Použití kovů ve výrobě polovodičových součástek
Polovodičové součástky – jako jsou tranzistory, diody, senzory, integrované obvody (IO) a procesory – jsou páteří moderních technologií. Za jejich vysokým výkonem a stále menšími velikostmi se skrývá složitý, přesný a na materiálu vysoce závislý výrobní proces. Jednou ze skupin materiálů, jejichž role je nezastupitelná, jsou kovy. Kovy se používají nejen jako elektricky vodivé „dráty“, ale také jako elektrické kontakty, difuzní bariéry, propojovací prvky mezi součástkami a funkční materiály v litografii a balicích procesech. Tento článek pojednává o tom, jak se kovy používají při výrobě polovodičových součástek, o typech běžně používaných kovů a o výzvách a směrech jejich vývoje.
1. Úloha kovů v polovodičových součástkách
Obecně platí, že kovy v polovodičových součástkách mají několik hlavních funkcí:
1. Propojení (zapojení): Propojení tranzistorů a dalších součástek v čipu pomocí velmi hustých a vícevrstvých kovových drah (vícevrstvé propojení).
2. Ohmické kontakty a Schottkyho kontakty: Tvoří elektrické rozhraní mezi kovem a polovodičem. Ohmické kontakty umožňují průtok proudu v obou směrech s nízkým odporem, zatímco Schottkyho kontakty tvoří diodu s usměrňovacími charakteristikami.
3. Bariérová vrstva a adhezní vrstva: Zabraňuje difúzi atomů kovu do polovodičového nebo dielektrického materiálu a pomáhá kovu pevně přilnout k vrstvě pod ním.
4. Hradlová elektroda na tranzistoru: V některých technologiích se pro lepší řízení kanálu a nižší odpor používá kov k vytvoření hradlové elektrody na MOSFETu.
5. Materiály ve výrobním procesu: Kovy a sloučeniny kovů se používají jako tvrdé masky, reflexní vrstvy nebo chemické složky pro nanášení a leptání.
6. Balení a připojení čipu: Pro připojení čipu k desce plošných spojů a ochranu zařízení před vlivy prostředí se používá pájení, spojování drátů, bumping a různé kovové slitiny.
Jinými slovy, výkon moderních čipů není určen pouze křemíkem nebo jinými polovodičovými materiály, ale také tím, jak jsou tyto kovy vybrány a integrovány.
2. Kovy pro propojení: od hliníku po měď a kobalt
V raných generacích integrovaných obvodů byl hliník (Al) primární volbou pro propojení, protože se snadno nanášel, byl relativně levný a kompatibilní s tehdejšími výrobními procesy. S rostoucí hustotou tranzistorů a zvyšujícími se proudovými požadavky však problémy, jako je elektromigrace – pohyb atomů kovu v důsledku vysokého toku elektronů – způsobovaly přerušení dráhy a snížení spolehlivosti.
Průmysl se poté obrátil na měď (Cu), protože má nižší měrný odpor než hliník, což snižuje ztráty energie a zvyšuje rychlost signálu. Měď však představuje problém: Cu snadno difunduje do dielektrik (např. SiO₂ nebo dielektrik s nízkou hodnotou k) a může zhoršovat elektrické vlastnosti. Proto se Cu téměř vždy používá s bariérovou vrstvou, jako je tantal (Ta) nebo nitrid tantalu (TaN).
U stále menších technologií (pokročilejších uzlů) se propojovací průřez zmenšuje, čímž se dále zvyšuje odpor, a dominantnějšími se stávají hraniční efekty (rozptyl na povrchu). U některých vrstev se začíná objevovat použití kobaltu (Co) nebo ruthenia (Ru) jako alternativy/doplňku k mědi, protože to může poskytnout stabilnější výkon při velmi malých rozměrech a snižuje potřebu silných bariér.
3. Kontakty kov-polovodič: ohmické a Schottkyho
Kontakt mezi kovem a polovodičem je jedním z nejdůležitějších aspektů. Pokud je kontakt příliš odporový, tranzistor se rychle přehřívá a ztrácí výkon. V moderních CMOS součástkách jsou kontakty source/drain a kontaktní zástrčky navrženy tak, aby měly co nejnižší odpor.
Mezi kovy a sloučeniny běžně používané pro kontakty patří:
– Titan (Ti): často se používá jako adhezivní a reaktivní vrstva k tvorbě silicidů.
– Nikl (Ni) a kobalt (Co): běžné v procesech silicidace (např. NiSi, CoSi₂) pro snížení kontaktního odporu v křemíku.
– Wolfram (W): široce používaný jako „zátka“ k vyplnění kontaktních otvorů (výplň kontaktů/prostupů), protože je stabilní a vhodný pro CVD (chemické nanášení z plynné fáze).
– Platina (Pt) nebo palladium (Pd): lze použít k vytvoření Schottkyho kontaktů nebo pro určité aplikace, které vyžadují vysokou chemickou stabilitu.
V zařízeních vyrobených z jiných polovodičů než křemíku – jako je GaN (nitrid galia) nebo SiC (karbid křemíku) – se volba kontaktního kovu stává stále důležitější kvůli rozdílům ve struktuře energetických pásů, požadavkům na vysoké teploty a extrémnějším provozním prostředím (např. výkonová elektronika).
4. Bariérová vrstva, vložka a adhezní vrstva
Protože moderní čipy jsou tak malé, atomy kovu mohou difundovat a způsobovat úniky, zkraty nebo změny parametrů tranzistorů. Proto se používají tenké vrstvy, které plní následující funkce:
– Difuzní bariéra: zabraňuje difuzi mědi (Cu) nebo jiných kovů.
