Bài giảng Kĩ thuật vi điện tử

108 trang vanle 3500

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kĩ thuật vi điện tử", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_ki_thuat_vi_dien_tu.pdf

Nội dung text: Bài giảng Kĩ thuật vi điện tử

KHOA CÔNG NGHӊ THÔNG TIN %Ӝ MÔN: Ĉ,ӊN TӰ - VIӈN THÔNG THS. Vǉ CHIӂN THҲNG .Ӻ THUҰT VI Ĉ,ӊN TӰ 7ҰP BÀI GIҦNG (Lѭu hành nӝi bӝ) THÁI NGUYÊN 9/2010 1
0ӨC LӨC 0ӨC LӨC 1 Chѭѫng 1: CѪ SӢ VҰT LÝ 4 1.1. Cҩu trúc tinh thӇ 4 1.2. Cҩu trúc vùng năng lѭӧng 6 1.3. Bán dүn tinh khiӃt 7 1.4. Bán dүn loҥi P 8 1.5. Bán dүn loҥi N 9 1.6. Ĉӝ linh ÿӝng, ÿӝ dүn 11 Chѭѫng 2: CҨU TRÚC MҤCH VI Ĉ,ӊN TӰ 13 2.1. ChuyӇn tiӃp PN 13 2.2. Công nghӋ lѭӥng cӵc 15 2.2.1. Cách ÿLӋn bҵng chuyӇn tiӃp PN 15 2.2.2. Cách ÿLӋn bҵng Oxide 16 2.2.3. Transistor lѭӥng cӵc 17 2.2.4. Diode, ÿLӋn trӣ và tөÿLӋn 21 2.3. Công nghӋ CMOS 24 2.3.1. Mӣÿҫu 24 2.3.2. Quá trình chӃ tҥo 26 2.3.3. ChӃ tҥo giӃng 27 2.3.4. ĈLӋn cӵc cәng 28 Chѭѫng 3: CÔNG NGHӊ CHӂ TҤO MҤCH VI Ĉ,ӊN TӰ 30 3.1. ChӃ tҥo phiӃn bán dүn 30 3.1.1. Quy trình chӃ tҥo phiӃn bán dүn silic 30 3.1.2. ChӃ tҥo Silic ÿa tinh thӇ 31 3.1.3. ChӃ tҥo Silic ÿѫn tinh thӇ 32 3.1.4. ChӃ tҥo phiӃn bán dүn 37 3.1.5. Phòng sҥch 37 3.2. Oxy hóa 49 3.2.1.Giӟi thiӋu công nghӋ Oxy hoá 49 3.2.2.Oxy hóa nhiӋt 49 3.3. Quang khҳc 53 3.3.1. Khái niӋm 53 3.3.3. Các khái niӋm cѫ bҧn 54 3.3.4. Các giai ÿRҥn cӫa quá trình quang khҳc 56 3.4. Ăn mòn 60 3.4.1. Ăn mòn ѭӟt 61 3.4.2. Ăn mòn khô 66 3.5. KhuӃch tán 68 3.6. Cҩy ion 69 3.6.1. Mӣÿҫu 69 3.6.2. ThiӃt bӏ cҩy ion 71 3.6.3. Mһt nҥ dùng cho cҩy ion 72 3.6.4. Ӫ nhiӋt 72 3.7. Epitaxy 72 2
3.7.1. Mӣÿҫu 72 3.7.2. Làm sҥch phiӃn và tҭy lӟp Oxit tӵ nhiên 73 3.7.2. NhiӋt ÿӝng hӑc quá trình Epitaxy pha hѫi 73 3.7.3. Pha tҥp 75 3.7.4. KhuyӃt tұt trong lӟp Epitaxy 75 3.7.5. Epitaxy GaAs 76 3.7.6. Epitaxy chùm phân tӱ 77 3.8. Các phѭѫng pháp tҥo màng mӓng: Bay hѫi, phún xҥ 81 3.8.1. Mӣÿҫu 81 3.8.2. Bay hѫi trong chân không 82 3.8.3. Phún xҥ 91 3.9. KӃt tӫa hóa hӑc pha hѫi CVD 96 3.9.1. Mӣÿҫu 96 3.9.2. HӋ CVD ÿѫn giҧn ÿӇ chӃ tҥo màng Si 96 3.9.3. ChӃ tҥo màng ÿLӋn môi bҵng CVD áp suҩt khí quyӇn 97 3.9.4. ChӃ tҥo màng ÿLӋn môi và bán dүn bҵng CVD áp suҩt thҩp 98 3.9.6. ChӃ tҥo màng kim loҥi bҵng CVD 99 Chѭѫng 4: MӜT SӔ HӐ VI MҤCH CѪ BҦN 101 4.1. Phân loҥi vi mҥch 101 4.1.1. Theo chӭc năng 101 4.1.2. Theo công nghӋ chӃ tҥo 101 4.1.3. Theo linh kiӋn cѫ bҧn 101 4.1.4. Theo mӭc ÿӝ tә hӧp 101 4.2. Các hӑ vi mҥch sӕ 101 4.2.1. Tәng quan 101 4.2.2. Các ÿһc trѭng cӫa các vi mҥch sӕ 102 4.2.3. Hӑ RTL (Resistor-Transistor Logic) 103 4.2.4. Hӑ DTL (Diode-Transistor Logic) 104 4.2.5. Hӑ TTL (Transistor-Transistor Logic) 104 4.2.6. Hӑ CMOS 106 4.2.7. Mӝt sӕ cәng 106 TÀI LIӊU THAM KHҦO 108 3
Chѭѫng 1: CѪ SӢ VҰT LÝ 1.1. Cҩu trúc tinh thӇ Trong tinh thӇ, các nguyên tӱ sҳp xӃp theo mӝt trұt tӵ tuҫn hoàn. Cҩu trúc tinh thӇ nhӓ nhҩt ÿѭӧc lһp lҥi mang ÿҫy ÿӫ thông tin cӫa mӝt tinh thӇ gӑi là ô mҥng cѫ sӣ. a. Ô lұp phѭѫng ÿѫn giҧn Bao gӗm 8 nguyên tӱӣ 8 ÿӍnh. Hình 1.1. Ô lұp phѭѫng ÿѫn giҧn. b. Ô lұp phѭѫng tâm khӕi Bao gӗm 8 nguyên tӱӣ 8 ÿӍnh và 1 nguyên tӱӣ tâm hình lұp phѭѫng. Hình 1.2. Ô lұp phѭѫng tâm khӕi. c. Ô lұp phѭѫng tâm mһt Bao gӗm 8 nguyên tӱӣ 8 ÿӍnh và 6 nguyên tӱӣ tâm 6 mһt. 4
Hình 1.3. Ô lұp phѭѫng tâm mһt d. Ô lұp phѭѫng cҩu trúc kim cѭѫng Hình 1.4. Ô lұp phѭѫng cҩu trúc kim cѭѫng Hình 1.5. Ô mҥng cѫ sӣ Si 0һt phҷng tinh thӇ: Sӱ dөng hӋ sӕ Miller ÿӇ xác ÿӏnh nhѭ hình 1.6. 5
Hình 1.6. HӋ sӕ Miller ÿӇ xác ÿӏnh mһt phҷng tinh thӇ 1.2. Cҩu trúc vùng năng lѭӧng Vùng năng lѭӧng ӣ mӛi vұt rҳn là khác nhau, ÿӝ rӝng và vӏ trí cӫa tӯng vùng năng lѭӧng phө thuӝc vào loҥi vұt rҳn khác nhau. Tùy theo tình trҥng các mӭc năng lѭӧng có bӏÿLӋn tӱ chiӃm chӛ hay không, ngѭӡi ta chia ra làm 3 vùng là: Vùng dүn, vùng cҩm, và vùng hóa trӏ. Hình 1.7. Giҧn ÿӗ vùng năng lѭӧng cӫa Kim loҥi, chҩt bán dүn và chҩt ÿLӋn môi Vùng d̳n: Có thӇ gӑi là vùng dүn ÿLӋn, tӭc là nhӳng ÿLӋn tӱ nào nҵm trong vùng này gӑi là nhӳng ÿLӋn tӱ tӵ do. Ӣÿó các mӭc năng lѭӧng chѭa ÿѭӧc chiӃm chӛ hoһc bӏ chiӃm chӛ 1 phҫn. Vùng hóa tr͓: Chӭa nhӳng ÿLӋn tӱ hóa trӏ cӫa nguyên tӱ, có mӭc năng lѭӧng thҩp nhҩt. Vùng c̭m: Là vùng nҵm giӳa vùng dүn và vùng hóa trӏ. Trong vùng này, không tӗn tҥi mӭc năng lѭӧng mà ÿLӋn tӱ có thӇ chiӃm chӛ. Trong tӯng vùng năng lѭӧng, các mӭc năng lѭӧng có thӇ bӏ chiӃm ÿҫy hoàn toàn, mӝt phҫn hoһc bӓ trӕng hoàn toàn. 6
0ӝt ÿLӋn tӱ muӕn tham gia vào thành phҫn dòng ÿLӋn phҧi trӣ thành ÿLӋn tӱ tӵ do, nghƭa là nó phҧi có ÿӫ năng lѭӧng nhҧy tӯ vùng hóa trӏ, vѭӧt qua vùng cҩm lên vùng dүn. Bӣi vұy, ÿӝ rӝng cӫa vùng cҩm là tiêu chuҭn ÿӇ phân biӋt vұt rҳn là vұt liӋu dүn ÿLӋn, bán dүn, hay cách ÿLӋn. Nhѭ vұy, ÿӝ Uӝng cӫa vùng cҩm càng lӟn thì ÿӝ dүn càng kém, chiӅu rӝng cӫa vùng cҩm sӁ xác ÿӏnh năng lѭӧng cҫn thiӃt ÿӇÿLӋn tӱ bӭt khӓi các liên kӃt hóa hӑc ÿӇ tham gia vào quá trình tҧi ÿLӋn. ĈӇÿѫn giҧn, kí hiӋu ÿáy vùng dүn là Ec, ÿӍnh cӫa vùng hóa trӏ kí hiӋu là Ev. Khoҧng cách giӳa Ec và Ev là vùng cҩm DEg. 1.3. Bán dүn tinh khiӃt Khi các ÿLӋn tӱ hóa trӏ nhұn ÿѭӧc các năng lѭӧng tӯ bên ngoài (nhiӋt ÿӝ, ánh sáng) ÿӫ lӟn, có thӇ thoát ÿѭӧc lӵc liên kӃt trӣ thành ÿLӋn tӱ tӵ do (nhҧy lên vùng dүn) tham gia vào thành phҫn dòng ÿLӋn. Khi ҩy trong vùng hoá trӏ do thiӃu hөt ÿLӋn tӱ nên xuҩt hiӋn mӭc năng lѭӧng bӓ trӕng. ĈLӅu ÿó ÿѭa tӟi sӵ dүn ÿLӋn trong vùng hoá trӏ. Nhӳng ÿLӇm thiӃu hөt ÿLӋn tӱ trong vùng hoá trӏ có thӇ xem nhѭ là tҥi ÿҩy tӗn tҥi ÿLӋn tích dѭѫng còn gӑi là lӛ trӕng. Khác vӟi ion, các lӛ trӕng có thӇ di chuyӇn trong vұt rҳn là do ÿLӋn tӱ bên cҥnh lҩp ÿҫy lӛ trӕng ÿó và nó lҥi ÿӇ lҥi mӝt lӛ trӕng và lӛ trӕng này di chuyӇn mӝt cách tӵ do theo hѭӟng ngѭӧc vӟi hѭӟng cӫa ÿLӋn tӱ. ĈLӅu ÿó có nghƭa là viӋc ÿӭt mӝt liên kӃt ÿӗng hoá trӏ làm cho mӝt ÿLӋn tӱ chuyӇn dӡi tӯ vùng hoá trӏ lên vùng dүn. Quá trình trên ÿѭӧc gӑi là quá trình phát xҥ cһp ÿLӋn tӱ - lӛ trӕng. Nhѭ Yұy trong bán dүn sҥch, các hҥt dүn ÿѭӧc tҥo ra chӫ yӃu bӣi quá trình hình thành (phát sinh) cһp ÿLӋn tӱ lӛ trӕng. Trong ÿó, ÿLӋn tӱ trong vùng dүn, lӛ trӕng trong vùng hóa trӏ. Ngѭӧc lҥi vӟi quá trình phát sinh cһp ÿLӋn tӱ - lӛ trӕng là quá trình tái Kӧp ÿLӋn tӱ và lӛ trӕng, tӭc là quá trình xây dӵng lҥi mӝt liên kӃt nhӡÿLӋn tӱ Wӵ do rѫi tӯ vùng dүn xuӕng vùng hóa trӏ (sӵ phát xҥ năng lѭӧng). 7
Hình 1.8. Quá trình phát sinh và tái hͫp ÿL͏n t͵, l͟ tr͙ng. Ӣ trҥng thái cân bҵng nhiӋt ÿӝng, sӕÿLӋn tӱ phát sinh ÿúng bҵng sӕÿLӋn Wӱ tái hӧp. Bán dүn nhѭ vұy ÿѭӧc gӑi là bán dүn ròng (bán dүn tinh khiӃt). 1.4. Bán dүn loҥi P Pha tҥp Silic vӟi các nguyên tӱ hóa trӏ 3 nhѭ Al, thì mӛi nguyên tӱ tҥp chҩt hóa trӏ 3 thay thӃ vӏ trí nguyên tӱ bán dүn tinh khiӃt gӕc và tҥo ra liên NӃt ÿӗng hóa trӏ vӟi 3 nguyên tӱ láng giӅng gҫn nhau nhҩt, còn liên kӃt thӭ 4 không hoàn hҧo và vì vұy làm xuҩt hiӋn 1 lӛ trӕng. Do vұy, chӍ cҫn 1 năng Oѭӧng rҩt nhӓ cǊng cho phép mӝt ÿLӋn tӱ cӫa liên kӃt ÿӗng hóa trӏ gҫn ÿó ÿӃn chiӃm lӛ trӕng và làm ÿӭt các liên kӃt khác. Các nguyên tӱ tҥp chҩt hóa trӏ 3 này có xu hѭӟng bҳt ÿLӋn tӱ cӫa vùng hóa trӏ làm tăng lӛ trӕng trong bán dүn nên ngѭӡi ta gӑi là tҥp chҩt aceptor, còn bán dүn có tҥp chҩt loҥi này gӑi là bán dүn loҥi P. 8
Hình 1.9. Tҥp chҩt aceptor trong ÿѫn tinh thӇ Si Hình 1.10. Giҧn ÿӗ mӭc năng lѭӧng aceptor 0ӭc năng lѭӧng aceptor Ea nҵm gҫn ÿӍnh vùng hóa trӏ, bӣi vұy chӍ cҫn Pӝt năng lѭӧng nhӓ (năng lѭӧng ion hóa) cǊng có thӇ làm cho ÿLӋn tӱ nhҧy tӯ vùng hóa trӏ lên các mӭc aceptor làm cho nguyên tӱ tҥp chҩt ion hóa trӣ thành ion âm, ÿӗng thӡi làm xuҩt hiӋn các lӛ trӕng trong vùng hóa trӏ. 1.5. Bán dүn loҥi N Nguyên tӱ Si: Mӛi nguyên tӱ có bӕn ÿLӋn tӱ hoá trӏ gӝp chung vӟi bӕn nguyên tӱ bên cҥnh ÿӇ tҥo thành mӕi liên kӃt ÿӗng hoá trӏ. Pha tҥp Si vӟi các nguyên tӱ thuӝc nhóm V, chҷng hҥn nhѭ phӕt pho thì các nguyên tӱ tҥp chҩt sӁ liên kӃt ÿӗng hóa trӏ vӟi 4 nguyên tӱ Si láng giӅng gҫn nhҩt. Nhѭ vұy còn thӯa ra 1 ÿLӋn tӱ hóa trӏ sӁ có liên kӃt yӃu vӟi 9
nguyên tӱ láng giӅng xung quanh và cǊng liên kӃt yӃu vӟi nguyên tӱ cӫa chính nó. Nên chӍ cҫn 1 năng lѭӧng nhӓ cǊng giҧi phóng nó khӓi nguyên tӱ Fӫa nó ÿӇ trӣ thành ÿLӋn tӱ tӵ do. 7ҥp chҩt hóa trӏ 5 này ÿѭӧc gӑi là tҥp chҩt ÿôno, có nghƭa là tҥp chҩt ÿLӋn tӱ tӵ do. Còn chҩt bán dүn có tҥp chҩt dono gӑi là bán dүn loҥi N. Các ÿLӋn tӱÿѭӧc gӑi là hҥt ÿa sӕ, các lӛ trӕng ÿѭӧc gӑi là hҥt thiӇu sӕ. Hình 1.11. Tҥp chҩt dono trong ÿѫn tinh thӇ Si Tính dүn ÿLӋn trong bán dүn loҥi N do ÿLӋn tӱ quyӃt ÿӏnh. ViӋc pha tҥp chҩt ÿôno sӁ làm xuҩt hiӋn trong vùng cҩm cӫa bán dүn này nhӳng mӭc năng Oѭӧng cөc bӝ nҵm sát dѭӟi ÿáy vùng dүn gӑi là mӭc năng lѭӧng dono. 10
Hình 1.12. Giҧn ÿӗ mӭc năng lѭӧng dono Khoҧng cách tӯ ÿáy vùng dүn ÿӃn mӭc dono nhӓ hѫn nhiӅu so vӟi ÿӝ Uӝng vùng cҩm. Vì vұy năng lѭӧng cҫn thiӃt ÿӇÿLӋn tӱ nhҧy tӯ mӭc dono lên vùng dүn (năng lѭӧng ion hóa) nhӓ hѫn rҩt nhiӅu năng lѭӧng cҫn thiӃt ÿӇÿѭa ÿLӋn tӱ tӯ vùng hóa trӏ lên vùng dүn. 1.6. Ĉӝ linh ÿӝng, ÿӝ dүn 'ѭӟi tác ÿӝng cӫa ÿLӋn trѭӡng, hҥt dүn chuyӇn ÿӝng ÿӏnh hѭӟng có gia Wӕc tҥo nên mӝt dòng ÿLӋn (gӑi là dòng trôi) vӟi vұn tӕc trung bình tӹ lӋ vӟi Fѭӡng ÿӝ E cӫa ÿLӋn trѭӡng: vEtb = m Suy ra: vtbn = -mn E vtrp = m p E Trong ÿó mp và mn là các hӋ sӕ tӹ lӋ gӑi là ÿӝ linh ÿӝng cӫa các hҥt dүn Wѭѫng ӭng. 7ӯÿó mұt ÿӝ dòng trôi gӗm hai thành phҫn: Itrôin = - qnvtbn Itrôip = qpvtbp Hay dòng trôi toàn phҫn 11
Itrôi = Itrôin+Itrôip Itrôi = qE(n mn +p mp ) 0һt khác: I = ıE Trong ÿó: ı : Là ÿӝ dүn [S/m] ı = ın + ıp = qnın+ qpıp Ĉӕi vӟi bán dүn thuҫn: ı = qniınıp) Trong bán dүn loҥi N vì nn>> pp ı = ın= qnın Trong bán dүn loҥi P vì có pp >> nn ı = ıp= qpıp 1Ӄu bӏ ion hoá hoàn toàn, nӗng ÿӝÿLӋn tӱ là Nd ın = qınNd 7ѭѫng tӵ nӃu bӏ ion hoá hoàn toàn ıp = qıpNa 12
Chѭѫng 2: CҨU TRÚC MҤCH VI Ĉ,ӊN TӰ 2.1. ChuyӇn tiӃp PN %ҵng các biӋn pháp công nghӋ, ngѭӡi ta tҥo ra ÿѭӧc vùng chuyӇn tiӃp PN có tính dүn ÿLӋn tӯ bán dүn loҥi P sang bán dүn loҥi N. Ĉây là dҥng tiӃp xúc phi tuyӃn có tính dүn ÿLӋn không ÿӕi xӭng theo hai chiӅu ÿLӋn áp ÿһt vào. Hình 2.1. ChuyӇn tiӃp PN a. ChuyӇn tiӃp PN ӣ trҥng thái cân bҵng Bán dүn loҥi P, lӛ trӕng là hҥt dүn ÿa sӕ, ÿLӋn tӱ là hҥt dүn thiӇu sӕ. Bán dүn loҥi N, ÿLӋn tӱ là hҥt dүn ÿa sӕ, lӛ trӕng là hҥt dүn thiӇu sӕ. Khi hình thành chuyӇn tiӃp PN, tҥi bӅ mһt tiӃp xúc, lӛ trӕng sӁ khuӃch tán tӯ bán dүn P sang bán dүn N, ngѭӧc lҥi ÿLӋn tӱ sӁ khuӃch tán sang bán dүn P (vì có sӵ chênh lӋch vӅ nӗng ÿӝ nn >>np và pp>>pn). Nhѭ vұy, tҥi gҫn bӅ mһt tiӃp xúc bán dүn P sӁ có nhӳng ion âm cӫa các nguyên tӱ acxepto ÿã bӏ ion hóa, tҥi Jҫn bӅ mһt tiӃp xúc bán dүn N còn lҥi các ion dѭѫng cӫa các dono bӏ ion hóa. Do sӵ khuӃch tán các hҥt ÿa sӕ mà tҥi miӅn lân cұn mһt tiӃp xúc mҩt ÿһc tính trung hòa vӅÿLӋn. Phía N tích ÿLӋn dѭѫng, phía P tích ÿLӋn âm, hình thành nên 1 ÿLӋn trѭӡng khuӃch tán Ekt, gӑi là nӝi trѭӡng (trѭӡng phía bên trong), chiӅu cӫa Ekt tӯ hѭӟng tӯ N sang P. Nhѭ vұy, Ekt chӕng lҥi sӵ dӏch chuyӇn Fӫa các hҥt ÿa sӕ (chӕng lҥi xu hѭӟng khӃch tán ban ÿҫu). Nhѭng trѭӡng hӧp 13
này lҥi cuӕn ÿLӋn tӱ tӯ P sang N, lӛ trӕng tӯ N sang P làm tăng cѭӡng sӵ dӏch chuyӇn cӫa hҥt dүn thiӇu sӕ. Khi sӵ khuӃch tán xҧy ra mãnh liӋt vùng ÿLӋn tích âm, dѭѫng ӣ 2 phía bán dүn P, N càng rӝng ra (sӕÿLӋn tích tăng lên) và Ekt tăng lên, dòng khuӃch tán các hҥt ÿa sӕ Ikt giҧm ÿi, còn dòng cuӕn các hҥt thiӇu sӕ Itr ngày càng tăng lên. Cuӕi cùng dòng cuӕn các hҥt ÿa sӕ bҵng dòng cuӕn các hҥt thiӇu sӕ (Ikt = Itr), tӭc là có bao nhiêu hҥt dүn ÿѭa tӯ P sang N thì có bҩy nhiêu hҥt dүn ÿѭӧc ÿѭa tӯ N sang P, chuyӇn tiӃp P-N ӣ trҥng thái cân Eҵng. Ĉó là mӝt trҥng thái cân bҵng ÿӝng. Ӣ trҥng thái cân bҵng, sӕ ion âm nҵm trên bӅ mһt tiӃp xúc vӅ phía P và Vӕ ion dѭѫng nҵm trên bӅ mһt tiӃp xúc vӅ phía N bҵng nhau không ÿәi, do ÿó Fѭӡng ÿӝ nӝi trѭӡng Etx cǊng ÿҥt tӟi giá trӏ nhҩt ÿӏnh. MiӅn các ion dѭѫng và âm trên không có hҥt dүn cho nên gӑi ÿó là miӅn ÿLӋn tích không gian (ÿôi khi còn gӑi là miӅn nghèo). Khoҧng cách tӯ bӡ miӅn ÿLӋn tích không gian phía P sang bӡ miӅn ÿLӋn tích không gian phía N gӑi là ÿӝ rӝng miӅn ÿLӋn tích không gian (Xm). Khi ÿҥt ÿӃn trҥng thái cân bҵng ÿӝ rӝng miӅn ÿLӋn tích không gian FǊng xác ÿӏnh. HiӋu ÿLӋn thӃ tiӃp xúc có giá trӏ xác lұp, ÿѭӧc xác ÿӏnh bӣi : kT N A ND y tx = ln 2 q ni b. ChuyӇn tiӃp PN khi ÿѭӧc phân cӵc thuұn Ĉһt vào chuyӇn tiӃp P-N mӝt trѭӡng ÿLӋn tӯ bên ngoài làm cho trҥng thái cân bҵng cӫa chuyӇn tiӃp P-N bӏ phá vӥ. ĈLӋn trѭӡng bên ngoài Eng có chiӅu ngѭӧc vӟi chiӅu cӫa ÿLӋn trѭӡng khuӃch tán Ekt thì ÿLӋn trѭӡng tәng cӝng trong vùng ÿLӋn tích không gian sӁ bӏ giҧm xuӕng làm cho các hҥt cѫ bҧn sӁ xích lҥi gҫn nhau hѫn vӟi lӟp tiӃp xúc. Xét ÿӝ rӝng cӫa miӅn ÿLӋn tích không gian: Do ÿLӋn cӵc cӫa ÿLӋn áp bên ngoài ÿһt vào, các lӛ trӕng trong bán dүn P và ÿLӋn tӱ trong bán dүn N bӏÿҭy vӅ phía miӅn ÿLӋn tích không gian, trung hoà bӟt các ion dѭѫng và âm cӫa miӅn này do ÿó làm cho ÿӝ rӝng cӫa miӅn này hҽp lҥi. ĈLӋn áp thuұn càng lӟn, sӕ hҥt Gүn ÿa sӕ bӏÿҭy vӅ phía miӅn ÿLӋn tích không gian càng nhiӅu và ÿӝ rӝng cӫa nó càng giҧm nhӓ. Rõ ràng là ÿӝ rӝng miӅn ÿLӋn tích không gian giҧm nhӓ 14
