Kiselnitrid i halvledare

Kjagselnjagtrjagd ( $S{jag}_3{N}_4$ ) är ett materjagal som har spelat en vjagktjagg roll jag utveckljagngen av halvledarteknologjag. Medan ofta överskuggas av kjagseldjagoxjagd ( $Sjag{O}_2$ ), dess unjagka egenskaper gör det nödvändjaggt för en mängd olika applikationer, från passiva enhetskomponenter till aktiva transistorelement.

De unika egenskaperna hos kiselnitrid

Kiselnitrid har en kombination av egenskaper som gör det till ett överlägset val för specifika halvledarapplikationer:

• Hög dielektrisk konstant ( $k$ ): Jämfört med $Sjag{O}_2$ (med en $k$ på cirka 3,9), $S{jag}_3{N}_4$ har en högre dielektrisk konstant (vanligtvis från 7,5 till 8). Denna egenskap möjliggör lagring av mer laddning i ett givet område, vilket är avgöroche för att minska storleken på kondensatorer och minnesceller. I dynamiskt slumpmässigt åtkomstminne (DRAM), till exempel, en högre $k$ material som $S{jag}_3{N}_4$ Hjälper till att upprätthålla tillräcklig kapacitans när celldimensioner krymper, vilket förhindrar dataförlust.

• Utmärkt diffusionsbarriär: En av de mest kritiska funktionerna i $S{jag}_3{N}_4$ Vid halvledartillverkning är dess förmåga att fungera som en mycket effektiv barriär mot diffusionen av atomer, särskilt vattenmolekyler och alkalifruter som natrium. Den här egenskapen gör det till ett idealiskt material för passeringslager and inkapslingsfilmer , skydda de känsliga aktiva områdena i ett chip från miljökontaminering som kan försämra enhetens prestanda och tillförlitlighet.

• Hög mekanisk hårdhet: Materialets inneboende hårdhet och mekanisk styrka gör det lämpligt för användning som en hård mask i litografi och etsningsprocesser. Till skillnad från mjukare material, $S{jag}_3{N}_4$ kan motstå aggressiv plasmaetching, vilket möjliggör en exakt överföring av intrikata mönster till underliggande skikt med minimal erosion. Detta är särskilt viktigt för att tillverka strukturer med hög aspektförhållande.

• Låg värmeutvidgningskoefficient: Den termiska expansionskoefficienten för $S{jag}_3{N}_4$ är relativt låg och matchar nära kisel. Denna likhet minimerar mekanisk stress på enheten under termiska cykler, såsom de som mötte under bearbetningssteg som glödgning och avsättning. Minskad stress hjälper till att förhindra sprickor och delaminering, förbättra den totala utbytet av enheter och livslängd.

Viktiga applikationer i halvledarenheter

Kiselnitrid används i en mängd kritiska roller inom ett halvledarchip:

• Dielektrisk distans: I tillverkningen av Finfets och andra avancerade transistorarkitekturer, $S{jag}_3{N}_4$ används som distansmaterial. Dessa distanser isolerar elektriskt grinden från källan och dräneringsterminalerna, en viktig funktion för att förhindra kortkretsar och kontrollera kanalens längd.

• Gate Dielectric: Medan $Sjag{O}_2$ förblir standarden för traditionella MOS -transistorer, $S{jag}_3{N}_4$ kan användas i grindens dielektriska staplar för att uppnå högre kapacitans och lägre läckströmmar. Detta är särskilt relevant i icke-flyktiga minnesteknologier, såsom flytande grindminne, där det kan fungera som ett laddningsfångningsskikt eller som en del av en dielektrisk stack med flera skiktsgrindar (t.ex. $Ono$ stack: $Sjag{O}_2$ / $S{jag}_3{N}_4$ / $Sjag{O}_2$ ).

• Passivering och inkapsling: Som ett slutligt skyddande lager, en film av $S{jag}_3{N}_4$ kan deponeras över hela chipytan. Detta passeringslager Sköldar de integrerade kretsarna från fukt, kemikalier och mekaniska skador, vilket avsevärt förbättrar enhetens långsiktiga tillförlitlighet.

• Interlager dielektriska (ILD): I vissa applikationer, $S{jag}_3{N}_4$ används i dielektriska skikt mellan metaller för att separera olika ledande samtrafik. Dess höga täthets- och barriäregenskaper förhindrar diffusion av metallatomer (som koppar) i den omgivande dielektriken, vilket är en vanlig felmekanism i avancerade sammankopplingar.

Rollen som kiselnitridkeramik

Det är också värt att notera de bredare tillämpningarna av kiselnitrid utöver tunnfilmavlagring på skivor. Högriktad Keramik av kiselnitrid används för att skapa komponenter för självtillverkningsutrustning själv. Dess exceptionella hårdhet, termisk chockmotstånd och kemisk inerthet gör det idealiskt för delar som skivhanteringsverktyg, ugnsrör och olika fixturer som fungerar i hårda miljöer med högt temperatur. Denna dubbla roll - som ett material på chipet och i maskinerna som gör chipet - ljusar dess betydelse för hela branschen.

Sammanfattningsvis har Silicon Nitrides unika kombination av elektriska, mekaniska och kemiska egenskaper stelnat sin plats som ett kritiskt material i modern halvledartillverkning. Dess förmåga att fungera som en effektiv diffusionsbarriär, en hög- $k$ Dielektrisk och en mekaniskt robust hård mask säkerställer dess fortsatta relevans när chiptekniken fortskrider till allt mindre och mer komplexa skalor.