Gebruik van metalen bij de productie van halfgeleiderapparaten
Halfgeleidercomponenten – zoals transistors, diodes, sensoren, geïntegreerde schakelingen (IC's) en processoren – vormen de ruggengraat van de moderne technologie. Achter hun hoge prestaties en steeds kleinere afmetingen schuilt een complex, nauwkeurig en sterk materiaalafhankelijk productieproces. Een groep materialen waarvan de rol onvervangbaar is, is metaal. Metalen worden niet alleen gebruikt als elektrisch geleidende "draden", maar ook als elektrische contacten, diffusiebarrières, verbindingselementen tussen componenten en functionele materialen in lithografie- en verpakkingsprocessen. Dit artikel bespreekt hoe metalen worden gebruikt in de productie van halfgeleidercomponenten, de meest gebruikte metaalsoorten en de uitdagingen en ontwikkelingsrichtingen ervan.
1. De rol van metalen in halfgeleiderapparaten
Over het algemeen hebben metalen in halfgeleiderapparaten verschillende hoofdfuncties:
1. Interconnectie (bedrading): Het verbinden van transistors en andere componenten in de chip via zeer dichte en meerlaagse metalen paden (meerlaagse interconnectie).
2. Ohmse contacten en Schottky-contacten: Deze vormen een elektrische interface tussen een metaal en een halfgeleider. Ohmse contacten laten stroom in beide richtingen vloeien met een lage weerstand, terwijl Schottky-contacten een diode vormen met gelijkrichtende eigenschappen.
3. Barrièrelaag en hechtlaag: Voorkomt de diffusie van metaalatomen in het halfgeleider- of diëlektrische materiaal en zorgt ervoor dat het metaal stevig aan de onderliggende laag hecht.
4. Gate-elektrode op een transistor: In bepaalde technologieën wordt metaal gebruikt om de gate-elektrode van een MOSFET te vormen voor betere kanaalcontrole en een lagere weerstand.
5. Materialen in het productieproces: Metalen en metaalverbindingen worden gebruikt als harde maskers, reflecterende lagen of chemische componenten voor afzetting en etsen.
6. Chipverpakking en -aansluiting: Soldeer, draadverbindingen, bumping en diverse metaallegeringen worden gebruikt om de chip met de printplaat te verbinden en het apparaat tegen omgevingsinvloeden te beschermen.
Met andere woorden: de prestaties van moderne chips worden niet alleen bepaald door silicium of andere halfgeleidermaterialen, maar ook door de manier waarop de metalen worden geselecteerd en geïntegreerd.
2. Metalen voor interconnecties: van aluminium tot koper en kobalt
In de eerste generaties geïntegreerde schakelingen (IC's) was aluminium (Al) de voornaamste keuze voor interconnecties, omdat het gemakkelijk te deponeren was, relatief goedkoop en compatibel met de fabricageprocessen van die tijd. Naarmate de transistordichtheid en de stroomvereisten echter toenamen, veroorzaakten problemen zoals elektromigratie – de verplaatsing van metaalatomen als gevolg van een hoge elektronenstroom – onderbrekingen in de geleidingspaden en een verminderde betrouwbaarheid.
De industrie stapte vervolgens over op koper (Cu) omdat dit een lagere soortelijke weerstand heeft dan aluminium, waardoor vermogensverliezen worden verminderd en signaalsnelheden worden verhoogd. Koper brengt echter een uitdaging met zich mee: Cu diffundeert gemakkelijk in diëlektrische materialen (bijv. SiO₂ of low-k diëlektrische materialen) en kan de elektrische eigenschappen aantasten. Daarom wordt Cu bijna altijd gebruikt met een barrièrelaag zoals tantaal (Ta) of tantaalnitride (TaN).
Bij steeds kleinere technologieën (geavanceerde knooppunten) neemt de doorsnede van de interconnectie af, waardoor de weerstand verder toeneemt en grenseffecten (oppervlakteverstrooiing) dominanter worden. Voor bepaalde lagen is het gebruik van kobalt (Co) of ruthenium (Ru) als alternatief/aanvulling op Cu in opkomst, omdat dit stabielere prestaties kan leveren bij zeer kleine afmetingen en de behoefte aan dikke barrières vermindert.
