Употреба на метали во производство на полупроводнички уреди
Полупроводничките уреди - како што се транзистори, диоди, сензори, интегрирани кола (IC) и процесори - се 'рбетот на модерната технологија. Зад нивните високи перформанси и сè помали димензии лежи сложен, прецизен и високо зависен од материјалот производствен процес. Една група материјали чија улога е незаменлива е металот. Металите се користат не само како електрично спроводливи „жици“, туку и како електрични контакти, дифузни бариери, елементи за меѓусебно поврзување помеѓу компонентите и функционални материјали во процесите на литографија и пакување. Оваа статија дискутира за тоа како металите се користат во производството на полупроводнички уреди, видовите метали што најчесто се користат и предизвиците и насоките на нивниот развој.
1. Улогата на металите во полупроводничките уреди
Општо земено, металите во полупроводничките уреди имаат неколку главни функции:
1. Меѓусебно поврзување (ожичување): Поврзување на транзистори и други компоненти во чипот преку многу густи и повеќеслојни метални патеки (повеќеслојно меѓусебно поврзување).
2. Омски контакти и Шоткиеви контакти: Формираат електричен интерфејс помеѓу метал и полупроводник. Омските контакти овозможуваат струјата да тече во двата правци со мал отпор, додека Шоткиевите контакти формираат диода со исправувачки карактеристики.
3. Бариерен слој и адхезивен слој: Спречува дифузија на метални атоми во полупроводничкиот или диелектричниот материјал и му помага на металот цврсто да се залепи за слојот подолу.
4. Гејт електрода на транзистор: Во одредени технологии, метал се користи за формирање на гејт електродата на MOSFET за подобра контрола на каналот и помал отпор.
5. Материјали во процесот на производство: Металите и металните соединенија се користат како тврди маски, рефлектирачки слоеви или хемиски компоненти за нанесување и гравирање.
6. Пакување и поврзување на чипот: Лем, жичено поврзување, испакнатини и разни метални легури се користат за поврзување на чипот со печатената плоча и заштита на уредот од околината.
Со други зборови, перформансите на модерните чипови се одредуваат не само од силикон или други полупроводнички материјали, туку и од тоа како металите се избираат и интегрираат.
2. Метали за меѓусебни врски: од алуминиум до бакар и кобалт
Во раните генерации на интегрирани кола, алуминиумот (Al) беше примарен избор за меѓусебни врски бидејќи беше лесен за депонирање, релативно ефтин и компатибилен со процесите на производство од тоа време. Меѓутоа, како што се зголемуваа густините на транзисторите и се зголемуваа барањата за струја, проблеми како што е електромиграцијата - движењето на металните атоми поради високиот проток на електрони - предизвикаа прекини на патеките и намалена сигурност.
Потоа индустријата се сврте кон бакарот (Cu) бидејќи има помал отпор од алуминиумот, намалувајќи ги загубите на енергија и зголемувајќи ја брзината на сигналот. Сепак, бакарот претставува предизвик: Cu лесно дифундира во диелектрици (на пр., SiO₂ или low-k диелектрици) и може да ги деградира електричните својства. Затоа, Cu речиси секогаш се користи со бариера слој како што е тантал (Ta) или тантал нитрид (TaN).
Во сè помалите технологии (напредни јазли), пресекот на меѓусебната поврзаност се намалува, со што отпорот дополнително се зголемува, а граничните ефекти (површинско расејување) стануваат подоминантни. За одредени слоеви, употребата на кобалт (Co) или рутениум (Ru) како алтернатива/дополнување на Cu почна да се појавува бидејќи може да обезбеди постабилни перформанси при многу мали димензии и ја намалува потребата од дебели бариери.
3. Метал-полупроводнички контакти: омски и Шоткиеви
Контактот помеѓу металот и полупроводникот е еден од најкритичните аспекти. Ако контактот е премногу отпорен, транзисторот брзо се прегрева и ги губи перформансите. Во современите CMOS уреди, контактите на изворот/одводот и контактните приклучоци се дизајнирани да имаат најмал можен отпор.
Некои метали и соединенија што најчесто се користат за контакти вклучуваат:
– Титан (Ti): често се користи како адхезивен и реактивен слој за формирање силициди.
– Никел (Ni) и кобалт (Co): вообичаени во процесите на силицидација (на пр. NiSi, CoSi₂) за намалување на контактниот отпор кај силициумот.
– Волфрам (W): широко се користи како „чеп“ за пополнување на контактните дупки (контактно/преку полнење) бидејќи е стабилен и погоден за CVD (хемиско таложење на пареа) таложење.
– Платина (Pt) или паладиум (Pd): може да се користи за формирање на Шоткиеви контакти или за одредени апликации кои бараат висока хемиска стабилност.
Кај уреди направени од полупроводници различни од силициум - како што се GaN (галиум нитрид) или SiC (силициум карбид) - изборот на контактен метал станува сè поважен поради разликите во структурата на енергетските ленти, високите температурни барања и поекстремните работни средини (на пр., енергетска електроника).
4. Бариерен слој, облога и адхезивен слој
Бидејќи модерните чипови се толку мали, металните атоми можат да дифузираат и да предизвикаат протекување, кратки споеви или промени во параметрите на транзисторот. Затоа, се користат тенки слоеви, кои ги извршуваат следниве функции:
– Дифузиона бариера: спречува дифузија на Cu или други метали.
– Подлога: помага рамномерно да се пополнат тесните елементи (ров/премини).
