సెమీకండక్టర్ పరికరాల తయారీలో లోహాల వాడకం

సెమీకండక్టర్ పరికరాల తయారీలో లోహాల వాడకం

ట్రాన్సిస్టర్లు, డయోడ్‌లు, సెన్సార్లు, ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్‌లు (ICలు) మరియు ప్రాసెసర్‌ల వంటి సెమీకండక్టర్ పరికరాలు ఆధునిక సాంకేతికతకు వెన్నెముక. వాటి అధిక పనితీరు మరియు నిరంతరం చిన్నవవుతున్న పరిమాణాల వెనుక సంక్లిష్టమైన, కచ్చితమైన మరియు పదార్థంపై ఎక్కువగా ఆధారపడిన తయారీ ప్రక్రియ ఉంది. ప్రత్యామ్నాయం లేని పాత్రను పోషించే పదార్థాల సమూహాలలో లోహం ఒకటి. లోహాలను విద్యుత్ వాహక "తీగల" వలె మాత్రమే కాకుండా, విద్యుత్ సంపర్కాలుగా, వ్యాప్తి అవరోధాలుగా, భాగాల మధ్య అనుసంధాన మూలకాలుగా మరియు లిథోగ్రఫీ, ప్యాకేజింగ్ ప్రక్రియలలో క్రియాత్మక పదార్థాలుగా కూడా ఉపయోగిస్తారు. ఈ వ్యాసం సెమీకండక్టర్ పరికరాల తయారీలో లోహాలను ఎలా ఉపయోగిస్తారో, సాధారణంగా వాడే లోహాల రకాలు, వాటి అభివృద్ధిలోని సవాళ్లు మరియు దిశల గురించి చర్చిస్తుంది.

1. సెమీకండక్టర్ పరికరాలలో లోహాల పాత్ర

సాధారణంగా, సెమీకండక్టర్ పరికరాలలో లోహాలు అనేక ప్రధాన విధులను కలిగి ఉంటాయి:

1. ఇంటర్‌కనెక్షన్ (వైరింగ్): చిప్‌లోని ట్రాన్సిస్టర్‌లను మరియు ఇతర భాగాలను చాలా దట్టమైన మరియు బహుళ-పొరల లోహ మార్గాల (మల్టీ-లేయర్ ఇంటర్‌కనెక్ట్) ద్వారా అనుసంధానించడం.
2. ఓమిక్ కాంటాక్ట్‌లు మరియు షాట్కీ కాంటాక్ట్‌లు: ఒక లోహం మరియు ఒక సెమీకండక్టర్ మధ్య విద్యుత్ ఇంటర్‌ఫేస్‌ను ఏర్పరుస్తాయి. ఓమిక్ కాంటాక్ట్‌లు తక్కువ నిరోధకతతో కరెంట్ రెండు దిశలలో ప్రవహించడానికి అనుమతిస్తాయి, అయితే షాట్కీ కాంటాక్ట్‌లు రెక్టిఫైయింగ్ లక్షణాలతో డయోడ్‌ను ఏర్పరుస్తాయి.
3. అవరోధ పొర మరియు సంసంజన పొర: లోహ పరమాణువులు సెమీకండక్టర్ లేదా డైఎలెక్ట్రిక్ పదార్థంలోకి వ్యాపించకుండా నిరోధిస్తుంది, మరియు లోహం దాని క్రింది పొరకు గట్టిగా అంటుకోవడానికి సహాయపడుతుంది.
4. ట్రాన్సిస్టర్‌పై గేట్ ఎలక్ట్రోడ్: కొన్ని సాంకేతికతలలో, మెరుగైన ఛానల్ నియంత్రణ మరియు తక్కువ నిరోధకత కోసం MOSFET పై గేట్ ఎలక్ట్రోడ్‌ను ఏర్పరచడానికి లోహాన్ని ఉపయోగిస్తారు.
5. తయారీ ప్రక్రియలోని పదార్థాలు: లోహాలు మరియు లోహ సమ్మేళనాలను హార్డ్ మాస్క్‌లుగా, పరావర్తన పొరలుగా లేదా డిపాజిషన్ మరియు ఎచింగ్ కోసం రసాయన భాగాలుగా ఉపయోగిస్తారు.
6. చిప్ ప్యాకేజింగ్ మరియు కనెక్షన్: చిప్‌ను సర్క్యూట్ బోర్డుకు అనుసంధానించడానికి మరియు పరికరాన్ని పర్యావరణం నుండి రక్షించడానికి సోల్డర్, వైర్ బాండింగ్, బంపింగ్ మరియు వివిధ లోహ మిశ్రమాలను ఉపయోగిస్తారు.

