Ka hoʻohana ʻana i nā metala i ka hana ʻana i nā hāmeʻa Semiconductor
ʻO nā mea hana semiconductor—e like me nā transistors, diodes, sensors, integrated circuits (ICs), a me nā mea hana—ʻo ia ke kumu o ka ʻenehana hou. Ma hope o kā lākou hana kiʻekiʻe a me nā nui liʻiliʻi e waiho ana i kahi kaʻina hana paʻakikī, pololei, a hilinaʻi nui i nā mea. ʻO kahi hui o nā mea nona ke kuleana hiki ʻole ke pani ʻia ʻo ia ka metala. Hoʻohana ʻia nā metala ʻaʻole wale ma ke ʻano he "uea" alakaʻi uila akā ma ke ʻano he mau pilina uila, nā pale diffusion, nā mea hoʻohui ma waena o nā ʻāpana, a me nā mea hana i nā kaʻina hana lithography a me ka hoʻopili ʻana. Kūkākūkā kēia ʻatikala pehea e hoʻohana ʻia ai nā metala i ka hana ʻana i nā mea semiconductor, nā ʻano metala i hoʻohana pinepine ʻia, a me nā pilikia a me nā kuhikuhi o kā lākou hoʻomohala ʻana.
1. Ke kuleana o nā metala i nā mea hana semiconductor
Ma keʻano laulā, he nui nā hana nui o nā metala i loko o nā mea semiconductor:
1. Hoʻohui (uea): Hoʻohui i nā transistors a me nā ʻāpana ʻē aʻe i loko o ka chip ma o nā ala metala paʻa loa a me nā papa he nui (multi-layer interconnect).
2. Nā pilina Ohmic a me nā pilina Schottky: E hana i kahi pilina uila ma waena o kahi metala a me kahi semiconductor. ʻAe nā pilina Ohmic i ke au e kahe i nā ʻaoʻao ʻelua me ke kū'ē haʻahaʻa, ʻoiai nā pilina Schottky e hana i kahi diode me nā ʻano hoʻoponopono.
3. Papa pale a me ka papa hoʻopili: Kāohi i ka hoʻolaha ʻana o nā ʻātoma metala i loko o ka semiconductor a i ʻole ka mea dielectric, a kōkua i ka metala e hoʻopili paʻa i ka papa ma lalo.
4. ʻO ka electrode puka ma kahi transistor: I kekahi mau ʻenehana, hoʻohana ʻia ka metala e hana i ka electrode puka ma kahi MOSFET no ka kaohi ʻana i ke kahawai maikaʻi a me ka pale ʻana haʻahaʻa.
5. Nā mea hana i ke kaʻina hana: Hoʻohana ʻia nā metala a me nā hui metala e like me nā pale maka paʻakikī, nā papa ʻālohilohi, a i ʻole nā mea kemika no ka waiho ʻana a me ke kālai ʻana.
6. Ka hoʻopili ʻana i ka ʻāpana a me ka hoʻohui ʻana: Hoʻohana ʻia ka solder, ka hoʻopaʻa ʻana i ka uea, ka bumping, a me nā ʻano metala like ʻole e hoʻohui i ka ʻāpana i ka papa kaapuni a pale i ka hāmeʻa mai ke kaiapuni.
I nā huaʻōlelo ʻē aʻe, ʻaʻole i hoʻoholo wale ʻia ka hana o nā ʻāpana hou e ka silicon a i ʻole nā mea semiconductor ʻē aʻe, akā, pehea hoʻi i koho ʻia a hoʻohui ʻia ai nā metala.
2. Nā metala no nā pilina: mai ka alumini a i ke keleawe a me ka cobalt
I nā hanauna mua o nā IC, ʻo ka alumini (Al) ke koho mua no nā interconnects no ka mea he maʻalahi ke waiho ʻana, ʻaʻole pipiʻi ke kumukūʻai, a kūlike me nā kaʻina hana o ia manawa. Eia nō naʻe, i ka piʻi ʻana o nā densities transistor a me ka piʻi ʻana o nā koi o kēia manawa, ʻo nā pilikia e like me ka electromigration—ka neʻe ʻana o nā ʻātoma metala ma muli o ke kahe electron kiʻekiʻe—ua hoʻoulu i nā haki ala a me ka emi ʻana o ka hilinaʻi.
