O que é oxinitreto de silício SiON?

Um material dielétrico ajustável que é importante na fabricação de semicondutores

Na fabricação de semicondutores, os materiais dielétricos de película fina-fazem muito mais do que fornecer funções básicas de isolamento, proteção e barreira. Eles também podem afetar diretamente a precisão da litografia, a confiabilidade do dispositivo e a estabilidade geral do processo.

Entre muitos materiais dielétricos, o SiON (oxinitreto de silício) é um material de filme-fino importante e amplamente utilizado.

Ele combina algumas das características do dióxido de silício (SiO₂) e do nitreto de silício (Si₃N₄). Suas maiores vantagens são propriedades ajustáveis, forte compatibilidade de processos e cenários de aplicação flexíveis.

01 O que é oxinitreto de silício SiON?

SiON é a abreviatura deOxinitreto de Silício.

Em termos de composição material, SiON é um composto ternário amorfo posicionado entreSiO₂ (dióxido de silício)eSi₃N₄ (nitreto de silício). É comumente expresso como:

SiOₓNᵧ

A proporção de oxigênio-para{1}}nitrogênio pode ser ajustada de acordo com requisitos específicos do processo.

Esta relação O/N ajustável confere ao SiON alto valor de engenharia na fabricação de semicondutores.

Em termos simples:

• SiO₂ tende a oferecer baixo estresse e boa compatibilidade de processo;
• Si₃N₄ tende a oferecer um desempenho de barreira mais forte e um índice de refração mais alto;
• O SiON fica entre os dois e pode ser ajustado-pelo processo para obter diferentes combinações de propriedades.

Portanto, o SiON não é apenas um “material intermediário”. É um filme fino dielétrico funcional que pode ser projetado com precisão para objetivos de processo específicos.

02 Principal vantagem do SiON: propriedades ajustáveis

A característica mais importante do SiON é a suasintonização.

Ao alterar a proporção de oxigênio-para{1}}nitrogênio, parâmetros importantes como índice de refração, constante dielétrica, tensão do filme e desempenho da barreira podem ser ajustados dentro de um determinado intervalo.

As características típicas incluem:

Índice de refração ajustável: geralmente ajustável entre aproximadamente 1,47 para SiO₂ e aproximadamente 2,0 para Si₃N₄;

Bom desempenho dielétrico: a constante dielétrica é geralmente maior que a do SiO₂, tornando-o adequado para projetos específicos de camadas-dielétricas;

• Excelentes propriedades de isolamento: alta resistência à ruptura o torna adequado como material dielétrico isolante;
• Boa estabilidade química: fornece desempenho de barreira relativamente forte contra umidade, impurezas e certos ambientes químicos;
• Propriedades mecânicas controláveis: em comparação com Si₃N₄, a tensão do filme é mais fácil de ajustar, melhorando a confiabilidade do filme.

Como resultado, o SiON pode alcançar um bom equilíbrio entre índice de refração, controle de tensão, capacidade de barreira, desempenho de isolamento e compatibilidade de processos na fabricação de semicondutores.

03 Principais Aplicações do SiON na Fabricação de Semicondutores

1. Revestimento anti-reflexo (ARC)

Uma das aplicações mais típicas e importantes do SiON é comorevestimento anti-reflexo, ou ARC, em processos de litografia.

Durante a litografia, a luz pode refletir na superfície do wafer ou nas interfaces do-filme fino, criando efeitos de-ondas estacionárias e reduzindo a precisão da transferência-de padrão.

Usar SiON como uma camada anti{0}}reflexiva pode reduzir efetivamente a interferência de reflexão, melhorando a resolução da litografia e expandindo a janela do processo.

Como o índice de refração do SiON é ajustável, ele pode corresponder melhor a diferentes comprimentos de onda de litografia, como:

• i-linha 365 nm;
• KrF 248 nm;
• ARF 193nm.

Esta é uma das principais razões pelas quais o SiON tem sido amplamente adotado em processos avançados de semicondutores.

2. Camada Dielétrica de Porta

Em certas estruturas de dispositivos, o SiON também pode ser usado como camada dielétrica de porta ou em estruturas dielétricas relacionadas.

Em comparação com o SiO₂ tradicional, a incorporação adequada de nitrogênio pode melhorar as propriedades do filme, reduzir a corrente de fuga e ajudar a suprimir a penetração de boro para aumentar a confiabilidade do dispositivo.

Por esta razão, o SiON desempenhou um papel importante no desenvolvimento de dispositivos CMOS avançados.

3. Passivação e Camadas Protetoras

O SiON também é comumente usado como passivação de superfície-de wafer ou como camada protetora.

Ele pode bloquear a difusão de umidade, íons de sódio e outras impurezas, protegendo as estruturas subjacentes do dispositivo e melhorando a confiabilidade-do chip a longo prazo.

Comparado com o SiO₂, o SiON geralmente oferece melhor desempenho de barreira.

Comparado com o Si₃N₄, o SiON oferece tensão no filme que é relativamente mais fácil de controlar.