మరో మాటలో చెప్పాలంటే, ఆధునిక చిప్‌ల పనితీరు కేవలం సిలికాన్ లేదా ఇతర సెమీకండక్టర్ పదార్థాలపైనే కాకుండా, లోహాలను ఎలా ఎంపిక చేసి, ఏకీకృతం చేస్తారనే దానిపై కూడా ఆధారపడి ఉంటుంది.

2. అంతర అనుసంధానాల కోసం లోహాలు: అల్యూమినియం నుండి రాగి మరియు కోబాల్ట్ వరకు

తొలితరం ICలలో, ఇంటర్‌కనెక్ట్‌ల కోసం అల్యూమినియం (Al) ప్రధాన ఎంపికగా ఉండేది, ఎందుకంటే దానిని డిపాజిట్ చేయడం సులభం, ఇది సాపేక్షంగా చవకైనది మరియు ఆ కాలంలోని ఫ్యాబ్రికేషన్ ప్రక్రియలకు అనుకూలమైనది. అయితే, ట్రాన్సిస్టర్ సాంద్రతలు పెరిగి, కరెంట్ అవసరాలు పెరిగేకొద్దీ, అధిక ఎలక్ట్రాన్ ప్రవాహం కారణంగా లోహ పరమాణువులు కదలడం (ఎలక్ట్రోమైగ్రేషన్) వంటి సమస్యలు పాత్ బ్రేక్‌లకు కారణమై, విశ్వసనీయతను తగ్గించాయి.

అప్పుడు పరిశ్రమ రాగి (Cu) వైపు మళ్లింది, ఎందుకంటే అల్యూమినియం కంటే దీనికి తక్కువ నిరోధకత ఉండటం వల్ల విద్యుత్ నష్టాలు తగ్గి, సిగ్నల్ వేగం పెరుగుతుంది. అయితే, రాగితో ఒక సవాలు ఉంది: Cu సులభంగా డైఎలెక్ట్రిక్స్‌లోకి (ఉదాహరణకు, SiO₂ లేదా లో-k డైఎలెక్ట్రిక్స్) వ్యాపిస్తుంది మరియు విద్యుత్ లక్షణాలను క్షీణింపజేయగలదు. అందువల్ల, Cuను దాదాపు ఎల్లప్పుడూ టాంటలమ్ (Ta) లేదా టాంటలమ్ నైట్రైడ్ (TaN) వంటి అవరోధ పొరతో కలిపి ఉపయోగిస్తారు.

మరింత చిన్న సాంకేతికతలలో (అధునాతన నోడ్‌లు), అంతర-అనుసంధాన క్రాస్-సెక్షన్ తగ్గి, నిరోధకత మరింత పెరుగుతుంది, మరియు సరిహద్దు ప్రభావాలు (ఉపరితల వికీర్ణం) మరింత ప్రబలంగా మారతాయి. కొన్ని పొరల కోసం, రాగికి ప్రత్యామ్నాయంగా/పూరకంగా కోబాల్ట్ (Co) లేదా రుథేనియం (Ru) వాడకం ప్రాచుర్యం పొందడం ప్రారంభమైంది, ఎందుకంటే ఇది చాలా చిన్న కొలతలలో మరింత స్థిరమైన పనితీరును అందించగలదు మరియు మందపాటి అవరోధాల అవసరాన్ని తగ్గిస్తుంది.

