Жартылай өткізгіш құрылғылар өндірісінде металдарды пайдалану
Транзисторлар, диодтар, сенсорлар, интегралдық микросхемалар (ИМС) және процессорлар сияқты жартылай өткізгіш құрылғылар заманауи технологияның негізі болып табылады. Олардың жоғары өнімділігі мен өлшемдерінің артында күрделі, дәл және материалға өте тәуелді өндіріс процесі жатыр. Рөлі алмастырылмайтын материалдардың бір тобы - металл. Металдар тек электр өткізгіш «сымдар» ретінде ғана емес, сонымен қатар электрлік контактілер, диффузиялық кедергілер, компоненттер арасындағы өзара байланыстырушы элементтер және литография мен қаптама процестерінде функционалды материалдар ретінде де қолданылады. Бұл мақалада металдардың жартылай өткізгіш құрылғылар өндірісінде қалай қолданылатыны, жиі қолданылатын металдардың түрлері және оларды дамытудың қиындықтары мен бағыттары талқыланады.
1. Жартылай өткізгіш құрылғылардағы металдардың рөлі
Жалпы, жартылай өткізгіш құрылғылардағы металдардың бірнеше негізгі функциялары бар:
1. Өзара байланыс (сымдарды қосу): Чиптегі транзисторлар мен басқа компоненттерді өте тығыз және көп қабатты металл жолдар (көп қабатты өзара байланыс) арқылы қосу.
2. Омдық контактілер және Шоттки контактілері: Металл мен жартылай өткізгіш арасында электрлік интерфейс түзеді. Омдық контактілер токтың екі бағытта да төмен кедергімен ағуына мүмкіндік береді, ал Шоттки контактілері түзеткіш сипаттамалары бар диод түзеді.
3. Тосқауыл қабаты және адгезия қабаты: Металл атомдарының жартылай өткізгіш немесе диэлектрлік материалға диффузиясына жол бермейді және металдың төмендегі қабатқа мықтап жабысуына көмектеседі.
4. Транзистордағы қақпа электроды: Кейбір технологияларда MOSFET-те арнаны жақсы басқару және кедергіні төмендету үшін қақпа электродын қалыптастыру үшін металл қолданылады.
5. Өндіріс процесіндегі материалдар: Металдар мен металл қосылыстары қатты маскалар, шағылыстырғыш қабаттар немесе тұндыру және ою үшін химиялық компоненттер ретінде қолданылады.
6. Чипті орау және қосу: Чипті схемалық тақтаға қосу және құрылғыны қоршаған ортадан қорғау үшін дәнекерлеу, сымдарды байланыстыру, соққылар және әртүрлі металл қорытпалары қолданылады.
Басқаша айтқанда, қазіргі заманғы чиптердің өнімділігі тек кремний немесе басқа жартылай өткізгіш материалдармен ғана емес, сонымен қатар металдардың қалай таңдалғаны және біріктірілгенімен де анықталады.
2. Өзара байланыстарға арналған металдар: алюминийден мысқа және кобальтқа дейін
Интегралдық микросхемалардың алғашқы буындарында алюминий (Al) өзара қосылыстар үшін негізгі таңдау болды, себебі оны тұндыру оңай, салыстырмалы түрде арзан және сол кездегі өндіріс процестерімен үйлесімді болды. Дегенмен, транзисторлардың тығыздығы артып, ток талаптары артқан сайын, электромиграция сияқты мәселелер - жоғары электрон ағынына байланысты металл атомдарының қозғалысы - жолдардың үзілуіне және сенімділіктің төмендеуіне әкелді.
Содан кейін өнеркәсіп мысқа (Cu) жүгінді, себебі оның кедергісі алюминийге қарағанда төмен, бұл қуат шығындарын азайтады және сигнал жылдамдығын арттырады. Дегенмен, мыс қиындық тудырады: Cu диэлектриктерге (мысалы, SiO₂ немесе төмен k диэлектриктері) оңай таралады және электрлік қасиеттерді нашарлатуы мүмкін. Сондықтан, Cu әрқашан дерлік тантал (Ta) немесе тантал нитриді (TaN) сияқты тосқауыл қабатымен бірге қолданылады.
Кішігірім технологияларда (жетілдірілген түйіндер) өзара байланыс қимасы кішірейеді, кедергі одан әрі артады, ал шекаралық әсерлер (беттік шашыраңқылық) басым бола бастайды. Белгілі бір қабаттар үшін кобальтты (Co) немесе рутенийді (Ru) Cu-ға балама/толықтыру ретінде пайдалану пайда бола бастады, себебі ол өте кішкентай өлшемдерде тұрақтырақ өнімділікті қамтамасыз ете алады және қалың тосқауылдарға деген қажеттілікті азайтады.
