Жарым өткөргүч түзүлүштөрдү өндүрүүдө металлдарды колдонуу
Жарым өткөргүч түзүлүштөр — мисалы, транзисторлор, диоддор, сенсорлор, интегралдык микросхемалар (ИМС) жана процессорлор — заманбап технологиянын негизи болуп саналат. Алардын жогорку өндүрүмдүүлүгүнүн жана барган сайын кичирейип бараткан өлчөмдөрүнүн артында татаал, так жана материалга өтө көз каранды өндүрүш процесси жатат. Ролу алмаштыргыс материалдардын бир тобу - металл. Металлдар электр өткөргүч "зымдар" катары гана эмес, ошондой эле электрдик контакттар, диффузиялык тоскоолдуктар, компоненттердин ортосундагы өз ара байланыштыруучу элементтер жана литография жана таңгактоо процесстеринде функционалдык материалдар катары да колдонулат. Бул макалада жарым өткөргүч түзүлүштөрдү өндүрүүдө металлдар кандайча колдонулары, кеңири колдонулган металлдардын түрлөрү жана аларды иштеп чыгуунун кыйынчылыктары жана багыттары талкууланат.
1. Жарым өткөргүч түзүлүштөрдөгү металлдардын ролу
Жалпысынан алганда, жарым өткөргүч түзүлүштөрдөгү металлдар бир нече негизги функцияларды аткарат:
1. Өз ара байланыш (зымдар): Чиптеги транзисторлорду жана башка компоненттерди өтө тыгыз жана көп катмарлуу металл жолдору (көп катмарлуу өз ара байланыш) аркылуу туташтыруу.
2. Омдук контакттар жана Шоттки контакттары: Металл менен жарым өткөргүчтүн ортосундагы электрдик интерфейсти түзөт. Омдук контакттар токтун эки багытта тең аз каршылык менен агышына мүмкүндүк берет, ал эми Шоттки контакттары түзөтүүчү мүнөздөмөлөргө ээ диодду түзөт.
3. Тоскоолдук катмар жана адгезия катмары: Металл атомдорунун жарым өткөргүч же диэлектрик материалга диффузиясына жол бербейт жана металлдын астыңкы катмарга бекем жабышышына жардам берет.
4. Транзистордогу дарбаза электроду: Айрым технологияларда MOSFETте каналды жакшыраак башкаруу жана каршылыкты азайтуу үчүн дарбаза электродун түзүү үчүн металл колдонулат.
5. Өндүрүш процессиндеги материалдар: Металлдар жана металл кошулмалары катуу маскалар, чагылдыруучу катмарлар же чөкмө жана оюу үчүн химиялык компоненттер катары колдонулат.
6. Чипти таңгактоо жана туташтыруу: Чипти схемалык платага туташтыруу жана түзмөктү айлана-чөйрөнүн таасиринен коргоо үчүн ширетүүчү, зым байланыштыруучу, соккулоочу жана ар кандай металл эритмелери колдонулат.
Башкача айтканда, заманбап чиптердин иштеши кремний же башка жарым өткөргүч материалдар менен гана эмес, металлдардын кантип тандалып алынганы жана интеграцияланганы менен да аныкталат.
2. Өз ара байланыш үчүн металлдар: алюминийден жезге жана кобальтка чейин
Интегралдык микросхемалардын алгачкы муундарында алюминий (Al) өз ара туташтыруу үчүн негизги тандоо болгон, анткени ал оңой кошулган, салыштырмалуу арзан жана ошол кездеги өндүрүш процесстерине шайкеш келген. Бирок, транзисторлордун тыгыздыгы жогорулаган сайын жана токтун талаптары жогорулаган сайын, электромиграция сыяктуу көйгөйлөр - жогорку электрондук агымдан улам металл атомдорунун кыймылы - жолдордун үзүлүшүнө жана ишенимдүүлүктүн төмөндөшүнө алып келген.
Андан кийин өнөр жай жезге (Cu) кайрылган, анткени анын каршылыгы алюминийге караганда төмөн, бул кубаттуулуктун жоготууларын азайтып, сигналдын ылдамдыгын жогорулатат. Бирок, жез кыйынчылык жаратат: Cu диэлектриктерге (мисалы, SiO₂ же k-диэлектриктер) оңой диффузияланат жана электрдик касиеттерди начарлатышы мүмкүн. Ошондуктан, Cu дээрлик ар дайым тантал (Ta) же тантал нитриди (TaN) сыяктуу тосмо катмар менен колдонулат.
Кичинекей технологияларда (өнүккөн түйүндөрдө) өз ара байланыштын кесилиши кичирейип, каршылыкты андан ары жогорулатат жана чек ара эффекттери (беттик чачыратуу) басымдуулук кылат. Айрым катмарлар үчүн кобальтты (Co) же рутенийди (Ru) Cuга альтернатива/толуктоо катары колдонуу пайда боло баштады, анткени ал өтө кичинекей өлчөмдөрдө туруктуураак иштөөнү камсыздай алат жана калың тосмолорго болгон муктаждыкты азайтат.
