குறைக்கடத்தி சாதனங்களின் உற்பத்தியில் உலோகங்களின் பயன்பாடு

குறைக்கடத்தி சாதன உற்பத்தியில் உலோகங்களின் பயன்பாடு

டிரான்சிஸ்டர்கள், டையோடுகள், சென்சார்கள், ஒருங்கிணைந்த சுற்றுகள் (ICகள்) மற்றும் செயலிகள் போன்ற குறைக்கடத்தி சாதனங்கள் நவீன தொழில்நுட்பத்தின் முதுகெலும்பாகும். அவற்றின் உயர் செயல்திறன் மற்றும் தொடர்ந்து சிறியதாகி வரும் அளவுகளுக்குப் பின்னால், சிக்கலான, துல்லியமான மற்றும் மூலப்பொருட்களைப் பெரிதும் சார்ந்த ஒரு உற்பத்தி செயல்முறை உள்ளது. உலோகங்களின் பங்கு ஈடு இணையற்றது. உலோகங்கள் மின்சாரத்தைக் கடத்தும் "கம்பிகளாக" மட்டுமல்லாமல், மின் தொடர்புகள், பரவல் தடைகள், கூறுகளுக்கு இடையேயான இணைப்பு உறுப்புகள் மற்றும் லித்தோகிராபி மற்றும் பேக்கேஜிங் செயல்முறைகளில் செயல்பாட்டுப் பொருட்களாகவும் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. குறைக்கடத்தி சாதன உற்பத்தியில் உலோகங்கள் எவ்வாறு பயன்படுத்தப்படுகின்றன, பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் உலோகங்களின் வகைகள், மற்றும் அவற்றின் வளர்ச்சியின் சவால்கள் மற்றும் திசைகள் ஆகியவற்றை இந்தக் கட்டுரை விவாதிக்கிறது.

1. குறைக்கடத்தி சாதனங்களில் உலோகங்களின் பங்கு

பொதுவாக, குறைக்கடத்தி சாதனங்களில் உள்ள உலோகங்கள் பல முக்கிய செயல்பாடுகளைக் கொண்டுள்ளன:

1. இடை இணைப்பு (கம்பி இணைப்பு): சிப்பில் உள்ள டிரான்சிஸ்டர்கள் மற்றும் பிற கூறுகளை, மிகவும் அடர்த்தியான மற்றும் பல அடுக்கு உலோகப் பாதைகள் மூலம் இணைப்பது (பல அடுக்கு இடை இணைப்பு).
2. ஓமிக் தொடர்புகள் மற்றும் ஸ்காட்கி தொடர்புகள்: ஒரு உலோகம் மற்றும் ஒரு குறைக்கடத்திக்கு இடையில் ஒரு மின் இடைமுகத்தை உருவாக்குகின்றன. ஓமிக் தொடர்புகள் குறைந்த மின்தடையுடன் இரு திசைகளிலும் மின்னோட்டத்தை பாய அனுமதிக்கின்றன, அதேசமயம் ஸ்காட்கி தொடர்புகள் நேராக்கும் பண்புகளுடன் ஒரு டையோடை உருவாக்குகின்றன.
3. தடுப்பு அடுக்கு மற்றும் ஒட்டுதல் அடுக்கு: உலோக அணுக்கள் குறைக்கடத்தி அல்லது மின்காப்புப் பொருளுக்குள் பரவுவதைத் தடுக்கிறது, மேலும் உலோகம் கீழேயுள்ள அடுக்கில் உறுதியாக ஒட்டிக்கொள்ள உதவுகிறது.
4. டிரான்சிஸ்டரில் உள்ள கேட் மின்முனை: சில தொழில்நுட்பங்களில், சிறந்த சேனல் கட்டுப்பாடு மற்றும் குறைந்த மின்தடைக்காக, MOSFET-இல் கேட் மின்முனையை உருவாக்க உலோகம் பயன்படுத்தப்படுகிறது.
5. உற்பத்திச் செயல்முறையில் பயன்படுத்தப்படும் மூலப்பொருட்கள்: உலோகங்களும் உலோகச் சேர்மங்களும், கடினப் பூச்சுகளாகவும், பிரதிபலிப்பு அடுக்குகளாகவும், அல்லது படியவைத்தல் மற்றும் அரித்தலுக்கான வேதியியல் கூறுகளாகவும் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.
6. சிப் பேக்கேஜிங் மற்றும் இணைப்பு: சிப்பை சர்க்யூட் போர்டுடன் இணைப்பதற்கும், சாதனத்தைச் சுற்றுச்சூழலிலிருந்து பாதுகாப்பதற்கும் சாலிடர், வயர் பாண்டிங், பம்பிங் மற்றும் பல்வேறு உலோகக் கலவைகள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.