3. Metaal-halfgeleidercontacten: ohmische en Schottky-contacten
Het contact tussen metaal en halfgeleider is een van de meest cruciale aspecten. Als het contact te veel weerstand biedt, raakt de transistor snel oververhit en verliest hij aan prestaties. In moderne CMOS-componenten zijn de source/drain-contacten en contactstekkers ontworpen om een zo laag mogelijke weerstand te hebben.
Enkele metalen en verbindingen die vaak voor contacten worden gebruikt, zijn onder andere:
– Titanium (Ti): wordt vaak gebruikt als hechtmiddel en reactieve laag voor de vorming van siliciden.
– Nikkel (Ni) en kobalt (Co): worden vaak gebruikt in silicideringsprocessen (bijv. NiSi, CoSi₂) om de contactweerstand in silicium te verlagen.
– Wolfraam (W): wordt veel gebruikt als "plug" om contactgaten op te vullen (contact-/via-vulling) omdat het stabiel is en geschikt voor CVD-afzetting (chemical vapor deposition).
– Platina (Pt) of palladium (Pd): kan worden gebruikt voor het vormen van Schottky-contacten of voor bepaalde toepassingen die een hoge chemische stabiliteit vereisen.
Bij apparaten gemaakt van andere halfgeleiders dan silicium, zoals GaN (galliumnitride) of SiC (siliciumcarbide), wordt de keuze van het contactmetaal steeds belangrijker vanwege verschillen in de energiebandstructuur, de hoge temperatuureisen en de extremere bedrijfsomstandigheden (bijv. vermogenselektronica).
4. Barrièrelaag, liner en hechtlaag
Omdat moderne chips zo klein zijn, kunnen metaalatomen diffunderen en lekstromen, kortsluitingen of veranderingen in transistorparameters veroorzaken. Daarom worden dunne lagen gebruikt, die de volgende functies vervullen:
– Diffusiebarrière: voorkomt de diffusie van Cu of andere metalen.
– Voering: helpt bij het gelijkmatig opvullen van smalle doorgangen (sleuf/via).
– Hechtlaag: verhoogt de hechting.
Veelgebruikte materialen zijn onder andere Ta/TaN, Ti/TiN, W en, in recenter onderzoek, Ru- en Mn-gebaseerde barrières, of ultradunne lagen op basis van 2D-materialen als diffusiebarrières. Naarmate de technologie zich verder ontwikkelt, is de uitdaging om de barrière zo dun mogelijk te maken en tegelijkertijd effectief te houden, aangezien een te dikke barrière de padruimte "opslokt" en de weerstand verhoogt.
5. Metaal in de transistorstructuur: metalen gate en high-k
In moderne MOSFET-transistoren, met name sinds de introductie van high-k/metalen poorten, speelt metaal opnieuw een belangrijke rol in de poortstructuur. Voorheen werden vaak polysiliciumpoorten gebruikt, maar deze kampten met problemen zoals het depletie-effect en compatibiliteit met high-k diëlektrica. Met metalen poorten wordt de elektrostatische controle verbeterd en kan lekstroom worden onderdrukt.
De gebruikte materialen variëren, zoals titaniumnitride (TiN), tantaalnitride of een combinatie van metalen die zijn afgestemd op het bereiken van de juiste werkfunctie (zodat de drempelspanning aan het ontwerp voldoet). Hier is het metaal niet zomaar een geleider; de elektronische eigenschappen van het oppervlak bepalen het gedrag van de transistor.
6. Gebruik van metaal bij afzettings- en patroonvormingsprocessen
Bij de productie van chips worden dunne metaallagen aangebracht met behulp van verschillende technieken, waaronder:
– PVD (Physical Vapor Deposition): vergelijkbaar met sputteren, veelgebruikt voor aluminium, titanium, tantaal en andere metalen.
– CVD (Chemical Vapor Deposition): wordt vaak gebruikt voor wolfraam (W) pluggen en bepaalde metaallagen.
– ALD (Atomic Layer Deposition): zeer belangrijk voor ultradunne en conforme lagen op 3D-structuren, bijvoorbeeld barrières/bekledingen, metalen poorten en sommige contactmaterialen.
