7. Bố cục của luận án
1.2.2. Ứng dụng lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma TRIES trong chế tạo
tạo vi mạch điện tử
Màng mỏng được tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma (PECVD). Đây là phương pháp lắng đọng hơi hóa học lên đế bằng plasma của các chất khí tiền chất. Quá trình lắng đọng mẫu được thực hiện trong môi trường chân không cao (10-6 mbar). Hình 1.7 mô tả nguyên lý lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma [85].
TRIES or TEOS + O2 Hộp phù hợp Điện cực trên Plasma Nền RF Socurce (13.56 MHz) Bơm Hộp phù hợp Bias ( 400 kHz)
Hình 1.7 Lắng đọng hơi hoá học tăng cường plasma trong hệ thống PECVD [85]
Hình 1.7 thể hiện quá trình lắng đọng hơi hoá học tăng cường plasma được thực hiện khi các khí tiền chất là TRIES hoặc TEOS với O2 được đưa vào trong buồng chân không ở tốc độ định trước. Tồn tại giữa hai cực anốt và catốt là một hiệu điện thế, các phân tử khí tiền chất tách thành các ion duy trì ở trạng thái plasma. Hiệu điện thế để hình thành và duy trì plasma được cung cấp bởi nguồn RF. Tất cả quá trình phản ứng xảy ra đều được diễn ra trong buồng chân không. Các tham số như nguồn RF, nhiệt độ đế, áp suất môi trường chân không, thời gian lắng đọng, nồng độ khí đều ảnh hưởng đến chất lượng và tính chất vật lý của màng mỏng. Vì vậy, trong quá trình lắng đọng, các thông số này được thay đổi lần lượt để tối ưu hóa các tham số bốc bay, đặc biệt là mật độ plasma thông qua thay đổi nồng độ khí tiền chất tham gia phản ứng [33], [30].
Trong kỹ thuật lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma cần nhiệt độ cao để đạt tốc độ lắng đọng trong quá trình khuếch tán của màng mỏng, tuy nhiên mức nhiệt độ cao trong quá trình lắng đọng này ảnh hưởng đến chất nền nhạy cảm với nhiệt dẫn đến sự hình thành các khuyết tật trong màng mỏng lắng đọng. Do đó,
17
phương pháp PECVD được sử dụng để kích hoạt phản ứng của các phân tử khí được dùng làm tiền chất trong lắng đọng màng mỏng [15, 30, 48, 69, 86, 91].
Năng lượng plasma tăng cường quá trình va chạm không đàn hồi của hạt mang điện (electron) với phân tử khí tiền chất để kích hoạt phản ứng hóa học trong quá trình lắng đọng màng mỏng và nó cũng tăng cường năng lượng bề mặt của chất nền để gây ra quá trình tạo mầm của các lắng đọng nguyên tử. Thông thường, công suất tần số vô tuyến điện áp cao (RF) ở áp suất giảm được sử dụng để tạo ra các hạt tích điện để ion hóa phân tử khí tiền chất bằng cách va chạm không đàn hồi ở nhiệt độ giảm.
Quá trình lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma gồm những bước sau: (1) Tạo nhiều thành phần phản ứng hóa học trong khí pha bằng sự va chạm electron; (2) Vận chuyển những thành phần phản ứng hóa học đến bề mặt của màng mỏng; (3) Bám dính vào bề mặt của màng mỏng. Các hạt điện tử nhận năng lượng từ điện trường đủ để va chạm với các phân tử chất khí phản ứng; (4) Những phân tử này bị phân giải thành nguyên tố gốc, các loại ion, nguyên tử và nguyên tử trong trạng thái kích thích; kết quả đưa đến phản ứng hóa học ở nhiệt độ thấp hơn; (5) Những thành phần phản ứng năng động được hấp thụ trên bề mặt của màng mỏng; (6) Sự hấp thụ và di chuyển tạo nên độ thích ứng với hình thể của tấm nền do màng mỏng được tạo ra; (7) Tạo những sản phẩm chất khí phụ như H2, N2, O2. Sự lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma sử dụng phóng điện để giảm nhiệt độ, tại đó màng có thể được lắng đọng từ các phản ứng của chất dạng khí thông qua việc tạo ra các gốc tự do và các hạt kích thích phản ứng ở nhiệt độ thấp hơn trong pha khí và trên bề mặt có sử dụng TEOS như hình 1.8. Chất lượng lắng đọng màng mỏng thường có thể được cải thiện bằng cách sử dụng dòng ion plasma để làm sạch bề mặt trước khi bắt đầu lắng đọng và gia nhiệt trong quá trình chế biến. Ngoài ra, dòng ion có thể làm thay đổi màng trong quá trình lắng đọng bằng cách làm sạch, tăng cường khả năng di chuyển của các hạt bị hấp phụ xảy ra phản ứng sau, v.v.
Sự lắng đọng của các màng mỏng do các gốc phản ứng với độ bay hơi thấp phổ biến trong cả quá trình ăn mòn và lắng đọng. Trong các phản ứng này, các hệ số bám của các gốc tự do là cực kỳ quan trọng đối với sự lắng đọng động học. Ví dụ, lắng đọng SiO2 bởi phương pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma được sử dụng rộng rãi làm lớp cách ly giữa các dòng kim loại trong MOSFET và quá trình lắng đọng SiO2 có thể được thực hiện với các tiền chất khác nhau. Hình 1.9 thể hiện sự lắng đọng của SiO2, trong hệ thống lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma có sử dụng khí TRIES, TEOS cho thấy kết quả màng mỏng được lắng đọng đồng đều, giảm bớt được các khuyết tật, Hình 1.10 cho thấy kết quả lắng đọng dùng silan/O2 thì cấu trúc màng mỏng không được đồng đều vẫn còn khuyết tật [93]. e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- E Bao Đặc tính Si Silicon
19
Hình 1.9 Lắng đọng phù hợp SiO2 dùng Si(OC2H5)4/O2 [94]
Hình 1.10 Sự lắng đọng không phù hợp của SiO2 dùng SiH4/O2 [94]
Trên đây là một trong những kỹ thuật plasma được sử dụng trong chế tạo vi mạch điện tử và để có thể xây dựng, hiểu rõ về mô hình plasma thì một số tác giả đã sử dụng những phần mềm để có thể mô phỏng các mô hình plasma [70, 78, 81].