வேறுவிதமாகக் கூறினால், நவீன சில்லுகளின் செயல்திறன் சிலிக்கான் அல்லது பிற குறைக்கடத்திப் பொருட்களால் மட்டுமல்ல, உலோகங்கள் எவ்வாறு தேர்ந்தெடுக்கப்பட்டு ஒருங்கிணைக்கப்படுகின்றன என்பதாலும் தீர்மானிக்கப்படுகிறது.

2. இடை இணைப்புகளுக்கான உலோகங்கள்: அலுமினியம் முதல் தாமிரம் மற்றும் கோபால்ட் வரை

ஒருங்கிணைந்த சுற்றுகளின் (ICs) ஆரம்பத் தலைமுறைகளில், அலுமினியம் (Al) இணைப்புகளுக்கான முதன்மைத் தேர்வாக இருந்தது. ஏனெனில், அதைப் படியவைப்பது எளிதாகவும், விலை ஒப்பீட்டளவில் குறைவாகவும், அக்காலத்திய உற்பத்தி செயல்முறைகளுடன் இணக்கமானதாகவும் இருந்தது. இருப்பினும், டிரான்சிஸ்டர்களின் அடர்த்தி அதிகரித்து, மின்னோட்டத் தேவைகளும் உயர்ந்தபோது, ​​அதிக எலக்ட்ரான் ஓட்டத்தின் காரணமாக உலோக அணுக்கள் நகரும் நிகழ்வான எலக்ட்ரோமைக்ரேஷன் போன்ற சிக்கல்கள், பாதை முறிவுகளை ஏற்படுத்தி நம்பகத்தன்மையைக் குறைத்தன.

பின்னர், தொழில்துறை செம்பை (Cu) நாடியது, ஏனெனில் அது அலுமினியத்தை விட குறைந்த மின்தடையைக் கொண்டுள்ளது, இது மின் இழப்புகளைக் குறைத்து சமிக்ஞை வேகத்தை அதிகரிக்கிறது. இருப்பினும், செம்பு ஒரு சவாலை முன்வைக்கிறது: Cu மின்காப்புப் பொருட்களுக்குள் (எ.கா., SiO₂ அல்லது குறைந்த-k மின்காப்புப் பொருட்கள்) எளிதில் ஊடுருவி, மின் பண்புகளைச் சிதைக்கக்கூடும். எனவே, Cu கிட்டத்தட்ட எப்போதும் டான்டலம் (Ta) அல்லது டான்டலம் நைட்ரைடு (TaN) போன்ற ஒரு தடுப்பு அடுக்குடன் பயன்படுத்தப்படுகிறது.

மேலும் மேலும் சிறியதாகி வரும் தொழில்நுட்பங்களில் (மேம்பட்ட கணுக்கள்), இடை இணைப்பு குறுக்குவெட்டுப் பரப்பு சுருங்குவதால், மின்தடை மேலும் அதிகரிக்கிறது, மற்றும் எல்லை விளைவுகள் (மேற்பரப்பு சிதறல்) அதிக ஆதிக்கம் செலுத்துகின்றன. சில அடுக்குகளுக்கு, தாமிரத்திற்கு (Cu) ஒரு மாற்றாக/துணையாக கோபால்ட் (Co) அல்லது ருத்தேனியம் (Ru) ஆகியவற்றின் பயன்பாடு வெளிவரத் தொடங்கியுள்ளது, ஏனெனில் அது மிகச் சிறிய பரிமாணங்களில் அதிக நிலையான செயல்திறனை வழங்க முடியும் மற்றும் தடிமனான தடைகளின் தேவையையும் குறைக்கிறது.