3. లోహ-సెమీకండక్టర్ సంపర్కాలు: ఓమిక్ మరియు షాట్కీ

లోహం మరియు సెమీకండక్టర్ మధ్య సంపర్కం అత్యంత కీలకమైన అంశాలలో ఒకటి. సంపర్కం చాలా నిరోధకంగా ఉంటే, ట్రాన్సిస్టర్ త్వరగా వేడెక్కి పనితీరును కోల్పోతుంది. ఆధునిక CMOS పరికరాలలో, సోర్స్/డ్రెయిన్ కాంటాక్ట్‌లు మరియు కాంటాక్ట్ ప్లగ్‌లు సాధ్యమైనంత తక్కువ నిరోధకతను కలిగి ఉండేలా రూపొందించబడ్డాయి.

కాంటాక్ట్‌ల కోసం సాధారణంగా ఉపయోగించే కొన్ని లోహాలు మరియు సమ్మేళనాలు:

– టైటానియం (Ti): సిలిసైడ్‌లను ఏర్పరచడానికి తరచుగా అంటుకునే పదార్థంగా మరియు రియాక్టివ్ పొరగా ఉపయోగించబడుతుంది.
– నికెల్ (Ni) మరియు కోబాల్ట్ (Co): సిలికాన్‌లో కాంటాక్ట్ రెసిస్టెన్స్‌ను తగ్గించడానికి సిలిసిడేషన్ ప్రక్రియలలో (ఉదా. NiSi, CoSi₂) ఇవి సాధారణంగా ఉపయోగించబడతాయి.
– టంగ్‌స్టన్ (W): ఇది స్థిరంగా ఉండి, CVD (కెమికల్ వేపర్ డిపోజిషన్) డిపోజిషన్‌కు అనుకూలంగా ఉంటుంది కాబట్టి, కాంటాక్ట్ రంధ్రాలను (కాంటాక్ట్/వయా ఫిల్) పూరించడానికి "ప్లగ్"గా విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతుంది.
– ప్లాటినం (Pt) లేదా పల్లాడియం (Pd): వీటిని షాట్కీ కాంటాక్ట్‌లను ఏర్పరచడానికి లేదా అధిక రసాయన స్థిరత్వం అవసరమయ్యే కొన్ని అనువర్తనాల కోసం ఉపయోగించవచ్చు.

GaN (గాలియం నైట్రైడ్) లేదా SiC (సిలికాన్ కార్బైడ్) వంటి సిలికాన్ కాకుండా ఇతర సెమీకండక్టర్లతో తయారు చేసిన పరికరాలలో, ఎనర్జీ బ్యాండ్ నిర్మాణంలో తేడాలు, అధిక ఉష్ణోగ్రత అవసరాలు మరియు మరింత తీవ్రమైన ఆపరేటింగ్ వాతావరణాల (ఉదా., పవర్ ఎలక్ట్రానిక్స్) కారణంగా కాంటాక్ట్ మెటల్ ఎంపిక చాలా ముఖ్యమైనదిగా మారుతుంది.

4. అవరోధ పొర, లైనర్ మరియు సంసంజన పొర

ఆధునిక చిప్‌లు చాలా చిన్నవిగా ఉండటం వలన, లోహ పరమాణువులు వ్యాపించి లీక్‌లు, షార్ట్‌లు లేదా ట్రాన్సిస్టర్ పారామితులలో మార్పులకు కారణమవుతాయి. అందువల్ల, పలుచని పొరలను ఉపయోగిస్తారు, ఇవి ఈ క్రింది విధులను నిర్వర్తిస్తాయి:

– వ్యాపన అవరోధం: రాగి లేదా ఇతర లోహాల వ్యాపనాన్ని నిరోధిస్తుంది.
– లైనర్: ఇరుకైన ప్రదేశాలను (ట్రెంచ్/వయా) సమానంగా నింపడానికి సహాయపడుతుంది.
– అంటుకునే పొర: అంటుకునే గుణాన్ని పెంచుతుంది.

