सेमीकंडक्टर उपकरणांच्या निर्मितीमध्ये धातूंचा वापर

सेमीकंडक्टर उपकरण निर्मितीमध्ये धातूंचा वापर

ट्रान्झिस्टर, डायोड, सेन्सर, इंटिग्रेटेड सर्किट्स (आयसी) आणि प्रोसेसर यांसारखी सेमीकंडक्टर उपकरणे आधुनिक तंत्रज्ञानाचा कणा आहेत. त्यांच्या उच्च कार्यक्षमतेमागे आणि सतत लहान होत जाणाऱ्या आकारामागे एक गुंतागुंतीची, अचूक आणि मोठ्या प्रमाणावर सामग्रीवर अवलंबून असलेली उत्पादन प्रक्रिया दडलेली आहे. धातू हा सामग्रीचा एक असा गट आहे ज्याची भूमिका अपरिहार्य आहे. धातूंचा उपयोग केवळ विद्युत वाहक 'तारा' म्हणून नव्हे, तर विद्युत संपर्क, प्रसार अडथळे, घटकांमधील आंतरजोडणी घटक आणि लिथोग्राफी व पॅकेजिंग प्रक्रियांमधील कार्यात्मक सामग्री म्हणूनही केला जातो. या लेखात सेमीकंडक्टर उपकरणांच्या निर्मितीमध्ये धातूंचा वापर कसा केला जातो, सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या धातूंचे प्रकार आणि त्यांच्या विकासातील आव्हाने व दिशा यांवर चर्चा केली आहे.

१. सेमीकंडक्टर उपकरणांमध्ये धातूंची भूमिका

सर्वसाधारणपणे, सेमीकंडक्टर उपकरणांमधील धातूंची अनेक मुख्य कार्ये असतात:

१. इंटरकनेक्शन (वायरिंग): चिपमधील ट्रान्झिस्टर आणि इतर घटकांना अतिशय दाट आणि बहु-स्तरीय धातूच्या मार्गांनी (मल्टी-लेयर इंटरकनेक्ट) जोडणे.
२. ओमिक कॉन्टॅक्ट्स आणि शोटकी कॉन्टॅक्ट्स: धातू आणि सेमीकंडक्टर यांच्यामध्ये एक विद्युत इंटरफेस तयार करतात. ओमिक कॉन्टॅक्ट्स कमी रोधासह दोन्ही दिशांना विद्युत प्रवाह वाहू देतात, तर शोटकी कॉन्टॅक्ट्स रेक्टिफायिंग वैशिष्ट्यांसह डायोड तयार करतात.
३. अडथळा थर आणि आसंजन थर: धातूच्या अणूंना अर्धसंवाहक किंवा पराविद्युत पदार्थामध्ये पसरण्यापासून रोखतो आणि धातूला खालच्या थराला घट्ट चिकटून राहण्यास मदत करतो.
4. ट्रान्झिस्टरवरील गेट इलेक्ट्रोड: काही विशिष्ट तंत्रज्ञानामध्ये, उत्तम चॅनल नियंत्रणासाठी आणि कमी रोधासाठी MOSFET वर गेट इलेक्ट्रोड बनवण्यासाठी धातूचा वापर केला जातो.
५. उत्पादन प्रक्रियेतील साहित्य: धातू आणि धातूंची संयुगे हार्ड मास्क, परावर्तक थर किंवा निक्षेपण आणि नक्षीकामासाठी रासायनिक घटक म्हणून वापरली जातात.
६. चिप पॅकेजिंग आणि कनेक्शन: चिपला सर्किट बोर्डशी जोडण्यासाठी आणि डिव्हाइसचे पर्यावरणापासून संरक्षण करण्यासाठी सोल्डर, वायर बॉन्डिंग, बम्पिंग आणि विविध धातूंचे मिश्रधातू वापरले जातात.

