Azotek krzemu w półprzewodnikach

Krzemowy azotek ( $S{I}_3{N}_4$ ) to materIał, który odegrał kluczową rolę w rozwoju technologII półprzewodnIków. Choć często przyćmIone dwutlenkIem krzemu ( $SI{O}_2$ ), jego unIkalne właścIwoścI sprawIają, że jest nIezbędny do różnych aplIkacjI, od komponentów urządzenIa pasywnego po aktywne elementy tranzystorowe.

Unikalne właściwości azotku krzemu

Azotek krzemowy ma kombinację właściwości, które czyni go doskonałym wyborem dla określonych zastosowań półprzewodnikowych:

• Wysoka stała dielektryczna ( $k$ ): W porównaniu do $SI{O}_2$ (z $k$ około 3,9), $S{I}_3{N}_4$ ma wyższą stałą dielektryczną (zwykle od 7,5 do 8). Ta właściwość pozwala na przechowywanie większego ładunku w danym obszarze, co jest kluczowe dla zmniejszenia wielkości kondensatorów i komórek pamięci. Na przykład w dynamicznej pamięci losowej (DRAM) o wyższy $k$ materiał taki jak $S{I}_3{N}_4$ Pomaga utrzymać wystarczającą pojemność, gdy wymiary komórek kurczą się, zapobiegając utraty danych.

• Doskonała bariera dyfuzyjna: Jedna z najbardziej krytycznych funkcji $S{I}_3{N}_4$ W produkcji półprzewodnikowej jest jego zdolność do działania jako wysoce skuteczna bariera przeciwko dyfuzji atomów, szczególnie cząsteczek wody i jonów alkalicznych, takich jak sód. Ta właściwość czyni ją idealnym materiałem dla warstwy pasywacyjne I Filmy enkapsulacji , ochrona delikatnych aktywnych obszarów układu przed zanieczyszczeniem środowiskowym, które mogłyby degradować wydajność i niezawodność urządzenia.

• Wysoka twardość mechaniczna: Nieodłączna twardość materiału i wytrzymałość mechaniczna sprawiają, że jest odpowiedni do użycia jako twarda maska W procesach litografii i trawienia. W przeciwieństwie do bardziej miękkich materiałów, $S{I}_3{N}_4$ może wytrzymać agresywne trawienie w osoczu, umożliwiając precyzyjne przeniesienie skomplikowanych wzorów na podstawowe warstwy przy minimalnej erozji. Jest to szczególnie ważne dla wytwarzania struktur o wysokim poziomie.

• Niski współczynnik rozszerzalności termicznej: Współczynnik rozszerzalności termicznej $S{I}_3{N}_4$ jest stosunkowo niski i ściśle pasuje do krzemu. Podobieństwo to minimalizuje naprężenie mechaniczne na urządzeniu podczas cykli termicznych, takich jak te napotkane podczas etapów przetwarzania, takich jak wyżarzanie i osadzanie. Zmniejszony stres pomaga zapobiegać pękaniu i rozwarstwianiu, poprawie ogólnej wydajności i długowieczności urządzenia.

Kluczowe aplikacje w urządzeniach półprzewodnikowych

Azotek krzemowy jest stosowany w różnych krytycznych rolach w chipie półprzewodnikowej:

• Dielecric Dietester: W produkcji FINFET i innych zaawansowanych architektur tranzystorowych, $S{I}_3{N}_4$ jest używany jako materiał dystansowy. Te przekładki elektrycznie izolują bramę z zacisków źródłowych i drenażowych, co jest istotną funkcją zapobiegania zwarciom i kontrolowaniu długości kanału.

• Brama dielektryczna: Chwila $SI{O}_2$ pozostaje standardem dla tradycyjnych tranzystorów MOS, $S{I}_3{N}_4$ Może być używany w stosach dielektrycznych bramek, aby osiągnąć wyższą pojemność i niższe prądy upływowe. Jest to szczególnie istotne w technologiach pamięci nielotnej, takich jak pamięć flash pływająca, gdzie może służyć jako warstwa zatrzymywania ładunku lub jako część stosu dielektrycznego bramki wielowarstwowej (np. $Ono$ stos: $SI{O}_2$ / $S{I}_3{N}_4$ / $SI{O}_2$ ).

• Pasywacja i enkapsulacja: Jako ostatnia warstwa ochronna, film $S{I}_3{N}_4$ może być zdeponowane na całej powierzchni układu. Ten warstwa pasywacyjna Tarwi zintegrowane obwody z wilgoci, chemikaliów i uszkodzeń mechanicznych, znacznie zwiększając długoterminową niezawodność urządzenia.

• Dielektryk (ILD): W niektórych aplikacjach, $S{I}_3{N}_4$ jest stosowany w międzyeteminalnych warstwach dielektrycznych w celu oddzielenia różnych połączeń przewodzących. Jego właściwości o wysokiej gęstości i bariery zapobiegają dyfuzji atomów metali (jak miedź) w otaczającym dielektryce, który jest powszechnym mechanizmem awarii w zaawansowanych połączeniach.

Rola ceramiki azotku krzemu

Warto również zwrócić uwagę na szersze zastosowanie azotku krzemu poza osadzanie się cienkimi filmem na waflach. Wysokiej bezpieczeństwa Ceramika azotku krzemu służy do tworzenia komponentów do samego sprzętu do produkcji półprzewodników. Jego wyjątkowa twardość, odporność na wstrząsy termiczne i bezwładność chemiczna sprawiają, że jest idealny do części takich jak narzędzia do obsługi opłat, rurki do pieca i różne urządzenia, które działają w trudnych, wysokotemperaturowych środowiskach. Ta podwójna rola - jako materiał na chipie i w maszynach, który sprawia, że ​​chip - wyświetla jego znaczenie dla całej branży.

Podsumowując, unikalna kombinacja właściwości elektrycznych, mechanicznych i chemicznych azotku krzemu ugruntowała swoje miejsce jako materiał krytyczny we współczesnym produkcji półprzewodnikowej. Jego zdolność do służby jako skuteczna bariera dyfuzyjna, wysoka $k$ dielektryk i mechanicznie solidna maska ​​twarda zapewnia jej dalsze znaczenie, ponieważ technologia chipów rozwija się coraz mniejsze i bardziej złożone skale.