Използване на метали в производството на полупроводникови устройства
Полупроводниковите устройства – като транзистори, диоди, сензори, интегрални схеми (ИС) и процесори – са гръбнакът на съвременните технологии. Зад тяхната висока производителност и все по-малки размери се крие сложен, прецизен и силно зависим от материалите производствен процес. Една група материали, чиято роля е незаменима, са металите. Металите се използват не само като електропроводими „проводници“, но и като електрически контакти, дифузионни бариери, свързващи елементи между компонентите и функционални материали в литографията и процесите на опаковане. Тази статия разглежда как металите се използват в производството на полупроводникови устройства, видовете метали, които често се използват, както и предизвикателствата и насоките на тяхното развитие.
1. Ролята на металите в полупроводниковите устройства
Като цяло, металите в полупроводниковите устройства имат няколко основни функции:
1. Взаимно свързване (окабеляване): Свързване на транзистори и други компоненти в чипа чрез много плътни и многослойни метални пътища (многослойно свързване).
2. Омически контакти и Шотки контакти: Образуват електрически интерфейс между метал и полупроводник. Омическите контакти позволяват токът да протича в двете посоки с ниско съпротивление, докато Шотки контактите образуват диод с изправителни характеристики.
3. Бариерен слой и адхезионен слой: Предотвратява дифузията на метални атоми в полупроводниковия или диелектричния материал и помага на метала да се прилепи здраво към слоя отдолу.
4. Електрод на затвора на транзистор: В някои технологии се използва метал за оформяне на електрода на затвора на MOSFET за по-добър контрол на канала и по-ниско съпротивление.
5. Материали в производствения процес: Металите и металните съединения се използват като твърди маски, отразяващи слоеве или химически компоненти за отлагане и ецване.
6. Опаковка и свързване на чип: За свързване на чипа към платката и защита на устройството от околната среда се използват спойка, свързване на проводници, тъпкови съединения и различни метални сплави.
С други думи, производителността на съвременните чипове се определя не само от силиция или други полупроводникови материали, но и от това как са избрани и интегрирани металите.
2. Метали за междусвързване: от алуминий до мед и кобалт
В ранните поколения интегрални схеми, алуминият (Al) е бил основният избор за междуконектори, тъй като е бил лесен за отлагане, сравнително евтин и съвместим с производствените процеси на онова време. С увеличаването на плътността на транзисторите и нарастването на изискванията за ток обаче, проблеми като електромиграцията – движението на металните атоми поради високия електронен поток – са причинявали прекъсвания на пътищата и са намалявали надеждността.
След това индустрията се насочи към медта (Cu), защото тя има по-ниско съпротивление от алуминия, което намалява загубите на мощност и увеличава скоростта на сигнала. Медта обаче представлява предизвикателство: Cu лесно дифундира в диелектрици (напр. SiO₂ или диелектрици с ниска k стойност) и може да влоши електрическите свойства. Следователно, Cu почти винаги се използва с бариерен слой, като например тантал (Ta) или танталов нитрид (TaN).
При все по-малките технологии (усъвършенствани възли), напречното сечение на взаимовръзката се свива, което допълнително увеличава съпротивлението, а граничните ефекти (повърхностно разсейване) стават по-доминиращи. За определени слоеве започва да се появява използването на кобалт (Co) или рутений (Ru) като алтернатива/допълнение към медта (Cu), тъй като това може да осигури по-стабилна производителност при много малки размери и намалява необходимостта от дебели бариери.
3. Контакти метал-полупроводник: омически и Шотки
Контактът между метал и полупроводник е един от най-критичните аспекти. Ако контактът е твърде резистивен, транзисторът прегрява бързо и губи производителност. В съвременните CMOS устройства, контактите сорс/дрейн и контактните щепсели са проектирани да имат възможно най-ниско съпротивление.
Някои метали и съединения, често използвани за контакти, включват:
– Титан (Ti): често се използва като адхезивен и реактивен слой за образуване на силициди.
– Никел (Ni) и кобалт (Co): често срещани в процесите на силициране (напр. NiSi, CoSi₂) за намаляване на контактното съпротивление в силиция.
– Волфрам (W): широко използван като „тапа“ за запълване на контактни отвори (запълване на контакти/преходи), тъй като е стабилен и подходящ за CVD (химическо отлагане от газова фаза).
– Платина (Pt) или паладий (Pd): може да се използва за образуване на Шотки контакти или за определени приложения, които изискват висока химическа стабилност.
В устройства, изработени от полупроводници, различни от силиций – като GaN (галиев нитрид) или SiC (силициев карбид) – изборът на контактен метал става все по-важен поради разликите в структурата на енергийните зони, изискванията за висока температура и по-екстремните работни среди (напр. силова електроника).
4. Бариерен слой, лайнер и адхезионен слой
Тъй като съвременните чипове са толкова малки, металните атоми могат да дифундират и да причинят течове, късо съединение или промени в параметрите на транзисторите. Затова се използват тънки слоеве, които изпълняват следните функции:
– Дифузионна бариера: предотвратява дифузията на мед (Cu) или други метали.
– Обшивка: помага за равномерното запълване на тесни елементи (траншея/виа).
