7. Bố cục của luận án
1.2. Sự cần thiết plasma trong vi mạch điện tử
1.2.1.Quá trình plasma trong vi mạch điện tử
Quá trình plasma được coi như là công nghệ quan trọng cho lắng đọng và khắc màng mỏng trong sản xuất các thiết bị vi điện tử. Plasma phân tử khí hiện đang được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp vi điện tử để lắng đọng và khắc màng mỏng. Xử lý plasma là một trong những kỹ thuật và các quy trình được sử dụng trong sản xuất mạch tích hợp [50, 88]. Tầm quan trọng của quá trình xử lý plasma cho đến nay và những phát triển trong tương lai của ngành công nghiệp vi điện tử, nhằm sản xuất vi điện tử với độ tích hợp lớn hơn nhờ tạo mẫu và pha tạp nhiều lớp màng mỏng cách điện tạo ra lớp bán dẫn và lớp dẫn điện. Do đó việc lắng đọng và khắc có chọn lọc lên màng mỏng là các bước cơ bản để phục vụ cho ngành công nghiệp này [43, 86]. Khắc Plasma là quy trình công nghệ quan trọng hơn, mô hình tích hợp có quy mô rất lớn dựa trên độ truyền mẫu vượt trội để có thể khắc plasma. Các bước điển hình để tạo màng mỏng với kích thước siêu nhỏ trên bề mặt có diện tích lớn gồm có 6 bước như hình vẽ 1.6.
13 Lắng đọng phốt pho Lắng đọng màng mỏng Tiếp xúc quang Phim Nền Phim Nền Phim Nền (a) (b) (c) Khuếch tán phốt pho Phim Nền Khắc plasma Nền Chống oxy hóa Nền (d) (e) (g) Hình 1.6 Các bước tạo một mạch tích hợp [43,87]
Các bước cần thiết để chế tạo một mạch tích hợp được thể hiện như trong hình 1.6. Tuy nhiên trong phạm vi nghiên cứu của luận án thì luận án quan tâm đến quá trình tạo nguồn plasma sau đó plasma được dùng trong trường hợp để lắng đọng màng mỏng và để khắc plasma. Vậy để có được nguồn plasma cần các thông số vật lý quan trọng, đó là: các bộ tiết diện va chạm electron và các hệ số chuyển động electron của các phân tử khí ta đưa vào đầu tiên có thể coi là các tiền chất khí để tạo nguồn plasma. Vì khi có các thông số kỹ thuật của chất khí, chúng ta có thể xây dựng được các mô hình plasma hay các kỹ thuật plasma có thể có như: phóng xả điện một chiều, lắng đọng hơi hoá học tăng cường plasma, plasma microwave. Các mô hình plasma sẽ giúp chúng ta sử dụng plasma vào từng bước trong công nghệ chế tạo vi mạch. Các khí tạo plasma hay dùng là nitơ, argon, hydro, oxi, không khí nén. Bên cạnh đó, màng mỏng Silicon dioxide (SiO2) là một trong những vật liệu quan trọng nhất sử dụng làm chất điện môi, không thể thiếu trong ngành công nghiệp bán dẫn. Sự lắng đọng hơi hóa học plasma (PECVD) được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp vi điện tử để ngưng tụ màng mỏng [47],
[25]. Vật liệu điện môi SiO2 thường được lắng đọng bởi phương pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma, được sử dụng làm chất điện môi liên kết hoặc làm
các lớp thụ động cho mạch tích hợp. Các tiền chất thông thường dùng để ngưng tụ SiO2 phục vụ tạo lớp màng mỏng cách điện là SiH4 - O2 hoặc SiH4 - N2O [91].
Hiện nay có sử dụng các hợp chất hữu cơ như tatraethoxysilane (TEOS), tetramethylsilane (TMS), triethoxysilane (TRIES) lắng đọng với oxy bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học plasma đã được sử dụng vì các hợp chất hữu cơ chứa phần tử Si và O2 không gây nguy hiểm [30, 89].