Wѭѫng ӭng vӟi sӕÿLӋn tích vùng này giҧm và do ÿó ÿLӋn trѭӡng cӫa nó cǊng giҧm nhӓ so vӟi khi cân bҵng mӝt lѭӧng là (Y tx – U). c. ChuyӇn tiӃp PN khi ÿѭӧc phân cӵc ngѭӧc Eng cùng chiӅu vӟi Ekt làm cho ÿLӋn trѭӡng tәng cӝng trong vùng ÿLӋn tích không gian tăng lên và ngăn các hҥt tҧi cѫ bҧn trong vùng trӕng xích lҥi Jҫn lӟp tiӃp xúc công nghӋ, vì vұy chiӅu rӝng vùng ÿLӋn tích không gian tăng lên, hàng rào thӃ năng cǊng tăng lên mӝt ÿҥi lѭӧng là q( Y tx +V) và các hҥt tҧi Fѫ bҧn không ÿӫ năng lѭӧng ÿӇ vѭӧt qua hàng rào thӃ năng này, dүn ÿӃn sӵ suy giҧm dòng các hҥt tҧi qua chuyӇn tiӃp PN. Khi chuyӇn tiӃp PN phân cӵc ngѭӧc dòng các hҥt tҧi không cѫ bҧn (các ÿLӋn tӱ trong miӅn p, các lӛ trӕng trong miӅn n) có thӇ chuyӇn dӏch vào trong miӅn tiӃp xúc. Lúc này sӁ có 1 dòng ÿLӋn rҩt nhӓ chuyӇn rӡi qua chuyӇn tiӃp PN; dòng ÿLӋn này ÿѭӧc gӑi là dòng ÿLӋn ngѭӧc (dòng rò) cӫa chuyӇn tiӃp PN. Dòng này có xu hѭӟng tiӃn tӟi 1 giá trӏ bão hòa nào ÿó, và gӑi là dòng bão hòa. 2.2. Công nghӋ lѭӥng cӵc 0ҥch tích hӧp ÿҫu tiên (1960) ÿѭӧc chӃ tҥo dӵa trên các transistor Oѭӥng cӵc, và rҩt nhiӅu loҥi vi mҥch SSI, MSI, LSI hiӋn nay cǊng ÿѭӧc phát triӇn tӯ nhӳng mҥch ban ÿҫu này. Ĉӝng lӵc ÿӇ phát triӇn các mҥch IC là ÿӇ chӃ tҥo các máy tính ngày càng nhӓ hѫn và chҩt lѭӧng hѫn. Các mҥch lѭӥng Fӵc trong các máy tính hiӋn nay là các mҥch logic TTL, ECL và mӝt sӕ mҥch khác, sӱ dөng các loҥi transistor NPN, các diode và các ÿLӋn trӣ khuӃch tán, ÿӇ thӵc hiӋn nhiӅu chӭc năng logic khác nhau. 0ӝt trong nhӳng yêu cҫu quan trӑng ÿӕi vӟi tҩt cҧ các mҥch trên ÿây là cách ÿLӋn giӳa các linh kiӋn khác nhau. Chúng ta sӁ xét mӝt sӕ kӻ thuұt cách ÿLӋn trong các vi mҥch. 2.2.1. Cách ÿLӋn bҵng chuyӇn tiӃp PN .ӻ thuұt cách ÿLӋn phә biӃn nhҩt trong các IC thӃ hӋÿҫu tiên là sӱ dөng chuyӇn tiӃp PN phân cӵc ngѭӧc. Vұt liӋu ban ÿҫu là ÿӃ loҥi P, trên ÿó có cҩy 15
Pӝt lӟp epitaxy loҥi N. Các vùng N riêng rӁÿѭӧc tҥo ra bҵng cách khuyӃch tán tҥp loҥi P qua lӟp epitaxy ÿӃn tұn ÿӃ. Sѫÿӗ mһt cҳt ÿӃ vӟi vùng N cách ly ÿѭӧc biӇu diӉn trên hình 2.2. Hình 2.2. Mһt cҳt chӍ rõ vùng epitaxy loҥi N ÿѭӧc bao quanh Eӣi khuӃch tán loҥi P Vùng N này hoàn toàn ÿѭӧc bao quanh bӣi khuyӃch tán loҥi P, và nӃu chuyӇn tiӃp PN ÿѭӧc phân cӵc ngѭӧc thì sӁ cách ÿLӋn tӕt cho dòng mӝt chiӅu. Tuy nhiên, ÿӕi vӟi tín hiӋu xoay chiӅu thì tính chҩt cách ÿLӋn sӁ giҧm khi tҫn Vӕ tín hiӋu tăng, nguyên nhân là chuyӇn tiӃp có ÿLӋn dung và trӣ kháng cӫa ÿLӋn dung giҧm khi tҫn sӕ tăng. 2.2.2. Cách ÿLӋn bҵng Oxide ViӋc thay thӃ vùng cách ÿLӋn loҥi p bҵng oxide sillic cho phép tiӃt kiӋm diӋn tích vì nó không cҫn ÿӃn chuyӇn tiӃp pn và do ÿó loҥi loҥi trӯ cҧ vùng nghèo cӫa chuyӇn tiӃp. Oxide là vұt liӋu cách ÿLӋn tӕt. Giҧn ÿӗ cҩu trúc linh kiӋn vӟi cách ÿLӋn oxide ÿѭӧc trình bày ӣ hình 2.3. 16
Hình 2.3. Cách ÿLӋn bҵng oxide trong trѭӡng hӧp lý tѭӣng. Trên thӵc tӃ ta sӁ nhұn ÿѭӧc cҩu trúc “mӓ chim” chӭ không thӇ nhұn ÿѭӧc Oxide cách ÿLӋn vuông góc lý tѭӣng nhѭ hình vӁ. 2.2.3. Transistor lѭӥng cӵc a. Cҩu trúc mһt cҳt Transistor NPN ThiӃt kӃ các IC lѭӥng cӵc bao gӗm viӋc hӧp mҥng ÿLӋn các transistor, diode, ÿLӋn trӣ và tөÿLӋn. Không có cuӝn cҧm, biӃn thӃ và thѭc tӃ thì tөÿLӋn chӍ có giá trӏ giӟi hҥn ÿӃn vài chөc pF. Linh kiӋn quan trӑng nhҩt trong IC Oѭӥng cӵc là các transistor và cҩu trúc mһt cҳt cӫa mӝt transistor NPN công suҩt thҩp ÿѭӧc trình bày nhѭ hình vӁ 2.4. Ӣ ÿây sӱ dөng cách ÿLӋn oxide. Phҫn tích cӵc cӫa transistor là vùng nҵm ngay dѭӟi Emitter. ĈLӋn tӱ ÿѭӧc phun tӯ Emitter N+ vào Bazѫ loҥi P dѭӟi tác dөng cӫa ÿLӋn áp ÿһt trên chuyӇn tiӃp BE. Hình 2.4. Cҩu trúc mһt cҳt cӫa Transistor NPN 17
Các thông sӕ thiӃt kӃ quan trӑng liên quan ÿӃn dòng mӝt chiӅu, khuӃch ÿҥi dòng mӝt chiӅu và ÿLӋn áp ÿánh thӫng. Ĉӕi vӟi hoҥt ÿӝng tín hiӋu nhӓ thì Wҫn sӕ cӵc ÿҥi, tӕc ÿӝ chuyӇn mҥch, ÿLӋn dung chuyӇn tiӃp và ÿLӋn trӣ nӕi tiӃp ÿóng vai trò quan trӑng. Ta thҩy rҵng dòng chҥy thҷng góc tӯ E, qua B ÿӃn C, nhѭng phҧi chҥy ngang qua lӟp epitaxy ÿӇÿӃn tiӃp xúc collector. Vì cҫn có ÿLӋn áp ÿánh thӫng cao nên lӟp epitaxy cҫn có ÿLӋn trӣ suҩt tѭѫng ÿӕi lӟn, và do ÿó sinh ra ÿLӋn trӣ nӕi tiӃp lӟn giӳa vùng hoҥt ÿӝng dѭӟi E và tiӃp xúc C. ĈLӋn trӣ nӕi tiӃp ҧnh hѭӣng xҩu ÿӃn tính năng cӫa transistor. ĈӇÿӗng thӡi duy trì ÿLӋn trӣ suҩt cao cӫa lӟp epitaxy và giҧm ÿLӋn trӣ nӕi tiӃp collector, mӝt lӟp ÿLӋn trӣ suҩt thҩp ÿѭӧc chӃ tҥo ngay phía dѭӟi transistor . Lӟp chôn N+ӣÿây ÿѭӧc chӃ tҥo trѭӟc khi cҩy lӟp epitaxy. b. ĈLӋn trӣ Bazѫ và Collector Trong cҩu trúc thӵc cӫa transistor dòng chҥy tӯ vùng tích cӵc ngay dѭӟi Emitter ÿӃn tiӃp xúc Bazѫ và Collector. Nó ÿi qua phҫn silic không ÿóng vai trò gì cho hoҥt ÿӝng khuӃch ÿҥi, mà ngѭӧc lҥi, phҫn silic này là ÿLӋn trӣÿӕi Yӟi dòng, và ÿLӋn trӣÿó cҫn phҧi ÿѭa vào mô hình tính toán transistor. Quan trӑng nhҩt ӣ dây là ÿLӋn trӣ Bazѫ và Collector. Dòng Bazѫ trong mӝt transistor tín hiӋu nhӓ chҥy tӯ phía dѭӟi Emitter ÿi qua vùng ÿLӋn trӣ cao cӫa Bazѫ và ÿӃn tiӃp xúc Bazѫ nhѭ hình 2.5. 18
Hình 2.5. ĈLӋn trӣ Bazѫ giӳa tiӃp xúc Bazѫ và vùng tích cӵc dѭӟi Emitter. Có thӇ chia quãng ÿѭӡng ÿi cӫa dòng thành ba phҫn: Phҫn ngay dѭӟi tiӃp xúc Bazѫ (ra), phҫn giӳa tiӃp xúc Bazѫ và mép Emitter (rb) và phҫn dѭӟi Emitter (rc) Phân tích chi tiӃt ba phҫn trên cho ta các giá trӏÿLӋn trӣ nhѭ sau: rB xBC rBdEB rBdE ra = ; rb = ; rC = 3d B LE WB LE 6WB LE Trong ÿó: rB là ÿLӋn trӣ suҩt trung bình cӫa miӅn Bazѫ, LE là chiӅu dài Fӫa tiӃp xúc Bazѫ và cǊng là chiӅu rӝng cӫa Emitter. 7әng ÿLӋn trӣ Bazѫ là: rbb = ra + rb + rc Thông thѭӡng rbb có giá trӏ trong khoҧng tӯ 50ÿӃn 200. Có thӇ nhұn ÿѭӧc biӇu thӭc ÿLӋn trӣ Collector mӝt cách tѭѫng tӵ. Ĉѭӡng ÿi Fӫa dòng Collector cǊng ÿѭӧc chia làm 3 phҫn nhѭ hình 2.6. 19
Hình 2.6. ĈLӋn trӣ Collector giӳa tiӃp xúc Collector và vùng phía dѭӟi Emitter. Giҧ thiӃt lӟp chôn N+ trҧi dài tӯ phía dѭӟi Emitter ÿӃn dѭӟi tiӃp xúc Collector. ĈLӋn trӣ các phҫn nhѭ sau: rC (X epi - X E ) rS dEC rC (X epi - X BC ) ra = ; rb = ; rC = dC LC (LE + LC )/ 2 dE LE + Trong ÿó rc là ÿLӋn trӣ suҩt lӟp epitaxy, rS là ÿLӋn trӣ vuông cӫa lӟp chôn n . c. ĈLӋn dung chuyӇn tiӃp mӝt phía PN ĈLӋn dung cӫa mӝt chuyӇn tiӃp ÿӝt ngӝt (mӝt phía) P+N hoһc PN+ phân Fӵc ngѭӧc ÿѭӧc cho bӣi: 1 / 2 é e0e SiqN ù C = Aê ú ë2(V +f0 )û Trong ÿó: A là diӋn tích chuyӇn tiӃp, N là nӗng ÿӝ tҥp cӫa vùng pha tҥp thҩp và f0 là thӃ khuӃch tán ÿѭӧc cho bӣi: kT N A ND f0 = ln 2 q ni 0ӝt thông sӕ liên quan ӣÿây là chiӅu rӝng lӟp nghèo ÿѭӧc cho bӣi: 20
1 / 2 é2e 0e Si (V +f0 )ù x = ê ú ë qN û 2.2.4. Diode, ÿLӋn trӣ và tөÿLӋn Khi thiӃt kӃ mҥch tích hӧp, ngѭӡi ta chӍ có ÿѭӧc mӝt sӕ giӟi hҥn cҩu kiӋn nhѭÿLӋn trӣ, diode và tөÿLӋn dung nhӓ. Giá trӏÿLӋn trӣ tӯ vài chөc ÿӃn vài chөc K. Có thӇ có ÿLӋn trӣ lӟn hѫn nhѭng vӟi sai sӕ lӟn và phө thuӝc vào nhiӋt ÿӝ. Vӟi mҥch IC, diӋn tích các linh kiӋn có vai trò quan trӑng, và vì transistor thѭӡng nhӓ hѫn nhiӅu so vӟi ÿLӋn trӣ và tөÿLӋn nên trong thiӃt NӃ ngѭӡi ta ÿѭa vào mӝt sӕ lѭӧng lӟn transistor. Do tҫm quan trӑng cӫa transistor, quá trình chӃ tҥo vi mҥch ÿѭӧc tӕi ѭu hóa cho transistor, các phҫn Wӱ khác phҧi có khҧ năng ÿѭӧc chӃ tҥo theo cùng quy trình. Vӟi mӝt sӕӭng Gөng ÿһc biӋt, có thӇ cҫn thêm mӝt sӕ khâu công nghӋ, nhѭng tәng giá thành VӁ tăng. Diode trong mҥch tích hӧp có thӇ dӉ dàng tҥo tӯ mӝt chuyӇn tiӃp PN Fӫa transistor. CǊng các chuyӇn tiӃp ÿó, khi phân cӵc ngѭӧc có thӇ dùng nhѭ Pӝt tөÿLӋn. ĈLӋn trӣÿѭӧc chӃ tҥo tӯ vұt liӋu loҥi n hoһc loҥi p. Có thӇ sӱ Gөng cҩy ion ÿӇ chӃ tҥo ÿLӋn trӣ có trӏ sӕ lӟn. a. Diode Nhѭÿã nói ӣ trên, diode ÿѭӧc nhұn tӯ chuyӇn tiӃp PN cӫa transistor. 0ӝt sӕ cách cҩu hình diode dӵa trên transistor npn ÿѭӧc chӍ ra trong bҧng Gѭӟi ÿây. 21
&ҩu hình ĈLӋn trӣ nӕi ĈLӋn áp ĈLӋn dung Thӡi gian trӉ diode tiӃp ÿánh thӫng Thҩp ~ rbb Thҩp 5-7V Cbe ~ 0,5pF Cao ~ 70ns Thҩp ~ rbbȕ Thҩp 5-7V Cbe ~ 0,5pF Thҩp ~ 5ns Cao ~ rbb + rcc Cao > 40V Cbe ~ 0,7pF Cao ~ 120ns Cao ~ rbb + rcc Cao > 40V Cbe ~ 0,7pF Cao ~ 90ns Cao ~ rbb + rcc Thҩp 5-7V Cbe ~ 1,2pF Cao ~ 150ns %ҧng 2.1. Các cách cҩu hình Diode b. ĈLӋn trӣ Trӏ sӕ cӫa ÿLӋn trӣ trong IC phө thuӝc vào kích thѭӟc hình hӑc và vұt liӋu sӱ dөng. Phѭѫng trình cѫ bҧn cӫa ÿLӋn trӣ là: l R = r S 9ӟi ȡ là ÿLӋn trӣ suҩt cӫa vұt liӋu, L là chiӅu dài cӫa mүu, S là diӋn tích tiӃt diӋn ngang. r Ĉһt: R͕ = (͕) d 22
L => R = R͕ W Hình 2.7 dѭӟi ÿây là mһt cҳt ÿLӋn trӣ khuӃch tán nhұn ÿѭӧc tӯ vùng khuӃch tán Bazѫ. Hình 2.7. Mһt cҳt ÿLӋn trӣ khuӃch tán c. TөÿLӋn 9ҩn ÿӅ chính cӫa các tөÿLӋn trong IC là diӋn tích. ĈLӋn dung cho bӟi: C = C0 S -4 -3 2 Trong ÿó: C0 thѭӡng có giá trӏ trong khoҧng 10 ÿӃn 10 pF/ȝm . Tө ÿLӋn vӟi ÿLӋn dung 1pF ÿòi hӓi diӋn tích 104ÿӃn 103ȝm2. Ĉӕi vӟi IC Silic, ÿây là mӝt diӋn tích lӟn, vì vұy giá trӏÿLӋn dung thѭӡng ÿѭӧc giӟi hҥn ӣ vài pF. Có hai loҥi tөÿLӋn cѫ bҧn là: Tө chuyӇn tiӃp PN và tө MOS (Kim loҥi – Oxide - Silic). 7ө chuyӇn tiӃp PN là Diode diӋn tích lӟn, sӱ dөng mӝt hoһc hai chuyӇn tiӃp PN cӫa transistor. ĈLӋn dung lӟn nhҩt nhұn ÿѭӧc khi dùng cҧ hai chuyӇn tiӃp B-E và B-C mҳc song song nhѭ hình 2.8. ChuyӇn tiӃp phҧi luôn ÿѭӧc phân cӵc ngѭӧc. Hình 2.8. TөÿLӋn sӱ dөng cҧ hai chuyӇn tiӃp E-B và B-C 23
0һt cҳt cӫa tө MOS ÿѭӧc trình bày trên hình 2.9. Bҧn cӵc trên là màng Al và bҧn cӵc dѭӟi là lӟp n+ khuӃch tán cùng Emitter. ĈLӋn môi là lӟp SiO2 Fҩy trê lӟp khuӃch tán n+. Giá trӏÿLӋn dung cho bӣi công thӭc: Hình 2.9. Mһt cҳt tө MOS. 2.3. Công nghӋ CMOS 2.3.1. Mӣÿҫu CMOS là thuұt ngӳ chӍ mӝt lӑai công nghӋ dùng ÿӇ chӃ tҥo vi mҥch tích hӧp. Công nghӋ CMOS ÿѭӧc dùng ÿӇ chӃ tҥo vi xӱ lý, vi ÿLӅu khiӇn, RAM tƭnh và các mҥch lôgíc sӕ khác. Công nghӋ CMOS cǊng ÿѭӧc dùng rҩt nhiӅu trong các mҥch tѭѫng tӵ nhѭ cҧm biӃn hình ҧnh, chuyӇn ÿәi kiӇu dӳ liӋu, và các vi mҥch thu phát có mұt ÿӝ tích hӧp cao trong lƭnh vӵc thông tin. Trong thiӃt kӃ các hàm lôgíc trong các vi mҥch CMOS sӱ dөng cҧ hai loҥi transistor PMOS và NMOS. Hai ÿһc tính cѫ bҧn cӫa các linh kiӋn ÿѭӧc chӃ tҥo bҵng công nghӋ CMOS là có ÿӝ miӉn nhiӉu cao và tiêu thө năng lѭӧng ӣ trҥng thái tƭnh rҩt thҩp. Các vi mҥch CMOS chӍ tiêu thө năng lѭӧng mӝt cách ÿáng kӇ khi các transistor bên trong nó chuyӇn ÿәi giӳa các trҥng thái ÿóng (ON) và mӣ (OFF). KӃt quҧ là các thiӃt bӏ CMOS ít tiêu thө năng lѭӧng và tҥo ra ít nhiӋt Kѫn so vӟi các loҥi mҥch lôgíc khác nhѭ mҥch transistor-transistor logic (TTL). CMOS cǊng cho phép tích hӧp các hàm lôgíc vӟi mұt ÿӝ cao trên chíp. 24
Công nghӋ CMOS ÿҫu tiên là công nghӋ PMOS. ĈӃn ÿҫu nhӳng năm 1970, công nghӋ NMOS chiӃm ѭu thӃ do ÿӝ linh ÿӝng cӫa ÿLӋn tӱ cao hѫn. So vӟi công nghӋ lѭӥng cӵc thì công nghӋ CMOS có giá thành thҩp hѫn (vì sӱ dөng ít mһt nҥ quang hѫn) ÿӗng thӡi lҥi có mұt ÿӝ tә hӧp lӟn (1000-20.000 Fәng/chip). Nhѭng nó lҥi có nhѭӧc ÿLӇm là tӕc ÿӝ chұm hѫn. a, b, c, Hình 2.10. Phҫn tӱÿҧo CMOS : 6ѫÿӗÿLӋn (a), Sѫÿӗ bӕ trí mҥch (b), Mһt cҳt dӑc (c) 25
2.3.2. Quá trình chӃ tҥo Hình 2.11. Lѭӧc ÿӗ quy trình chӃ tҥo mҥch CMOS Công nghӋ CMOS ÿѭӧc sӱ dөng rӝng rãi cho các mҥch sӕ và các bѭӟc công nghӋ ÿѭӧc tӕi ѭu hóa ÿӇ có mұt ÿӝ tә hӧp rҩt cao. Các linh kiӋn MOS không ÿòi hӓi công nghӋ khuӃch tán hoһc oxy hóa riêng ÿӇ cách ÿLӋn giӳa chúng. Các vùng tích cӵc ÿѭӧc cách ÿLӋn vӟi nhau bӣi các chuyӇn tiӃp P-N phұn cӵu ngѭӧc cӫa bҧn thân các linh kiӋn. Trên thӵc tӃ, các mҥch MOS tiên tiӃn thѭӡng sӱ dөng lӟp oxide dày hoһc các vùng bҧo vӋ cҩy ion loҥi n+ hoһc p+ ÿӇ cҧi thiӋn tính năng cӫa mҥch. Mât ÿӝ tә hӧp cao cӫa mҥch MOS cǊng là nhӡ các mҥch sӕ cҩu tҥo hoàn toàn tӯ các transistor MOS mà không cҫn sӱ Gөng các ÿLӋn trӣ khuӃch tán, thѭӡng chiӃm nhiӅu diӋn tích hѫn bҧn thân transistor. Dòng ÿLӋn trong mҥch MOS ÿӅu chҥy trong lӟp rҩt mӓng trên bӅ Pһt bán dүn, do vұy không cҫn thiӃt phҧi có lӟp chuyӇn tiӃp khuӃch tán sâu và không cҫn lӟp chôn n+. VӅ nguyên tҳc cǊng không cҫn ÿӃn quá trình 26
