ทำไมถึงเป็น<100>Monocrystalline Silicon เป็น "ตัวเลือกที่ดีที่สุด" สำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์หรือไม่?

ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ การเลือกการวางแนวคริสตัลเวเฟอร์จะกำหนดประสิทธิภาพของชิปเซมิคอนดักเตอร์โดยตรง ซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์มีโครงสร้างผลึกเพชรลูกบาศก์ เมื่อหั่นตามทิศทางที่สร้างมุมที่แตกต่างกันด้วยแกนคริสตัล จะเผยให้เห็นระนาบคริสตัลที่มีการจัดเรียงอะตอมเฉพาะเจาะจง ในบรรดาการวางแนวหลักสามแบบ ⟨100⟩, ⟨110⟩ และ ⟨111⟩ การวางแนว ⟨100⟩ ครองอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ด้วยส่วนแบ่งการตลาดเกิน 93% (สูงถึง 98% สำหรับเวเฟอร์ซิลิคอนขนาด 12 นิ้ว) ตำแหน่งที่โดดเด่นเกือบนี้เป็นผลมาจากผลรวมของประสิทธิภาพทางไฟฟ้าและความเข้ากันได้ของกระบวนการ

1. ประสิทธิภาพทางไฟฟ้า: ข้อดีสองประการของความหนาแน่นของสถานะอินเทอร์เฟซและความคล่องตัวของผู้ให้บริการ

1.1 ความหนาแน่นของสถานะอินเทอร์เฟซต่ำสุด

อุปกรณ์ CMOS มีความไวต่อสถานะอินเทอร์เฟซอย่างมาก การวางแนว ⟨100⟩ แสดงความหนาแน่นของสถานะพื้นผิวต่ำสุดในบรรดาการวางแนวคริสตัลหลักสามแบบ ความหนาแน่นของสถานะอินเทอร์เฟซต่ำจะรักษาแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ของอุปกรณ์ MOS ซึ่งถือเป็นเหตุผลหลักที่ทำให้เวเฟอร์ ⟨100⟩ ทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นสำหรับวงจรรวม MOS

ในระดับอะตอม อะตอมบนระนาบ ⟨100⟩ จะก่อตัวเป็นโครงตาข่ายสี่เหลี่ยมโดยมีความหนาแน่นต่ำสุดของพันธะห้อยต่องแต่งที่พื้นผิว อินเทอร์เฟซ (100)/(100) ที่สร้างด้วยเกทออกไซด์มอบคุณภาพอินเทอร์เฟซที่เหนือกว่า ในทางตรงกันข้าม แม้ว่าระนาบ ⟨111⟩ จะมีความหนาแน่นของการบรรจุอะตอมสูงสุด (7.83 × 10¹⁴ อะตอม/ซม.²) แต่ก็มีความหนาแน่นของพันธะที่ห้อยต่องแต่งที่พื้นผิวสูงกว่าและความหนาแน่นของสถานะอินเทอร์เฟซที่เพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด สิ่งนี้อธิบายได้ว่าเหตุใดการวางแนว ⟨111⟩ จึงถูกนำมาใช้กับอุปกรณ์ไบโพลาร์มากกว่าอุปกรณ์ MOS

1.2 การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูงสุด

การจัดเรียงอะตอมของการวางแนว ⟨100⟩ ส่งผลให้เกิดการกระเจิงของโครงตาข่ายที่อ่อนที่สุดบนอิเล็กตรอนที่เดินทางผ่านช่องสัญญาณ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน <100> เชิงเวเฟอร์ซิลิคอนสูงถึง 1,450 ซม.²/(V·s) ซึ่งสูงกว่าการวางแนว <111> ประมาณ 35%

ในวงจรเซมิคอนดักเตอร์ในยุคแรกๆ อุปกรณ์ nMOS มีอิทธิพลเหนือการดำเนินการทางลอจิก ในขณะที่อุปกรณ์ pMOS ทำหน้าที่เป็นเพียงโครงสร้างเสริมเสริมเท่านั้น ข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพ nMOS ที่นำเสนอโดยซับสเตรต ⟨100⟩ นั้นเพียงพอที่จะตอบสนองความต้องการของวงจรโดยรวม ดังนั้นการวางแนว ⟨100⟩ ยังคงมีความสำคัญในอุตสาหกรรมสำหรับโหนดเทคโนโลยีที่เติบโตเต็มที่ตั้งแต่ 0.18 μm ถึง 40 nm ข้อมูลจากแผนงานเทคโนโลยีระหว่างประเทศสำหรับอุปกรณ์กึ่งตัวนำ (ITRS) แสดงให้เห็นว่า 92% ของชิปลอจิกทั่วโลกผลิตขึ้นบนเวเฟอร์ซิลิคอน ⟨100⟩

1.3 คุณภาพที่เหนือกว่าของออกไซด์ที่ปลูกด้วยความร้อน

การเจริญเติบโตของออกไซด์บนระนาบ ⟨100⟩ เป็นแบบไอโซโทรปิก ซึ่งเอื้อต่อการก่อตัวของชั้นเกตออกไซด์ที่สม่ำเสมอโดยควบคุมค่าเบี่ยงเบนความหนาภายใน ±2% ความหนาแน่นของข้อบกพร่องของออกไซด์ที่เติบโตด้วยความร้อนนั้นต่ำกว่าออกไซด์ที่ก่อตัวบนการวางแนวของผลึกอื่นๆ ประมาณ 40% เกทออกไซด์คุณภาพสูงเป็นพื้นฐานของความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ MOS ซึ่งเป็นข้อดีที่ไม่อาจทดแทนได้ในการสร้างชิปลอจิก

