Использование металлов в производстве полупроводниковых приборов
Полупроводниковые приборы — такие как транзисторы, диоды, датчики, интегральные схемы (ИС) и процессоры — являются основой современных технологий. За их высокой производительностью и постоянно уменьшающимися размерами стоит сложный, точный и в значительной степени зависящий от материалов производственный процесс. Одна из групп материалов, роль которой незаменима, — это металлы. Металлы используются не только в качестве электропроводящих «проводов», но и в качестве электрических контактов, диффузионных барьеров, соединительных элементов между компонентами, а также функциональных материалов в процессах литографии и упаковки. В этой статье рассматривается использование металлов в производстве полупроводниковых приборов, типы обычно используемых металлов, а также проблемы и направления их развития.
1. Роль металлов в полупроводниковых приборах
В целом, металлы в полупроводниковых приборах выполняют несколько основных функций:
1. Межсоединение (проводка): Соединение транзисторов и других компонентов микросхемы посредством очень плотных и многослойных металлических проводников (многослойное межсоединение).
2. Омические контакты и контакты Шоттки: Образуют электрический интерфейс между металлом и полупроводником. Омические контакты позволяют току протекать в обоих направлениях с низким сопротивлением, тогда как контакты Шоттки образуют диод с выпрямляющими характеристиками.
3. Барьерный слой и адгезионный слой: Предотвращают диффузию атомов металла в полупроводниковый или диэлектрический материал и способствуют прочному сцеплению металла с нижележащим слоем.
4. Затвор транзистора: В некоторых технологиях для формирования затвора на МОП-транзисторе используется металл для лучшего контроля канала и снижения сопротивления.
5. Материалы, используемые в процессе производства: Металлы и соединения металлов используются в качестве твердых масок, отражающих слоев или химических компонентов для осаждения и травления.
6. Корпус и подключение микросхемы: Для соединения микросхемы с печатной платой и защиты устройства от воздействия окружающей среды используются припой, проволочное соединение, контактные площадки и различные металлические сплавы.
Иными словами, производительность современных микросхем определяется не только кремнием или другими полупроводниковыми материалами, но и тем, как выбраны и интегрированы металлы.
2. Металлы для межсоединений: от алюминия до меди и кобальта.
В первых поколениях интегральных схем алюминий (Al) был основным материалом для межсоединений, поскольку его было легко наносить, он был относительно недорогим и совместим с технологиями изготовления того времени. Однако по мере увеличения плотности транзисторов и возрастания требований к току возникали такие проблемы, как электромиграция — перемещение атомов металла из-за сильного потока электронов — что приводило к обрывам проводящих путей и снижению надежности.
Затем промышленность перешла на медь (Cu), поскольку она обладает более низким сопротивлением, чем алюминий, что снижает потери мощности и увеличивает скорость передачи сигналов. Однако медь представляет собой проблему: Cu легко диффундирует в диэлектрики (например, SiO₂ или низкодиэлектрические материалы) и может ухудшать электрические свойства. Поэтому медь почти всегда используется с барьерным слоем, таким как тантал (Ta) или нитрид тантала (TaN).
В технологиях с постоянно уменьшающимися размерами (передовые узлы) поперечное сечение межсоединений сокращается, что еще больше увеличивает сопротивление, а краевые эффекты (поверхностное рассеяние) становятся более доминирующими. Для некоторых слоев в качестве альтернативы/дополнения к меди начинает появляться использование кобальта (Co) или рутения (Ru), поскольку они могут обеспечить более стабильную работу при очень малых размерах и уменьшают потребность в толстых барьерах.
3. Металл-полупроводниковые контакты: омические и Шоттки.
Контакт между металлом и полупроводником является одним из наиболее важных аспектов. Если сопротивление контакта слишком велико, транзистор быстро перегревается и теряет свои характеристики. В современных КМОП-устройствах контакты истока/стока и контактные заглушки проектируются таким образом, чтобы иметь минимально возможное сопротивление.
К числу металлов и соединений, обычно используемых в контактных соединениях, относятся:
– Титан (Ti): часто используется в качестве адгезионного и реактивного слоя для образования силицидов.
– Никель (Ni) и кобальт (Co): широко используются в процессах силицирования (например, NiSi, CoSi₂) для снижения контактного сопротивления в кремнии.
– Вольфрам (W): широко используется в качестве «заглушки» для заполнения контактных отверстий (заполнение контактов/сквозных отверстий), поскольку он стабилен и подходит для осаждения методом химического осаждения из газовой фазы (CVD).
– Платина (Pt) или палладий (Pd): могут использоваться для формирования контактов Шоттки или для некоторых применений, требующих высокой химической стабильности.
В устройствах, изготовленных из полупроводников, отличных от кремния, таких как GaN (нитрид галлия) или SiC (карбид кремния), выбор контактного металла приобретает все большее значение из-за различий в структуре энергетических зон, требований к высоким температурам и более экстремальных условий эксплуатации (например, в силовой электронике).
4. Барьерный слой, подложка и адгезионный слой
Поскольку современные микросхемы очень малы, атомы металла могут диффундировать и вызывать утечки, короткие замыкания или изменения параметров транзисторов. Поэтому используются тонкие слои, выполняющие следующие функции:
– Диффузионный барьер: предотвращает диффузию меди или других металлов.
– Лайнер: помогает равномерно заполнять узкие участки (траншеи/отверстия).
– Адгезионный слой: повышает адгезию.