दुसऱ्या शब्दांत सांगायचे तर, आधुनिक चिप्सची कार्यक्षमता केवळ सिलिकॉन किंवा इतर सेमीकंडक्टर सामग्रीवरच नव्हे, तर धातूंची निवड आणि एकत्रीकरण कसे केले जाते यावरही अवलंबून असते.

२. आंतरजोडणीसाठी लागणारे धातू: ॲल्युमिनियमपासून तांबे आणि कोबाल्टपर्यंत

आयसीच्या (ICs) सुरुवातीच्या पिढ्यांमध्ये, इंटरकनेक्ट्ससाठी ॲल्युमिनियम (Al) हा प्रमुख पर्याय होता, कारण त्याचे निक्षेपण करणे सोपे होते, ते तुलनेने स्वस्त होते आणि त्या काळातील उत्पादन प्रक्रियांशी सुसंगत होते. तथापि, जसजशी ट्रान्झिस्टरची घनता वाढली आणि विद्युत प्रवाहाची आवश्यकता वाढली, तसतसे इलेक्ट्रोमायग्रेशनसारख्या समस्यांमुळे—म्हणजेच उच्च इलेक्ट्रॉन प्रवाहामुळे धातूच्या अणूंची होणारी हालचाल—मार्गात अडथळे निर्माण झाले आणि विश्वसनीयता कमी झाली.

त्यानंतर उद्योगाने तांब्याकडे (Cu) लक्ष वळवले, कारण त्याची रोधकता ॲल्युमिनियमपेक्षा कमी असते, ज्यामुळे ऊर्जेचा अपव्यय कमी होतो आणि सिग्नलचा वेग वाढतो. तथापि, तांब्यामुळे एक आव्हान निर्माण होते: तांबे डायइलेक्ट्रिक्समध्ये (उदा., SiO₂ किंवा लो-के डायइलेक्ट्रिक्स) सहजपणे पसरते आणि विद्युत गुणधर्मांची गुणवत्ता कमी करू शकते. त्यामुळे, तांब्याचा वापर जवळजवळ नेहमीच टँटॅलियम (Ta) किंवा टँटॅलियम नायट्राइड (TaN) सारख्या बॅरियर लेयरसोबत केला जातो.

अधिकाधिक लहान होत जाणाऱ्या तंत्रज्ञानामध्ये (प्रगत नोड्स), इंटरकनेक्शन क्रॉस-सेक्शन लहान होतो, ज्यामुळे रोध आणखी वाढतो आणि सीमा परिणाम (पृष्ठभागावरील विखुरणे) अधिक प्रभावी होतात. विशिष्ट थरांसाठी, तांब्याला (Cu) पर्याय/पूरक म्हणून कोबाल्ट (Co) किंवा रुथेनियमचा (Ru) वापर उदयास येऊ लागला आहे, कारण ते अत्यंत लहान आकारमानात अधिक स्थिर कार्यक्षमता देऊ शकते आणि जाड अडथळ्यांची गरज कमी करते.

३. धातू-अर्धसंवाहक संपर्क: ओमिक आणि शोटकी

धातू आणि सेमीकंडक्टरमधील संपर्क हा सर्वात महत्त्वाच्या बाबींपैकी एक आहे. जर संपर्क खूप रोधक असेल, तर ट्रान्झिस्टर लवकर गरम होतो आणि त्याची कार्यक्षमता कमी होते. आधुनिक CMOS उपकरणांमध्ये, सोर्स/ड्रेन कॉन्टॅक्ट्स आणि कॉन्टॅक्ट प्लग्जची रचना शक्य तितक्या कमी रोधकतेची केली जाते.

