Siliciumnitrid i halvledere

Sjegljegcjegumnjegtrjegd ( $S{jeg}_3{N}_4$ ) er et materjegale, der har spjegllet en central rolle jeg fremme af halvlederteknologjeg. Mens ofte overskygges af sjegljegcjegumdjegoxjegd ( $Sjeg{O}_2$ ), dets unikke egenskaber gør det uundværligt for en række anvendelser, fra passive enhedskomponenter til aktive transistorelementer.

De unikke egenskaber ved siliciumnitrid

Siliciumnitrid besidder en kombination af egenskaber, der gør det til et overlegent valg til specifikke halvlederanvendelser:

• Høj dielektrisk konstant ( $k$ ): Sammenlignet med $Sjeg{O}_2$ (med en $k$ på omkring 3,9), $S{jeg}_3{N}_4$ har en højere dielektrisk konstant (typisk spænder fra 7,5 til 8). Denne egenskab muliggør opbevaring af mere opladning i et givet område, hvilket er afgørende for at reducere størrelsen på kondensatorer og hukommelsesceller. I dynamisk tilfældig adgangshukommelse (DRAM), for eksempel en højere $k$ materiale som $S{jeg}_3{N}_4$ Hjælper med at opretholde tilstrækkelig kapacitans, når celledimensioner krymper, hvilket forhindrer datatab.

• Fremragende diffusionsbarriere: En af de mest kritiske funktioner af $S{jeg}_3{N}_4$ I halvlederproduktion er dens evne til at fungere som en meget effektiv barriere mod diffusion af atomer, især vogmolekyler og alkaliioner som natrium. Denne egenskab gør det til et ideelt materiale til passiveringslag and Indkapslingsfilm , der beskytter de delikate aktive områder af en chip mod miljøforurening, der kan forringe enhedsydelse og pålidelighed.

• Høj mekanisk hårdhed: Materialets iboende hårdhed og mekanisk styrke gør det velegnet til brug som en hård maske i litografi og ætsningsprocesser. I modsætning til blødere materialer, $S{jeg}_3{N}_4$ Kan modstå aggressiv plasma -ætsning, hvilket muliggør den nøjagtige overførsel af indviklede mønstre på underliggende lag med minimal erosion. Dette er især vigtigt for at fremstille strukturer med højt aspekt-forhold.

• Lav termisk ekspansionskoefficient: Den termiske ekspansionskoefficient på $S{jeg}_3{N}_4$ er relativt lav og tæt matcher silicium. Denne lighed minimerer mekanisk stress på enheden under termiske cyklusser, såsom dem, der opstår under behandlingstrin som udglødning og deponering. Nedsat stress hjælper med at forhindre revner og delaminering, forbedring af det samlede udstyrsudbytte og lang levetid.

Nøgleapplikationer i halvlederenheder

Siliciumnitrid anvendes i en række kritiske roller inden for en halvlederchip:

• Dielektrisk afstand: Ved fremstilling af FinFets og andre avancerede transistorarkitekturer, $S{jeg}_3{N}_4$ bruges som et afstandsmateriale. Disse afstandsstykker isolerer elektrisk port fra kilden og drænterminalerne, en vigtig funktion til at forhindre kortslutninger og kontrollere kanallængden.

• Gate dielektrisk: Mens $Sjeg{O}_2$ forbliver standarden for traditionelle MOS -transistorer, $S{jeg}_3{N}_4$ kan bruges i port dielektriske stabler for at opnå højere kapacitans og lavere lækagestrømme. Dette er især relevant i ikke-flygtige hukommelsesteknologier, såsom flashhukommelse af flydende phate, hvor den kan tjene som et opladningsfangende lag eller som en del af en flerlags gate dielektrisk stak (f.eks. $Ono$ stak: $Sjeg{O}_2$ / $S{jeg}_3{N}_4$ / $Sjeg{O}_2$ ).

• Passivering og indkapsling: Som et sidste beskyttende lag, en film af $S{jeg}_3{N}_4$ kan deponeres over hele chipoverfladen. Denne passiveringslag afskærmer de integrerede kredsløb fra fugt, kemikalier og mekanisk skade, hvilket forbedrer enhedens langsigtede pålidelighed.

• Interlayer dielektrisk (ILD): I nogle applikationer, $S{jeg}_3{N}_4$ bruges i dielektriske lag mellem metal til at adskille forskellige ledende sammenkoblinger. Dens høje densitet og barriereegenskaber forhindrer diffusion af metalatomer (som kobber) i det omgivende dielektrikum, som er en almindelig fejlmekanisme i avancerede sammenkoblinger.

Rollen af ​​siliciumnitrid keramik

Det er også værd at bemærke de bredere anvendelser af siliciumnitrid ud over tyndfilmaflejring på skiver. Høj renhed Siliciumnitrid keramik bruges til at oprette komponenter til selve halvlederproduktionsudstyr. Dens ekstraordinære hårdhed, termisk stødmodstand og kemisk inerthed gør det ideelt til dele som Wafer Handling Tools, ovnrør og forskellige inventar, der opererer i barske miljøer med høj temperatur. Denne dobbelte rolle - som et materiale på chippen og i det maskineri, der gør chippen - ligner dens betydning for hele branchen.

Afslutningsvis har Silicon Nitrides unikke kombination af elektriske, mekaniske og kemiske egenskaber størknet sin plads som et kritisk materiale i moderne halvlederfremstilling. Dens evne til at tjene som en effektiv diffusionsbarriere, en høj- $k$ Dielektrisk og en mekanisk robust hård maske sikrer, at dens fortsatte relevans, når chip -teknologien skrider frem til stadig mindre og mere komplekse skalaer.