سيمي ڪنڊڪٽر ڊوائيسز جي تياري ۾ ڌاتو جو استعمال

سيمي ڪنڊڪٽر ڊوائيسز جي پيداوار ۾ ڌاتو جو استعمال

سيمي ڪنڊڪٽر ڊوائيسز - جهڙوڪ ٽرانزسٽر، ڊائيوڊ، سينسر، انٽيگريٽيڊ سرڪٽ (ICs)، ۽ پروسيسر - جديد ٽيڪنالاجي جي ريڙهه آهن. انهن جي اعليٰ ڪارڪردگي ۽ هميشه ننڍڙن سائزن جي پويان هڪ پيچيده، صحيح، ۽ انتهائي مادي تي منحصر پيداواري عمل آهي. مواد جو هڪ گروپ جنهن جو ڪردار ناقابل بدل آهي، ڌاتو آهي. ڌاتو نه رڳو برقي طور تي هلندڙ "تارن" جي طور تي استعمال ڪيا ويندا آهن پر برقي رابطن، پکيڙ رڪاوٽن، اجزاء جي وچ ۾ هڪ ٻئي سان ڳنڍڻ واري عنصرن، ۽ لٿوگرافي ۽ پيڪنگنگ جي عملن ۾ ڪم ڪندڙ مواد جي طور تي پڻ استعمال ڪيا ويندا آهن. هي مضمون بحث ڪري ٿو ته سيمي ڪنڊڪٽر ڊوائيسز جي پيداوار ۾ ڌاتو ڪيئن استعمال ڪيا ويندا آهن، عام طور تي استعمال ٿيندڙ ڌاتو جا قسم، ۽ انهن جي ترقي جي چئلينجن ۽ هدايتن تي.

1. سيمي ڪنڊڪٽر ڊوائيسز ۾ ڌاتو جو ڪردار

عام طور تي، سيمي ڪنڊڪٽر ڊوائيسز ۾ ڌاتو ڪيترائي مکيه ڪم ڪن ٿا:

1. انٽر ڪنيڪشن (وائرنگ): چپ ۾ ٽرانزسٽر ۽ ٻين حصن کي تمام گهڻي ۽ گھڻ-پرت واري ڌاتو جي رستن (ملٽي-پرت انٽر ڪنيڪشن) ذريعي ڳنڍڻ.
2. اوهمڪ رابطا ۽ شوٽڪي رابطا: ڌاتو ۽ سيمي ڪنڊڪٽر جي وچ ۾ هڪ برقي انٽرفيس ٺاهيندا آهن. اوهمڪ رابطا گهٽ مزاحمت سان ٻنهي طرفن ۾ وهندڙ ڪرنٽ کي اجازت ڏيندا آهن، جڏهن ته شوٽڪي رابطا درست ڪرڻ واري خاصيتن سان هڪ ڊاءِڊ ٺاهيندا آهن.
3. رڪاوٽ واري پرت ۽ چپڪندڙ پرت: ڌاتو جي ايٽمن جي سيمي ڪنڊڪٽر يا ڊائي اليڪٽرڪ مواد ۾ ڦهلاءُ کي روڪي ٿو، ۽ ڌاتو کي هيٺئين پرت سان مضبوطيءَ سان لڳڻ ۾ مدد ڪري ٿو.
4. ٽرانزسٽر تي گيٽ اليڪٽروڊ: ڪجهه ٽيڪنالاجي ۾، بهتر چينل ڪنٽرول ۽ گهٽ مزاحمت لاءِ MOSFET تي گيٽ اليڪٽروڊ ٺاهڻ لاءِ ڌاتو استعمال ڪيو ويندو آهي.
5. پيداوار جي عمل ۾ مواد: ڌاتو ۽ ڌاتو مرڪب سخت ماسڪ، عڪاسي ڪندڙ تہن، يا ڪيميائي جزن جي طور تي جمع ڪرڻ ۽ نقاشي لاءِ استعمال ڪيا ويندا آهن.
6. چپ پيڪنگ ۽ ڪنيڪشن: چپ کي سرڪٽ بورڊ سان ڳنڍڻ ۽ ڊوائيس کي ماحول کان بچائڻ لاءِ سولڊر، وائر بانڊنگ، بمپنگ، ۽ مختلف ڌاتو مصر استعمال ڪيا ويندا آهن.

