3. .2.1 Ăn mòn Plasma
3.10.3. Hiệu ứng mất trất tự và ủ nhiệt
3.10.3.1. Mất trật tự
Khi các ion năng lượng cao đi vào đế bán dẫn, chúng mất dần năng lượng do một loạt va chạm hạt nhân và điện tử để rồi cuối cùng dừng lại . Tổn hao năng lượng do va chạm điện tử c thể tính được thông qua các kích thích điện tử l n các mức năng lượng cao hơn hoặc thông qua việc phát sinh cặp điện tử và lỗ trống. Tuy nhi n các va chạm điện tử không làm các nguy n tử chất bán dẫn chuyển d ch khỏi v trí nút mạng của chúng. Chỉ c các va chạm hạt nhân c thể truyền đủ năng lượng cho mạng để các nguy n tử gốc d ch chuyển khỏi v trí, dẫn đến mất trật tự mạng tinh thể còn gọi là sai hỏng). Các nguy n tử d ch chuyển này c thể c năng lượng lớn (chiếm phần lớn năng lượng tới) và chúng lại c thể gây ra một loạt d ch chuyển thứ cấp của các nguy n tử lân cân để hình thành một cây mất trật tự dọc theo đư ng đi của ion.
3.10.3.2. Ủ nhiệt
Vì quá trình cấy ion gây ra vùng sai hỏng và mất trật tự n n n làm giảm các thông số bán dẫn như độ linh động và th i gian sống . Ngoài ra phần lớn ion mới được cấy vào không nằm ở v trí thay thế. Để kích hoạt các
Giáo án kỹ thuật vi điện tử Bộ môn công nghệ điện tử
đòi hỏi nhiệt độ ủ nhiệt càng cao.
Mục đích:
+ Tái kết tinh vùng nhiều sai hỏng, phục hồi lại cấu trúc tinh thể ban đầu. + Khiến cho các ion tạp tiếp tục khuyếch tán và thế chỗ vào các nút khuyết của mạng tinh thể bán dẫn. Tăng chiều dày lớp khuếch tán.
3.11. Các phương pháp tạo màng mỏng 3.11.1. Mục đích và yêu cầu 3.11.1. Mục đích và yêu cầu
Màng mỏng kim loại phủ tr n bề mặt phiến bán dẫn nhằm mục đích nối các vùng khuếch tán p và n với nhau. Màng kim loại được cách điện với để silic bằng lớp o ide, trừ các v trí tiếp úc trực tiếp với silic . Ngoài mục đích làm các đư ng dẫn nối hợp mạng, màng kim loại cũng được dùng làm vùng đệm để hàn dây từ chip ra vỏ. Với các mạch rất phức tạp, c thể phải cần đến hai hoặc nhiều hơn lớp dẫn điện kim loại, và trong trư ng hợp đ cần th m lớp điện môi để cách điện giữa các lớp cách điện.
Khi sữ dụng làm dẫn nối hợp mạng, màng kim loại phải đáp ứng các y u cầu sau đây:
- Màng phải dẫn điện rất tốt
- Màng phải tạo tiếp úc thuần trở tốt với cả loại N và loại P. - Màng phải bám dính tốt với cả silic và lớp o ide silic. - C thể tạo hình màng bằng phương pháp quang khắc . - C thể hàn dây vào màng để nối với chân ngoài của IC. - Dễ tạo màng và màng phải phủ tốt các bậc thang o ide
- Màng phải ổn đ nh và không phản ứng với vật liệu vỏ và dây hàn. - Màng phải ch u được mật độ dòng cao và không c hiệu ứng di
chuyển điện.
Không một kim loại nào thỏa mãn được tất cả những đòi hỏi tr n , chỉ c nhôm (Al) là đáp ứng được nhiều nhất. Vàng (Au) c độ dẫn cao và ch u ăn mòn nhưng lại dính bám không tốt vào SiO2
Trước đây các màng mỏng kim loại dùng trong công nghệ bán dẫn đều được chế tạo bằng bay hơi chân không. Tuy nhi n phương pháp bay hơi đã được thay thế bằng phương pháp phún ạ trong phần lớn công nghệ silic do hai nguy n nhân . Nguy n nhân đầu ti n là khả năng phủ kín các bậc thang, trong khi kích thước ngang của transistor giảm dần, chiều day của nhiều lớp vật liệu gần như không thay đổi. Kết quả là bề mặt cần phủ kim loại trở n n mấp mô hơn. Khả năng các màng him loại nhận bằng bay hơi phủ l n cấu trúc như vậy rất kém nhiều khi không bám l n được các vách thẳng đứng . Ngoài ra, với phương pháp bay hơi cũng kh c thể chế tạo màng mỏng hợp
Giáo án kỹ thuật vi điện tử Bộ môn công nghệ điện tử
kim c những tính năng cho trước, mà những màng mỏng này ngày càng được sữ dụng nhiều trong công nghệ silic.