3. உலோகம்-குறைக்கடத்தித் தொடர்புகள்: ஓமிக் மற்றும் ஸ்காட்கி

உலோகம் மற்றும் குறைக்கடத்திக்கு இடையேயான தொடர்பு மிக முக்கியமான அம்சங்களில் ஒன்றாகும். அந்தத் தொடர்பு அதிக மின்தடையைக் கொண்டிருந்தால், டிரான்சிஸ்டர் விரைவாக அதிக வெப்பமடைந்து அதன் செயல்திறனை இழக்கிறது. நவீன CMOS சாதனங்களில், சோர்ஸ்/டிரெய்ன் தொடர்புகள் மற்றும் தொடர்பு செருகிகள் ஆகியவை முடிந்தவரை குறைந்த மின்தடையைக் கொண்டிருக்குமாறு வடிவமைக்கப்பட்டுள்ளன.

தொடர்புகளுக்குப் பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் சில உலோகங்கள் மற்றும் சேர்மங்கள் பின்வருமாறு:

– டைட்டானியம் (Ti): சிலிசைடுகளை உருவாக்குவதற்காக, பெரும்பாலும் ஒரு பிசின் மற்றும் வினைபுரியும் அடுக்காகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது.
– நிக்கல் (Ni) மற்றும் கோபால்ட் (Co): சிலிக்கானில் தொடர்பு மின்தடையைக் குறைப்பதற்காக சிலிசைடேஷன் செயல்முறைகளில் (எ.கா. NiSi, CoSi₂) பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.
– டங்ஸ்டன் (W): இது நிலைத்தன்மை உடையதாகவும், CVD (வேதியியல் ஆவிப் படிவு) படிவு முறைக்கு ஏற்றதாகவும் இருப்பதால், தொடர்புத் துளைகளை (தொடர்பு/துளை நிரப்பி) நிரப்புவதற்கான ஒரு “அடைப்பானாக” பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது.
– பிளாட்டினம் (Pt) அல்லது பல்லேடியம் (Pd): ஸ்காட்கி இணைப்புகளை உருவாக்க அல்லது அதிக வேதியியல் நிலைத்தன்மை தேவைப்படும் சில பயன்பாடுகளுக்குப் பயன்படுத்தப்படலாம்.

GaN (காலியம் நைட்ரைடு) அல்லது SiC (சிலிக்கான் கார்பைடு) போன்ற, சிலிக்கானைத் தவிர மற்ற குறைக்கடத்திகளால் செய்யப்பட்ட சாதனங்களில், ஆற்றல் பட்டை அமைப்பில் உள்ள வேறுபாடுகள், உயர் வெப்பநிலைத் தேவைகள் மற்றும் மிகவும் தீவிரமான இயக்கச் சூழல்கள் (எ.கா., ஆற்றல் மின்னணுவியல்) ஆகியவற்றின் காரணமாக, தொடு உலோகத்தின் தேர்வு பெருகிய முறையில் முக்கியத்துவம் பெறுகிறது.

4. தடுப்பு அடுக்கு, உள்வரி மற்றும் ஒட்டு அடுக்கு

நவீன சிப்புகள் மிகவும் சிறியதாக இருப்பதால், உலோக அணுக்கள் பரவி, கசிவுகள், குறுக்குச் சுற்றுகள் அல்லது டிரான்சிஸ்டர் அளவுருக்களில் மாற்றங்களை ஏற்படுத்தக்கூடும். எனவே, பின்வரும் செயல்பாடுகளைச் செய்யும் மெல்லிய அடுக்குகள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன:

– பரவல் தடுப்பான்: தாமிரம் அல்லது பிற உலோகங்கள் பரவுவதைத் தடுக்கிறது.
– லைனர்: குறுகிய இடங்களை (குழி/வழித்தடங்களை) சீராக நிரப்ப உதவுகிறது.
– ஒட்டு அடுக்கு: ஒட்டுதலை அதிகரிக்கிறது.