సాధారణ పదార్థాలలో Ta/TaN, Ti/TiN, W, మరియు ఇటీవలి పరిశోధనలలో, Ru, Mn-ఆధారిత అవరోధాలు, లేదా వ్యాపన అవరోధాలుగా 2D పదార్థాలపై ఆధారపడిన అతి పలుచని పొరలు ఉన్నాయి. నోడ్స్ అభివృద్ధి చెందుతున్న కొద్దీ, అవరోధాన్ని సమర్థవంతంగా ఉంచుతూనే వీలైనంత పలుచగా తయారు చేయడమే సవాలుగా మారింది, ఎందుకంటే మరీ మందంగా ఉన్న అవరోధం మార్గ స్థలాన్ని "ఆక్రమించుకుని" నిరోధకతను పెంచుతుంది.

5. ట్రాన్సిస్టర్ నిర్మాణంలో లోహం: మెటల్ గేట్ మరియు హై-కె

ఆధునిక MOSFET ట్రాన్సిస్టర్లలో, ముఖ్యంగా హై-k/మెటల్ గేట్‌ల పరిచయం తర్వాత, గేట్ నిర్మాణంలో లోహం మళ్ళీ ప్రధాన పాత్ర పోషిస్తోంది. గతంలో, పాలిసిలికాన్ గేట్‌లను తరచుగా ఉపయోగించేవారు, కానీ అవి క్షీణత ప్రభావం (డిప్లీషన్ ఎఫెక్ట్) మరియు హై-k డైఎలెక్ట్రిక్‌లతో అనుకూలత వంటి సమస్యలను ఎదుర్కొన్నాయి. మెటల్ గేట్‌లతో, ఎలక్ట్రోస్టాటిక్ నియంత్రణ మెరుగుపడుతుంది మరియు లీకేజీని అణచివేయవచ్చు.

ఉపయోగించే పదార్థాలు విభిన్నంగా ఉంటాయి, ఉదాహరణకు టైటానియం నైట్రైడ్ (TiN), టాంటాలమ్ నైట్రైడ్, లేదా సరైన వర్క్ ఫంక్షన్‌ను సాధించడానికి అనుగుణంగా రూపొందించిన లోహాల కలయిక (తద్వారా థ్రెషోల్డ్ వోల్టేజ్ డిజైన్‌కు అనుగుణంగా ఉంటుంది). ఇక్కడ, లోహం కేవలం ఒక వాహకం కాదు; దాని ఉపరితల ఎలక్ట్రానిక్ లక్షణాలు ట్రాన్సిస్టర్ యొక్క ప్రవర్తనను నిర్ణయిస్తాయి.

6. డిపాజిషన్ మరియు ప్యాటర్నింగ్ ప్రక్రియలలో లోహాన్ని ఉపయోగించడం

చిప్ తయారీలో, ఈ క్రింది వాటితో సహా వివిధ పద్ధతుల ద్వారా లోహపు పలుచని పొరలను నిక్షేపించడం జరుగుతుంది:

– PVD (ఫిజికల్ వేపర్ డిపోజిషన్): స్పుటరింగ్ లాగా, Al, Ti, Ta మరియు ఇతర లోహాలకు సాధారణంగా ఉపయోగిస్తారు.
– CVD (కెమికల్ వేపర్ డిపోజిషన్): దీనిని తరచుగా W (టంగ్‌స్టన్) ప్లగ్‌లు మరియు కొన్ని లోహపు పొరల కోసం ఉపయోగిస్తారు.
– ALD (అటామిక్ లేయర్ డిపోజిషన్): 3D నిర్మాణాలపై అతి పలుచని మరియు అనుగుణమైన పొరల కోసం ఇది చాలా ముఖ్యమైనది, ఉదాహరణకు బారియర్‌లు/లైనర్‌లు, మెటల్ గేట్‌లు మరియు కొన్ని కాంటాక్ట్ మెటీరియల్స్.

