Použitie kovov pri výrobe polovodičových zariadení
Polovodičové súčiastky – ako sú tranzistory, diódy, senzory, integrované obvody (IO) a procesory – sú chrbticou moderných technológií. Za ich vysokým výkonom a stále menšími rozmermi sa skrýva zložitý, presný a na materiáloch vysoko závislý výrobný proces. Jednou skupinou materiálov, ktorej úloha je nenahraditeľná, sú kovy. Kovy sa používajú nielen ako elektricky vodivé „drôty“, ale aj ako elektrické kontakty, difúzne bariéry, prepojovacie prvky medzi súčiastkami a funkčné materiály v litografii a procesoch balenia. Tento článok rozoberá, ako sa kovy používajú pri výrobe polovodičových súčiastok, aké sú bežne používané typy kovov a aké sú výzvy a smery ich vývoja.
1. Úloha kovov v polovodičových zariadeniach
Vo všeobecnosti majú kovy v polovodičových súčiastkach niekoľko hlavných funkcií:
1. Prepojenie (zapojenie): Prepojenie tranzistorov a iných komponentov v čipe prostredníctvom veľmi hustých a viacvrstvových kovových dráh (viacvrstvové prepojenie).
2. Ohmické kontakty a Schottkyho kontakty: Tvoria elektrické rozhranie medzi kovom a polovodičom. Ohmické kontakty umožňujú tok prúdu v oboch smeroch s nízkym odporom, zatiaľ čo Schottkyho kontakty tvoria diódu s usmerňovacími charakteristikami.
3. Bariérová vrstva a adhézna vrstva: Zabraňuje difúzii atómov kovu do polovodičového alebo dielektrického materiálu a pomáha kovu pevne priľnúť k vrstve pod ním.
4. Hradlová elektróda na tranzistore: V niektorých technológiách sa na vytvorenie hradlovej elektródy na MOSFETe používa kov pre lepšie riadenie kanála a nižší odpor.
5. Materiály vo výrobnom procese: Kovy a zlúčeniny kovov sa používajú ako tvrdé masky, reflexné vrstvy alebo chemické zložky na nanášanie a leptanie.
6. Balenie a pripojenie čipu: Na pripojenie čipu k doske plošných spojov a ochranu zariadenia pred vplyvmi prostredia sa používa spájkovanie, spájanie drôtov, ohýbanie a rôzne kovové zliatiny.
Inými slovami, výkon moderných čipov nie je určený len kremíkom alebo inými polovodičovými materiálmi, ale aj spôsobom výberu a integrácie týchto kovov.
2. Kovy pre prepojenia: od hliníka po meď a kobalt
V raných generáciách integrovaných obvodov bol hliník (Al) primárnou voľbou pre prepojenia, pretože sa ľahko nanášal, bol relatívne lacný a kompatibilný s vtedajšími výrobnými procesmi. Avšak so zvyšujúcou sa hustotou tranzistorov a zvyšujúcimi sa požiadavkami na prúd, problémy, ako je elektromigrácia – pohyb atómov kovu v dôsledku vysokého toku elektrónov – spôsobovali prerušenia dráhy a znižovali spoľahlivosť.
Priemysel sa potom obrátil na meď (Cu), pretože má nižší merný odpor ako hliník, čo znižuje straty energie a zvyšuje rýchlosť signálu. Meď však predstavuje výzvu: Cu ľahko difunduje do dielektrík (napr. SiO₂ alebo dielektrík s nízkou hodnotou k) a môže zhoršiť elektrické vlastnosti. Preto sa Cu takmer vždy používa s bariérovou vrstvou, ako je tantal (Ta) alebo nitrid tantalu (TaN).
V čoraz menších technológiách (pokročilé uzly) sa prierez prepojenia zmenšuje, čím sa ďalej zvyšuje odpor a dominantnejšie sa stávajú hraničné efekty (povrchový rozptyl). Pre určité vrstvy sa začína objavovať použitie kobaltu (Co) alebo ruténia (Ru) ako alternatívy/doplnku k Cu, pretože to môže poskytnúť stabilnejší výkon pri veľmi malých rozmeroch a znižuje potrebu hrubých bariér.