epitaxy. Ĉӕi vӟi công nghӋ MOS, cҩy ion là công ÿRҥn quan trong nhҩt, ÿһc biӋt là ÿӇ hiӋu chӍnh ÿLӋn áp ngѭӥng cӫa linh kiӋn. Mҥch CMOS sӱ dөng cҧ hai loҥi MOSFET kênh p và kênh n. ĈӇ chӃ tҥo cҧ hai loҥi linh kiӋn trên cùng mӝt phiӃn cҫn phҧi tҥo giӃng hay ӕng có loҥi dүn trái dҩu vӟi loҥi dүn cӫa ÿӃ. 2.3.3. ChӃ tҥo giӃng Có ba cҩu hình giӃng nhѭÿѭӧc miêu tҧ trên hình 2.12. Trên hình 2.12a Yұt liӋu ban ÿҫu là silic loҥi n, giӃng p ÿѭӧc chӃ tҥo thѭӡng bҵng phѭѫng pháp Fҩy ion kӃt hӧp khuӃch tán vào MOSFET kênh p ÿѭӧc chӃ tҥo trên ÿӃ gӕc loҥi n còn MOSFET kênh n ÿѭӧc chӃ tҥo trên giӃng loҥi p. NӃu vұt liӋu xuҩt phát là silic loҥi p, cҫn tҥo giӃng n bҵng cҩy ion và khuӃch tán nhѭ trên hình 2.12b. &Ǌng có thӇ chӃ tҥo hai giӃng riêng biӋt, mӝt loҥi n, mӝt loҥi p, trong lӟp epitaxy có ÿiên trӣ suҩt rҩt cao ÿѭӧc cҩy trên ÿӃ n+ nhѭÿѭӧc chӍ ra trên hình 2.12c. Tuy quy trình chӃ tҥo giӃng ÿôi phӭc tҥp hѫn nhѭng nó cho phép linh hoҥt hѫn trong thiӃt kӃ và tӕi ѭu hóa các linh kiӋn loҥi p và loҥi n. (a) GiӃng ÿôi trong ÿӃÿLӋn trӣ suҩt cao 27
(b)GiӃng n trong ÿӃ p (c)GiӃng p trong ÿӃ n Hình 2.12. Mһt cҳt cҩu hình giӃng cӫa CMOS 2.3.4. ĈLӋn cӵc cәng Các thӃ hӋ mҥch MOS ÿҫu tiên sӱ dөng ÿLӋn cӵc cәng nhôm, vӟi màng nhôm ÿѭӧc phӫ trên cәng sau khi công ÿRҥn khuӃch tán nguӗn và máng kӃt thúc. Nhѭӧc ÿLӇm cӫa cách làm này là rҩt khó trùng khӟp chính xác mһt nҥ quang cӫa ÿLӋn cӵc cәng vӟi các vùng nguӗn và máng ÿã ÿѭѫc chӃ tҥo trѭӟc ÿó, dүn ÿӅn cӵc cәng không phӫ lên vùng khuӃch tán nguӗn hoһc vùng khuӃch tán máng. Ngѭӧc lҥi, nӃu cӵc cәng phӫ lên quá nhiӅu sӁ gây ra ÿLӋn dung ký sinh giӳa cәng vӟi nguӗn hoһc máng, ҧnh hѭӣng xҩu ÿӃn hoҥt ÿông Fӫa linh kiӋn. Ngѭӡi ta ÿã thay thӃ nhôm bҵng silic ÿa tinh thӇÿӇ tҥo ÿLӋn cӵc Fәng tӵ trùng khӟp. ĈӇ làm ÿѭӧc viӋc này, ngѭӡi ta kӃt tӫa lӟp silic ÿa tinh thӇ trѭӟc khi chӃ tҥo các vùng nguӗn và máng. Lӟp silic ÿa tinh thӇÿóng vai trò nhѭ mһt nҥ cho vùng kênh, và vì silic ÿa tinh thӇ có thӇ chӏu ÿѭӧc nhiӋt 28
cao, nên nó không bӏ phá hӫy trong quá trình khuӃch tán và sau khuӃch tán. 9ӟi cách làm nhѭ vұy, nguӗn và máng trùng khӟp mӝt cách chính xác vӟi Fәng silic ÿa tinh thӇ. Các kim loҥi khó nóng chҧy nhѭ W và MO cǊng ÿã Gѭӧc sӱ dөng cho mөc ÿích này. Vұt liӋu sӱ dөng cho cӵc cәng sӁҧnh hѭӣng ÿӃn ÿLӋn áp ngѭӥng thông qua hiӋu công thoát, ÿLӅu này cҫn phҧi ÿѭӧc tính ÿӃn khi xác ÿӏnh ÿLӋn áp ngѭӥng cho các tranzitor MOS kênh n và kênh p. Chҩt lѭӧng hoҥt ÿӝng cӫa mҥch CMOS phө thuӝc rҩt nhiӅu vào ÿLӋn áp ngѭӥng VT . Trong trѭӡng hӧp mҥch CMOS cҫn phҧi khӕng chӃ hai ÿLӋn áp ngѭӥng, mӝt có giá trӏ dѭѫng, mӝt có giá trӏ âm thì có thӇÿLӅu khiӇn chính xác VT bҵng cҩy ion.Thѭӡng cҩy ion ÿѭӧc thӵc hiӋn xuyên qua lӟp oxide Fәng trѭӟc khi phӫ lӟp poly-Silic cӵc cәng. 29
Chѭѫng 3: CÔNG NGHӊ CHӂ TҤO MҤCH VI Ĉ,ӊN TӰ 3.1. ChӃ tҥo phiӃn bán dүn 3.1.1. Quy trình chӃ tҥo phiӃn bán dүn silic Hình 3.1. Quy trình chӃ tҥo phiӃn bán dүn 9ұt liӋu chӃ tҥo phiӃn bán dүn: 9ұt liӋu chӫ yӃu là Si (chiӃm > 95%), còn Oҥi là GaAs. Bӣi vì: - Silic có nhiӅu trong thiên nhiên nên giá thành sҧn phҭm thҩp hѫn Ge. - Vұt liӋu ÿѭӧc nghiên cӭu kӻ, có nhiӅu ӭng dөng. - Năng lѭӧng vùng cҩm (Eg = 1,12eV) lӟn hѫn cӫa Ge (0.67eV) nên IC có khҧ năng làm viӋc ӣ nhiӋt ÿӝ cao hѫn - Ĉӝәn ÿӏnh vӅ hóa – lý cao. 30
- DӉ chӃ tҥo lӟp SiO2 có chҩt lѭӧng cao, thөÿӝng hóa bӅ mһt, rҩt thuұn lӧi trong công nghӋ. Tuy nhiên : Không ch͇ t̩o ÿ˱ͫc các linh ki͏n phát quang, ÿ͡ linh ÿ͡ng cͯa K̩t t̫i nh͗ h˯n so vͣi GaAs. Các công ÿRҥn cӫa quy trình chӃ tҥo phiӃn bán dүn bao gӗm : - ChӃ tҥo silic ÿa tinh thӇ tӯ vұt liӋu ban ÿҫu (SiO2). - Nuôi ÿѫn tinh thӇ. - Cѭa, cҳt, mài và ÿánh bóng bӅ mһt phiӃn bán dүn. 3.1.2. ChӃ tҥo Silic ÿa tinh thӇ 9ұt liӋu ban ÿҫu ÿӇ tҥo phiӃn bán dүn là cát ÿѭӧc làm sҥch ÿӇ tҥo thҥch anh (SiO2). Sau ÿó, thҥch anh ÿѭӧc cho vào lò ÿLӋn cùng các loҥi than khác nhau (nhѭ: Than ÿá, than cӕc, than cӫi) ÿӇ thӵc hiӋn oxi hóa khӱÿӇ khӱ SiO2. Các phҧn ӭng xҧy ra trong lò, phҧn ӭng tәng hӧp sӁ là: Silic thu ÿѭӧc sau phҧn ӭng gӑi là Silic luyӋn kim, ÿӝ sҥch không cao. Làm sҥch Silic luyӋn kim bҵng phҧn ӭng chlo-hóa: 6ҧn phҭm SiHCl3 (trichlorosilane) ÿѭӧc hóa lӓng ӣ nhiӋt ÿӝ phòng, ÿLӇm sôi: 32oC và chѭng cҩt ÿӇ loҥi bӓ các tҥp chҩt. Làm sҥch SiHCl3 bҵng các công nghӋ hóa hӑc nhѭ chѭng cҩt tách, chiӃt. ĈӇ nhұn Si có ÿӝ sҥch cao, SiHCl3 cҫn ÿѭӧc làm sҥch vӟi các tҥp chҩt thӓa mãn : 0,3.10-7%B; 1,5.10-70%P; 0,005.10-70%As; 5.10-7%C. Ĉa tinh thӇ Si thu ÿѭӧc có ÿӝ sҥch rҩt cao . Hoàn nguyên SiHCl3 Yӟi H2 theo phҧn ӭng : 31
Silic thu ÿѭӧc có ÿӝ sҥch cao, yêu cҫu nӗng ÿӝ tҥp chҩt Cacbon nhӓ Kѫn cӥ ppm (part per million); các tҥp chҩt khác nhӓ hѫn cӥ ppb (part per billion). 1͛ng ÿ͡ m͡t s͙ t̩p ch̭t : Loҥi tҥp Cát Si luyӋn kim Ĉa tinh thӇ Si tinh khiӃt Al 8.1019 cm-3 3.1019 cm-3 5.1012 cm-3 B 2.1018 cm-3 7.1017 cm-3 1,5.1013 cm-3 3.1.3. ChӃ tҥo Silic ÿѫn tinh thӇ Thông thѭӡng ngѭӡi ta tiӃn hành nuôi ÿѫn tinh thӇ silic tӯ Si ÿa tinh thӇ Eҵng 2 phѭѫng pháp chính là CZ ( Czochralski) và luyӋn vùng (floating zone – Fz). a. Phѭѫng pháp Cz Ĉây là phѭѫng pháp chӃ tҥo phҫn lӟn các tinh thӇ mà tӯÿó ngѭӡi ta cҳt thành các phiӃn bán dүn. Phѭѫng pháp Czochralski thӵc chҩt là kӃt tinh tӯ Gҥng nóng chҧy. Vұt liӋu dùng ÿӇ nuôi ÿѫn tinh thӇ Silic là Silic ÿa tinh thӇ (polisiicon) ÿӝ sҥch ÿLӋn tӱ, nhұn ÿѭӧc qua tinh thӇ cát thҥch anh(SiO2) ÿӃn ÿӝ sҥch 99,999999%. .ƭ thuұt thông thѭӡng ÿӇ nuôi tinh thӇ ÿѭӧc gӑi là phѭѫng pháp Czochralski. Trong kƭ thuұt này, mӝt miӃng nhӓ vұt liӋu bán dүn ÿѭӧc gӑi là Pҫm ÿѭӧc mang ÿӃn tiӃp xúc vӟi bӅ mһt cӫa mӝt vұt liӋu giӕng nó ӣ pha Oӓng, và sau ÿó ÿѭӧc kéo chұm tӯ thӇ lӓng. Khi mҫm ÿѭӧc kéo chұm, sӵ hóa Uҳn xuҩt hiӋn giӳa lӟp tiӃp xúc lӓng-rҳn. Thông thѭӡng tinh thӇ cǊng ÿѭӧc quay chұm khi nó ÿang ÿѭӧc kéo ÿӇ trӝn lӓng, dүn ÿӃn nhiӋt ÿӝÿӗng ÿӅu hѫn. Nhӳng nguyên tӱ tҥp chҩt, chҷng hҥn nhѭ Bo hoһc Photpho có thӇÿѭӧc thêm vào bán dүn ÿang tan chҧy. Hình 3.2 biӉu diӉn sѫ ÿӗ cӫa quá trình nuôi Crochralski và thӓi silic ÿѭӧc hình thành trong quá trình này. 32
(b) Hình 3.2. Mô hình bӝ kéo tinh thӇ (a) 0ҥch ÿѭӧc kiӇm tra trên miӃng silic và sau ÿó ÿѭӧc tách thành nhӳng chíp riêng biӋt (b). Hình 3.3 là sѫÿӗ thiӃt bӏ nuôi tinh thӇ bҵng phѭѫng pháp Czochralski 33
Hình 3.3. Sѫÿӗ thiӃt bӏ nuôi tinh thӇ bҵng phѭѫng pháp Czochralski 0ҫm ÿѫn tinh thӇ có hѭӟng xác ÿӏnh ÿѭӧc ÿѭӧc gҳn vӟi trөc quay và nhúng vào ÿa tinh thӇ silic nóng chҧy, ÿӗng thӡi quay liên tөc. 7ҥi vùng tiӃp xúc giӳa mҫm ÿѫn tinh thӇ,mҫm tinh thӇ và Si ÿa tinh thӇ nóng chҧy, ngѭӡi ta làm lҥnh ÿӃn nhiӋt ÿӝÿông ÿһc (1690K) và kӃt tinh ÿúng nhѭ cҩu trúc mҥng cӫa mҫm, khӕi ÿѫn tinh thӇÿѭӧc kéo dҫn khӓi Si nóng chҧy vӟi vұn tӕc ~ 10 µm/s. + Sau khi ÿa tinh thӇ Si ÿã chuyӇn hӃt thành ÿѫn tinh thӇ, ngѭӡi ta cҳt bӓ hai ÿҫu, mài bӓ nhǊng phҫn gӗ ghӅÿӇ thu ÿѭӧc thӓi ÿѫn tinh thӇ hình trө có ÿѭӡng kính tӯ 80-250 mm hoһc lӟn hѫn nhѭ hình 3.4. 34
Hình 3.4. Thӓi ÿѫn tinh thӇ Si b. Phѭѫng pháp Fz (Floating Zone) Phѭѫng pháp nóng chҧy vùng hay luyӋn vùng (Fz) là phѭѫng pháp nuôi tinh thӇ tӕt nhҩt ÿӇ nhұn ÿѭӧc Silic cӵc kì tinh khiӃt. Ĉһc ÿLӇm cѫ bҧn cӫa phѭѫng pháp luyӋn vùng là phҫn nóng chҧy cӫa mүu hoàn toàn ÿѭӧc giӳ bӣi phҫn rҳn, nghƭa là ӣÿây không cҫn nӗi nhѭ phѭѫng pháp Cz. Trong phѭѫng pháp luyӋn vùng, ÿa tinh thӇ silic ÿѭӧc làm nóng chҧy Eҵng hӗ quang ӣÿҫu tiӃp xúc vӟi mҫm tinh thӇ và làm lҥnh ÿӃn nhiӋt ÿӝÿông ÿһc cӫa silic. Ĉѫn tinh thӇ Si tҥo ra ÿѭӧc quay và kéo xuӕng vӟi vұn tӕc xác ÿӏnh. Các bѭӟc tiӃp theo hoàn toàn tѭѫng tӵ nhѭ phѭѫng pháp Cz. 35
Hình 3.5. HӋ nuôi ÿѫn tinh thӇ silic bҵng phѭѫng pháp Fz Nhұn xét: 1. Tinh thӇ nuôi tӯ Fz sҥch hѫn nuôi tӯ Cz ( nhiӉm các tҥo chҩt Oxy, C, B và nhiӅu kim loҥi khác tӯ nӗi nung thҥch anh). Vì vұy phѭѫng pháp FZ ÿѭӧc dùng ÿӇ chӃ tҥo các ÿѫn tinh thӇ có ÿӝ sҥch cao, có ÿLӋn trӓ suҩt cӥ 10- 200 .cm.Tinh thӇ nuôi tӯ Fz thѭӡng dùng ÿӇ chӃ tҥo thysistor, diode chӍnh Oѭu công suҩt cao, các detector hӗng ngoҥi cҫn ÿӝ sҥch siêu cao. 2. Nhѭӧc ÿLӇm cӫa phѭѫng pháp nóng chҧy vùng là giá thành cao và không chӃ tҥo ÿѭӧc tinh thӇ có ÿѭӡng kính lӟn nhѭ phѭѫng pháp CZ, phѭѫng pháp FZ chӍ chӃ tҥo ÿѭӧc tinh thӇ có ÿѭӡng kính cӥ 100mm. Ngoài ra, mӝt nhѭӧc ÿLӇm khác cӫa kӻ thuұt nóng chҧy vùng là khó pha tҥp mӝt cách ÿӗng ÿӅu. 36
3.1.4. ChӃ tҥo phiӃn bán dүn Sau khi nuôi ÿѭӧc thӓi bán dүn ÿѫn tinh thӇ cҫn xác ÿӏnh các hѭӟng tinh thӇ, làm các vát chuҭn chính và vát chuҭn phө (ÿӇÿӏnh hѭӟng tinh thӇ). Sau khi mài vát, thӓi ÿѭӧc nhúng vào dung dӏch ăn mòn hóa ÿӇ tҭy bӓ sai Kӓng do mài cѫ khí gây ra. Mӛi nhà sҧn xuҩt sӱ dөng hӛn hӧp riêng cӫa hӑ, nhѭng thông thѭӡng là trên cѫ sӣ hӋ HF-HNO3. Sau ÿó, thӓi ÿѭӧc cѭa, cҳt thành phiӃn, ÿây là bѭӟc hӃt sӭc quan trӑng vì nó quyӃt ÿӏnh ÿӝ phҷng cӫa phiӃn. Hình 3.6. PhiӃn bán dүn Si Cuӕi cùng phiӃn Si ÿѭӧc kiӇm tra, xác ÿӏnh các thông sӕ nhѭÿLӋn trӣ suҩt bӅ mһt, ÿѭӡng kính, bӅ dày sau ÿó phân loҥi, ÿóng hӝp và ÿѭa ÿӃn nѫi chӃ tҥo vi mҥch. ĈӇ pha tҥp chҩt vào ÿѫn tinh thӇ Si ngѭӡi ta dùng khí trѫ (Ar) mang khí pha tҥp vào vùng nóng chҧy; hoһc trӝn trӵc tiӃp các chҩt tҥp nhѭ B, P hoһc As và ÿa tinh thӇ Si nóng chҧy. Khí chӭa tҥp là PH3, B2H6 hoһc AsH3. Loҥi khí, Qӗng ÿӝ và áp suҩt khí ÿѭa vào phө thuӝc vào loҥi bán dүn và nӗng ÿӝ hҥt dүn Fҫn chӃ tҥo. 3.1.5. Phòng sҥch Trong ngành vұt lý, khoa hӑc vұt liӋu, phòng sҥch thѭӡng dùng cho các công nghӋ chӃ tҥo vұt liӋu ÿòi hӓi ÿӝ sҥch cao nhѭ: quang khҳc, công nghӋ màng mӓng (MBE, sputtering, CVD ), công nghӋ linh kiӋn bán dүn, linh kiӋn ÿLӋn tӱ, các hӋ thӕng vi cѫÿLӋn tӱ (MEMS, NEMS), các phép phân tích tinh WӃ, các xӱ lý lý hóa cӫa sҧn phҭm. Phòng s̩ch là m͡t phòng mà n͛ng ÿ͡ cͯa h̩t l˯ l͵ng trong không khí b͓ kh͙ng ch͇ và nó ÿ˱ͫc xây d͹ng và s͵ dͭng trong m͡t k͇t c̭u sao cho s͹ có 37
P̿t, s͹ s̫n sinh và duy trì các h̩t trong phòng ÿ˱ͫc gi̫m ÿ͇n t͙i thi͋u và các \͇u t͙ khác trong phòng nh˱ nhi͏t ÿ͡, ÿ̱͡m, áp sṷt ÿ͉u có th͋ kh͙ng ch͇ và ÿL͉u khi͋n . Nói mӝt cách ÿѫn giҧn, phòng sҥch là mӝt phòng kín mà trong ÿó, lѭӧng Eөi trong không khí, ÿѭӧc hҥn chӃӣ mӭc thҩp nhҩt nhҵm tránh gây bҭn cho các quá trình nghiên cӭu, chӃ tҥo và sҧn xuҩt. Ĉӗng thӡi, nhiӋt ÿӝ, áp suҩt và ÿӝҭm cӫa không khí cǊng ÿѭӧc khӕng chӃ và ÿLӅu khiӇn ÿӇ có lӧi nhҩt cho các quá trình trên. Ngoài ra, phòng còn ÿѭӧc ÿҧm bҧo vô trùng, không có các khí ÿӝc hҥi ÿúng theo nghƭa "sҥch" cӫa nó. Tiêu chuҭn phòng sҥch: Tiêu chuҭn ÿҫu tiên cӫa phòng sҥch là hàm lѭӧng Eөi. Hình 3.7. So sánh ÿѭӡng kính sӧi tóc và hҥt bөi trong phòng sҥch . Các tiêu chuҭn vӅ phòng sҥch lҫn ÿҫu tiên ÿѭӧc ÿѭa ra vào năm 1963 ӣ 0ӻ, và hiӋn nay ÿã trӣ thành các tiêu chuҭn chung cho thӃ giӟi. Ĉó là các tiêu chuҭn quy ÿӏnh lѭӧng hҥt bөi trong mӝt ÿѫn vӏ thӇ tích không khí. Ngѭӡi ta chia thành các tҫm kích cӥ bөi và loҥi phòng ÿѭӧc xác ÿӏnh bӣi sӕ hҥt bөi có kích thѭӟc lӟn hѫn 0,5ȝm trên mӝt thӇ tích là 1 foot khӕi ( ft3 ) không khí trong phòng. Các giͣi h̩n hàm l˱ͫng bͭi trong tiêu chu̱n ISO: Theo Tә chӭc Tiêu chuҭn Quӕc tӃ (International Standards Organization - ISO) thì các loҥi phòng sҥch ÿѭӧc phân loҥi theo tӯng cҩp phòng sҥch nhѭ Eҧng dѭӟi ÿây. 38
%ҧng 3.1. Các giӟi hҥn hàm lѭӧng bөi trong tiêu chuҭn ISO 14644-1 Chú ý: Mӭc ÿӝ nhiӉm bҭn không khí trong phòng còn phө thuӝc vào các hҥt Eөi sinh ra trong các hoҥt ÿӝng trong phòng, chӭ không chӍ là con sӕ cӕÿӏnh Fӫa phòng. Vì vұy, các tiêu chuҭn cӫa phòng, luôn ÿòi hӓi các hӋ thӕng làm Vҥch liên hoàn và còn quy ÿӏnh vӅ quy mô phòng và sӕ ngѭӡi, sӕ hoҥt ÿӝng khҧ dƭ trong phòng sҥch. Các thiӃt kӃ phòng sҥch a. Ki͋u phòng thông h˯i h͟n lo̩n : Nguyên lý thông hѫi cӫa phòng sҥch kiӇu này cǊng tѭѫng tӵ nhѭ hҫu hӃt các phòng ÿLӅu hòa không khí phә thông. Không khí (sҥch) ÿѭӧc cung cҩp bӣi máy ÿLӅu hòa không khí ÿѭӧc tӓa ÿi qua hӋ thӕng khuӃch tán trên trҫn nhà nhѭ hình 3.8. 39
Hình 3.8. Phòng sҥch kiӇu “thông hѫi hӛn loҥn” Ngѭӡi ta gӑi là "thông hѫi hӛn loҥn" là do không khi di chuyӇn mӝt cách ngүu nhiên và hӛn loҥn trong phòng nhӡ hӋ thӕng khuӃch tán (hình 3.9a) hoһc nhӡ hӋ thӕng "phun" (hình 3.9b). 40
(a) (b) Hình 3.9. Các kiӇu di chuyӇn không khí trong phòng sҥch kiӇu thông hѫi hӛn loҥn: di chuyӇn qua bӝ khuӃch tán (a) và sӵ phun nhӡ mӝt hӋ thӕng phun hѫi (b). +Ӌ thӕng "phun" không khí (hình 3.9b) thѭӡng bҳt gһp trong các hӋ thӕng phòng sҥch thông hѫi hӛn loҥn truyӅn thӕng. HӋ thӕng kiӇu này thѭӡng cho các dòng khí thҷng và có khҧ năng kiӇm soát tӕt quá trình nhiӉm bҭn dѭӟi Eӝ lӑc. HӋ thӕng phun này có thӇ mang lҥi các ÿLӅu kiӋn khҧ dƭ hѫn bên dѭӟi khi vӵc cung cҩp, nhѭng do ÿó lҥi làm kém ÿi cho các vùng xung quanh trong phòng (hình 3.10). 41
