Die Siliziumkristallorientierungen, die wir oft hören, sind <100>, <110> und <111> (dargestellt in Abb. 1), was jeweils auf eine kristallographische Familie hinweist. Die einkristalline Siliziumstruktur gehört zu den kubischen Kristallen, und die Familie der <100>-Kristallorientierungen repräsentiert sechs Kristallorientierungen: [100], [010], [001], [100], [0-10] und [00-1]. ]. Daher hören wir selten Kristallorientierungen wie <001>, <011> und <101>, während die Kristallorientierungen <100>, <110> und <111> am häufigsten vorkommen. Warum hört man also selten Kristallorientierungsfamilien wie <200> und <311> mit Indizes größer als 1? Der Grund hängt tatsächlich mit der Atomdichte und der Bindungsenergie der Kristallebene zusammen. Der Abstand zwischen den Kristallebenen d ist im Vergleich zu anderen exponentiellen Kristallebenen größer als 1. Die Atomdichte der Kristallebene ist höher, der Abstand zwischen Atomen ist kleiner, die Bindungsenergie ist größer und die Stabilität der Kristallebene ist größer höher. Daher werden die Siliziumkristallorientierungen <100>, <110>, <111> üblicherweise für Siliziumsubstrate oder die Epitaxie verwendet. PAM-XIAMEN fertigt Siliziumwafer mit den Ausrichtungen <100>, <110>, <111>, weitere Spezifikationen finden Sie hierhttps://www.powerwaywafer.com/silicon-wafer.

Abb. 1 Siliziumkristallorientierung: <100>, <110>, <111>

1. Was sind die Merkmale der Siliziumkristallorientierung mit <100>, <110> und <111>?

Für die Siliziumkristallorientierung <100>, atomare Oberflächendichte=(1+4×1/4)/(a ^ 2)=2/(a ^ 2), Kristalloberflächenabstand d=a/√(h ^ 2+ k ^ 2+l ^ 2)=0,543 nm, atomare Bindungsdichte n100=4/(a ^ 2);

Für die Waferkristallorientierung <110> beträgt die atomare Oberflächendichte = (2+4×1/4+2×1/2)/(√2×(a ^ 2))=3,5/(a ^ 2), Kristalloberfläche Abstand d=a/√(h ^ 2+k ^ 2+l ^ 2)=0,384 nm, atomare Bindungsdichte n110=3√2/(2×a ^ 2)=2,1/(a ^ 2);

Für den Siliziumwafer mit der Kristallorientierung <111>, atomare Oberflächendichte = (3×1/6+3×1/2)/(√3/2×(a ^ 2))=2,31/(a ^ 2), Kristallebenenabstand d=a/√(h ^ 2+k ^ 2+l ^ 2)=0,314 nm, Atombindungsdichte n111=2√3/(a ^ 2)=3,5/(a ^ 2);

Die Atomdichte auf der Kristallebene nimmt in der Größenordnung 111>110>100 ab, sodass die Diffusionsrate und die Korrosionsrate in Richtung 111<110<100 zunehmen. Die Korrosionsrate beträgt auf der 111-Ebene etwa 1,48 µm/min, auf der 110-Ebene etwa 3,0 µm/min und auf der 100-Ebene etwa 3,4 µm/min.

Die Oxidationsrate beträgt 111>110>100, was auf die hohe Oberflächendichte von 111 Atomen, mehr ungesättigte Bindungen und eine schnellere Bindung mit Sauerstoff zurückzuführen ist.

Die atomare Bindungsdichte auf der <110>-Oberfläche ist am niedrigsten, sodass Siliziumwafer mit einer <100>-Ausrichtung anfälliger für Fragmentierung sind, während Wafer mit einer <100>-Ausrichtung anfälliger für eine Fragmentierung in 4 gleiche Teile entlang der Richtung sind die niedrigste atomare Bindungsdichte und Wafer mit einer <111>-Orientierung neigen eher zur Fragmentierung in 6 gleiche Teile.

Die Spaltungsebene von Silizium ist <111>, da <111> die höchste atomare Oberflächendichte aufweist, haben natürlich wachsende Siliziumkristalle oft die äußerste <111>-Kristallorientierung.