3. Kontakty kov-polovodič: ohmické a Schottkyho
Kontakt medzi kovom a polovodičom je jedným z najdôležitejších aspektov. Ak je kontakt príliš odporový, tranzistor sa rýchlo prehrieva a stráca výkon. V moderných CMOS obvodoch sú kontakty zdroj/odtok a kontaktné zástrčky navrhnuté tak, aby mali čo najnižší odpor.
Medzi niektoré kovy a zlúčeniny bežne používané na kontakty patria:
– Titán (Ti): často sa používa ako adhézna a reaktívna vrstva na tvorbu silicidov.
– Nikel (Ni) a kobalt (Co): bežné v procesoch silikácie (napr. NiSi, CoSi₂) na zníženie kontaktného odporu v kremíku.
– Volfrám (W): široko používaný ako „zátka“ na vyplnenie kontaktných otvorov (výplň kontaktov/prechodov), pretože je stabilný a vhodný na CVD (chemické nanášanie z plynnej fázy).
– Platina (Pt) alebo paládium (Pd): môžu sa použiť na vytvorenie Schottkyho kontaktov alebo pre určité aplikácie, ktoré vyžadujú vysokú chemickú stabilitu.
V zariadeniach vyrobených z iných polovodičov ako kremík – ako je GaN (nitrid gália) alebo SiC (karbid kremíka) – je výber kontaktného kovu čoraz dôležitejší kvôli rozdielom v štruktúre energetických pásiem, požiadavkám na vysoké teploty a extrémnejším prevádzkovým prostrediam (napr. výkonová elektronika).
4. Bariérová vrstva, vložka a adhézna vrstva
Pretože moderné čipy sú také malé, atómy kovu môžu difundovať a spôsobiť úniky, skraty alebo zmeny parametrov tranzistorov. Preto sa používajú tenké vrstvy, ktoré slúžia na nasledujúce funkcie:
– Difúzna bariéra: zabraňuje difúzii medi alebo iných kovov.
– Vložka: pomáha rovnomerne vyplniť úzke prvky (priekopu/prechod).
– Adhézna vrstva: zvyšuje priľnavosť.
Medzi bežné materiály patria Ta/TaN, Ti/TiN, W a v novšom výskume aj Ru, bariéry na báze Mn alebo ultratenké vrstvy na báze 2D materiálov ako difúzne bariéry. S postupom vývoja uzlov je výzvou vytvoriť čo najtenšiu bariéru a zároveň zostať účinná, pretože príliš hrubá bariéra „zaberá“ priestor na dráhe a zvyšuje odpor.
5. Kov v štruktúre tranzistora: kovová brána a high-k
V moderných MOSFET tranzistoroch, najmä od zavedenia hradiel s vysokým k/kovom, kov opäť zohráva hlavnú úlohu v štruktúre hradla. Predtým sa často používali polysilikónové hradlá, ktoré však čelili problémom, ako je efekt vyčerpania a kompatibilita s dielektrikami s vysokým k. S kovovými hradlami sa zlepšuje elektrostatická kontrola a možno potlačiť únik.
Použité materiály sa líšia, napríklad nitrid titánu (TiN), nitrid tantalu alebo kombinácia kovov prispôsobená na dosiahnutie správnej pracovnej funkcie (aby prahové napätie spĺňalo konštrukčné požiadavky). V tomto prípade kov nie je len vodičom; jeho povrchové elektronické vlastnosti určujú správanie tranzistora.
6. Použitie kovu v procesoch nanášania a modelovania
Výroba čipov zahŕňa nanášanie tenkých vrstiev kovu rôznymi technikami vrátane:
– PVD (fyzikálne nanášanie z pár): podobné naprašovaniu, bežné pre Al, Ti, Ta a ďalšie.
– CVD (chemické nanášanie z pár): často sa používa pre volfrámové sviečky a určité kovové vrstvy.
– ALD (Atomic Layer Deposition): veľmi dôležitá pre ultratenké a konformné vrstvy na 3D štruktúrach, napríklad bariéry/vložky, kovové brány a niektoré kontaktné materiály.
