د نیمه‌مکتریک وسایلو په جوړولو کې د فلزاتو کارول

د سیمیکمډکټر وسیلو په جوړولو کې د فلزاتو کارول

د نیمه‌سیمکټر وسایل—لکه ټرانزیسټرونه، ډایډونه، سینسرونه، مدغم سرکټونه (ICs)، او پروسس کوونکي—د عصري ټیکنالوژۍ د ملا تیر دي. د دوی د لوړ فعالیت او تل کوچنیو اندازو تر شا د یوې پیچلې، دقیقې، او په لوړه کچه د موادو پورې تړلې تولیدي پروسې پرتې دي. د موادو یوه ډله چې رول یې نه بدلیدونکی دی فلز دی. فلزات نه یوازې د بریښنایی چلونکي "تارونو" په توګه کارول کیږي بلکه د بریښنایی اړیکو، خپریدو خنډونو، د اجزاو ترمنځ د متقابلو عناصرو، او د لیتوګرافي او بسته بندۍ پروسو کې د فعال موادو په توګه هم کارول کیږي. دا مقاله بحث کوي چې څنګه فلزات د نیمه‌سیمکټر وسیلو په تولید کې کارول کیږي، د فلزاتو ډولونه چې معمولا کارول کیږي، او د دوی د پراختیا ننګونې او لارښوونې.

۱. په نیمه‌سیمه‌ییز وسایلو کې د فلزاتو رول

په عمومي توګه، په نیمه کنډکټر وسیلو کې فلزات څو اصلي دندې لري:

۱. انټرکنیکشن (وایرنګ): د ټرانزیسټرونو او نورو اجزاو سره په چپ کې د ډیر کثافت او څو پوړیز فلزي لارو (څو پوړیز انټرکنیکشن) له لارې نښلول.
۲. د اومیک تماسونه او د شوټکي تماسونه: د فلز او نیمه کنډکټر ترمنځ یو بریښنایی انٹرفیس جوړوي. د اومیک تماسونه د ټیټ مقاومت سره په دواړو لوریو کې جریان ته اجازه ورکوي، پداسې حال کې چې د شوټکي تماسونه د اصلاح کولو ځانګړتیاو سره ډایډ جوړوي.
۳. د خنډ طبقه او چپکونکې طبقه: د فلزي اتومونو د سیمیکمډکټر یا ډایالټریک موادو ته د خپریدو مخه نیسي، او فلز سره مرسته کوي چې لاندې طبقې سره په کلکه وصل شي.
۴. په ټرانزیسټر کې د ګیټ الیکټروډ: په ځینو ټیکنالوژیو کې، فلز د ښه چینل کنټرول او ټیټ مقاومت لپاره په MOSFET کې د ګیټ الیکټروډ جوړولو لپاره کارول کیږي.
۵. د تولید په پروسه کې مواد: فلزات او فلزي مرکبات د سختو ماسکونو، انعکاسي طبقو، یا کیمیاوي اجزاو په توګه د زیرمه کولو او نقاشۍ لپاره کارول کیږي.
۶. د چپ بسته بندي او نښلونه: سولډر، د تار تړل، بمپینګ، او مختلف فلزي الیاژونه د چپ د سرکټ بورډ سره د نښلولو او د چاپیریال څخه د وسیلې د ساتنې لپاره کارول کیږي.

په بل عبارت، د عصري چپس فعالیت نه یوازې د سیلیکون یا نورو سیمیکمډکټر موادو لخوا ټاکل کیږي، بلکه د فلزاتو د غوره کولو او مدغم کولو څرنګوالي لخوا هم ټاکل کیږي.

۲. د اړیکو لپاره فلزات: له المونیم څخه تر مسو او کوبالټ پورې

د ICs په لومړیو نسلونو کې، المونیم (Al) د انټرکنیکټونو لپاره لومړنی انتخاب و ځکه چې دا د زیرمه کولو لپاره اسانه، نسبتا ارزانه، او د هغه وخت د جوړولو پروسو سره مطابقت درلود. په هرصورت، لکه څنګه چې د ټرانزیسټر کثافت زیات شو او د اوسني اړتیاوې زیاتې شوې، ستونزې لکه الکترو مهاجرت - د لوړ الکترون جریان له امله د فلزي اتومونو حرکت - د لارې ماتیدو او د اعتبار کمیدو لامل شو.