Na de depositie moet het metaal worden gepatroond met behulp van lithografie en etsen of het damascene-proces (vooral voor koper), waarbij groeven in het diëlektricum worden gemaakt, deze met metaal worden gevuld en vervolgens worden gepolijst met behulp van chemisch-mechanische planarizatie (CMP). Dit proces vereist de juiste slurry en chemische samenstelling om een vlak oppervlak te creëren zonder de onderliggende lagen te beschadigen.
7. Metaal op de verpakking: solderen, bump-verbindingen en draadverbindingen
Zodra de wafer klaar is, wordt de chip gesneden (in stukjes gehakt) en verpakt. Ook in deze fase speelt metaal een dominante rol:
Bij draadverbindingen wordt gebruik gemaakt van goud (Au), aluminium (Al) of koper (Cu) draad.
– Bij bumping en flip-chip worden metalen pilaren/bumps en soldeer gebruikt voor snelle verbindingen en een groot aantal pinnen.
Moderne soldeerlegeringen zijn over het algemeen op tin (Sn) gebaseerd, met toevoeging van legeringen (bijv. Sn-Ag-Cu) ter vervanging van loodsoldeer (Pb) om milieuredenen.
Geavanceerde verpakkingstechnologieën zoals chiplets, 2.5D/3D-integratie en TSV (through-silicon via) vergroten de behoefte aan zeer betrouwbare metalen materialen, omdat de verbindingsdichtheid en warmteafvoer toenemen.
8. Belangrijkste uitdagingen: elektromigratie, corrosie en weerstand op nanoschaal
Naarmate de afmetingen kleiner worden, stuit het gebruik van metaal op serieuze uitdagingen, waaronder:
– Elektromigratie: metalen geleiders kunnen beschadigd raken door hoge stroomsterktes in kleine doorsneden.
– Verhoogde effectieve soortelijke weerstand: op nanoschaal botsen elektronen vaker met korrelgrenzen en oppervlakken, waardoor de weerstand toeneemt.
– Corrosie- en chemische compatibiliteit: met name in productiefasen waarbij veel chemicaliën en hoge temperaturen betrokken zijn.
– Beperkingen van de barrière: barrières moeten dunner zijn en toch diffusie tegengaan, wat technisch lastig is.
Daarom blijft het onderzoek naar metalen materialen voor halfgeleiders zich ontwikkelen, inclusief de verkenning van Co, Ru en Mo, evenals nieuwe benaderingen zoals op alternatieve materialen gebaseerde interconnecties en atomaire depositietechnieken.
9. Toekomstige richtingen voor het gebruik van metalen.
Toekomstige trends in de halfgeleiderindustrie leiden tot een toenemend gebruik van "geoptimaliseerde" metalen op atomair niveau. Geavanceerde knooppunten en 3D-architecturen (FinFET, GAA-nanovellen, enzovoort) vereisen zeer uniforme, ultradunne metaallagen met zuivere interfaces. Bovendien maken de behoefte aan energie-efficiëntie en snelheid de keuze van metalen voor interconnecties en contacten tot een cruciale factor.
Wat de verpakking betreft, stimuleren hoge bandbreedte-eisen en heterogene integratie innovaties in soldeer-, bump- en metalen interposers. Metaal is niet alleen een ondersteunend onderdeel, maar een fundamenteel element van systeemontwerp, prestaties en betrouwbaarheid.
conclusie
Metalen spelen een centrale rol bij de fabricage van halfgeleidercomponenten: als interconnecties, contacten, barrières, metalen poorten en de ruggengraat van de behuizing. De metaalkeuze wordt niet alleen bepaald door geleidbaarheid, maar ook door diffusie, hechting, thermische stabiliteit, procescompatibiliteit en betrouwbaarheid op lange termijn. Naarmate miniaturisatie en complexiteit toenemen, dwingen uitdagingen zoals elektromigratie en weerstand op nanoschaal de industrie ertoe nieuwe materialen en processen te ontwikkelen. Inzicht in het gebruik van metalen in halfgeleiders is daarom cruciaal, niet alleen voor materiaal- en procesingenieurs, maar ook voor iedereen die wil begrijpen hoe de moderne chiptechnologie zich verder zal ontwikkelen.