Hình 3.10. Mӝt sѫÿӗÿѫn giҧn vӅ phân bӕ áp suҩt dòng khí trong phòng sҥch vӟi hӋ thӕng phun khí. b. Phòng s̩ch ki͋u ÿ͓nh h˱ͣng hoàn toàn (Unidirectional Cleanroom): +Ӌ thӕng phòng sҥch vӟi kiӇu thông hѫi tán loҥn thѭӡng chӍÿҥt ÿѭӧc các ÿӝ sҥch tiêu chuҭn tӟi cҩp ISO 6 trong quá trình sҧn xuҩt. ĈӇÿҥt ÿѭӧc các 42
ÿLӅu kiӋn tӕt hѫn thӃ trong suӕt quá trình hoҥt ÿӝng, ÿLӅu cҫn thiӃt là phҧi làm loãng sӵ sҧn sinh các hҥt. ĈLӅu này có thӇ ÿҥt ÿѭӧc bҵng cách dùng dòng không khí hoàn toàn thҷng (hình 3.11). Hình 3.11. HӋ thӕng phòng sҥch kiӇu dòng không khí thҷng ÿӭng Hình 3.12. HӋ thӕng thoát khí thҷng ÿӭng vӟi các cӱa thoát khí bә sung 2 bên. 43
0ӝt kiӇu khác cӫa hӋ thӕng phòng sҥch ÿӏnh hѭӟng là hӋ thӕng dòng khí nҵm ngang (hình 3.12) Hình 3.13. HӋ thӕng phòng sҥch vӟi dòng không khí nҵm ngang. 44
Hình 3.14. So sánh 2 kiӇu giҧm nhiӉm bҭn ӣ dòng không khí thҷng ÿӭng và nҵm ngang. + Ӣ phòng có dòng lѭu chuyӇn thҷng ÿӭng, các bөi bҭn sӁ bӏÿҭy theo chiӅu thҷng ÿӭng xuӕng sàn, và thәi bҥt xuӕng các vӏ trí thoát khí và không gây nhiӉm bҭn tӯ vӏ trí này sang vӏ trí khác cǊng nhѭ tӯ ngѭӡi này sang ngѭӡi khác. + Còn hӋ thӕng lѭu chuyӇn khí nҵm ngang có thӇ dүn tӟi viӋc bөi bҭn bӏ thәi Wӯ vӏ trí này sang mӝt vӏ trí nҵm ngang khác, hoһc tӯ ngѭӡi phía trѭӟc (chiӅu khí lѭu chuyӇn) bay vào ngѭӡi phía sau (hình 3.14). +Ӌ thӕng phòng sҥch vӟi dòng không khí lѭu chuyӇn thҷng ÿӭng ÿѭӧc Vӱ dөng phә biӃn cho công nghiӋp bán dүn và công nghӋ vұt liӋu. 45
Hình 3.15. KiӇu thiӃt kӃ phòng sҥch cho công nghӋ vұt liӋu (linh kiӋn ÿLӋn tӱ bán dүn ) - kiӇu thiӃt kӃ này ÿѭӧc gӑi là kiӇu phòng ballroom . Các phòng có thӇÿѭӧc bӕ trí theo nhiӅu kiӇu khác nhau tҥo thành các kiӇu phòng sҥch. (hình 3.15) gӑi là "ballroom", kiӇu phòng này có trҫn là mӝt Eӝ lӑc khí hiӋu năng cao cung cҩp khí khәi cho toàn xѭӣng cho dù máy móc ÿӭng ӣ vӏ trí nào. 46
Hình 3.16. Ba kiӇu phòng sҥch hay dùng cho khoa hӑc và công nghӋ vұt liӋu. * H͏ th͙ng l͕c không khí cho phòng s̩ch : Không khí trong phòng sҥch phҧi ÿҥt các yêu cҫu vӅ mӭc ÿӝ các hҥt bөi vì thӃ luôn cҫn có các hӋ thӕng lӑc bөi. KӇ tӯ năm 1980, mӝt hӋ thӕng lӑc ÿѭӧc sӱ dөng rӝng rãi mang tên High Efficiency Particle Air (HEPA - HӋ thӕng lӑc hҥt hiӋu năng cao). HEPA là mӝt hӋ thӕng có khҧ năng lӑc hҥt bөi Wӟi trong không khí vӟi hiӋu suҩt 99,97% cho bөi nhӓ tӟi 0,3 ȝm. Ngày nay, HEPA còn ÿѭӧc bәsung các tính năng lӑc vi khuҭn và các hҥt trѫ. 47
(a) (b) Hình 3.17: Mӝt bӝ lӑc HEPA kiӇu các nӃp gҩp sâu (a) và các nӃp gҩp nhӓ (b). Không khí ÿѭӧc lӑc qua các cuӝn giҩy lӑc cuӕn tӯng lӟp thành các media lӑc có ÿӝ rӝng tӯ 15 ÿӃn 30 cm và ÿѭӧc ngăn cách bӣi các lá nhôm Pӓng. ĈӇ ngăn cҧn các hҥt bөi nhӓ, ngѭӡi ta sӱ dөng media lӑc là các dây micro xӃp thành các lѭӟi siêu nhӓ (hình 3.18a) và do ÿó cho không khí ÿi qua, ÿӗng thӡi cҧn các hҥt bөi. (a) 48
(b) (c) Hình 3.18. Vi cҩu trúc tҩm lӑc (a) và cѫ chӃ lӑc bөi cӫa tҩm lӑc (b) và hiӋu suҩt lӑc (c). 3.2. Oxy hóa 3.2.1.Giӟi thiӋu công nghӋ Oxy hoá ViӋc khӕng chӃ chính xác ÿӝ dày lӟp Oxyde cǊng nhѭ sӵ am hiӇu vӅ quá trình Oxy hóa ÿóng vai trò quan trӑng ÿһc biӋt trong công nghӋ chӃ tҥo linh kiӋn vi ÿLӋn tӱ. Sӵ Oxy hóa nhѭÿӗng, nhôm trѭӟc ÿây ÿã ÿѭӧc nghiên Fӭu gҳn liӅn vӟi vҩn ÿӅăn mòn kim loҥi. Tuy nhiên, ngày nay trên 90% linh kiӋn ÿӅu ÿѭӧc chӃ tҥo trên tinh thӇ silic nên chúng ta chӍ nghiên cӭu quá trình Oxy hóa silic mà cө thӇ là quá trình tҥo lӟp SiO2. Phѭѫng pháp phә biӃn nhҩt ÿӇ tҥo lӟp SiO2 trong công nghiӋp là Oxy hóa nhiӋt. 3.2.2.Oxy hóa nhiӋt a. Phân loҥi Trong phѭѫng pháp oxy hóa nhiӋt, căn cӭ vào môi trѭӡng oxy hóa ngѭӡi ta chia làm 2 dҥng là oxy hóa khô và oxy hóa ҭm 49
- Sӵ tҥo thành lӟp Oxyde trong môi trѭӡng Oxy khô ÿѭӧc biӇu diӉn qua phҧn ӭng hóa hӑc: Si + O2 = SiO2 - Trong Oxy hóa ҭm , hѫi nѭӟc là chҩt khí tham gia phҧn ӭng: Si + 2H2O = SiO2 +2H2 b. ThiӃt bӏ Oxy hoá ThiӃt bӏ dùng ÿӇ Oxy hoá thông dөng là lò Oxy hoá biӇu diӉn nhѭ hình 3.19. Các phiӃn Si ÿѭӧc giӳ thҷng ÿӭng trong “thuyӅn” thҥch anh, mӛi thuyӅn chӭa ÿӃn 25 phiӃn. ThuyӅn ÿѭӧc ÿѭa vào trong ӕng lò thҥch anh. Các khí cҫn thiӃt nhѭ H2, N2, O2, HCl ÿѭӧc ÿѭa vào lò thông qua các van lѭu lѭӧng khí và ÿѭӧc thҧi ra tӯÿҫu kia cӫa ӕng. NhiӋt ÿӝ trong lò khoҧng tӯ 400 C -> 1200 C. Trong các lò công nghiӋp các phiӃn sau khi rӱa sҩy khô ÿһt vào trong thuyӅn ÿѭӧc tӵ ÿӝng ÿѭa vào trong lò và nhiӋt ÿӝ ÿѭӧc nâng lên. Muӕn thӵc hiӋn Oxy hoá ҭm ngѭӡi ta sӱ dөng các khí mát (O2, N2) sөc qua nѭӟc ÿun ӣ nhiӋt ÿӝ 95oC ÿӇÿѭa nѭӟc vào bên trong. Hình 3.19. ThiӃt bӏ Oxy hóa Các lӟp SiO2ÿѭӧc tҥo bӣi 2 phѭѫng pháp có tính chҩt không hoàn toàn giӕng nhau. Chҩt lѭӧng lӟp SiO2ÿѭӧc tҥo bӣi Oxy hoá khô tӕt hѫn, tuy nhiên 50
Wӕc ÿӝ Oxy hoá ҭm lҥi nhanh hѫn Oxy hoá khô cho nên có thӇ phӕi hӧp cҧ 2 phѭѫng pháp trên ÿӇ chӃ lӟp SiO2. ĈӇ tăng tӕc ÿӝ Oxy hoá và hoàn thiӋn chҩt Oѭӧng lӟp SiO2, trong công nghӋ ngѭӡi ta thѭӡng cho thêm vào phҧn ӭng hoá Kӑc các chҩt chӭa Cl nhѭ HCl ; C2HCl3; C2H3Cl3. Các phҧn ӭng khi cho chҩt xúc tác nhѭ sau: 4HCl + O2 = 2H2O + Cl2 4C2HCl3 + 9O2 = 2H2O + 6Cl2 + 8CO2 2H2O + 2Cl2 = 4HCl + O2 Oxy hoá khô: Quá trình Oxy hoá Si trong oxy phân tӱ xҧy ra theo phҧn ӭng: Si + 02 = Si02 Si bӏ oxy hoá ӣ trong không khí ngay ӣ nhiӋt ÿӝ phòng. Tuy nhiên, mӝt khi ÿã hình thành lӟp Oxyde, các nguyên tӱ Si phҧi ÿi qua lӟp Oxyde ÿӇ phҧn ӭng vӟi O2ӣ bӅ mһt ngoài hoһc các phân tӱ O2 phҧi ÿi qua lӟp Oxyde ÿӃn bӅ Pһt Si ÿӇ phҧn ӭng vӟi Si, ÿây là quá trinh khuyӃch tán. HӋ sӕ khuyӃch tán Fӫa Si trong SiO2 nhӓ hѫn nhiӅu so vӟi hӋ sӕ khuyӃch tán cӫa O2.Vì vұy phҧn ӭng Oxy hoá sӁ xҧy ra trên phҫn biên Si-SiO2. Ӣ nhiӋt ÿӝ T(k) nhҩt ÿӏnh, chiӅu dày lӟp ôxide d tăng lên theo thӡi gian ôxi hoá, nhѭ vұy lӟp biên Si-SiO2 sӁ dӏch dҫn vӅ phía trong ÿӃ Si. Hình 3.20. Mô hình khҧo sát ÿӝng hӑc cӫa quá trinh oxy hoá 51
Hình 3.21. Sӵ phө thuӝc cӫa ÿӝ dày lӟp SiO2 theo thӡi gian. Oxy hoá ҭm: - 0өc ÿích: ĈӇ tҥo lӟp Oxyde dày, giҧm thӡi gian Oxy hoá. Do nhóm OH trong hѫi nѭӟc khuyӃch tán vào trong mҥng Si-O-Si,nên các phân tӱ hѫi nѭӟc và O2 khuyӃch tán nhanh hѫn, phҧn ӭng xҧy ra nhanh hѫn , các hҵng sӕ B/A và B tăng rҩt nhanh và mҥnh. 52
Hình 3.22. Sѫÿӗ mһt cҳt lò Oxy ҭm 3.3. Quang khҳc 3.3.1. Khái niӋm Quang khҳc hay photolithography là kӻ thuұt sӱ dөng trong công nghӋ bán dүn và công nghӋ vұt liӋu nhҵm tҥo ra các chi tiӃt cӫa vұt liӋu và linh kiӋn Yӟi hình dҥng và kích thѭӟc xác ÿӏnh bҵng cách sӱ dөng bӭc xҥ ánh sáng làm biӃn ÿәi các chҩt cҧm quang phӫ trên bӅ mһt ÿӇ tҥo ra hình ҧnh cҫn tҥo. ThiӃt Eӏÿѭӧc sӱ dөng trong quang khҳc là dөng cө chiӃu sáng. Dөng cө này ÿѭӧc xác ÿӏnh bӣi 3 thông sӕ: Ĉӝ phân giҧi, ÿӝ trùng lһp và lѭӧng mүu ÿѭӧc thӵc hiӋn trong mӝt giӡ. Phѭѫng pháp này ÿѭӧc sӱ dөng phә biӃn trong công nghiӋp bán dүn và vi ÿLӋn tӱ, nhѭng không cho phép tҥo các chi tiӃt nhӓ do Kҥn chӃ cӫa nhiӉu xҥ ánh sáng, nên ÿѭӧc gӑi là quang khҳc micro (micro lithography). 3.3.2. Nguyên lý hӋ quang khҳc 0ӝt hӋ quang khҳc bao gӗm mӝt nguӗn phát tia tӱ ngoҥi, chùm tia tӱ ngoҥi này ÿѭӧc khuӃch ÿҥi rӗi sau ÿó chiӃu qua mӝt mһt nҥ (photomask). Mһt Qҥ là mӝt tҩm chҳn sáng ÿѭӧc in trên ÿó các chi tiӃt cҫn tҥo (che sáng) ÿӇ che không cho ánh sáng chiӃu vào vùng cҧm quang, tҥo ra hình ҧnh cӫa chi tiӃt Fҫn tҥo trên cҧm quang biӃn ÿәi. Sau khi chiӃu qua mһt nҥ, bóng cӫa chùm sáng sӁ có hình dҥng cӫa chi tiӃt cҫn tҥo, sau ÿó nó ÿѭӧc hӝi tө trên bӅ mһt phiӃn ÿã phӫ cҧm quang nhӡ mӝt hӋ thҩu kính hӝi tө. 53
Hình 3.23. HӋ quang khҳc 3.3.3. Các khái niӋm cѫ bҧn a. Chҩt cҧm quang Là mӝt dҥng ÿһc biӋt cӫa polymer cҧm quang, chúng ÿѭӧc ӭngdөng rӝng rãi trong lƭnh vӵc quang khҳc, có khҧ năng tҥo hình ҧnh nәi trên sҧn phҭm và giúp chӕng lҥi quá trình khҳc ăn mòn trên bӅ mһt sҧn phҭm. Polymer cҧm quang nói chung và photoresist nói riêng gӗm có 2 loҥi: Loҥi tҥo ҧnh DѬѪNG và loҥi tҥo ҧnh ÂM. Loҥi tҥo ҧnh DѬѪNG là hӋ gӗm các polymer có trӑng lѭӧng phân tӱ lӟn, Gѭӟi tác dөng cӫa các bӭc xҥ sӁ chuyӇn sang các polymer hoһc các monomer 54
có trӑng lѭӧng phân tӱ thҩp hѫn, có khҧ năng hoà tan tӕt hѫn trong dung môi thích hӧp. Hay polymer ban ÿҫu là loҥi khó hoà tan, dѭӟi tác dөng cӫa bӭc xҥ VӁ dӉ hòa tan hѫn. Loҥi tҥo ҧnh ÂM là các hӋ mà ban ÿҫu gӗm là hӋ dӉ hoà tan, sau ÿó dѭӟi tác dөng cӫa bӭc xҥ sӁ chuyӇn sang dҥng khó hoà tan hѫn. b. Mһt nҥ Là mӝt tҩm thӫy tinh có hình ҧnh. Hình ҧnh ÿѭӧc tҥo bҵng cách ăn mòn có chӑn lӑc lӟp crom mӓng phӫ (khoҧng 70 nm) trên tҩm thӫy tinh tҥo vùng Wӕi và vùng sáng. Khi chiӃu ánh sáng qua chӛ nào không có crom thì cho ánh sáng ÿi qua, chӛ nào có crom sӁ cҧn ánh sáng. Hình 3.24 minh hӑa Hình 3.24. Hình ҧnh vӅ mһt nҥ 0һt nҥ dùng ÿӇ chӃ tҥo vi mҥch thѭӡng giӕng nhѭ lѭӟi thu nhӓ .Bѭӟc ÿҫu trong chӃ tҥo mһt nҥ là sӱ dөng hӋ thiӃt kӃ có sӵ trӧ giúp cӫa máy tính ÿӇ miêu ta toàn bӝ hình dҥng mҥch ÿLӋn sau ÿó nhӳng dӳ liӋu sӕ nhұn tӯ máy tính ÿѭӧc sӱ dөng ÿӇÿLӅu khiӇn thiӃt bӏ vӁ hình là hӋ khҳc bҵng chùm tia ÿLӋn Wӱ, hӋ khҳc này sӁ truyӅn trӵc tiӃp hình vӁ lên mһt nҥ. 55
3.3.4. Các giai ÿRҥn cӫa quá trình quang khҳc Hình 3.25. Sѫÿӗ quá trình quang khҳc a. Chuҭn bӏ bӅ mһt - Tách tҥp chҩt trên bӅ mһt ÿӃ bán dүn. Phѭѫng pháp: + Thәi khí nitѫ có áp suҩt cao + VӋ sinh bҵng hóa chҩt + Dòng nѭӟc có áp suҩt cao + Dùng cӑ rӱa - Sҩy tách ҭm: Trên bӅ mһt các ÿӃ bán dүn thѭӡng có ҭm do ÿó cҫn phҧi loҥi Eӓ bҵng cách gia nhiӋt ӣ khoҧng 150~200oC - Phӫ lӟp ÿLӋn tích sѫ cҩp: ĈӇ làm tăng khҧ năng kӃt dính giӳa ÿӃ bán dүn và Fҧm quang. ĈLӋn tích sѫ cҩp thѭӡng sӱ dөng là HMDS (hexamethyldislazane) 56
b. Phӫ lӟp cҧm quang Ӣ giai ÿRҥn này nӅn ÿѭӧc quay trên máy quay trong môi trѭӡng chân không. Các thông sӕ kiӇm soát trong giai ÿRҥn này: + Tӕc ÿӝ 3000-6000 vòng/phút + Thӡi gian quay: 15-30 giây + Ĉӝ dày lӟp phӫ: 0.5-15mm Công thӭc thӵc nghiӋm ÿӇ tính ÿӝ dày lӟp phӫ cҧm quang kp 2 t = w 9ӟi k: hҵng sӕ cӫa thiӃt bӏ quay spinner (80-100) p: hàm lѭӧng chҩt rҳn trong chҩt cҧm quang (%) w: tӕc ÿӝ quay cӫa máy quay (vòng/1000) Hình 3.26. Quá trình phӫ cҧm quang Các sӵ cӕ thѭӡng gһp trong quá trình phӫ lӟp photoresist: 6ӵ cӕ Nguyên nhân +ѭӟng khҳc phөc EӅ mһt khô không ÿӅu Có thӇÿһt 1 vòng tròn ӣ Ĉӝ dày không ÿӅu các ÿѭӡng biên dày hѫn ÿѭӡng biên. (có thӇ dày hѫn 20-30 Dùng dung môi phun lên Oҫn) Oӟp biên ÿӇ hoàn tan 57
Xuҩt hiӋn các ÿѭӡng Do trong resist có các hҥt Vӑc Uҳn có ÿѭӡng kính lӟn Kѫn ÿӝ dày lӟp phӫ. Dày ӣÿѭӡng biên Ĉѭӡng sӑc trên bӅ mһt Hình 3.27. Các sӵ cӕ thѭӡng gһp khi phӫ cҧm quang c. Sҩy sѫ bӝ 0өc ÿích: làm bay hѫi dung môi có trong photoresist. Trong quá trình Vҩy ÿӝ dày lӟp phӫ sӁ giҧm khoҧng 25%. Phѭѫng pháp thӵc hiӋn: - Dùng lò ÿӕi lѭu nhiӋt. ĈLӅu kiӋn: NhiӋt ÿӝ: 90-100oC, thӡi gian: 20 phút - Dùng tҩm gia nhiӋt: NhiӋt ÿӝ: 75-85oC, thӡi gian: 45 giây - Dùng sóng viba và ÿèn hӗng ngoҥi. d. ChiӃu ánh sáng (chuyӇn hình ҧnh tӯ mһt nҥ lên cҧm quang) Trong giai ÿRҥn này, hӋ sӁÿѭӧc chiӃu ánh sáng ÿӇ chuyӇn hình ҧnh lên QӅn, mһt nҥÿѭӧc ÿһt giӳa hӋ thҩu kính và nӅn. Có 3 phѭѫng pháp chiӃu dӵa vào vӏ trí ÿһt mһt nҥ: - 0һt nҥ tiӃp xúc - 0һt nҥÿһt cách photoresist khoҧng cách nhӓ - 0һt nҥÿһt cách xa photoresist, ánh sáng ÿѭӧc chiӃu qua hӋ thҩu kính 58
Hình 3.28. Các phѭѫng pháp chiӃu sáng So sánh 3 phѭѫng pháp: Phѭѫng pháp Ѭu ÿLӇm KhuyӃt ÿLӇm 0һt nҥ tiӃp xúc Giá cҧ hӧp lí Làm hѭ mһt nҥ do lӟp oxit Ĉӝ phân giҧi cao: 0.5 mm trên mһt nҥ bӏ xѭӟt. Các vӃt bҭn trên mһt nҥ sӁ in lên phototresit 0һt nҥ ÿһt cách Giá cҧ hӧp lí Do ҧnh hѭӣng cӫa nhiӉu xҥ photoresist khoҧng Ĉӝ phân giҧi thҩp: 1-2 mm nên hҥn chӃÿӝ chính xác cӫa cách nhӓ hình ҧnh. Ĉӝ lһp lҥi cӫa hình ҧnh kém 0һt nҥ ÿһt cách xa Ĉӝ phân giҧi rҩt cao: < 0.07 Giá thành cao photoresist mm) %ӏҧnh hѭӣng cӫa nhiӉu xҥ Không gây hѭ hӓng mһt nҥ 59