3.11.2. Bay hơi trong chân không
Hình 3.35: Sơ đồ hệ bay hơi sử dụng bơm khuếch tán
Thiết b bay hơi đơn giản được trình bày tr n hình. Các phiến silic được đưa vào trong buồn chân không cao nhận bằng bơm khuếch tán hoặc bơm nhiệt độ thấp. Các hễ bơm khuếch tán thư ng c bẫy lạnh để tránh hơi dầu của bơm bay vào buồng . Vật liệu cần kết tủa được tải vào chén nung . Chén nung c thể được đốt n ng bằng lò điện trở . Vật liệu được nung n ng đ n khi bay hơi . Vì áp suất trong buồng chân không thư ng cỡ 5
10 mmHg, các nguy n tử vật li u bay thẳng l n đế và tích tụ thành màng tr n bề mặt đế. Các hệ chân không c thể được trang b chén nung và cùng lúc c thể kết tủa màng cho 2 phiến. Hơn nữa, nếu cần tạo màng hợp kim, c thể sữ dụng nhiều chén nung cùng một lúc. Để khởi động và kết thúc quá trình bay hơi một cách tức th i, ngư i ta sử dụng lá chăn cơ học bố trí ở ngay tr n chén nung.
3.11.3. Thăng hoa và bay hơi
Khi nhiệt độ tăng vật liệu bình thư ng trải qua trạng thái ( pha) rắn , lỏng và khí. Ở mỗi nhiệt độ tồn tại áp suất hơi bão hòa ( cân bằng) ở tr n mặt
Giáo án kỹ thuật vi điện tử Bộ môn công nghệ điện tử
phụ thuộc áp suất hơi cân bằng vào nhiệt độ của các nguy n tố khác nhau được thể hiện như hình vẽ, chỉ ra sự phụ thuộc áp suất hơi cân bằng vào nhiệt độ của các nguy n tố khác nhau .
Khi vật liệu n ng chảy, áp suất hơi cho bởi 12 3/2 1/2 3x10 exp( v) e H P T NkT
Trong đ là sức căng mặt ngoài của kim loại , N là số Avogadrovà
v H
là enthalpy bay hơi.
Để nhận được tốc độ kết tủa hợp lí. Áp suất hơi của mẫu phải c giá tr ít nhất 10mTorr. Từ hình vẽ ta thấy rằng một số vật liệu phải được nung n ng đến nhiệt độ cao hơn nhiều các vật liệu khác để c cùng áp suất hơi. Các vật liệu kh n ng chảy như Ta, W, Mo, và Ti c nhiệt độ rất cao và do đ áp suất hơi ở nhiệt độ trung bình.
3.11.4. Các kỹ thuật đốt chén nung
C ba loại hệ đốt chén nung: hệ điện trở, hệ cảm ứng và hệ chum điện tử. Hệ đốt n ng bằng điện trở là hệ đơn giản nhất.
Với buồng chân không cao, c thể thiết kế một hệ bay hơi đơn giản gồm sợi đốt nhỏ và một biến thế. Vật liệu bay hơi c thể dưới dạng thanh hoặc dây ngắn đặt tr n sợi đốt
Hình 3.36:Nguồn bay hơi bằng điện trở, bằng sợi đốt và thuyền
Do sợi đốt hoặc thuyền phải ch u nhiệt độ cao n n c một vấn đề đối với phương pháp điện trở là hiện tượng bay hơi và nhả khí của bản thân sợi đốt hoặc thuyền nung. Nếu vật liệu cần bay hơi là nhôm, để c áp suất hơi thích hợp chỉ cần công suất đốt vừa phải. Trư ng hợp cần bay hơi vật liệu kh n ng chảy nhiều khi không thể c vật liệu làm sợi đốt.
Giáo án kỹ thuật vi điện tử Bộ môn công nghệ điện tử
Một trong những phương pháp để đạt nhiệt độ nguồn cao hơn là sử dụng chén nung bằng cảm ứng. Như được trình bày tr n vật liệu cần bay hơi được cho vào chén nung thư ng làm bằng Nitrit Bo (BN) . Sợi dây kim loại được quấn ung quanh chén và nguồn cao tần (RF) đi qua cuộn cảm tạo ra dòng Phu-cô và đốt n ng vât liệu cần bay hơi. Để tránh hiện tượng bay hơi cuộn cảm, c thể làm nguội bằng nước để giữ nhiệt độ của n dưới 100°C.