संपर्कांसाठी सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या काही धातू आणि संयुगांमध्ये खालील गोष्टींचा समावेश आहे:

– टायटॅनियम (Ti): सिलिसाइड तयार करण्यासाठी बहुतेकदा चिकट पदार्थ आणि प्रतिक्रियाशील थर म्हणून वापरले जाते.
– निकेल (Ni) आणि कोबाल्ट (Co): सिलिकॉनमधील संपर्क प्रतिरोध कमी करण्यासाठी सिलिसिडेशन प्रक्रियांमध्ये (उदा. NiSi, CoSi₂) सामान्यतः वापरले जातात.
– टंगस्टन (W): याचा वापर कॉन्टॅक्ट होल्स (कॉन्टॅक्ट/व्हिया फिल) भरण्यासाठी "प्लग" म्हणून मोठ्या प्रमाणावर केला जातो कारण ते स्थिर असते आणि सीव्हीडी (केमिकल व्हेपर डिपॉझिशन) डिपॉझिशनसाठी योग्य असते.
– प्लॅटिनम (Pt) किंवा पॅलेडियम (Pd): यांचा वापर शोटकी कॉन्टॅक्ट्स तयार करण्यासाठी किंवा उच्च रासायनिक स्थिरतेची आवश्यकता असलेल्या विशिष्ट अनुप्रयोगांसाठी केला जाऊ शकतो.

सिलिकॉन व्यतिरिक्त इतर सेमीकंडक्टरपासून बनवलेल्या उपकरणांमध्ये - जसे की GaN (गॅलियम नायट्राइड) किंवा SiC (सिलिकॉन कार्बाइड) - ऊर्जा बँड संरचनेतील फरक, उच्च तापमानाची आवश्यकता आणि अधिक कठोर ऑपरेटिंग वातावरण (उदा. पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्स) यामुळे संपर्क धातूची निवड अधिकाधिक महत्त्वाची ठरते.

४. बॅरियर लेयर, लाइनर आणि अॅडेशन लेयर

आधुनिक चिप्स खूप लहान असल्यामुळे, धातूचे अणू पसरून गळती, शॉर्ट सर्किट किंवा ट्रान्झिस्टरच्या पॅरामीटर्समध्ये बदल घडवू शकतात. त्यामुळे, पातळ थरांचा वापर केला जातो, जे खालील कार्ये पार पाडतात:

– विसरण अडथळा: तांबे किंवा इतर धातूंच्या विसरणाला प्रतिबंधित करतो.
– लायनर: अरुंद जागा (खंदक/वाटा) एकसारख्या भरण्यास मदत करते.
– आसंजन थर: आसंजन वाढवते.

सामान्य सामग्रीमध्ये Ta/TaN, Ti/TiN, W यांचा समावेश होतो आणि अलीकडील संशोधनात, Ru, Mn-आधारित अडथळे, किंवा प्रसार अडथळे म्हणून 2D सामग्रीवर आधारित अति-पातळ थरांचा वापर केला जातो. नोड्स जसजसे प्रगत होतात, तसतसे अडथळा प्रभावी राहील अशाप्रकारे शक्य तितका पातळ बनवणे हे एक आव्हान असते, कारण खूप जाड अडथळा मार्गाची जागा व्यापतो आणि प्रतिरोध वाढवतो.

५. ट्रान्झिस्टर संरचनेतील धातू: मेटल गेट आणि हाय-के

आधुनिक MOSFET ट्रान्झिस्टरमध्ये, विशेषतः हाय-के/मेटल गेट्सच्या आगमनानंतर, गेटच्या रचनेत धातूने पुन्हा एकदा प्रमुख भूमिका बजावली आहे. पूर्वी, पॉलिसिलिकॉन गेट्सचा अनेकदा वापर केला जात असे, परंतु त्यांना डिप्लेशन इफेक्ट आणि हाय-के डायइलेक्ट्रिक्ससोबतची सुसंगतता यांसारख्या समस्यांना सामोरे जावे लागत होते. मेटल गेट्समुळे, इलेक्ट्रोस्टॅटिक नियंत्रण सुधारते आणि लीकेज दाबले जाऊ शकते.

वापरलेली सामग्री वेगवेगळी असते, जसे की टायटॅनियम नायट्राइड (TiN), टँटलम नायट्राइड, किंवा योग्य वर्क फंक्शन साध्य करण्यासाठी तयार केलेले धातूंचे मिश्रण (जेणेकरून थ्रेशोल्ड व्होल्टेज डिझाइननुसार असेल). येथे, धातू केवळ एक वाहक नसतो; त्याच्या पृष्ठभागाचे इलेक्ट्रॉनिक गुणधर्म ट्रान्झिस्टरचे वर्तन निश्चित करतात.

