Ориентация кристаллов кремния

Ориентация кристаллов кремния

Ориентации кристаллов кремния, которые мы часто слышим, составляют <100>, <110> и <111> (показаны на рис. 1), что указывает соответственно на кристаллографическое семейство. Структура монокристалла кремния принадлежит кубическим кристаллам, а семейство кристаллических ориентаций <100> представляет шесть кристаллических ориентаций: [100], [010], [001], [100], [0-10] и [00-1]. ]. Поэтому мы редко слышим такие ориентации кристаллов, как <001>, <011> и <101>, тогда как ориентации кристаллов <100>, <110> и <111> являются наиболее распространенными. Так почему же редко можно услышать семейства кристаллических ориентаций, такие как <200> и <311> с индексами больше 1? Причина на самом деле связана с атомной плотностью и энергией связи кристаллической плоскости. Расстояние между кристаллическими плоскостями d больше по сравнению с другими экспоненциальными кристаллическими плоскостями, превышающими 1. Атомная плотность кристаллической плоскости выше, расстояние между атомами меньше, энергия связи больше, а стабильность кристаллической плоскости равна выше. Поэтому ориентация кристаллов кремния <100>, <110>, <111> обычно используется для кремниевых подложек или эпитаксии. PAM-XIAMEN производит кремниевые пластины с ориентацией <100>, <110>, <111>, дополнительные характеристики см.https://www.powerwaywafer.com/silicon-wafer.

Ориентация кристаллов кремния

Рис. 1 Ориентация кристалла кремния: <100>, <110>, <111>

1. Каковы характеристики ориентации кристаллов кремния при <100>, <110> и <111>?

Для ориентации кристалла кремния <100>, поверхностная плотность атомов=(1+4×1/4)/(a ^ 2)=2/(a ^ 2), расстояние между кристаллическими поверхностями d=a/√(h ^ 2+ k^2+l^2)=0,543нм, плотность атомных связей n100=4/(a^2);

Для ориентации кристалла пластины <110> поверхностная плотность атомов = (2+4×1/4+2×1/2)/(√2×(a ^ 2)) = 3,5/(a ^ 2), поверхность кристалла расстояние d=a/√(h^2+k^2+l^2)=0,384нм, плотность атомных связей n110=3√2/(2×a^2)=2,1/(a^2);

Для кремниевой пластины с кристаллической ориентацией <111> поверхностная плотность атомов = (3×1/6+3×1/2)/(√3/2×(a ^ 2))=2,31/(a ^ 2), расстояние между плоскостями кристалла d=a/√(h^2+k^2+l^2)=0,314нм, плотность атомных связей n111=2√3/(a^2)=3,5/(a^2);

Плотность атомов на плоскости кристалла уменьшается в порядке 111>110>100, поэтому скорость диффузии и скорость коррозии возрастают в направлении 111<110<100. Скорость коррозии на плоскости 111 составляет около 1,48 мкм/мин, на плоскости 110 — около 3,0 мкм/мин, а на плоскости 100 — около 3,4 мкм/мин.

Скорость окисления составляет 111>110>100, что обусловлено высокой поверхностной плотностью в 111 атомов, большим количеством ненасыщенных связей и более быстрым связыванием с кислородом.

Плотность атомных связей на поверхности <110> наименьшая, поэтому кремниевые пластины с ориентацией <100> более склонны к фрагментации, а пластины с ориентацией <100> более склонны к фрагментации на 4 равные части по направлению с наименьшая плотность атомных связей, а пластины с ориентацией <111> более склонны к фрагментации на 6 равных частей.

Плоскость спайности кремния равна <111>, поскольку <111> имеет самую высокую атомную поверхностную плотность, естественно растущие кристаллы кремния часто имеют самую внешнюю ориентацию кристаллов <111>.

2. Применение пластин кристаллоориентированного кремния <100>, <110> и <111>.

2.1 <100> и <110> Кристаллоориентированные кремниевые пластины для МОП-транзисторов

Кристаллоориентированные кремниевые подложки <100> часто используются для производства силовых устройств, таких как МОП-транзисторы. Причины иллюстрируются следующим образом:

Силовые устройства обычно представляют собой устройства с поверхностными каналами, и плотность состояний поверхностных дефектов оказывает существенное влияние на пороговое напряжение и надежность. Поверхностная атомная поверхностная плотность кристаллической плоскости (100) наименьшая, что соответствует наименьшей поверхностной плотности атомных состояний. При окислении поверхности устройства образуется меньше поверхностных ненасыщенных связей и образуется меньше дефектов;

Из-за низкой плотности кристаллической плоскости (100) скорость ее термического окисления и травления относительно высока, и эксперты-технологи провели дополнительные исследования процесса ориентации кристаллов <100>.

Пластины с <100> или <110> широко используются в качестве кристаллических плоскостей в МЭМС. В процессе достижения коррозии мокрое травление в основном основано на разнице скоростей коррозии между различными плоскостями кристалла. Применяя обработку пластины в плоскости 100, используя маску вдоль направления кристалла <110> и травление в щелочном растворе, можно добиться гладкой поверхности {111} с углом 54,7 градуса к пластине в плоскости 100. Его обычно используют при производстве таких конструкций, как датчики давления. При влажном травлении 110-сторонних кремниевых пластин они проявляют характеристики, отличные от 100-сторонних кремниевых пластин. Травление плоских кремниевых пластин 110 позволяет получить грани {111}, перпендикулярные подложке, что может обеспечить большую площадь и высококачественную оптическую поверхность и имеет широкий спектр применений в оптической области.

2.2 <111> Ориентация кристаллов кремния для биполярных устройств

<111> Ориентация кристаллов кремния чаще используется в биполярных устройствах по причине:

Кристаллическая структура: В кристаллической ориентации <111> кристаллическая структура кремниевых пластин имеет особую симметрию. Эта симметрия позволяет лучше контролировать движение электронов и дырок при производстве биполярных устройств, что приводит к лучшему контролю тока и производительности, а также позволяет производить очень мелкое легирование;

Характеристики поверхности: Поверхностная плотность атомов, ориентированных на кристаллы <111>, самая высокая, а скорость растворения самая низкая. При изготовлении PN-переходов относительно легко контролировать и получить ровную и устойчивую поверхность перехода, что очень важно для изготовления биполярных устройств. Плоская поверхность помогает изготавливать точные электроды и конструкции, уменьшать утечку тока и эффекты туннелирования электронов, а также повышать производительность и надежность устройств. Кроме того, скорость окисления в направлении кристаллической ориентации <111> кремниевой пластины выше, что может сократить время окисления;

Интеграция копланарных устройств. Благодаря хорошим поверхностным характеристикам и симметрии кремниевых пластин с ориентацией <111> интеграция копланарных устройств может быть легко достигнута. Копланарные устройства относятся к устройствам, в которых электроны и дырки работают на одном чипе. Такая конструкция может уменьшить сопротивление и емкость между устройствами, повысить скорость устройства и энергоэффективность.

Powerwaywafer

Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь с нами по электронной почте по адресуvictorchan@powerwaywafer.com и powerwaymaterial@gmail.com.

Поделиться этой записью