在芯片制造中，“衬底”不仅决定了晶圆的物理基础，更深刻影响着器件的电气性能、可靠性、良率以及工艺兼容性。

但你有没有注意到？绝大多数的CMOS芯片，都采用〈100〉晶向的硅衬底。为什么几乎整个行业都“钟爱”〈100〉晶向？今天我们从材料结构、器件特性到工艺可控性，一文讲清楚。

一、什么是“晶向”？

硅是一种具有金刚石立方结构（diamond cubic）的单晶材料。

简单理解，就是硅原子在空间中按一定规则排列，不同的切割方向就对应不同的晶向（crystal orientation）。

常见的几种晶向有：

• 〈100〉
  
• 〈110〉
  
• 〈111〉
  

每种晶向的原子排列密度、键角、表面悬挂键数量都不同，这些差异会直接影响到氧化速率、界面质量、载流子迁移率、以及刻蚀行为。

二、为什么CMOS工艺几乎都用〈100〉晶向？

1. Si/SiO₂界面质量最好

MOS器件的核心在于氧化层界面质量。

实验发现：

〈100〉表面的硅原子每个有2个悬挂键，氧化后容易形成平整、稳定的SiO₂界面层，界面态少、漏电低。相反，〈111〉晶向原子密度更高，键角复杂，容易形成陷阱态，造成阈值漂移与可靠性下降。

2. 电子迁移率最高，综合性能最佳

在相同电场条件下：

• 电子迁移率（NMOS）：〈100〉最高
  
• 空穴迁移率（PMOS）：〈110〉最高
  

但由于CMOS电路要同时包含NMOS和PMOS，〈100〉晶向在两者之间取得了最优平衡点。它既能保证NMOS速度快，也能保证界面态低、噪声小，是性能与稳定性的最佳折中。

3. 氧化速率适中，厚度控制精准

在热氧化工艺中：

〈100〉晶向的氧化速率既不太快，也不太慢，氧化层厚度更容易精准控制。这对于栅氧厚度只有几纳米的现代制程来说至关重要。

4. 刻蚀形貌规则、工艺可控性强

〈100〉晶面结构平整、原子排列规则，具有优良的各向异性刻蚀特性。

例如在KOH或TMAH湿法刻蚀中，可以形成规则的V形槽和直角沟槽，非常适合微米级图形加工。同时，〈100〉晶圆在机械加工和CMP抛光时也更稳定，不易产生应力缺陷，适合大规模量产。

三、不同晶向的综合对比

四、特殊情况下的“非〈100〉”选择

虽然〈100〉是主流，但在某些特定场景下，其他晶向也有独特优势：

• 〈110〉晶向：提高PMOS性能，用于高迁移率SOI工艺；
  
• 〈111〉晶向：MEMS或传感器领域，用于形成自然倾角的侧壁结构；
  
• 〈113〉晶向：在部分高k栅介质研究中出现，用于优化界面应力与生长行为。
  

五、学芯屋总结