A laila ua huli ka ʻoihana i ke keleawe (Cu) no ka mea he haʻahaʻa kona resistivity ma mua o ka alumini, e hōʻemi ana i ka pohō mana a hoʻonui i ka wikiwiki o ka hōʻailona. Eia nō naʻe, he pilikia ka keleawe: Hoʻolaha koke ʻo Cu i loko o nā dielectrics (e.g., SiO₂ a i ʻole low-k dielectrics) a hiki ke hoʻohaʻahaʻa i nā waiwai uila. No laila, hoʻohana pinepine ʻia ʻo Cu me kahi papa pale e like me ka tantalum (Ta) a i ʻole tantalum nitride (TaN).
I nā ʻenehana liʻiliʻi e piʻi aʻe ana (nā kikowaena holomua), e emi ana ka ʻāpana interconnection, e hoʻonui hou ana i ke kū'ē, a lilo nā hopena palena (ka hoʻopuehu ʻana o ka ʻili) i mea nui. No kekahi mau papa, ua hoʻomaka ka hoʻohana ʻana i ka cobalt (Co) a i ʻole ruthenium (Ru) ma ke ʻano he koho ʻē aʻe/hoʻopihapiha i Cu no ka mea hiki iā ia ke hāʻawi i ka hana paʻa ma nā ana liʻiliʻi loa a hōʻemi i ka pono no nā pale mānoanoa.
3. Nā pilina metala-semiconductor: ohmic a me Schottky
ʻO ka pilina ma waena o ka metala a me ka semiconductor kekahi o nā ʻano koʻikoʻi loa. Inā kūʻē loa ka pilina, wela koke ka transistor a nalowale ka hana. I nā polokalamu CMOS hou, ua hoʻolālā ʻia nā pilina kumu/hoʻokahe a me nā plug pilina e loaʻa ka pale haʻahaʻa loa.
ʻO kekahi mau metala a me nā hui i hoʻohana pinepine ʻia no nā pilina:
– Titanium (Ti): hoʻohana pinepine ʻia ma ke ʻano he mea hoʻopili a me ka papa hana hou e hana i nā silicides.
– Nickel (Ni) a me cobalt (Co): mea maʻamau i nā kaʻina hana silicidation (e.g. NiSi, CoSi₂) e hōʻemi i ke kū'ē pili i loko o ka silicon.
– Tungsten (W): hoʻohana nui ʻia ma ke ʻano he "plug" e hoʻopiha i nā lua pili (hoʻokaʻaʻike/ma o ka hoʻopiha) no ka mea he paʻa a kūpono no ka waiho ʻana o CVD (chemical vapor deposition).
– Platinum (Pt) a i ʻole palladium (Pd): hiki ke hoʻohana ʻia e hana i nā pilina Schottky a i ʻole no kekahi mau noi e pono ai ke kūpaʻa kemika kiʻekiʻe.
I nā mea hana i hana ʻia mai nā semiconductors ʻē aʻe ma mua o ka silicon—e like me GaN (gallium nitride) a i ʻole SiC (silicon carbide)—e lilo ana ke koho ʻana o ka metala hoʻopili i mea nui ma muli o nā ʻokoʻa o ke ʻano o ka hui ikehu, nā koi mahana kiʻekiʻe, a me nā wahi hana ʻoi aku ka koʻikoʻi (e laʻa, nā mea uila mana).
4. Papa pale, liner, a me ka papa hoʻopili
Ma muli o ka liʻiliʻi o nā ʻāpana hou, hiki i nā ʻātoma metala ke hoʻolaha a hoʻoulu i nā leaka, nā pōkole, a i ʻole nā loli i nā palena transistor. No laila, hoʻohana ʻia nā papa lahilahi, e lawelawe ana i kēia mau hana:
– Pale hoʻolaha: pale i ka hoʻolaha ʻana o Cu a i ʻole nā metala ʻē aʻe.
– Liner: kōkua i ka hoʻopiha ʻana i nā hiʻohiʻona haiki (ʻauwaha/via) me ke kaulike.
