Orientação de cristal e defeitos em wafers de silício

O que define a orientação cristalina do silício?

A célula unitária cristalina básica desilício monocristalinoé a estrutura da mistura de zinco, na qual cada átomo de silício se liga quimicamente a quatro átomos de silício vizinhos. Esta estrutura também é encontrada em diamantes de carbono monocristalinos. 

Figura 2:Célula unitária deSilício MonocristalinoEstrutura

A orientação do cristal é definida pelos índices de Miller, representando planos direcionais na interseção dos eixos x, y e z. A Figura 2 ilustra os planos de orientação cristalina <100> e <111> de estruturas cúbicas. Notavelmente, o plano <100> é um plano quadrado, conforme mostrado na Figura 2 (a), enquanto o plano <111> é triangular, conforme representado na Figura 2 (b).

Figura 2: (a) <100> Plano de Orientação do Cristal, (b) <111> Plano de Orientação do Cristal

Por que a orientação <100> é preferida para dispositivos MOS?

A orientação <100> é comumente usada na fabricação de dispositivos MOS.

Figura 3: Estrutura reticulada do plano de orientação <100>

A orientação <111> é preferida para a fabricação de dispositivos BJT devido à sua maior densidade do plano atômico, tornando-a adequada para dispositivos de alta potência. Quando um wafer <100> quebra, fragmentos normalmente se formam em ângulos de 90°. Em contraste, <111>bolachafragmentos aparecem em formas triangulares de 60°.

Figura 4: Estrutura reticulada do plano de orientação <111>

Como é determinada a direção do cristal?

Identificação Visual: Diferenciação através da morfologia, como poços de gravação e pequenas facetas de cristal.

Difração de raios X:Silício monocristalinopode ser gravado a úmido e os defeitos em sua superfície formarão marcas de corrosão devido a uma taxa de ataque mais alta nesses pontos. Para <100>bolachas, o ataque seletivo com solução de KOH resulta em poços de ataque que se assemelham a uma pirâmide invertida de quatro lados, já que a taxa de ataque no plano <100> é mais rápida do que no plano <111>. Para <111>bolachas, os poços de gravação assumem a forma de um tetraedro ou de uma pirâmide invertida de três lados.

Figura 5: Etch Pits em wafers <100> e <111>

Quais são os defeitos comuns em cristais de silício?

Durante o crescimento e processos subsequentes decristais e wafers de silício, numerosos defeitos de cristal podem ocorrer. O defeito pontual mais simples é uma vaga, também conhecida como defeito de Schottky, onde falta um átomo na rede. As vagas afetam o processo de doping, uma vez que a taxa de difusão dos dopantes nosilício monocristalinoé função do número de vagas. Um defeito intersticial se forma quando um átomo extra ocupa uma posição entre os locais normais da rede. Um defeito de Frenkel surge quando um defeito intersticial e uma vaga são adjacentes.

Luxações, defeitos geométricos na rede, podem resultar do processo de extração do cristal. DurantebolachaNa fabricação, os deslocamentos estão relacionados ao estresse mecânico excessivo, como aquecimento ou resfriamento irregular, difusão de dopantes na rede, deposição de filme ou forças externas de pinças. A Figura 6 mostra exemplos de dois defeitos de luxação.

Figura 6: Diagrama de Deslocamento do Cristal de Silício

A densidade de defeitos e deslocamentos na superfície do wafer deve ser mínima, pois os transistores e outros componentes microeletrônicos são fabricados nesta superfície. Defeitos superficiais no silício podem dispersar elétrons, aumentando a resistência e impactando o desempenho do componente. Defeitos nobolachasuperfície reduz o rendimento de chips de circuito integrado. Cada defeito possui algumas ligações de silício pendentes, que prendem átomos de impureza e impedem seu movimento. Defeitos intencionais na parte traseira do wafer são criados para capturar contaminantes dentro dobolacha, evitando que essas impurezas móveis afetem o funcionamento normal dos componentes microeletrônicos.**

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