Nitrid křemíku v polovodičích

Křemík nitrid ( $S{i}_3{N}_4$ ) je materiál, který hrál klíčovou roli při rozvoji polovodičové technologie. Zatímco často zastíněno oxidem křemíku ( $Si{Ó}_2$ ), jeho jedinečné vlastnosti způsobují, že je nezbytný pro různé aplikace, od pasivních komponent zařízení po aktivní tranzistorové prvky.

Jedinečné vlastnosti křemíkového nitridu

Nitrid křemíku má kombinaci vlastností, díky nimž je lepší volbou pro specifické polovodičové aplikace:

• Vysoká dielektrická konstanta ( $k$ ): Ve srovnání s $Si{Ó}_2$ (s a $k$ kolem 3,9), $S{i}_3{N}_4$ má vyšší dielektrickou konstantu (obvykle v rozmezí od 7,5 do 8). Tato vlastnost umožňuje ukládání většího náboje v dané oblasti, což je zásadní pro zmenšení velikosti kondenzátorů a paměťových buněk. Například v dynamické paměti s náhodným přístupem (DRAM) je vyšší $k$ materiál jako $S{i}_3{N}_4$ Pomáhá udržovat dostatečnou kapacitu, když se zmenšují rozměry buněk a zabraňují ztrátě dat.

• Vynikající difúzní bariéra: Jedna z nejdůležitějších funkcí $S{i}_3{N}_4$ V polovodičové výrobě je jeho schopnost působit jako vysoce účinná bariéra proti difúzi atomů, zejména molekul vody a iontů alkalických, jako je sodík. Tato vlastnost z něj činí ideální materiál pro Pasivační vrstvy a Enkapsulační filmy , ochrana jemných aktivních oblastí čipu před kontaminací prostředí, která by mohla snížit výkon a spolehlivost zařízení.

• Vysoká mechanická tvrdost: Přirozená tvrdost a mechanická síla materiálu je vhodná pro použití jako a Tvrdá maska v litografických a leptacích procesech. Na rozdíl od měkčích materiálů, $S{i}_3{N}_4$ Vydrží agresivní leptání v plazmě, což umožňuje přesný přenos složitých vzorů na základní vrstvy s minimální erozí. To je zvláště důležité pro výrobu struktur s vysokým aspektem.

• Koeficient nízkého tepelné roztažení: Koeficient tepelné rozšíření $S{i}_3{N}_4$ je relativně nízká a úzce odpovídá křemíku. Tato podobnost minimalizuje mechanické napětí na zařízení během tepelných cyklů, jako jsou ty, s nimiž se setkávají během kroků zpracování, jako je žíhání a depozice. Snížený stres pomáhá zabránit praskání a delaminaci, což zlepšuje celkový výnos zařízení a dlouhověkost.

Klíčové aplikace v polovodičových zařízeních

Nitrid křemíku se používá v různých kritických rolích v polovodičovém čipu:

• Dielektrický spacer: Při výrobě finfetů a dalších pokročilých tranzistorových architektur, $S{i}_3{N}_4$ se používá jako rozpěrkový materiál. Tyto rozpěrky elektricky izolují bránu od zdrojového a vypouštěcího terminálů, zásadní funkci pro prevenci zkratů a ovládání délky kanálu.

• Gate Dielectric: Zatímco $Si{Ó}_2$ zůstává standardem pro tradiční tranzistory MÓS, $S{i}_3{N}_4$ Lze použít v dielektrických komínech brány k dosažení vyšší kapacity a nižšího únikového proudu. To je obzvláště důležité v technologiích netěsnění paměti, jako je Flash paměť s plovoucí bránou, kde může sloužit jako vrstva zachycení náboje nebo jako součást dielektrického zásobníku s více vrstvami (např. $ÓNO$ stoh: $Si{Ó}_2$ / $S{i}_3{N}_4$ / $Si{Ó}_2$ ).

• Pasivace a zapouzdření: Jako konečná ochranná vrstva, film $S{i}_3{N}_4$ lze uložit na celý povrch čipu. Tento Pasivační vrstva Shields integrované obvody z vlhkosti, chemikálií a mechanického poškození, což výrazně zvyšuje dlouhodobou spolehlivost zařízení.

• Interlayer Dielectric (ILD): V některých aplikacích, $S{i}_3{N}_4$ se používá v mezikovových dielektrických vrstvách k oddělení různých vodivých propojení. Jeho vlastnosti s vysokou hustotou a bariérou zabraňují difúzi atomů kovů (jako měď) do okolního dielektriku, což je běžný mechanismus selhání u pokročilých propojení.

Role keramiky nitridu křemíku

Rovněž stojí za zmínku o širších aplikacích nitridu křemíku za depozicí tenkého filmu na oplatkách. Vysoká míra Křemika nitridu křemíku se používá k vytvoření komponent pro samotné výrobní zařízení polovodiče. Díky jeho výjimečné tvrdosti, odolnost proti tepelným šokům a chemické inertnosti je ideální pro součásti, jako jsou nástroje pro manipulaci s oplatkou, trubice pece a různá příslušenství, které pracují v drsných, vysokoteplotních prostředích. Tato duální role - jako materiál na čipu a ve stroji, díky kterému je čip - nastoupí na svůj význam pro celé odvětví.

Závěrem lze říci, že jedinečná kombinace elektrického, mechanického a chemického vlastností křemíku nitridu ztuhla své místo jako kritický materiál při moderní výrobě polovodičů. Jeho schopnost sloužit jako efektivní difúzní bariéra, vysoká $k$ Dielektrická a mechanicky robustní tvrdá maska ​​zajišťuje její trvalý význam, protože technologie čipů postupuje na stále menší a složitější měřítka.