صنعت بیا مسو (Cu) ته مخه کړه ځکه چې دا د المونیم په پرتله ټیټ مقاومت لري، د بریښنا ضایعات کموي او د سیګنال سرعت زیاتوي. په هرصورت، مسو یوه ننګونه وړاندې کوي: Cu په اسانۍ سره ډایالټریکونو ته خپریږي (د مثال په توګه، SiO₂ یا ټیټ-k ډایالټریکونه) او کولی شي بریښنایی ملکیتونه خراب کړي. له همدې امله، Cu تقریبا تل د خنډ طبقې لکه ټانټالم (Ta) یا ټانټالم نایټرایډ (TaN) سره کارول کیږي.

په مخ په زیاتیدونکي کوچنیو ټیکنالوژیو (پرمختللو نوډونو) کې، د متقابل اتصال کراس سیکشن کمیږي، مقاومت نور هم زیاتیږي، او د سرحد اغیزې (د سطحې ویشل) ډیر غالب کیږي. د ځینو طبقو لپاره، د Cu بدیل/ تکمیل په توګه د کوبالټ (Co) یا روتینیم (Ru) کارول پیل شوي دي ځکه چې دا کولی شي په خورا کوچنیو ابعادو کې ډیر باثباته فعالیت چمتو کړي او د غټو خنډونو اړتیا کموي.

۳. د فلزي-سیمیکنډکټر تماسونه: اومیک او شوټکي

د فلزاتو او نیمه هادي ترمنځ اړیکه یو له خورا مهمو اړخونو څخه دی. که چیرې اړیکه ډیره مقاومتي وي، ټرانزیسټر په چټکۍ سره ډیر ګرمیږي او فعالیت له لاسه ورکوي. په عصري CMOS وسیلو کې، د سرچینې/ډرین اړیکې او د اړیکې پلګونه د ټیټ ممکنه مقاومت لپاره ډیزاین شوي.

ځینې ​​فلزات او مرکبات چې معمولا د اړیکو لپاره کارول کیږي عبارت دي له:

– ټایټانیوم (Ti): ډیری وختونه د سلیسایډونو جوړولو لپاره د چپکونکي او تعامل کونکي طبقې په توګه کارول کیږي.
– نکل (Ni) او کوبالټ (Co): په سیلیکون کې د تماس مقاومت کمولو لپاره د سلیسیډینیشن پروسو (د مثال په توګه NiSi، CoSi₂) کې عام دي.
- ټنګسټن (W): په پراخه کچه د تماس سوري ډکولو لپاره د "پلګ" په توګه کارول کیږي (د تماس/د ډکولو له لارې) ځکه چې دا مستحکم دی او د CVD (کیمیاوي بخار جمع کولو) جمع کولو لپاره مناسب دی.
– پلاټینیم (Pt) یا پیلاډیم (Pd): د شوټکي اړیکو جوړولو یا د ځانګړو غوښتنلیکونو لپاره کارول کیدی شي چې لوړ کیمیاوي ثبات ته اړتیا لري.

په هغو وسایلو کې چې د سیلیکون پرته د نورو سیمیکمډکټرونو څخه جوړ شوي وي - لکه GaN (ګیلیم نایټرایډ) یا SiC (سیلیکون کاربایډ) - د تماس فلز انتخاب د انرژي بانډ جوړښت، د لوړې تودوخې اړتیاو، او ډیر سخت عملیاتي چاپیریالونو (د مثال په توګه، د بریښنا برقیاتو) کې د توپیرونو له امله په زیاتیدونکي توګه مهم کیږي.

۴. د خنډ طبقه، لاینر، او د چپکولو طبقه

ځکه چې عصري چپسونه ډېر کوچني دي، د فلزي اتومونه کولی شي خپریږي او د لیک، شارټس، یا د ټرانزیسټر پیرامیټرونو کې بدلون لامل شي. له همدې امله، پتلي طبقې کارول کیږي، کوم چې لاندې دندې ترسره کوي:

- د خپریدو خنډ: د Cu یا نورو فلزاتو د خپریدو مخه نیسي.
- لاینر: د تنګ ځانګړتیاو (خندق/لاره) په مساوي ډول ډکولو کې مرسته کوي.
- د چپکولو طبقه: چپکولو ته وده ورکوي.