3. Металл-жартылай өткізгіш контактілері: омдық және Шоттки
Металл мен жартылай өткізгіштің жанасуы ең маңызды аспектілердің бірі болып табылады. Егер жанасу тым кедергілі болса, транзистор тез қызып кетеді және жұмысын жоғалтады. Қазіргі заманғы CMOS құрылғыларында бастапқы/ағызу контактілері мен контакт ашалары ең төменгі кедергіге ие болу үшін жасалған.
Байланыстар үшін жиі қолданылатын кейбір металдар мен қосылыстарға мыналар жатады:
– Титан (Ti): көбінесе силицидтер түзу үшін желім және реактивті қабат ретінде қолданылады.
– Никель (Ni) және кобальт (Co): кремнийдегі жанасу кедергісін азайту үшін кремнийлеу процестерінде (мысалы, NiSi, CoSi₂) кең таралған.
– Вольфрам (W): байланыс тесіктерін толтыру үшін «тығын» ретінде кеңінен қолданылады (байланыс/толтыру арқылы), себебі ол тұрақты және CVD (химиялық бу тұндыру) тұндыру үшін жарамды.
– Платина (Pt) немесе палладий (Pd): Шоттки контактілерін қалыптастыру үшін немесе жоғары химиялық тұрақтылықты қажет ететін белгілі бір қолданбалар үшін пайдаланылуы мүмкін.
GaN (галлий нитриді) немесе SiC (кремний карбиді) сияқты кремнийден басқа жартылай өткізгіштерден жасалған құрылғыларда энергия жолағының құрылымындағы айырмашылықтарға, жоғары температура талаптарына және экстремалды жұмыс орталарына (мысалы, қуатты электроника) байланысты жанаспалы металды таңдау маңызды бола түсуде.
4. Тосқауыл қабаты, төсеніш және адгезия қабаты
Қазіргі заманғы чиптер өте кішкентай болғандықтан, металл атомдары диффузияға ұшырап, ағып кетулерге, қысқа тұйықталуларға немесе транзистор параметрлерінің өзгеруіне әкелуі мүмкін. Сондықтан келесі функцияларды орындайтын жұқа қабаттар қолданылады:
– Диффузиялық тосқауыл: Cu немесе басқа металдардың диффузиясына жол бермейді.
– Лайнер: тар бөліктерді (орын/арқылы) біркелкі толтыруға көмектеседі.
– Жабысқақ қабат: жабысқақтықты арттырады.
Кең таралған материалдарға Ta/TaN, Ti/TiN, W жатады, ал соңғы зерттеулерде Ru, Mn негізіндегі тосқауылдар немесе диффузиялық тосқауылдар ретінде 2D материалдарға негізделген ультра жұқа қабаттар қолданылады. Түйіндер дамыған сайын, кедергіні тиімді күйінде қалдыра отырып, оны мүмкіндігінше жұқа ету қиынға соғады, себебі тым қалың тосқауыл жол кеңістігін «жеп», кедергіні арттырады.
5. Транзисторлық құрылымдағы металл: металл қақпа және жоғары к
Қазіргі заманғы MOSFET транзисторларында, әсіресе жоғары k/металл қақпалар енгізілгеннен бері, металл қақпа құрылымында қайтадан маңызды рөл атқарды. Бұрын полискремний қақпалары жиі қолданылған, бірақ олар сарқылу әсері және жоғары k диэлектриктерімен үйлесімділік сияқты мәселелерге тап болды. Металл қақпалармен электростатикалық бақылау жақсарады және ағып кетуді басуға болады.
Қолданылатын материалдар әртүрлі, мысалы, титан нитриді (TiN), тантал нитриді немесе дұрыс жұмыс функциясына қол жеткізу үшін жасалған металдардың комбинациясы (шекті кернеу жобаға сәйкес келетіндей етіп). Мұнда металл жай өткізгіш емес; оның беттік электрондық қасиеттері транзистордың жұмысын анықтайды.
6. Металды тұндыру және өрнектеу процестерінде пайдалану
Жоңқа өндірісі әртүрлі әдістерді қолдана отырып, металдың жұқа қабаттарын жағуды қамтиды, соның ішінде:
– Физикалық будың тұндырылуы (PVD): шашырауға ұқсас, Al, Ti, Ta және басқаларына тән.
– CVD (Химиялық будың тұндыруы): көбінесе W (вольфрам) тығындары мен белгілі бір металл қабаттары үшін қолданылады.
– ALD (атомдық қабатты тұндыру): 3D құрылымдарындағы ультра жұқа және конформды қабаттар үшін өте маңызды, мысалы, тосқауылдар/қаптамалар, металл қақпалар және кейбір жанасатын материалдар.