Hình 3.37.: Chén nung bằng cảm ứng
Tuy kỹ thuật đốt n ng bằng cảm ứng, cho phép tăng nhiệt độ chén nung l n đủ cao để c thể bay hơi các vật liệu kh n ng chảy, việc nhiệm b n vật liệu bay hơi từ chính vật liệu làm chén nung v n là vấn đề nan giải . Vấn đề này c thể khắc phục bang cách chỉ nung vật liệu bay hơi, còn làm nguội chén. Để thực hiện việc này ngư i ta sữ dụng kỹ thuật bay hơi bằng chum tia điện tử với nguồn bay hơi thông dụng được mô tả tr n hình
Giáo án kỹ thuật vi điện tử Bộ môn công nghệ điện tử
Một sung điện tử ở phía dưới chén nung phát ra chum điện tử cư ng độ cao và năng lượng cao. Việc bố trí sợi đốt ở phía dưới làm giảm thiểu kết tủa vật liệu sợi đốt l n bề mặt phiến. Từ trư ng mạnh lái chum tia điện tử lệch 2 0° để chiếu l n bề mặt vật liệu bay hơi. Do c khả năng kết tủa nhiều loại vật liệu khác nhau, các hệ bay hơi bằng chum tia điện tử cũng được sử dụng nhiều trong GaAs
3.11.5. Phún ạ
Phún ạ là phương pháp c thể thay thế phương pháp bay hơi chân không để tạo màng kim loại trong công nghệ vi điện tử. Ưu điểm của phương pháp phún ạ là phủ bậc thang tốt hơn so với phương pháp bay hơi nhiệt, gây ít sai hỏng hơn nhiều so với bay hơi bằng chùm tia điện tử và tạo màng hợp chất và hợp kim tốt hơn nhiều. Do những uu điểm tr n mà phương pháp phún ạ được sữ dụng rỗng rãi nhất trong công nghệ silic.
Hệ phú ạ đơn giản nhất mi u tả tr n hình H.8.3 hệ bao gồm buồng chân không chứa lò phản ứng plasma bản cực song song, được thết kế sao cho các ion năng lượng cao bắn phá bia làm từ vật liệu cần kết tủa. Thư ng ban đầu ngư i ta hút chân không trong buồng uống cỡ 10 torr, sau đ ả khí trơ (Ar) vào buồng đến áp suất cỡ 1 2
10 10 torr. Ar b ion h a dưới tác dụng của điện trương cao, với điện áp một chiều V= 5KV hoặc nguồn cao tần V~1.5 KV, tần số 13,65 MH . Các ion Ar bắn phá bìa, làm cho vật liệu bay hơi kết tủa tr n bề mặt phiến .
Hình 3.39: Sơ đồ hệ phún xạ đơn giản
Do bản chất của quá trình phún ạ , phương pháp c thể dùng để kết tủa nhiều loại kim loại vật liệu khác nhau . Trong trư ng hợp các kim loại đơn nguy n ngư i ta sử dụng phún ạ nguồn một chiều vì tốc độ phún ạ lớn .
Giáo án kỹ thuật vi điện tử Bộ môn công nghệ điện tử
Khi kết tủa các vật liệu cách điện như SiO2 cần sử dụng plasma cao tần. Phương pháp phún ạ được dùng rộng rãi để chế tạo màng mỏng không chỉ của kim loại đơn nguy n mà còn c nhiều loại vật liệu khác nhau.