६. निक्षेपण आणि नक्षीकाम प्रक्रियांमध्ये धातूचा वापर

चिप निर्मितीमध्ये विविध तंत्रांद्वारे धातूचे पातळ थर जमा केले जातात, ज्यामध्ये खालील गोष्टींचा समावेश आहे:

– पीव्हीडी (फिजिकल व्हेपर डिपॉझिशन): स्पटरिंगप्रमाणे, ॲल्युमिनियम (Al), टायटॅनियम (Ti), टँटॅलियम (Ta) आणि इतरांसाठी सामान्यपणे वापरले जाते.
– सीव्हीडी (केमिकल व्हेपर डिपॉझिशन): बहुतेकदा टंगस्टन (W) प्लग आणि विशिष्ट धातूंच्या थरांसाठी वापरले जाते.
– एएलडी (अ‍ॅटोमिक लेअर डिपॉझिशन): 3D संरचनांवर अति-पातळ आणि अनुरूप थरांसाठी खूप महत्त्वाचे, उदाहरणार्थ बॅरियर्स/लाइनर्स, मेटल गेट्स आणि काही संपर्क साहित्य.

निक्षेपणानंतर, लिथोग्राफी आणि एचिंग किंवा डमासीन प्रक्रियेचा (विशेषतः तांब्यासाठी) वापर करून धातूवर नक्षीकाम करणे आवश्यक असते. या प्रक्रियेमध्ये डायइलेक्ट्रिकमध्ये खड्डे तयार करणे, ते धातूने भरणे आणि नंतर केमिकल मेकॅनिकल प्लॅनरायझेशन (CMP) वापरून त्यांना पॉलिश करणे समाविष्ट असते. खालच्या थरांना नुकसान न पोहोचवता सपाट पृष्ठभाग तयार करण्यासाठी या प्रक्रियेला योग्य स्लरी आणि रसायनशास्त्राची आवश्यकता असते.

७. पॅकेजिंगवरील धातू: सोल्डर, बंप आणि वायर बाँड

वेफर तयार झाल्यावर, चिप कापली (डाईस केली) जाते आणि पॅक केली जाते. या टप्प्यावरही धातूचाच वापर प्रामुख्याने होतो:

– वायर बॉन्डिंगमध्ये सोन्याची (Au), ॲल्युमिनियमची (Al) किंवा तांब्याची (Cu) तार वापरली जाते.
– बम्पिंग आणि फ्लिप-चिपमध्ये उच्च-गती कनेक्शन आणि जास्त पिन संख्येसाठी धातूचे खांब/बम्प्स आणि सोल्डरचा वापर केला जातो.
– आधुनिक सोल्डर सामान्यतः कथील (Sn) आधारित असतात आणि पर्यावरणीय कारणांमुळे शिसे (Pb) सोल्डरच्या जागी मिश्रधातू (उदा. Sn-Ag-Cu) वापरले जातात.

चिपलेट्स, 2.5D/3D इंटिग्रेशन आणि TSV (थ्रू-सिलिकॉन व्हिया) यांसारख्या प्रगत पॅकेजिंगमुळे उच्च-विश्वसनीयता असलेल्या धातूंच्या सामग्रीची गरज वाढत आहे, कारण कनेक्शनची घनता आणि उष्णता उत्सर्जन अधिक होत आहे.

८. प्रमुख आव्हाने: नॅनोस्तरावरील विद्युत स्थलांतर, क्षरण आणि प्रतिरोध.

