暴力講解半導體中的“氮化硅”

發布時間 | 2019-11-13 18:34 分類 | 粉體加工技術點擊量 | 10847

碳化硅氮化硅氧化硅

導讀：

今天小編要給大家坐下來嘮嘮氮化硅這個東西。這個東西，大家平常都不怎么看到，但是我可以跟你講，你們每個人身上一定能找到這個物質(看下圖)。神奇吧！那為啥明明存在你卻看不到了？

可以很囂張的說，沒有氮化硅，就沒有今天如此普及的電子產品。記住，我們現在電子系統都是以硅基為基礎的，這里就包括了硅，以及氮化硅，氧化硅，氮氧化硅等，那隨著近期的科技發展，技術朝向另外一個方向，叫做碳基電子，意思就是所有現在硅材料都要換成碳材料，為啥了？硅與碳都化學周期表種第四主族元素，具有類似電學性能，但是碳基點在具有比硅基更優秀的地方在于碳基具備“柔性，延展性”這些特征，從而產生更多奇妙的應用。更貼切一個例子，人身體其實就是一個碳基的電子系統，我們大腦，神經，傳遞電信號，都是基于有機物的，我們肌肉，視覺，聽覺，觸覺都是基于一系列的化學反應產生的電信號使大腦產生了對應感受。從這個思路想下去，那么是不是“人造人”就指日可待了？

貌似跑遠了，回來談一下本文主角氮化硅，看看它到底都用在哪里？

目前我么使用電子系統最基礎的開關單元MOSFET（metal-oxidefieldeffecttransistor）這個東西了，大概長這樣的(小編手動畫圖，質量非上乘，輕噴)，主要由5個小結構構成，分別是半導體層，源極（S），漏極(D)，絕緣層(GI)，以及柵極(G)，其中semiconductor了，目前主流的都是硅，現在也逐漸由氮化鎵，砷化鎵，碳化硅等等這些材料，記住一個特點，它們都是半導體。(私密康打可特兒)

首先聊聊S，D，G：依照不同的工藝會有不同的選擇，一般再面板行業只要Al，Ti，Mo這種金屬，便宜。主要作用是導電，半導體里因為功率的考慮，會采用Cu，目前3nm以下的工藝，金屬Co也再逐漸被關注，所以，群里的大拿可以思考提前布局一下。這些金屬使怎么做上去了，這里有必要再多講一點，跟粉友都有關。

我們在之前的系列文章中提到過，這種二維材料的加工方式，有一種就是PVD(physicvapordeposition)，像這個金屬層，基本都是用這個工藝來實現的，這個工藝種涉及一種材料就是我們講的靶材，靶材是怎么做的了？簡單講就是將塊狀金屬材料搞成粉體，然后在通過壓力將它們壓成一個餅(靶材)然后bonding到一個銅板上。就我這個輕描淡寫的幾句，國內高端的靶材還是依賴進口。國內像XX電子在做這一塊，基本上都低附加值的金屬靶材，說著都心痛，最肥的肉都給別人吃。據我所知，困難點就是在純度，研磨后形態，以及后續的壓縮過程如晶粒取向均一性。

接著聊聊GI：想必大家都已經猜測到了，（大家久等了，終于到了本文的主題）他就是氮化硅，也有用氧化硅的，GI全名gateinsulter，就是一個絕緣層，它作用是啥？這得要從場效應管說起。

如果給S/D₂側施加一個電壓的話，電荷會透過下面的semiconductor傳遞，從而形成一個電流，但是因為semiconductor的電導率很低，那點電流幾乎可以認為是0。

聰明的人會想，怎么提高這個電流了？于是有人就像給G施加一個電壓，發現，隨著G的增加，S/D的電流就跟著增加，當G的電壓足夠高的時候，那么S/D間的電流就足夠大，用于進行信號傳遞，邏輯計算。

但是繼續增大G的電壓可行么？實驗證明是不可行的，當G增大到一定程度，S/G之間會形成一個電壓差，那么GI也會從絕緣體變成一個半導體，從而在S/G上產生一股電流，我們稱之為漏流，這就不好玩了，更由甚者，這股電流會發熱，（Q=I*R2），帶來另外一個現象叫做“雪崩效應”，有點類似鏈式反應，這個GI會被擊穿(炸開，太熱了)。

回過頭來再看，為什么氮化硅能夠勝任這層了？大家不妨去查查它的介電系數，擊穿電壓等等參數。當然，到目前為止，SiNx是被廣泛應用的，但也不是說它沒有對手，比如一些金屬氧化物。

那再來聊聊這個SiNx是怎么做上去的？這就有另外一個工藝叫做CVD（chemicalvapordeposition），就是用氣體反應生成固體，然后沉積。目前主流氮化硅的反應氣體主要如下：

NH₃+SiH₄àSiNx

N₂+SiH₄àSiNx

SiH₄，這個玩意我們叫它硅烷，跟CH₄是親戚(甲烷)，它的脾氣很暴躁，遇水即爆，沾火就燃。是目前半導體產業的基礎特殊氣體之一，目前國能一些廠商再做了。講到這里又不得不吐槽一句，這個氣體吧，對雜質要求很高，電子級的，危險品。就包裝它的容器，NND，還被國外壟斷，咱們的容器做不出這種等級的容器，許多工藝基礎往深里刨，都是一些咱們最平常不起眼的地方卻被別人卡脖子。有興趣大家可以再去查查中國目前乳制品的包裝盒是不是國產的？我喝下去一盒6塊錢的酸奶，大概盒子就要值2塊錢了~想著好氣人。