チップ中の窒化ケイ素（SiNx）の重要性について話す

チップ製造において、窒化ケイ素（SiNx）という重要な役割を果たす材料がある。シリコン（Si）、ガリウム砒素（GaAs）、またはガリウム窒化物（GaN）などの他のより周知の半導体材料と同様の関心が得られていない可能性があるが、その重要性は間違いない。ほとんどのチップがこの材料を使用していると言っても過言ではありません。

なぜSiNxなのか？

注意深い仲間は、私が窒化ケイ素の化学式を書くときに使っているのはSiNxであることに気づいた。高校の化学を学んだことのある友人は、Nは第5の主族元素であり、本来ならば化学結合価は-3であるべきだが、ケイ素の化学価は+4であり、窒化ケイ素の化学式はSi 3 N 4でなければならないのに、どうしてSiNxなのだろうか。

まず、窒素の多価状態について説明します。

窒素元素は多くの原子価状態を持っているが、これは主に5つの原子価電子を持っており、窒素原子のエネルギーは異なる方法でこれらの電子を共有しており、窒素元素は異なる原子価状態を形成することができ、これは主に他の元素と共有する電子の数に依存している。

窒素にとって最も安定な原子価状態は、アンモニア（NH 3）、窒化ガリウム（GaN）などの−3である。しかし、窒素はまた、硝酸（HNO 3）中の＋5価状態などの損失電子によって正価状態を形成することができる。さらに、窒素は、亜硝酸（HNO 2）中の＋3価状態、またはいくつかの有機化合物中の＋1および＋2価状態など、−3〜＋5の間の価状態を形成することもできる。

次に、窒化ケイ素という材料について説明します。

半導体産業では、様々な用途に使用される窒化ケイ素は非定比であることが多く、一般にSiNxで表される。SiNxはアモルファス材料であり、その性質は窒素とシリコンの比率、すなわちxの値に依存する。xの値が変化すると、窒化ケイ素の物理的および化学的性質も変化する。窒化ケイ素には、Si 3 N 4、Si 2 N 2、SiNなど、さまざまな形態があります。

一方、Si 3 N 4は結晶性材料であり、これはシリコンと窒素の割合が固定されていることを意味する。xの値が4/3に等しい場合、SiNxはSi 3 N 4に等しい。しかし、実際の用途では、SiNxは非定比であることが多く、そのシリコンと窒素の割合はPVDまたはCVDプロセスのパラメータを変更することで調整することができる。

チップ製造におけるSiNxの役割は？

窒化ケイ素の絶縁性は非常に優れており、抵抗率は10 ^ 14Ω・cmまで高く、酸化ケイ素（SiO 2）などの一般的な絶縁材料をはるかに上回ることができる。その低誘電率はマイクロ波と無線周波数用途に理想的な分離層になる。窒化シリコン層はチップ中でも不純物拡散を遮断する役割を果たす。ホウ素、リンなどのドーパントが拡散によってデバイス特性を変化させるのを防ぐことができる。また、ショートなどの故障を防ぐために金属イオンなどの拡散を防ぐこともできます。

窒化ケイ素の熱安定性は極めて良く、その特殊な化学的性質と結晶構造によって決定される。他の材料のように化学分解や物理的形状の変化を起こすことなく、高温環境下で安定を保つことができます。それは、窒化ケイ素の結晶構造において、それぞれのケイ素原子は4つの窒素原子と四面体の形で結合し、それぞれの窒素原子も4つのケイ素原子と四面体の形で結合しているからである。この構造により、窒化ケイ素の結晶格子は極めて安定し、変形しにくい。したがって、高電子移動度トランジスタ（HEMTs）を製造する際にはゲート絶縁層とする。

SiO 2に対するSiNxの優位性は？

熱安定性がより良い

硬度がより硬い

よりエッチングしにくい