Выкарыстанне металаў у вытворчасці паўправадніковых прылад
Паўправадніковыя прыборы, такія як транзістары, дыёды, датчыкі, інтэгральныя схемы (ІС) і працэсары, з'яўляюцца асновай сучасных тэхналогій. За іх высокай прадукцыйнасцю і ўсё меншымі памерамі хаваецца складаны, дакладны і вельмі залежны ад матэрыялаў вытворчы працэс. Адной з груп матэрыялаў, роля якіх незаменная, з'яўляецца метал. Металы выкарыстоўваюцца не толькі ў якасці электраправодных «правадоў», але і ў якасці электрычных кантактаў, дыфузійных бар'ераў, злучальных элементаў паміж кампанентамі і функцыянальных матэрыялаў у літаграфіі і працэсах упакоўкі. У гэтым артыкуле абмяркоўваецца, як металы выкарыстоўваюцца ў вытворчасці паўправадніковых прыбораў, якія тыпы металаў звычайна выкарыстоўваюцца, а таксама праблемы і напрамкі іх развіцця.
1. Роля металаў у паўправадніковых прыладах
Увогуле, металы ў паўправадніковых прыладах выконваюць некалькі асноўных функцый:
1. Узаемасувязь (праводка): злучэнне транзістараў і іншых кампанентаў у чыпе праз вельмі шчыльныя і шматслаёвыя металічныя дарожкі (шматслаёвае злучэнне).
2. Омічныя кантакты і кантакты Шоткі: утвараюць электрычны інтэрфейс паміж металам і паўправадніком. Омічныя кантакты дазваляюць току працякаць у абодвух напрамках з нізкім супраціўленнем, у той час як кантакты Шоткі ўтвараюць дыёд з выпрамляльнымі характарыстыкамі.
3. Бар'ерны пласт і пласт адгезіі: прадухіляе дыфузію атамаў металу ў паўправадніковы або дыэлектрычны матэрыял і дапамагае металу трывала прыліпаць да ніжэйпададзенага пласта.
4. Затворны электрод на транзістары: У некаторых тэхналогіях для фарміравання затворнага электрода на MOSFET выкарыстоўваецца метал для лепшага кіравання каналам і зніжэння супраціву.
5. Матэрыялы ў вытворчым працэсе: Металы і металічныя злучэнні выкарыстоўваюцца ў якасці цвёрдых масак, адбівальных слаёў або хімічных кампанентаў для нанясення і травлення.
6. Камплектацыя і падключэнне мікрасхем: для падлучэння мікрасхемы да друкаванай платы і абароны прылады ад уздзеяння навакольнага асяроддзя выкарыстоўваюцца прыпой, злучэнне правадоў, плоскасці і розныя металічныя сплавы.
Іншымі словамі, прадукцыйнасць сучасных мікрасхем вызначаецца не толькі крэмніем або іншымі паўправадніковымі матэрыяламі, але і тым, як выбраны і інтэграваны металы.
2. Металы для міжзлучэнняў: ад алюмінію да медзі і кобальту
У ранніх пакаленнях мікрасхем алюміній (Al) быў асноўным выбарам для міжзлучэнняў, таму што яго было лёгка наносіць, ён быў адносна недарагім і сумяшчальным з вытворчымі працэсамі таго часу. Аднак, па меры павелічэння шчыльнасці транзістараў і ўзрастання патрабаванняў да току, такія праблемы, як электраміграцыя — рух атамаў металу з-за высокага патоку электронаў — прывялі да разрываў шляхоў і зніжэння надзейнасці.
Затым прамысловасць звярнулася да медзі (Cu), паколькі яна мае ніжэйшае ўдзельнае супраціўленне, чым алюміній, што зніжае страты магутнасці і павялічвае хуткасць перадачы сігналу. Аднак медзь стварае праблему: медзь лёгка дыфузіруе ў дыэлектрыкі (напрыклад, SiO₂ або дыэлектрыкі з нізкім k) і можа пагоршыць электрычныя ўласцівасці. Таму медзь амаль заўсёды выкарыстоўваецца з бар'ерным пластом, такім як тантал (Ta) або нітрыд тантала (TaN).
У тэхналогіях усё меншых памераў (перадавога ўзроўню) папярочны сячэнне ўзаемасувязі памяншаецца, што яшчэ больш павялічвае супраціўленне, і межавыя эфекты (павярхоўнае рассейванне) становяцца больш дамінуючымі. Для некаторых слаёў пачало з'яўляцца выкарыстанне кобальту (Co) або рутэнія (Ru) у якасці альтэрнатывы/дапаўнення да Cu, паколькі гэта можа забяспечыць больш стабільную працу пры вельмі малых памерах і памяншае неабходнасць у тоўстых бар'ерах.
