Lilo Awọn Irin ninu Iṣelọpọ Ẹrọ Semiconductor
Àwọn ẹ̀rọ Semiconductor—bíi transistors, diodes, sensors, integrated circuits (ICs), àti processors—ni o jẹ́ ipìlẹ̀ ìmọ̀-ẹ̀rọ òde-òní. Lẹ́yìn iṣẹ́ gíga wọn àti àwọn ìwọ̀n wọn tí ó kéré síi ni ilana ìṣelọ́pọ́ dídíjú, tí ó péye, àti tí ó gbára lé ohun èlò. Ẹgbẹ́ kan ti àwọn ohun èlò tí ipa wọn kò ṣeé yípadà ni irin. A kìí ṣe pé a ń lo irin gẹ́gẹ́ bí "wáyà" oníná mànàmáná nìkan ṣùgbọ́n a tún ń lò ó gẹ́gẹ́ bí àwọn ìsopọ̀mọ́ra iná mànàmáná, àwọn ìdènà ìtànkálẹ̀, àwọn èròjà tí ó sopọ̀ láàrín àwọn èròjà, àti àwọn ohun èlò iṣẹ́ nínú lithography àti àwọn ilana ìdìpọ̀. Àpilẹ̀kọ yìí jíròrò bí a ṣe ń lo irin nínú ṣíṣe ẹ̀rọ semiconductor, irú àwọn irin tí a sábà máa ń lò, àti àwọn ìpèníjà àti ìtọ́sọ́nà ìdàgbàsókè wọn.
1. Ipa ti awọn irin ninu awọn ẹrọ semikondokito
Ni gbogbogbo, awọn irin ninu awọn ẹrọ semikondokito ni awọn iṣẹ akọkọ pupọ:
1. Ìsopọ̀pọ̀ (wáyà): Sísopọ̀ àwọn transistors àti àwọn èròjà míràn nínú ìṣẹ́pọ̀ náà nípasẹ̀ àwọn ipa ọ̀nà irin tí ó nípọn púpọ̀ àti ọ̀pọ̀lọpọ̀ (ìsopọ̀pọ̀ onípele púpọ̀).
2. Àwọn olùbáṣepọ̀ Ohmic àti àwọn olùbáṣepọ̀ Schottky: Ṣe àgbékalẹ̀ ìbáṣepọ̀ iná mànàmáná láàárín irin àti semiconductor kan. Àwọn olùbáṣepọ̀ Ohmic jẹ́ kí iná máa ṣàn ní ìhà méjèèjì pẹ̀lú ìdènà díẹ̀, nígbà tí àwọn olùbáṣepọ̀ Schottky ń ṣe diode pẹ̀lú àwọn ànímọ́ àtúnṣe.
3. Ìpele ìdènà àti ìpele ìsopọ̀mọ́ra: Ó ń dènà ìtànkálẹ̀ àwọn átọ̀mù irin sínú ohun èlò semiconductor tàbí dielectric, ó sì ń ran irin náà lọ́wọ́ láti dì mọ́ ìpele ìsàlẹ̀ dáadáa.
4. Elekitirodu ẹnu-ọ̀nà lórí transistor kan: Nínú àwọn ìmọ̀-ẹ̀rọ kan, a máa ń lo irin láti ṣe elekitirodu ẹnu-ọ̀nà lórí MOSFET fún ìṣàkóso ikanni tó dára jù àti ìdènà tó dínkù.
5. Àwọn ohun èlò tí a fi ń ṣe iṣẹ́ ìṣẹ̀dá: A ń lo àwọn irin àti àwọn ohun èlò irin gẹ́gẹ́ bí ìbòjú líle, àwọn fẹ́lẹ́fẹ́lẹ́ tí ń tànmọ́lẹ̀, tàbí àwọn èròjà kẹ́míkà fún ìtúsílẹ̀ àti ìfọ́.
6. Àpò ìdìpọ̀ àti ìsopọ̀: A lo solder, waya bonding, bumping, àti onírúurú irin alloy láti so chip náà mọ́ Circuit board àti láti dáàbò bo ẹ̀rọ náà kúrò lọ́wọ́ àyíká.