Po nanesení musí byť kov vzorovaný pomocou litografie a leptania alebo damascénovým procesom (najmä pre Cu), ktorý zahŕňa vytvorenie zárezov v dielektriku, ich vyplnenie kovom a následné leštenie pomocou chemicko-mechanickej planarizácie (CMP). Tento proces vyžaduje správnu suspenziu a chémiu na vytvorenie rovného povrchu bez poškodenia podkladových vrstiev.
7. Kov na obale: spájkovanie, bumpovanie a drôtené spojenie
Keď je doštička hotová, čip sa nakrája (na kocky) a zabalí. V tejto fáze je tiež dominantným prvkom kov:
– Na spájanie drôtov sa používa zlatý (Au), hliníkový (Al) alebo medený (Cu) drôt.
– Bumping a flip-chip využívajú kovové stĺpiky/výstupky a spájku pre vysokorýchlostné pripojenia a veľký počet pinov.
– Moderné spájky sú vo všeobecnosti na báze cínu (Sn) so zliatinami (napr. Sn-Ag-Cu), ktoré z environmentálnych dôvodov nahrádzajú olovené (Pb) spájky.
Pokročilé puzdrá, ako sú chiplety, 2.5D/3D integrácia a TSV (prechod cez kremík), zvyšujú potrebu vysoko spoľahlivých kovových materiálov, pretože hustota pripojenia a odvod tepla sa zvyšujú.
8. Kľúčové výzvy: elektromigrácia, korózia a odolnosť v nanorozmeroch
S zmenšovaním rozmerov čelí použitie kovu vážnym výzvam, vrátane:
– Elektromigrácia: kovové dráhy môžu byť poškodené vysokými prúdmi v malých prierezoch.
– Zvýšený efektívny odpor: v nanorozmeroch elektróny častejšie kolidujú s hranicami zŕn a povrchmi, čím sa zvyšuje odpor.
– Korózia a chemická kompatibilita: najmä vo výrobných fázach zahŕňajúcich množstvo chemikálií a vysoké teploty.
– Obmedzenia bariér: bariéry musia byť tenšie a stále odolávať difúzii, čo je technicky náročné.
Preto sa výskum kovových materiálov pre polovodiče neustále rozvíja, vrátane skúmania Co, Ru, Mo, ako aj nových prístupov, ako sú alternatívne prepojenia na báze materiálov a techniky atómovej depozície.
9. Budúce smery využitia kovov
Budúce trendy v polovodičovom priemysle vedú k používaniu „technicky upravených“ kovov na atómovej úrovni. Pokročilé uzly a 3D architektúry (FinFET, GAA nanolisty atď.) vyžadujú vysoko rovnomerné, ultratenké kovové vrstvy s čistými rozhraniami. Okrem toho je kľúčovým faktorom aj potreba energetickej účinnosti a rýchlosti výber kovov pre prepojenia a kontakty.
Na strane balenia sú požiadavky na vysokú šírku pásma a heterogénna integrácia hnacou silou inovácií v oblasti spájkovaných, bump a kovových prepojovacích prvkov. Kov nie je len nosnou súčasťou, ale základnou súčasťou návrhu systému, výkonu a spoľahlivosti.
Záver
Kovy zohrávajú ústrednú úlohu pri výrobe polovodičových súčiastok: ako prepojenia, kontakty, bariéry, kovové brány a základná štruktúra obalu. Výber kovu nie je určený len vodivosťou, ale aj difúziou, adhéziou, tepelnou stabilitou, kompatibilitou s procesmi a dlhodobou spoľahlivosťou. S rastúcou miniaturizáciou a zložitosťou nútia výzvy, ako je elektromigracia a nanorozmerná odolnosť, priemysel vyvíjať nové materiály a procesy. Preto je pochopenie použitia kovov v polovodičoch kľúčové nielen pre materiálových a procesných inžinierov, ale aj pre každého, kto sa snaží pochopiť, ako sa bude moderná čipová technológia naďalej vyvíjať.