3. Металл-жарым өткөргүч контакттары: омдук жана Шоттки
Металл менен жарым өткөргүчтүн ортосундагы байланыш эң маанилүү аспектилердин бири болуп саналат. Эгерде байланыш өтө каршылыктуу болсо, транзистор тез ысып кетет жана иштешин жоготот. Заманбап CMOS түзмөктөрүндө булак/төгүү контакттары жана контакт сайгычтары мүмкүн болушунча эң төмөнкү каршылыкка ээ болуу үчүн иштелип чыккан.
Байланыштар үчүн кеңири колдонулган кээ бир металлдар жана кошулмалар төмөнкүлөрдү камтыйт:
– Титан (Ti): көбүнчө силициддерди пайда кылуу үчүн жабышчаак жана реактивдүү катмар катары колдонулат.
– Никель (Ni) жана кобальт (Co): кремнийдеги контакттык каршылыкты азайтуу үчүн кремнийди иштетүү процесстеринде (мисалы, NiSi, CoSi₂) кеңири колдонулат.
– Вольфрам (W): байланыш тешиктерин толтуруу үчүн "тыгын" катары кеңири колдонулат (байланыш/толтуруу аркылуу), анткени ал туруктуу жана CVD (химиялык буу чөктүрүү) үчүн ылайыктуу.
– Платина (Pt) же палладий (Pd): Шоттки контакттарын түзүү үчүн же жогорку химиялык туруктуулукту талап кылган айрым колдонмолор үчүн колдонулушу мүмкүн.
Кремнийден башка жарым өткөргүчтөрдөн жасалган түзүлүштөрдө, мисалы, GaN (галлий нитриди) же SiC (кремний карбиди), энергия тилкесинин түзүлүшүндөгү айырмачылыктардан, жогорку температура талаптарынан жана экстремалдык иштөө чөйрөлөрүнөн (мисалы, күчтүү электроника) улам контакт металлын тандоо барган сайын маанилүү болуп баратат.
4. Тосмо катмары, каптама жана адгезия катмары
Заманбап чиптер өтө кичинекей болгондуктан, металл атомдору диффузияланып, агып кетүүлөрдү, кыска туташууларды же транзистордун параметрлеринин өзгөрүшүн пайда кылышы мүмкүн. Ошондуктан, төмөнкү функцияларды аткарган жука катмарлар колдонулат:
– Диффузиялык тосмо: Cu же башка металлдардын диффузиясына жол бербейт.
– Лайнер: тар жерлерди (траншея/аркылуу) бирдей толтурууга жардам берет.
– Адгезия катмары: адгезияны жогорулатат.
Көп кездешүүчү материалдарга Ta/TaN, Ti/TiN, W кирет, ал эми акыркы изилдөөлөрдө Ru, Mn негизиндеги тосмолор же диффузиялык тосмолор катары 2D материалдарга негизделген өтө жука катмарлар колдонулат. Түйүндөр өнүккөн сайын, тоскоолдукту мүмкүн болушунча жука кылып, ошол эле учурда натыйжалуу бойдон калуу кыйынга турат, анткени өтө калың тосмо жол мейкиндигин "жеп" жана каршылыкты жогорулатат.
5. Транзистордук түзүлүштөгү металл: металл дарбаза жана жогорку к
Заманбап MOSFET транзисторлорунда, айрыкча жогорку k/металл дарбазалар киргизилгенден бери, металл дарбазанын түзүлүшүндө кайрадан чоң роль ойной баштады. Буга чейин поликремний дарбазалары көп колдонулган, бирок алар түгөнүү эффектиси жана жогорку k диэлектриктер менен шайкештик сыяктуу көйгөйлөргө туш болушкан. Металл дарбазалар менен электростатикалык башкаруу жакшыртылып, агып кетүү басылышы мүмкүн.
Колдонулган материалдар ар кандай, мисалы, титан нитриди (TiN), тантал нитриди же туура жумуш функциясына жетүү үчүн ылайыкташтырылган металлдардын айкалышы (босого чыңалуу долбоорго дал келиши үчүн). Бул жерде металл жөн гана өткөргүч эмес; анын беттик электрондук касиеттери транзистордун жүрүм-турумун аныктайт.
6. Металлды чөктүрүү жана үлгү түзүү процесстеринде колдонуу
Чиптерди өндүрүү ар кандай ыкмалар менен металлдын жука катмарларын чөктүрүүнү камтыйт, анын ичинде:
– PVD (Физикалык буу чөкмөсү): чачыратуу сыяктуу, Al, Ti, Ta жана башкалар үчүн кеңири таралган.
– CVD (Химиялык буу чөкмөсү): көбүнчө W (вольфрам) тыгындары жана айрым металл катмарлары үчүн колдонулат.
– ALD (Атомдук катмарды чөктүрүү): 3D структураларындагы өтө жука жана конформдук катмарлар, мисалы, тосмолор/лайнерлер, металл дарбазалар жана кээ бир контакт материалдары үчүн абдан маанилүү.
Чөкмөдөн кийин, металл литография жана гравюра же дамаск процесси (айрыкча Cu үчүн) аркылуу үлгүгө ээ болушу керек, бул диэлектрикте траншеяларды түзүү, аларды металл менен толтуруу жана андан кийин аларды химиялык механикалык тегиздөө (ХМТ) аркылуу жылтыратуу. Бул процесс астындагы катмарларга зыян келтирбестен тегиз бетти түзүү үчүн туура шламды жана химияны талап кылат.
7. Таңгактагы металл: ширетүүчү, бүдүрчө жана зым байланышы
Вафли даяр болгондон кийин, анын сыныгы кесилип (кубиктерге бөлүнүп), таңгакталат. Бул этапта металл да басымдуулук кылат:
– Зымдарды бириктирүүдө алтын (Au), алюминий (Al) же жез (Cu) зымы колдонулат.
– Төмөнкүлөрдү жана оодаруучу чиптерди жасоодо жогорку ылдамдыктагы туташуулар жана көп сандагы төөнөгүчтөр үчүн металл мамылар/дөңсөөлөр жана ширетүүчү каражаттар колдонулат.
– Заманбап ширеткичтер, адатта, экологиялык себептерден улам коргошун (Pb) ширетүүсүн алмаштыруу үчүн калай (Sn) негизиндеги эритмелерге (мисалы, Sn-Ag-Cu) негизделген.
Чиплеттер, 2.5D/3D интеграциясы жана TSV (кремний аркылуу) сыяктуу өнүккөн таңгактоо, байланыш тыгыздыгы жана жылуулуктун таркашы жогорулаган сайын, жогорку ишенимдүү металл материалдарына болгон муктаждыкты күчөтүүдө.
8. Негизги кыйынчылыктар: электромиграция, коррозия жана нано масштабдагы каршылык
Өлчөмдөрү кичирейген сайын, металлды колдонуу олуттуу кыйынчылыктарга туш болот, анын ичинде:
– Электромиграция: металл жолдору кичинекей кесилиштердеги жогорку токтун таасиринен бузулушу мүмкүн.
– Натыйжалуу каршылыктын жогорулашы: нано масштабда электрондор бүртүкчөлөрдүн чек аралары жана беттери менен көбүрөөк кагылышып, каршылыкты жогорулатат.
– Коррозия жана химиялык шайкештик: айрыкча көптөгөн химиялык заттар жана жогорку температуралар менен байланышкан өндүрүш этаптарында.
– Тоскоолдуктардын чектөөлөрү: тосмолор жукараак болушу керек жана ошол эле учурда диффузияга туруштук бериши керек, бул техникалык жактан кыйын.
Ошондуктан, жарым өткөргүчтөр үчүн металл материалдарын изилдөө, анын ичинде Co, Ru, Mo изилдөөлөрү, ошондой эле альтернативдүү материалдык өз ара байланыштар жана атомдук чөктүрүү ыкмалары сыяктуу жаңы ыкмалар өнүгүп жатат.
9. Металлды колдонуунун келечектеги багыттары
Жарым өткөргүчтөр тармагындагы келечектеги тенденциялар атомдук деңгээлде көбүрөөк "инженердик" металлдарды колдонууга түрткү болууда. Өркүндөтүлгөн түйүндөр жана 3D архитектуралар (FinFET, GAA наноблок ж.б.) таза интерфейстери бар өтө бирдей, өтө жука металл катмарларын талап кылат. Андан тышкары, энергияны үнөмдөө жана ылдамдыкка болгон муктаждык өз ара байланыштар жана контакттар үчүн металлдарды тандоону негизги факторго айлантат.
Таңгактоо жагынан алганда, жогорку өткөрүү жөндөмдүүлүгүнө талаптар жана гетерогендик интеграция ширетүүчү, бүдүрчө жана металл интерпозерлериндеги инновацияны алдыга жылдырууда. Металл жөн гана колдоочу компонент эмес, системанын дизайнынын, иштешинин жана ишенимдүүлүгүнүн негизги бөлүгү.
Корутунду
Металлдар жарым өткөргүч түзүлүштөрдү жасоодо негизги ролду ойнойт: өз ара байланыштыруучулар, контакттар, тосмолор, металл дарбазалар жана таңгактын негизи катары. Металл тандоо өткөргүчтүк менен гана эмес, диффузия, адгезия, жылуулук туруктуулугу, процесстин шайкештиги жана узак мөөнөттүү ишенимдүүлүк менен да аныкталат. Миниатюризация жана татаалдык жогорулаган сайын, электромиграция жана наномасштабдагы каршылык сыяктуу кыйынчылыктар тармакты жаңы материалдарды жана процесстерди иштеп чыгууга мажбурлоодо. Ошондуктан, жарым өткөргүчтөрдө металлдарды колдонууну түшүнүү материалдар жана процесс инженерлери үчүн гана эмес, ошондой эле заманбап чип технологиясы кандайча өнүгө берерин түшүнгүсү келген ар бир адам үчүн абдан маанилүү.
