Usu di i metalli in a fabricazione di dispositivi semiconduttori
I dispositivi semiconduttori - cum'è transistor, diodi, sensori, circuiti integrati (CI) è processori - sò a spina dorsale di a tecnulugia muderna. Daretu à e so alte prestazioni è dimensioni sempre più chjuche si trova un prucessu di fabricazione cumplessu, precisu è assai dipendente da i materiali. Un gruppu di materiali chì u so rolu hè insustituibile hè u metallu. I metalli sò usati micca solu cum'è "fili" elettricamente conduttivi, ma ancu cum'è cuntatti elettrici, barriere di diffusione, elementi di interconnessione trà cumpunenti è materiali funziunali in i prucessi di litografia è imballaggio. Questu articulu discute cumu i metalli sò usati in a fabricazione di dispositivi semiconduttori, i tipi di metalli cumunemente usati, è e sfide è e direzzioni di u so sviluppu.
1. U rolu di i metalli in i dispositivi à semiconduttori
In generale, i metalli in i dispositivi semiconduttori anu parechje funzioni principali:
1. Interconnessione (cablaggio): Cunnessione di transistor è altri cumpunenti in u chip attraversu percorsi metallichi assai densi è multistrati (interconnessione multistrati).
2. Cuntatti ohmici è cuntatti Schottky: Formanu una interfaccia elettrica trà un metallu è un semiconduttore. I cuntatti ohmici permettenu à a corrente di scorrere in e duie direzzione cù una bassa resistenza, mentre chì i cuntatti Schottky formanu un diodu cù caratteristiche di raddrizzamentu.
3. Stratu di barriera è stratu d'adesione: Impedisce a diffusione di l'atomi metallichi in u materiale semiconduttore o dielettricu, è aiuta u metallu à aderisce fermamente à u stratu sottu.
4. Elettrodu di porta nantu à un transistor: In certe tecnulugie, u metallu hè adupratu per furmà l'elettrodu di porta nantu à un MOSFET per un megliu cuntrollu di u canale è una resistenza più bassa.
5. Materiali in u prucessu di fabricazione: I metalli è i cumposti metallichi sò aduprati cum'è maschere dure, strati riflettenti, o cumpunenti chimichi per a deposizione è l'incisione.
6. Imballaggio è cunnessione di chip: Saldatura, bonding di fili, bumping è diverse leghe metalliche sò aduprate per cunnette u chip à a scheda di circuitu è prutege u dispusitivu da l'ambiente.
In altre parolle, a prestazione di i chip muderni hè determinata micca solu da u siliciu o altri materiali semiconduttori, ma ancu da cumu i metalli sò selezziunati è integrati.
2. Metalli per l'interconnessioni: da l'aluminiu à u rame è u cobaltu
In e prime generazioni di circuiti integrati, l'aluminiu (Al) era a scelta primaria per l'interconnessioni perchè era faciule da deposità, relativamente economicu è cumpatibile cù i prucessi di fabricazione di l'epica. Tuttavia, à misura chì e densità di i transistor aumentavanu è i requisiti di corrente aumentavanu, prublemi cum'è l'elettromigrazione - u muvimentu di l'atomi di metallu per via di un flussu elevatu di elettroni - causavanu interruzioni di percorsu è una diminuzione di l'affidabilità.
L'industria s'hè tandu vultata versu u rame (Cu) perchè hà una resistività più bassa chè l'aluminiu, riducendu e perdite di putenza è aumentendu a velocità di u signale. Tuttavia, u rame presenta una sfida: u Cu si diffonde facilmente in i dielettrici (per esempiu, SiO₂ o dielettrici à bassa k) è pò degradà e proprietà elettriche. Dunque, u Cu hè guasi sempre adupratu cù un stratu di barriera cum'è u tantalu (Ta) o u nitruru di tantalu (TaN).
In tecnulugie sempre più chjuche (nodi avanzati), a sezione trasversale di l'interconnessione si riduce, aumentendu ulteriormente a resistenza, è l'effetti di cunfine (scattering superficiale) diventanu più dominanti. Per certi strati, u cobaltu (Co) o u ruteniu (Ru) cumincianu à esse aduprati cum'è alternative/cumplementi à u Cu perchè ponu furnisce prestazioni più stabili à dimensioni assai chjuche è riduce a necessità di barriere spesse.
