Un materiale dielettrico regolabile che conta nella produzione di semiconduttori
Nella produzione di semiconduttori, i materiali dielettrici a pellicola-sottile fanno molto di più che fornire funzioni di base di isolamento, protezione e barriera. Possono anche influenzare direttamente l'accuratezza della litografia, l'affidabilità del dispositivo e la stabilità complessiva del processo.
Tra molti materiali dielettrici, il SiON (ossinitruro di silicio) è un materiale a film sottile-importante e ampiamente utilizzato.
Combina alcune delle caratteristiche del biossido di silicio (SiO₂) e del nitruro di silicio (Si₃N₄). I suoi maggiori vantaggi sono proprietà regolabili, forte compatibilità di processo e scenari applicativi flessibili.
01 Che cos'è l'ossinitruro di silicio SiON?
SiON è l'abbreviazione diOssinitruro di silicio.
In termini di composizione del materiale, SiON è un composto ternario amorfo posizionato traSiO₂ (biossido di silicio)ESi₃N₄ (nitruro di silicio). Viene comunemente espresso come:
SiOₓNᵧ
Il rapporto ossigeno-a-azoto può essere regolato in base ai requisiti specifici del processo.
Questo rapporto O/N regolabile conferisce a SiON un elevato valore ingegneristico nella produzione di semiconduttori.
In termini semplici:
- SiO₂ tende a offrire un basso stress e una buona compatibilità con il processo;
- Il Si₃N₄ tende ad offrire prestazioni di barriera più forti e un indice di rifrazione più elevato;
- SiON si colloca tra i due e può essere-ottimizzato per ottenere diverse combinazioni di proprietà.
Pertanto SiON non è semplicemente un "materiale intermedio". Si tratta di un film sottile dielettrico funzionale che può essere progettato con precisione per obiettivi di processo specifici.
02 Vantaggio chiave di SiON: proprietà regolabili
La caratteristica più importante di SiON è la suaaccordabilità.
Modificando il rapporto ossigeno-a-azoto, parametri chiave come l'indice di rifrazione, la costante dielettrica, lo stress della pellicola e le prestazioni della barriera possono essere regolati entro un determinato intervallo.
Le caratteristiche tipiche includono:
Indice di rifrazione regolabile: normalmente regolabile tra circa 1,47 per SiO₂ e circa 2,0 per Si₃N₄;
Buone prestazioni dielettriche: la costante dielettrica è generalmente superiore a quella del SiO₂, rendendolo adatto a progetti specifici di strati dielettrici-;
- Eccellenti proprietà isolanti: l'elevata resistenza alla rottura lo rende idoneo come materiale dielettrico isolante;
- Buona stabilità chimica: fornisce prestazioni di barriera relativamente forti contro umidità, impurità e determinati ambienti chimici;
- Proprietà meccaniche controllabili: rispetto al Si₃N₄, lo stress del film è più facile da regolare, migliorando l'affidabilità del film.
Di conseguenza, SiON può raggiungere un buon equilibrio tra indice di rifrazione, controllo dello stress, capacità barriera, prestazioni di isolamento e compatibilità di processo nella produzione di semiconduttori.
03 Principali applicazioni di SiON nella produzione di semiconduttori
1. Rivestimento anti-riflesso (ARC)
Una delle applicazioni più tipiche e importanti di SiON è comerivestimento anti-riflesso, o ARC, nei processi di litografia.
Durante la litografia, la luce può riflettersi sulla superficie del wafer o sulle interfacce della pellicola sottile, creando effetti di onde stazionarie e riducendo la precisione del trasferimento del modello.
L'utilizzo di SiON come strato anti-riflesso può ridurre efficacemente le interferenze di riflessione, migliorando la risoluzione della litografia ed espandendo la finestra del processo.
Poiché l'indice di rifrazione di SiON è regolabile, può adattarsi meglio a diverse lunghezze d'onda della litografia, come:
- i-linea 365 nm;
- KrF 248 nm;
- ArF 193 nm.
Questo è uno dei motivi principali per cui SiON è stato ampiamente adottato nei processi avanzati di semiconduttori.
2. Strato dielettrico di gate
In alcune strutture di dispositivi, SiON può essere utilizzato anche come strato dielettrico di gate o in strutture dielettriche correlate.
Rispetto al SiO₂ tradizionale, un'adeguata incorporazione di azoto può migliorare le proprietà del film, ridurre la corrente di dispersione e contribuire a sopprimere la penetrazione del boro per migliorare l'affidabilità del dispositivo.
Per questo motivo SiON ha svolto un ruolo importante nello sviluppo di dispositivi CMOS avanzati.
3. Strati di passivazione e protezione
SiON è comunemente utilizzato anche come passivazione superficiale o strato protettivo del wafer-.
Può bloccare la diffusione di umidità, ioni sodio e altre impurità, proteggendo le strutture sottostanti del dispositivo e migliorando l'affidabilità del chip a lungo termine-.
Rispetto a SiO₂, SiON generalmente fornisce migliori prestazioni di barriera.
Rispetto al Si₃N₄, SiON offre uno stress del film relativamente più facile da controllare.
Pertanto, nelle applicazioni che richiedono sia affidabilità che controllo dello stress-della pellicola, SiON rappresenta una valida soluzione bilanciata.