డిపాజిషన్ తర్వాత, లిథోగ్రఫీ మరియు ఎచింగ్ లేదా డమాసీన్ ప్రక్రియ (ముఖ్యంగా రాగికి) ఉపయోగించి లోహానికి ప్యాటరింగ్ చేయాలి. ఈ ప్రక్రియలో డైఎలెక్ట్రిక్‌లో కందకాలు సృష్టించి, వాటిని లోహంతో నింపి, ఆపై కెమికల్ మెకానికల్ ప్లానరైజేషన్ (CMP) ఉపయోగించి పాలిష్ చేస్తారు. ఈ ప్రక్రియకు, కింద ఉన్న పొరలకు నష్టం కలగకుండా చదునైన ఉపరితలాన్ని సృష్టించడానికి సరైన స్లర్రీ మరియు రసాయన శాస్త్రం అవసరం.

7. ప్యాకేజింగ్‌పై లోహం: సోల్డర్, బంప్ మరియు వైర్ బాండ్

వేఫర్ తయారయ్యాక, చిప్‌ను ముక్కలుగా కత్తిరించి ప్యాకేజీ చేస్తారు. ఈ దశలో కూడా లోహమే ప్రధానంగా ఉంటుంది:

– వైర్ బాండింగ్‌లో బంగారం (Au), అల్యూమినియం (Al), లేదా రాగి (Cu) తీగను ఉపయోగిస్తారు.
– బంపింగ్ మరియు ఫ్లిప్-చిప్ పద్ధతులు అధిక వేగవంతమైన కనెక్షన్‌ల కోసం మరియు అధిక సంఖ్యలో పిన్‌ల కోసం లోహపు స్తంభాలు/బంప్‌లు మరియు సాల్డర్‌ను ఉపయోగిస్తాయి.
– పర్యావరణ కారణాల వల్ల సీసం (Pb) సోల్డర్‌కు బదులుగా, ఆధునిక సోల్డర్‌లు సాధారణంగా తగరం (Sn) ఆధారితంగా ఉండి, మిశ్రమ లోహాలను (ఉదా. Sn-Ag-Cu) ఉపయోగిస్తాయి.

కనెక్షన్ సాంద్రత మరియు ఉష్ణ వెదజల్లుడు అధికమవుతున్నందున, చిప్‌లెట్స్, 2.5D/3D ఇంటిగ్రేషన్, మరియు TSV (త్రూ-సిలికాన్ వయా) వంటి అధునాతన ప్యాకేజింగ్ అధిక విశ్వసనీయత గల లోహ పదార్థాల అవసరాన్ని పెంచుతున్నాయి.

8. కీలక సవాళ్లు: ఎలక్ట్రోమైగ్రేషన్, తుప్పు, మరియు నానోస్కేల్‌లో నిరోధకత

కొలతలు చిన్నవిగా మారేకొద్దీ, లోహ వినియోగం తీవ్రమైన సవాళ్లను ఎదుర్కొంటుంది, వాటిలో ఇవి కూడా ఉన్నాయి:

– ఎలక్ట్రోమైగ్రేషన్: చిన్న క్రాస్-సెక్షన్‌లలో అధిక కరెంట్ల వల్ల లోహ మార్గాలు దెబ్బతినవచ్చు.
– పెరిగిన ప్రభావవంతమైన నిరోధకత: నానోస్కేల్‌లో, ఎలక్ట్రాన్లు గ్రెయిన్ సరిహద్దులు మరియు ఉపరితలాలతో మరింత తరచుగా ఢీకొంటాయి, దీనివల్ల నిరోధకత పెరుగుతుంది.
– తుప్పు మరియు రసాయన అనుకూలత: ముఖ్యంగా అనేక రసాయనాలు మరియు అధిక ఉష్ణోగ్రతలు ఉండే ఉత్పత్తి దశలలో.
– అవరోధ పరిమితులు: అవరోధాలు పలుచగా ఉండాలి మరియు వ్యాప్తిని కూడా నిరోధించాలి, ఇది సాంకేతికంగా కష్టమైన విషయం.