Ni awọn ọrọ miiran, iṣẹ awọn eerun ode oni kii ṣe nipasẹ silikoni tabi awọn ohun elo semiconductor miiran nikan, ṣugbọn nipasẹ bi a ṣe yan awọn irin ati ṣe idapo wọn.
2. Àwọn irin fún ìsopọ̀mọ́ra: láti aluminiomu sí bàbà àti kobalt
Ní àwọn ìran àkọ́kọ́ ti ICs, aluminiomu (Al) ni àṣàyàn àkọ́kọ́ fún àwọn ìsopọ̀pọ̀ nítorí pé ó rọrùn láti fi pamọ́, ó wọ́n díẹ̀, ó sì bá àwọn ìlànà ìṣelọ́pọ̀ ìgbà náà mu. Síbẹ̀síbẹ̀, bí ìwọ̀n transistor ṣe ń pọ̀ sí i àti bí àwọn ohun tí a nílò lọ́wọ́lọ́wọ́ ṣe ń pọ̀ sí i, àwọn ìṣòro bíi ìṣíkiri iná mànàmáná—ìṣíkiri àwọn átọ̀mù irin nítorí ìṣàn elekitironi gíga—fa ìfọ́ ipa ọ̀nà àti ìdínkù ìgbẹ́kẹ̀lé.
Lẹ́yìn náà, ilé iṣẹ́ náà yí padà sí bàbà (Cu) nítorí pé ó ní agbára ìdènà tó kéré sí ti aluminiomu, èyí tó dín agbára tí ó ń dínkù, tó sì ń mú kí iyàrá àmì pọ̀ sí i. Síbẹ̀síbẹ̀, bàbà gbé ìpèníjà kan kalẹ̀: Cu máa ń tàn káàkiri sínú dielectrics (fún àpẹẹrẹ, SiO₂ tàbí dielectrics low-k) ó sì lè ba àwọn ohun ìní iná mànàmáná jẹ́. Nítorí náà, a sábà máa ń lo Cu pẹ̀lú ìpele ìdènà bíi tantalum (Ta) tàbí tantalum nitride (TaN).
Nínú àwọn ìmọ̀ ẹ̀rọ kékeré tí ó túbọ̀ ń kéré sí i (àwọn nodes tó ti ní ìlọsíwájú), ìsopọ̀pọ̀ ìsopọ̀ máa ń dínkù, ó máa ń mú kí resistance pọ̀ sí i, àti àwọn ipa ààlà (ìfọ́ ojú ilẹ̀) máa ń di olórí. Fún àwọn fẹlẹfẹlẹ kan, lílo cobalt (Co) tàbí ruthenium (Ru) gẹ́gẹ́ bí àfikún/àfikún sí Cu ti bẹ̀rẹ̀ sí í yọjú nítorí pé ó lè pèsè iṣẹ́ tí ó dúró ṣinṣin ní àwọn ìwọ̀n kékeré gan-an, ó sì ń dín àìní fún àwọn ìdènà tí ó nípọn kù.
3. Àwọn olùbáṣepọ̀ irin-semiconductor: ohmic àti Schottky
Ìbáṣepọ̀ láàárín irin àti semiconductor jẹ́ ọ̀kan lára àwọn apá pàtàkì jùlọ. Tí ìbáṣepọ̀ náà bá le koko jù, transistor náà yóò gbóná ju bó ṣe yẹ lọ kíákíá, yóò sì pàdánù iṣẹ́ rẹ̀. Nínú àwọn ẹ̀rọ CMOS òde òní, àwọn ìsopọ̀ orísun/ìṣàn omi àti àwọn púlọ́ọ̀gì ìsopọ̀ ni a ṣe láti ní ìdènà tó kéré jùlọ.
Àwọn irin àti àdàpọ̀ kan tí a sábà máa ń lò fún ìfọwọ́sowọ́pọ̀ ni:
– Titanium (Ti): a maa n lo o gege bi ohun elo ti a fi n lẹ ati ti a fi n ṣe atunṣe lati ṣe awọn silikasi.