ٻين لفظن ۾، جديد چپس جي ڪارڪردگي نه رڳو سلڪون يا ٻين سيمي ڪنڊڪٽر مواد جي ذريعي طئي ڪئي ويندي آهي، پر اهو پڻ ته ڌاتو ڪيئن چونڊيا ۽ ضم ڪيا ويا آهن.

2. هڪٻئي سان ڳنڍڻ لاءِ ڌاتو: ايلومينيم کان ٽامي ۽ ڪوبالٽ تائين

ICs جي شروعاتي نسلن ۾، ايلومينيم (Al) انٽر ڪنيڪٽس لاءِ بنيادي پسند هو ڇاڪاڻ ته اهو جمع ڪرڻ آسان، نسبتاً سستو، ۽ ان وقت جي ٺاھڻ جي عملن سان مطابقت رکندڙ هو. تاهم، جيئن ٽرانزسٽر جي کثافت وڌي وئي ۽ موجوده گهرجون وڌيون، اليڪٽرومائيگريشن جهڙا مسئلا - تيز اليڪٽران جي وهڪري جي ڪري ڌاتو جي ايٽمن جي حرڪت - رستي جي ڀڃڪڙي ۽ اعتبار ۾ گهٽتائي جو سبب بڻيا.

پوءِ صنعت ٽامي (Cu) ڏانهن رخ ڪيو ڇاڪاڻ ته ان ۾ ايلومينيم جي ڀيٽ ۾ گهٽ مزاحمت آهي، جيڪا بجلي جي نقصان کي گهٽائي ٿي ۽ سگنل جي رفتار وڌائي ٿي. تاهم، ٽامي هڪ چئلينج پيش ڪري ٿو: Cu آساني سان ڊائيليڪٽرڪ ۾ ڦهلجي ٿو (مثال طور، SiO₂ يا گهٽ-k ڊائيليڪٽرڪ) ۽ بجلي جي خاصيتن کي خراب ڪري سگهي ٿو. تنهن ڪري، Cu تقريبن هميشه هڪ رڪاوٽ پرت سان استعمال ڪيو ويندو آهي جهڙوڪ ٽينٽالم (Ta) يا ٽينٽالم نائٽرائڊ (TaN).

وڌندڙ ننڍين ٽيڪنالاجين (ترقي يافته نوڊس) ۾، انٽر ڪنيڪشن ڪراس سيڪشن سُڪڙجي ٿو، مزاحمت وڌيڪ وڌي ٿي، ۽ حد جا اثر (مٿاڇري جي ڇِتڻ) وڌيڪ غالب ٿي وڃن ٿا. ڪجهه تہن لاءِ، ڪوبالٽ (Co) يا روٿينيم (Ru) جو استعمال Cu جي متبادل/اضافي طور تي ظاهر ٿيڻ شروع ٿي ويو آهي ڇاڪاڻ ته اهو تمام ننڍن طول و عرض تي وڌيڪ مستحڪم ڪارڪردگي فراهم ڪري سگهي ٿو ۽ ٿلهي رڪاوٽن جي ضرورت کي گهٽائي ٿو.

3. ڌاتو-سيمڪنڊڪٽر رابطا: اومڪ ۽ شوٽڪي

ڌاتو ۽ سيمي ڪنڊڪٽر جي وچ ۾ رابطو سڀ کان اهم پهلوئن مان هڪ آهي. جيڪڏهن رابطو تمام گهڻو مزاحمتي آهي، ته ٽرانزسٽر جلدي گرم ٿي ويندو آهي ۽ ڪارڪردگي وڃائي ڇڏيندو آهي. جديد CMOS ڊوائيسز ۾، سورس/ڊرين رابطا ۽ رابطي پلگ گهٽ ۾ گهٽ ممڪن مزاحمت لاءِ ٺهيل آهن.