3. Кантакты метал-паўправаднік: омічныя і Шоткі
Кантакт паміж металам і паўправадніком — адзін з найбольш важных аспектаў. Калі кантакт занадта рэзістыўны, транзістар хутка пераграваецца і губляе прадукцыйнасць. У сучасных CMOS-прыладах кантакты вытоку/стоку і кантактныя раздымы распрацаваны так, каб мець мінімальна магчымае супраціўленне.
Некаторыя металы і злучэнні, якія звычайна выкарыстоўваюцца для кантактаў, ўключаюць:
– Тытан (Ti): часта выкарыстоўваецца ў якасці адгезійнага і рэактыўнага пласта для ўтварэння сіліцыдаў.
– Нікель (Ni) і кобальт (Co): распаўсюджаныя ў працэсах сіліцыдацыі (напрыклад, NiSi, CoSi₂) для зніжэння кантактнага супраціўлення ў крэмніі.
– Вальфрам (W): шырока выкарыстоўваецца ў якасці «заглушкі» для запаўнення кантактных адтулін (запаўненне кантактаў/пераходных адтулін), паколькі ён стабільны і падыходзіць для CVD (хімічнага асаджэння з паравой фазы).
– Плаціна (Pt) або паладый (Pd): могуць выкарыстоўвацца для стварэння кантактаў Шоткі або для пэўных ужыванняў, якія патрабуюць высокай хімічнай стабільнасці.
У прыладах, вырабленых з паўправаднікоў, акрамя крэмнію, такіх як GaN (нітрыд галію) або SiC (карбід крэмнію), выбар кантактнага металу становіцца ўсё больш важным з-за адрозненняў у структуры энергетычных зон, патрабаванняў да высокіх тэмператур і больш экстрэмальных умоў эксплуатацыі (напрыклад, сілавая электроніка).
4. Бар'ерны пласт, падкладка і адгезійны пласт
Паколькі сучасныя мікрасхемы вельмі малыя, атамы металу могуць дыфундаваць і выклікаць уцечкі, кароткія замыканні або змены параметраў транзістараў. Таму выкарыстоўваюцца тонкія пласты, якія выконваюць наступныя функцыі:
– Дыфузійны бар'ер: прадухіляе дыфузію медзі або іншых металаў.
– Абліцоўка: дапамагае раўнамерна запоўніць вузкія элементы (траншэі/пераходы).
– Адгезійны пласт: павялічвае адгезію.
Сярод распаўсюджаных матэрыялаў — Ta/TaN, Ti/TiN, W, а ў больш позніх даследаваннях — Ru, бар'еры на аснове Mn або ультратонкія пласты на аснове 2D-матэрыялаў у якасці дыфузійных бар'ераў. Па меры развіцця вузлоў задача складаецца ў тым, каб зрабіць бар'ер як мага танчэйшым, застаючыся пры гэтым эфектыўным, бо занадта тоўсты бар'ер «з'ядае» прастору на шляху і павялічвае супраціўленне.
5. Метал у структуры транзістара: металічны затвор і high-k
У сучасных MOSFET-транзістарах, асабліва пасля з'яўлення затвораў з высокай ступенню аддачы (high-k/металічных), метал зноў адыгрывае важную ролю ў структуры затвора. Раней часта выкарыстоўваліся полікрэмніевыя затворы, але яны сутыкаліся з такімі праблемамі, як эфект знясілення і сумяшчальнасць з дыэлектрыкамі з высокай ступенню аддачы (high-k). З металічнымі затворамі паляпшаецца электрастатычны кантроль і можна падавіць уцечку.
Выкарыстоўваюцца розныя матэрыялы, такія як нітрыд тытана (TiN), нітрыд тантала або камбінацыя металаў, распрацаваная для дасягнення правільнай працы выхаду (каб парогавае напружанне адпавядала праектнаму заданню). У гэтым выпадку метал з'яўляецца не проста правадніком; яго паверхневыя электронныя ўласцівасці вызначаюць паводзіны транзістара.
6. Выкарыстанне металу ў працэсах нанясення і фарміравання малюнкаў
Вытворчасць мікрасхем прадугледжвае нанясенне тонкіх слаёў металу з дапамогай розных метадаў, у тым ліку:
– PVD (фізічнае асаджэнне з паравой фазы): падобна распыленню, распаўсюджана для Al, Ti, Ta і іншых.
– CVD (хімічнае асаджэнне з паравой фазы): часта выкарыстоўваецца для вальфрамавых свечак і некаторых металічных слаёў.
– ALD (атамна-слаёвае нанясенне): вельмі важна для ультратонкіх і канформных слаёў на трохмерных структурах, напрыклад, бар'ерах/ўкладышах, металічных варотах і некаторых кантактных матэрыялах.
