Nitrure de silicium en semi-conducteurs

Njetrure de sjeljecjeum ( $S{je}_3{N}_4$ ) est un matérjeel quje a joué un rôle central dans l'avancement de la technologjee des semje-conducteurs. Bjeen que souvent écljepsé par le djeoxyde de sjeljecjeum ( $Sje{O}_2$ ), ses propriétés uniques le rendent indispensable pour une variété d'applications, des composants de l'appareil passif aux éléments de transistor actifs.

Les propriétés uniques du nitrure de silicium

Le nitrure de silicium possède une combinaison de propriétés qui en font un choix supérieur pour des applications de semi-conducteur spécifiques:

• Constante diélectrique élevée ( $k$ ): Par rapport à $Sje{O}_2$ (avec un $k$ d'environ 3,9), $S{je}_3{N}_4$ a une constante diélectrique plus élevée (allant généralement de 7,5 à 8). Cette propriété permet le stockage de plus de charges dans une zone donnée, ce qui est crucial pour réduire la taille des condensateurs et des cellules de mémoire. Dans la mémoire dynamique à accès aléatoire (DRAM), par exemple, un plus haut $k$ matériel comme $S{je}_3{N}_4$ Aide à maintenir une capacité suffisante à mesure que les dimensions cellulaires se rétrécissent, empêchant la perte de données.

• Excellente barrière de diffusion: L'une des fonctions les plus critiques de $S{je}_3{N}_4$ Dans la fabrication de semi-conducteurs, sa capacité à agir comme une barrière très efficace contre la diffusion des atomes, en particulier les molécules d'eau et les ions alcalins comme le sodium. Cette propriété en fait un matériau idéal pour couches de passivation et Films d'encapsulation , protégeant les zones actives délicates d'une puce de la contamination environnementale qui pourrait dégrader les performances et la fiabilité des appareils.

• Dureté mécanique élevée: La dureté inhérente et la résistance mécanique du matériau le rendent adapté à une utilisation comme un masque dur dans la lithographie et les processus de gravure. Contrairement aux matériaux plus doux, $S{je}_3{N}_4$ peut résister à la gravure du plasma agressive, permettant le transfert précis de motifs complexes sur des couches sous-jacentes avec une érosion minimale. Ceci est particulièrement important pour fabriquer des structures de taux d'aspect élevé.

• Coefficient de dilatation thermique faible: Le coefficient d'extension thermique de $S{je}_3{N}_4$ est relativement bas et correspond étroitement à celui du silicium. Cette similitude minimise la contrainte mécanique sur l'appareil pendant les cycles thermiques, tels que ceux rencontrés lors d'étapes de traitement comme le recuit et le dépôt. La réduction du stress aide à prévenir les fissures et la délamination, améliorant le rendement global des dispositifs et la longévité.

Applications clés dans les appareils semi-conducteurs

Le nitrure de silicium est utilisé dans une variété de rôles critiques au sein d'une puce semi-conductrice:

• Espace diélectrique: Dans la fabrication de FinFet et d'autres architectures de transistor avancées, $S{je}_3{N}_4$ est utilisé comme matériau d'espaceur. Ces espaceurs isolent électriquement la porte des bornes source et drainage, une fonction vitale pour prévenir les courts-circuits et contrôler la longueur du canal.

• Gate Diélectrique: Alors que $Sje{O}_2$ reste la norme pour les transistors MOS traditionnels, $S{je}_3{N}_4$ Peut être utilisé dans des piles diélectriques de porte pour atteindre une capacité plus élevée et des courants de fuite plus élevés. Ceci est particulièrement pertinent dans les technologies de mémoire non volatile, telles que la mémoire flash à portes flottantes, où elle peut servir de couche de piégeage de charge ou dans le cadre d'une pile diélectrique de grille multicouches (par exemple, $Ono$ empiler: $Sje{O}_2$ / $S{je}_3{N}_4$ / $Sje{O}_2$ ).

• Passivation et encapsulation: En tant que couche protectrice finale, un film de $S{je}_3{N}_4$ Peut être déposé sur toute la surface de la puce. Ce couche de passivation Pouche les circuits intégrés de l'humidité, des produits chimiques et des dommages mécaniques, améliorant considérablement la fiabilité à long terme de l'appareil.

• Diélectrique intercouche (ILD): Dans certaines applications, $S{je}_3{N}_4$ est utilisé dans les couches diélectriques intermétales pour séparer différentes interconnexions conductrices. Sa haute densité et ses propriétés de barrière empêchent la diffusion des atomes métalliques (comme le cuivre) dans le diélectrique environnant, qui est un mécanisme de défaillance commun dans les interconnexions avancées.

Le rôle de la céramique au nitrure de silicium

Il convient également de noter les applications plus larges du nitrure de silicium au-delà du dépôt de couches minces sur les plaquettes. Pureté de haute Céramique nitrure de silicium est utilisé pour créer des composants pour l'équipement de fabrication de semi-conducteurs lui-même. Sa dureté exceptionnelle, sa résistance aux chocs thermiques et son inertie chimique le rendent idéal pour des pièces telles que les outils de manipulation de la plaquette, les tubes de fournaise et divers luminaires qui fonctionnent dans des environnements sévères et à haute température. Ce double rôle - comme un matériau sur la puce et dans les machines qui font de la puce - halte de son importance pour toute l'industrie.

En conclusion, la combinaison unique du nitrure de silicium de propriétés électriques, mécaniques et chimiques a solidifié sa place en tant que matériau critique dans la fabrication moderne des semi-conducteurs. Sa capacité à servir de barrière de diffusion efficace, un $k$ Diélectrique, et un masque dur mécaniquement robuste garantit que sa pertinence continue à mesure que la technologie des puces progresse à des échelles toujours plus petites et plus complexes.