ڪجھ ڌاتو ۽ مرڪب جيڪي عام طور تي رابطن لاءِ استعمال ٿيندا آهن انهن ۾ شامل آهن:

- ٽائيٽينيم (Ti): اڪثر ڪري سلائسائيڊ ٺاهڻ لاءِ چپڪندڙ ۽ رد عمل واري پرت طور استعمال ڪيو ويندو آهي.
- نڪل (Ni) ۽ ڪوبالٽ (Co): سلڪون ۾ رابطي جي مزاحمت کي گهٽائڻ لاءِ سلائيسائيڊيشن جي عملن ۾ عام آهن (مثال طور NiSi، CoSi₂).
- ٽنگسٽن (ڊبليو): وڏي پيماني تي رابطي جي سوراخن کي ڀرڻ لاءِ "پلگ" طور استعمال ڪيو ويندو آهي (رابطو/ڀرڻ ذريعي) ڇاڪاڻ ته اهو مستحڪم آهي ۽ CVD (ڪيميائي بخارات جمع ڪرڻ) جمع ڪرڻ لاءِ موزون آهي.
- پلاٽينم (Pt) يا پيليڊيم (Pd): Schottky رابطا ٺاهڻ لاءِ يا ڪجهه خاص ايپليڪيشنن لاءِ استعمال ڪري سگهجي ٿو جن کي اعليٰ ڪيميائي استحڪام جي ضرورت هوندي آهي.

سلڪون کان سواءِ ٻين سيمي ڪنڊڪٽرن مان ٺهيل ڊوائيسز ۾ - جهڙوڪ GaN (گيليئم نائٽرائڊ) يا SiC (سلڪون ڪاربائڊ) - توانائي بينڊ جي جوڙجڪ، اعلي درجه حرارت جي گهرجن، ۽ وڌيڪ انتهائي آپريٽنگ ماحول (مثال طور، پاور اليڪٽرانڪس) ۾ فرق جي ڪري رابطي واري ڌاتو جو انتخاب وڌيڪ اهم ٿي ويندو آهي.

4. رڪاوٽ پرت، لائنر، ۽ چپکڻ واري پرت

ڇاڪاڻ ته جديد چپس تمام ننڍا آهن، ڌاتو جا ايٽم ڦهلجي سگهن ٿا ۽ ليڪ، شارٽس، يا ٽرانزسٽر پيرا ميٽرز ۾ تبديلين جو سبب بڻجي سگهن ٿا. تنهن ڪري، پتلي پرتون استعمال ڪيون وينديون آهن، جيڪي هيٺيان ڪم ڪن ٿيون:

- ڊفيوژن رڪاوٽ: Cu يا ٻين ڌاتو جي ڊفيوشن کي روڪي ٿو.
- لائنر: تنگ خصوصيتن (خندق/ذريعي) کي هڪجهڙائي سان ڀرڻ ۾ مدد ڪري ٿو.
- چپڪندڙ پرت: چپڪندڙ وڌائي ٿو.

عام مواد ۾ Ta/TaN، Ti/TiN، W شامل آهن، ۽ تازي تحقيق ۾، Ru، Mn تي ٻڌل رڪاوٽون، يا 2D مواد تي ٻڌل الٽرا پتلي پرتون ڊفيوژن رڪاوٽون آهن. جيئن نوڊس اڳتي وڌندا آهن، چئلينج اهو آهي ته رڪاوٽ کي ممڪن حد تائين پتلي بڻايو وڃي جڏهن ته اثرائتو رهي، ڇاڪاڻ ته هڪ رڪاوٽ جيڪا تمام گهڻي ٿلهي آهي رستي جي جاءِ کي "کائي ٿي" ۽ مزاحمت وڌائي ٿي.

5. ٽرانزسٽر جي جوڙجڪ ۾ ڌاتو: ڌاتو گيٽ ۽ هاءِ-ڪ

جديد MOSFET ٽرانزسٽرن ۾، خاص طور تي هاءِ-ڪ/ميٽل گيٽس جي تعارف کان وٺي، ڌاتو ٻيهر گيٽ جي جوڙجڪ ۾ اهم ڪردار ادا ڪيو آهي. اڳي، پولي سليڪون گيٽس اڪثر استعمال ڪيا ويندا هئا، پر انهن کي ڊيپليشن اثر ۽ هاءِ-ڪ ڊائيليڪٽرڪ سان مطابقت جهڙن مسئلن کي منهن ڏيڻو پيو. ڌاتو گيٽس سان، اليڪٽرو اسٽيٽڪ ڪنٽرول بهتر ٿئي ٿو ۽ رساو کي دٻايو وڃي ٿو.

