotou povrchových visiacich väzieb. Rozhranie (100)/(100) vytvorené s hradlovým oxidom poskytuje vynikajúcu kvalitu rozhrania. Na rozdiel od toho, hoci sa rovina ⟨111⟩ môže pochváliť najvyššou hustotou atómového zloženia (7,83 × 10¹4 atómov/cm²), vyznačuje sa vyššou hustotou povrchových visiacich väzieb a výrazne zvýšenou hustotou stavu rozhrania. To vysvetľuje, prečo sa orientácia ⟨111⟩ vo všeobecnosti používa skôr pre bipolárne zariadenia ako pre zariadenia MOS.

1.2 Najvyššia mobilita elektrónov

Atómové usporiadanie s orientáciou ⟨100⟩ má za následok najslabší rozptyl mriežky na elektrónoch prechádzajúcich kanálom. Pohyblivosť elektrónov <100> orientovanákremíkové doštičkymôže dosiahnuť 1450 cm²/(V·s), čo je asi o 35 % viac ako pri orientácii <111>.

V skorých polovodičových obvodoch dominovali zariadenia nMOS logickým operáciám, zatiaľ čo zariadenia pMOS fungovali iba ako doplnkové pomocné štruktúry. Výkonnostná výhoda nMOS, ktorú ponúkajú substráty ⟨100⟩, postačovala na splnenie požiadaviek celkových obvodov. Preto orientácia ⟨100⟩ zostala priemyselnou prioritou pre vyspelé technologické uzly v rozsahu od 0,18 μm do 40 nm. Údaje z International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) ukazujú, že 92 % globálnych logických čipov sa vyrába na ⟨100⟩ kremíkových doštičkách.

1.3 Vynikajúca kvalita tepelne pestovaného oxidu

Rast oxidu v rovine ⟨100⟩ je izotropný, čo uľahčuje tvorbu rovnomerných vrstiev hradlového oxidu s odchýlkou ​​hrúbky riadenou v rozmedzí ±2%. Hustota defektov tepelne pestovaného oxidu je zhruba o 40 % nižšia ako u oxidov vytvorených na iných kryštálových orientáciách. Vysoko kvalitný hradlový oxid je základom spoľahlivosti zariadení MOS, čo je nenahraditeľná zásluha pri výrobe logických čipov.

---

2. Kompatibilita procesov

2.1 Výhody anizotropného leptania a textúrovania

V alkalických roztokoch (ako je KOH a TMAH) vykazujú rôzne orientácie kryštálov kremíka drasticky odlišné rýchlosti leptania. Rýchlosť leptania roviny ⟨100⟩ je viac ako desaťkrát vyššia ako rýchlosť roviny ⟨111⟩; niektoré štúdie uvádzajú pomery až 400:1. Táto vlastnosť prináša pozoruhodnú inžiniersku hodnotu:

Po anizotropnom leptaní ⟨100⟩ monokryštalických kremíkových plátkov sa na povrchu vytvorí nespočetné množstvo štvorcových ihlanov ohraničených ⟨111⟩ fazetami. Takéto textúrované povrchy znižujú odrazivosť kremíkového povrchu na približne 11 % a zvyšujú absorpciu dopadajúceho svetla prostredníctvom efektu zachytávania svetla, čím sa podstatne zvyšuje účinnosť premeny solárnych článkov. Z tohto dôvodu si fotovoltaický priemysel vyberá ⟨100⟩ ako preferovanú orientáciu kryštálov.

Kremík ⟨111⟩ sa vyznačuje hustým atómovým obalom a vynikajúcou chemickou stabilitou a je sotva leptaný v alkalických roztokoch, takže textúrovanie je nemožné. Toto je kľúčový faktor obmedzujúci použitie doštičiek ⟨111⟩ v rámci fotovoltaického sektora.

2.2 Uskutočniteľnosť kryštálového rastu

Zatiaľ čo orientácia ⟨111⟩ vykazuje stabilnejšie správanie pri raste kryštálov počas ťahania kryštálov, orientácia ⟨100⟩ poskytuje lepšie potlačenie defektov. Výskum naznačuje, že ⟨100⟩ je optimálny smer rastu pre smerové tuhnutie, pretože inhibuje tvorbu defektných zhlukov nad medzerami zárodočných kryštálov efektívnejšie ako orientácie ⟨111⟩ a ⟨110⟩. Skoré ⟨100⟩ monokryštály trpeli nízkym výťažkom kryštalizácie a vysokou hustotou dislokácií, no tieto výzvy boli efektívne vyriešené optimalizáciou návrhu tepelného systému a výrobných postupov.

Jednotlivé kryštály kremíka ťahané v smere ⟨100⟩ tvoria valcové ingoty so štyrmi hrebeňmi, čo zjednodušuje následnú orientáciu plátkov a procesy obrábania.

2.3 Kompatibilita epitaxie a dopingu

Vysokokvalitný epitaxný rast možno dosiahnuť na ⟨100⟩ substrátoch. Napríklad hustota dislokáciíGaN epitaxiapestované na ⟨100⟩ substrátoch možno regulovať pod 10⁶ cm⁻². Pokiaľ ide o dopovanie, atómy dopantu sa začleňujú do mriežky rôznymi spôsobmi v závislosti od orientácie kryštálov. Vďaka symetrii orientácie kryštálov <100> je distribúcia dopingu rovnomernejšia a kontrolovateľnejšia, čo je rozhodujúce pre výrobu integrovaných obvodov.

2.4 Obrobiteľnosť

Vickersova tvrdosť kryštálovej orientácie <100> je približne 11,5 GPa, najnižšia spomedzi troch hlavných kryštálových orientácií. To znamená, že kremíkové doštičky s orientáciou <100> sa ľahšie spracovávajú v procesoch rezania, brúsenia a leštenia, čo vedie k nižšiemu opotrebovaniu nástroja a vyššej efektívnosti spracovania. Naproti tomu orientácia kryštálu <111> má najvyššiu tvrdosť (približne 13,5 GPa), čo si vyžaduje použitie diamantových drôtových píl s vyššou tvrdosťou a znížené rýchlosti posuvu počas rezania. Z hľadiska nákladov na výrobu doštičiek sú doštičky s kryštálovým povrchom <100> lacnejšie ako doštičky <110> a <111>.

Semicorex ponúka vysokú kvalituprispôsobenékremíkové doštičky. Neváhajte kontaktovať náš tím pre prispôsobené riešenia alebo ďalšie technické informácie.

Telefón: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com