Тұндырғаннан кейін металл литография және ою немесе дамаск процесі (әсіресе Cu үшін) арқылы өрнектелуі керек, бұл диэлектрикте траншеялар жасауды, оларды металлмен толтыруды және содан кейін химиялық механикалық жазықтықтау (ХМЖ) арқылы жылтыратуды қамтиды. Бұл процесс астыңғы қабаттарға зақым келтірмей тегіс бетті жасау үшін дұрыс суспензия мен химияны қажет етеді.
7. Қаптамадағы металл: дәнекерлеу, түйреуіш және сым байланысы
Вафли дайын болғаннан кейін, жаңқа кесіліп (туралып), қапталады. Бұл кезеңде металл да басым болады:
– Сымдарды байланыстыру үшін алтын (Au), алюминий (Al) немесе мыс (Cu) сымы қолданылады.
– Соққылар мен жоңқаларды бұрау кезінде жоғары жылдамдықты қосылымдар мен үлкен түйреуіштер саны үшін металл тіректер/төменгілер және дәнекерлеу қолданылады.
– Қазіргі заманғы дәнекерлеу құралдары, әдетте, қоршаған ортаға зиян келтірмеу үшін қорғасын (Pb) дәнекерін ауыстыру үшін қорытпалармен (мысалы, Sn-Ag-Cu) қалайы (Sn) негізінде жасалады.
Чиплеттер, 2.5D/3D интеграциясы және TSV (кремний арқылы) сияқты озық қаптамалар қосылыс тығыздығы мен жылу таратудың артуына байланысты жоғары сенімділіктегі металл материалдарға деген қажеттілікті арттырады.
8. Негізгі қиындықтар: электромиграция, коррозия және наноөлшемдегі кедергі
Өлшемдері кішірейген сайын, металды пайдалану күрделі қиындықтарға тап болады, соның ішінде:
– Электромиграция: металл жолдары кішігірім көлденең қималардағы жоғары токтардан зақымдалуы мүмкін.
– Тиімді кедергінің артуы: наноөлшемде электрондар түйіршік шекараларымен және беттерімен жиірек соқтығысады, бұл кедергіні арттырады.
– Коррозия және химиялық үйлесімділік: әсіресе көптеген химиялық заттар мен жоғары температураны қамтитын өндіріс кезеңдерінде.
– Тосқауыл шектеулері: тосқауылдар жұқа болуы керек және диффузияға төзімді болуы керек, бұл техникалық тұрғыдан қиын.
Сондықтан, жартылай өткізгіштерге арналған металл материалдарын зерттеу, соның ішінде Co, Ru, Mo зерттеулері, сондай-ақ балама материалдық байланыстар және атомдық тұндыру әдістері сияқты жаңа тәсілдер дамуда.
9. Металды пайдаланудың болашақ бағыттары
Жартылай өткізгіштер өнеркәсібіндегі болашақ үрдістер атом деңгейінде «инженерлік» металдарды көбірек пайдалануға итермелейді. Жетілдірілген түйіндер мен 3D архитектуралар (FinFET, GAA наноқұрылымы және т.б.) таза интерфейстері бар өте біркелкі, ультра жұқа металл қабаттарын талап етеді. Сонымен қатар, энергия тиімділігі мен жылдамдығына деген қажеттілік өзара байланыстар мен контактілер үшін металдарды таңдауды да маңызды факторға айналдырады.
Қаптама жағынан алғанда, жоғары өткізу қабілеттілігіне қойылатын талаптар және гетерогенді интеграция дәнекерлеу, түйреуіш және металл интерпозирлеушілеріндегі инновацияны алға жылжытуда. Металл тек тірек компоненті ғана емес, сонымен қатар жүйені жобалаудың, өнімділіктің және сенімділіктің негізгі бөлігі болып табылады.
Қорытынды
Металдар жартылай өткізгіш құрылғыларды жасауда орталық рөл атқарады: өзара байланыстырушы, контактілер, тосқауылдар, металл қақпалар және қаптаманың негізі ретінде. Металл таңдауы тек өткізгіштікпен ғана емес, сонымен қатар диффузиямен, адгезиямен, термиялық тұрақтылықпен, процестің үйлесімділігімен және ұзақ мерзімді сенімділікпен де анықталады. Миниатюризация және күрделілік артқан сайын электромиграция және наноөлшемді кедергі сияқты қиындықтар саланы жаңа материалдар мен процестерді әзірлеуге мәжбүр етеді. Сондықтан, жартылай өткізгіштерде металдарды қолдануды түсіну тек материалдар мен технологиялық инженерлер үшін ғана емес, сонымен қатар заманауи чип технологиясының қалай дамитынын түсінгісі келетін кез келген адам үшін өте маңызды.