Пасля нанясення пласта на метал неабходна нанесці малюнак з дапамогай літаграфіі і травлення або дамаскінавага працэсу (асабліва для Cu), які прадугледжвае стварэнне траншэй у дыэлектрыку, іх запаўненне металам, а затым паліроўку з дапамогай хіміка-механічнай планарызацыі (CMP). Гэты працэс патрабуе адпаведнай суспензіі і хімічных рэчываў для стварэння роўнай паверхні без пашкоджання ніжэйлеглых слаёў.
7. Метал на ўпакоўцы: прыпой, мацаванне і злучэнне дротам
Пасля таго, як пласціна выраблена, чып разразаюць (наразаюць кубікамі) і ўпакоўваюць. На гэтым этапе таксама пераважае метал:
– Для злучэння дротаў выкарыстоўваецца залаты (Au), алюмініевы (Al) або медны (Cu) дрот.
– У bumping і flip-chip выкарыстоўваюцца металічныя слупы/выступы і прыпой для хуткасных злучэнняў і вялікай колькасці кантактаў.
– Сучасныя прыпоі звычайна вырабляюцца на аснове волава (Sn) са сплавамі (напрыклад, Sn-Ag-Cu) для замены свінцовага (Pb) прыпою з экалагічных меркаванняў.
Пашыраныя тэхналогіі ўпакоўкі, такія як чыплеты, інтэграцыя 2.5D/3D і TSV (скразны крэмній праз адтуліну), павялічваюць патрэбу ў высоканадзейных металічных матэрыялах, паколькі шчыльнасць злучэнняў і цеплааддача павялічваюцца.
8. Асноўныя праблемы: электраміграцыя, карозія і супраціўленне ў нанамаштабе
Па меры памяншэння памераў выкарыстанне металу сутыкаецца з сур'ёзнымі праблемамі, у тым ліку:
– Электраміграцыя: металічныя дарожкі могуць быць пашкоджаны высокімі токамі ў малых папярочных перасеках.
– Павышанае эфектыўнае супраціўленне: на нанамаштабе электроны часцей сутыкаюцца з межамі зерняў і паверхнямі, павялічваючы супраціўленне.
– Карозія і хімічная сумяшчальнасць: асабліва на этапах вытворчасці, якія ўключаюць шмат хімічных рэчываў і высокія тэмпературы.
– Абмежаванні бар'ераў: бар'еры павінны быць танчэйшымі і пры гэтым супраціўляцца дыфузіі, што тэхнічна складана.
Такім чынам, даследаванні металічных матэрыялаў для паўправаднікоў працягваюць развівацца, у тым ліку даследаванне Co, Ru, Mo, а таксама новых падыходаў, такіх як міжзлучэнні на аснове альтэрнатыўных матэрыялаў і метады атамнага нанясення.
9. Будучыя напрамкі выкарыстання металу
Будучыя тэндэнцыі ў паўправадніковай прамысловасці спрыяюць выкарыстанню больш "спецыялізаваных" металаў на атамным узроўні. Сучасныя вузлы і трохмерныя архітэктуры (FinFET, наналісты GAA і г.д.) патрабуюць вельмі аднастайных, ультратонкіх металічных слаёў з чыстымі межамі інтэрфейсаў. Акрамя таго, неабходнасць энергаэфектыўнасці і хуткасці таксама робіць выбар металаў для міжзлучэнняў і кантактаў ключавым фактарам.
Што тычыцца ўпакоўкі, патрабаванні да высокай прапускной здольнасці і неаднародная інтэграцыя стымулююць інавацыі ў галіне паяных, ударна-мацавальных і металічных інтэрпазітараў. Метал — гэта не проста апорны кампанент, але і фундаментальная частка канструкцыі, прадукцыйнасці і надзейнасці сістэмы.
Выснова
Металы адыгрываюць цэнтральную ролю ў вырабе паўправадніковых прылад: у якасці злучэнняў, кантактаў, бар'ераў, металічных вентыляў і асновы ўпакоўкі. Выбар металу вызначаецца не толькі праводнасцю, але і дыфузіяй, адгезіяй, тэрмічнай стабільнасцю, сумяшчальнасцю з працэсамі і доўгатэрміновай надзейнасцю. Па меры павелічэння мініяцюрызацыі і складанасці такія праблемы, як электраміграцыя і нанамаштабная ўстойлівасць, прымушаюць прамысловасць распрацоўваць новыя матэрыялы і працэсы. Таму разуменне выкарыстання металаў у паўправадніках мае вырашальнае значэнне не толькі для інжынераў па матэрыялах і працэсах, але і для ўсіх, хто імкнецца зразумець, як будзе працягваць развівацца сучасная тэхналогія чыпаў.