பொதுவான பொருட்களில் Ta/TaN, Ti/TiN, W ஆகியவை அடங்கும். மேலும் சமீபத்திய ஆய்வுகளில், Ru, Mn-அடிப்படையிலான தடைகள் அல்லது பரவல் தடைகளாக 2D பொருட்களை அடிப்படையாகக் கொண்ட மிக மெல்லிய அடுக்குகளும் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. கணுக்கள் முன்னேறும்போது, ​​தடையை அதன் செயல்திறனுடன் முடிந்தவரை மெல்லியதாக உருவாக்குவதே சவாலாகும். ஏனெனில், மிகவும் தடிமனான ஒரு தடையானது பாதைக்கான இடத்தை "விரட்டிக்கொள்வதோடு", எதிர்ப்பையும் அதிகரிக்கிறது.

5. டிரான்சிஸ்டர் கட்டமைப்பில் உலோகம்: உலோக கேட் மற்றும் உயர்-k

நவீன MOSFET டிரான்சிஸ்டர்களில், குறிப்பாக உயர்-k/உலோக கேட்கள் அறிமுகப்படுத்தப்பட்டதிலிருந்து, கேட் கட்டமைப்பில் உலோகம் மீண்டும் ஒரு முக்கியப் பங்கை வகிக்கிறது. முன்னதாக, பாலிசிலிக்கான் கேட்கள் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்பட்டன, ஆனால் அவை குறைவு விளைவு மற்றும் உயர்-k மின்காப்புப் பொருட்களுடன் பொருந்தாமை போன்ற சிக்கல்களை எதிர்கொண்டன. உலோக கேட்கள் மூலம், நிலைமின்னியல் கட்டுப்பாடு மேம்படுத்தப்படுகிறது மற்றும் கசிவைத் தடுக்க முடிகிறது.

பயன்படுத்தப்படும் பொருட்கள் டைட்டானியம் நைட்ரைடு (TiN), டான்டலம் நைட்ரைடு அல்லது சரியான வேலைச் செயல்பாட்டை அடைவதற்காக வடிவமைக்கப்பட்ட உலோகங்களின் கலவை போன்றவை ஆகும் (இதனால் வரம்பு மின்னழுத்தம் வடிவமைப்பைப் பூர்த்தி செய்கிறது). இங்கு, உலோகம் வெறுமனே ஒரு கடத்தி அல்ல; அதன் மேற்பரப்பு மின்னணு பண்புகளே டிரான்சிஸ்டரின் நடத்தையைத் தீர்மானிக்கின்றன.

6. படிதல் மற்றும் வடிவமைப்பு செயல்முறைகளில் உலோகத்தின் பயன்பாடு

சில்லு உற்பத்தி என்பது, பின்வரும் பல்வேறு நுட்பங்கள் மூலம் உலோகத்தின் மெல்லிய அடுக்குகளைப் படிய வைப்பதை உள்ளடக்கியுள்ளது:

– PVD (இயற்பியல் ஆவிப் படிவு): இது ஸ்பட்டரிங் போன்றது, Al, Ti, Ta மற்றும் பிறவற்றிற்குப் பொதுவானது.
– CVD (வேதி ஆவிப் படிவு): இது பெரும்பாலும் டங்ஸ்டன் (W) அடைப்பான்கள் மற்றும் சில உலோக அடுக்குகளுக்குப் பயன்படுத்தப்படுகிறது.
– ALD (அணு அடுக்கு படிவு): முப்பரிமாண கட்டமைப்புகளின் மீது மிக மெல்லிய மற்றும் சீரான அடுக்குகளை உருவாக்குவதற்கு இது மிகவும் முக்கியமானது. எடுத்துக்காட்டாக, தடுப்புகள்/உட்பூச்சுகள், உலோக வாயில்கள் மற்றும் சில தொடு பொருட்கள்.

