સેમિકન્ડક્ટર ડિવાઇસ મેન્યુફેક્ચરિંગમાં ધાતુઓનો ઉપયોગ
સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણો - જેમ કે ટ્રાન્ઝિસ્ટર, ડાયોડ, સેન્સર, ઇન્ટિગ્રેટેડ સર્કિટ (ICs) અને પ્રોસેસર્સ - આધુનિક ટેકનોલોજીનો આધાર છે. તેમના ઉચ્ચ પ્રદર્શન અને હંમેશા નાના કદ પાછળ એક જટિલ, ચોક્કસ અને ખૂબ જ સામગ્રી-આધારિત ઉત્પાદન પ્રક્રિયા રહેલી છે. સામગ્રીનો એક જૂથ જેની ભૂમિકા બદલી ન શકાય તેવી છે તે ધાતુ છે. ધાતુઓનો ઉપયોગ ફક્ત વિદ્યુત વાહક "વાયર" તરીકે જ નહીં પરંતુ વિદ્યુત સંપર્કો, પ્રસરણ અવરોધો, ઘટકો વચ્ચેના આંતરજોડાણ તત્વો અને લિથોગ્રાફી અને પેકેજિંગ પ્રક્રિયાઓમાં કાર્યાત્મક સામગ્રી તરીકે પણ થાય છે. આ લેખ સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણ ઉત્પાદનમાં ધાતુઓનો ઉપયોગ કેવી રીતે થાય છે, સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતી ધાતુઓના પ્રકારો અને તેમના વિકાસના પડકારો અને દિશાઓ વિશે ચર્ચા કરે છે.
૧. સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોમાં ધાતુઓની ભૂમિકા
સામાન્ય રીતે, સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોમાં ધાતુઓના ઘણા મુખ્ય કાર્યો હોય છે:
1. ઇન્ટરકનેક્શન (વાયરિંગ): ખૂબ જ ગાઢ અને બહુ-સ્તરીય ધાતુના માર્ગો (મલ્ટિ-લેયર ઇન્ટરકનેક્ટ) દ્વારા ચિપમાં ટ્રાન્ઝિસ્ટર અને અન્ય ઘટકોને જોડવાનું.
2. ઓહ્મિક સંપર્કો અને સ્કોટ્કી સંપર્કો: ધાતુ અને સેમિકન્ડક્ટર વચ્ચે વિદ્યુત ઇન્ટરફેસ બનાવે છે. ઓહ્મિક સંપર્કો ઓછા પ્રતિકાર સાથે બંને દિશામાં પ્રવાહ વહેવા દે છે, જ્યારે સ્કોટ્કી સંપર્કો સુધારાત્મક લાક્ષણિકતાઓ સાથે ડાયોડ બનાવે છે.
3. અવરોધ સ્તર અને સંલગ્નતા સ્તર: ધાતુના અણુઓના સેમિકન્ડક્ટર અથવા ડાઇલેક્ટ્રિક સામગ્રીમાં પ્રસારને અટકાવે છે, અને ધાતુને નીચેના સ્તર સાથે મજબૂત રીતે વળગી રહેવામાં મદદ કરે છે.
4. ટ્રાન્ઝિસ્ટર પર ગેટ ઇલેક્ટ્રોડ: અમુક તકનીકોમાં, વધુ સારા ચેનલ નિયંત્રણ અને ઓછા પ્રતિકાર માટે MOSFET પર ગેટ ઇલેક્ટ્રોડ બનાવવા માટે ધાતુનો ઉપયોગ થાય છે.
5. ઉત્પાદન પ્રક્રિયામાં સામગ્રી: ધાતુઓ અને ધાતુના સંયોજનોનો ઉપયોગ સખત માસ્ક, પ્રતિબિંબીત સ્તરો અથવા રાસાયણિક ઘટકો તરીકે ડિપોઝિશન અને એચિંગ માટે થાય છે.
6. ચિપ પેકેજિંગ અને કનેક્શન: ચિપને સર્કિટ બોર્ડ સાથે જોડવા અને ઉપકરણને પર્યાવરણથી બચાવવા માટે સોલ્ડર, વાયર બોન્ડિંગ, બમ્પિંગ અને વિવિધ ધાતુના એલોયનો ઉપયોગ થાય છે.
બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, આધુનિક ચિપ્સનું પ્રદર્શન ફક્ત સિલિકોન અથવા અન્ય સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી દ્વારા જ નહીં, પણ ધાતુઓ કેવી રીતે પસંદ કરવામાં આવે છે અને સંકલિત કરવામાં આવે છે તેના દ્વારા પણ નક્કી થાય છે.
2. આંતરજોડાણ માટે ધાતુઓ: એલ્યુમિનિયમથી તાંબુ અને કોબાલ્ટ સુધી
શરૂઆતની પેઢીના ICs માં, એલ્યુમિનિયમ (Al) ઇન્ટરકનેક્ટ માટે પ્રાથમિક પસંદગી હતી કારણ કે તે જમા કરવામાં સરળ, પ્રમાણમાં સસ્તું અને તે સમયની ફેબ્રિકેશન પ્રક્રિયાઓ સાથે સુસંગત હતું. જો કે, જેમ જેમ ટ્રાન્ઝિસ્ટરની ઘનતા વધતી ગઈ અને વર્તમાન જરૂરિયાતો વધતી ગઈ, તેમ તેમ ઇલેક્ટ્રોમાઇગ્રેશન જેવી સમસ્યાઓ - ઉચ્ચ ઇલેક્ટ્રોન પ્રવાહને કારણે ધાતુના અણુઓની હિલચાલ - પાથ બ્રેક્સ અને વિશ્વસનીયતામાં ઘટાડોનું કારણ બની.
ત્યારબાદ ઉદ્યોગ કોપર (Cu) તરફ વળ્યો કારણ કે તેની પ્રતિકારકતા એલ્યુમિનિયમ કરતા ઓછી છે, જે પાવર લોસ ઘટાડે છે અને સિગ્નલ ગતિ વધારે છે. જોકે, કોપર એક પડકાર રજૂ કરે છે: Cu સરળતાથી ડાઇલેક્ટ્રિક્સમાં ફેલાય છે (દા.ત., SiO₂ અથવા લો-k ડાઇલેક્ટ્રિક્સ) અને વિદ્યુત ગુણધર્મોને ઘટાડી શકે છે. તેથી, Cu નો ઉપયોગ લગભગ હંમેશા ટેન્ટેલમ (Ta) અથવા ટેન્ટેલમ નાઇટ્રાઇડ (TaN) જેવા અવરોધ સ્તર સાથે થાય છે.
નાની ટેકનોલોજીઓ (એડવાન્સ્ડ નોડ્સ) માં, ઇન્ટરકનેક્શન ક્રોસ-સેક્શન સંકોચાય છે, પ્રતિકાર વધુ વધે છે, અને સીમા અસરો (સપાટી સ્કેટરિંગ) વધુ પ્રબળ બને છે. ચોક્કસ સ્તરો માટે, Cu ના વિકલ્પ/પૂરક તરીકે કોબાલ્ટ (Co) અથવા રૂથેનિયમ (Ru) નો ઉપયોગ ઉભરી આવ્યો છે કારણ કે તે ખૂબ જ નાના પરિમાણો પર વધુ સ્થિર કામગીરી પ્રદાન કરી શકે છે અને જાડા અવરોધોની જરૂરિયાત ઘટાડે છે.
૩. ધાતુ-અર્ધવાહક સંપર્કો: ઓમિક અને સ્કોટ્ટકી
ધાતુ અને સેમિકન્ડક્ટર વચ્ચેનો સંપર્ક સૌથી મહત્વપૂર્ણ પાસાઓમાંનો એક છે. જો સંપર્ક ખૂબ પ્રતિકારક હોય, તો ટ્રાન્ઝિસ્ટર ઝડપથી ગરમ થાય છે અને કાર્યક્ષમતા ગુમાવે છે. આધુનિક CMOS ઉપકરણોમાં, સ્ત્રોત/ડ્રેઇન સંપર્કો અને સંપર્ક પ્લગને શક્ય તેટલા ઓછા પ્રતિકાર માટે ડિઝાઇન કરવામાં આવ્યા છે.
સંપર્કો માટે સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતી કેટલીક ધાતુઓ અને સંયોજનોમાં શામેલ છે:
– ટાઇટેનિયમ (Ti): ઘણીવાર સિલિસાઇડ્સ બનાવવા માટે એડહેસિવ અને પ્રતિક્રિયાશીલ સ્તર તરીકે ઉપયોગમાં લેવાય છે.
– નિકલ (Ni) અને કોબાલ્ટ (Co): સિલિકોનમાં સંપર્ક પ્રતિકાર ઘટાડવા માટે સિલિસીડેશન પ્રક્રિયાઓમાં (દા.ત. NiSi, CoSi₂) સામાન્ય છે.
