Объяснение различий между кристаллографическими плоскостями и их влияния на свойства кремния.
Прежде чем ответить на этот вопрос, рассмотрим предварительно несколько понятий:
1. Что такое ориентация кристалла и что определяет кристаллическую ориентацию кремния?
Кристаллами, как мы определили в нашем блоге прежде, называются все твердые тела, в которых составляющие их атомы расположены строго закономерно, образуя правильную, состоящую из повторяющихся элементов пространственную решетку. Кристаллы отличаются многообразием форм, а их структура существенно определяется условиями роста. Можно сказать, что кристаллическая решётка — это бесконечно повторяющееся чередование одинаковых комбинаций атомов в структуре вещества. Конечно, кристаллическая решетка – в известном смысле математическая абстракция.
Основная кристаллическая ячейка кремния представляет собой структуру цинковой обманки, в которой каждый атом кремния химически связан с четырьмя соседними атомами кремния (Рис.). Атомы расположены по вершинам куба, в центрах его граней и в центрах четырёх несмежных октантов. Параметр решётки кремния составляет 0,54 нм, а расстояние между двумя соседними атомами равно 0,23 нм. Эта структура также встречается в монокристаллических алмазах. Трехмерную картину можно изобразить двумерной моделью, в которой сохраняется главная особенность тетраэдрической структуры кристаллической решетки – одинаковые расстояния между смежными атомами.
Все кристаллические вещества обладают анизотропностью свойств, т.е. свойства кристаллов изменяются в зависимости от кристаллографического направления. Поэтому при использовании кристаллических материалов в различных технологических процессах необходимо задать ориентацию той или иной кристаллографической плоскости. В зависимости от выбора направления и места среза, проходящего через кристалл, на образовавшейся грани выступят те или иные сочетания атомов и связей между ними.
Для задания нужных плоскостей используют индексы Миллера, представляющими направленные плоскости на пересечении осей x, y и z. Иными словами, индексы Миллера — это кристаллографические индексы, которые характеризуют расположение атомных плоскостей в кристалле. Они связаны с отрезками, отсекаемыми выбранной плоскостью на трёх осях кристаллографической системы координат. Таким образом, возможны три варианта относительного расположения осей и плоскости:
- плоскость пересекает все три оси
- плоскость пересекает две оси, а третьей параллельна
- плоскость пересекает одну ось и параллельна двум другим
Если за единицы измерения длин принять параметры решетки, то координатами узла будут просто числа m, n, p. Индексы Миллера выглядят как три взаимно простых целых числа, записанные в круглых скобках: (111), (101), (110).
2. Как определяется направление выращенного кристалла?
Прежде всего, возможна визуальная идентификация: по морфологии, например, небольшим граням кристаллов на поверхности слитка.
Свободный рост кристалла из расплава приводит к тому, что форма кристалла, в соответствии с принципом Кюри, соответствует группе симметрии среды и частично отражает точечную группу симметрии кристалла. Образцы имеют форму, близкую к телу вращения, с выходом на поверхность вырожденных граней в виде дорожек, вытянутых вдоль образующих на поверхности слитка.
Так, бездислокационные слитки кремния, выращиваемые в ориентации [111], всегда имеют в той или иной мере выраженную огранку, т.е. на цилиндре как правило формируется одна чёткая грань и две нечётких грани.
Бездислокационные слитки кремния, выращиваемые в направлении [100] при значительном переохлаждении стремятся приобрести выраженную квадратную огранку, причём снижение скорости вытягивания способствует проявлению огранки. Однако, слиток, выращенный в оптимальных тепловых условиях, имеет практически круглую форму, а по образующей слитка можно различить четыре грани (Рис.)
Ориентацию монокристалла кремния можно определить также по фигурам травления (рис.). При продолжительном травлении в слабом травителе на гранях кристалла образуются правильные фигуры различной внешней формы, которые легко наблюдаются под микроскопом. Фигуры травления на различных кристаллографических плоскостях различны, и по форме в какой-то степени соответствуют сечениям, образованным соответствующими кристаллографическими плоскостями с элементарной ячейкой. Если кремнийподвергается травлению, то дефекты на его поверхности образуют ямки травления из-за более высокой скорости травления в этих точках.
