Nitruro di silicio nei semiconduttori

Niooooooooooooooootruro di silicio ( $S{i}_3{N}_4$ ) è un materiale che ha svolto un ruolo fondamentale nel progresso della tecnologia dei semiconduttori. Mentre spesso messo in ombra dal biossido di silicio ( $Si{O}_2$ ), le sue proprietà uniche lo rendono indispensabile per una varietà di applicazioni, dai componenti del dispositivo passivo agli elementi a transistor attivi.

Le proprietà uniche del nitruro di silicio

Il nitruro di silicio possiede una combinazione di proprietà che lo rendono una scelta superiore per specifiche applicazioni a semiconduttore:

• Costante dielettrico elevato ( $k$ ) Rispetto a $Si{O}_2$ (con a $k$ di circa 3.9), $S{i}_3{N}_4$ ha una costante dielettrica più alta (in genere compresa da 7,5 a 8). Questa proprietà consente la memorizzazione di una maggiore carica in una determinata area, il che è cruciale per ridurre le dimensioni dei condensatori e delle celle di memoria. Nella memoria dinamica ad accesso casuale (DRAM), ad esempio, un maggiore $k$ materiale come $S{i}_3{N}_4$ Aiuta a mantenere una capacità sufficiente poiché le dimensioni delle cellule si riducono, prevenendo la perdita di dati.

• Ottima barriera di diffusione: Una delle funzioni più critiche di $S{i}_3{N}_4$ Nella produzione di semiconduttori è la sua capacità di fungere da barriera altamente efficace contro la diffusione di atomi, in particolare le molecole d'acqua e gli ioni alcalini come il sodio. Questa proprietà lo rende un materiale ideale per strati di passivazione E Film di incapsulamento , proteggere le delicate aree attive di un chip dalla contaminazione ambientale che potrebbe degradare le prestazioni e l'affidabilità del dispositivo.

• Alta durezza meccanica: La durezza e la resistenza meccanica intrinseca del materiale lo rendono adatto per l'uso come a maschera dura nei processi di litografia e incisione. A differenza dei materiali più morbidi, $S{i}_3{N}_4$ può resistere ad incisioni di plasma aggressivo, consentendo il trasferimento preciso di motivi intricati su strati sottostanti con un'erosione minima. Ciò è particolarmente importante per la fabbricazione di strutture a rapporto ad alto aspetto.

• Coefficiente di espansione termica bassa: Il coefficiente di espansione termica di $S{i}_3{N}_4$ è relativamente basso e si abbina strettamente a quello del silicio. Questa somiglianza minimizza lo stress meccanico sul dispositivo durante i cicli termici, come quelli riscontrati durante le fasi di elaborazione come la ricottura e la deposizione. Lo stress ridotto aiuta a prevenire crack e delaminazione, migliorando la resa complessiva del dispositivo e la longevità.

Applicazioni chiave nei dispositivi a semiconduttore

Il nitruro di silicio è impiegato in una varietà di ruoli critici all'interno di un chip a semiconduttore:

• Distanziatore dielettrico: Nella fabbricazione di Finfets e altre architetture a transistor avanzate, $S{i}_3{N}_4$ è usato come materiale distanziale. Questi distanziali isolano elettricamente il gate dalla sorgente e dai terminali di scarico, una funzione vitale per prevenire cortocircuiti e controllare la lunghezza del canale.

• Gate dielettrico: Mentre $Si{O}_2$ rimane lo standard per i tradizionali transistor MOS, $S{i}_3{N}_4$ Può essere utilizzato nelle pile dielettriche di gate per ottenere una maggiore capacità e correnti di perdita più basse. Ciò è particolarmente rilevante nelle tecnologie di memoria non volatile, come la memoria flash galleggiante di gate, dove può fungere da livello di carico o come parte di uno stack dielettrico di gate multistrato (ad esempio, $Ono$ pila: $Si{O}_2$ / $S{i}_3{N}_4$ / $Si{O}_2$ ).

• PASSEGNAZIONE E INCAPSULAZIONE: Come uno strato protettivo finale, un film di $S{i}_3{N}_4$ può essere depositato sull'intera superficie del chip. Questo strato di passivazione Proietta i circuiti integrati da umidità, sostanze chimiche e danni meccanici, migliorando significativamente l'affidabilità a lungo termine del dispositivo.

• Interlayer Dielectric (ILD): In alcune applicazioni, $S{i}_3{N}_4$ viene utilizzato negli strati dielettrici inter-metal per separare diverse interconnessi conduttivi. Le sue proprietà ad alta densità e barriera impediscono la diffusione di atomi di metallo (come il rame) nel dielettrico circostante, che è un meccanismo di fallimento comune nelle interconnessi avanzati.

Il ruolo del nitruro di silicio ceramico

Vale anche la pena notare le più ampie applicazioni di nitruro di silicio oltre la deposizione a film sottile sui wafer. Ad alta purezza Ceramica di nitruro di silicio viene utilizzato per creare componenti per le apparecchiature di produzione di semiconduttori. La sua eccezionale durezza, resistenza agli shock termici e inerzia chimica lo rendono ideale per parti come strumenti di manipolazione dei wafer, tubi del forno e vari infissi che operano in ambienti duri e ad alta temperatura. Questo duplice ruolo - come materiale sul chip e nei macchinari che rende il chip - i luci hanno la sua importanza per l'intero settore.

In conclusione, la combinazione unica del nitruro di silicio di proprietà elettriche, meccaniche e chimiche ha solidificato il suo posto come materiale critico nella moderna fabbricazione di semiconduttori. La sua capacità di fungere da barriera di diffusione efficace, un alto- $k$ La maschera dura dielettrica e meccanicamente robusta garantisce la sua continua rilevanza poiché la tecnologia dei chip progredisce verso scale sempre più piccole e più complesse.