e. Tráng rӱa: Dùng hóa chҩt tách các cҧm quang chѭa ÿóng rҳn. f. Vҩy khô: Làm cho cҧm quang cӭng hoàn toàn, ÿӗng thӡi tách toàn bӝ dung môi ra khӓi cҧm quang. ĈLӅu kiӋn sҩy: - NhiӋt ÿӝ: 49-54oC - Thӡi gian: 30 phút g. Ăn mòn h. Tҭy bӓ cҧm quang: ĈӃ bán dүn ÿѭӧc rӱa và sҩy khô. Dùng dung dӏch kiӅm hoһc khí ÿӇ hòa tan cҧm quang. Dùng hóa chҩt tách cҧm quang: - Sӱ dөng hóa chҩt nóng hòa tan cҧm quang - Các hóa chҩt thѭӡng sӱ dùng: acid sulfuric, acid phosphoric và hydrogen peroxide - Ѭu ÿLӇm: tách cҧm quang nhanh - Nhѭӧc ÿLӇm: giá thành hóa chҩt cao, tác ÿӝng ÿӃn môi trѭӡng Phѭѫng pháp khô (dùng khí): - Phѭѫng pháp này không ÿӝc hҥi do sӱ dөng khí oxy plasma ÿӇ oxy hóa hoàn toàn cҧm quang nên còn ÿѭӧc gӑi là tro hóa cҧm quang. Lѭӧng khí Wҥo thành sӁÿѭӧc tách bҵng bѫm chân không. CxHy (cҧm quang) + O2 ® CO + CO2 + H2O 3.4. Ăn mòn Sau khi thӵc hiӋn quá trình quang khҳc ta thu ÿѭӧc hình ҧnh trên là bҧn sao hình dҥng cӫa mҥch. ĈӇ nhұn ÿѭӧc hình dҥng thұt cӫa mҥch ta thӵc hiӋn quá trình ăn mòn nhҵm tҭy bӓ lӟp vұt liӋu không ÿѭӧc bҧo vӋ. .ӻ thuұt ăn mòn ÿѭӧc ӭng dөng rӝng rãi trong công nghӋ bán dүn và các hӋ thӕng vi cѫÿLӋn tӱ Có 2 phѭѫng pháp ăn mòn : - Ăn mòn ѭӟt : sӱ dөng ÿӕi vӟi chi tiӃt có ÿӝ phân giҧi > 3µm. 60
- Ăn mòn khô : sӱ dөng ÿӕi vӟi chi tiӃt có ÿӝ phân giҧi 3 µm), hoá chҩt ăn mòn ÿѭӧc sӱ dөng ÿӇ khҳc nhӳng hoҥ tiӃt và mӣ cӱa sә trên lӟp vұt liӋu ÿLӋn môi. Ăn mòn ѭӟt là phѭѫng pháp ÿѫn giҧn nhҩt và kinh tӃ nhҩt ÿӇ hòa tan các Fҧm quang chѭa ÿóng rҳn. Ăn mòn ѭӟt ÿһc biӋt thích hӧp khi cҫn ăn mòn toàn Eӝ bӅ mһt phiӃn có lӟp phӫ là silic ÿa tinh thӇ, oxide, nitride, kim loҥi và các Kӧp chҩt nhóm III-V * Nh˱ͫc ÿL͋m cͯa ph˱˯ng pháp: - Ăn mòn ÿӅu không có ÿӏnh hѭӟng nên dӉăn mòn vào lӟp oxit bên dѭӟi Oӟp photoresist. Do ÿó tҥo hình ҧnh không ÿúng vӟi yêu cҫu. - Hóa chҩt sӱ dөng chӫ yӃu là các acid nên phҧi quan tâm ÿӃn tác ÿӝng cӫa môi trѭӡng. Anisotropic : ăn mòn ÿѫn hѭӟng Isotropic : ăn mòn nhiӅu hѭӟng * &˯ ch͇ăn mòn ˱ͣt g͛m 3 giai ÿR̩n: 61
- Các chҩt phҧn ӭng khuӃch tán ÿӃn bӅ mһt - Phҧn ӭng hoá xҧy ra trên bӅ mһt - Sҧn phҭm phҧn ӭng ÿѭӧc ÿѭa ra khӓi bӅ mһt bҵng quá trình khuӃch tán. Trong công nghӋ chӃ tҥo IC quá trình ăn mòn ÿѭӧc thӵc hiӋn theo 2 cách: - Nhúng phiӃn vào dung dӏch ăn mòn.Trong trѭӡng hӧp này ngѭӡi ta dùng khuҩy cѫ hӑc ÿӇăn mòn ÿӗng ÿӅu và ÿӇ có ÿѭӧc tӕc ÿӝăn mòn thích hӧp. - Phun dung dӏch lên phiӃn.Trong trѭӡng hӧp này tӕc ÿӝ ăn mòn tăng Pҥnh và ÿӝÿӗng ÿӅu cao do chҩt phҧn ӭng mӟi luôn ÿѭӧc cung cҩp tӟi EӅ mһt phiӃn Ĉӝÿӗng ÿӅu tӕc ÿӝăn mòn xác ÿӏnh bӣi : RRmax- min Uetch (%)=´ 100(%) RRmax+ min Trong ÿó : Rmax là tӕc ÿӝăn mòn lӟn nhҩt Rmin là tӕc ÿӝăn mòn nhӓ nhҩt. VD: Hãy tính t͙c ÿ͡ăn mòn trung bình và ÿ͡ÿ͛ng ÿ͉u t͙c ÿ͡ăn mòn Al trên phi͇n Si ÿ˱ͥng kính 200mm,gi̫ thi͇t t͙c ÿ͡ăn mòn ͧ bên trái, bên ph̫i, m̿t trên và m̿t d˱ͣi l̯n l˱ͫt là 750,812,765,743 và 798nm/phút. BG: Tӕc ÿӝăn mòn trung bình =(750+812+765+743+798)/5 = 773,6 (nm/phút). Ĉӝÿӗng ÿӅu tӝc ÿӝăn mòn là: Uch =(812-743)/(812+743)x100% = 4,4% a. Ăn mòn Silic Dung dӏch ăn mòn silic thông dөng nhҩt là hӛn hӧp HNO3 và HF hòa tan trong nѭӟc hoһc CH3COOH . 62
HNO3 oxy hóa Si tҥo lӟp SiO2 theo phҧn ӭng: Si + 4HNO3 = SiO2 + 2H2O +4NO2 HF hòa tan SiO2 theo phҧn ӭng: SiO2 + 6HF = H2SiF6 + 2H2O 7ӕc ÿӝăn mòn phө thuӝc ÿӏnh hѭӟng tinh thӇ silic (ăn mòn dӏ hѭӟng). Chҩt ăn mòn dӏ hѭӟng thông dөng nhҩt vӟi silic là hӛn hӧp KOH trong nѭӟc và rѭӧu isopropyl. Hình 3.29. Ăn mòn dӏ hѭӟng. Ăn mòn qua cӱa sә trên silic mһt (100) (a); qua cӱa sә trên silic mһt (110) %ҵng cách ăn mòn dӏ hѭӟng silic ÿӏnh hѭӟng (100) qua mһt nҥ SiO2, có thӇ chӃ tҥo hӕ hình chӳ V vӟi mép là các mһt (111) dѭӟi góc 54.7o so vӟi mһt (100). NӃu cӱa sә trên mһt nҥ oxide ÿӫ rӝng và thӡi gian ăn mòn ngҳn, có thӇ nhұn ÿѭӧc hӕăn mòn hình chӳ U. 63
ChiӅu rӝng bӅ mһt ÿáy cӫa hӕÿѭӧc xác ÿӏnh nhѭ sau: 0 Wb =Wo=2lcos54,7 Trong ÿó: Wo là chiӅu rӝng hӕ trên mһt phiӃn, l là chiӅu sâu hӕăn mòn . b. Ăn mòn SiO2 6ӱ dөng dung dӏch HF pha loãng (có thӇ có thêm NH4F) SiO2 + 6HF = H2SiF6 + 2H2O 7ӕc ÿӝăn mòn SiO2 phө thuӝc vào: Nӗng ÿӝ dung dӏch, viӋc khuҩy và nhiӋt ÿӝ. Ngoài ra phө thuӝc vào mұt ÿӝ, ÿӝ xӕp, vi cҩu trúc và sӵ có mһt tҥp chҩt trong lӟp oxide. c. Ăn mòn Al Dung dӏch ăn mòn nhôm gӗm:73% H3PO4, 4% HNO3 , 3.5% o CH3COOH ,và 19.5% nѭӟc khӱ ion, ӣ 30-80 C. Quá trình xҧy ra: HNO3 oxy hóa nhôm, sau ÿó H3PO4 hòa tan nhôm oxide. Tӕc ÿӝăn mòn phө thuӝc nӗng ÿӝ dung dӏch, nhiӋt ÿӝ, khuҩy phiӃn và Wҥp chҩt hay hӧp kim trong màng nhôm. ĈӇ ăn mòn ѭӟt các màng cách ÿLӋn và các màng kim loҥi ngѭӡi ta thѭӡng dùng các hóa chҩt có khҧ năng hòa tan các vұt liӋu này ӣ dҥng khӕi và chuyӇn chúng thành muӕi hoһc hӧp chҩt hòa tan. Nói chung vұt liӋu màng Pӓng bӏăn mòn nhiӅu hѫn so vӟi vұt liӋu khӕi. Ngoài ra, tӕc ÿӝăn mòn cǊng Oӟn hѫn ÿӕi vӟi nhӳng màng có vi cҩu trúc không hoàn hҧo, chӭa ӭng suҩt, Fҩu tҥo không hӧp hoһc ÿã bӏ chiӃu bӭc xҥ. 64
0ӝt sӕ dung dӏch ăn mòn cho vұt liӋu cách ÿLӋn & vұt liӋu dүn ÿLӋn 9ұt liӋu Thành phҫn dung dӏch ăn mòn Tӕc ÿӝăn mòn(nm/phút) Si02 28ml HF 170ml H2O 100 113g NH4F 15ml HF 12 10ml HNO3 300ml H2O Si3N4 28ml HF 0,5 170ml H2O 113g NH4F Al H3PO4 10 4ml HNO3 3,5ml CH3COOH 30 73ml H3PO4 Au 4g KI 1000 Mo 1g I2 40ml H2O 5ml H3PO4 500 2ml HNO3 4ml CH3COOH 150ml H2O Pt 1ml HNO3 7ml HCl 50 8ml H2O W 34g KH2PO4 65
13,4g KOH 160 33g K3Fe(CN)6 H2O cho ÿӫ 1 lit 3.4.2. Ăn mòn khô ĈӇ ÿҥt ÿѭӧc ÿӝ chính xác cao cho viӋc truyӅn hình ҧnh tӯ lӟp cҧm quang xuӕng lӟp màng vұt liӋu phía dѭӟi, nhҩt là trong công nghӋ chӃ tҥo Pҥch ULSI, ngѭӡi ta ÿã phát triӇn các phѭѫng pháp ăn mòn khô. Trong kӻ thuұt ăn mòn khô, tҩm silicon ÿѭӧc ÿѭa vào trong buӗng chân không, sau ÿó hӛn hӧp khí dùng cho ăn mòn ÿѭӧc ÿѭa vào trong buӗng phҧn ӭng. Ӣ chân không thích hӧp, dѭӟi tác dөng cӫa nguӗn cao tҫn, khí ăn mòn bӏ ion hoá và chúng ta thu ÿѭӧc hӛn hӧp plasma cӫa khí nói trên bao gӗm các ion F+. Do ÿó SiO2 bӏăn mòn và tҥo ra các sҧn phҭm phҧn ӭng tѭѫng ӭng. Ăn mòn khô là các kӻ thuұt sӱ dөng plasma dѭӟi dҥng phóng ÿLӋn áp suҩt thҩp. Các ph˱˯ng pháp ăn mòn khô: - Ăn mòn plasma. - Ăn mòn ion phҧn ӭng (RIE). - Ăn mòn phún xҥ. - Ăn mòn ion phҧn ӭng trong tӯ trѭӡng (MERIE). - Ăn mòn plasma mұt ÿӝ cao (HDP). *M͡t s͙ ki͇n th˱c c˯ b̫n v͉ plasma. Plasma là chҩt khí bӏ ion hóa hoàn toàn hoһc bӏ ion hóa mӝt phҫn bao Jӗm sӕ lѭӧng nhѭ nhau các ÿLӋn tích dѭѫng, ÿLӋn tích âm và mӝt sӕ phân tӫ không bӏ ion hóa. Plasma hình thành khi mӝt ÿLӋn trѭӡng ÿӫ mҥnh ÿһt vào chҩt gây ra hiӋn tѭӧng ÿành thӫng và khí bӏ ion hóa. Quá trình ÿѭӧc khӣi ÿӝng bӣi các ÿLӋn tӫ tӵ do ÿѭӧc cung cҩp tӯ mӝt nguӗn nào ÿó. Các ÿLӋn tӱ tӵ do ÿѭӧc gia tӕc bӣi ÿLӋn trѭӡng, va chҥm vӟi các 66
phân tӱ khí và mҩt năng lѭӧng. Năng lѭӧng truyӅn trong quá trình va chҥm làm ion hóa phân tӱ khí, nghƭa là giҧi phóng ÿLӋn tӱ. Các ÿLӋn tӱ tӵ do lҥi nhұn ÿӝng năng tӯ ÿLӋn trѭӡng và quá trình tiӃp tөc. Nhѭ vұy khi ÿLӋn áp ngoài ÿһt vào lӟn hѫn ÿLӋn áp ÿánh thӫng, plasma sӁÿѭӧc duy trì trong toàn Eӝ buӗng phҧn ӭng. Ăn mòn Plasma &ѫ chӃăn mòn: xҧy ra theo 5 bѭӟc: 1. Các tác nhân ăn mòn ÿѭӧc hình thành trong plasma. 2. Các chҩt này khuӃch tán qua lӟp khí ӭÿӑng ÿӃn bӅ mһt. 3. Các chҩt ăn mòn hҩp thө trên bӅ mһt. 4. Phҧn ӭng hóa hӑc xҧy ra tҥo thành hӧp chҩt bay hѫi. 5. Các chҩt này nhҧ hҩp khӓi bӅ mһt,khuӃch tán vào dòng khí và ÿѭӧc bѫm hút bӣi hӋ chân không. Hình 3.30. Các bѭӟc cѫ bҧn trong quá trình ăn mòn khô Ăn mòn plasma dӵa trên viӋc hình thành plasma trong chҩt khí ӣ áp suҩt thҩp. 67
Hai phѭѫng pháp chӫ yӃu ÿѭӧc sӱ dөng là : - Ăn mòn phún xҥ - Ăn mòn thuҫn hóa hӑc - Ăn mòn phún xҥ (phѭѫng pháp vұt lý): Các ion dѭѫng bҳn phá bӅ mһt vӟi Wӕc ÿӝ cao; mӝt lѭӧng nhӓ ion âm hình thành trong plasma không ÿӃn ÿѭӧc bӅ Pһt và do ÿó không ÿóng vai trò trӵc tiӃp trong ăn mòn. Ăn mòn vұt lý có tính dӏ hѭӟng tӕt nhѭng tính chӑn lӑc kém và gây sai hӓng do bҳn phá vұt liӋu. - Ăn mòn thuҫn hóa hӑc(phѭѫng pháp hóa hӑc): Các chҩt phҧn ӭng hình thành do plasma tác dөng vӟi bӅ mһt vұt liӋu tҥo ra các hӧp chҩt bay hѫi. Ăn mòn hóa hӑc có tӕc ÿӝăn mòn lӟn, tính chӑn lӑc tӕt nhѭng lҥi là ÿҷng Kѭӟng 3.5. KhuӃch tán 6ӱ dөng kӻ thuұt khuӃch tán, các nguyên tӱ tҥp chҩt ÿѭӧc ÿѭa vào Pҥng tinh thӇ bán dүn, tҥo nên các vùng bán dãn có loҥi hҥt dүn và nӗng ÿӝ Kҥt dүn mong muӕn. Sӵ khuӃch tán trong mҥng tinh thӇ là mӝt quá trình vұt lý ÿѭӧc ÿһc trѭng bӣi sӵ xâm nhұp các nguyên tӱ tҥp chҩt vào mҥng tinh thӇ trong ÿLӅu kiӋn nhiӋt ÿӝ cao. &ѫ chӃ khuӃch tán trong tinh thӇ: - Sӵ khuӃch tán giӳa các nút mҥng: Nguyên tӱ tҥp chҩt dӏch chuyӇn trong Pҥng tinh thӇ bҵng cách nhҧy tӯ vӏ trí giӳa các nút mҥng này ÿӃn các vӏ trí tiӃp theo. - Sӵ khuӃch tán thay thӃ: Do trong mҥng tinh thӇ có các sai hӓng ÿLӇm, sӵ khuӃch tán xҧy ra khi nguyên tӱ tҥp chҩt ÿәi vӏ trí giӳa các sai hӓng ÿLӇm trong mҥng tinh thӇ và thay thӃ các nguyên tӱ cӫa tinh thӇ tҥi vӏ trí nút mҥng. - Sӵ khuӃch tán thay thӃ giӳa các nút mҥng: Trong cѫ chӃ khuӃch tán này ÿӗng thӡi có sӵ tham gia cӫa các sai hӓng ÿLӇm. Nguyên tӱ tҥp tӯ vӏ trí nút Pҥng nhҧy ra vӏ trí giӳa các nút mҥng và tҥo nên lӛ hәng. 68
Nhұn thҩy rҵng, có thӇ tӗn tҥi ÿӗng thӡi các cѫ chӃ khuӃch tán nhѭÿã mô tҧӣ trên hoһc có sӵ phӕi hӧp giӳa các cѫ chӃ khuӃch tán. 0ӝt sӕ yêu cҫu cӫa mӝt hӋ khuӃch tán: - Quá trình khuӃch tán không ÿѭӧc làm hӓng bӅ mһt phiӃn bán dүn. - Sau quá trình khuӃch tán, vұt liӋu còn ÿӑng lҥi trên bӅ mһt phiӃn phҧi ÿѭӧc Wҭy mӝt cách dӉ dàng ÿӇ thuұn lӧi cho các công ÿRҥn sau. - HӋ khuӃch tán phҧi cho cùng mӝt kӃt quҧÿӕi vӟi tҩt cҧ các phiӃn trong cùng dây chuyӅn công nghӋ. - HӋ khuӃch tán phҧi có khҧ năng khuӃch tán cùng mӝt lúc mӝt sӕ phiӃn bán Gүn. - NhiӋt ÿӝ khuӃch tán thѭӡng sӱ dөng trong khoҧng tӯ 800 ÿӃn 1200 0C. Nguӗn khuӃch tán bao gӗm: Nguӗn rҳn, nguӗn lӓng và nguӗn khí. Hình 3.31. Sѫÿӗ hӋ khuӃch tán tӯ nguӗn rҳn. 3.6. Cҩy ion 3.6.1. Mӣÿҫu - Cҩy ion là phѭѫng pháp ÿѭa tҥp chҩt vào phiӃn bán dүn nhҵm tҥo ra các vùng có các dҥng hҥt dүn và nӗng ÿӝ hҥt dүn xác ÿӏnh. 69
- Các nguyên tӱ tҥp chҩt ÿѭӧc ion hóa, ÿѭӧc gia tӕc và ÿѭa ÿӃn bӅ mһt phiӃn bán ÿүn sau ÿó các ion có năng lѭӧng cao ÿi vào mҥng tinh thӇ va chҥm vӟi các tinh thӇ silic và dӯng lҥi. Hình 3.32. Cҩy ion Ѭu ÿLӇm cӫa phѭѫng pháp cҩy ion: - Có thӇ khӕng chӃ chính xác lѭӧng nguyên tӱ tҥp chҩt. - Có phә rӝng ÿӇ chӑn các vұt liӋu làm mһt nҥ nhѭ ôxit,chҩt cҧm quang,poly- Si, kim loҥi - Có thӇ cҩy ion qua lӟp ôxit. - Không bӏҧnh hѭӣng nhiӅu tӯ các công ÿRҥn làm sҥch bӅ mһt phiӃn. - Có ÿӝ ÿӗng ÿӅu rҩt lý tѭӣng liӅu chiӃu xҥ theo chiӅu ngang.Ví dө: LiӅu chiӃu xҥ , hay lѭӧng tҥp chҩt chӍ thay ÿәi cӥ 1% trên suӕt ÿѭӡng kính cӫa phiӃn Si 8”(20,32 cm). - Có thӇ thӵc hiӋn cҩy nhiӅu loҥi nguyên tӕ khác nhau - ViӋc cҩy ion tҥp chҩt ӣÿLӅu kiӋn chân không,nhiӋt ÿӝ phòng vì vұy không ҧnh hѭӣng tӟi sӵ phân bӕ tҥp chҩt cӫa các công ÿRҥn trѭӟc. Nhѭӧc ÿLӇm cӫa phѭѫng pháp cҩy ion: 70
- Gây sai hӓng lӟn tҥi bӅ mһt mүu do sӵ bҳn phá cӫa chùm ion. - ThiӃt bӏÿҳt tiӅn, cӗng kӅnh, ÿòi hӓi các phө trӧ phӭc tҥp. 3.6.2. ThiӃt bӏ cҩy ion Hình 3.33. Sѫÿӗ thiӃt bӏ cҩy ion - Nguӗn ion chӭa các chҩt khí cӫa tҥp chҩt ví dө PH3, B2H6 hoһc AsH3ÿѭӧc Vӱ dөng ÿӇ tҥo plasma và ÿѭӧc ion hóa. - Nam châm sӁ chӑn lӑc mӝt loҥi trong sӕ nhiӅu loҥi ion ÿѭӧc ion ÿѭӧc ion hóa và ÿѭa vào ӕng gia tӕc. - Ӕng gia tӕc có nhiӋm vө cung cҩp năng lѭӧng cҫn thiӃt ÿӇ các ion chui sâu vào lӟp bán dүn. - Chùm ion ÿѭӧc ÿLӅu chӍnh quӻÿҥo vӅ phía bán dүn thông qua hӋ thӕng lăng kính, bҧn lӋch X, bҧn lӋch Y. Vӏ trí bán dүn ÿѭӧc ÿһt lӋch so vӟi phѭѫng năm ngang sao cho chùm tia trung tính không ÿLӅu khiӇn ÿѭӧc không ÿi ÿӃn phiӃn bán dүn. - Có thӇ dùng các bҧn lӋch X và Y ÿӇ quét chùm tia ion ÿӗng ÿӅu trên mһt phiӃn bán dүn. 71
- PhiӃn ÿӃ (bia) ÿѭӧc ÿһt trong nӗng ÿӝ Faraday ÿӇ có thӇ dӉ dàng ÿo sӕ ion Eҵng các ÿo dòng ion và lҩy tәng theo thӡi gian cҩy. 3.6.3. Mһt nҥ dùng cho cҩy ion ĈӇ tҥo chuyӇn tiӃp P-N tҥi nhӳng vӏ trí chӑn lӑc trên ÿӃ bán dүn cҫn phҧi sӱ dөng mһt nҥ (mask) thích hӧp ÿӕi vӟi quá trình cҩy ion. 9ұt liӋu tҥo mһt nҥ thѭӡng là SiO2 và Si3N4 3.6.4. Ӫ nhiӋt Vì quá trình cҩy ion gây ra sai hӓng và mҩt trұt tӵ nên nó làm giҧm các thông sӕ bán dүn nhѭÿӝ linh ÿӝng và thӡi gian sӕng. ngoài ra phҫn lӟn ion mӟi ÿѭӧc cҩy vào không gian nҵm ӣ vӏ trí thay thӃ. ÿӇ kích hoҥt các ion mӟi cҩy và khôi phөc ÿӝ linh ÿӝng và các thông sӕ vұt liӋu khác, cҫn phҧi ӫ bán dүn tҥi nhiӋt ÿӝ trong khoҧng thӡi gian thích hӧp Mөc ÿích: - Tái kӃt tinh vùng nhiӅu sai hӓng, phөc hӗi lҥi cҩu trúc tinh thӇ bán dүn. - KhiӃn cho các ion tҥp tiӃp tөc khuӃch tán và thӃ chӛ vào các nút khuyӃt Fӫa mҥng tinh thӇ bán dүn. tăng chiӅu dày lӟp khuӃch tán. 3.7. Epitaxy 3.7.1. Mӣÿҫu .ƭ thuұt epitaxy là mӝt quá trình mà qua ÿó lӟp vұt liӋu ÿѫn tinh thӇ ÿѭӧc hình thành trên bӅ mһt cӫa ÿӃÿѫn tinh thӇ. Trong quá trình epitaxy, ÿӃÿѫn tinh thӇÿóng vai trò nhѭ mҫm, mһc dù quá trình xҧy ra vӟi nhiӋt ÿӝ rҩt thҩp so vӟi nhiӋt ÿӝ nóng chҧy. Khi lӟp epitaxy ÿѭӧc tҥo ra trên ÿӃ cӫa vұt liӋu cùng loҥi, quá trình ÿѭӧc gӑi là ÿӗng epitaxy. Sӵ hình thành silic trên ÿӃ silic là ví dө cӫa quá trình ÿӗng epitaxy. Tuy nhiên, trong hiӋn tҥi, phҫn lӟn công viӋc ÿѭӧc thӵc hiӋn vӟi quá trình dӏ epitaxy. Trong quá trình epitaxy, mһc dù ÿӃ và vұt liӋu epitaxy không giӕng nhau nhѭng hai cҩu trúc tinh thӇ phҧi rҩt giӕng nhau nӃu muӕn thu ÿѭӧc ÿѫn tinh thӇ và tránh các sai hӓng tҥi bӅ mһt chuyӇn tiӃp giӳa epitaxy và ÿӃ. 72
