Orientamento dei cristalli e difetti nei wafer di silicio

Cosa definisce l'orientamento cristallino del silicio?

La cella unitaria cristallina di base disilicio monocristallinoè la struttura della blenda di zinco, in cui ciascun atomo di silicio si lega chimicamente con quattro atomi di silicio vicini. Questa struttura si trova anche nei diamanti al carbonio monocristallini. 

Figura 2:Cella unitaria diSilicio monocristallinoStruttura

L'orientamento del cristallo è definito dagli indici di Miller, che rappresentano i piani direzionali all'intersezione degli assi x, y e z. La Figura 2 illustra i piani di orientamento dei cristalli <100> e <111> di strutture cubiche. In particolare, il piano <100> è un piano quadrato come mostrato nella Figura 2(a), mentre il piano <111> è triangolare, come illustrato nella Figura 2(b).

Figura 2: (a) <100> Piano di orientamento del cristallo, (b) <111> Piano di orientamento del cristallo

Perché è preferibile l'orientamento <100> per i dispositivi MOS?

L'orientamento <100> è comunemente utilizzato nella fabbricazione di dispositivi MOS.

Figura 3: struttura reticolare del piano di orientamento <100>

L'orientamento <111> è preferito per la produzione di dispositivi BJT grazie alla sua maggiore densità del piano atomico, che lo rende adatto a dispositivi ad alta potenza. Quando un wafer <100> si rompe, i frammenti si formano generalmente con angoli di 90°. Al contrario, <111>waferi frammenti appaiono in forme triangolari di 60°.

Figura 4: struttura reticolare del piano di orientamento <111>

Come viene determinata la direzione del cristallo?

Identificazione visiva: differenziazione attraverso la morfologia, come cavità di incisione e piccole sfaccettature cristalline.

Diffrazione dei raggi X:Silicio monocristallinopuò essere inciso a umido e i difetti sulla sua superficie formeranno cavità di incisione a causa di una velocità di incisione più elevata in quei punti. Per <100>wafer, l'attacco selettivo con la soluzione KOH dà come risultato pozzetti di attacco simili a una piramide rovesciata a quattro lati, poiché la velocità di attacco sul piano <100> è più veloce che sul piano <111>. Per <111>wafer, le fosse di incisione assumono la forma di un tetraedro o di una piramide rovesciata a tre lati.

Figura 5: Etch Pits su wafer <100> e <111>

Quali sono i difetti comuni nei cristalli di silicio?

Durante la crescita e i successivi processi dicristalli e wafer di silicio, possono verificarsi numerosi difetti cristallini. Il difetto puntuale più semplice è una vacanza, nota anche come difetto Schottky, in cui nel reticolo manca un atomo. I posti vacanti influenzano il processo di doping poiché il tasso di diffusione dei drogantisilicio monocristallinoè una funzione del numero di posti vacanti. Un difetto interstiziale si forma quando un atomo in più occupa una posizione tra i normali siti del reticolo. Un difetto di Frenkel si verifica quando un difetto interstiziale e un posto vacante sono adiacenti.

Dislocazioni e difetti geometrici nel reticolo possono derivare dal processo di estrazione dei cristalli. Durantewaferdurante la produzione, le dislocazioni sono correlate a stress meccanici eccessivi, come riscaldamento o raffreddamento non uniforme, diffusione di drogante nel reticolo, deposizione di pellicola o forze esterne generate dalle pinzette. La Figura 6 mostra esempi di due difetti di dislocazione.

Figura 6: diagramma di dislocazione del cristallo di silicio

La densità dei difetti e delle dislocazioni sulla superficie del wafer deve essere minima, poiché su questa superficie vengono fabbricati transistor e altri componenti microelettronici. I difetti superficiali nel silicio possono disperdere gli elettroni, aumentando la resistenza e influenzando le prestazioni dei componenti. Difetti sulwaferla superficie riduce la resa dei chip del circuito integrato. Ogni difetto ha dei legami di silicio pendenti, che intrappolano gli atomi di impurità e ne impediscono il movimento. Vengono creati difetti intenzionali sul retro del wafer per catturare i contaminanti all'internowafer, impedendo a queste impurità mobili di influenzare il normale funzionamento dei componenti microelettronici.**

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