عام مواد پکې شامل دي Ta/TaN، Ti/TiN، W، او په وروستیو څیړنو کې، Ru، Mn پر بنسټ خنډونه، یا د 2D موادو پر بنسټ الټرا پتلي پرتونه د خپریدو خنډونو په توګه. لکه څنګه چې نوډونه پرمختګ کوي، ننګونه دا ده چې خنډ د امکان تر حده پتلی کړئ پداسې حال کې چې اغیزمن پاتې شئ، ځکه چې یو خنډ چې ډیر ضخامت لري د لارې ځای "خوري" او مقاومت زیاتوي.

۵. د ټرانزیسټر جوړښت کې فلز: فلزي دروازه او لوړ k

په عصري MOSFET ټرانزیسټرونو کې، په ځانګړې توګه د لوړ-k/فلزي دروازو له معرفي کیدو راهیسې، فلز بیا د دروازې په جوړښت کې لوی رول لوبولی دی. پخوا، د پولی سیلیکون دروازې ډیری وختونه کارول کیدې، مګر دوی د کمښت اغیز او د لوړ-k ډایالټریک سره مطابقت په څیر مسلو سره مخ وو. د فلزي دروازو سره، الکتروسټاتیک کنټرول ښه شوی او لیکج کولی شي ودرول شي.

کارول شوي مواد توپیر لري، لکه ټایټانیوم نایټرایډ (TiN)، ټانټالم نایټرایډ، یا د فلزاتو ترکیب چې د سم کار فعالیت ترلاسه کولو لپاره جوړ شوی وي (ترڅو د حد ولتاژ ډیزاین سره سمون ولري). دلته، فلز یوازې یو کنډکټر نه دی؛ د هغې سطحي بریښنایی ځانګړتیاوې د ټرانزیسټر چلند ټاکي.

۶. د فلزاتو کارول د زیرمو او نمونو جوړولو په پروسو کې

د چپس جوړولو کې د مختلفو تخنیکونو له لارې د فلزاتو د پتلو طبقو راټولول شامل دي، په شمول د:

– PVD (فزیکي بخارات): لکه د بخاراتو تویېدل، د ال، ټی، ټا، او نورو لپاره عام دي.
– CVD (کیمیاوي بخار زیرمه): ډیری وختونه د W (ټنګسټن) پلګونو او ځینې فلزي طبقو لپاره کارول کیږي.
– ALD (د اتومي طبقې زیرمه): په درې بعدي جوړښتونو کې د الټرا پتلي او کنفارمل طبقو لپاره خورا مهم دی، د بیلګې په توګه خنډونه/لاینرونه، فلزي دروازې، او ځینې تماس مواد.

د فلزاتو د زیرمه کولو وروسته، فلز باید د لیتوګرافي او ایچنګ یا د ډیماسین پروسې (په ځانګړي توګه د Cu لپاره) په کارولو سره نمونه شي، چې پکې په ډایالټریک کې خندقونه جوړول، د فلزاتو سره ډکول، او بیا د کیمیاوي میخانیکي پلانرائزیشن (CMP) په کارولو سره پالش کول شامل دي. دا پروسه سم سلیري او کیمیا ته اړتیا لري ترڅو د لاندې طبقو ته زیان رسولو پرته فلیټ سطح رامینځته کړي.

۷. په بسته بندۍ کې فلز: سولډر، بمپ، او د تار تړل

کله چې ویفر بشپړ شي، چپ پرې کیږي (ټوټې ټوټې کیږي) او بسته کیږي. پدې مرحله کې، فلز هم غالب دی:

- د تار تړل د سرو زرو (Au)، المونیم (Al)، یا مسو (Cu) تار کاروي.
- بمپینګ او فلپ چپ د لوړ سرعت اتصالاتو او لویو پنونو شمیرو لپاره د فلزي ستنو / بمپونو او سولډر څخه کار اخلي.
- عصري سولډرونه عموما د ټین (Sn) پر بنسټ جوړ شوي دي چې د الیاژونو (لکه Sn-Ag-Cu) څخه جوړ شوي دي ترڅو د چاپیریالي دلایلو لپاره د سیس (Pb) سولډر ځای ونیسي.