– Адхезионен слой: увеличава адхезията.
Често срещаните материали включват Ta/TaN, Ti/TiN, W, а в по-нови изследвания - Ru, бариери на базата на Mn или ултратънки слоеве, базирани на 2D материали, като дифузионни бариери. С развитието на възлите, предизвикателството е да се направи бариерата възможно най-тънка, като същевременно остане ефективна, тъй като твърде дебела бариера „изяжда“ пространството по пътя и увеличава съпротивлението.
5. Метал в структурата на транзистора: метален гейт и high-k
В съвременните MOSFET транзистори, особено след въвеждането на металните порти с висока k-волта (high-k), металът отново играе основна роля в структурата на портите. Преди това често се използваха полисилициеви порти, но те се сблъскваха с проблеми като ефекта на изчерпване и съвместимостта с диелектрици с висока k-волта. С металните порти електростатичният контрол се подобрява и течовете могат да бъдат потиснати.
Използваните материали варират, като например титанов нитрид (TiN), танталов нитрид или комбинация от метали, пригодени за постигане на правилната работа (така че праговото напрежение да отговаря на проектното). Тук металът не е просто проводник; неговите повърхностни електронни свойства определят поведението на транзистора.
6. Използване на метал в процесите на отлагане и моделиране
Производството на чипове включва отлагането на тънки слоеве метал чрез различни техники, включително:
– PVD (Физическо отлагане от пари): подобно на разпрашаване, често срещано за Al, Ti, Ta и други.
– CVD (химическо отлагане от пари): често се използва за W (волфрамови) свещи и някои метални слоеве.
– ALD (Атомно отлагане на слоеве): много важно за ултратънки и конформни слоеве върху 3D структури, например бариери/облицовки, метални порти и някои контактни материали.
След отлагането, металът трябва да бъде моделиран с помощта на литография и ецване или дамаскински процес (особено за Cu), който включва създаване на канали в диелектрика, запълването им с метал и след това полирането им чрез химико-механично планаризиране (CMP). Този процес изисква правилната суспензия и химия, за да се създаде равна повърхност, без да се повредят подлежащите слоеве.
7. Метал върху опаковката: спойка, бут и жична връзка
След като пластината е готова, чипът се нарязва (нарязва на кубчета) и се опакова. На този етап металът също е доминиращ:
– За свързване на проводници се използва златна (Au), алуминиева (Al) или медна (Cu) тел.
– Bumping и flip-chip използват метални стълбове/издатини и спойка за високоскоростни връзки и голям брой пинове.
– Съвременните припои обикновено са на основата на калай (Sn) със сплави (напр. Sn-Ag-Cu), които заместват оловния (Pb) припой по екологични причини.
Усъвършенстваните технологии за опаковане, като чиплети, 2.5D/3D интеграция и TSV (преминаване през силиций), увеличават нуждата от високонадеждни метални материали, тъй като плътността на връзките и разсейването на топлината стават по-големи.
8. Ключови предизвикателства: електромиграция, корозия и устойчивост в наномащаб
С намаляването на размерите, използването на метал е изправено пред сериозни предизвикателства, включително:
– Електромиграция: металните пътища могат да бъдат повредени от високи токове в малки напречни сечения.
– Повишено ефективно съпротивление: в наномащаб електроните се сблъскват по-често с границите и повърхностите на зърната, увеличавайки съпротивлението.
– Корозия и химическа съвместимост: особено в производствени етапи, включващи много химикали и високи температури.
– Ограничения на бариерите: бариерите трябва да са по-тънки и все пак да се противопоставят на дифузия, което е технически трудно.
Следователно, изследванията върху метални материали за полупроводници продължават да се развиват, включително изследване на Co, Ru, Mo, както и нови подходи, като например алтернативни материални взаимовръзки и техники за атомно отлагане.
9. Бъдещи насоки на употреба на метали
Бъдещите тенденции в полупроводниковата индустрия водят до използването на повече „инженерни“ метали на атомно ниво. Усъвършенстваните възли и 3D архитектури (FinFET, GAA нанолистове и т.н.) изискват силно равномерни, ултратънки метални слоеве с чисти интерфейси. Освен това, необходимостта от енергийна ефективност и скорост също прави избора на метали за междусвързвания и контакти ключов фактор.
От гледна точка на корпусирането, изискванията за висока пропускателна способност и хетерогенната интеграция са движеща сила на иновациите в спойката, bump и металните интерпозери. Металът не е просто поддържащ компонент, а фундаментална част от системния дизайн, производителност и надеждност.
Заключение
Металите играят централна роля в производството на полупроводникови устройства: като взаимовръзки, контакти, бариери, метални порти и гръбнакът на опаковката. Изборът на метал се определя не само от проводимостта, но и от дифузията, адхезията, термичната стабилност, съвместимостта с процесите и дългосрочната надеждност. С увеличаването на миниатюризацията и сложността, предизвикателства като електромиграцията и наномащабната устойчивост принуждават индустрията да разработва нови материали и процеси. Следователно, разбирането на употребата на метали в полупроводниците е от решаващо значение не само за инженерите по материали и процеси, но и за всеки, който иска да разбере как ще продължи да се развива съвременната чип технология.
