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
Lắng đọng màng mỏng
Lắng đọng phốt pho Tiếp xúc quang
Phim Nền (a) Khuếch tán phốt pho Phim Nền (d) Phim Nền (b) Khắc plasma Nền (e) Phim Nền (c) Chống oxy hóa Nền (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 t ạo plasma hay dùng là nitơ, argon, hydro, oxi, không khí nén Bên c ạnh 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
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
1 2 2 Ứng dụng lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma TRIES trong chếtạo vi mạch điện tử 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 RF Socurce (13 56 MHz) hợp Điện cực trên Plasma Nền Bơm Hộp phù Bias ( 400 kHz) hợp
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- e- e- e- e- e- E - - - - e- e- Bao Đặc tính Si Silicon
Hình 1 8 Quá trình lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma [94]
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
Bước 1 Lựa chọn giao diện vật lý
Bước 2 Lựa chọn các hình dạng
Bước 3 Đưa dữ liệu các bộ tiết diện va chạm
Bước 4 Xác định thể tích và bề mặt
Bước 5 Các điều kiện biên
Bước 6 Hiển thị kết quả
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