在芯片制造中,有一種材料扮演著至關(guān)重要的角色,那就是氮化硅(SiNx)。盡管它可能并未獲得和其他更為熟知的半導(dǎo)體材料,如硅(Si)、砷化鎵(GaAs)或氮化鎵(GaN)等同樣的關(guān)注,但它的重要性是毋庸置疑的。可以這么說,絕大多數(shù)芯片都會(huì)用到這種材料。
1.為什么是SiNx?
細(xì)心的小伙伴已經(jīng)注意到,我在書寫氮化硅化學(xué)式的時(shí)候用的是SiNx.學(xué)過高中化學(xué)的朋友都應(yīng)該知道,N是第五主族元素,按理說化合價(jià)應(yīng)該為-3,而硅的化學(xué)價(jià)為+4,氮化硅的化學(xué)式應(yīng)該為Si3N4才對(duì),怎么會(huì)是SiNx?
首先,要說說氮的多價(jià)態(tài):
氮元素具有多種價(jià)態(tài),這主要是因?yàn)樗哂?個(gè)價(jià)電子,且氮原子能以不同方式共享這些電子,氮元素可以形成不同的價(jià)態(tài),這主要取決于它與其他元素共享電子的數(shù)量。
對(duì)于氮來說,它最穩(wěn)定的價(jià)態(tài)是-3,如在氨(NH3),氮化鎵(GaN)中。然而,氮也可以通過損失電子形成正價(jià)態(tài),如在硝酸(HNO3)中的+5價(jià)態(tài)。此外,氮也可以形成介于-3和+5之間的價(jià)態(tài),如在亞硝酸(HNO2)中的+3價(jià)態(tài),或在一些有機(jī)化合物中的+1和+2價(jià)態(tài)。
其次,說說氮化硅這種材料:
在半導(dǎo)體工業(yè)中,用于各種應(yīng)用的氮化硅往往是非定比的,一般用SiNx表示。SiNx是一種非晶態(tài)材料,其性質(zhì)取決于氮和硅的比例,即x的值。當(dāng)x的值改變時(shí),氮化硅的物理和化學(xué)性質(zhì)也會(huì)改變。氮化硅的確有多種形式,包括Si3N4,Si2N2,SiN等。
而Si3N4是一種晶態(tài)材料,這意味著它的硅和氮的比例是固定的。當(dāng)x的值等于4/3時(shí),SiNx等于Si3N4。但在實(shí)際應(yīng)用中,SiNx往往是非定比的,其硅和氮的比例可以通過改變PVD或CVD過程的參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。
2.SiNx在芯片制造中的作用?
氮化硅的絕緣性能非常優(yōu)秀,電阻率可以高達(dá)10^14 Ω·cm,遠(yuǎn)超過一些常見的絕緣材料,如氧化硅(SiO2)。而它的低介電常數(shù)又使得它在微波和射頻應(yīng)用中成為理想的隔離層。氮化硅層在芯片中也起到阻擋雜質(zhì)擴(kuò)散的作用。它可以阻止硼、磷等摻雜物通過擴(kuò)散改變器件特性。此外,它還可以阻止金屬離子等的擴(kuò)散,以防止短路等故障。
氮化硅的熱穩(wěn)定性極佳,是由其特殊的化學(xué)性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)決定的。它可以在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定,而不會(huì)像其他材料那樣發(fā)生化學(xué)分解或者物理形狀的變化。那是因?yàn)樵诘璧木w結(jié)構(gòu)中,每一個(gè)硅原子都與四個(gè)氮原子以四面體的形式結(jié)合在一起,每一個(gè)氮原子也都與四個(gè)硅原子以四面體的形式結(jié)合在一起。這種結(jié)構(gòu)使得氮化硅的晶體格極為穩(wěn)定,不易發(fā)生形變。因此在制造高電子遷移率晶體管(HEMTs)時(shí)作為柵極絕緣層。
3.SiNx相對(duì)于SiO2的優(yōu)勢?
熱穩(wěn)定性更好、硬度更硬、更難刻蝕。
審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:聊聊氮化硅(SiNx)在芯片中的重要性
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