3. Cuntatti metallu-semiconduttore: ohmici è Schottky
U cuntattu trà u metallu è u semiconduttore hè unu di l'aspetti i più critichi. Sè u cuntattu hè troppu resistivu, u transistor si surriscalda rapidamente è perde prestazioni. In i dispositivi CMOS muderni, i cuntatti source/drain è i tappi di cuntattu sò cuncipiti per avè a resistenza a più bassa pussibule.
Alcuni metalli è cumposti cumunimenti usati per i cuntatti includenu:
– Titaniu (Ti): spessu adupratu cum'è stratu adesivo è reattivu per furmà siliciuri.
– Nickel (Ni) è cobalt (Co): cumuni in i prucessi di siliciurazione (per esempiu NiSi, CoSi₂) per riduce a resistenza di cuntattu in u siliciu.
– Tungstenu (W): largamente adupratu cum'è "tappu" per riempie i fori di cuntattu (riempimentu di cuntattu/via) perchè hè stabile è adattatu per a deposizione CVD (deposizione chimica da vapore).
– Platinu (Pt) o palladiu (Pd): pò esse adupratu per furmà cuntatti Schottky o per certe applicazioni chì necessitanu una alta stabilità chimica.
In i dispusitivi fatti di semiconduttori diversi da u siliciu - cum'è GaN (nitruru di galliu) o SiC (carburu di siliciu) - a scelta di u metallu di cuntattu diventa sempre più impurtante per via di e differenze in a struttura di a banda d'energia, i requisiti di alta temperatura è l'ambienti operativi più estremi (per esempiu, l'elettronica di putenza).
4. Stratu di barriera, rivestimentu è stratu d'adesione
Siccomu i chip muderni sò cusì chjuchi, l'atomi di metallu ponu sparghjesi è causà perdite, cortocircuiti o cambiamenti in i parametri di i transistor. Dunque, si utilizanu strati fini, chì servenu e seguenti funzioni:
– Barriera di diffusione: impedisce a diffusione di Cu o altri metalli.
– Rivestimentu: aiuta à riempie uniformemente e caratteristiche strette (trincea/via).
– Stratu d'adesione: aumenta l'adesione.
I materiali cumuni includenu Ta/TaN, Ti/TiN, W, è in ricerche più recenti, barriere à basa di Ru, Mn, o strati ultrafini basati nantu à materiali 2D cum'è barriere di diffusione. À misura chì i nodi avanzanu, a sfida hè di fà a barriera a più fina pussibule pur rimanendu efficace, postu chì una barriera troppu spessa "manghja" u spaziu di u percorsu è aumenta a resistenza.
5. Metallu in a struttura di u transistor: porta metallica è k altu
In i transistor MOSFET muderni, soprattuttu dapoi l'introduzione di e porte high-k/metallu, u metallu hà torna ghjucatu un rollu maiò in a struttura di a porta. Prima, e porte di polisiliciu eranu spessu aduprate, ma si sò cunfruntate à prublemi cum'è l'effettu di svuotamentu è a cumpatibilità cù i dielettrici high-k. Cù e porte metalliche, u cuntrollu elettrostaticu hè migliuratu è e perdite ponu esse suppresse.
I materiali aduprati varianu, cum'è u nitruru di titaniu (TiN), u nitruru di tantalu, o una cumminazione di metalli adattata per ottene a funzione di travagliu curretta (in modu chì a tensione di soglia currisponde à u disignu). Quì, u metallu ùn hè micca solu un cunduttore; e so proprietà elettroniche di superficia determinanu u cumpurtamentu di u transistor.
6. Usu di u metallu in i prucessi di deposizione è di modellazione
A fabricazione di chip implica a deposizione di strati fini di metallu per mezu di diverse tecniche, cumprese:
– PVD (Deposizione Fisica da Vapore): cum'è a sputtering, cumuna per Al, Ti, Ta è altri.
– CVD (Deposizione Chimica da Vapore): spessu aduprata per i tappi W (tungsteno) è certi strati metallichi.
– ALD (Atomic Layer Deposition): assai impurtante per i strati ultrafini è cunfurmali nantu à e strutture 3D, per esempiu barriere/rivestimenti, porte metalliche è certi materiali di cuntattu.
