Silisiumnitrid i halvledere

Sjegljegsjegumnjegtrjegd ( $S{jeg}_3{N}_4$ ) er et materjegale som har spjeglt en sentral rolle jeg fremme av halvlederteknologjeg. Mens de ofte overskygges av sjegljegsjegumdjegoksjegd ( $Sjeg{O}_2$ ), gjør dens unike egenskaper det uunnværlig for en rekke applikasjoner, fra passive enhetskomponenter til aktive transistorelementer.

De unike egenskapene til silisiumnitrid

Silisiumnitrid har en kombinasjon av egenskaper som gjør det til et overlegen valg for spesifikke halvlederapplikasjoner:

• Høy dielektrisk konstant ( $k$ ): Sammenlignet med $Sjeg{O}_2$ (med en $k$ på rundt 3,9), $S{jeg}_3{N}_4$ har en høyere dielektrisk konstant (typisk fra 7,5 til 8). Denne egenskapen tillater lagring av mer lading i et gitt område, noe som er avgjørende for å redusere størrelsen på kondensatorer og minneceller. I dynamisk tilfeldig tilgangsminne (DRAM), for eksempel en høyere $k$ materiale som $S{jeg}_3{N}_4$ Hjelper med å opprettholde tilstrekkelig kapasitans når celledimensjoner krymper og forhindrer tap av data.

• Utmerket diffusjonsbarriere: En av de mest kritiske funksjonene til $S{jeg}_3{N}_4$ I halvlederproduksjon er dens evne til å fungere som en svært effektiv barriere mot diffusjon av atomer, spesielt vannmolekyler og alkaliioner som natrium. Denne egenskapen gjør det til et ideelt materiale for Passiveringslag og innkapsling av filmer , beskytte de delikate aktive områdene i en brikke fra miljøforurensning som kan forringe enhetens ytelse og pålitelighet.

• Høy mekanisk hardhet: Materialets iboende hardhet og mekaniske styrke gjør det egnet for bruk som en Hard maske i litografi og etsingsprosesser. I motsetning til mykere materialer, $S{jeg}_3{N}_4$ tåler aggressiv plasma -etsing, og gir mulighet for nøyaktig overføring av intrikate mønstre på underliggende lag med minimal erosjon. Dette er spesielt viktig for å fremstille strukturer med høyt aspektforhold.

• Lav termisk ekspansjonskoeffisient: Den termiske ekspansjonskoeffisienten til $S{jeg}_3{N}_4$ er relativt lav og samsvarer med silisium. Denne likheten minimerer mekanisk belastning på enheten under termiske sykluser, for eksempel de som oppstår under prosesseringstrinn som annealing og deponering. Redusert stress hjelper til med å forhindre sprekker og delaminering, forbedrer den generelle utbyttet av enhetene og levetiden.

Nøkkelapplikasjoner i halvlederenheter

Silisiumnitrid brukes i en rekke kritiske roller innen en halvlederbrikke:

• Dielektrisk avstand: I fabrikasjon av FinFets og andre avanserte transistorarkitekturer, $S{jeg}_3{N}_4$ brukes som avstandsmateriale. Disse avstandsstykkene isolerer elektrisk porten fra kilde- og avløpsterminalene, en viktig funksjon for å forhindre kortslutning og kontrollere kanallengden.

• Gate Dielektrisk: Mens $Sjeg{O}_2$ forblir standarden for tradisjonelle MOS -transistorer, $S{jeg}_3{N}_4$ kan brukes i portdielektriske stabler for å oppnå høyere kapasitans og lavere lekkasjestrømmer. Dette er spesielt relevant i ikke-flyktige minneteknologier, for eksempel flashminne fra flytende gate, der det kan tjene som et ladningsfangstlag eller som en del av en dielektrisk stabel med flere lag gate (f.eks. $Ono$ stable: $Sjeg{O}_2$ / $S{jeg}_3{N}_4$ / $Sjeg{O}_2$ ).

• Passivering og innkapsling: Som et siste beskyttende lag, en film av $S{jeg}_3{N}_4$ kan avsettes over hele brikkeoverflaten. Dette Passiveringslag Skjermer de integrerte kretsløpene mot fuktighet, kjemikalier og mekanisk skade, noe som forbedrer enheten på lang sikt.

• Interlayer Dielectric (ILD): I noen applikasjoner, $S{jeg}_3{N}_4$ brukes i dielektriske lag mellom metall for å skille forskjellige ledende sammenkoblinger. Dens høye tetthet og barriereegenskaper forhindrer diffusjon av metallatomer (som kobber) inn i den omkringliggende dielektrikken, som er en vanlig feilmekanisme i avanserte sammenkoblinger.

Rollen til silisiumnitrid keramikk

Det er også verdt å merke seg de bredere anvendelsene av silisiumnitrid utover tynnfilmavsetning på skiver. Høy renhet Silisiumnitrid keramikk brukes til å lage komponenter for selve halvlederproduksjonsutstyret. Dets eksepsjonelle hardhet, termisk støtmotstand og kjemisk inerthet gjør den ideell for deler som skivhåndteringsverktøy, ovnrør og forskjellige inventar som fungerer i tøffe miljøer med høy temperatur. Denne doble rollen - som et materiale på brikken og i maskineriet som gjør brikken - highlights dens betydning for hele bransjen.

Avslutningsvis har silisiumnitrids unike kombinasjon av elektriske, mekaniske og kjemiske egenskaper stivnet sin plass som et kritisk materiale i moderne halvlederproduksjon. Dens evne til å tjene som en effektiv diffusjonsbarriere, en høy- $k$ Dielektrisk, og en mekanisk robust hard maske sikrer at den fortsatte relevansen når chip -teknologien utvikler seg til stadig mindre og mer komplekse skalaer.