आकारमान लहान होत गेल्याने, धातूच्या वापरामध्ये गंभीर आव्हाने निर्माण होतात, ज्यामध्ये खालील गोष्टींचा समावेश आहे:

– इलेक्ट्रोमायग्रेशन: लहान क्रॉस-सेक्शनमध्ये उच्च प्रवाहामुळे धातूच्या मार्गांना नुकसान पोहोचू शकते.
– प्रभावी रोधकता वाढणे: नॅनोस्केलवर, इलेक्ट्रॉन कणसीमा आणि पृष्ठभागांशी अधिक वारंवार टक्कर देतात, ज्यामुळे रोध वाढतो.
– क्षरण आणि रासायनिक सुसंगतता: विशेषतः उत्पादनाच्या अशा टप्प्यांमध्ये जिथे अनेक रसायने आणि उच्च तापमान यांचा समावेश असतो.
– अडथळ्यांच्या मर्यादा: अडथळे अधिक पातळ असले पाहिजेत आणि तरीही त्यांनी विसरणाला प्रतिकार केला पाहिजे, जे तांत्रिकदृष्ट्या अवघड आहे.

त्यामुळे, सेमीकंडक्टरसाठी धातूंच्या सामग्रीवरील संशोधन विकसित होत आहे, ज्यामध्ये Co, Ru, Mo यांचा शोध, तसेच पर्यायी सामग्री-आधारित इंटरकनेक्ट्स आणि ॲटोमिक डिपॉझिशन तंत्र यांसारख्या नवीन पद्धतींचा समावेश आहे.

९. धातूंच्या वापराच्या भविष्यातील दिशा

सेमीकंडक्टर उद्योगातील भविष्यातील प्रवाह अणू पातळीवर अधिक 'अभियांत्रिकी' धातूंच्या वापरास चालना देत आहेत. प्रगत नोड्स आणि ३डी आर्किटेक्चर्सना (उदा. फिनफेट, जीएए नॅनोशीट इत्यादी) स्वच्छ इंटरफेस असलेल्या अत्यंत एकसमान, अति-पातळ धातूंच्या थरांची आवश्यकता असते. याव्यतिरिक्त, ऊर्जा कार्यक्षमता आणि वेगाच्या गरजेमुळे इंटरकनेक्ट्स आणि कॉन्टॅक्ट्ससाठी धातूंची निवड हा देखील एक महत्त्वाचा घटक बनतो.

पॅकेजिंगच्या बाबतीत, उच्च बँडविड्थची आवश्यकता आणि विषम एकीकरणामुळे सोल्डर, बम्प आणि मेटल इंटरपोझर्समध्ये नवनवीन शोध लागत आहेत. धातू हा केवळ एक आधारभूत घटक नसून, तो सिस्टीमची रचना, कार्यक्षमता आणि विश्वसनीयता यांचा एक मूलभूत भाग आहे.

निष्कर्ष

सेमीकंडक्टर उपकरणांच्या निर्मितीमध्ये धातू मध्यवर्ती भूमिका बजावतात: इंटरकनेक्ट्स, कॉन्टॅक्ट्स, बॅरियर्स, मेटल गेट्स आणि पॅकेजिंगचा कणा म्हणून. धातूची निवड केवळ चालकतेवरच नव्हे, तर डिफ्यूजन, आसंजन, औष्णिक स्थिरता, प्रक्रिया सुसंगतता आणि दीर्घकालीन विश्वसनीयता यांवरही अवलंबून असते. जसजसे लघुकरण आणि गुंतागुंत वाढत आहे, तसतशी इलेक्ट्रोमायग्रेशन आणि नॅनोस्केल प्रतिरोध यांसारखी आव्हाने उद्योगाला नवीन सामग्री आणि प्रक्रिया विकसित करण्यास भाग पाडत आहेत. त्यामुळे, सेमीकंडक्टरमध्ये धातूंचा वापर समजून घेणे केवळ सामग्री आणि प्रक्रिया अभियंत्यांसाठीच नव्हे, तर आधुनिक चिप तंत्रज्ञान कसे विकसित होत राहील हे समजून घेऊ इच्छिणाऱ्या प्रत्येकासाठीही महत्त्वाचे आहे.