Portanto, em aplicações que exigem confiabilidade e controle-de estresse do filme, o SiON é uma solução valiosa e equilibrada.

4. Máscara Dura

O SiON também pode ser usado como material-de máscara rígida em processos de gravação.

Uma máscara rígida deve manter boa seletividade de ataque e estabilidade estrutural durante a transferência do padrão. Com boa uniformidade de filme, seletividade de gravação e compatibilidade de processo, o SiON é adequado para determinados processos de transferência-de padrões.

04 Como o SiON é diferente de SiO₂ e Si₃N₄?

Do ponto de vista das propriedades do material, o SiON pode ser considerado como um material dielétrico sintonizável entre SiO₂ e Si₃N₄.

As vantagens do SiO₂incluem baixo estresse, processamento maduro e boa compatibilidade. No entanto, o seu índice de refração é relativamente baixo e fixo, e o seu desempenho de barreira é limitado.

As vantagens do Si₃N₄incluem forte capacidade de barreira, alto índice de refração e boa resistência mecânica. No entanto, o estresse do filme geralmente é alto, exigindo um controle mais cuidadoso da janela do processo-em alguns aplicativos.

O valor do SiONreside na sua capacidade de obter combinações de propriedades mais flexíveis entre os dois, ajustando a proporção de oxigênio-para-nitrogênio:

• Controle de índice de refração-mais flexível do que SiO₂;
• Controle de tensão mais fácil que Si₃N₄;
• Melhor desempenho de barreira que o SiO₂ padrão;
• Boa compatibilidade de processo para uma variedade de processos de semicondutores.

Portanto, o SiON não é um simples substituto para nenhum dos materiais. Em vez disso, fornece aos engenheiros de processo uma opção de material mais flexível.

05 Métodos Típicos de Preparação para SiON

Na fabricação de semicondutores, os filmes finos de SiON são geralmente preparados por deposição química de vapor e métodos relacionados. Os processos comuns incluem:

PECVD

PECVD, ou Plasma{0}}Enhanced Chemical Vapor Deposition, é um dos métodos mais comuns para preparar filmes de SiON.

Sua vantagem é a temperatura de deposição relativamente baixa, tornando-o adequado para etapas do processo que são sensíveis ao orçamento térmico. Ele também oferece forte flexibilidade de processo.

LPCVD

LPCVD, ou deposição química de vapor de baixa{0}pressão, geralmente requer temperaturas de deposição mais altas, mas pode fornecer melhor qualidade, densidade e uniformidade de filme. É adequado para aplicações com requisitos de qualidade-de filme mais elevados.

Processos Relacionados à Oxidação Térmica/Nitretação Térmica

Em certos processos especiais, uma camada de SiON com estruturas e propriedades específicas também pode ser formada pelo tratamento térmico da superfície de SiO₂ ou Si₃N₄.

Diferentes métodos de preparação afetam a densidade do filme, a tensão, o índice de refração, a uniformidade e a qualidade da interface. Em aplicações práticas, a escolha do método deve ser baseada na estrutura do dispositivo e nos objetivos do processo.

06 Por que o SiON é importante na fabricação de semicondutores?

A importância do SiON vem dos vários requisitos impostos aos materiais-de película fina na fabricação de semicondutores.

Em processos avançados, um material-de filme fino geralmente não consegue satisfazer apenas um requisito de desempenho. Muitas vezes é necessário equilibrar:

• Desempenho óptico;
• Desempenho de isolamento;
• Desempenho de barreira;
• Controle de estresse;
• Seletividade de ataque;
• Compatibilidade de processos;
• Confiabilidade-de longo prazo.

A vantagem do SiON é que ele fornece espaço ajustável entre esses fatores de desempenho.

Isto é especialmente valioso em estruturas de filmes multicamadas, comoSiON + SiO₂ + SiNcombinações, onde diferentes materiais podem executar separadamente funções de anti-reflexo, buffer, barreira e proteção para otimizar a estrutura geral.

Essa abordagem-de combinação de materiais reflete um princípio importante na fabricação de semicondutores:

Os materiais não são utilizados isoladamente; eles alcançam seu valor por meio do projeto estrutural e da correspondência de processos.

Considerações Finais

O oxinitreto de silício SiON é um material dielétrico funcional típico usado na fabricação de semicondutores.

Seu valor fundamental não vem da excelência em uma única propriedade, mas de suasintonização e desempenho equilibrado. Ao controlar com precisão a proporção de oxigênio-para{2}}nitrogênio, o SiON pode alcançar um equilíbrio prático entre índice de refração, estresse, desempenho de barreira e compatibilidade de processo.

Para a fabricação de semicondutores, esse tipo de material de filme fino-projetável e controlável é uma base importante para transferência de padrões de alta-precisão, maior confiabilidade do dispositivo e janelas de processo otimizadas.

À medida que as estruturas dos dispositivos semicondutores continuam a se tornar mais complexas, os materiais dielétricos funcionais, como o SiON, continuarão a desempenhar um papel importante na fabricação de wafers, na litografia, na deposição-de filmes finos e na proteção de dispositivos.