అందువల్ల, సెమీకండక్టర్ల కోసం లోహ పదార్థాలపై పరిశోధన నిరంతరం అభివృద్ధి చెందుతూనే ఉంది, ఇందులో Co, Ru, Mo ల అన్వేషణతో పాటు ప్రత్యామ్నాయ పదార్థ-ఆధారిత ఇంటర్‌కనెక్ట్‌లు మరియు అటామిక్ డిపోజిషన్ టెక్నిక్‌ల వంటి కొత్త విధానాలు కూడా ఉన్నాయి.

9. లోహ వినియోగం యొక్క భవిష్యత్ దిశలు

సెమీకండక్టర్ పరిశ్రమలోని భవిష్యత్ పోకడలు, పరమాణు స్థాయిలో మరింత "రూపకల్పన చేయబడిన" లోహాల వాడకాన్ని ప్రోత్సహిస్తున్నాయి. అధునాతన నోడ్‌లు మరియు 3D ఆర్కిటెక్చర్‌లకు (ఫిన్‌ఫెట్, GAA నానోషీట్, మొదలైనవి) స్పష్టమైన ఇంటర్‌ఫేస్‌లతో కూడిన అత్యంత ఏకరీతి, అతి పలుచని లోహ పొరలు అవసరం. అంతేకాకుండా, శక్తి సామర్థ్యం మరియు వేగం యొక్క అవసరం కూడా ఇంటర్‌కనెక్ట్‌లు మరియు కాంటాక్ట్‌ల కోసం లోహాల ఎంపికను ఒక కీలక అంశంగా మారుస్తుంది.

ప్యాకేజింగ్ రంగంలో, అధిక బ్యాండ్‌విడ్త్ అవసరాలు మరియు హెటెరోజీనియస్ ఇంటిగ్రేషన్ అనేవి సోల్డర్, బంప్ మరియు మెటల్ ఇంటర్‌పోజర్‌లలో ఆవిష్కరణలను ప్రోత్సహిస్తున్నాయి. లోహం కేవలం ఒక సహాయక భాగం మాత్రమే కాదు, సిస్టమ్ రూపకల్పన, పనితీరు మరియు విశ్వసనీయతలో ఒక ప్రాథమిక భాగం.

ముగింపు

సెమీకండక్టర్ పరికరాల తయారీలో లోహాలు కీలక పాత్ర పోషిస్తాయి: ఇంటర్‌కనెక్ట్‌లు, కాంటాక్ట్‌లు, బారియర్‌లు, మెటల్ గేట్‌లు మరియు ప్యాకేజింగ్‌కు వెన్నెముకగా ఇవి పనిచేస్తాయి. లోహాల ఎంపిక కేవలం వాహకత్వంపైనే కాకుండా, వ్యాపనం, అంటుకునే గుణం, ఉష్ణ స్థిరత్వం, ప్రక్రియ అనుకూలత మరియు దీర్ఘకాలిక విశ్వసనీయతపై కూడా ఆధారపడి ఉంటుంది. సూక్ష్మీకరణ మరియు సంక్లిష్టత పెరిగేకొద్దీ, ఎలక్ట్రోమైగ్రేషన్ మరియు నానోస్కేల్ రెసిస్టెన్స్ వంటి సవాళ్లు పరిశ్రమను కొత్త పదార్థాలు మరియు ప్రక్రియలను అభివృద్ధి చేసేలా ఒత్తిడి చేస్తున్నాయి. అందువల్ల, సెమీకండక్టర్లలో లోహాల వినియోగాన్ని అర్థం చేసుకోవడం అనేది మెటీరియల్స్ మరియు ప్రాసెస్ ఇంజనీర్లకు మాత్రమే కాకుండా, ఆధునిక చిప్ టెక్నాలజీ భవిష్యత్తులో ఎలా అభివృద్ధి చెందుతుందో తెలుసుకోవాలనుకునే ప్రతి ఒక్కరికీ చాలా కీలకం.