2. Anwendungen von <100>, <110> und <111> kristallorientierten Siliziumwafern

2.1 <100> & <110> Kristallorientierte Siliziumwafer für MOSFET

<100>-kristallorientierte Siliziumsubstrate werden häufig zur Herstellung von Leistungsbauelementen wie MOSFETs verwendet. Die Gründe werden wie folgt dargestellt:

Leistungsgeräte sind im Allgemeinen Oberflächenkanalgeräte, und die Dichte der Oberflächendefektzustände hat einen erheblichen Einfluss auf die Schwellenspannung und die Zuverlässigkeit. Die atomare Oberflächendichte der (100)-Kristallebene ist am kleinsten und entspricht der niedrigsten atomaren Oberflächendichte der Zustände. Es gibt weniger ungesättigte Bindungen an der Oberfläche und es entstehen weniger Defekte, wenn die Geräteoberfläche oxidiert.

Aufgrund der geringen Dichte der (100)-Kristallebene sind ihre thermischen Oxidations- und Ätzraten relativ hoch, und Prozessexperten haben mehr Forschung zum <100>-Kristallorientierungsprozess betrieben.

Wafer mit <100> oder <110> sind weit verbreitete Kristallebenen in MEMS. Bei der Erzielung von Korrosion beruht das Nassätzen hauptsächlich auf den unterschiedlichen Korrosionsraten zwischen verschiedenen Kristallebenen. Durch die 100-Ebenen-Waferverarbeitung, die Verwendung einer Maske entlang der <110>-Kristallrichtung und das Ätzen in alkalischer Lösung kann mit dem 100-Ebenen-Wafer eine glatte {111}-Oberfläche mit einem Winkel von 54,7 Grad erzielt werden. Es wird häufig bei der Herstellung von Strukturen wie Drucksensoren verwendet. Beim Nassätzen von 110-seitigen Siliziumwafern weisen diese andere Eigenschaften auf als 100-seitige Siliziumwafer. Das Ätzen auf 110-Ebenen-Siliziumwafern erzeugt {111}-Flächen senkrecht zum Substrat, was eine große Fläche und eine hochwertige optische Oberfläche bieten kann und ein breites Anwendungsspektrum im optischen Bereich bietet.

2.2 <111> Siliziumkristallorientierung für bipolare Geräte

Die <111>-Siliziumkristallorientierung wird aus folgenden Gründen häufiger in bipolaren Geräten verwendet:

Kristallstruktur: In der Kristallorientierung <111> weist die Kristallstruktur von Siliziumwafern eine besondere Symmetrie auf. Diese Symmetrie ermöglicht eine bessere Steuerung der Elektronen- und Lochbewegung bei der Herstellung bipolarer Geräte, was zu einer besseren Stromsteuerung und -leistung führt und die Herstellung einer sehr geringen Dotierung ermöglicht;

Oberflächeneigenschaften: Die atomare Oberflächendichte der <111>-Kristalle ist am höchsten und die Auflösungsrate am langsamsten. Bei der Herstellung von PN-Übergängen ist es relativ einfach, eine ebene und stabile Übergangsoberfläche zu kontrollieren und zu erhalten, was für die Herstellung bipolarer Geräte sehr wichtig ist. Eine flache Oberfläche hilft bei der Herstellung präziser Elektroden und Strukturen, reduziert Stromlecks und Elektronentunneleffekte und verbessert die Leistung und Zuverlässigkeit von Geräten. Darüber hinaus ist die Oxidationsrate in Richtung der <111>-Kristallorientierung des Siliziumwafers höher, was die Oxidationszeit verkürzen kann;

Koplanare Geräteintegration: Aufgrund der guten Oberflächeneigenschaften und Symmetrie von <111>-orientierten Siliziumwafern kann die Integration koplanarer Geräte problemlos erreicht werden. Koplanare Geräte beziehen sich auf Geräte, bei denen Elektronen und Löcher auf demselben Chip arbeiten. Dieses Design kann den Widerstand und die Kapazität zwischen Geräten reduzieren, die Gerätegeschwindigkeit und die Energieeffizienz verbessern.

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