Таким образом, металлографический метод состоит в выявления дислокаций путем химического воздействия на поверхность кристалла специально подобранным травителем. Скорость травления в местах выхода дислокаций гораздо больше, чем в других точках кристалла. В результате, в месте выхода дислокации на шлифе после травления образуется ямка. Форма основания ямки травления зависит от ориентации плоскости, где идет травление. Так, для пластин <100> селективное травление раствором КОН приводит к образованию ямок травления, напоминающих четырехстороннюю перевернутую пирамиду, поскольку скорость травления на плоскости <100> выше, чем на плоскости <111>. Для пластины <111> ямки травления имеют форму тетраэдра или трехгранной перевернутой пирамиды.
Для того, чтобы подложки различной ориентации можно было сразу отличить друг от друга, на производстве используют системы маркировки пластин c помощью дополнительных срезов на пластине. (Рис.)
Итак, для чего же кремний выращивают в разных ориентациях?
Как мы выяснили, физические свойства монокристаллического кремния (прочность, эластичность, скорость травления, температурный отклик и т. д.) меняются в зависимости от ориентации кристалла. Это означает, что для различных технологических процессов бывают удобны различные ориентации пластин кремния.
Наиболее часто встречающиеся ориентации кремниевых пластин:
Ориентация (100)
Чаще всего используется в производстве солнечных элементов и в производстве КМОП СБИС. Эта ориентация предпочтительна прежде всего для процессов фотолитографии и обработки поверхностей благодаря своей атомарно-гладкой поверхности. Плоскость (100) является единственной из главных плоскостей, при пересечении которой плоскостями (110), (111), (100) и (211) образуются фигуры с прямоугольной симметрией. Поэтому этой плоскости отдается предпочтение при создании приборов, которые изготавливаются с использованием методов анизотропного травления. Плоскость (100) пересекается четырьмя плоскостями (111) под углом 54°44’ (54°74’). При ориентации сторон окна вдоль направления [100] или перпендикулярно ему (параллельно следу плоскости (111)) получаются фигуры травления пирамидальной формы с боковыми стенками, ограниченными плоскостями (111), и дном, ограниченным плоскостью (100) (рис.).
Анизотропные травители растворяют кремний в плоскости (100) до тех пор, пока травление не дойдет до плоскостей {111}, начинающихся у края окна в пленке SiO2 и встречающихся так, что они образуют V-образный профиль (рис.1). Глубина V-образной канавки зависит от ширины окна на пластине кремния, полученного с помощью фотолитографии (рис.2). Травление прекращается, когда участки плоскостей {100}, выходящие на поверхность, стравливаются. Регулируя время травления, можно изменять профиль канавки от трапецеидального до V-образного.
Эта ориентация обеспечивает также более легкое скалывание по определенным плоскостям, что бывает важно в технологическом процессе разделения пластины на чипы.
Так с помощью V-образных канавок формируется изоляция элементов в полупроводниковых КМОП-микросхемах. В КМОП СБИС в форме V-образных канавок также делаются затворы МОП-транзисторов. Изоляцию элементов в СБИС осуществляют также с помощью глубоких канавок в монокристаллических кремниевых подложках и с помощью разделительных канавок в БИС на КНС-структурах.
Транзисторы с вертикально расположенными затворами — FinFET, (Рис.) которые давно выпускаются и стали привычными, располагают каналами именно в плоскости (110).
Другое дело — будущие транзисторы с круговым затвором и наностраничными каналами — GAAFET. Наностраничные каналы будут располагаться параллельно плоскости традиционного среза кремния. Кроме того, предстоит изучить использование кремния с ориентацией (110) в транзисторах с 3D-наноструктурой, называемых комплементарными полевыми транзисторами (MBCFET). В этой архитектуре элементы nFET обычно размещаются поверх pFET, чтобы не увеличивать размеры чипов. Ожидается, что такие многоуровневые устройства появятся в течение 10 лет. Уже созданы целый ряд вариаций пар GAA-транзисторов на кремнии с обеими ориентациями срезов. Установлено, что транзисторы с ориентацией кремния (110) превзошли быстродействие транзисторов по срезу (001). В таком случае транзисторы pFET могут изготавливаться из кремния (110), а nFET — из кремния (001).
