私たちがよく聞くシリコンの結晶方位は <100>、<110>、<111> (図 1 に示す) であり、それぞれ結晶学的ファミリーを示します。 単結晶シリコン構造は立方晶に属し、<100> 結晶方位ファミリーは 6 つの結晶方位を表します: [100]、[010]、[001]、[100]、[0-10]、および [00-1] ]。 したがって、<001>、<011>、<101> などの結晶方位を聞くことはほとんどなく、<100>、<110>、<111> の結晶方位が最も一般的です。 では、インデックスが 1 より大きい <200> や <311> などの結晶方位ファミリーを聞くことが珍しいのはなぜでしょうか? その理由は、実際には結晶面の原子密度と結合エネルギーに関係しています。 結晶面間の距離 d は、1 より大きい他の指数関数的な結晶面に比べて大きくなります。結晶面の原子密度が高く、原子間の距離が小さく、結合エネルギーが大きく、結晶面の安定性が高くなります。より高い。 したがって、シリコン結晶方位<100>、<110>、<111>は、シリコン基板またはエピタキシーに一般的に使用されます。 PAM-XIAMEN は、方位 <100>、<110>、<111> のシリコン ウェーハを製造しています。詳細な仕様については、を参照してください。https://www.powerwaywafer.com/silicon-wafer.

図1 シリコン結晶方位: <100>、<110>、<111>

1. <100>、<110>、<111> によるシリコンの結晶方位の特徴は何ですか?

シリコン結晶方位 <100> の場合、原子面密度 = (1+4×1/4)/(a ^ 2)=2/(a ^ 2)、結晶面間隔 d=a/√(h ^ 2+ k ^ 2+l ^ 2)=0.543nm、原子結合密度 n100=4/(a ^ 2);

<110> ウェーハ結晶方位の場合、原子面密度 = (2+4×1/4+2×1/2)/(√2×(a ^ 2))=3.5/(a ^ 2)、結晶表面間隔 d=a/√(h ^ 2+k ^ 2+l ^ 2)=0.384nm、原子結合密度 n110=3√2/(2×a ^ 2)=2.1/(a ^ 2);

結晶方位<111>のシリコンウェーハの場合、原子面密度=(3×1/6+3×1/2)/(√3/2×(a^2))=2.31/(a^2)、結晶面間隔 d=a/√(h ^ 2+k ^ 2+l ^ 2)=0.314nm、原子結合密度 n111=2√3/(a ^ 2)=3.5/(a ^ 2)。

結晶面上の原子密度は111＞110＞100の順に減少するため、111＜110＜100の方向に拡散速度と腐食速度が増加します。 111 面の腐食速度は約 1.48um/min、110 面では約 3.0um/min、100 面では約 3.4um/min です。

酸化速度は 111>110>100 です。これは、111 個の原子の高い表面密度、より多くの不飽和結合、および酸素とのより速い結合によるものです。

<110> 表面の原子結合密度は最も低いため、<100> 方位のシリコン ウェーハは断片化されやすく、一方、<100> 方位のウェーハは方向に沿って 4 等分に断片化されやすくなります。原子結合密度が最も低く、<111> 配向のウェーハは 6 等分に断片化する傾向が高くなります。

シリコンの劈開面は <111> です。<111> は原子表面密度が最も高いため、自然成長するシリコン結晶は最も外側の <111> 結晶方位を持つことがよくあります。

2. <100>、<110>、<111> 結晶配向シリコンウェーハの応用

2.1 MOSFET 用の <100> および <110> 結晶配向シリコン ウェーハ

<100> 結晶配向シリコン基板は、MOSFET などのパワーデバイスの製造によく使用されます。 理由は次のように説明されます。

パワーデバイスは一般に表面チャネルデバイスであり、表面欠陥状態の密度はしきい値電圧と信頼性に大きな影響を与えます。 (100) 結晶面の表面原子面密度は最も小さく、状態の原子面密度が最も低いことに対応します。 表面の不飽和結合が少なく、デバイス表面が酸化したときに生成される欠陥も少なくなります。

(100) 結晶面の密度が低いため、その熱酸化とエッチングの速度は比較的速く、プロセスの専門家は <100> 結晶配向プロセスについてさらに研究を行っています。

<100> または <110> を持つウェーハは、MEMS で広く使用されている結晶面です。 腐食を達成するプロセスでは、ウェット エッチングは主に、異なる結晶面間の腐食速度の違いに依存します。 100面ウェーハ処理を採用し、<110>結晶方向に沿ったマスクを使用し、アルカリ溶液でエッチングすることにより、100面ウェーハで角度54.7度の{111}平滑な表面を実現できます。 圧力センサーなどの構造物の製造によく使用されます。 110 面シリコンウェーハをウェットエッチングすると、100 面シリコンウェーハとは異なる特性が現れます。 110 面シリコン ウェーハをエッチングすると、基板に対して垂直な {111} 面が生成され、大面積と高品質の光学表面が得られ、光学分野で幅広い用途があります。

2.2 バイポーラデバイスの <111> シリコン結晶方位

<111> シリコン結晶方位は、次の理由によりバイポーラ デバイスでより一般的に使用されます。

結晶構造: <111> 結晶方位では、シリコン ウェーハの結晶構造は特別な対称性を持ちます。 この対称性により、バイポーラ デバイスの製造において電子と正孔の動きをより適切に制御できるようになり、結果として電流制御と性能が向上し、非常に浅いドーピングの生成が可能になります。

表面特性: <111> 結晶配向の原子表面密度が最も高く、溶解速度が最も遅い。 PN 接合を作成する場合、平坦で安定した接合表面を制御して得ることは比較的簡単であり、これはバイポーラ デバイスの製造にとって非常に重要です。 平坦な表面は、正確な電極と構造を製造し、電流漏れと電子トンネル効果を低減し、デバイスの性能と信頼性を向上させるのに役立ちます。 さらに、シリコンウェーハの <111> 結晶方位に向かう酸化速度はより高いため、酸化時間を短縮できます。

コプレーナデバイスの集積化: <111> 配向のシリコンウェーハの良好な表面特性と対称性により、コプレーナデバイスの集積化が容易に実現できます。 コプレーナデバイスとは、電子と正孔が同じチップ上で動作するデバイスを指します。 この設計により、デバイス間の抵抗と静電容量が削減され、デバイスの速度と電力効率が向上します。

詳細については、メールでお問い合わせください。victorchan@powerwaywafer.com と powerwaymaterial@gmail.com.