– Nickel (Ni) àti cobalt (Co): wọ́n wọ́pọ̀ nínú àwọn ìlànà sílísídì (fún àpẹẹrẹ NiSi, CoSi₂) láti dín ìdènà ìfọwọ́sowọ́pọ̀ nínú silísíọ̀nù kù.
– Tungsten (W): a maa n lo o gege bi “plug” lati kun awon ihò olubasọrọ (olubasọrọ/nipasẹ kikun) nitori pe o duro ṣinṣin o si dara fun itusilẹ CVD (imuduro eefin kemikali).
– Platinum (Pt) tàbí palladium (Pd): a le lo lati ṣe awọn olubasọrọ Schottky tabi fun awọn ohun elo kan ti o nilo iduroṣinṣin kemikali giga.
Nínú àwọn ẹ̀rọ tí a fi àwọn semiconductors mìíràn ṣe yàtọ̀ sí silicon—bíi GaN (gallium nitride) tàbí SiC (silicon carbide)—yíyàn irin tí ó lè fara kan ara rẹ̀ di ohun pàtàkì nítorí ìyàtọ̀ nínú ìṣètò agbára, àwọn ohun tí a nílò ní ìwọ̀n otútù gíga, àti àwọn àyíká iṣẹ́ tí ó le koko jù (fún àpẹẹrẹ, ẹ̀rọ itanna agbára).
4. Ìpele ìdènà, ìpele ìdènà, àti ìpele ìdènà
Nítorí pé àwọn ìṣùpọ̀ òde òní kéré gan-an, àwọn átọ̀mù irin lè tàn kálẹ̀ kí wọ́n sì fa ìjó, kúrú, tàbí àyípadà nínú àwọn pàrámítà transistor. Nítorí náà, a lo àwọn ìpele tín-tín, èyí tí ó ń ṣiṣẹ́ fún àwọn iṣẹ́ wọ̀nyí:
– Ìdènà ìfọ́sí: ó ń dènà ìtànkálẹ̀ Cu tàbí àwọn irin mìíràn.
– Ìlà: ń ran àwọn ohun èlò tó rọ̀ (ìlà/nípasẹ̀) lọ́wọ́ láti kún déédé.
– Fọ́tò ìfàmọ́ra: ó ń mú kí ìfàmọ́ra pọ̀ sí i.
Àwọn ohun èlò tí a sábà máa ń lò ni Ta/TaN, Ti/TiN, W, àti nínú ìwádìí tuntun, àwọn ìdènà tí a fi Mn ṣe, tàbí àwọn fẹ́lẹ́fẹ́lẹ́ tín-tín tí a gbé ka orí àwọn ohun èlò 2D gẹ́gẹ́ bí àwọn ìdènà ìtànkálẹ̀. Bí àwọn nódù ṣe ń tẹ̀síwájú, ìpèníjà náà ni láti jẹ́ kí ìdènà náà tinrin tó bó ṣe yẹ kí ó tó nígbà tí ó bá ṣì ń ṣiṣẹ́, gẹ́gẹ́ bí ìdènà tí ó nípọn jù tí ó ń “jẹ” àyè ipa ọ̀nà tí ó sì ń mú kí ìdènà pọ̀ sí i.
5. Ìṣètò irin nínú transistor: ẹnu ọ̀nà irin àti gíga-k
Nínú àwọn transistor MOSFET òde òní, pàápàá láti ìgbà tí wọ́n ti ṣe àwọn ẹnubodè gíga-k/irin, irin ti tún kó ipa pàtàkì nínú ìṣètò ẹnubodè. Tẹ́lẹ̀tẹ́lẹ̀, àwọn ẹnubodè polysilicon ni wọ́n sábà máa ń lò, ṣùgbọ́n wọ́n dojúkọ àwọn ìṣòro bíi ipa ìdínkù àti ìbáramu pẹ̀lú àwọn dielectrics gíga-k. Pẹ̀lú àwọn ẹnubodè irin, a máa ń mú ìṣàkóso electrostatic sunwọ̀n sí i, a sì lè dín ìjákulẹ̀ kù.
