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氮化硅化合价是多少,氮化硅是半导体材料吗为什么

更新时间  2023-09-16 阅读 192

在芯片制造中,有一种材料扮演着至关重要的角色,那就是氮化硅(SiNx)。尽管它可能并未获得和其他更为熟知的半导体材料,如硅(Si)、砷化镓(GaAs)或氮化镓(GaN)等同样的关注,但它的重要性无疑是毋庸置疑的。可以这么说,绝大多数芯片都会用到这种材料。

为什么是SiNx?

细心的小伙伴已经注意到,我在书写氮化硅化学式的时候用的是SiNx.学过高中化学的朋友都应该知道,N是第五主族元素,按理说化合价应该为-3.而硅的化学价为+4.氮化硅的化学式应该为Si3N4才对,怎么会是SiNx?

首先,要说说氮的多价态:

氮元素具有多种价态,这主要是因为它具有5个价电子,且氮原子能以不同方式共享这些电子,氮元素可以形成不同的价态,这主要取决于它与其他元素共享电子的数量。

对于氮来说,它最稳定的价态是-3.如在氨(NH3),氮化镓(GaN)中。然而,氮也可以通过损失电子形成正价态,如在硝酸(HNO3)中的+5价态。此外,氮也可以形成介于-3和+5之间的价态,如在亚硝酸(HNO2)中的+3价态,或在一些有机化合物中的+1和+2价态。

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其次,说说氮化硅这种材料:

在半导体工业中,用于各种应用的氮化硅往往是非定比的,一般用SiNx表示。SiNx是一种非晶态材料,其性质取决于氮和硅的比例,即x的值。当x的值改变时,氮化硅的物理和化学性质也会改变。氮化硅的确有多种形式,包括Si3N4.Si2N2.SiN等。

而Si3N4是一种晶态材料,这意味着它的硅和氮的比例是固定的。当x的值等于4/3时,SiNx等于Si3N4.但在实际应用中,SiNx往往是非定比的,其硅和氮的比例可以通过改变PVD或CVD过程的参数进行调控。

SiNx在芯片制造中的作用?

氮化硅的绝缘性能非常优秀,电阻率可以高达10^14 Ω·cm,远超过一些常见的绝缘材料,如氧化硅(SiO2)。而它的低介电常数又使得它在微波和射频应用中成为理想的隔离层。氮化硅层在芯片中也起到阻挡杂质扩散的作用。它可以阻止硼、磷等掺杂物通过扩散改变器件特性。此外,它还可以阻止金属离子等的扩散,以防止短路等故障。

氮化硅的热稳定性极佳,是由其特殊的化学性质和晶体结构决定的。它可以在高温环境下保持稳定,而不会像其他材料那样发生化学分解或者物理形状的变化。那是因为在氮化硅的晶体结构中,每一个硅原子都与四个氮原子以四面体的形式结合在一起,每一个氮原子也都与四个硅原子以四面体的形式结合在一起。这种结构使得氮化硅的晶体格极为稳定,不易发生形变。因此在制造高电子迁移率晶体管(HEMTs)时作为栅极绝缘层。

SiNx相对于SiO2的优势?

热稳定性更好

硬度更硬

更难刻蚀