Такие технологии «тройного затвора» позволяет создавать сверхмалые транзисторы, обеспечивающие еще большую производительность и обладающие пониженным энергопотреблением. Еще один плюс трехмерной архитектуры заключается в возможности создания многоканальных транзисторов, один затвор которых обслуживает множество электродов одновременно. Управляя прохождением тока между несколькими парами истоков/стоков, такой транзистор позволяет создавать множество насыщенных каналов, равномерно распределяющих между собой проходящий через них ток. Многоканальная архитектура упрощает задачу более плотной компоновки транзисторов на кристалле и увеличивает пропускную способность каждого из них.
Ориентация (100) используется в производстве солнечных элементов.
Поверхность солнечных элементов всегда подвергается травлению, чтобы сформировать на поверхности пирамидальную структуру, повышающую улавливание света. Текстурированная поверхность — это множество микропирамид, расположенных, на первый взгляд, совершенно хаотично. Попавший на поверхность пирамиды солнечный луч переотражается под тем же углом, и, в подавляющем количестве случаев, попадает на плоскость/грань соседней пирамиды. Такое взаимное переотражение, полученное за счет текстурирования поверхности, позволяет снизить коэффициент отражения кремниевой пластины с 35 процентов до 11%.
Ориентация (110)
Микроструктурирование кремния находит применение даже в таких областях, где кремний используется для выполнения, казалось бы, не свойственных ему функций, например, для создания микромеханических устройств, различных датчиков и преобразователей Пластины этой ориентации часто используется для приложений МЭМС (микроэлектромеханических систем).
Эта ориентация обладает, без преувеличения, превосходными механическими свойствами, и подходит для изготовления устройств, требующих точного травления. Пластина кремния (110) пересекается шестью плоскостями {111}, из которых четыре перпендикулярны поверхности (110), а остальные две пересекают плоскость (110) под углом 35°26’. Плоскости (1 ) и ( ) перпендикулярны поверхности (110) и пересекаются между собой под углом 109°48’. Процесс травления канавки на кремнии ориентации (110) – самоостанавливающийся процесс и приостанавливается, когда канавка ограничивается шестью плоскостями (111): четырьмя вертикальными и двумя наклонными. Наклонные плоскости {111} препятствуют травлению. Если дно канавки ограничено плоскостью (110), то самоограничения травления еще не наступило.
В последние годы методы химико-механическая обработка пластин кремния находят применение в фотонике, например, для создания фотонных кристаллов.
Ориентация (111)
Эта поверхность используется для организации высококачественного эпитаксиального роста. Предпочтительно для применений, требующих высокой теплопроводности и минимального количества дефектов.Так, ориентация <111> предпочтительна для производства устройств BJT из-за более высокой плотности атомных плоскостей подложки (Рис), что делает ее подходящей для устройств высокой мощности.
Итог: важность подбора правильной ориентации пластины для организации техпроцесса
Мы видим, что ориентация кремниевой пластины влияет на самые различные и важные свойства:
- Электрические свойства: влияет на подвижность электронов и проводимость.
- Механические свойства: определяет прочность пластины и характеристики скалывания.
- Оптические свойства: влияет на поглощение и отражательную способность света, что имеет решающее значение для оптоэлектронных устройств.
Выбор правильной ориентации кремниевой пластины имеет важное значение для оптимизации производительности устройства и достижения высокой эффективности производства. Каждая ориентация обеспечивает свои уникальные преимущества, адаптированные к конкретным приложениям, что делает ее решающим решением в конкретном производстве тех или иных полупроводниковых электронных устройств.
__________________________________
Компания НПО «КРИТ» сочетает научный подход и производственные технологии, создавая решения на основе высокотемпературных углеродных и кремниевых материалов для самых ответственных применений — от фотоники до космоса.
Узнать больше о направлениях деятельности и продуктах компании можно на официальном сайте.