உலோகம் படியவைக்கப்பட்ட பிறகு, லித்தோகிராபி மற்றும் எச்சிங் அல்லது டமாசீன் செயல்முறை (குறிப்பாக தாமிரத்திற்கு) ஆகியவற்றைப் பயன்படுத்தி அதில் வடிவங்கள் இடப்பட வேண்டும். இந்த டமாசீன் செயல்முறையில், மின்காப்புப் பொருளில் பள்ளங்கள் உருவாக்கப்பட்டு, அவற்றில் உலோகம் நிரப்பப்பட்டு, பின்னர் வேதியியல் இயந்திர சமதளமாக்கல் (CMP) மூலம் மெருகூட்டப்படுகின்றன. இந்தச் செயல்முறைக்கு, கீழுள்ள அடுக்குகளுக்குச் சேதம் விளைவிக்காமல் ஒரு சமதளப் பரப்பை உருவாக்க, சரியான கூழ்மமும் வேதியியலும் தேவைப்படுகின்றன.

7. பேக்கேஜிங்கில் உள்ள உலோகம்: சாலிடர், பம்ப் மற்றும் வயர் பாண்ட்

வேஃபர் தயாரானதும், சிப் வெட்டப்பட்டு (சிறு துண்டுகளாக்கப்பட்டு) பொட்டலமிடப்படுகிறது. இந்தக் கட்டத்திலும் உலோகத்தின் பங்கு அதிகமாகவே உள்ளது:

கம்பிப் பிணைப்பிற்கு தங்கம் (Au), அலுமினியம் (Al) அல்லது தாமிரம் (Cu) கம்பி பயன்படுத்தப்படுகிறது.
– பம்பிங் மற்றும் ஃபிளிப்-சிப் ஆகியவை அதிவேக இணைப்புகள் மற்றும் அதிக எண்ணிக்கையிலான பின்களுக்காக உலோகத் தூண்கள்/மேடுகள் மற்றும் பற்றவைப்பு உலோகத்தைப் பயன்படுத்துகின்றன.
– சுற்றுச்சூழல் காரணங்களுக்காக ஈய (Pb) பற்றவைப்புக்குப் பதிலாக, நவீன பற்றவைப்புகள் பொதுவாக தகரம் (Sn) அடிப்படையிலானவையாகவும், அதனுடன் கலப்புலோகங்கள் (எ.கா. Sn-Ag-Cu) கலந்தவையாகவும் உள்ளன.

இணைப்பு அடர்த்தி மற்றும் வெப்பச் சிதறல் அதிகரிப்பதால், சிப்லெட்டுகள், 2.5D/3D ஒருங்கிணைப்பு மற்றும் TSV (சிலிக்கான் வழித் துளை) போன்ற மேம்பட்ட பேக்கேஜிங் முறைகள், அதிக நம்பகத்தன்மை கொண்ட உலோகப் பொருட்களுக்கான தேவையை அதிகரித்து வருகின்றன.

8. முக்கிய சவால்கள்: நானோ அளவில் மின்நகர்வு, அரிப்பு மற்றும் எதிர்ப்புத்திறன்

பரிமாணங்கள் சிறியதாக ஆகும்போது, ​​உலோகப் பயன்பாடு பின்வரும் கடுமையான சவால்களை எதிர்கொள்கிறது:

– மின்நகர்வு: சிறிய குறுக்குவெட்டுப் பகுதிகளில் பாயும் அதிக மின்னோட்டங்களால் உலோகப் பாதைகள் சேதமடையக்கூடும்.
– அதிகரித்த பயனுறு மின்தடைத்திறன்: நானோ அளவில், எலக்ட்ரான்கள் துகள்களின் எல்லைகள் மற்றும் மேற்பரப்புகளுடன் அடிக்கடி மோதுவதால், மின்தடை அதிகரிக்கிறது.
– அரிப்பு மற்றும் இரசாயனப் பொருந்தாமை: குறிப்பாக, பல இரசாயனங்கள் மற்றும் அதிக வெப்பநிலை சம்பந்தப்பட்ட உற்பத்தி நிலைகளில்.
– தடுப்புகளின் வரம்புகள்: தடுப்புகள் மெல்லியதாக இருக்க வேண்டும், அதே சமயம் பரவலையும் எதிர்க்க வேண்டும், இது தொழில்நுட்ப ரீதியாகக் கடினமான ஒன்றாகும்.