3.11.5.1. Vật lý quá tr nh phún ạ
Như ta đã biết, c thể tạo Plasma bằng các đặt điện áp lớn tr n khoảng hẹp chứa khí dưới áp suất thấp. Một khí plasma hình thành các ion trong plasma được gia tốc đến cathode, chúng giả ph ng điện tử thứ cấp và các điện tử này nhanh ch ng r i khỏi cathode . Chúng c thể va chạm với các phần tử trung tính trong quảng đư ng từ Cathode đến Anode . Nếu năng lượng truyền nhỏ hơn năng lượng ion h a các phần tử khí, nguy n tử c thể b kích thích l n mức năng lượng cao. Nếu năng lượng truyền lớn hơn năng lượng ion h a các nguy n tử b ion h a và gia tốc về phía Cathode . Việc bắn phá Cathode bởi luồng ion này gây ra quá trình phún ạ
Nguy n tử Ion hóa I(eV) Ion hóa II (eV)
Heli (He) 24,586 54,416
Nitơ (N) 14,534 29,602
Oxy (O) 13,618 35,116
Argon(Ar) 15,759 27,629
Bảng 3.2: Năng lượng ion hóa lần thứ nhất và lần thứ 2 của một số khí
Khi các ion năng lượng cao đập vào bề mặt vật liệu, c thể ảy ra bốn khả năng. Các ion năng lượng thấp hơn b bật ra khỏi bề mặt. Với năng lượng nhỏ hơn 10 eV, ion c thể b hấp thụ tr n bề mặt như ng năng lượng cho phonon (nhiệt ). Với năng lượng lớn hơn 10 KeV ion chui sâu vào trong vật liệu ( nhiều lớp nguy n tử), như ng phần lớn năng lượng ở sâu trong đế làm thay đổi cấu trúc vật lý. Đây cũng là dải năng lượng dùng trong cấy ion. Với năng lượng trong giải trung gian, y ra cả hai cơ chế truyền năng lượng. Một phần năng lượng ion giải ph ng dưới dạng nhiệt, phần còn lại làm thay đổi cấu trúc vật lý bề măt đế. Ở dải năng lượng này, cơ chế dừng hạt nhân tr n bề mặt rất hiệu quả. Quá trình truyền năng lượng chủ yếu ảy ra trong một số lớp nguy n tử. Khi đ các nguy n tử hoặc đám nguy n tử sẻ b bắn ra khỏi bề mặt đế
Giáo án kỹ thuật vi điện tử Bộ môn công nghệ điện tử
Hình 3.37: Nguyên lý quá trình phún xạ
Tốc độ kết tủa phún ạ phụ thuộc luồng ion tới bia, ác suất ion tới bứt được nguy n tử bia và sự vận chuyển vật liệu phún ạ qua plasma đến phiến. Vật liệu bia thư ng được chế tạo dưới dạng đĩa bằng phương pháp ép n ng. Do phần lớn công suất trong plasma được tỏa ra dưới dạng nhiệt tr n bia, để tránh quá n ng, bia được làm nguộn bằng nước ( nước khư ion để tránh chập điện).
3.12. Kết tủa h a học pha hơi (DVC)
Các phương pháp vật lý là bay hơi và phún ạ được sử dụng để chế tạo phần lớn các màng mỏng kim loại dùng trong IC silic, nhưng lại có nhược điểm li n quan đến khả năng phủ bậc thâng. Điều này đặc biệt quan trọng đối với công nghệ dưới micromet, trong đ các cựa sổ tiếp úc c tỷ số giữa chiều sâu và chiều rộng rất lớn . Ngoài ra các phương pháp vật lý cũng không thích hợp lắm trong việc chế tạo màng mỏng cách điện và bán dẫn. Mục này sẻ tìm hiểu các phương pháp tạo màng mỏng tr n cơ sở phản ứng h a học.
Kết tủa pha hơi ( Chemical Capor Deposition-VCD) hiện được sử dụng rộng rãi để tạo màng của nhiều vật liệu khác nhau. Phương pháp VCD nhiệt cũng là cơ sở của kỹ thuật cấy epita y trong chế tạo IC. Các biến thể của phương pháp VCD nhiệt sử dụng một số nguồn năng lượng như plasma hoặc kích thích quang để điều khiển các phản ứng h a học, cho phép kết tủa màng ở nhiệt độ thấp.
3.12.1. Hệ VCD đơn giản để chế tạo màng silic
Bình phản ứng là ống c tiết diện hình chữ nhật. Thành ống được giữ ở nhiệt độ Tw. Phiến silic đươc đặt tr n giá n ng ở giữa ống. Nhiệt độ giá n ng
Giáo án kỹ thuật vi điện tử Bộ môn công nghệ điện tử
là Tsthông thư ng Ts Tw. Ta ét một quá trình đơn giản nhưng cũng rất đặc trưng là phân ly khí silane (SiH4) để tạo màng silic đa tinh thể. Giả thiết dòng khí đi qua ống từ trái sang phải. Vì silane bắt đầu phân ly khi đến giá giữ phiến, n n nồng độ silane cũng như tốc độ kết tủa sẽ giảm dần theo chiều dài ống
Hình 3. 39: Sơ đồ hệ CVD đơn giản
Để cải thiệt độ đồng đều của màng kết tủa, ngư i ta thư ng trộn khí silane với một khí mang là khí trơ. Một chất khí hòa tan cho silane thư ng dùng là hydro phân tử (H2) . Giả thiết sử dụng hỗn hợp 1% SiH4 trong H2. Giả thiết nhiệt độ của hỗ hợp khí khi vào ống cũng là Tw. Sản ph m phản ứng và silane không tham gia phản ứng được đưa ra khỏi ống qua lối thoát khí thải. Dòng khí trong buồng phản ứng đủ thấp để c thể coi áp suất trong buồng là đồng nhất . Phản ứng ảy ra như sau:
0
4( ) t ( ) 2 2( )
SiH k Si r H k
Một các tổng quát, quá trình VCD bao gồm các bước sau: