Ứng dụng lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma TRIES trong chế tạo

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].

Điện cực trên

Plasma Nền

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,

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.

O+Si(OC2H5)(OH)→ Si(OC2H5)(OH)2+ C2H4O (1.2) 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 Bao

Đặc tính

Silicon

Hình 1.8 Quá trình lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma [94]

e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e-

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]. 1.3.Phần mềm sử dụng bộ tiết diện va chạm để mô phỏng các mô hình plasma

Công nghệ plasma ngày càng phát triển và có liên quan đến rất nhiều lĩnh vực trong công nghiệp. Công nghệ plasma vẫn đang cạnh tranh với rất nhiều các ngành công nghệ khác trong các ứng dụng thực tế. Vấn đề lớn nhất của công nghệ này là tìm ra chế độ thích hợp và các thông số plasma tối ưu trong nhiều cấu hình

sẵn có. Để làm được điều này việc sử dụng các phần mềm mô phỏng, các chương trình tính toán có ý nghĩa hết sức quan trọng. Nó không những giúp tiết kiệm thời gian, linh hoạt trong thay đổi các điều kiện mô phỏng và còn giúp tiết kiệm tối đa chi phí so với phương pháp thực nghiệm. Một trong các phần mềm được sử dụng để mô phỏng các plasma trong các ứng dụng công nghiệp nhận được nhiều sự quan tâm nhất đó là phần mềm Comsol Multiphysics [53, 56]. Để mô phỏng ra các tham số trong mô hình plasma cần thực hiện các bước sau.

Khi dùng phần mềm này, ta có thể mô phỏng được một số mô hình plasma như vi sóng plasma, plasma cảm ứng từ, plasma lắng đọng hơi hoá học tăng cường plasma, plasma phóng xả một chiều các tham số của các mô hình plasma đo được thể hiện ở kết quả như các hình vẽ 1.12. hình 1.13. Từ các mô hình plasma, các nhà sản xuất trong từng lĩnh vực có thể lựa chọn cho mình một loại plasma để áp dụng trong chế tạo chất bán dẫn.

Hình 1.12 Điện trường (bề mặt) và mật độ điện tử tới hạn trong vi sóng plasma [53,56]

Hình 1.13 Plasma cảm ứng; Nhiệt độ electron được hiển thị dưới dạng biểu đồ lát cắt và mật độ dòng điện gây ra trong plasma được hiển thị dưới dạng các dòng

[53,56]

Từ các bước trong sử dụng phần mềm mô phỏng,ta thấy một trong số các dữ liệu quan trọng được sử dụng để thực hiện việc mô phỏng plasma trong các ứng dụng công nghiệp đó là các bộ tiết diện va chạm electron của các phân tử khí. Đây là một trong những dữ liệu đầu tiên và cần thiết phải có, do vậy chúng ta rất cần các bộ tiết diện va chạm electron có độ chính xác cao vì các thông số mô phỏng phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác này. Trước khi mô phỏng quá trình plasma, các tiết diện va chạm electron của chất khí được sử dụng cần phải được lựa chọn và kiểm chứng tính đúng đắn.

1.4 Tiết diện va chạm của các electron trong phóng điện khí

Các gốc và ion được tạo ra bởi sự va chạm của các electron với khí tương tác với bề mặt thông qua một loạt các phản ứng hóa học phức tạp, dẫn đến ăn mòn, lắng đọng hoặc làm sạch. Như vậy dữ liệu va chạm điện tử rất quan trọng tương tự như dữ liệu về phản ứng bề mặt phức tạp và điều khiển các quá trình như vậy [75]. Trong khi sự phát triển sớm của quá trình xử lý plasma đã được thông qua thử nghiệm và sai số, nhu cầu ngày càng tăng để thu nhỏ kích thước và nhu cầu liên quan đến giảm dần mật độ khuyết tật tạo ra nhu cầu tương ứng cho tăng độ kỹ xảo và hiệu quả trong kiểm soát quy trình.

Mô hình quy trình plasma ngay bây giờ trở thành một công cụ kỹ thuật cần thiết trong việc thiết kế thiết bị bán dẫn và trong quá trình điều khiển [30]. Dữ liệu va chạm electron là một phần của cơ sở dữ liệu này, mà nó còn phụ thuộc vào khí cung cấp, bản chất của quá trình xử lý và bề mặt được sử dụng. Điều kiện của phản ứng cũng ảnh hưởng đến các kiểu va chạm cần cho mô hình nghiên cứu, ví dụ trong nhiều kiểu phản ứng plasma sử dụng áp suất plasma thấp cùng với mật độ plasma cao, nghĩa là tần số va chạm giữa các hạt nặng (nguyên tử, phân tử, gốc, ion) giảm nhưng tần số va chạm hạt nặng electron tăng lên [29], [52]. Trong những trường hợp như vậy, nhiều va chạm electron có khả năng dễ xảy ra hơn và khí cung cấp được phân ly cao, trong một số trường hợp vượt quá 90%. Nó sẽ là dữ liệu cần thiết để đưa vào trong mô hình không chỉ là các va chạm của khí với electron mà còn là va chạm cơ bản do phân ly, ngoài ra các quá trình kích thích, phân ly, hoặc ion hóa đóng một vai trò nào đó. Xét trường hợp phân ly năng lượng điện tử trung bình trong plasma có thể thay đổi từ 1 đến vài eV, kích thích trực tiếp của một phân tử từ trạng thái dao động và điện tử cơ bản của nó sang trạng thái phân ly thường đòi hỏi năng lượng electron cao hơn hơn giá trị trung bình và sự phân ly tác động điện tử xảy ra chỉ khi năng lượng của electron va chạm ở cuối của phân phối Maxwell.

Để hiểu rõ về tính định lượng của plasma và sự ion hóa của các phân tử khí, việc tìm hiểu tiết diện va chạm của các electron với các phân tử khí và hệ số chuyển động của các electron trong những phân tử khí cũng như nguyên tử khí khi xảy ra phóng điện là rất cần thiết. Sự tán xạ đàn hồi, kích thích quay, kích thích dao động (rung động), kích thích điện tử, kích thích phân ly, sự ion hóa, phân ly điện tử, sự truyền động lượng, tiết diện tán xạ và tổng tiết diện tán xạ là kết quả có thể đo được khi xét sự va chạm một electron với một phân tử trung hòa. Về nguyên tắc, các tiết diện va chạm của electron với một phân tử khí nhất định là được biết, chúng có thể đo hoặc tính toán lý thuyết được. Trong thực tế, việc đo lường hoặc tính toán chính xác các tiết diện va chạm của electron với các phân tử khí hoặc nguyên tử khí là khó khăn. Do vậy, thông thường chúng ta sẽ sử dụng lý

thuyết tính toán các tiết diện va chạm của electron với các phân tử hay nguyên tử khí riêng rẽ sau đó thực hiện kết hợp lại để có thể tạo lên một bộ tiết diện va chạm của electron với phân tử hay nguyên tử khí đó. Đồng thời, để khẳng định tính đúng đắn của các bộ tiết diện va chạm đó, chúng ta sẽ sử dụng các lý thuyết tính toán về cơ học lượng tử để tính toán được các hệ số chuyển động của các electron trong phóng điện của chất khí cần xét. Trong phạm vi của luận án này, chúng ta xem xét các bộ tiết diện va chạm electron với các phân tử khí và nguyên tử khí nhằm minh chứng tốt chính xác bản chất vật lý của chất khí đó khi xảy ra hiện tượng phóng điện trong chất khí đó. Điều này cũng sẽ được khẳng định thông qua việc tính toán lại các hệ số chuyển động của electron trong các nguyên tử khí đó và có sự so sánh với số liệu thực nghiệm đã công bố.

Căn cứ vào các phân tích ở trên, có thể nhận xét rằng bản chất vật lý của các phân tử khí đang được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp như tách một chất ra khỏi bộ bán dẫn bằng cách kết hợp chất đó với chất khí khác để hình thành nên hợp chất dễ bay hơi trong công nghệ hiển thị plasma (PDP), laser, đèn chiếu sáng, máy cắt sử dụng khí (GIS), v.v.. là rất cần thiết và cần được tìm hiểu một cách rõ ràng.

Đồng thời, bộ tiết diện va chạm của các electron đối với các phân tử khí, nguyên tử khí là không thể thiếu không chỉ đối với việc nghiên cứu các dạng của hiện tượng phóng điện plasma mà còn việc tính toán các hiện tượng cơ học lượng tử của các tiết diện va chạm. Hình 1.14 trình bày những ứng dụng về mặt tính toán lý thuyết khi biết được bộ tiết diện va chạm các electron trong các phân tử khí [5, 71].

Hình 1.14 Ứng dụng của xác định tiết diện va chạm các electron trong các phân tử khí và nguyên tử khí

1.5 Các hệ số chuyển động của các electron trong phóng điện khí

Sự va chạm của các nguyên tử và phân tử được xác định bằng thực nghiệm, lý thuyết chùm tia electron và phương pháp “đám” electron (electron swarm method). Những phương pháp này được khám phá bởi Huxley và Crompton [40]. Những hệ số chuyển động của electron khi xảy ra phóng điện khí là vận tốc chuyển động của electron (W), hệ số khuếch tán dọc theo mật độ đặc trưng (NDL), hệ số khuếch tán ngang theo mật độ đặc trưng (NDT), tỷ lệ của hệ số khuếch tándọc (DL)và độ linh hoạt electron (μ), hệ số ion hóa (α/N), hệ số kết hợp (η/N) và hệ số ion hóa theo mật độ đặc trưng [(α-η)/N]. Các hệ số chuyển động của các electron trong phóng điện khí này có thể được xác định bằng thực nghiệm (phương pháp trạng thái cân bằng Townsend – Steady State Townsend, phương pháp xung Townsend – Pulsed Townsend,…) và tính toán được bằng lý thuyết thông qua các phương trình toán học của Boltzmann hay thuật toán Monte-Carlo. Các hệ số chuyển động của điện tử trong phân tử khí phụ thuộc vào tỷ lệ E/N, nhiệt độ khí T và từ trường B/N. Chúng có liên quan đến các tiết diện va chạm của electron thông qua các biểu thức phức tạp có liên quan đến hàm phân phối năng lượng electron

(electron energy distribution function - EEDF). Hàm này có ký hiệu là f(ε, E/N) và được chuẩn hóa bởi:

∞

∫ f (ε, E / N)dε≅ 1

0

Trong đó ε là năng lượng của electron. Thuộc tính dịch chuyển của electron phụ thuộc trực tiếp vào hàm phân phối năng lượng. Hàm phân phối năng lượng có thể tính được bằng lý thuyết thông qua việc giải phương trình Boltzmann:

∂f

+ v∇ f + a∇ f =∂f  ∂t r v 

∂t 

 coll

Trong đó f = f( r, v, t ) là hàm phân phối của vị trírvà vận tốcvcủa các điện tử, a là gia tốc do các lực bên ngoài và ∂f 

 coll

là tỷ lệ va chạm gây ra sự thay đổi về số

lượng của các điện tử trên một đơn vị thể tích của pha không gian. Ở đây chúng ta giả thiết điện trường là độc lập với thời gian và sự phân phối trong không gian vận tốc chỉ bị nhiễu nhẹ từ không gian hình cầu.

Tập hợp các đường tiết diện va chạm electron ban đầu đối với một phân tử khí hoặc một nguyên tử khí được xác định bởi các nguồn dữ liệu về các đường tiết diện va chạm electron trong lý thuyết nghiên cứu chùm tia và đám electron hoặc từ thực nghiệm. Từ bộ tiết diện va chạm electron ban đầu, các hệ số chuyển động của electron được tính toán thông qua sử dụng hệ các phương trình toán học xấp xỉ của Boltzmann hay thuật toán Monte-Carlo. Tiếp theo, các hệ số chuyển động electron