Silicon nitride trong chất bán dẫn

STôTôTôTôTôTôTôTôTôTôTôTôTôTôTôTôilicon nitride ( $S{i}_3{N}_4$ ) là một vật liệu đã đóng một vai trò quan trọng trong sự tiến bộ của công nghệ bán dẫn. Trong khi thường bị lu mờ bởi silicon dioxide ( $Si{O}_2$ ), các thuộc tính độc đáo của nó làm cho nó không thể thiếu đối với nhiều ứng dụng, từ các thành phần thiết bị thụ động đến các yếu tố bóng bán dẫn hoạt động.

Các tính chất độc đáo của nitride silicon

Silicon Nitride sở hữu sự kết hợp các thuộc tính làm cho nó trở thành một lựa chọn vượt trội cho các ứng dụng bán dẫn cụ thể:

• Hằng số điện môi cao ( $k$ ): So với $Si{O}_2$ (với a $k$ khoảng 3.9), $S{i}_3{N}_4$ có hằng số điện môi cao hơn (thường dao động từ 7,5 đến 8). Thuộc tính này cho phép lưu trữ nhiều điện tích hơn trong một khu vực nhất định, điều này rất quan trọng để giảm kích thước của tụ điện và ô nhớ. Ví dụ, trong bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động (DRAM) $k$ vật liệu như $S{i}_3{N}_4$ Giúp duy trì đủ điện dung khi kích thước tế bào co lại, ngăn ngừa mất dữ liệu.

• Rào cản khuếch tán tuyệt vời: Một trong những chức năng quan trọng nhất của $S{i}_3{N}_4$ Trong sản xuất chất bán dẫn là khả năng hoạt động như một rào cản hiệu quả cao chống lại sự khuếch tán của các nguyên tử, đặc biệt là các phân tử nước và các ion kiềm như natri. Khách sạn này làm cho nó trở thành một vật liệu lý tưởng cho lớp thụ động Và Đóng gói phim , bảo vệ các khu vực hoạt động tinh tế của chip khỏi ô nhiễm môi trường có thể làm giảm hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị.

• Độ cứng cơ học cao: Độ cứng và sức mạnh cơ học vốn có của vật liệu làm cho nó phù hợp để sử dụng như một Mặt nạ cứng Trong các quá trình in thạch bản và khắc. Không giống như vật liệu mềm hơn, $S{i}_3{N}_4$ có thể chịu được khắc huyết tương hung hăng, cho phép chuyển chính xác các mẫu phức tạp lên các lớp bên dưới với xói mòn tối thiểu. Điều này đặc biệt quan trọng để chế tạo các cấu trúc tỷ lệ khía cạnh cao.

• Hệ số giãn nở nhiệt thấp: Hệ số giãn nở nhiệt của $S{i}_3{N}_4$ là tương đối thấp và phù hợp chặt chẽ với silicon. Sự tương đồng này giảm thiểu ứng suất cơ học trên thiết bị trong các chu kỳ nhiệt, chẳng hạn như những người gặp phải trong các bước xử lý như ủ và lắng đọng. Giảm căng thẳng giúp ngăn ngừa nứt và phân tách, cải thiện năng suất thiết bị tổng thể và tuổi thọ.

Các ứng dụng chính trong các thiết bị bán dẫn

Silicon nitride được sử dụng trong một loạt các vai trò quan trọng trong chip bán dẫn:

• Spacer điện môi: Trong việc chế tạo các finfets và các kiến ​​trúc bóng bán dẫn tiên tiến khác, $S{i}_3{N}_4$ được sử dụng như một vật liệu miếng đệm. Những miếng đệm này cách ly điện từ các thiết bị đầu cuối nguồn và thoát nước, một chức năng quan trọng để ngăn chặn các mạch ngắn và kiểm soát chiều dài kênh.

• Điện môi cổng: Trong khi $Si{O}_2$ vẫn là tiêu chuẩn cho các bóng bán dẫn MOS truyền thống, $S{i}_3{N}_4$ Có thể được sử dụng trong các ngăn chứa điện môi để đạt được điện dung cao hơn và dòng rò thấp hơn. Điều này đặc biệt có liên quan trong các công nghệ bộ nhớ không bay hơi, chẳng hạn như bộ nhớ flash cổng nổi, nơi nó có thể đóng vai trò là một lớp bẫy điện tích hoặc là một phần của ngăn xếp điện môi cổng nhiều lớp (ví dụ:, ví dụ: $Ono$ Stack: $Si{O}_2$ / $S{i}_3{N}_4$ / $Si{O}_2$ ).

• Thụ động và đóng gói: Là một lớp bảo vệ cuối cùng, một bộ phim của $S{i}_3{N}_4$ có thể được lắng đọng trên toàn bộ bề mặt chip. Cái này lớp thụ động Khiên các mạch tích hợp từ độ ẩm, hóa chất và thiệt hại cơ học, tăng cường đáng kể độ tin cậy dài hạn của thiết bị.

• Điện môi xen kẽ (ILD): Trong một số ứng dụng, $S{i}_3{N}_4$ được sử dụng trong các lớp điện môi liên kim loại để tách các kết nối dẫn điện khác nhau. Các đặc tính mật độ và rào cản cao của nó ngăn chặn sự khuếch tán của các nguyên tử kim loại (như đồng) vào điện môi xung quanh, đây là một cơ chế thất bại phổ biến trong các kết nối tiên tiến.

Vai trò của gốm silicon nitride

Nó cũng đáng chú ý các ứng dụng rộng hơn của silicon nitride ngoài sự lắng đọng màng mỏng trên các tấm wafer. Độ tinh khiết cao Silicon nitride gốm được sử dụng để tạo ra các thành phần cho chính thiết bị sản xuất bán dẫn. Độ cứng đặc biệt, khả năng chống sốc nhiệt và trơ hóa học làm cho nó lý tưởng cho các bộ phận như dụng cụ xử lý wafer, ống lò và các đồ đạc khác nhau hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao, khắc nghiệt. Vai trò kép này là một vật liệu trên chip và trong máy móc làm cho chip chip tăng lên tầm quan trọng của nó đối với toàn bộ ngành công nghiệp.

Tóm lại, sự kết hợp độc đáo của các tính chất điện, cơ học và hóa học của Silicon đã củng cố vị trí của nó như một vật liệu quan trọng trong chế tạo chất bán dẫn hiện đại. Khả năng phục vụ như một hàng rào khuếch tán hiệu quả, một $k$ Điện môi, và mặt nạ cứng mạnh mẽ về mặt cơ học đảm bảo sự liên quan của nó khi công nghệ chip tiến tới các thang đo nhỏ hơn và phức tạp hơn bao giờ hết.