– Слој за адхезија: ја зголемува адхезијата.
Вообичаени материјали вклучуваат Ta/TaN, Ti/TiN, W, а во поновите истражувања, бариери базирани на Ru, Mn или ултратенки слоеви базирани на 2D материјали како дифузни бариери. Како што напредуваат јазлите, предизвикот е бариерата да се направи што е можно потенка, а воедно да остане ефикасна, бидејќи предебелата бариера го „јаде“ просторот на патеката и го зголемува отпорот.
5. Метал во структурата на транзисторот: метална порта и висок-k
Кај современите MOSFET транзистори, особено по воведувањето на портите со висок k/метал, металот повторно игра главна улога во структурата на портата. Претходно, често се користеа полисилициумски порти, но тие се соочуваа со проблеми како што се ефектот на осиромашување и компатибилноста со диелектриците со висок k. Со металните порти, електростатската контрола е подобрена и може да се потисне истекувањето.
Материјалите што се користат варираат, како што се титаниум нитрид (TiN), тантал нитрид или комбинација од метали прилагодени за да се постигне точната работна функција (така што прагот на напонот одговара на дизајнот). Тука, металот не е само спроводник; неговите површински електронски својства го одредуваат однесувањето на транзисторот.
6. Употреба на метал во процесите на нанесување и обликување
Производството на чипови вклучува таложење на тенки слоеви од метал преку различни техники, вклучувајќи:
– PVD (физичко таложење на пареа): како распрскување, вообичаено за Al, Ti, Ta и други.
– CVD (хемиско таложење на пареа): често се користи за W (волфрамски) приклучоци и одредени метални слоеви.
– ALD (Таложење на атомски слоеви): многу важно за ултратенки и конформни слоеви на 3D структури, на пример бариери/облоги, метални порти и некои контактни материјали.
По нанесувањето, металот мора да се обликува со литографија и бакроење или со дамасценскиот процес (особено за Cu), што вклучува создавање ровови во диелектрикот, нивно полнење со метал, а потоа нивно полирање со хемиско-механичко планаризирање (CMP). Овој процес бара соодветна кашеста маса и хемија за да се создаде рамна површина без оштетување на основните слоеви.
7. Метал на пакувањето: лемење, испакнатина и жичено поврзување
Откако ќе се заврши плочката, чипот се сече (сече на коцки) и се пакува. Во оваа фаза, металот е исто така доминантен:
– За поврзување со жици се користи златна (Au), алуминиумска (Al) или бакарна (Cu) жица.
– Испупчувањето и флип-чипот користат метални столбови/испупки и лем за брзи врски и голем број на пинови.
– Современите лемови генерално се на база на калај (Sn) со легури (на пр. Sn-Ag-Cu) за да се замени лемот од олово (Pb) од еколошки причини.
Напредното пакување како што се чиплети, 2.5D/3D интеграција и TSV (три-силиконски спроводници) ја зголемуваат потребата од високосигурни метални материјали, бидејќи густината на поврзување и дисипацијата на топлината стануваат поголеми.
8. Клучни предизвици: електромиграција, корозија и отпорност на наноскала
Како што димензиите стануваат помали, употребата на метал се соочува со сериозни предизвици, вклучувајќи:
– Електромиграција: металните патеки можат да бидат оштетени од високи струи во мали пресеци.
– Зголемена ефективна отпорност: на наноскала, електроните се судираат почесто со границите и површините на зрната, зголемувајќи го отпорот.
– Корозија и хемиска компатибилност: особено во фазите на производство кои вклучуваат многу хемикалии и високи температури.
– Ограничувања на бариерите: бариерите мора да бидат потенки и сепак да се спротивстават на дифузијата, што е технички тешко.
Затоа, истражувањата за метални материјали за полупроводници продолжуваат да се развиваат, вклучувајќи истражување на Co, Ru, Mo, како и нови пристапи како што се алтернативни меѓусебни врски базирани на материјали и техники на атомско таложење.
9. Идни насоки за употреба на метал
Идните трендови во полупроводничката индустрија го поттикнуваат користењето на повеќе „инженерски“ метали на атомско ниво. Напредните јазли и 3D архитектури (FinFET, GAA нанолистови и така натаму) бараат високо униформни, ултратенки метални слоеви со чисти интерфејси. Понатаму, потребата за енергетска ефикасност и брзина, исто така, го прави изборот на метали за меѓуврски и контакти клучен фактор.
Од страна на пакувањето, барањата за висок пропусен опсег и хетерогената интеграција се двигатели на иновациите кај лемењето, испакнувањето и металните меѓуместа. Металот не е само потпорна компонента, туку фундаментален дел од дизајнот, перформансите и сигурноста на системот.
Заклучок
Металите играат централна улога во производството на полупроводнички уреди: како меѓусебни врски, контакти, бариери, метални порти и 'рбетот на пакувањето. Изборот на метал се одредува не само од спроводливоста, туку и од дифузијата, адхезијата, термичката стабилност, компатибилноста на процесите и долгорочната сигурност. Како што се зголемуваат минијатуризацијата и комплексноста, предизвиците како што се електромиграцијата и наноразмерниот отпор ја принудуваат индустријата да развива нови материјали и процеси. Затоа, разбирањето на употребата на металите во полупроводниците е клучно не само за инженерите за материјали и процеси, туку и за секој што сака да разбере како модерната технологија на чипови ќе продолжи да се развива.