Dopu a deposizione, u metallu deve esse modellatu cù a litografia è l'incisione o u prucessu di damascenu (in particulare per u Cu), chì implica a creazione di trincee in u dielettricu, riempiele di metallu, è poi lucidale cù a Planarizazione Chimico-Meccanica (CMP). Stu prucessu richiede a pasta è a chimica adatte per creà una superficia piana senza dannà i strati sottostanti.
7. Metallu nantu à l'imballu: saldatura, bump è bond di fili
Una volta chì a cialda hè finita, u chip hè tagliatu (tagliatu à dadi) è imballatu. In questa fase, u metallu hè ancu dominante:
– A saldatura cù fili usa fili d'oru (Au), d'aluminiu (Al) o di rame (Cu).
– U bumping è u flip-chip utilizanu pilastri/bumps metallichi è saldatura per cunnessione à alta velocità è un grande numeru di pin.
– E saldature muderne sò generalmente à basa di stagnu (Sn) cù leghe (per esempiu Sn-Ag-Cu) per rimpiazzà a saldatura di piombu (Pb) per ragioni ambientali.
L'imballaggi avanzati cum'è i chiplet, l'integrazione 2.5D/3D è u TSV (through-silicon via) stanu aumentendu u bisognu di materiali metallichi ad alta affidabilità, postu chì a densità di cunnessione è a dissipazione di u calore diventanu più grande.
8. Sfide chjave: elettromigrazione, currusione è resistenza à nanoscala
Cù a diminuzione di e dimensioni, l'usu di u metallu hè cunfruntatu à sfide serie, cumprese:
– Elettromigrazione: i percorsi metallichi ponu esse dannighjati da currenti elevate in sezioni trasversali chjuche.
– Aumentu di a resistività efficace: à nanoscala, l'elettroni si scontranu più spessu cù i limiti di i grani è e superfici, aumentendu a resistenza.
– Corrosione è cumpatibilità chimica: in particulare in e fasi di pruduzzione chì implicanu parechji prudutti chimichi è alte temperature.
– Limitazioni di barriera: a barriera deve esse più fina è sempre resiste à a diffusione, ciò chì hè tecnicamente difficiule.
Dunque, a ricerca nantu à i materiali metallichi per i semiconduttori cuntinueghja à sviluppassi, cumprese l'esplorazione di Co, Ru, Mo, è ancu novi approcci cum'è l'interconnessioni basate nantu à materiali alternativi è e tecniche di deposizione atomica.
9. Direzzioni future di l'usu di i metalli
E tendenze future in l'industria di i semiconduttori stanu spinghjendu l'usu di metalli più "ingegnerizzati" à u livellu atomicu. I nodi avanzati è l'architetture 3D (FinFET, GAA nanosheet, ecc.) richiedenu strati metallichi assai uniformi è ultra-sottili cù interfacce pulite. Inoltre, a necessità di efficienza energetica è velocità rende ancu a scelta di i metalli per l'interconnessioni è i cuntatti un fattore chjave.
Da u latu di l'imballaggio, i requisiti di larghezza di banda elevata è l'integrazione eterogenea stanu guidendu l'innuvazione in l'interpositori di saldatura, bump è metalli. U metallu ùn hè micca solu un cumpunente di supportu, ma una parte fundamentale di a cuncepzione, di e prestazioni è di l'affidabilità di u sistema.
Cunclusioni
I metalli ghjocanu un rollu cintrali in a fabricazione di dispositivi semiconduttori: cum'è interconnessioni, cuntatti, barriere, porte metalliche è a spina dorsale di l'imballaggio. A selezzione di i metalli hè determinata micca solu da a cunduttività, ma ancu da a diffusione, l'adesione, a stabilità termica, a cumpatibilità di u prucessu è l'affidabilità à longu andà. Cù l'aumentu di a miniaturizazione è di a cumplessità, e sfide cum'è l'elettromigrazione è a resistenza à a nanoscala stanu furzendu l'industria à sviluppà novi materiali è prucessi. Dunque, capisce l'usu di i metalli in i semiconduttori hè cruciale micca solu per l'ingegneri di i materiali è di u prucessu, ma ancu per chiunque cerchi di capisce cumu a tecnulugia muderna di i chip continuerà à evoluzione.