استعمال ٿيندڙ مواد مختلف هوندا آهن، جهڙوڪ ٽائيٽينيم نائٽرائڊ (TiN)، ٽينٽلم نائٽرائڊ، يا صحيح ڪم جي فنڪشن کي حاصل ڪرڻ لاءِ ٺهيل ڌاتو جو ميلاپ (ته جيئن حد وولٽيج ڊيزائن کي پورو ڪري). هتي، ڌاتو صرف هڪ ڪنڊڪٽر ناهي؛ ان جي مٿاڇري اليڪٽرانڪ خاصيتون ٽرانزسٽر جي رويي کي طئي ڪن ٿيون.

6. جمع ڪرڻ ۽ نموني جي عملن ۾ ڌاتو جو استعمال

چپ جي پيداوار ۾ مختلف طريقن ذريعي ڌاتو جي پتلي تہن کي جمع ڪرڻ شامل آهي، جنهن ۾ شامل آهن:

- پي وي ڊي (جسماني بخارات جو جمع): ڦڦڙ وانگر، ال، ٽي، ٽا، ۽ ٻين لاءِ عام.
- سي وي ڊي (ڪيميائي وانپ جمع): اڪثر ڪري ڊبليو (ٽنگسٽن) پلگ ۽ ڪجهه ڌاتو جي تہن لاءِ استعمال ٿيندو آهي.
- ALD (ايٽمي پرت جمع): 3D ڍانچي تي الٽرا پتلي ۽ ڪنفارمل پرتن لاءِ تمام ضروري آهي، مثال طور رڪاوٽون/لائنر، ڌاتو جا دروازا، ۽ ڪجهه رابطي جو مواد.

جمع ڪرڻ کان پوءِ، ڌاتو کي لٿوگرافي ۽ ايچنگ يا ڊيماسسين عمل (خاص طور تي Cu لاءِ) استعمال ڪندي نموني سان ٺاهيو وڃي، جنهن ۾ ڊائي اليڪٽرڪ ۾ خندقون ٺاهڻ، انهن کي ڌاتو سان ڀرڻ، ۽ پوءِ ڪيميڪل ميڪيڪل پلانرائيزيشن (CMP) استعمال ڪندي انهن کي پالش ڪرڻ شامل آهي. هن عمل لاءِ صحيح سلري ۽ ڪيمسٽري جي ضرورت آهي ته جيئن هيٺئين پرتن کي نقصان پهچائڻ کان سواءِ هڪ فليٽ سطح ٺاهي سگهجي.

7. پيڪنگنگ تي ڌاتو: سولڊر، بمپ، ۽ تار بانڊ

هڪ ڀيرو ويفر مڪمل ٿي ويندو آهي، چپ کي ڪٽيو ويندو آهي (ڪٽيو ويندو آهي) ۽ پيڪ ڪيو ويندو آهي. هن مرحلي تي، ڌاتو پڻ غالب آهي:

- وائر بانڊنگ سون (Au)، ايلومينيم (Al)، يا ٽامي (Cu) تار استعمال ڪري ٿي.
- بمپنگ ۽ فلپ-چپ تيز رفتار ڪنيڪشن ۽ وڏي پن ڳڻپ لاءِ ڌاتو جي ٿنڀن/بمپس ۽ سولڊر استعمال ڪندا آهن.
- جديد سولڊر عام طور تي ٽين (Sn) تي ٻڌل هوندا آهن جيڪي ماحولياتي سببن جي ڪري ليڊ (Pb) سولڊر کي تبديل ڪرڻ لاءِ مصر (مثال طور Sn-Ag-Cu) تي ٻڌل هوندا آهن.

جديد پيڪنگنگ جهڙوڪ چپليٽس، 2.5D/3D انٽيگريشن، ۽ TSV (سلڪون ذريعي) اعليٰ اعتبار واري ڌاتو مواد جي ضرورت کي وڌائي رهيا آهن، جيئن ڪنيڪشن جي کثافت ۽ گرمي جي ضايع ٿيڻ وڌيڪ ٿيندو وڃي ٿو.