6ӵ hình thành nhӳng lӟp epitaxy cӫa hӧp kim ba thành phҫn AlGaAs trên ÿӃ GaAs là ví dө vӅ quá trình dӏ epitaxy. 3.7.2. Làm sҥch phiӃn và tҭy lӟp Oxit tӵ nhiên Trѭӟc khi cҩy lӟp epitaxy, ÿӃ cҫn phҧi ÿѭӧc làm sҥch, cө thӇ là cҫn phҧi Wҭy lӟp oxide tӵ nhiên và mӑi tҥp chҩt và bөi trên mһt ÿӃ. Mөc ÿích cӫa công ÿRҥn này là tҥo bӅ mһt silic hoàn hҧo, không có tҥp chҩt và không có sӵ thay ÿәi vӏ trí cӫa các nguyên tӱ bӅ mһt.Trên thӵc tӃ, có thӇ tҭy bӓ hӃt tҥp chҩt nhѭng ko thӇ có bӅ mһt hoàn hҧo vì bҧn thân bӅ mһt chӭa các tҥp chҩt không bão hòa. Các tҥp chҩt tӗn tҥi trên bӅ mһt phiӃn bao gӗm các hӧp chҩt hӳu cѫ xuҩt phát tӯ cҧm quang dѭ hay vұt liӋu polimer kӃt tӫa trong quá tình ăn mòn, các Kҥt kim loҥi và lӟp oixde mӓng. Quá trình tҭy bӓ tҥp chҩt ÿѭӧc thӵc hiӋn lҫn Oѭӧt theo các công ÿRҥn, mӛi công ÿRҥn kӃt thúc bҵng tráng nѭӟc thӱ ion. Các ion kim loҥi kiӅm ÿѭӧc tҭy bӓ trong dung dӏch chӭa Halogen. Thông dөng nhҩt là hӛn hӧp H2O: HCl: H2O2 ÿѭӧc nung nóng ÿӃn 75-80°C. ĈӇ sҩy phiӃn sau khi rӱa, ngѭòi ta dùng khí N2 nén hoһc quay khô ly tâm. Sau khi ÿѭӧc làm sҥch bҵng phѭѫng pháp hoá hӑc nhѭ miêu tҧӣ trên ÿây, trên bӅ mһt phiӃn thѭӡng tӗn tҥi mӝt lӟp oxide mӓng không chӭa tҥp kim loҥi hoһc hӳu cѫ. ĈӇ có thӇ cҩy lӟp epitaxy chҩt lѭӧng cao, cҫn phҧi tҭy bӓ Oӟp oxide này. Trong hҫu hӃt trѭӡng hӧp bѭӟc ÿҫu tiên trѭӟc khi thӵc hiӋn epitaxy, ngѭӡi ta tҭy lӟp oxide trong môi trѭӡng H2, hӛn hӧp H2/HCl hoһc chân không, ӣ nhiӋt ÿӝ cao. 3.7.2. NhiӋt ÿӝng hӑc quá trình Epitaxy pha hѫi Mô hình ÿѫn giҧn nhҩt có thӇ sӱ dөng ÿӇ miêu tҧ quá trình VPE (Vapour Phase Epitaxy) là mô hình cӫa Deal. Mô hình này vӅ cѫ bҧn giӕng nhѭ mô hình cho quá trình oxy hóa. Mô hình Deal là mô hình bán ÿӏnh lѭӧng, tuy nhiên quá trình cҩy epitaxy bӏÿѫn giҧn hóa quá nhiӅu. Không giӕng nhѭ oxy hóa, các chҩt kӃt tӫa và nguӗn khí ӣÿây không phҧi là mӝt. NhiӅu phҧn ӭng hóa hӑc có thӇ xҧy ra trong pha khí và trên mһt phiӃn. Ngoài ra, nhiӅu quá 73
trình xҧy ra ÿӗng thӡi, có quá trình hӛ trӧ, có quá trình làm cҧn trӣ viӋc phát triӇn cӫa lӟp epitaxy.Thí dө trong hӋ Si-H-Cl, các phân tӱ chӭa silic trên bӅ Pһt phiӃn có thӇ là SiCl2, SiCl4, SiH2 hoһc Si. Khi áp suҩt trong bình thҩp hoһc khi dòng khí vào nhӓ, viӋc có mһt các chҩt trên ÿây có thӇ hҥn chӃ tӕc ÿӝ Pӑc lӟp epitaxy. Các nguyên tӱ silic hҩp phө trên bӅ mһt và cҧ các nguyên tӱ ÿӅu có thӇ bӏăn mòn bӣi phҧn ӭng vӟi Cl. Mô hình Deal không tính ÿӃn ÿLӅu này. Ӣÿây chúng ta sӁ sӱ dөng phѭѫng pháp tham sӕ hóa quá trình phӭc tҥp. 7ѭѫng tӵ ta xét mô hình chi tiêt cӫa quá trình mӑc lӟp epitaxy VPE Eҵng cách chia thành các bѭӟc tuҫn tӵ, trong ÿó mӛi bѭӟc ÿӅu có ҧnh hѭӣng ÿӃn tӕc ÿӝ mӑc. Các chҩt khí khi ÿѭӧc ÿi vào bình thì bӏ phân li mӝt phҫn tҥo ra nhiӅu chҩt còn phҧn ӭng mҥnh hѫn. Các chҩt chӭa silic này phҧi ÿi qua bình cho ÿӃn khi chúng tӟi gҫn phiӃn. Tҥi ÿó chúng phҧi ÿi qua lӟp trì trӋÿӇ ÿӃn bӅ mһt phiӃn. Trên mһt phiӃn chúng bӏ hҩp phө, khuӃch tán tiӃp tөc phân ly thành silic nguyên tӱ và sҧn phҭm phҧn ӭng bay hѫi, các sҧn phҭm phө này Eӏ nhҧ hҩp và ÿѭӧc bѫm ra ngoài. Trong mөc này, ta xét phҧn ӭng pha khí cӫa Pӝt sӕ quá trình epitaxy silic thông dөng nhҩt. H Ӌ hóa hӑc ÿѫn giҧn nhҩt ÿӇ cҩy lӟp silic là nhiӋt phân silane. Phҧn ӭng tәng thӇ là : SiH4 (g) -> Si(s) +2H2(g) Phҧn ӭng này thӵc chҩt là không thuұn nghӏch và có thӇ xҧy ra ӣ nhiӋt ÿӝ tѭѫng ÿӕi thҩp là 600oC. Phҧn ӭng cǊng thѭӡng ÿѭӧc sӱ dөng ÿӇ kӃt tӫa silic ÿa tinh thӇ. Tuy có thӇ dùng silane ÿӇ cҩy silic epitaxy ӣ nhiӋt ÿӝ thҩp tӯ o o 600 C->800 C, nhѭng vì SiH4 có xu hѭӟng phân ly ÿӇ tҥo hҥt trong pha khí nên khó có thӇ nhұn lӟp epitaxy chҩt lѭӧng cao, trӯ khi ӣ áp suҩt thҩp. Sӵ tҥo Kҥt ÿӗng thӇ xҧy ra liên tөc trong pha khí ӣ bҩt kì áp suҩt nào, tuy nhiên tӕc ÿӝ Wҥo hҥt tăng rҩt mҥnh khi áp suҩt riêng phҫn silane tăng. Do ÿó tҥi mӝt nhiӋt ÿӝ cho trѭӟc áp suҩt SiH4 không ÿѭӧc lӟn hѫn mӝt giá trӏ nhҩt ÿӏnh. +ҫu nhѭ tҩt cҧ các hӋ epitaxy cҩy silic trong công nghӋ IC ÿӅu sӱ dөng phҧn ӭng khӱ SiHxCl4-x vӟi x=0,1,2,3, ÿѭӧc pha loãng trong H2. Sӕ nguyên tӱ Cl trong phân tӱ clorosilane càng nhӓ, nhiӋt ÿӝ epitaxy cҫn thiӃt ÿӇÿҥt tӕc ÿӝ 74
Fҩy cho trѭӟc càng thҩp. Trѭӟc ÿây ngѭӡi ta chӫ yӃu dùng SiCl4, tuy nhiên ÿӇ có tӕc ÿӝ cҩy chҩp nhұn ÿѭӧc nhiӋt ÿӝÿӃ phҧi lӟn hѫn 1150oC, nhѭ vұy sӁ gây ra tái phân bӕ tҥp chҩt rҩt mҥnh. Dҫn dҫn ngѭӡi ta thay thӃ SiCl4 bҵng SiHCl3, SiH2Cl2, SiH3Cl. HiӋn nay SiH2Cl2ÿѭӧc dùng chӫ yӃu. 3.7.3. Pha tҥp Trong quá trình cҩy epitaxy, tҥp chҩt có thӇÿѭӧc ÿѭa vào có chӫ ý hoһc ngүu nhiên. Nguӗn tҥp ngүu nhiên chính là khuӃch tán pha tҥp rҳn tӯÿӃ và tӵ pha tҥp pha khí. KhuӃch tán pha rҳn khӕng chӃ profile tҥp gҫn phân biên epi/ÿӃ. Ĉӕi vӟi epitaxy silic, các nguӗn tҥp dҥng khí thông dөng nhҩt là diborane(B2H6), arsine(AsH3) và phosphine(PH3). Nӗng ÿӝ tҥp trong lӟp epitaxy ÿѭӧc ÿLӅu khiӇn bҵng thông lѭӧng khí tҥp ÿi vào bình phҧn ӭng. Muӕn có áp suҩt riêng phҫn thҩp ÿӇ nhұn lӟp pha tҥp nhҽ, khí chӭa tҥp thѭӡng ÿѭӧc pha loãng trong hidro. 3.7.4. KhuyӃt tұt trong lӟp Epitaxy /ӟp epitaxy có thӇ có khuyӃt tұt. NӃu nhӳng khuyӃt tұt nҵm trong vùng tích cӵc cӫa phiӃn, chúng có thӇ làm hӓng linh kiӋn. Linh kiӋn hӓng có thӇ trӵc tiӃp do các trҥng thái ÿLӋn tӱ có liên quan ÿӃn khuyӃt tұt làm tăng ÿáng kӇ dòng rò. CǊng có thӇ trong quá trình epitaxy khuyӃt tұt bҳt giӳ các tҥp chҩt khác trên phiӃn tҥo nên các trҥng thái ÿLӋn tӱ. KhuyӃt tұt cǊng có thӇ làm tăng khuӃch tán, dүn ÿӃn thay ÿәi cҩu trúc vұt lý cӫa transistor. Loҥi khuyӃt tұt phә biӃn nhҩt trong lӟp silic epitaxy là sai hӓng xӃp. Sai Kӓng xӃp là mһt phҷng nguyên tӱ thêm vào(thӯa) tinh thӇ hoһc mһt phҷng nguyên tӱ thiӃu tinh thӇ. Sai hӓng xӃp trong silic thѭӡng xҧy ra theo hѭӟng . KhuyӃt tұt có thӇ là nhӳng ÿҫu nhӑn, chӛ nhô ra tӯ lӟp epitaxy, không trùng vӟi hѭӟng tinh thӇ. Ĉây có thӇ là dҩu hiӋu cӫa sӵ mӑc màng 3 chiӅu(3- D). Sai hӓng xӃp và ÿҫu nhӑn thѭӡng có nguӗn gӕc tӯ khuyӃt tұt cӫa bӅ mһt phiӃn ban ÿҫu. Các khuyӃt tұt ban ÿҫu gӗm tҥp oxi, kim loҥi, sai hӓng xӃp do 75
oxi hóa gây ra trong phiӃn và các hҥt kӃt tӫa trên bӅ mһt phiӃn. ViӋc làm sҥch EӅ mһt phiӃn 1 cách cҭn thұn sӁ làm giҧm ÿáng kӇ mһt ÿӝ sai hӓng xӃp trong Oӟp silic epitaxy. /Ӌch mҥng cǊng tѭѫng tӵ nhѭ sai hӓng xӃp nhѭng là khuyӃt tұt 2-D. /Ӌch mҥng khó phát hiӋn trên bӅ mһt nhѭng vүn ҧnh hѭӣng nghiêm trӑng ÿӃn chҩt lѭӧng lӟp epitaxy. LӋch mҥng có thӇ lan truyӅn tӯÿӃ, cǊng có thӇÿѭӧc hình thành trong lӟp epitaxy do biӃn dҥng ÿàn hӗi, hұu quҧ cӫa phân bӕ nhiӋt không ÿӅu và tӕc ÿӝ mӑc quá lӟn. Nhӳng khuyӃt tұt tinh vi kiӇu lӋch mҥng thѭӡng ÿѭӧc phát hiӋn bҵng ăn mòn chӑn lӑc. 0ӝt trong nhӳng lí do tҥi sao phҧ cҩy lӟp epitaxy ÿӇ giҧm ÿLӋn trӣ nӕi tiӃp hay ÿLӋn trӣ kí sinh. Thѭӡng viӋc này ÿѭӧc thӵc hiӋn bҵng cách cҩy lӟp epitaxy pha tҥp nhҽ trên bӅ mһt phiӃn pha tҥp mҥnh hoһc lên trên vùng chôn Fөc bӝ pha tҥp mҥnh. Transistor ÿѭӧc chӃ tҥo trong lӟp epitaxy, còn vùng pha Wҥp mҥnh thӵc chҩt là tiӃp xúc phía ÿáy cӫa transistor. 3.7.5. Epitaxy GaAs Epitaxy GaAs ÿѭӧc thӵc hiên khác vӟi epitaxy Si. Nguӗn khí As là AsH3, mӝt chҩt әn ÿӏnh nhѭng rҩt ÿӝc. Tuy nhiên Ga lҥi không tҥo ÿѭӧc hӧp chҩt Clorohydride bӅn vӳng. Phҫn lӟn hӧp chҩt cӫa Ga vӟi clo là dҥng rҳn ӣ nhiӋt ÿӝ phòng. Ӣ nhiӋt ÿӝ cao GaCl và GaCl3 có thӇ trӣ thành dҥng khí. Ĉây chính là cѫ sӣ cho mӝt phѭѫng pháp cҩy GaAs rҩt thành công, ÿó là phѭѫng pháp vұn chuyӇn halogenua. Trong phѭѫng pháp này, nguӗn Ga ӣ dҥng rҳn ÿѭӧc ÿӕt nóng ÿӃn 700- o 750 C. Hӛn hӧp khí HCl pha loãng trong H2 chҥy qua phía trên Ga hoһc GaAs nóng, tҥo thành GaCl. Khí mang vұn chuyӇn GaCl ÿӃn bӅ mһt phiӃn và Wҥi ÿó tҥo thành GaAs trên bӅ mһt. ĈӇ xây dӵng mô hình bӅ mһt trong suӕt quá trình VPE ngѭӡi ta thѭӡng giҧ thiӃt rҵng các phҧn ӭng pha khí chӍ làm phát sinh các chҩt tҥo màng, nhӳng chҩt này sau ÿó hҩp thө trên bӅ mһt phiӃn phҧn ӭng rӗi trӣ thành mӝt phҫn cӫa màng. 76
Có 2 trӣ ngҥi trong viӋc sӱ dөng phѭѫng pháp vұn chuyӇn halogenua ÿӇ Fҩy GaAs. Thӭ nhҩt là do nhiӋt ÿӝÿӃ cҫn thiӃt ÿӇ cҩy lӟp GaAs chҩt lѭӧng có thӇ chӃ tҥo linh kiӋn là khá cao, cho nên khó nhұn ÿѭӧc chuyӇn tiӃp ÿӝt ngӝt. 9ҩn ÿӅ thӭ 2 là do bҧn chҩt quá trình khó khӕng chӃ chiӅu dày lӟp epitaxy vӟi các cҩu trúc mӓng. Phѭѫng pháp vұn chuyӇn halogenua vүn còn ÿѭӧc sӱ dөng ÿӇ chӃ tҥo quy mô lӟn các diot phát quang. 3.7.6. Epitaxy chùm phân tӱ Epitaxy chùm phân tӱ (tiӃng Anh: Molecular beam epitaxy, viӃt tҳt là MBE) là thuұt ngӳ chӍ mӝt kӻ thuұt chӃ tҥo màng mӓng bҵng cách sӱ dөng các chùm phân tӱ lҳng ÿӑng trên ÿӃÿѫn tinh thӇ trong chân không siêu cao, ÿӇ thu ÿѭӧc các màng mӓng ÿѫn tinh thӇ có cҩu trúc tinh thӇ gҫn vӟi cҩu trúc cӫa Oӟp ÿӃ. Kӻ thuұt này ÿѭӧc phát minh vào nhӳng năm 60 cӫa thӃ kӹ 20 tҥi Phòng thí nghiӋm Bell (Bell Telephone Laboratories) bӣi J.R. Arthur và Alfred Y. Cho. Hình 3.34. S˯ÿ͛ h͏ epitaxy chùm phân t͵ 0ӝt trong nhӳng kƭ thuұt ÿҫu tiên dùng chӃ tҥo cҩu trúc dӏ chҩt GaAs là Nƭ thuұt epitaxy chùm phân tӱ. Kƭ thuұt này cho phép chӃ tҥo các lӟp bán dүn 77
chҩt lѭӧng cao, vӟi chiӅu dày có thӇ khӕng chӃӣ mӭc nguyên tӱ. Hѫn nӳa, nhiӋt ÿӝ cҩy thҩp hҫu nhѭ loҥi trӯ viӋc khuӃch tán tҥp chҩt. Kƭ thuұt MBE FǊng ÿã ÿѭӧc dùng ÿӇ cҩy silic. .ӻ thuұt MBE chӍ có thӇ thӵc hiӋn ÿѭӧc trong môi trѭӡng chân không siêu cao (áp suҩt thҩp hѫn 10-9 Torr), do ÿó cho phép tҥo ra các màng mӓng Yұt liӋu có ÿӝ tinh khiӃt rҩt cao. ĈLӇm khác biӋt cѫ bҧn nhҩt cӫa MBE so vӟi các kƭ thuұt màng mӓng khác (ví dө nhѭ phún xҥ, bӕc bay nhiӋt ) là các màng mӓng ÿѫn tinh thӇÿѭӧc mӑc lên tӯ lӟp ÿӃÿѫn tinh thӇ vӟi tӕc ÿӝ cӵc thҩp và có ÿӝ hoàn hҧo rҩt cao. Vì thӃ, kӻ thuұt MBE cho phép tҥo ra các siêu Pӓng, thұm chí chӍ vài lӟp nguyên tӱ vӟi chҩt lѭӧng rҩt cao. Tuy nhiên, chҩt Oѭӧng màng cǊng nhѭ tӕc ÿӝ tҥo màng phө thuӝc nhiӅu vào ÿӝ hoàn hҧo cӫa môi trѭӡng chân không. Lӟp ÿӃ bên dѭӟi là ÿѫn tinh thӇ, có tác dөng nhѭ mӝt Pҫm ÿӇ lӟp màng phát triӇn lên trong quá trình ngѭng ÿӑng. MBE có thӇ chӃ tҥo các màng hӧp chҩt hoһc ÿѫn chҩt tӯ các nguӗn vұt liӋu riêng biӋt. Các vұt liӋu nguӗn ÿѭӧc ÿӕt ÿӃn mӭc ÿӝ bay hѫi nhѭng vӟi tӕc ÿӝ rҩt chұm và ÿѭӧc dүn tӟi ÿӃ. Ӣÿó, nӃu là màng hӧp chҩt, các chҩt sӁ phҧn ӭng vӟi nhau chӍ tҥi bӅ mһt ÿӃÿӇ phát triӇn thành ÿѫn tinh thӇ. Các chùm nguyên tӱ, phân tӱ cӫa các vұt liӋu nguӗn sӁ không phҧn ӭng vӟi nhau cho ÿӃn khi chúng kӃt hӧp vӟi nhau trên ÿӃ do quãng ÿѭӡng tӵ do trung bình cӫa chúng rҩt dài. Ĉây là lý do chính cӫa tên gӑi chùm phân t͵. Trong quá trình hình thành màng, ngѭӡi ta thѭӡng dùng kӻ thuұt nhiӉu [ҥ ÿLӋn tӱ phҧn xҥ năng lѭӧng cao (RHEED) ÿӇ kiӇm soát quá trình mӑc màng thông qua phә nhiӉu xҥ ÿLӋn tӱÿѭӧc ghi trӵc tiӃp. Quá trình này cho phép kiӇm soát sӵ phát triӇn cӫa màng vӟi ÿӝ chính xác tӯng lӟp nguyên tӱ. Ĉӗng thӡi, trong quá trình chӃ tҥo, ÿӃ cҫn ÿѭӧc giӳ lҥnh. ĈӇÿҥt ÿѭӧc môi trѭӡng chân không siêu cao, ban ÿҫu buӗng chӃ tҥo ÿѭӧc hút chân không sѫ cҩp (cӥ 10-3 Torr), sau ÿó sӱ dөng bѫm turbo ÿӇ tҥo chân không cao tӟi 10-7 Torr và tҥo chân không siêu cao bҵng bѫm iôn hoһc Eҵng cryo-pump (bѫm chân không siêu cao, sӱ dөng các khí hóa lӓng ӣ nhiӋt 78