– ટંગસ્ટન (W): સંપર્ક છિદ્રો (સંપર્ક/ભરણ દ્વારા) ભરવા માટે "પ્લગ" તરીકે વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે કારણ કે તે સ્થિર છે અને CVD (રાસાયણિક વરાળ નિક્ષેપ) નિક્ષેપ માટે યોગ્ય છે.
– પ્લેટિનમ (Pt) અથવા પેલેડિયમ (Pd): સ્કોટ્કી સંપર્કો બનાવવા માટે અથવા ઉચ્ચ રાસાયણિક સ્થિરતાની જરૂર હોય તેવા ચોક્કસ કાર્યક્રમો માટે ઉપયોગ કરી શકાય છે.
સિલિકોન સિવાયના સેમિકન્ડક્ટરથી બનેલા ઉપકરણોમાં - જેમ કે GaN (ગેલિયમ નાઇટ્રાઇડ) અથવા SiC (સિલિકોન કાર્બાઇડ) - ઊર્જા બેન્ડ માળખામાં તફાવત, ઉચ્ચ તાપમાનની જરૂરિયાતો અને વધુ આત્યંતિક ઓપરેટિંગ વાતાવરણ (દા.ત., પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક્સ) ને કારણે સંપર્ક ધાતુની પસંદગી વધુને વધુ મહત્વપૂર્ણ બની જાય છે.
૪. અવરોધ સ્તર, લાઇનર અને સંલગ્નતા સ્તર
આધુનિક ચિપ્સ ખૂબ નાના હોવાથી, ધાતુના અણુઓ ફેલાય છે અને લીક, શોર્ટ્સ અથવા ટ્રાન્ઝિસ્ટર પરિમાણોમાં ફેરફારનું કારણ બની શકે છે. તેથી, પાતળા સ્તરોનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, જે નીચેના કાર્યો કરે છે:
- પ્રસરણ અવરોધ: Cu અથવા અન્ય ધાતુઓના પ્રસરણને અટકાવે છે.
– લાઇનર: સાંકડા ભાગો (ખાઈ/માર્ગ) ને સમાન રીતે ભરવામાં મદદ કરે છે.
- સંલગ્નતા સ્તર: સંલગ્નતા વધારે છે.
સામાન્ય સામગ્રીઓમાં Ta/TaN, Ti/TiN, W, અને તાજેતરના સંશોધનમાં, Ru, Mn-આધારિત અવરોધો, અથવા 2D સામગ્રી પર આધારિત અતિ-પાતળા સ્તરો પ્રસરણ અવરોધો તરીકે શામેલ છે. જેમ જેમ ગાંઠો આગળ વધે છે, તેમ તેમ અવરોધને શક્ય તેટલો પાતળો બનાવવાનો પડકાર છે, જ્યારે અસરકારક રહે છે, કારણ કે ખૂબ જાડા અવરોધ પાથની જગ્યા "ખાઈ જાય છે" અને પ્રતિકાર વધારે છે.
5. ટ્રાન્ઝિસ્ટર માળખામાં ધાતુ: ધાતુનો દરવાજો અને ઉચ્ચ-કે
આધુનિક MOSFET ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાં, ખાસ કરીને હાઇ-કે/મેટલ ગેટ્સની રજૂઆત પછી, ધાતુએ ફરીથી ગેટ સ્ટ્રક્ચરમાં મુખ્ય ભૂમિકા ભજવી છે. પહેલાં, પોલિસિલિકોન ગેટનો વારંવાર ઉપયોગ થતો હતો, પરંતુ તેમને ડિપ્લેશન ઇફેક્ટ અને હાઇ-કે ડાઇલેક્ટ્રિક્સ સાથે સુસંગતતા જેવી સમસ્યાઓનો સામનો કરવો પડ્યો હતો. મેટલ ગેટ સાથે, ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક નિયંત્રણમાં સુધારો થાય છે અને લિકેજને દબાવી શકાય છે.