எனவே, குறைக்கடத்திகளுக்கான உலோகப் பொருட்கள் மீதான ஆராய்ச்சி, கோபால்ட் (Co), ருத்தேனியம் (Ru), மாலிப்டினம் (Mo) ஆகியவற்றின் ஆய்வு மற்றும் மாற்றுப் பொருள் அடிப்படையிலான இடை இணைப்புகள், அணுப் படிவு நுட்பங்கள் போன்ற புதிய அணுகுமுறைகள் உட்பட, தொடர்ந்து வளர்ந்து வருகிறது.

9. உலோகப் பயன்பாட்டின் எதிர்கால திசைகள்

குறைக்கடத்தித் துறையின் எதிர்காலப் போக்குகள், அணு மட்டத்தில் மேலும் 'பொறியியல் ரீதியாக வடிவமைக்கப்பட்ட' உலோகங்களின் பயன்பாட்டை ஊக்குவிக்கின்றன. மேம்பட்ட கணுக்கள் மற்றும் முப்பரிமாணக் கட்டமைப்புகளுக்கு (ஃபின்ஃபெட், ஜிஏஏ நானோஷீட் போன்றவை), தூய்மையான இடைமுகங்களுடன் கூடிய மிகவும் சீரான, மிக மெல்லிய உலோக அடுக்குகள் தேவைப்படுகின்றன. மேலும், ஆற்றல் திறன் மற்றும் வேகத்திற்கான தேவையும், இடை இணைப்புகள் மற்றும் தொடர்புகளுக்கான உலோகங்களின் தேர்வை ஒரு முக்கிய காரணியாக ஆக்குகிறது.

பேக்கேஜிங் பக்கத்தில், உயர் அலைவரிசைத் தேவைகள் மற்றும் பன்முக ஒருங்கிணைப்பு ஆகியவை சாலிடர், பம்ப் மற்றும் உலோக இன்டர்போசர்களில் புதுமைகளைத் தூண்டுகின்றன. உலோகம் என்பது ஒரு துணைக்கூறு மட்டுமல்ல, அது அமைப்பு வடிவமைப்பு, செயல்திறன் மற்றும் நம்பகத்தன்மையின் ஒரு அடிப்படைப் பகுதியாகும்.

முடிவுரை

குறைக்கடத்தி சாதனங்களின் உருவாக்கத்தில் உலோகங்கள் ஒரு மையப் பங்கை வகிக்கின்றன: அவை இடை இணைப்புகள், தொடர்புகள், தடைகள், உலோக வாயில்கள் மற்றும் பேக்கேஜிங்கின் முதுகெலும்பாகப் பயன்படுகின்றன. உலோகத் தேர்வானது கடத்துத்திறனால் மட்டுமல்லாமல், பரவல், ஒட்டுதல், வெப்ப நிலைத்தன்மை, செயல்முறை இணக்கத்தன்மை மற்றும் நீண்ட கால நம்பகத்தன்மை ஆகியவற்றாலும் தீர்மானிக்கப்படுகிறது. நுண்மயமாக்கலும் சிக்கலான தன்மையும் அதிகரிக்கும்போது, ​​மின்நகர்வு மற்றும் நானோ அளவிலான மின்தடை போன்ற சவால்கள், புதிய பொருட்கள் மற்றும் செயல்முறைகளை உருவாக்க இந்தத் தொழில்துறையைக் கட்டாயப்படுத்துகின்றன. எனவே, குறைக்கடத்திகளில் உலோகங்களின் பயன்பாட்டைப் புரிந்துகொள்வது, பொருள் மற்றும் செயல்முறைப் பொறியாளர்களுக்கு மட்டுமல்லாமல், நவீன சிப் தொழில்நுட்பம் எவ்வாறு தொடர்ந்து பரிணமிக்கும் என்பதைப் புரிந்துகொள்ள விரும்பும் எவருக்கும் மிகவும் முக்கியமானது.