8. اهم چئلينج: نانو اسڪيل تي اليڪٽرومائيگريشن، سنکنرن، ۽ مزاحمت

جيئن جيئن طول و عرض ننڍا ٿيندا وڃن ٿا، ڌاتو جي استعمال کي سنگين چئلينجن کي منهن ڏيڻو پوي ٿو، جن ۾ شامل آهن:

- اليڪٽرومائيگريشن: ڌاتو جا رستا ننڍن ڪراس سيڪشن ۾ تيز وهڪرن جي ڪري خراب ٿي سگهن ٿا.
- اثرائتي مزاحمت ۾ اضافو: نانو اسڪيل تي، اليڪٽران اناج جي حدن ۽ سطحن سان وڌيڪ ٽڪرائجن ٿا، مزاحمت وڌائين ٿا.
- سنکنرن ۽ ڪيميائي مطابقت: خاص طور تي پيداوار جي مرحلن ۾ جنهن ۾ ڪيترائي ڪيميائي ۽ تيز گرمي پد شامل آهن.
- رڪاوٽ جون حدون: رڪاوٽون پتلي هجڻ گهرجن ۽ اڃا تائين پکيڙ جي مزاحمت ڪن، جيڪو ٽيڪنيڪل طور تي ڏکيو آهي.

تنهن ڪري، سيمي ڪنڊڪٽرز لاءِ ڌاتو جي مواد تي تحقيق جاري آهي، جنهن ۾ Co، Ru، Mo جي ڳولا، ۽ گڏوگڏ نوان طريقا جهڙوڪ متبادل مواد تي ٻڌل انٽر ڪنيڪٽس ۽ ايٽمي جمع ڪرڻ جون ٽيڪنڪون شامل آهن.

9. ڌاتو جي استعمال جون مستقبل جون هدايتون

سيمي ڪنڊڪٽر انڊسٽري ۾ مستقبل جا رجحان ايٽمي سطح تي وڌيڪ "انجنيئر ٿيل" ڌاتو جي استعمال کي هلائي رهيا آهن. ترقي يافته نوڊس ۽ 3D آرڪيٽيڪچر (FinFET، GAA نانو شيٽ، ۽ انهي تي) صاف انٽرفيس سان انتهائي يونيفارم، الٽرا پتلي ڌاتو پرتن جي گهرج ڪن ٿا. ان کان علاوه، توانائي جي ڪارڪردگي ۽ رفتار جي ضرورت پڻ انٽر ڪنيڪٽس ۽ رابطن لاءِ ڌاتو جي چونڊ کي هڪ اهم عنصر بڻائي ٿي.

پيڪنگنگ جي پاسي، اعليٰ بينڊوڊٿ جون گهرجون ۽ غير متفاوت انضمام سولڊر، بمپ، ۽ ڌاتو انٽرپوزر ۾ جدت کي هلائي رهيا آهن. ڌاتو صرف هڪ سپورٽ جزو ناهي، پر سسٽم ڊيزائن، ڪارڪردگي، ۽ اعتبار جو هڪ بنيادي حصو آهي.

نتيجو

ڌاتو سيمي ڪنڊڪٽر ڊوائيسز جي ٺهڻ ۾ مرڪزي ڪردار ادا ڪن ٿا: جيئن ته انٽر ڪنيڪٽ، رابطا، رڪاوٽون، ڌاتو جا دروازا، ۽ پيڪنگنگ جي ريڙهه. ڌاتو جي چونڊ نه رڳو چالکائي، پر پکيڙ، چپکڻ، حرارتي استحڪام، عمل جي مطابقت، ۽ ڊگهي مدت جي اعتبار سان پڻ طئي ڪئي ويندي آهي. جيئن ننڍي ڪرڻ ۽ پيچيدگي وڌندي آهي، اليڪٽرومائيگريشن ۽ نانو اسڪيل مزاحمت جهڙا چئلينج صنعت کي نوان مواد ۽ عمل تيار ڪرڻ تي مجبور ڪري رهيا آهن. تنهن ڪري، سيمي ڪنڊڪٽرز ۾ ڌاتو جي استعمال کي سمجهڻ نه رڳو مواد ۽ پروسيس انجنيئرن لاءِ، پر هر ڪنهن لاءِ پڻ اهم آهي جيڪو اهو سمجهڻ چاهي ٿو ته جديد چپ ٽيڪنالاجي ڪيئن ترقي ڪندي رهندي.