Àwọn ohun èlò tí a lò yàtọ̀ síra, bíi titanium nitride (TiN), tantalum nitride, tàbí àpapọ̀ àwọn irin tí a ṣe láti ṣe iṣẹ́ tí ó tọ́ (kí fóltéèjì ààlà lè bá àwòrán náà mu). Níbí, irin náà kì í ṣe atọ́nà lásán; àwọn ànímọ́ ẹ̀rọ itanna ojú ilẹ̀ rẹ̀ ló ń pinnu ìwà transistor náà.
6. Lilo irin ninu ilana ifipamọ ati ilana apẹrẹ
Ṣíṣe ẹ̀rọ ìṣẹ́dá ṣẹ́ẹ̀pù náà ní í ṣe pẹ̀lú fífi àwọn fẹ́lẹ́fẹ́lẹ́ irin tín-ín-rín sílẹ̀ nípasẹ̀ onírúurú ọ̀nà, pẹ̀lú:
– PVD (Ìdínà Afẹ́fẹ́ Ara): bíi ìfọ́nká, tí ó wọ́pọ̀ fún Al, Ti, Ta, àti àwọn mìíràn.
– CVD (Kẹmika Vapor Deposition): a maa n lo fun awọn plug W (tungsten) ati awọn fẹlẹfẹlẹ irin kan.
– ALD (Àkójọpọ̀ Atomic Layer Deposition): ó ṣe pàtàkì gan-an fún àwọn fẹ́lẹ́fẹ́lẹ́ tó tinrin gan-an àti àwọn ìrísí tó báramu lórí àwọn ètò 3D, fún àpẹẹrẹ àwọn ìdènà/ìlà, àwọn ẹnu ọ̀nà irin, àti àwọn ohun èlò ìfọwọ́kàn kan.
Lẹ́yìn tí a bá ti gbé e kalẹ̀, a gbọ́dọ̀ fi ìwé lithography àti etching tàbí ìlànà damascene (pàtápátá fún Cu) ṣe àwòrán irin náà, èyí tí ó ní í ṣe pẹ̀lú ṣíṣẹ̀dá àwọn ihò nínú dielectric, fífi irin kún wọn, lẹ́yìn náà kí a fi irin pò wọ́n pẹ̀lú lílo Chemical Mechanical Planarization (CMP). Ìlànà yìí nílò slurry àti kemistri tó tọ́ láti ṣẹ̀dá ojú ilẹ̀ títẹ́ láì ba àwọn ìpele ìsàlẹ̀ jẹ́.
7. Irin lórí àpò: solder, bump, àti waya bond
Nígbà tí a bá ti parí ìṣẹ́ wafer náà, a ó gé ìṣẹ́ náà (gẹ́gẹ́) a ó sì kó o sínú àpótí. Ní ìpele yìí, irin náà ló gbajúmọ̀ jùlọ:
– Ìsopọ̀ wáyà náà ń lo wáyà wúrà (Au), wáyà aluminiomu (Al), tàbí wáyà bàbà (Cu).
– Lilo awọn ọwọn irin/awọn ohun elo ati solder fun awọn asopọ iyara giga ati awọn nọmba pin nla.
– Àwọn solder òde òní sábà máa ń jẹ́ tin (Sn) tí a fi àwọn alloy (fún àpẹẹrẹ Sn-Ag-Cu) ṣe láti rọ́pò solder lead (Pb) fún àwọn ìdí àyíká.
Àwọn àpò ìdìpọ̀ tó ti pẹ́ títí bíi chiplets, ìṣọ̀kan 2.5D/3D, àti TSV (nípasẹ̀-silicon via) ń mú kí àìní fún àwọn ohun èlò irin tó ṣeé gbẹ́kẹ̀lé pọ̀ sí i, bí ìwúwo ìsopọ̀ àti ìtújáde ooru ṣe ń pọ̀ sí i.
8. Àwọn ìpèníjà pàtàkì: ìṣíkiri iná mànàmáná, ìbàjẹ́, àti ìdènà ní nanoscale
Bí ìwọ̀n náà ṣe ń dínkù sí i, lílo irin ń dojúkọ àwọn ìpèníjà tó le koko, títí bí:
– Ìṣíkiri iná mànàmáná: Àwọn ipa ọ̀nà irin lè bàjẹ́ nípasẹ̀ ìṣàn omi gíga ní àwọn ìpín kékeré.