ÿӝ thҩp, ví dө nhѭ nitѫ lӓng ӣ 77 0K , ÿӇ bүy khí nhҵm tҥo ra chân không siêu cao). Vì thӃ, hӋ MBE vұn hành khá phӭc tҥp và tӕn kém. ĈӇÿҥt ÿѭӧc chân không ban ÿҫu cao nhѭ vұy, buӗng MBE bao gӗm cҧ các ÿӋm cao su cҫn phҧi thiӃt kӃ sao cho có thӇÿѭӧc nung nóng ÿӃn 150- >250oC. ViӋc nung nóng ӣ nhiӋt ÿӝ cao làm tăng áp suҩt hѫi cӫa nѭӟc hҩp thө trên vách trong cӫa bình và mһt trong cӫa các bӝ phұn khác. Vӟi mөc ÿích này, thѭӡng mӛi thiӃt bӏ ÿѭӧc cung cҩp mӝt tҩm choàng ÿӕt nóng. Khi ÿӕt nóng kéo dài cҫn ÿһc biӋt chú ý ÿӃn ÿӝ bӅn cӫa các cӱa sә quan sát. Các bӝ phұn này thѭӡng kém chӏu ÿӵng nhӳng chu trình nhiӋt ÿӝ cao lһp ÿi lһp lҥi. Nhӳng bӝ phұn quan trӑng nhѭ nguӗn bay hѫi có thӇÿѭӧc nung ӣ nhiӋt ÿӝ cao hѫn ÿӇÿҧm bҧo ÿӝ sҥch cao hѫn. Thӡi gian ÿӕt nóng phө thuӝc mӭc ÿӝ tiӃp xúc không khí phía bên trong hӋ. NӃu phҧi mӣ toàn bӝ hӋ ÿӇ thay ÿәi nguӗn vұt liӋu, thѭӡng mҩt ÿӃn cҧ tuҫn vӯa bѫm vӯa ÿӕt nóng thì mӟi có thӇ Fҩy ÿѭӧc lӟp màng chҩt lѭӧng cao ÿӇ chӃ tҥo linh kiӋn. Có nhiӅu loҥi bѫm có thӇ sӱ dөng ÿӇ duy trì trҥng thái chân không cao. Các thiӃt bӏ thӃ hӋÿҫu sӱ dөng bѫm khuyӃch tán, tuy nhiên khi ÿó cҫn hӃt sӭc chú ý ÿӇ tránh dҫu bѫm nóng khuyӃch tán ngѭӧc vào bình phҧn ӭng. Mӝt sӕ loҥi thiӃt bӏ nhӓ sӱ dөng bѫm hҩp phө làm lҥnh bҵng Nitѫ lӓng. Nhӳng bѫm này hoҥt ÿӝng trên cѫ sӣ hҩp thө vұt lý các khí trên bӅ mһt rây phân tӱ hoһc Yұt liӋu hҩp phө khác nhѭ Al2O3 hoҥt tính. Ĉây thѭӡng là vұt rҳn có diӋn tích EӅ mһt lӟn. Bѫm ÿѭӧc làm lҥnh ÿӃn 770K, sau ÿó ÿѭӧc thông vӟi buӗng cҫn hút chân không. Khi bѫm xong, bѫm ÿѭӧc cách ly khӓi buӗng, ÿѭӧc ÿӕt nóng và ÿѭӧc hút khí. Tӗn tҥi nhiӅu loҥi bѫm hҩp thө, trong ÿó bѫm chân không cao dùng cho hӋ MBE thông dөng là bѫm nhiӋt ÿӝ thҩp. Các hӋ MBE mӟi thѭӡng sӱ dөng bѫm turbo phân tӱÿӇ tҥo chân không cao. Phѭѫng án này ÿһc biӋt hҩp dүn nӃu phҧi sӱ dөng nguӗn ÿӝc hҥi, vì vұt liӋu tӯ nguӗn này thѭӡng hay tích tө trong bѫm trong chu trình nhiӋt ÿӝ. ViӋc ÿӕt nóng ÿӃ thѭӡng ÿѭӧc thӵc hiӋn thông qua ÿӕt nóng giá ÿӥ phiӃn bҵng bӭc xҥ hoһc bҵng sӧi ÿӕt ÿLӋn trӣ. Lò ÿLӋn trӣ có thӇ là cuӝn dây Eҵng kim loҥi khó nóng chҧy hoһc là màng graphite ÿѭӧc chӃ tҥo thành lò ÿӕt. 79
NhiӋt ÿӝ phiӃn có thӇÿo bҵng cһp nhiӋt gҳn trên giá ÿӥ. CǊng có thӇÿo nhiӋt ÿӝ phiӃn bҵng toҧ kӃ. Có 3 lo̩i ngu͛n th˱ͥng ÿ˱ͫc s͵ dͭng cho h͏ MBE: TӃ bào Knudsen, nguӗn chùm ÿLӋn tӱ và nguӗn khí. Trong tӃ bào Knudsen, chén có chӭa vұt liӋu nguӗn ÿѭӧc ÿӕt nóng bҵng lò dҥng lá. Cһp nhiӋt ÿѭӧc gҳn phía ngoài chén ÿӇÿLӅu khiӇn nhiӋt ÿӝ và do ÿó là ÿLӅu khiӇn dòng vұt liӋu. Thҥch anh FǊng có thӇ dùng ÿӇ cҩy màng Silic. ĈӇ có dòng vұt liӋu Silic ÿӫ lӟn, cҫn nhiӋt ÿӝ khoҧng 1700ºC. Ӣ nhiӋt ÿӝ này Silic nóng chҧy và hoҥt tính rҩt mҥnh. .Ӄt quҧ là mҥng sӁ bӏ nhiӉm bҭn tҥp chҩt tӯ chén nung. Muӕn tránh hiӋn Wѭӧng này phҫn lӟn các thiӃt bӏ MBE silic ÿӅu sӱ dөng nguӗn chùm ÿLӋn tӱ. Ĉӕi vӟi cҧ hai loҥi nguӗn là tӃ bào Knudsen và nguӗn chùm ÿLӋn tӱ, dòng vұt liӋu ÿѭӧc xác ÿӏnh bҵng nhiӋt ÿӝ, vì nhiӋt ÿӝ quyӃt ÿӏnh áp suҩt hѫi. Vì mӛi nguӗn vұt liӋu có khӕi nhiӋt nhҩt ÿӏnh nên không thӇ ngҳt dòng mӝt cách tӭc thӡi. ĈӇ ÿLӅu khiӇn tҳt/mӣ trong quá trình cҩy, ngѭӡi ta dùng lá chҳn. Tuy nhiên, viӋc sӱ dөng lá chҳn có nhѭӧc ÿLӇm là vұt liӋu kӃt tӫa trên lá chҳn có thӇ tái bay hѫi, làm ҧnh hѭӣng ÿӃn chҩt lѭӧng màng trên phiӃn. ĈӇ tránh hiӋn Wѭӧng này, ÿӗng thӡi là ÿӇ cҧi thiӋn ÿӝÿӗng ÿӅu và chҩt lѭӧng cӫa màng, các thiӃt bӏ MBE nhӳng năm gҫn ÿây sӱ dөng nguӗn khí. M ӝt trong nhӳng kƭ thuұt hay ÿѭӧc sӱ dөng nhҩt ÿӇ theo dõi trӵc tiӃp quá trình cҩy là nhiӉu xҥÿLӋn tӱ. Trong phѭѫng pháp này, các ÿLӋn tӱ năng Oѭӧng cao bӏ tán xҥ khӓi bӅ mһt vұt liӋu ÿang mӑc và ÿѭӧc ghi trên màn ҧnh ӣ phía ÿӕi diӋn cӫa buӗng phҧn ӭng. Vì màng mӑc theo tӯng lӟp, cѭӡng ÿӝҧnh lúc ÿҫu tăng, sau giҧm, rӗi tăng trӣ lҥi mӛi khi mӝt ÿѫn lӟp ÿѭӧc tҥo thành trӑn vҽn. Nguӗn khuyӃt tұt chӫ yӃu trong màng cҩy bҵng MBE là do các hҥt rѫi Wӯ lӟp kӃt tӫa trên thành bình, lӟp này cǊng ÿѭӧc hình thành trong quá trình Fҩy. ĈLӅu này ÿһc biӋt nghiêm trӑng ÿӕi vӟi lӟp epitaxy silic. Ngѭӡi ta thҩy Uҵng, nӃu không làm lҥnh thành bình bҵng Nitѫ lӓng mà làm lҥnh bҵng nѭӟc thì mұt ÿӝ khuyӃt tұt giҧm ÿáng kӇ. CǊng có thӇ sӱ dөng ÿLӋn áp cao ÿһt gҫn nguӗn bay hѫi ÿӇ giӳ cho bөi không vào chùm phân tӱ , lúc ÿó mұt ÿӝ khuyӃt 80
Wұt rҩt nhӓ. Nguӗn khuyӃt tұt quan trӑng khác trong màng nhұn bҵng MBE là Wҥp kim loҥi. Các chҩt tҥp này làm giҧm thӡi gian sӕng các hҥt tҧi không cѫ Eҧn trong màng. Trong phҫn lӟn các hӋ Epitaxy pha hѫi, ngѭӡi ta sӱ dөng hӧp chҩt chӭa clo ÿӇ phҧn ӭng vӟi kim loҥi làm sҥch bӅ mһt. 7ӕc ÿӝ cҩy lӟp MBE ÿѭӧc xác ÿӏnh bӣi dòng nguyên tӱ xuҩt phát tӯ nguӗn và tӍ phҫn các nguyên tӱ ÿӃn ÿѭӧc bӅ mһt và bӏ giӳ lҥi trên bӅ mһt phiӃn. 3.8. Các phѭѫng pháp tҥo màng mӓng: Bay hѫi, phún xҥ 3.8.1. Mӣÿҫu Màng mӓng kim loҥi phӫ trên bӅ mһt phiӃn bán dүn nhҵm mөc ÿích nӕi các vùng khuyӃch tán P và N vӟi nhau. Màng kim loҥi ÿѭӧc cách ÿLӋn vӟi ÿӃ silic bҵng lӟp oxide trӯ các vӏ trí tiӃp xúc trӵc tiӃp vӟi silic. Ngoài mөc ÿích làm các ÿѭӡng dүn nӕi hӧp mҥng, màng kim loҥi cǊng ÿѭӧc dùng làm vùng ÿӋm ÿӇ hàn dây tӯ chip ra vӓ vӟi các mҥch phӭc tҥp, có thӇ phҧi cҫn ÿӃn hai hoһc nhiӅu hѫn lӟp dүn ÿLӋn kim loҥi. Khi sӱ dөng làm dүn nӕi hӧp mҥng,màng mӓng kim loҥi cҫn ÿáp ӭng nhӳng ÿòi hӓi sau ÿây: - Màng phҧi dүn ÿLӋn rҩt tӕt. - Màng phҧi tҥo tiӃp xúc thuҫn trӣ tӕt vӟi cҧ loҥi N và loҥi P. - Màng phҧi dính bám tӕt vӟi cҧ silic và lӟp oxide silic. - Có thӃ tҥo hình dáng bҵng phѭѫng pháp quang khҳc. - Có thӇ hàn dây vào màng ÿӇ nӕi vӟi chân ngoài cӫa IC. - DӉ tҥo màng và màng phҧi phӫ tӕt các bұc thang oxide. - Màng phҧi әn ÿӏnh và không phҧn ӭng vӟi vұt liӋu vӓ và dây hàn. - Màng phҧi chӏu ÿѭӧc mұt ÿӝ dòng cao. Trѭӟc ÿây các màng mӓng kim loҥi dùng trong công nghӋ bán dүn ÿӅu ÿѭӧc chӃ tҥo bҵng bay hѫi chân không. Tuy nhiên phѭѫng pháp bay hѫi ÿã ÿѭӧc thay thӃ bҵng phѭѫng pháp phún xҥ trong phҫn lӟn công nghӋ silic do 81
hai nguyên nhân. Nguyên nhân ÿҫu tiên là khҧ năng phӫ kín các bұc thang, kӃt quҧ là bӅ mһt cҫn phӫ kim loҥi trӣ nên mҩp mô hѫn. Khҧ năng các màng kim loҥi nhұn bҵng bay hѫi phӫ lên cҩu trúc nhѭ vұy rҩt kém nhiӅu khi không bám lên ÿѭӧc các vách thҷng ÿӭng. Ngoài ra, vӟi phѭѫng pháp bay hѫi cǊng khó có thӇ chӃ tҥo màng mӓng hӧp kim có nhӳng tính năng cho trѭӟc, mà nhӳng màng mӓng này ngày càng ÿѭӧc sӱ dөng nhiӅu trong công nghӋ silic. 3.8.2. Bay hѫi trong chân không ThiӃt bӏ bay hѫi ÿѫn giҧn ÿѭӧc trình bay trên hình 3.35. Các phiӃn silic ÿѭӧc ÿѭa vào trong buӗng chân không cao nhұn bҵng bѫm khuӃch tán hoһc Eѫm nhiӋt ÿӝ thҩp. Các hӋ bѫm khuӃch tán thѭӡng có bүy lҥnh ÿӇ tránh hѫi Gҫu cӫa bѫm bay vào buӗng. Vұt liӋu cҫn kӃt tӫa ÿѭӧc tҧi vào chén nung. Chén nung có thӇÿѭӧc ÿӕt nóng bҵng lò ÿLӋn trӣ. Vұt liӋu ÿѭӧc nung nóng ÿӃn khi bay hѫi. Vì áp suҩt trong buӗng chân không thѭӡng cӥ 10-5 mmHg, các nguyên tӱ vұt liӋu bay thҷng lên ÿӃ và tích tө thành màng trên bӅ mһt ÿӃ. Các hӋ chân không có thӇÿѭӧc trang bӏ 4 chén nung và cùng lúc có thӇ kӃt tӫa màng cho 24 phiӃn. Hѫn nӳa, nӃu cҫn tҥo màng hӧp kim, có thӇ sӱ dөng nhiӅu chén nung cùng mӝt lúc. ĈӇ khӣi ÿӝng và kӃt thúc quá trình bay hѫi mӝt cách Wӭc thӡi, ngѭӡi ta sӱ dөng lá chҳn cѫ hӑc bӕ trí ӣ ngay trên chén nung. 82
Buӗng chân không PhiӃn 9ұt liӋu bӕc bay Chén nung Van xҧ khí %ѫm sѫ %үy lҥnh Fҩp %ѫm khuyӃch tán %ѫm cѫ hӑc Hình 3.35. Sѫÿӗ hӋ bay hѫi sӱ dөng bѫm khuӃch tán. 3.8.2.1. Thăng hoa và bay hѫi Khi nhiӋt ÿӝ tăng vұt liӋu bình thѭӡng trҧi qua trҥng thái (pha) rҳn, lӓng và khí. Ӣ mӛi nhiӋt ÿӝ tӗn tҥi áp suҩt hѫi bão hòa (cân bҵng) ӣ trên mһt vұt liӋu. Khi kӃt tӫa màng ӣ nhiӋt ÿӝ mүu thҩp hѫn nhiӋt ÿӝ nóng chҧy, quá trình ÿѭӧc gӑi là thăng hoa. Khi kӃt tӫa màng ӣ nhiӋt ÿӝ nóng chҧy vұt liӋu thì ÿây là quá trình bay hѫi. Công nghӋ bán dүn sӱ dөng bay hѫi vì lúc ÿó áp suҩt hѫi cao hѫn và do ÿó tӕc ÿӝ kӃt tӫa cӫa màng là chҩp nhұn ÿѭӧc. Hình 3.36 chӍ ra Vӵ phө thuӝc áp suҩt hѫi cân bҵng vào nhiӋt ÿӝ cӫa các nguyên tӕ khác nhau. ĈӇ nhұn ÿѭӧc tӕc ÿӝ kӃt tӫa hӧp lí, áp suҩt hѫi cӫa mүu phҧi có giá trӏ ít nhҩt là 10mTorr.Tӯ hình vӁ ta thҩy rҵng mӝt sӕ vұt liӋu phҧi ÿѭӧc nung nóng ÿӃn nhiӋt ÿӝ cao hѫn nhiӅu các vұt liӋu khác ÿӇ có cùng áp suҩt hѫi. Các vұt liӋu khó nóng chҧy nhѭ: Ta,W,Mo và Ti có nhiӋt ÿӝ nóng chҧy rҩt cao và do ÿó có áp suҩt hѫi thҩy ӣ nhiӋt ÿӝ trung bình. ĈӇ có áp suât hѫi 10mTorr Vonfram cҫn phҧi ÿѭӧc nung nóng ÿӃn 30000C; trong khi ÿó, nhôm có áp suҩt Kѫi 10mTorr ӣ nhiӋt ÿӝ 12500C. 83
100 Na Ag Ga An NI 10-1 Cr 10-2 Pt Al In 10-3 W 10-4 10-5 Mo Ti 10-6 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Hình 3.36. Áp suҩt hѫi cӫa mӝt sӕ vұt liӋu bay hѫi thông dөng. 3.8.2.2. Tӕc ÿӝ kӃt tӫa 6ӕ phҫn tӱ khí ÿi qua mӝt mһt phҷng ÿѫn vӏ trong mӝt ÿѫn vӏ thӡi gian ÿѭӧc cho bӣi: P 2 J = n 2pkTM Trong ÿó P là áp suҩt trong buӗng; M là nguyên tӱ lѭӧng. Phѭѫng trình trên có thӇ dùng ÿӇ miêu tҧ tӕc ÿӝ mҩt mát nguyên tӱ tӯ nguӗn bay hѫi. Nhân Jn vӟi khӕi lѭӧng phân tӱ cho ta biӇu thӭc Langmuir vӅ tӕc ÿӝ bay hѫi khӕi lѭӧng: M R = P ME 2pkT e Trong ÿó Pe là áp suҩt hѫi cân bҵng cӫa vұt liӋu chén nung. 7ӯÿây ta có thӇ dӉ dàng tính tӕc ÿӝ tәn hao (mҩt mát) khӕi lѭӧng chén nung: M M Pe R ML = Pe dA= dA ò 2pkT 2pk ò T 84
Trong ÿó tích phân ÿѭӧc lҩy theo bӅ mһt cӫa khӕi vұt liӋu bay hѫi trong chén. BiӇu thӭc trên có thӇ viӃt lҥi nӃu giҧ thiӃt (góc mӣ) miӋng chén có diӋn tích không ÿәi A: M Pe R ML = A 2pk T ĈӇ tìm tӕc ÿӝ kӃt tӫa trên bӅ mһt phiӃn, ta cҫn xác ÿӏnh tӹ phҫn vұt liӋu xuҩt phát tӯ chén nung tích tө trên mһt phiӃn. Vӟi buӗng chân không siêu cao, viӋc xác ÿӏnh giá trӏ này tѭѫng ÿӕi dӉ dàng. Áp suҩt ÿӫ thҩp ÿӇ vұt liӋu bay Kѫi tӯ chén bay thҷng ÿӃn bӅ mһt phiӃn ÿӃ. NӃu giҧ thiӃt rҵng toàn bӝ phҫn Yұt liӋu bay ÿӃn mһt phiӃn ÿӅu dính bám ӣ lҥi trên phiӃn, tӕc ÿӝ có thӇ tính ÿѭӧc tӯ các thông sӕ hình hӑc. ĈӇ có tӕc ÿӝ kӃt tӫa lӟn cҫn phҧi nâng nhiӋt ÿӝ cӫa nguӗn(chén nung) lên rҩt cao. Khi ÿó áp suҩt hѫi ӣ ngay trên bӅ mһt chén ÿӫ cao ÿӇ vùng này có thӃ coi là ӣ chӃÿӝ dòng nhӟt. Bay hѫi ӣ chӃÿӝ này có thӇ dүn ÿӃn là vұt liӋu bay hѫi ngѭng tө thành giӑt. NӃu các giӑt này bay ÿӃn và dính bám vào mһt phiӃn, hình thành bӅ mһt màng có thӇ rҩt xҩu. ĈӇ có ÿӝÿӗng ÿӅu tӕt nhҩt, cҫn bay hѫi ӣ tӕc ÿӝ thҩp. 3.8.2.3. Phӫ bұc thang: 0ӝt trong nhӳng hҥn chӃ cӫa phѭѫng pháp bay hѫi là khҧ năng phӫ bұc thang. Hình 3.37 miêu tҧ hình dҥng cӫa màng kӃt tӫa trên bұc thang. Bұc thang ӣÿây là cӱa sә tiӃp xúc ÿѭӧc ăn mòn trong lӟp cách ÿLӋn cho ÿӃn ÿӃ bán dүn.Trong phҥm vi kích thѭӟc ~1 m m có thӇ coi chùm vұt liӋu tӟi là song song. Giҧ thiӃt các nguyên tӱ vұt liӋu bҩt ÿӝng trên bӅ mһt phiӃn, sӁ có hiӋn Wѭӧng bóng và màng thѭӡng bӏÿӭt ÿRҥn trên mӝt phía cӫa tiӃp xúc nhѭ hình 3.37a. Ĉây là vҩn ÿӅÿһc biӋt hӋ trӑng vì khâu phӫ màng kim loҥi là nhӳng giai ÿRҥn cuӕi cùng cӫa quy trình chӃ tҥo. 85
(a) (b) Hình 3.37. Màng bay hѫi trên bұc thang: (a) Trѭӡng hӧp nhiӋt ÿӝÿӇ thҩp, (b) NhiӋt ÿӝÿӇ cao và quay ÿӃ. Ph ѭѫng pháp ÿѭӧc sӱ dөng ÿӇ cҧi thiӋn ÿӝ phӫ bұc là quay phiӃn trong quá trình bay hѫi. Giá ÿӥ phiӃn hình chӓm cҫu ÿѭӧc thiӃt kӃ sao cho có thӇ quay phiӃn xung quanh ÿӍnh cӫa buӗng chân không. Tӕc ÿӝ kӃt tӫa trên vách tuy vүn nhӓ hѫn tӕc ÿӝ kӃt tӫa trên mһt phҷng nhѭng ÿӗng ÿӅu theo trөc hình 3.37b. Mӝt thông sӕ quan trӑng là tӍ sӕ giӳa chiӅu cao và chiӅu rӝng bұc. TӍ sӕ này càng nhӓ hѫn 1 thì ÿӝÿӗng ÿӅu cӫa màng càng tӕt. 3.8.2.4. Các kӻ thuұt ÿӕt chén nung Có 3 loҥi ÿӕt chén nung: HӋÿLӋn trӣ, hӋ cҧm ӭng và chùm ÿLӋn tӱ. HӋ ÿӕt nóng bҵng ÿLӋn trӣ là ÿѫn giҧn nhҩt. 9ӟi buӗng chân không cao, có thӇ thiӃt kӃ mӝt hӋ bay hѫi ÿѫn giҧn gӗm Vӧi ÿӕt nhӓ. Vұt liӋu bay hѫi có thӇӣ dҥng thanh nhӓ hoһc dây gҳn ÿһt trên sӧi ÿӕt nhѭ hình 3.38a. 86
Vұt liӋu bay hѫi Sӧi ÿӕt Vұt liӋu bay hѫi thuyӅn Hình 3.38.Nguӗn bay hѫi ÿLӇn trӣ: (a) Sӧi ÿӕt; (b) ThuyӅn. Thuұn tiӋn hѫn có thӇ dùng thuyӅn ÿLӋn trӣ nhѭ hình 3.38b. Do sӧi ÿӕt hoһc thuyӅn phҧi chӏu nhiӋt ÿӝ cao nên có vҩn ÿӅÿӕi vӟi phѭѫng pháp ÿLӋn trӣ là hiӋn tѭӧng bay hѫi và nhҧ khí cӫa bҧn thân sӧi ÿӕt hoһc thuyӅn nung. 1Ӄu vұt liӋu cҫn bay hѫi là nhôm, ÿӇ có áp suҩt hѫi thích hӧp chӍ cҫn công suҩt ÿӕt vӯa phҧi.trѭӡng hӧp cҫn bay hѫi vұt liӋu khó nóng chҧy, nhiӅu khi không thӇ có vұt liӋu làm sӧi ÿӕt. 87
Hình 3.39. Chén nung bҵng cҧm ӭng. 0ӝt trong nhӳng phѭѫng pháp ÿӇ ÿҥt nhiӋt ÿӝ nguӗn cao hѫn là sӱ Gөng chén nung ÿӕt bҵng cҧm ӭng. Nhѭÿѭӧc trình bày trên hình 3.39, vұt liӋu Fҫn bay hѫi ÿѭӧc cho vào chén nung thѭӡng ÿѭӧc làm bҵng Nitrit Bo (BN). 6ӧi dây kim loҥi ÿѭӧc quҩn xung quanh chén và nguӗn cao tҫn ÿi qua cuӝn Fҧm, tҥo ra dòng Phucô và ÿӕt nóng vұt liӋu cҫn bay hѫi. ĈӇ tránh hiӋn tѭӧng bay hѫi cuӝn cҧm, có thӇ làm nguӝi bҵng nѭӟc ÿӇ giӳ nhiӋt ÿӝ cӫa nó dѭӟi 1000C. 88
Hình 3.40. Nguӗn bay hѫi bҵng chùm tia ÿLӋn tӱ. Tuy kƭ thuұt ÿӕt nóng bҵng cҧm ӭng cho phép tăng nhiӋt ÿӝ chén nung lên ÿӫ cao ÿӇ có thӇ bay hѫi các vұt liӋu khó nóng chҧy, viӋc nhiӉm bҭn vұt liӋu bay hѫi tӯ chính vұt liӋu làm chén vүn là vҩn ÿӅ nan giҧi. Vҩn ÿӅ này có thӇ khҳc phөc bҵng cách chӍ nung vұt liӋu bay hѫi, còn làm nguӝi chén. ĈӇ thӵc hiӋn viӋc này ngѭӡi ta sӱ dөng kƭ thuұt bay hѫi bҵng chùm tia ÿLӋn tӱ, Yӟi nguӗn bay hѫi thông dөng ÿѭӧc miêu tҧ nhѭ hình 3.40. 0ӝt sung ÿLӋn tӱӣ phía dѭӟi chén nung phát ra chùm ÿLӋn tӱ cѭӡng ÿӝ cao và năng lѭӧng cao. ViӋc bӕ trí sӧÿӕt ӣ phía dѭӟi làm giҧm thiӇu kӃt tӫa Yұt liӋu sӧi ÿӕt lên bӅ mһt phiӃn. Tӯ trѭӡng mҥnh lái chùm tia ÿLӋn tӱ lӋch 2700ÿӇ chiӃu lên bӅ mһt vұt liӋu bay hѫi. Có thӇ quét chùm tia trên vұt liӋu ÿӇ Wăng phҫn bay hѫi. Có khҧ năng kӃt tӫa nhiӅu loҥi vұt liӋu khác nhau. Các hӋ bay hѫi bҵng chùm tia ÿLӋn tӱ cǊng ÿѭӧc sӱ dөng nhiӅu trong công nghӋ GaAs. 89