– Vložka: pomáhá rovnoměrně vyplnit úzké prvky (příkop/prostup).
– Adhezní vrstva: zvyšuje přilnavost.
Mezi běžné materiály patří Ta/TaN, Ti/TiN, W a v novějším výzkumu bariéry na bázi Ru, Mn nebo ultratenké vrstvy na bázi 2D materiálů jako difuzní bariéry. S postupujícími uzly je výzvou vytvořit co nejtenčí bariéru a zároveň zůstat účinná, protože příliš silná bariéra „zabírá“ prostor na dráze a zvyšuje odpor.
5. Kov v tranzistorové struktuře: kovová hradla a high-k
V moderních MOSFET tranzistorech, zejména od zavedení hradel s vysokým k/kovem, hraje kov opět hlavní roli ve struktuře hradla. Dříve se často používaly polykřemíkové hradla, ale ta se potýkala s problémy, jako je efekt vyčerpání a kompatibilita s dielektriky s vysokým k. S kovovými hradly se zlepšuje elektrostatická regulace a lze potlačit únik.
Použité materiály se liší, například nitrid titanu (TiN), nitrid tantalu nebo kombinace kovů přizpůsobená pro dosažení správné pracovní funkce (aby prahové napětí splňovalo konstrukční požadavky). V tomto případě kov není pouze vodičem; chování tranzistoru určují jeho povrchové elektronické vlastnosti.
6. Použití kovu v procesech nanášení a modelování
Výroba čipů zahrnuje nanášení tenkých vrstev kovu pomocí různých technik, včetně:
– PVD (fyzikální depozice z plynné fáze): podobná naprašování, běžná pro Al, Ti, Ta a další.
– CVD (chemická depozice z plynné fáze): často se používá pro wolframové (W) svíčky a určité kovové vrstvy.
– ALD (Atomic Layer Deposition): velmi důležité pro ultratenké a konformní vrstvy na 3D strukturách, například bariéry/vložky, kovové brány a některé kontaktní materiály.
Po nanesení musí být kov vzorován pomocí litografie a leptání nebo damascénským procesem (zejména u Cu), který zahrnuje vytvoření drážek v dielektriku, jejich vyplnění kovem a následné leštění pomocí chemicko-mechanické planarizace (CMP). Tento proces vyžaduje správnou suspenzi a chemii pro vytvoření rovného povrchu bez poškození podkladových vrstev.
7. Kov na obalu: pájení, bumpování a drátové spojení
Jakmile je wafer hotový, čip se nakrájí (nakrájí na kostičky) a zabalí. V této fázi je také dominantní kov:
– Spojování vodičů používá zlatý (Au), hliníkový (Al) nebo měděný (Cu) drát.
– Bumping a flip-chip využívají kovové sloupky/výstupky a pájku pro vysokorychlostní připojení a velký počet pinů.
– Moderní pájky jsou obvykle na bázi cínu (Sn) se slitinami (např. Sn-Ag-Cu), které z environmentálních důvodů nahradily olovnaté (Pb) pájky.
Pokročilé pouzdra, jako jsou chiplety, 2.5D/3D integrace a TSV (průchod přes křemík), zvyšují potřebu vysoce spolehlivých kovových materiálů, protože se zvyšuje hustota připojení a odvod tepla.
8. Klíčové výzvy: elektromigrace, koroze a odolnost v nanoměřítku
S tím, jak se rozměry zmenšují, čelí použití kovu vážným výzvám, včetně:
– Elektromigrace: kovové dráhy mohou být poškozeny vysokými proudy v malých průřezech.
– Zvýšený efektivní odpor: v nanoměřítku se elektrony častěji srážejí s hranicemi zrn a povrchy, což zvyšuje odpor.
– Koroze a chemická kompatibilita: zejména ve výrobních fázích zahrnujících mnoho chemikálií a vysoké teploty.
– Omezení bariér: bariéry musí být tenčí a stále odolávat difúzi, což je technicky obtížné.
Výzkum kovových materiálů pro polovodiče se proto neustále rozvíjí, včetně zkoumání Co, Ru, Mo, jakož i nových přístupů, jako jsou propojení na bázi alternativních materiálů a techniky atomové depozice.
9. Budoucí směry využití kovů
Budoucí trendy v polovodičovém průmyslu vedou k používání více „uměle upravených“ kovů na atomární úrovni. Pokročilé uzly a 3D architektury (FinFET, GAA nanosheet atd.) vyžadují vysoce rovnoměrné, ultratenké kovové vrstvy s čistými rozhraními. Potřeba energetické účinnosti a rychlosti navíc činí výběr kovů pro propojení a kontakty klíčovým faktorem.
Na straně pouzdra jsou požadavky na vysokou šířku pásma a heterogenní integrace hnací silou inovací v oblasti pájených, bump a kovových interpozic. Kov není jen nosnou součástí, ale základní součástí návrhu systému, výkonu a spolehlivosti.
Závěr
Kovy hrají ústřední roli při výrobě polovodičových součástek: jako propojení, kontakty, bariéry, kovové brány a páteř pouzder. Výběr kovu není určen pouze vodivostí, ale také difuzí, adhezí, tepelnou stabilitou, kompatibilitou s procesy a dlouhodobou spolehlivostí. S rostoucí miniaturizací a složitostí nutí průmysl vyzvat výzvy, jako je elektromigrace a nanoměřítka, vyvíjet nové materiály a procesy. Pochopení použití kovů v polovodičích je proto klíčové nejen pro materiálové a procesní inženýry, ale také pro každého, kdo chce pochopit, jak se bude moderní čipová technologie dále vyvíjet.