4. Maschera dura
SiON può essere utilizzato anche come materiale per maschere rigide-nei processi di incisione.
Una maschera rigida deve mantenere una buona selettività di incisione e stabilità strutturale durante il trasferimento del modello. Grazie alla buona uniformità della pellicola, alla selettività dell'attacco e alla compatibilità del processo, SiON è adatto per determinati processi di trasferimento di pattern.
04 In cosa SiON è diverso da SiO₂ e Si₃N₄?
Dal punto di vista delle proprietà del materiale, SiON può essere considerato un materiale dielettrico sintonizzabile tra SiO₂ e Si₃N₄.
I vantaggi di SiO₂includono basso stress, elaborazione matura e buona compatibilità. Tuttavia, il suo indice di rifrazione è relativamente basso e fisso e la sua prestazione barriera è limitata.
I vantaggi del Si₃N₄includono una forte capacità barriera, un alto indice di rifrazione e una buona resistenza meccanica. Tuttavia, lo stress della pellicola è generalmente elevato e in alcune applicazioni richiede un controllo più accurato della finestra del processo-.
Il valore di SiONsta nella sua capacità di ottenere combinazioni di proprietà più flessibili tra i due regolando il rapporto ossigeno-e-azoto:
- Controllo dell'indice di rifrazione-più flessibile rispetto al SiO₂;
- Controllo dello stress più semplice rispetto al Si₃N₄;
- Migliori prestazioni di barriera rispetto al SiO₂ standard;
- Buona compatibilità di processo per una varietà di processi di semiconduttori.
Pertanto SiON non è un semplice sostituto di nessuno dei due materiali. Fornisce invece agli ingegneri di processo un’opzione di materiale più flessibile.
05 Metodi tipici di preparazione per SiON
Nella produzione di semiconduttori, i film sottili di SiON vengono solitamente preparati mediante deposizione chimica da vapore e metodi correlati. I processi comuni includono:
PECVD
PECVD, o Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition, è uno dei metodi più comuni per la preparazione di film SiON.
Il suo vantaggio è la temperatura di deposizione relativamente bassa, che lo rende adatto per fasi di processo sensibili al bilancio termico. Offre inoltre una forte flessibilità di processo.
LPCVD
LPCVD, o deposizione chimica in fase vapore a bassa-pressione, richiede solitamente temperature di deposizione più elevate ma può fornire una migliore qualità, densità e uniformità della pellicola. È adatto per applicazioni con requisiti di qualità della pellicola-più elevati.
Processi correlati all'ossidazione termica/nitrurazione termica
In alcuni processi speciali, uno strato di SiON con strutture e proprietà specifiche può essere formato anche trattando termicamente la superficie di SiO₂ o Si₃N₄.
Diversi metodi di preparazione influiscono sulla densità della pellicola, sullo stress, sull'indice di rifrazione, sull'uniformità e sulla qualità dell'interfaccia. Nelle applicazioni pratiche, la scelta del metodo dovrebbe basarsi sulla struttura del dispositivo e sugli obiettivi del processo.
06 Perché SiON è importante nella produzione di semiconduttori?
L'importanza di SiON deriva dai molteplici requisiti imposti ai materiali a film sottile-nella produzione di semiconduttori.
Nei processi avanzati, un materiale a pellicola-sottile solitamente non può soddisfare un solo requisito prestazionale. Spesso è necessario bilanciare:
- Prestazioni ottiche;
- Prestazioni di isolamento;
- Prestazione della barriera;
- Controllo dello stress;
- Selettività all'attacco;
- Compatibilità del processo;
- Affidabilità a lungo-termine.
Il vantaggio di SiON è che fornisce spazio sintonizzabile tra questi fattori di prestazione.
Ciò è particolarmente utile nelle strutture di film multistrato, come ad esempioSiON + SiO₂ + SiNcombinazioni, in cui materiali diversi possono svolgere separatamente funzioni anti-riflesso, tampone, barriera e protezione per ottimizzare la struttura complessiva.
Questo approccio alla combinazione-di materiali riflette un principio importante nella produzione di semiconduttori:
I materiali non vengono utilizzati isolatamente; ottengono il loro valore attraverso la progettazione strutturale e l'adattamento dei processi.
Considerazioni finali
L'ossinitruro di silicio SiON è un tipico materiale dielettrico funzionale utilizzato nella produzione di semiconduttori.
Il suo valore fondamentale non deriva dall'eccellenza in una singola proprietà, ma dalla suaaccordabilità e prestazioni equilibrate. Controllando con precisione il rapporto ossigeno-a-azoto, SiON può raggiungere un equilibrio pratico tra indice di rifrazione, stress, prestazioni di barriera e compatibilità del processo.
Per la produzione di semiconduttori, questo tipo di materiale a pellicola sottile-progettabile e controllabile costituisce una base importante per il trasferimento di modelli ad alta-precisione, una migliore affidabilità dei dispositivi e finestre di processo ottimizzate.
Poiché le strutture dei dispositivi semiconduttori continuano a diventare sempre più complesse, i materiali dielettrici funzionali come SiON continueranno a svolgere un ruolo importante nella produzione di wafer, nella litografia, nella deposizione di film sottili-e nella protezione dei dispositivi.