پرمختللي بسته بندي لکه چپلیټونه، 2.5D/3D ادغام، او TSV (د سیلیکون له لارې) د لوړ اعتبار لرونکي فلزي موادو اړتیا زیاتوي، ځکه چې د اتصال کثافت او د تودوخې ضایع کول ډیریږي.

۸. مهمې ننګونې: په نانو پیمانه کې الکترو مهاجرت، زنګ وهل، او مقاومت

لکه څنګه چې ابعاد کوچني کیږي، د فلزاتو کارول له جدي ننګونو سره مخ کیږي، په شمول د:

- بریښنایی مهاجرت: فلزي لارې کولی شي په کوچنیو کراس برخو کې د لوړ جریان له امله زیانمنې شي.
- د اغیزمن مقاومت زیاتوالی: په نانو پیمانه کې، الکترونونه د غلې دانې د حدودو او سطحو سره ډیر ځله ټکر کوي، مقاومت زیاتوي.
- زنګ او کیمیاوي مطابقت: په ځانګړي توګه د تولید په مرحلو کې چې ډیری کیمیاوي توکي او لوړه تودوخه پکې شامله وي.
- د خنډ محدودیتونه: خنډونه باید نری وي او بیا هم د خپریدو په وړاندې مقاومت ولري، کوم چې تخنیکي پلوه ستونزمن دی.

له همدې امله، د سیمیکمډکټرونو لپاره د فلزي موادو په اړه څیړنې دوام لري، په شمول د Co، Ru، Mo سپړنه، او همدارنګه د بدیل موادو پر بنسټ متقابل اړیکې او د اټومي زیرمو تخنیکونو په څیر نوي طریقې.

۹. د فلزاتو د کارولو راتلونکي لارښوونې

د سیمیکمډکټر صنعت کې راتلونکي رجحانات په اټومي کچه د ډیرو "انجنیر شوي" فلزاتو کارولو ته هڅونه ورکوي. پرمختللي نوډونه او 3D معمارۍ (FinFET، GAA نانوشیټ، او داسې نور) د پاکو انٹرفیسونو سره خورا یونیفورم، الټرا پتلي فلزي پرتونو ته اړتیا لري. سربیره پردې، د انرژۍ موثریت او سرعت اړتیا هم د انټرکنیکټونو او اړیکو لپاره د فلزاتو انتخاب یو مهم فاکتور ګرځوي.

د بسته بندۍ په برخه کې، د لوړ بینډ ویت اړتیاوې او متفاوت ادغام په سولډر، بمپ، او فلزي انټرپوزرونو کې نوښت هڅوي. فلز یوازې یو ملاتړ کونکی جز نه دی، بلکې د سیسټم ډیزاین، فعالیت او اعتبار یوه بنسټیزه برخه ده.

پایله

فلزات د سیمیکمډکټر وسیلو په جوړولو کې مرکزي رول لوبوي: د انټرکنیکټونو، اړیکو، خنډونو، فلزي دروازو، او د بسته بندۍ د ملا تیر په توګه. د فلزاتو انتخاب نه یوازې د چالکتیا له مخې ټاکل کیږي، بلکې د خپریدو، چپکولو، حرارتي ثبات، د پروسې مطابقت، او اوږدمهاله اعتبار له مخې هم ټاکل کیږي. لکه څنګه چې کوچني کول او پیچلتیا زیاتیږي، د بریښنایی مهاجرت او نانو پیمانه مقاومت په څیر ننګونې صنعت دې ته اړ باسي چې نوي مواد او پروسې رامینځته کړي. له همدې امله، په سیمیکمډکټرونو کې د فلزاتو کارول پوهیدل نه یوازې د موادو او پروسس انجینرانو لپاره خورا مهم دي، بلکه د هر هغه چا لپاره هم چې غواړي پوه شي چې عصري چپ ټیکنالوژي به څنګه وده وکړي.