Kristallorientierung und Defekte in Siliziumwafern

Was definiert die Kristallorientierung von Silizium?

Die grundlegende Kristallelementarzelle vonmonokristallines Siliziumist die Zinkblende-Struktur, bei der jedes Siliziumatom eine chemische Bindung mit vier benachbarten Siliziumatomen eingeht. Diese Struktur findet sich auch in monokristallinen Kohlenstoffdiamanten. 

Abbildung 2:Einheitszelle vonMonokristallines SiliziumStruktur

Die Kristallorientierung wird durch Miller-Indizes definiert, die Richtungsebenen am Schnittpunkt der x-, y- und z-Achsen darstellen. Abbildung 2 zeigt die <100>- und <111>-Kristallorientierungsebenen kubischer Strukturen. Bemerkenswert ist, dass die <100>-Ebene eine quadratische Ebene ist, wie in Abbildung 2(a) dargestellt, während die <111>-Ebene dreieckig ist, wie in Abbildung 2(b) dargestellt.

Abbildung 2: (a) <100> Kristallorientierungsebene, (b) <111> Kristallorientierungsebene

Warum wird die <100>-Ausrichtung für MOS-Geräte bevorzugt?

Die <100>-Ausrichtung wird üblicherweise bei der Herstellung von MOS-Bauelementen verwendet.

Abbildung 3: Gitterstruktur der <100>-Orientierungsebene

Die <111>-Ausrichtung wird für die Herstellung von BJT-Geräten aufgrund ihrer höheren atomaren Ebenendichte bevorzugt und eignet sich daher für Hochleistungsgeräte. Wenn ein <100>-Wafer bricht, bilden sich typischerweise Fragmente im 90°-Winkel. Im Gegensatz dazu <111>WaferFragmente erscheinen in 60°-Dreiecksformen.

Abbildung 4: Gitterstruktur der <111>-Orientierungsebene

Wie wird die Kristallrichtung bestimmt?

Visuelle Identifizierung: Unterscheidung durch Morphologie, wie Ätzgruben und kleine Kristallfacetten.

Röntgenbeugung:Monokristallines Siliziumkann nassgeätzt werden, und Defekte auf seiner Oberfläche bilden Ätzgruben aufgrund einer höheren Ätzrate an diesen Stellen. Für <100>Waffelnselektives Ätzen mit KOH-Lösung führt zu Ätzgruben, die einer vierseitigen umgekehrten Pyramide ähneln, da die Ätzrate auf der <100>-Ebene schneller ist als auf der <111>-Ebene. Für <111>WaffelnÄtzgruben haben die Form eines Tetraeders oder einer dreiseitigen umgekehrten Pyramide.

Abbildung 5: Ätzgruben auf <100>- und <111>-Wafern

Was sind die häufigsten Defekte in Siliziumkristallen?

Während des Wachstums und der nachfolgenden Prozesse vonSiliziumkristalle und -Wafer, können zahlreiche Kristallfehler auftreten. Der einfachste Punktdefekt ist eine Lücke, auch Schottky-Defekt genannt, bei der ein Atom im Gitter fehlt. Leerstellen wirken sich auf den Dotierprozess aus, da die Diffusionsgeschwindigkeit von Dotierstoffen inmonokristallines Siliziumist eine Funktion der Anzahl der offenen Stellen. Ein interstitieller Defekt entsteht, wenn ein zusätzliches Atom eine Position zwischen normalen Gitterplätzen einnimmt. Ein Frenkel-Defekt entsteht, wenn ein interstitieller Defekt und eine Leerstelle benachbart sind.

Versetzungen, also geometrische Defekte im Gitter, können durch den Kristallziehprozess entstehen. WährendWaferBei der Herstellung sind Versetzungen auf übermäßige mechanische Beanspruchung zurückzuführen, wie z. B. ungleichmäßige Erwärmung oder Abkühlung, Dotierstoffdiffusion in das Gitter, Filmablagerung oder äußere Kräfte durch Pinzetten. Abbildung 6 zeigt Beispiele für zwei Versetzungsdefekte.

Abbildung 6: Versetzungsdiagramm von Siliziumkristall

Die Dichte an Defekten und Versetzungen auf der Waferoberfläche muss minimal sein, da auf dieser Oberfläche Transistoren und andere mikroelektronische Komponenten hergestellt werden. Oberflächendefekte in Silizium können Elektronen streuen, den Widerstand erhöhen und die Leistung der Komponenten beeinträchtigen. Mängel amWaferOberfläche reduzieren die Ausbeute an integrierten Schaltkreischips. Jeder Defekt weist einige herabhängende Siliziumbindungen auf, die Verunreinigungsatome einfangen und deren Bewegung verhindern. Auf der Rückseite des Wafers werden absichtlich Defekte erzeugt, um darin enthaltene Verunreinigungen einzufangenWaferDadurch wird verhindert, dass diese mobilen Verunreinigungen den normalen Betrieb mikroelektronischer Komponenten beeinträchtigen.**

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