Ứng dụng sớm nhất của plasma cho việc khắc là vào năm 1960 khi các nhà nghiên cứu plasma dùng ôxy để loại bỏ các màng chứa carbon khỏi các bề mặt (ví dụ: loại bỏ photoresist). Sau đó, các phóng điện chứa flo và clo đã được khám phá để khắc silic. Bằng phát minh đầu tiên sử dụng hỗn hợp CF4 và O2 để khắc silicon vào năm 1969 bởi Coburn và Winters [55]. Một sự phát triển quan trọng khác là việc sử dụng plasma để lắng đọng silicon nitride như một lớp thụ động (bảo vệ) cho thiết bị MOS (bán dẫn oxit kim loại). Mặc dù màng silicon nitride được lắng đọng bằng plasma có nhiều đặc tính thụ động không mong muốn, nhưng có một hạn chế khi sử dụng chúng: Các điều kiện khắc nghiệt cần thiết cho chất ăn mòn lỏng có sẵn để khắc các ô của màng nhằm kết nối điện với thiết bị bên dưới. Để giải quyết vấn đề trên, các nhà nghiên cứu dùng plasma CF4 – O2 để khắc. Plasma đã được dùng phổ biến cho lắng đọng màng mỏng cũng như khắc với hai lý do:
(1) plasma có thể dùng ở nhiệt độ thấp (dưới 4000 C).
(2) màng mỏng có thể được điều chỉnh với các các đặc tính mong muốn và bất thường thông qua việc vận dụng thích hợp các điều kiện lắng đọng.
Hầu hết các vật liệu quan trọng được sử dụng trong sản xuất mạch tích hợp có thể được khắc plasma trong một số khí. Các ứng dụng được sử dụng cho các vật liệu chứa Si như Si, SiO2 và Si3N4, các vật liệu này thường được khắc trong các khí chứa flo và clo như CF4, C2F6, C3F8, Cl2, CCl4, BCl3 và các khí khác. Do yêu cầu của quá trình ứng dụng plasma cần sử dụng những chất khí có độ bay hơi cao và dễ thủy phân. Trong luận án này, nghiên cứu sinh nghiên cứu khí TRIES với các khí O2, Ar, Kr, He, Xe và Ne vì những chất khí này có độ hơi bay cao, dễ bị thủy phân, nhiệt độ lắng đọng của nó thấp. Trong TRIES chứa ít chất nền
15
ethoxy thậm chí cao hơn bốn lần áp suất hơi so với tetraethoxysilane (TEOS), tỉ lệ tăng trưởng cao có thể đạt được mà không cần đến vật liệu làm nóng.
Nền tảng cho tất cả các quá trình plasma nằm trong lĩnh vực vật lý phóng điện. Điều này là do hoạt động của các electron mà giai đoạn pha khí hóa học được bắt đầu và thông qua hoạt động bắn phá ion tại các bề mặt các điện tử và ion đạt được năng lượng cần thiết cho các quá trình này thông qua tác động của điện trường. Hơn nữa, sự biến đổi theo thời gian và không gian của điện trường được xác định bởi cả điện áp đặt tại các ranh giới và sự phân bố mật độ số hạt mang điện. Sự phóng điện liên quan đến xử lý vật liệu điện tử là bị ion hóa yếu, do đó các điện tử và ion va chạm chủ yếu với hạt trung tính.
Trong phạm vi của luận án, chúng ta sẽ tính toán các hệ số chuyển động electron (cụ thể là: tốc độ dịch chuyển của electron, W, hệ số khuếch tán theo chiều dọc mật độ đặc trưng NDL, tỷ lệ của hệ số khuếch tán theo chiều dọc với độ linh động của điện tử DL/µ, hệ số ion hóa Townsend đầu tiên α/N và hệ số kết hợp electron η/N). Việc tính toán không chỉ áp dụng cho một loại khí tinh khiết TRIES mà còn cho các hỗn hợp khí: TRIES – O2, TRIES - Ar, TRIES - Kr, TRIES - Xe, TRIES - He và TRIES – Ne. Chúng đóng vai trò quan trọng trong mô hình plasma nên các hệ số chuyển động electron cho các hỗn hợp này được tính toán bằng cách sử dụng hệ hai phương trình xấp xỉ Boltzmann dựa theo bộ tiết diện va chạm electron hiện tại của phân tử khí TRIES đây là lần đầu tiên kết quả tính toán và mô phỏng trong phạm vi dải giá trị của E/N = 0,01 - 1000 Td được nghiên cứu sinh đưa ra trong luận án.