– Papa hoʻopili: hoʻonui i ka hoʻopili ʻana.
ʻO nā mea maʻamau e komo pū me Ta/TaN, Ti/TiN, W, a ma nā noiʻi hou aku nei, ʻo Ru, nā pale Mn, a i ʻole nā papa lahilahi loa e pili ana i nā mea 2D ma ke ʻano he pale diffusion. I ka holomua ʻana o nā kikowaena, ʻo ka paʻakikī ke hana i ka pale e like me ka lahilahi e like me ka hiki ke noho pono, ʻoiai ʻo kahi pale mānoanoa loa "e ʻai" i kahi ala a hoʻonui i ke kū'ē.
5. Metal i loko o ka hoʻonohonoho transistor: puka metala a me ke kiʻekiʻe-k
I nā transistors MOSFET hou, ʻoiai mai ka hoʻolauna ʻana o nā puka kiʻekiʻe-k/metala, ua hoʻokani hou ka metala i kahi hana nui i loko o ke ʻano o ka puka. Ma mua, ua hoʻohana pinepine ʻia nā puka polysilicon, akā ua kū lākou i nā pilikia e like me ka hopena depletion a me ka hoʻohālikelike ʻana me nā dielectrics kiʻekiʻe-k. Me nā puka metala, hoʻomaikaʻi ʻia ka mana electrostatic a hiki ke kāohi ʻia ka leakage.
ʻOkoʻa nā mea i hoʻohana ʻia, e like me ka titanium nitride (TiN), tantalum nitride, a i ʻole ka hui pū ʻana o nā metala i hana ʻia e hoʻokō i ka hana hana kūpono (i kūlike ai ka voltage paepae me ka hoʻolālā). Maanei, ʻaʻole wale ka metala he alakaʻi; ʻo kona mau waiwai uila o luna e hoʻoholo i ke ʻano o ka transistor.
6. Ka hoʻohana ʻana i ka metala i nā kaʻina hana waiho a me ke ʻano hoʻohālike
ʻO ka hana ʻana o nā ʻāpana liʻiliʻi e pili ana i ka waiho ʻana o nā papa lahilahi o ka metala ma o nā ʻano hana like ʻole, me:
– PVD (Physical Vapor Deposition): e like me ka sputtering, maʻamau no Al, Ti, Ta, a me nā mea ʻē aʻe.
– CVD (Chemical Vapor Deposition): hoʻohana pinepine ʻia no nā plug W (tungsten) a me kekahi mau papa metala.
– ALD (Atomic Layer Deposition): he mea nui loa ia no nā papa lahilahi loa a me nā papa kūlike ma nā ʻano 3D, no ka laʻana nā pale/liners, nā puka hao, a me kekahi mau mea pili.
Ma hope o ka waiho ʻana, pono e hoʻohālike ʻia ka metala me ka hoʻohana ʻana i ka lithography a me ke kālai ʻana a i ʻole ke kaʻina hana damascene (ʻoi aku hoʻi no Cu), ʻo ia hoʻi ka hana ʻana i nā ʻauwaha i loko o ka dielectric, hoʻopiha iā lākou me ka metala, a laila hoʻowali iā lākou me ka hoʻohana ʻana i ka Chemical Mechanical Planarization (CMP). Pono kēia kaʻina hana i ka slurry kūpono a me ka kemika e hana i kahi ʻili pālahalaha me ka ʻole o ka hōʻino ʻana i nā papa lalo.
7. Metala ma luna o ka ʻōpala: solder, bump, a me ka hoʻopaʻa uea
Ke pau ka hana ʻana o ka wafer, ʻoki ʻia (ʻoki ʻia i loko o nā ʻāpana liʻiliʻi) a hoʻopili ʻia. I kēia manawa, ʻo ka metala kekahi mea nui:
– Hoʻohana ka hoʻopaʻa ʻana i nā uea i ke gula (Au), ka alumini (Al), a i ʻole ke keleawe (Cu).
– Hoʻohana ka bumping a me ka flip-chip i nā pou metala/bumps a me ka solder no nā pilina wikiwiki a me nā helu pine nui.
– ʻO nā mea hoʻoheheʻe hou he tin (Sn) i hoʻokumu ʻia me nā mea hao (e.g. Sn-Ag-Cu) e pani i ka mea hoʻoheheʻe kēpau (Pb) no nā kumu kaiapuni.
ʻO nā ʻōpala holomua e like me nā chiplets, ka hoʻohui ʻana o 2.5D/3D, a me TSV (ma o ke silicon ma o) e hoʻonui nei i ka pono no nā mea metala hilinaʻi kiʻekiʻe, ʻoiai ke piʻi nei ka nui o ka pilina a me ka hoʻolaha wela.
8. Nā pilikia koʻikoʻi: electromigration, corrosion, a me ke kū'ē ma ka nanoscale
I ka liʻiliʻi ʻana o nā ana, ke kū nei ka hoʻohana ʻana i ka metala i nā pilikia koʻikoʻi, e like me:
– Electromigration: hiki ke hōʻino ʻia nā ala metala e nā au kiʻekiʻe ma nā ʻāpana liʻiliʻi.
– Hoʻonui ʻia ke kū'ē kūpono: ma ka nanoscale, kuʻi pinepine nā electrons me nā palena palaoa a me nā ʻili, e hoʻonui ana i ke kū'ē.
- Ka palaho a me ka hoʻohālikelike kemika: ʻoi aku hoʻi i nā pae hana e pili ana i nā kemika he nui a me nā mahana kiʻekiʻe.
– Nā palena o ke ālai: pono e lahilahi nā ālai a kūʻē mau i ka hoʻolaha ʻana, he mea paʻakikī ia ma ke ʻano loea.
No laila, ke hoʻomau nei ka noiʻi ʻana i nā mea metala no nā semiconductors, me ka ʻimi ʻana iā Co, Ru, Mo, a me nā ʻano hana hou e like me nā interconnects e pili ana i nā mea ʻē aʻe a me nā ʻano hana hoʻopaʻa atomika.
9. Nā kuhikuhi o ka hoʻohana ʻana i ka metala i ka wā e hiki mai ana
Ke hoʻokele nei nā ʻano e hiki mai ana i ka ʻoihana semiconductor i ka hoʻohana ʻana i nā metala "ʻenekinia" hou aʻe ma ka pae atomika. Koi nā node holomua a me nā hoʻolālā 3D (FinFET, GAA nanosheet, a pēlā aku) i nā papa metala lahilahi loa me nā interface maʻemaʻe. Eia kekahi, ʻo ka pono no ka pono o ka ikehu a me ka wikiwiki e hoʻolilo i ke koho ʻana o nā metala no nā interconnects a me nā pilina i mea nui.
Ma ka ʻaoʻao hoʻopili, ʻo nā koi bandwidth kiʻekiʻe a me ka hoʻohui like ʻole e hoʻokele nei i ka hana hou i ka solder, bump, a me nā mea hoʻopili metala. ʻAʻole wale ka metala he ʻāpana kākoʻo, akā he ʻāpana koʻikoʻi o ka hoʻolālā ʻōnaehana, ka hana, a me ka hilinaʻi.
Ka hopena
He kuleana koʻikoʻi ko nā metala i ka hana ʻana o nā mea semiconductor: ma ke ʻano he mau mea hoʻopili, nā pilina, nā pale, nā puka metala, a me ke kuamoʻo o ka ʻōpala. ʻAʻole wale ka koho ʻana o ka metala i hoʻoholo ʻia e ka conductivity, akā, e ka diffusion, adhesion, thermal stability, ka hoʻohālikelike ʻana o ke kaʻina hana, a me ka hilinaʻi lōʻihi. I ka piʻi ʻana o ka miniaturization a me ka paʻakikī, ke koi nei nā pilikia e like me ka electromigration a me ke kū'ē ʻana o ka nanoscale i ka ʻoihana e hoʻomohala i nā mea hou a me nā kaʻina hana. No laila, he mea nui ka hoʻomaopopo ʻana i ka hoʻohana ʻana i nā metala i nā semiconductors ʻaʻole wale no nā mea hana a me nā ʻenekinia kaʻina hana, akā no kekahi e ʻimi nei e hoʻomaopopo pehea e hoʻomau ai ka ʻenehana chip hou i ka ulu ʻana.