– Alekun resistance to munadoko: ni nanoscale, awọn elekitironi maa n koju awọn aala ọkà ati awọn dada, ti o si n mu resistance naa pọ si.
– Ibamu ibajẹ ati kemikali: paapaa ni awọn ipele iṣelọpọ ti o ni ọpọlọpọ awọn kemikali ati awọn iwọn otutu giga.
– Àwọn ìdíwọ́ ìdènà: àwọn ìdíwọ́ gbọ́dọ̀ jẹ́ tinrin kí wọ́n sì tún lè dènà ìtànkálẹ̀, èyí tí ó ṣòro ní ti ìmọ̀ ẹ̀rọ.
Nítorí náà, ìwádìí lórí àwọn ohun èlò irin fún àwọn semiconductors ń tẹ̀síwájú láti gbèrú, títí kan ìwádìí Co, Ru, Mo, àti àwọn ọ̀nà tuntun bíi àwọn ìsopọ̀ míràn tí ó dá lórí ohun èlò àti àwọn ọ̀nà ìfipamọ́ átọ́míìkì.
9. Àwọn ìtọ́ni ọjọ́ iwájú fún lílo irin
Àwọn ìtẹ̀síwájú ọjọ́ iwájú nínú ilé iṣẹ́ semiconductor ń mú kí lílo àwọn irin tí a ti “ṣe àgbékalẹ̀” sí i ní ìpele atomiki pọ̀ sí i. Àwọn nódù tó ti ní ìlọsíwájú àti àwọn ayàwòrán 3D (FinFET, GAA nanosheet, àti bẹ́ẹ̀ bẹ́ẹ̀ lọ) nílò àwọn fẹ́lẹ́fẹ́lẹ́ irin tí ó dọ́gba, tí ó sì ní àwọn ìsopọ̀ mímọ́. Jù bẹ́ẹ̀ lọ, àìní fún agbára àti iyára tún mú kí yíyàn àwọn irin fún àwọn ìsopọ̀ àti àwọn ìsopọ̀ jẹ́ kókó pàtàkì.
Ní apá ìdìpọ̀, àwọn ohun tí a nílò láti fi bandwidth gíga sí àti ìṣọ̀kan onírúurú ló ń mú kí àwọn ohun èlò ìfọwọ́sowọ́pọ̀ wà nínú àwọn ohun èlò ìfọwọ́sowọ́pọ̀ bíi solder, bump, àti metal. Metal kì í ṣe ohun èlò ìrànwọ́ nìkan, ṣùgbọ́n ó jẹ́ apá pàtàkì nínú ìṣètò ètò, iṣẹ́, àti ìgbẹ́kẹ̀lé.
Ipari
Àwọn irin ń kó ipa pàtàkì nínú ṣíṣe àwọn ẹ̀rọ semikondokito: gẹ́gẹ́ bí ìsopọ̀, àwọn ìfọwọ́sowọ́pọ̀, àwọn ìdènà, àwọn ẹnu ọ̀nà irin, àti ẹ̀yìn ìdìpọ̀. A kò ṣe ìpinnu yíyan irin nìkan nípa agbára ìdarí, ṣùgbọ́n nípa ìtànkálẹ̀, ìdìpọ̀, ìdúróṣinṣin ooru, ìbáramu ilana, àti ìgbẹ́kẹ̀lé ìgbà pípẹ́. Bí ìdàgbàsókè àti ìṣòro ṣe ń pọ̀ sí i, àwọn ìpèníjà bíi ìṣíkiri elekitironiki àti ìdènà nanoscale ń fipá mú ilé iṣẹ́ náà láti ṣe àwọn ohun èlò àti ìlànà tuntun. Nítorí náà, òye lílo àwọn irin nínú semikondokito ṣe pàtàkì kìí ṣe fún àwọn ohun èlò àti àwọn onímọ̀ ẹ̀rọ iṣẹ́ nìkan, ṣùgbọ́n fún ẹnikẹ́ni tí ó ń wá láti lóye bí ìmọ̀ ẹ̀rọ chip òde òní yóò ṣe máa tẹ̀síwájú láti yípadà.