ઉપયોગમાં લેવાતી સામગ્રી અલગ અલગ હોય છે, જેમ કે ટાઇટેનિયમ નાઇટ્રાઇડ (TiN), ટેન્ટેલમ નાઇટ્રાઇડ, અથવા યોગ્ય કાર્ય કાર્ય પ્રાપ્ત કરવા માટે તૈયાર કરાયેલ ધાતુઓનું મિશ્રણ (જેથી થ્રેશોલ્ડ વોલ્ટેજ ડિઝાઇનને પૂર્ણ કરે). અહીં, ધાતુ ફક્ત એક વાહક નથી; તેના સપાટીના ઇલેક્ટ્રોનિક ગુણધર્મો ટ્રાન્ઝિસ્ટરનું વર્તન નક્કી કરે છે.
6. ડિપોઝિશન અને પેટર્નિંગ પ્રક્રિયાઓમાં ધાતુનો ઉપયોગ
ચિપ ઉત્પાદનમાં વિવિધ તકનીકો દ્વારા ધાતુના પાતળા સ્તરોનો નિકાલ શામેલ છે, જેમાં શામેલ છે:
– PVD (ભૌતિક વરાળ નિક્ષેપ): સ્પુટરિંગ જેવું, અલ, તી, તા અને અન્ય માટે સામાન્ય.
– CVD (રાસાયણિક વરાળ નિક્ષેપ): ઘણીવાર W (ટંગસ્ટન) પ્લગ અને ચોક્કસ ધાતુના સ્તરો માટે વપરાય છે.
– ALD (એટોમિક લેયર ડિપોઝિશન): 3D સ્ટ્રક્ચર્સ પર અતિ-પાતળા અને કન્ફોર્મલ લેયર માટે ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ, ઉદાહરણ તરીકે બેરિયર્સ/લાઇનર્સ, મેટલ ગેટ્સ અને કેટલીક સંપર્ક સામગ્રી.
ડિપોઝિશન પછી, ધાતુને લિથોગ્રાફી અને એચિંગ અથવા ડેમાસીન પ્રક્રિયા (ખાસ કરીને Cu માટે) નો ઉપયોગ કરીને પેટર્ન કરવી આવશ્યક છે, જેમાં ડાઇલેક્ટ્રિકમાં ખાઈઓ બનાવવી, તેમને ધાતુથી ભરવા અને પછી કેમિકલ મિકેનિકલ પ્લાનરાઇઝેશન (CMP) નો ઉપયોગ કરીને તેમને પોલિશ કરવાનો સમાવેશ થાય છે. આ પ્રક્રિયામાં અંતર્ગત સ્તરોને નુકસાન પહોંચાડ્યા વિના સપાટ સપાટી બનાવવા માટે યોગ્ય સ્લરી અને રસાયણશાસ્ત્રની જરૂર પડે છે.
7. પેકેજિંગ પર ધાતુ: સોલ્ડર, બમ્પ અને વાયર બોન્ડ
એકવાર વેફર તૈયાર થઈ જાય, પછી ચિપ કાપી (પાસાદાર) કરવામાં આવે છે અને પેક કરવામાં આવે છે. આ તબક્કે, ધાતુ પણ પ્રબળ છે:
- વાયર બોન્ડિંગમાં સોના (Au), એલ્યુમિનિયમ (Al), અથવા કોપર (Cu) વાયરનો ઉપયોગ થાય છે.
- બમ્પિંગ અને ફ્લિપ-ચિપમાં હાઇ-સ્પીડ કનેક્શન અને મોટા પિન કાઉન્ટ માટે મેટલ પિલર્સ/બમ્પ્સ અને સોલ્ડરનો ઉપયોગ થાય છે.
- આધુનિક સોલ્ડર સામાન્ય રીતે ટીન (Sn) પર આધારિત હોય છે જે પર્યાવરણીય કારણોસર લીડ (Pb) સોલ્ડરને બદલે એલોય (દા.ત. Sn-Ag-Cu) થી બનેલા હોય છે.
ચિપલેટ્સ, 2.5D/3D ઇન્ટિગ્રેશન અને TSV (થ્રુ-સિલિકોન વાયા) જેવા અદ્યતન પેકેજિંગ, કનેક્શન ઘનતા અને ગરમીનું વિસર્જન વધતાં, ઉચ્ચ-વિશ્વસનીયતા ધાતુ સામગ્રીની જરૂરિયાત વધારી રહ્યા છે.
8. મુખ્ય પડકારો: નેનોસ્કેલ પર ઇલેક્ટ્રોમાઇગ્રેશન, કાટ અને પ્રતિકાર
જેમ જેમ પરિમાણો નાના થતા જાય છે, તેમ તેમ ધાતુના ઉપયોગને ગંભીર પડકારોનો સામનો કરવો પડે છે, જેમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છે:
- ઇલેક્ટ્રોમાઇગ્રેશન: નાના ક્રોસ-સેક્શનમાં ઊંચા પ્રવાહો દ્વારા ધાતુના માર્ગોને નુકસાન થઈ શકે છે.