.Ӈ cҧ trong phѭѫng pháp bay hѫi bҵng chùm tia ÿLӋn tӱ, sӧi ÿӕt vүn là nguӗn nhiӉm bҭn trong buӗng chân không, ÿһc biӋt khi chân không siêu cao. 0ӝt sӕ vҩn ÿӅ khác cǊng rҩt nghiêm trӑng trong công nghӋ silic, ÿó là sai Kӓng do bӭc xҥ. Bӭc xҥӣÿây là do ÿLӋn tӱ bӏ kích thích mҥnh trong vұt liӋu bay hѫi khi trӣ vӅ trҥng thái cѫ bҧn thì phát ra tia X. Vì các tia X sӁ gây ra sai Kӓng trong ÿӃ và trong lӟp ÿLӋn môi nên các hӋ bay hѫi bҵng chùm tia ÿLӋn tӱ không thӇ sӱ dөng trong công nghӋ MOS và công nghӋ khác nhҥy cҧm ÿӕi vӟi loҥi sai hӓng này. Thông thѭӡng nên có nhiӅu nguӗn bay hѫi trong mӝt hӋ, kӇ cҧ khi chӍ dùng mӝt nguӗn mӛi lҫn. Nhѭ vұy có thӇ kӃt tӫa các vұt liӋu khác nhau mà không cҫn sӱ dөng buӗng chân không cao. Ĉӕi vӟi hӋÿLӋn trӣ, có thӇ sӱ dөng Kӝp chuyӇn mҥch công suҩt, vӟi mӛi chén nung có cuӝn ÿӕt riêng. Các hӋ bay Kѫi bҵng chùm ÿLӋn tӱ rҩt thích hӧp vӟi ӭng dөng này vì rҩt dӉ lái chùm ÿLӋn Wӱ tӯ nguӗn này sang nguӗn khác nhӡ thӃ tƭnh ÿLӋn hoһc bҵng tӯ trѭӡng. Mһt khác, có thӇ di chuyӇn các nguӗn khác nhau ÿӃn vӏ trí chùm ÿLӋn tӱ bҵng cѫ Fҩu cѫ hӑc. 3.8.2.5. Màng mӓng ÿa thành phҫn: Có 3 phѭѫng pháp chӃ tҥo màng mӓng hӧp kim. Ĉѫn giҧn nhҩt là bay Kѫi vұt liӋu có áp suҩt hѫi tѭѫng tӵ nhau ví dө: Al và Au, tӯ nguӗn hӧp kim Wѭѫng ӭng trong mӝt sӕӭng dөng, khi chӃ tҥo tiӃp xúc Ohmic cho GaAs, áp suҩt hѫi cӫa thành phҫn hӧp kim là khá gҫn nhau và sӵ thay ÿәi thành phҫn Kӧp kim là chҩp nhұn ÿѭӧc. Tuy nhiên, mӝt sӕ trѭӡng hӧp khác không phҧi nhѭ vұy ví dө nhѭ: TiW. Khi nhiӋt ÿӝ chén nung là 25000C, áp suҩt hѫi cӫa Ti khoҧng 1 torr, trong khi ÿó áp suҩt hѫi cӫa W chӍ có 3´ 10-6 torr. Lúc ÿâu gҫn nhѭ chӍ có hѫi cӫa Ti, sau ÿó do thành phҫn dung dӏch nóng chҧy thay ÿәi, thành phҫn màng kӃt tӫa cǊng thay ÿәi theo. 9ҩn ÿӅ cѫ bҧn ӣÿây là sӵ khác nhau vӅ áp suҩt hѫi cӫa các thành phҫn khác nhau. Rҩt khó khӕng chӃ chính xác thành phҫn cӫa hӛn hӧp. Trong kƭ thuұt ÿӗng bay hѫi, nhiӅu nguӗn hoҥt ÿӝng ÿӗng thӡi ÿӇ kӃt tӫa màng hӧp kim.Thí dөÿӇ kӃt tӫa màng TiW ngѭӡi ta sӱ dөng 2 chén nung,mӝt chén chӭa 90
W và mӝt chén chӭa Ti, ӣ hai nhiӋt ÿӝ khác nhau.Tuy làm nhѭ vұy có thӇ cҧi thiӋn ÿáng kӇ chҩt lѭӧng màng, áp suҩt hѫi vүn là bài toán khó và tӕc ÿӝ kӃt Wӫa vүn là tӕc ÿӝ kӃt tӫa là vô cùng nhҥy cҧm vӟi nhiӋt ÿӝ bay hѫi. Ĉӕi vӟi màng ÿѫn nguyên tӕ, tӕc ÿӝ kӃt tӫa tuyӋt ÿӕi không quan trӑng vì có thӇ sӱ Gөng ÿӗng hӗÿo chiӅu dày màng ÿӇÿóng mӣ lá chҳn.Trong quá trình ÿӗng bay hѫi ÿӇ ÿҧm bҧo thành phҫn màng, cҫn khӕng chӃ chính xác nhiӋt ÿӝ nguӗn bay hѫi. 0ӝt phѭѫng pháp chӃ tҥo màng ÿa thành phҫn khác là kӃt tӫa tӯng Oӟp.ViӋc này có thӇ thӵc hiӋn ÿѭӧc trong nhiӅu hӋ nguӗn bҵng cách mӣ và ÿóng lá chҳn. NhiӅu lӟp màng rҩt mӓng ÿѭӧc kӃt tӫa xen kӁ nhau.Sau khi kӃt thúc quá trình bay hѫi ,có thӇ tҥo hӧp kim bҵng cách nâng nhiӋt ÿӝ mүu ÿӇ các thành phҫn khuӃch tán vào nhau. Quá trình này ÿòi hӓi phiӃn phҧi chӏu ÿӵng ÿѭӧc công ÿRҥn xӱ lý ӣ nhiӋt ÿӝ cao. 3.8.3. Phún xҥ Phún xҥ là phѭѫng pháp có thӇ thay thӃ phѭѫng pháp bay hѫi ÿӇ tҥo màng kim loҥi trong công nghӋ vi ÿLӋn tӱ. 3.8.3.1. Ѭu ÿLӇm cӫa phѭѫng pháp phún xҥ - Vұn tӕc lҳng ÿӑng cao nhӡ các cathode hiӋn ÿҥi và bia ÿѭӧc thiӃt kӃ hӧp lý. - Có khҧ năng tҥo màng hӧp kim có thành phҫn phӭc tҥp. - Có thӇ tҥo màng ÿa kim loҥi có ÿӝ nóng chҧy và nhiӋt ÿӝ nóng chҧy cao. - Tҥo ÿѭӧc màng ÿѭӡng kính lӟn (200mm), ÿӗng thӡi kiӇm soát ÿѭӧc chính xác ÿӝ dày cǊng nhѭ sӵÿӗng ÿӅu cӫa màng. - Khҧ năng sӱ dөng hӋÿa chӭc năng nhѭ làm sҥch các tiӃp xúc trѭӟc khi tҥo ÿѭӡng dүn bҵng kim loҥi. - ĈӇ chӃ tҥo ÿѭӡng dүn bҵng hӧp kim cӫa nhôm, và các tiӃp xúc kim loҥi thì không có kƭ thuұt nào bҧo ÿҧm tҩt cҧ các ѭu ÿLӇm trên nên phѭѫng pháp phún [ҥ vүn ÿѭӧc sӱ dөng hiӋu quҧ nhҩt. 91
3.8.3.2. HӋ phún xҥÿѫn giҧn Hình 3.41. HӋ phún xҥÿѫn giҧn +Ӌ bao gӗm mӝt buӗng chân không chӭa lò phҧn ӭng Plasma bҧn cӵc song song, ÿѭӧc thiӃt kӃ sao cho các ion năng lѭӧng cao bҳn phá bia làm tӯ Yұt liӋu cҫn kӃt tӫa. Quy trình tҥo màng: Thѭӡng ban ÿҫu ngѭӡi ta hút chân không trong buӗng xuӕng cӥ 10-6 torr, sau ÿó thҧ khí trѫ (Ar) vào buӗng ÿӃn áp suҩt cӥ 10-1-10-2torr. Khí Ar bӏ ion hóa dѭӟi tác dөng cӫa ÿLӋn trѭӡng cao, vӟi ÿLӋn áp mӝt chiӅu V = 5KV hoһc nguӗn cao tҫn V ~ 1.5KV, tҫn sӕ 13,65MHZ. Các ion Ar bҳn phá bia (ÿѭӧc ÿһt dѭӟi mӝt ÿLӋn áp âm – cathode), làm cho vұt liӋu bia bay hѫi và kӃt tӫa trên bӅ mһt phiӃn. ĈӇ có thӇ thu gom ÿѭӧc càng nhiӅu càng tӕt các nguyên tӱ vұt liӋu bҳn tӯ bia, cathode và anode trong 92
thiӃt bӏ phún xҥÿѫn giҧn trên ÿây ÿѭӧc ÿһt rҩt gҫn nhau, thѭӡng khoҧng cách Gѭӟi 10cm. 3.8.3.3. Vұt lý quá trình phún xҥ. &ѫ sӣ cӫa quá trình phún xҥ là tҥo ra và sӱ dөng Plasma tӯ khí Ar. Plasma ÿѭӧc tҥo ra bҵng cách ÿһt ÿLӋn áp lӟn trên khoҧng hҽp chӭa khí dѭӟi áp suҩt thҩp. %̫ng năng l˱ͫng ion hóa l̯n nh̭t và l̯n thͱ hai cͯa m͡t s͙ khí Nguyên tӱ Ion hóa I(eV) Ion hóa (eV) Heli(He) 24,586 54,416 Nitѫ(N) 14,534 29,601 Oxy(O) 13,618 35.116 Argon(Ar) 15,759 27,629 0ӝt khi Plasma hình thành, các ion trong plasma ÿѭӧc gia tӕc ÿӃn cathode, chúng giҧi phóng ÿLӋn tӱ thӭ cҩp, và các ÿLӋn tӱ này nhanh chóng rӡi khӓi cathode. NӃu năng lѭӧng truyӅn nhӓ hѫn năng lѭӧng ion hoá các phân tӱ khí, nguyên tӱ có thӇ bӏ kích thích lên mӭc năng lѭӧng cao, khi trӣ vӅ mӭc lõi thông qua chuyӇn mӭc quang sӁ phát ánh sáng ÿһc trѭng. NӃu năng lѭӧng truyӅn lӟn hѫn năng lѭӧng ion hoá thì các nguyên tӱ bӏ ion hoá và gia tӕc vӅ phía cathode. ViӋc bҳn phá Cathode luӗng ion này gây ra quá trình phún xҥ. Khi các ion năng luӧng cao ÿұp vào bӅ mһt vұt liӋu,có thӇ xҧy ra bӕn khҧ năng: + Các ion vӟi năng lѭӧng thҩp hѫn bӏ bұt ra khӓi bӅ mһt. + Vӟi năng lѭӧng nhӓ hѫn khoҧng 10eV, ion có thӇ bӏ hҩp thө trên bӅ Pһt, nhѭӡng năng lѭӧng cho phonon (nhiӋt). + Vӟi năng lѭӧng lӟn hѫn 10KeV, ion chui sâu vào vұt liӋu (nhiӅu lӟp nguyên tӱ), nhѭӡng phҫn lӟn năng lѭӧng ӣ sâu trong ÿӃ, làm thay ÿәi Fҩu trúc vұt lý. 93
+ Vӟi năng lѭӧng trong dҧi trung gian, xҧy ra hai cѫ chӃ truyӅn năng Oѭӧng. Mӝt phҫn năng lѭӧng ion ÿѭӧc giҧi phóng dѭӟi dҥng nhiӋt, phҫn còn lҥi làm thay ÿәi cҩu trúc vұt lý cӫa ÿӃ. Ӣ dҧi năng lѭӧng này, cѫ chӃ dӯng hҥt nhân trên bӅ mһt rҩt hiӋu quҧ. Quá trình truyӅn năng lѭӧng chӫ yӃu xҧy ra trong mӝt lӟp nguyên tӱ. Khi ÿó các nguyên tӱ hoһc ÿám nguyên tӱ sӁ bӏ bҳn bұt ra khӓi bӅ mһt ÿӃ. Nhӳng nguyên tӱ này bұt ra khӓi bӅ mһt cathode vӟi năng lѭӧng tӯ 10 - 50eV, tӭc là gҩp khoҧng 100 lҫn năng lѭӧng cӫa nguyên tӱ bay hѫi do nhiӋt. 1ăng lѭӧng dѭ giúp các nguyên tӱ phún xҥ có ÿӝ linh ÿӝng bӅ mһt lӟn hѫn và do ÿó phӫ bұc thang tӕt hѫn so vӟi trѭӡng hӧp bay hѫi. Thông thѭӡng khoҧng 95%vұt liӋu ÿѭӧc phún xҥ dѭӟi dҥng nguyên tӱ. Nói chung vұt lý quá trình phún xҥ vұt liӋu khá phӭc tҥp, nó bao gӗm các hiӋu ӭng kӃt hӧp giӳa phá Kӓng liên kӃt hoá hӑc và dӏch chuyӇn vұt lý. Hình 3.42. Nguyên lý quá trình phún xҥ Mô hình này bӓ qua hiӋu ӭng hoá hӑc và coi các nguyên tӱÿӃ nhѭ các quҧ cҫu rҳn. Mӝt ion tӟi bӅ mһt có thӇ chui sâu vào bia qua nhiӅu lӟp nguyên Wӱ cho ÿӃn khi ÿұp vào nguyên tӱ vӟi thông sӕ va chҥm nhӓ và bӏ lӋch góc Oӟn. ĈLӅu này cǊng có thӇ làm giҧi phóng nguyên tӱ bia vӟi moment lӟn Kѭӟng ÿi lӋch khӓi pháp tuyӃn tӟi bӅ mһt. Trong quá trình này, nhiӅu liên kӃt 94
trong lӟp bӅ mһt bia bӏ bҿ gүy. Nhӳng va chҥm tiӃp theo sӁ làm bӭt ra các nguyên tӱ hoһc các ÿám nguyên tӱ nhӓ. 3.8.3.4. Tӕc ÿӝ kӃt tӫa và hiӋu suҩt phún xҥ 7ӕc ÿӝ kӃt tӫa phún xҥ phө thuӝc luӗng ion tӟi bia, xác suҩt ion tӟi bӭt ÿѭӧc nguyên tӱ bia và sӵ vұn chuyӇn vұt liӋu phún xҥ qua plasma ÿӃn phiӃn. 9ұt liӋu bia thѭӡng ÿѭӧc chӃ tҥo dѭӟi dҥng ÿƭa bҵng phѭѫng pháp ép nóng. Do phҫn lӟn công suҩt trong Plasma ÿѭӧc toҧ ra dѭӟi dҥng nhiӋt trên bia, ÿӇ tránh quá nóng, bia ÿѭӧc làm nguӝi bҵng nѭӟc (nѭӟc khӱ ion ÿӇ tránh chұp ÿLӋn). Bia ÿѭӧc gҳn vӟi giá giӳ hoһc bҵng cѫ khí. 3.8.3.5. Phún xҥ các vұt liӋu ÿһc biӋt Phҫn lӟn các nghiên cӭu ÿӅu liên quan tӟi phún xҥ nhôm ÿӇ tҥo ÿӃ tiӃp xúc và ÿѭӡng dүn trong IC silic. Tuy nhiên nhôm tinh khiӃt ÿã ÿѭӧc thay thӃ Eҵng các hӧp kim Nhôm – Si ÿӇ tăng ÿӝ tin cұy cӫa tiӃp xúc Ohmic cho các chuyӇn tiӃp nông. ĈӇ có tӕc ÿӝ phún xҥ lӟn, ngѭӡi ta dùng chӫ yӃu hӋ phún magnetron planar mӝt chiӅu. Vì màng là hӧp kim nên viӋc khӕng chӃ thành phҫn là vҩn ÿӅ cҫn quan tâm. Nhѭ ÿã nói ӣ trên, thành phҫn màng kӃt tӫa thѭӡng gҫn giӕng thành phҫn vұt liӋu bia. Ӣ nhiӋt ÿӝÿӃ vӯa phҧi khi có thӇ bӓ qua hiӋn Wѭӧng tái bay hѫi cӫa vұt liӋu kӃt tӫa, thành phҫn chính xác cӫa màng ÿѭӧc khӕng chӃ bӣi tính chҩt vұn chuyӇn cӫa các phҫn tӱ cҩu thành trong Plasma. 0ӝt phѭѫng pháp nӳa là sӱ dөng nhiӅu bia. Bҵng cách chӍnh công suҩt Pӛi bia,có thӇ thay ÿәi thành phҫn màng. Ngoài ra ÿӇ khӕng chӃ thành phҫn màng mà không cҫn bӝ nguӗn thӭ hai là sӱ dөng bia ghép vӟi các vùng có nӗng ÿӝ khác nhau. Trong trѭӡng hӧp ÿѫn giҧn nhҩt, các mҧnh vұt liӋu khác ÿѭӧc gҳn lên bia. Thành phҫn màng ÿѭӧc xác ÿӏnh bӣi tӍ sӕ cӫa các vùng tiӃp xúc vӟi Plasma. Khi cҫn kӃt tӫa màng hӧp chҩt trong ÿó các nguyên tӕ có hiӋu suҩt phún [ҥ rҩt khác nhau, và mӝt trong sӕÿó có thӇ nhұn ÿѭӧc dѭӟi dҥng khí, tӕt nhҩt nên sӱ dөng phѭѫng pháp phún xҥ phҧn ӭng, là quá trinh trong ÿó khí phún xҥ là khí trѫÿѭӧc thay thӃ bҵng hӛn hӧp khí trѫ khi phҧn ӭng. Thành phҫn màng 95
NӃt tӫa có kiӇm soát bҵng cách thay ÿәi áp suҩt riêng cӫa khí phҧn ӭng. Bҵng phѭѫng pháp phún xҥ phҧn ӭng có thӇ chӃ tҥo màng hӧp chҩt có thành phҫn thay ÿәi trong mӝt dҧi rӝng. Vҩn ÿӅ còn lҥi là chӑn ÿLӅu kiӋn kӃt tӫa và ÿLӅu kiӋn ӫ sau kӃt tӫa ÿӇ có thành phҫn và pha mong muӕn. 3.9. KӃt tӫa hóa hӑc pha hѫi CVD 3.9.1. Mӣÿҫu .Ӄt tӫa hóa pha phѫi (Chemical Vapor Deposition-CVD) hiӋn ÿѭӧc sӱ Gөng rӝng rãi ÿӇ tҥo màng cӫa nhiӅu vұt liӋu khác nhau. Phѭѫng pháp CVD nhiӋt cǊng là cѫ sӣ cӫa kƭ thuұt cҩy cҩy epitaxy trong chӃ tҥo IC. Các biӃn thӇ Fӫa phѭѫng pháp CVD nhiӋt sӱ dөng mӝt sӕ nguӗn năng lѭӧng nhѭ plasma hoһc kích thích quang ÿӇÿLӅu khiӇn các phҧn ӭng hóa hӑc, cho phép kӃt tӫa màng ӣ nhiӋt ÿӝ thҩp. Ĉ͓nh nghƭa: Là phѭѫng pháp công nghӋ tҥo màng chҩt rҳn có thành phҫn xác ÿӏnh và không bӏ bay hѫi trên bӅ mһt ÿӃ bҵng phҧn ӭng hóa hӑc cӫa các chҩt ӣ Gҥng khí. Khác vӟi Oxy hóa nhiӋt là lӟp oxide ÿѭӧc mӑc ra tӯÿӃ, ÿӇ tҥo lӟp SiO2 Eҵng phѭѫng pháp CVD ngѭӡi ta sӱ dөng các hӧp chҩt khó có chӭa Si hoһc các hӧp chҩt Silic và O2. Lӟp SiO2ÿѭӧc tҥo thành trên bӅ mһt ÿӃ theo các phҧn ӭng hóa hӑc. Các quá trình xҧy ra nhѭ sau: - Vұn chuyӇn hӛn hӧp khí tӯ lӕi vào ÿӃn gҫn phiӃn. - Phҧn ӭng giӳa các khí ÿӇ tҥo phân tӱ con. - Vұn chuyӇn các chҩt phҧn ӭng ÿӃn bӅ mһt phiӃn. - Phҧn ӭng bӅ mһt ÿӇ tҥo silic. - Nhҧ hҩp các sҧn phҭm khí. - Vұn chuyӇn các sҧn phâmr khí ra xa bӅ mһt. - Vұn chuyӇn các sҧn phâmr khí ra khӓi lò. 3.9.2. HӋ CVD ÿѫn giҧn ÿӇ chӃ tҥo màng Si Xét hӋ CVD ÿѫn giҧn sau: 96
Hinh 3.43. Sѫÿӗ hӋ CVD ÿѫn giҧn Bình phҧn ӭng là ӕng có tiӃt diӋn chӳ nhұt. Thành ӕng ÿѭӧc giӳӣ nhiӋt ÿӝ Tw. PhiӃn silic ÿѭӧc ÿһt trên giá ÿӥӣ giӳa ӕng. NhiӋt ÿӝ giá là Ts. Thông thѭӡng Ts>>Tw. Ta xét mӝt quá trình ÿѫn giҧn nhѭng cǊng rҩt ÿһc trѭng là phân ly khí silane (SiH4) ÿӇ tҥo màng silic ÿa tinh thӇ. Giҧ thiӃt dòng khí ÿi qua ӕng tӯ trái qua phҧi. Vì silane bҳt ÿҫu phân ly khi ÿӃn giá giӳ phiӃn, nên Qӗng ÿӝ silane cǊng nhѭ tӕc ÿӝ kӃt tӫa sӁ giҧm dҫn theo chiӅu dài ӕng. ĈӇ cҧi thiӋn ÿӝÿӗng ÿӅu cӫa màng kӃt tӫa, ngѭӡi ta thѭӡng trӝn khí silane vӟi mӝt khí mang là khí trѫ. Mӝt chҩt khí hòa tan cho silane thѭӡng dùng là hydro phân tӱ (H2). Giҧ thiӃt sӱ dөng hӛn hӧp 1% SiH4 trong H2, giҧ thiӃt nhiӋt ÿӝ Fӫa hӛn hӧp khí khi vào ӕng cǊng là Tw. Sҧn phҭm cӫa phҧn ӭng silane không tham gia phҧn ӭng ÿѭӧc ÿѭa ra khӓi ӕng qua lӕi thoát khí thҧi. Dòng khí trong buӗng phҧn ӭng ÿӫ thҩp ÿӇ có thӇ coi áp suҩt trong buӗng ÿӗng nhҩt. Phҧn ӭng xҧy ra nhѭ sau: SiH4(K) >Si(R) + 2H2(K) 3.9.3. ChӃ tҥo màng ÿLӋn môi bҵng CVD áp suҩt khí quyӇn 0ӝt sӕ hӋ CVD ÿҫu tiên là hӋ CVD áp suҩt khí quyӇn (APCVD : Atmospheric pessure CVD) vì chúng có tӕc ÿӝ phҧn ӭng lӟn và thiӃt bӏÿѫn giҧn, ÿһc biӋt ÿѫn giҧn ÿӇ chӃ tҥo vұt liӋu ÿLӋn môi. Màng silic kӃt tӫa tӯ siliane nhѭÿã xét ӣ phҫn trên, thӵc chҩt là nhұn ÿѭӧc áp suҩt khí quyӇn, có ÿӝ 97