---

2. ความเข้ากันได้ของกระบวนการ

2.1 ข้อดีในการแกะสลักและการสร้างพื้นผิวแบบแอนไอโซทรอปิก

Sในสารละลายอัลคาไลน์ (เช่น KOH และ TMAH) การวางแนวผลึกของซิลิคอนที่แตกต่างกันมีอัตราการแกะสลักที่แตกต่างกันอย่างมาก อัตราการแกะสลักของระนาบ ⟨100⟩ นั้นสูงกว่าอัตราการแกะสลักของระนาบ ⟨111⟩ มากกว่าสิบเท่า การศึกษาบางเรื่องรายงานอัตราส่วนอัตราสูงถึง 400:1 คุณลักษณะนี้มอบคุณค่าทางวิศวกรรมที่โดดเด่น:

หลังจากการกัดแบบแอนไอโซทรอปิกของเวเฟอร์ซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์ ⟨100⟩ ปิรามิดสี่เหลี่ยมจำนวนนับไม่ถ้วนที่ล้อมรอบด้วย ⟨111⟩ แง่มุมก็ก่อตัวขึ้นบนพื้นผิว พื้นผิวที่มีพื้นผิวดังกล่าวช่วยลดการสะท้อนแสงของพื้นผิวซิลิคอนลงประมาณ 11% และเพิ่มการดูดกลืนแสงที่ตกกระทบผ่านเอฟเฟกต์การดักจับแสง ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงของเซลล์แสงอาทิตย์ได้อย่างมาก ด้วยเหตุนี้ อุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์จึงเลือก ⟨100⟩ เป็นการวางแนวคริสตัลที่ต้องการ

ด้วยการอัดตัวของอะตอมที่หนาแน่นและความเสถียรทางเคมีที่ยอดเยี่ยม ซิลิคอน ⟨111⟩ แทบไม่ถูกสลักลงในสารละลายที่เป็นด่าง ทำให้ไม่สามารถสร้างพื้นผิวได้ นี่เป็นปัจจัยสำคัญที่จำกัดการใช้เวเฟอร์ ⟨111⟩ ภายในภาคเซลล์แสงอาทิตย์

2.2 ความเป็นไปได้ของการเติบโตของคริสตัล

ในขณะที่การวางแนว ⟨111⟩ แสดงพฤติกรรมการเติบโตของคริสตัลที่เสถียรมากขึ้นในระหว่างการดึงคริสตัล การวางแนว ⟨100⟩ ให้การปราบปรามข้อบกพร่องที่ดีกว่า การวิจัยระบุว่า ⟨100⟩ เป็นทิศทางการเติบโตที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการแข็งตัวตามทิศทาง เนื่องจากมันยับยั้งการก่อตัวของกลุ่มข้อบกพร่องเหนือช่องว่างผลึกเมล็ดได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าการวางแนว ⟨111⟩ และ ⟨110⟩ ผลึกเดี่ยวช่วงต้น ⟨100⟩ ได้รับผลการตกผลึกต่ำและมีความหนาแน่นของการเคลื่อนที่สูง แต่ความท้าทายเหล่านี้ได้รับการแก้ไขอย่างมีประสิทธิภาพโดยการปรับการออกแบบระบบระบายความร้อนและขั้นตอนการผลิตให้เหมาะสม

ผลึกซิลิคอนเดี่ยวถูกดึงไปตามทิศทาง ⟨100⟩ ทำให้เกิดแท่งโลหะทรงกระบอกที่มีสันสี่อัน ซึ่งช่วยให้การวางแนวเวเฟอร์และกระบวนการตัดเฉือนในภายหลังง่ายขึ้น

2.3 ความเข้ากันได้ของ Epitaxy และ Doping

การเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวคุณภาพสูงสามารถทำได้บนพื้นผิว ⟨100⟩ ตัวอย่างเช่น ความหนาแน่นของการเคลื่อนที่ของGaN epitaxyปลูกบนพื้นผิว ⟨100⟩ สามารถควบคุมได้ต่ำกว่า 10⁶ cm⁻² เกี่ยวกับการเติม อะตอมของสารเจือปนจะรวมเข้ากับโครงตาข่ายในลักษณะที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับการวางแนวของผลึก ความสมมาตรของการวางแนวคริสตัล <100> ทำให้การกระจายยาสลบมีความสม่ำเสมอและควบคุมได้มากขึ้น ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการผลิตวงจรรวม

2.4 ความสามารถในการแปรรูป

ความแข็งแบบวิคเกอร์สของการวางแนวคริสตัล <100> อยู่ที่ประมาณ 11.5 GPa ซึ่งต่ำที่สุดในบรรดาการวางแนวคริสตัลหลักสามแบบ ซึ่งหมายความว่าเวเฟอร์ซิลิคอน <100> สามารถประมวลผลในกระบวนการตัด เจียร และขัดเงาได้ง่ายกว่า ส่งผลให้เครื่องมือสึกหรอน้อยลงและมีประสิทธิภาพในการประมวลผลสูงขึ้น ในทางตรงกันข้าม การวางแนวคริสตัล <111> มีความแข็งสูงสุด (ประมาณ 13.5 GPa) ซึ่งต้องใช้เลื่อยลวดเพชรที่มีความแข็งสูงกว่า และลดอัตราการป้อนระหว่างการตัด จากมุมมองของต้นทุนการผลิตเวเฟอร์ เวเฟอร์หน้าคริสตัล <100> ราคาถูกกว่าเวเฟอร์ <110> และ <111>

Semicorex นำเสนอคุณภาพสูงกำหนดเองเวเฟอร์ซิลิคอน. โปรดติดต่อทีมงานของเราเพื่อขอโซลูชันที่ปรับแต่งตามความต้องการหรือข้อมูลทางเทคนิคเพิ่มเติม

โทรศัพท์: +86-13567891907

อีเมล์: sales@semicorex.com