Siliziumnitrid in Halbleitern

Sichchchchchchchchchchchchchchchchliziumnitrid ( $S{i}_3{N}_4$ ) ist ein Material, das eine entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie gespielt hat. Während oft durch Siliziumdioxid überschattet ( $Si{O}_2$ ), seine einzigartigen Eigenschaften machen es für eine Vielzahl von Anwendungen unverzichtbar, von passiven Gerätekomponenten bis hin zu aktiven Transistorelementen.

Die einzigartigen Eigenschaften von Siliziumnitrid

Siliziumnitrid besitzt eine Kombination von Eigenschaften, die es zu einer überlegenen Wahl für bestimmte Halbleiteranwendungen machen:

• Hohe Dielektrizitätskonstante ( $k$ ): Im Vergleich zu $Si{O}_2$ (mit a $k$ von ungefähr 3,9),, $S{i}_3{N}_4$ hat eine höhere Dielektrizitätskonstante (typischerweise reicht von 7,5 bis 8). Diese Eigenschaft ermöglicht die Speicherung von mehr Ladung in einem bestimmten Bereich, was für die Reduzierung der Größe von Kondensatoren und Gedächtniszellen von entscheidender Bedeutung ist. Beispielsweise im dynamischen Zufallszugriffsspeicher (DRAM) ein höherer $k$ Material wie $S{i}_3{N}_4$ Hilft bei der Aufrechterhaltung einer ausreichenden Kapazität, wenn die Zelldimensionen schrumpfen und den Datenverlust verhindern.

• Hervorragende Diffusionsbarriere: Eine der kritischsten Funktionen von $S{i}_3{N}_4$ Bei der Herstellung von Halbleiter ist die Fähigkeit, als hochwirksame Barriere gegen die Diffusion von Atomen, insbesondere Wassermolekülen und Alkaliionen wie Natrium, zu wirken. Diese Eigenschaft macht es zu einem idealen Material für Passivierungsschichten Und Einkapselungsfilme Schutz der empfindlichen aktiven Bereiche eines Chips vor Umweltverschmutzung, die die Leistung und Zuverlässigkeit der Geräte beeinträchtigen könnte.

• Hohe mechanische Härte: Die inhärente Härte und mechanische Stärke des Materials machen es für den Gebrauch als als geeignet Harte Maske in Lithographie- und Ätzprozessen. Im Gegensatz zu weicheren Materialien,, $S{i}_3{N}_4$ Kann aggressives Plasma -Ätzen standhalten und die genaue Übertragung komplizierter Muster auf darunter liegende Schichten mit minimaler Erosion ermöglichen. Dies ist besonders wichtig für die Herstellung von Strukturen mit hohem Aspekt-Verhältnis.

• Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient: Der thermische Expansionskoeffizient von $S{i}_3{N}_4$ ist relativ niedrig und passt eng dem von Silizium überein. Diese Ähnlichkeit minimiert die mechanische Beanspruchung des Geräts während der Wärmezyklen, wie sie bei Verarbeitungsschritten wie Annealing und Ablagerung auftreten. Reduzierter Stress verhindert Risse und Delaminierung und verbessert die Gesamtausbeute und die Langlebigkeit der Geräte.

Schlüsselanwendungen in Halbleitergeräten

Siliziumnitrid wird in einer Vielzahl kritischer Rollen innerhalb eines Halbleiterchips verwendet:

• Dielektrischer Abstandhalter: Bei der Herstellung von Finfets und anderen fortschrittlichen Transistorarchitekturen,, $S{i}_3{N}_4$ wird als Abstandshaltermaterial verwendet. Diese Abstandshalter isolieren das Tor elektrisch von den Quellen- und Abflussanschlüssen, eine wichtige Funktion zur Vorbeugung von Kurzschlüssen und zur Steuerung der Kanallänge.

• Gate Dielectric: Während $Si{O}_2$ bleibt der Standard für traditionelle MOS -Transistoren, $S{i}_3{N}_4$ Kann in Gate -Dielektrizierstapeln verwendet werden, um eine höhere Kapazität und niedrigere Leckströme zu erzielen. Dies ist besonders relevant für nichtflüchtige Gedächtnistechnologien, wie z. $Ono$ Stapel: $Si{O}_2$ / $S{i}_3{N}_4$ / $Si{O}_2$ ).

• Passivierung und Kapselung: Als endgültige Schutzschicht ein Film von $S{i}_3{N}_4$ kann über die gesamte Chipoberfläche hinterlegt werden. Das Passivierungsschicht Schaltet die integrierten Schaltungen aus Feuchtigkeit, Chemikalien und mechanischen Schäden und verbessert die langfristige Zuverlässigkeit des Geräts erheblich.

• Zwischenschichtdielektrikum (ILD): In einigen Anwendungen, $S{i}_3{N}_4$ wird in intermetalldielektrischen Schichten verwendet, um verschiedene leitfähige Interkonnekten zu trennen. Seine Eigenschaften mit hoher Dichte und Barriere verhindern die Diffusion von Metallatomen (wie Kupfer) in das umgebende Dielektrikum, was ein häufiger Versagensmechanismus bei fortschrittlichen Verbindungen ist.

Die Rolle der Siliziumnitridkeramik

Es ist auch erwähnenswert, dass die breiteren Anwendungen von Siliziumnitrid über die Ablagerung von Dünnfilmen auf Wafern hinausgehen. Hoher Purity Siliziumnitridkeramik wird verwendet, um Komponenten für die Herstellung von Halbleitern selbst zu erstellen. Seine außergewöhnliche Härte, die thermische Stoßfestigkeit und die chemische Inertheit machen es ideal für Teile wie Waferhandhabungswerkzeuge, Ofenrohre und verschiedene Geräte, die in rauen, hochtemperativen Umgebungen funktionieren. Diese doppelte Rolle - wie ein Material auf dem Chip und in der Maschinerie, die den Chip macht - ist ihre Bedeutung für die gesamte Branche.

Zusammenfassend hat die einzigartige Kombination von Siliziumnitrid durch elektrische, mechanische und chemische Eigenschaften seinen Platz als kritisches Material bei der Herstellung der modernen Halbleiter verfestigt. Seine Fähigkeit, als wirksame Diffusionsbarriere zu dienen, eine Hoch- $k$ Dielektrikum und eine mechanisch robuste Hardmaske gewährleisten ihre anhaltende Relevanz im Laufe der Chip -Technologie zu immer kleineren und komplexeren Skalen.