В качестве диффузионных барьеров обычно используются материалы Ta/TaN, Ti/TiN, W, а в более поздних исследованиях — Ru, барьеры на основе Mn или сверхтонкие слои на основе двумерных материалов. По мере развития технологических узлов задача состоит в том, чтобы сделать барьер как можно тоньше, сохраняя при этом его эффективность, поскольку слишком толстый барьер «занимает» пространство для прохождения электронов и увеличивает сопротивление.
5. Металл в структуре транзистора: металлический затвор и диод с высоким значением диэлектрической проницаемости.
В современных МОП-транзисторах, особенно после появления затворов из диэлектриков с высоким значением диэлектрической проницаемости и металла, металл снова играет важную роль в структуре затвора. Ранее часто использовались поликремниевые затворы, но они сталкивались с такими проблемами, как эффект истощения и совместимость с диэлектриками с высоким значением диэлектрической проницаемости. Использование металлических затворов улучшает электростатический контроль и позволяет подавлять утечку.
Используемые материалы могут быть различными, например, нитрид титана (TiN), нитрид тантала или комбинация металлов, подобранная для достижения необходимой работы выхода (чтобы пороговое напряжение соответствовало проектным параметрам). В данном случае металл не просто является проводником; его поверхностные электронные свойства определяют поведение транзистора.
6. Использование металла в процессах осаждения и формирования рисунка.
Производство микросхем включает в себя нанесение тонких слоев металла с помощью различных технологий, в том числе:
– PVD (физическое осаждение из паровой фазы): аналогично распылению, широко используется для Al, Ti, Ta и других металлов.
– CVD (химическое осаждение из паровой фазы): часто используется для изготовления вольфрамовых (W) заглушек и некоторых металлических слоев.
– ALD (атомно-слоевое осаждение): очень важно для получения сверхтонких и конформных слоев на 3D-структурах, например, барьеров/лайнеров, металлических затворов и некоторых контактных материалов.
После нанесения покрытия необходимо выполнить формирование рисунка на металле с помощью литографии и травления или дамаскирования (особенно для меди), что включает в себя создание канавок в диэлектрике, заполнение их металлом, а затем полировку с помощью химико-механической полировки (ХМП). Для этого процесса необходимы соответствующие суспензия и химический состав, чтобы создать ровную поверхность без повреждения нижележащих слоев.
7. Металлические элементы на упаковке: припой, контактные площадки и проволочные соединения.
После завершения обработки кремниевой пластины чип разрезают (нарезают кубиками) и упаковывают. На этом этапе также преобладает металл:
– Для соединения проводов используется проволока из золота (Au), алюминия (Al) или меди (Cu).
– В технологиях "бампинга" и "флип-чип" используются металлические столбики/выступы и припой для высокоскоростных соединений и большого количества выводов.
– Современные припои, как правило, основаны на олове (Sn) с добавлением сплавов (например, Sn-Ag-Cu) для замены свинцового (Pb) припоя по экологическим соображениям.
Современные технологии упаковки, такие как чиплетная печать, 2.5D/3D интеграция и TSV (сквозные кремниевые соединения), повышают потребность в высоконадежных металлических материалах, поскольку плотность соединений и теплоотвод становятся все выше.
8. Ключевые проблемы: электромиграция, коррозия и сопротивление на наномасштабе.
По мере уменьшения габаритов использование металла сталкивается с серьезными проблемами, в том числе:
– Электромиграция: металлические дорожки могут быть повреждены высокими токами в малых поперечных сечениях.
– Повышенное эффективное сопротивление: на наноразмерном уровне электроны чаще сталкиваются с границами зерен и поверхностями, увеличивая сопротивление.
– Коррозия и химическая совместимость: особенно на этапах производства, где используется много химических веществ и применяются высокие температуры.
– Ограничения, связанные с барьерами: барьеры должны быть тоньше и при этом препятствовать диффузии, что технически сложно.
Таким образом, исследования металлических материалов для полупроводников продолжают развиваться, включая изучение Co, Ru, Mo, а также новые подходы, такие как межсоединения на основе альтернативных материалов и методы атомного осаждения.
9. Перспективы использования металлов
Будущие тенденции в полупроводниковой промышленности стимулируют использование большего количества «инженерных» металлов на атомном уровне. Передовые технологические процессы и 3D-архитектуры (FinFET, нанолисты GAA и т. д.) требуют высокооднородных, сверхтонких металлических слоев с чистыми интерфейсами. Кроме того, потребность в энергоэффективности и скорости также делает выбор металлов для межсоединений и контактов ключевым фактором.
Что касается корпусирования, то высокие требования к пропускной способности и гетерогенная интеграция стимулируют инновации в области пайки, контактных площадок и металлических межсоединительных плат. Металл — это не просто вспомогательный компонент, а фундаментальная часть проектирования системы, ее производительности и надежности.
заключение
Металлы играют центральную роль в производстве полупроводниковых устройств: в качестве межсоединений, контактов, барьеров, металлических затворов и основы упаковки. Выбор металла определяется не только проводимостью, но и диффузией, адгезией, термической стабильностью, технологической совместимостью и долговременной надежностью. По мере миниатюризации и усложнения, такие проблемы, как электромиграция и наноразмерное сопротивление, вынуждают отрасль разрабатывать новые материалы и процессы. Поэтому понимание использования металлов в полупроводниках имеет решающее значение не только для инженеров-материаловедов и технологов, но и для всех, кто стремится понять, как будет развиваться современная технология микросхем.