- અસરકારક પ્રતિકારકતામાં વધારો: નેનોસ્કેલ પર, ઇલેક્ટ્રોન અનાજની સીમાઓ અને સપાટીઓ સાથે વધુ વારંવાર અથડાય છે, જેનાથી પ્રતિકાર વધે છે.
- કાટ અને રાસાયણિક સુસંગતતા: ખાસ કરીને ઘણા રસાયણો અને ઉચ્ચ તાપમાન ધરાવતા ઉત્પાદન તબક્કામાં.
- અવરોધ મર્યાદાઓ: અવરોધો પાતળા હોવા જોઈએ અને હજુ પણ પ્રસારનો પ્રતિકાર કરતા હોવા જોઈએ, જે તકનીકી રીતે મુશ્કેલ છે.
તેથી, સેમિકન્ડક્ટર માટે ધાતુ સામગ્રી પર સંશોધન ચાલુ રહે છે, જેમાં Co, Ru, Mo ની શોધ, તેમજ વૈકલ્પિક સામગ્રી-આધારિત ઇન્ટરકનેક્ટ્સ અને અણુ નિક્ષેપ તકનીકો જેવા નવા અભિગમોનો સમાવેશ થાય છે.
9. ધાતુના ઉપયોગની ભાવિ દિશાઓ
સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગમાં ભવિષ્યના વલણો અણુ સ્તરે વધુ "એન્જિનિયર્ડ" ધાતુઓનો ઉપયોગ કરી રહ્યા છે. અદ્યતન નોડ્સ અને 3D આર્કિટેક્ચર (FinFET, GAA નેનોશીટ, અને તેથી વધુ) સ્વચ્છ ઇન્ટરફેસ સાથે ખૂબ જ સમાન, અતિ-પાતળા ધાતુ સ્તરોની માંગ કરે છે. વધુમાં, ઊર્જા કાર્યક્ષમતા અને ગતિની જરૂરિયાત પણ ઇન્ટરકનેક્ટ અને સંપર્કો માટે ધાતુઓની પસંદગીને મુખ્ય પરિબળ બનાવે છે.
પેકેજિંગ બાજુએ, ઉચ્ચ-બેન્ડવિડ્થ આવશ્યકતાઓ અને વિજાતીય એકીકરણ સોલ્ડર, બમ્પ અને મેટલ ઇન્ટરપોઝરમાં નવીનતા લાવી રહ્યા છે. મેટલ ફક્ત એક સહાયક ઘટક નથી, પરંતુ સિસ્ટમ ડિઝાઇન, પ્રદર્શન અને વિશ્વસનીયતાનો મૂળભૂત ભાગ છે.
કેસિમ્પુલન
ધાતુઓ સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોના નિર્માણમાં કેન્દ્રિય ભૂમિકા ભજવે છે: ઇન્ટરકનેક્ટ્સ, સંપર્કો, અવરોધો, ધાતુના દરવાજા અને પેકેજિંગનો આધાર. ધાતુની પસંદગી માત્ર વાહકતા દ્વારા જ નહીં, પરંતુ પ્રસરણ, સંલગ્નતા, થર્મલ સ્થિરતા, પ્રક્રિયા સુસંગતતા અને લાંબા ગાળાની વિશ્વસનીયતા દ્વારા પણ નક્કી થાય છે. જેમ જેમ લઘુચિત્રીકરણ અને જટિલતા વધે છે, તેમ તેમ ઇલેક્ટ્રોમાઇગ્રેશન અને નેનોસ્કેલ પ્રતિકાર જેવા પડકારો ઉદ્યોગને નવી સામગ્રી અને પ્રક્રિયાઓ વિકસાવવા માટે મજબૂર કરી રહ્યા છે. તેથી, સેમિકન્ડક્ટરમાં ધાતુઓના ઉપયોગને સમજવું એ માત્ર સામગ્રી અને પ્રક્રિયા ઇજનેરો માટે જ નહીં, પરંતુ આધુનિક ચિપ ટેકનોલોજી કેવી રીતે વિકસિત થતી રહેશે તે સમજવા માંગતા કોઈપણ માટે પણ મહત્વપૂર્ણ છે.
