暴力讲解半导体中的“氮化硅”

发布时间 | 2019-11-13 18:34 分类 | 粉体加工技术点击量 | 10690

碳化硅氮化硅氧化硅

导读：

今天小编要给大家坐下来唠唠氮化硅这个东西。这个东西，大家平常都不怎么看到，但是我可以跟你讲，你们每个人身上一定能找到这个物质(看下图)。神奇吧！那为啥明明存在你却看不到了？

可以很嚣张的说，没有氮化硅，就没有今天如此普及的电子产品。记住，我们现在电子系统都是以硅基为基础的，这里就包括了硅，以及氮化硅，氧化硅，氮氧化硅等，那随着近期的科技发展，技术朝向另外一个方向，叫做碳基电子，意思就是所有现在硅材料都要换成碳材料，为啥了？硅与碳都化学周期表种第四主族元素，具有类似电学性能，但是碳基点在具有比硅基更优秀的地方在于碳基具备“柔性，延展性”这些特征，从而产生更多奇妙的应用。更贴切一个例子，人身体其实就是一个碳基的电子系统，我们大脑，神经，传递电信号，都是基于有机物的，我们肌肉，视觉，听觉，触觉都是基于一系列的化学反应产生的电信号使大脑产生了对应感受。从这个思路想下去，那么是不是“人造人”就指日可待了？

貌似跑远了，回来谈一下本文主角氮化硅，看看它到底都用在哪里？

目前我么使用电子系统最基础的开关单元MOSFET（metal-oxidefieldeffecttransistor）这个东西了，大概长这样的(小编手动画图，质量非上乘，轻喷)，主要由5个小结构构成，分别是半导体层，源极（S），漏极(D)，绝缘层(GI)，以及栅极(G)，其中semiconductor了，目前主流的都是硅，现在也逐渐由氮化镓，砷化镓，碳化硅等等这些材料，记住一个特点，它们都是半导体。(私密康打可特儿)

首先聊聊S，D，G：依照不同的工艺会有不同的选择，一般再面板行业只要Al，Ti，Mo这种金属，便宜。主要作用是导电，半导体里因为功率的考虑，会采用Cu，目前3nm以下的工艺，金属Co也再逐渐被关注，所以，群里的大拿可以思考提前布局一下。这些金属使怎么做上去了，这里有必要再多讲一点，跟粉友都有关。

我们在之前的系列文章中提到过，这种二维材料的加工方式，有一种就是PVD(physicvapordeposition)，像这个金属层，基本都是用这个工艺来实现的，这个工艺种涉及一种材料就是我们讲的靶材，靶材是怎么做的了？简单讲就是将块状金属材料搞成粉体，然后在通过压力将它们压成一个饼(靶材)然后bonding到一个铜板上。就我这个轻描淡写的几句，国内高端的靶材还是依赖进口。国内像XX电子在做这一块，基本上都低附加值的金属靶材，说着都心痛，最肥的肉都给别人吃。据我所知，困难点就是在纯度，研磨后形态，以及后续的压缩过程如晶粒取向均一性。

接着聊聊GI：想必大家都已经猜测到了，（大家久等了，终于到了本文的主题）他就是氮化硅，也有用氧化硅的，GI全名gateinsulter，就是一个绝缘层，它作用是啥？这得要从场效应管说起。

如果给S/D₂侧施加一个电压的话，电荷会透过下面的semiconductor传递，从而形成一个电流，但是因为semiconductor的电导率很低，那点电流几乎可以认为是0。

聪明的人会想，怎么提高这个电流了？于是有人就像给G施加一个电压，发现，随着G的增加，S/D的电流就跟着增加，当G的电压足够高的时候，那么S/D间的电流就足够大，用于进行信号传递，逻辑计算。

但是继续增大G的电压可行么？实验证明是不可行的，当G增大到一定程度，S/G之间会形成一个电压差，那么GI也会从绝缘体变成一个半导体，从而在S/G上产生一股电流，我们称之为漏流，这就不好玩了，更由甚者，这股电流会发热，（Q=I*R2），带来另外一个现象叫做“雪崩效应”，有点类似链式反应，这个GI会被击穿(炸开，太热了)。

回过头来再看，为什么氮化硅能够胜任这层了？大家不妨去查查它的介电系数，击穿电压等等参数。当然，到目前为止，SiNx是被广泛应用的，但也不是说它没有对手，比如一些金属氧化物。

那再来聊聊这个SiNx是怎么做上去的？这就有另外一个工艺叫做CVD（chemicalvapordeposition），就是用气体反应生成固体，然后沉积。目前主流氮化硅的反应气体主要如下：

NH₃+SiH₄àSiNx

N₂+SiH₄àSiNx

SiH₄，这个玩意我们叫它硅烷，跟CH₄是亲戚(甲烷)，它的脾气很暴躁，遇水即爆，沾火就燃。是目前半导体产业的基础特殊气体之一，目前国能一些厂商再做了。讲到这里又不得不吐槽一句，这个气体吧，对杂质要求很高，电子级的，危险品。就包装它的容器，NND，还被国外垄断，咱们的容器做不出这种等级的容器，许多工艺基础往深里刨，都是一些咱们最平常不起眼的地方却被别人卡脖子。有兴趣大家可以再去查查中国目前乳制品的包装盒是不是国产的？我喝下去一盒6块钱的酸奶，大概盒子就要值2块钱了~想着好气人。