3. .2.1 Ăn mòn Plasma
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:
Bước 1: vận chuyển hỗn hợp khí từ lối vào đến gần phiến. Bước 2: phản ứng giữa các khí để tạo phần tử con.
Bước 3: vận chuyển các chất phản ứng đến bề mặt phiến.
Bước 4: phản ứng bề mặt để tạo silic. Bước 5: nhả hấp các sản ph m khí.
Bước 6: vận chuyển các sản ph m khí ra a khỏi bề mặt. Bước 7: vận chuyển các sản ph m khí ra khỏi lò
3.11.2. Chế tạo màng điện môi băng CVD áp suất khí quyển APCVD
Giáo án kỹ thuật vi điện tử Bộ môn công nghệ điện tử
không tốt. Để c độ đồng đều cao thì tốt nhất là dùng áp suất thấp. Phương pháp APCVD chủ yếu thích hợp cho việc nhận lớp điện môi dày, với tốc độ kết tủa >1000A°/min. C thể sử dụng bình phản ứng loại đứng, hoặc lò ống nằm ngang như trong trư ng hợp o yh a nhiệt, chỉ khác ở chỗ là sử dụng nhiều khí khác nhau ở đầu vào. Ngoài ra còn c cấu hình lò li n tục, trong đ các phiến được đưa vào và đưa ra theo từng cassett, tr n băng chuyền n ng. Nhiệt độ phiến trong khoảng 250÷ 50°C. Khi tỉ số dòng khí giữa O2và
4
SiH ít nhất đạt 3:1, ta nhận được SiO2theo phương trình:
0
450
4( ) 2 C O ( ) 22 2( )
SiH k O Si r H k
Ở đây cần dòng khí hòa tan ,thí dụ N2đủ lớn nếu không phản ứng sẻ y ra trong pha khí, làm ấu chất lượng màng.
Vì các lý do khác nhau, ngư i ta thư ng chế tạo màng SiO2c chứa từ 4 đến 12% phốt pho. Vật liệu thủy tinh phốt pho silicat (PSG) này hòa mềm và chảy ở nhiệt độ không cao lắm, làm cho bề mặt phiến phẳng hơn, đồng th i c tác dụng hút, làm thụ động h a các tạp chất, c thể nhận màng PSG bằng phương pháp APCVD nếu th m vào dòng khí PH3ta c phản ứng như sau:
0
450
3 2 2 5 2
4 ( ) 5O ( ) C 2 ( ) 6 ( )
PH k k P O r H k
Nồng độ phốt pho trong màng c thể điều khiển được bằng cách thay đổi tỉ số PH3/SiH4. Nhiệt độ kết tủa thấp của phản ứng SiH4với O2làm cho phương pháp này rất thích hợp khi cần phủ màng o ide l n tr n lớp màng nhôm.
Giáo án kỹ thuật vi điện tử Bộ môn công nghệ điện tử
3.12 Quá trình công nghệ lưỡng cực
Hình 3.40. uy trình công nghệ lưỡng cực
Quy trình chế tạo IC lưỡng cực đều tuân theo trình tự các bước công nghệ như hình vẽ. Trong thực tế còn nhiều công đoạn khác không được n u như : các khâu ử lý bề mặt, các bước ăn mòn o ít, phủ cảm quang, t y bỏ cảm quang, lưu đồ tr n được thực hiện bằng các điện p-n. Trong thực hiện cách điện bằng o it, ngư i tat hay thế bước o i h a sau bước epita y bằng bước o y h a cộng lớp CVD lớp bảo vệ (Si Al3 4).
Giáo án kỹ thuật vi điện tử Bộ môn công nghệ điện tử
Chương IV: Một số họ vi mạch cơ bản 4.1. Phân loại vi mạch
4.1.1. Phân loại theo chức năng
- Vi mạch số
- Vi mạch tương tự
4.1.2.Phân loại theo công nghệ chế tạo
- Vi mạch bán dẫn - Vi mạch màng - Vi mạch lai
4.1.3. Phân loại theo linh kiện cơ bản
- Vi mạch lưỡng cực - Vi mạch CMOS - Vi mạch BiCMOS
4.1.4. Phân loại theo mức độ tích hợp
- Mức độ tích hợp thấp SSI<30 linh kiện / chip - Mức độ tích hợp trung bình MSI từ 3
30 10 linh kiện/chip - Mức độ tích hợp lớn LSI từ 3 5
10 10 linh kiện /chip - Mức độ tích hợp rất lớn VLSI từ 5 7
10 10 linh kiện/ chip
4.2. Các họ vi mạch số 4.2.1. Tổng quan
Xét về cơ bản c hai loại thiết b bán dẫn là lưỡng cực và đơn cực. Dựa tr n các thiết b này, các mạch tích hợp được hình thành. Các yếu tố chính của IC lưỡng cực là điện trở, diode, transistor. Các họ logic lưỡng cực như : mạch logic RTL, mạch logic TTL và mạch logic CL. Các mạch logic đơn cực như : Mạch logic PMOS, Mạch logic NMOS, mạch CMOS.
Ta c các đặc trưng của các vi mạch số:
+ Tốc độ hoạt động: lệ thuộc vào th i gian trễ truyền đạt
+ Tổn hao công suất( mW) : ác đ nh bởi tích số nguồn cung cấp Vcc và dòng Icc.
Giáo án kỹ thuật vi điện tử Bộ môn công nghệ điện tử
+ Chỉ số giá tr : Xác đ nh bởi tích số tốc độ và công suất.
Chỉ số giá tr (pJ) = th i gian trễ truyền đạt công suất (mW). Chỉ số giá tr càng nhỏ càng tốt.
+ Hệ số tải: Là số cổng c thể vận hành bởi môt cổng, hệ số tải càng cao càng thuận lợi.
+ Các tham số dòng áp :
- Điện áp đầu vào ở mức cao VIH: Điện áp tối thiểu mà cổng c thể nhận biết mực 1.
- Điện áp đầu vào ở mức thấp VIL: Điện áp tối đa mà cổng c thể nhận biết mức 0.
- Điện áp đầu ra mức cao VOH: Điện áp tối thiểu tại đầu ra tương ứng với mức 1.
- Điện áp đầu ra ở mức thấp: VOL: Điện áp tối đa tại đầu ra tương ứng mức 0.
- Cư ng độ dòng điện đầu vào mức cao IIH: Dòng tối thiểu được