Fampiasana metaly amin'ny fanamboarana fitaovana semiconductor
Ireo fitaovana semiconductor—toy ny transistors, diodes, sensors, circuit integrated (ICs), ary processeurs—no fototry ny teknolojia maoderina. Ao ambadiky ny fahombiazany avo lenta sy ny habeny kely kokoa dia misy dingana famokarana sarotra, mazava tsara ary miankina betsaka amin'ny fitaovana. Ny vondrona fitaovana iray izay tsy azo soloina ny anjara asany dia ny metaly. Ny metaly dia tsy ampiasaina ho "tariby" mitondra herinaratra fotsiny fa ampiasaina ho toy ny fifandraisana elektrika, sakana amin'ny fiparitahana, singa mampifandray eo amin'ny singa, ary fitaovana miasa amin'ny litografia sy ny dingana famonosana. Ity lahatsoratra ity dia miresaka momba ny fomba fampiasana metaly amin'ny famokarana fitaovana semiconductor, ny karazana metaly ampiasaina matetika, ary ny fanamby sy ny lalana hivoaran'izy ireo.
1. Ny anjara asan'ny metaly amin'ny fitaovana semiconductor
Amin'ny ankapobeny, ny metaly ao amin'ny fitaovana semiconductor dia manana asa lehibe maromaro:
1. Fifandraisana (tariby): Mampifandray ireo transistors sy singa hafa ao amin'ny puce amin'ny alàlan'ny lalana metaly matevina sy misy sosona maro (fifandraisana misy sosona maro).
2. Fifandraisana Ohmika sy fifandraisana Schottky: Mamorona fifandraisana elektrika eo amin'ny metaly sy ny semiconductor. Ny fifandraisana Ohmika dia mamela ny fikorianan'ny herinaratra amin'ny lafiny roa miaraka amin'ny fanoherana ambany, raha toa kosa ny fifandraisana Schottky dia mamorona diode manana toetra manitsy.
3. Sosona sakana sy sosona fifikirana: Misoroka ny fiparitahan'ny atôma metaly ao amin'ny semiconductor na fitaovana dielektrika, ary manampy ny metaly hiraikitra mafy amin'ny sosona etsy ambany.
4. Elektroda vavahady amin'ny transistor: Amin'ny teknolojia sasany, ny metaly dia ampiasaina hanamboarana elektroda vavahady amin'ny MOSFET mba hahazoana fanaraha-maso tsara kokoa ny fantsona sy ny fanoherana ambany kokoa.
5. Akora ampiasaina amin'ny fizotran'ny fanamboarana: Ny metaly sy ny akora metaly dia ampiasaina ho saron-tava mafy, sosona taratra, na singa simika amin'ny fametrahana sy ny fanesorana.
6. Fonosana sy fifandraisana amin'ny puce: Ny "solder", ny fatorana tariby, ny "bumping", ary ny firaka metaly isan-karazany dia ampiasaina hampifandraisana ny puce amin'ny solaitrabe ary hiarovana ny fitaovana amin'ny tontolo iainana.
Raha lazaina amin'ny teny hafa, ny fahombiazan'ny puce maoderina dia tsy voafaritry ny silisiôma na fitaovana semiconductor hafa ihany, fa koa ny fomba fisafidianana sy fampidirana ny metaly.
2. Metaly ho an'ny fifandraisana: manomboka amin'ny aliminioma ka hatramin'ny varahina sy kobalta
Tamin'ny taranaka voalohany tamin'ny IC, ny aliminioma (Al) no safidy voalohany ho an'ny fifandraisana satria mora apetraka, tsy dia lafo loatra, ary mifanaraka amin'ny fizotran'ny fanamboarana tamin'izany fotoana izany. Na izany aza, rehefa nitombo ny hakitroky ny transistor ary nitombo ny filàna herinaratra, dia niteraka fahatapahan'ny lalana sy fihenan'ny fahatokisana ny olana toy ny fifindran'ny herinaratra—ny fivezivezen'ny atôma metaly noho ny fikorianan'ny elektrôna be loatra.
Avy eo dia nitodika tany amin'ny varahina (Cu) ny indostria satria ambany kokoa ny fanoherana azy noho ny aliminioma, ka mampihena ny fatiantoka herinaratra ary mampitombo ny hafainganam-pandehan'ny famantarana. Na izany aza, ny varahina dia miteraka olana: ny Cu dia miparitaka mora foana ho lasa dielektrika (ohatra, SiO₂ na dielektrika ambany-k) ary mety hanimba ny toetra elektrika. Noho izany, ny Cu dia saika ampiasaina miaraka amin'ny sosona sakana toy ny tantalum (Ta) na tantalum nitride (TaN).
Ao anatin'ireo teknolojia miha-kely kokoa (nodes mandroso), mihena ny fizarana fifandraisana, mitombo bebe kokoa ny fanoherana, ary miha-manjaka kokoa ny fiantraikan'ny sisin-tany (fiparitahan'ny ety ambonin'ny tany). Ho an'ny sosona sasany, ny fampiasana cobalt (Co) na ruthenium (Ru) ho solon'ny Cu dia nanomboka nipoitra satria afaka manome fahombiazana marin-toerana kokoa amin'ny refy kely dia kely ary mampihena ny filàna sakana matevina.
3. Fifandraisana metaly-semiconductor: ohmic sy Schottky
Ny fifandraisana misy eo amin'ny metaly sy ny semiconductor dia iray amin'ireo lafiny tena manan-danja indrindra. Raha toa ka resistive loatra ny fifandraisana, dia mafana haingana ny transistor ary very ny fahombiazany. Amin'ny fitaovana CMOS maoderina, ny fifandraisana loharano/tatatra sy ny plug fifandraisana dia natao hanana ny fanoherana ambany indrindra azo atao.
Ireto misy metaly sy akora ampiasaina matetika amin'ny fifandraisana:
– Titane (Ti): matetika ampiasaina ho lakaoly sy sosona mihetsika mba hamoronana silisida.
– Nikela (Ni) sy kobalta (Co): fahita amin'ny dingana silicidation (ohatra NiSi, CoSi₂) mba hampihenana ny fanoherana ny fifandraisana amin'ny silikônina.
– Tungstène (W): ampiasaina betsaka ho toy ny "plug" hamenoana ireo lavaka fifandraisana (contact/via fill) satria marin-toerana izy io ary mety amin'ny fametrahana CVD (chemical etona deposition).
– Platina (Pt) na palladium (Pd): azo ampiasaina hamoronana fifandraisana Schottky na ho an'ny fampiharana sasany izay mitaky fahamarinan-toerana simika avo lenta.
Amin'ny fitaovana vita amin'ny semiconductors ankoatra ny silisiôma—toy ny GaN (gallium nitride) na SiC (silicon carbide)—dia miha-zava-dehibe ny fisafidianana metaly mifandray noho ny fahasamihafan'ny firafitry ny tarika angovo, ny fepetra takiana amin'ny mari-pana avo, ary ny tontolo iainana miasa tafahoatra kokoa (ohatra, ny elektronika herinaratra).
4. Sosona sakana, sosona fonony, ary sosona fifikirana
Satria kely dia kely ny puce maoderina, dia mety hiparitaka ny atôma metaly ka hiteraka fivoahan'ny rano, "short", na fiovan'ny masontsivana transistor. Noho izany, dia ampiasaina ny sosona manify, izay manatanteraka ireto asa manaraka ireto:
– Sakana amin'ny fiparitahana: misoroka ny fiparitahan'ny Cu na metaly hafa.
– Saron-tava: manampy amin'ny famenoana mitovy tsara ireo faritra tery (hady/lalan-kely).
– Sosona fifikirana: mampitombo ny fifikirana.
Anisan'ny fitaovana mahazatra ny Ta/TaN, Ti/TiN, W, ary amin'ny fikarohana vao haingana kokoa, ny sakana mifototra amin'ny Ru, Mn, na sosona manify dia manify mifototra amin'ny fitaovana 2D ho sakana amin'ny fiparitahana. Rehefa mandroso ny nodes, ny fanamby dia ny manao ny sakana ho manify araka izay azo atao sady mijanona ho mahomby, satria ny sakana matevina loatra dia "mihinana" ny habaka amin'ny lalana ary mampitombo ny fanoherana.
5. Metaly ao amin'ny rafitry ny transistor: vavahady metaly sy high-k
Ao amin'ny transistors MOSFET maoderina, indrindra hatramin'ny nampidirana ny vavahady avo lenta/metaly, dia nitana anjara toerana lehibe indray ny metaly tao amin'ny rafitry ny vavahady. Teo aloha, matetika no nampiasaina ny vavahady polysilicon, saingy niatrika olana toy ny fiantraikan'ny fihenan-kery sy ny fifanarahana amin'ny dielectrics avo lenta izy ireo. Amin'ny alàlan'ny vavahady metaly, dia mihatsara ny fanaraha-maso elektrostatika ary azo sakanana ny fivoahan'ny herinaratra.
Miovaova ny akora ampiasaina, toy ny titane nitride (TiN), tantalum nitride, na fitambaran'ny metaly namboarina mba hahazoana ny fiasan'ny transistor marina (mba hifanaraka amin'ny endrika ny voltase ambangovangony). Eto, tsy mpitarika fotsiny ny metaly; ny toetra elektronika eo amboniny no mamaritra ny fihetsiky ny transistor.
6. Fampiasana metaly amin'ny dingana fametrahana sy fanaovana lamina
Ny fanamboarana poti-kazo dia ahitana ny fametrahana sosona metaly manify amin'ny alalan'ny teknika isan-karazany, anisan'izany:
– PVD (Filevonana etona ara-batana): toy ny fiparitahana, fahita amin'ny Al, Ti, Ta, sy ny hafa.
– CVD (Fametrahana Etona Simika): matetika ampiasaina amin'ny plug W (tungstène) sy sosona metaly sasany.
– ALD (Atomic Sous Deposition): tena zava-dehibe ho an'ny sosona manify dia manify sy mifanaraka amin'ny rafitra 3D, ohatra ny sakana/liner, vavahady metaly, ary fitaovana fifandraisana sasany.
Aorian'ny fametrahana azy dia tsy maintsy asiana lamina ny metaly amin'ny alalan'ny litografia sy ny etching na ny dingana damascene (indrindra ho an'ny Cu), izay ahitana ny famoronana hady ao amin'ny dielectric, famenoana azy ireo amin'ny metaly, ary avy eo fanosorana azy ireo amin'ny alalan'ny Chemical Mechanical Planarization (CMP). Ity dingana ity dia mitaky ny slurry sy ny simia mety mba hamoronana velarana fisaka nefa tsy manimba ny sosona ambaniny.
7. Vy eo amin'ny fonosana: fametahana "soudure", fametahana "bouche", ary fametahana tariby
Rehefa vita ny "wafer" dia tetehina (tapatapaka) ary fonosina ilay "chip". Amin'izao dingana izao dia manjaka ihany koa ny metaly:
– Ny fampiraisana tariby dia mampiasa tariby volamena (Au), aliminioma (Al), na varahina (Cu).
– Ny bumping sy flip-chip dia mampiasa andry/bumps metaly sy solder ho an'ny fifandraisana haingam-pandeha sy fantsika maro.
– Ny solder maoderina dia mazàna vita amin'ny firaka (Sn) miaraka amin'ny firaka (ohatra Sn-Ag-Cu) mba hanoloana ny solder firaka (Pb) noho ny antony ara-tontolo iainana.
Mampitombo ny filàna fitaovana metaly azo ianteherana avo lenta ny fonosana mandroso toy ny chiplets, ny fampidirana 2.5D/3D, ary ny TSV (through-silicon via), satria miha-mitombo ny hakitroky ny fifandraisana sy ny fiparitahan'ny hafanana.
8. Ireo fanamby lehibe: fifindran'ny herinaratra, harafesina, ary fanoherana amin'ny ambaratonga nano
Rehefa mihakely ny refy dia miatrika olana lehibe ny fampiasana metaly, anisan'izany:
– Fifindran'ny herinaratra: mety ho simba noho ny fikorianan'ny rano avo amin'ny fizarana kely ny lalan-metaly.
– Fitomboan'ny resistivity mahomby: amin'ny nanoscale, ny elektrôna dia mifandona matetika kokoa amin'ny sisin'ny voa sy ny velarany, ka mampitombo ny fanoherana.
– Fahasimbana sy fifanarahan'ny zavatra simika: indrindra amin'ny dingana famokarana izay misy zavatra simika maro sy mari-pana avo.
– Famerana ny sakana: tsy maintsy manify kokoa ny sakana ary mbola mahatohitra ny fiparitahana, izay sarotra ara-teknika.
Noho izany, mitohy ny fikarohana momba ny fitaovana metaly ho an'ny semiconductor, anisan'izany ny fikarohana ny Co, Ru, Mo, ary koa ny fomba fiasa vaovao toy ny fifandraisana mifototra amin'ny fitaovana hafa sy ny teknika fametrahana atomika.
9. Fitarihana amin'ny fampiasana metaly amin'ny ho avy
Ny fironana amin'ny ho avy eo amin'ny indostrian'ny semiconductor dia mitarika ny fampiasana metaly "namboarina" bebe kokoa amin'ny sehatra atomika. Ny nodes mandroso sy ny maritrano 3D (FinFET, GAA nanosheet, sy ny sisa) dia mitaky sosona metaly mitovy tsara sy manify be miaraka amin'ny interface madio. Ankoatra izany, ny filàna fahombiazana amin'ny angovo sy ny hafainganam-pandeha dia mahatonga ny fisafidianana metaly ho an'ny fifandraisana sy ny fifandraisana ho singa fototra.
Eo amin'ny lafiny fonosana, ny fepetra takiana amin'ny bandwidth avo lenta sy ny fampidirana tsy mitovy dia manosika ny fanavaozana amin'ny solder, bump, ary metal interposers. Tsy singa mpanohana fotsiny ny metaly, fa ampahany fototra amin'ny famolavolana, ny fahombiazana ary ny fahatokisana ny rafitra.
Famaranana
Mitana anjara toerana lehibe amin'ny fanamboarana fitaovana semiconductor ny metaly: toy ny fifandraisana, fifandraisana, sakana, vavahady metaly, ary hazondamosina amin'ny fonosana. Ny fisafidianana metaly dia tsy voafaritry ny conductivity ihany, fa koa amin'ny diffusion, adhesion, fahamarinan-toerana mafana, mifanaraka amin'ny dingana, ary azo itokisana maharitra. Rehefa mitombo ny miniaturization sy ny fahasarotana, ireo fanamby toy ny electromigration sy ny fanoherana ny nanoscale dia manery ny indostria hampivelatra fitaovana sy dingana vaovao. Noho izany, ny fahatakarana ny fampiasana metaly amin'ny semiconductors dia tena ilaina tsy ho an'ny injeniera fitaovana sy dingana ihany, fa ho an'izay rehetra mitady hahatakatra ny fomba hitohizan'ny fivoaran'ny teknolojia puce maoderina.
