Mạch vi điện tử và công nghệ chế tạo: Phần 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:112

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cuốn sách "Công nghệ chế tạo Mạch vi điện tử" phần 1 cung cấp cho người đọc những kiến thức như: Nhập môn cóng nghệ chế tạo mạch vi điện tử; vật liệu bán dẫn; khuếch tán; oxy hóa nhiệt;...Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Mạch vi điện tử và công nghệ chế tạo: Phần 1

NGUYỄN ĐỨC CHIÉN (Chủ biên) NGUYẺN VĂN HIÉU CÔNG NGHỆ CHÉ TẠO ■ ■ MẠCH VI ĐIỆN Tử ■ ■ (Xuất bản lần thứ hai, có sửa chừa và bô sung) NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA - HÀ NỘI
ỉản quyền thuộc về trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. /lọi hình thức xuất bàn, sao chép mà không có sự cho phép bằng văn bàn cúa rường là vi phạm pháp luật. Mã số: 22 - 2014/CXB/70 - 80/BKHN B iên m ục trên xuất bản phẩm của T hư viện Q uốc gia V iệt N am guyễn Đức Chiến Công nghệ chế tạo mạch vi điện từ / Nguyễn Đức Chiến (ch.b.), Nguyễn ãn Hiếu. - Xuất bản lần thứ 2, có sửa chữa, bổ sung. - H. : Bách khoa Hà Nội 314. - 268tr. : hình vẽ, bảng ; 24cm Thư mục: tr. 226-227 ISBN 9786049116551 1. Côna nghệ ch ế tạo 2. Mạch vi điện tử 621.3815 -d c 2 3 B K F 0041p-CIP
LỜI NÓI ĐẦU T ừ khi ba nhà bác học ở B ell Labs là Shockley, Bardeen và Brattain phát minh ra transistor năm 1947 kỹ thuật điện tử đã có những bước nhảy vọt, làm bùng nồ cuộc cách m ạng thõng tin, làm thay đối thế giới trong những thập kỷ cuối thế kỷ X X . Từ những m ạch điện tử sử dụng các linh kiện rời rạc với những chức năng đơn giản, độ tin cậy thấp, người ta đã chế tạo được những mạch tích hợp đầu tiên với chức nãng ngày càng phức tạp và độ tin cậy ngày càng cao, giá thành ngày càng rẻ. Từ những mạch tích hợp với chi vài transistor và vài điện trờ trên một chip, giờ đây người ta đã có thể chế tạo hàng chục triệu đến hàng trăm triệu transistor trên m ột chip diện tích vài cm 2. Từ những m ạch điện tử với linh kiện cơ bàn là transistor kích thước vài m ilim et đến hàng trăm m icrom et, người ta đã giảm thiểu kích thước linh kiện xuốn g còn m ột vài m icrom et, làm xuất hiện điện tử m icro hay còn gọi là vi điện từ (m icroelectronics). Dần dần các kỹ thuật hiện đại cho phép giảm kích thước tối thiều cùa transistor xuống dưới m icrom et và những năm gần đây, chiều dài kênh của transistor M O SFE T được rút xuốn g chì còn vài chục nanom et, xuất hiện mạch điện từ nano (nanoclectronics). Như vậy, lời tiên đoán của m ột trong hai nhà sáng [ập ra hãng Intel nổi tiến g là Gordon M oorc năm 1965 rằng mật độ tích hợp mạch điện từ tâng gấp đôi sau m ỗi 18 tháng, được biết đến dưới tcn gọi định luật M oore, đã thành hiện thực trong suốt hơn 4 0 năm qua. Xu thế này được dự đoán là còn tiếp tục đúng cho đến khoảng năm 2020. Mạch tích hợp (Integrated Circuits - IC) hay m ạch vi điện từ, hay đơn gián hơn là vi mạch tuy chi được chế tạo à một số nước tiên tiến, bởi các hăng điện từ lớn, nhung hiện đang được dùng khắp nơi trẽn thế giới. Vi m ạch có mặt ở trong hầu hết các thiết bị điện tư, từ những thiết bị dân dụng bình thường nhất như đồ chơi, đ ồ n e hồ, đến những thiết bị chuyên dụng cao cấp như m áy bay, tên lừa, tàu vũ trụ. Tất nhiên, một lĩnh vực vừa là kết quả, vừa là đ ộn g lực và vừa là công cụ pliát triển của công nghệ vi íiệ n tư là m áy tính, kể cả nhữne loại m áy tính đơn giản đến các siêu m áy tính hiện nay. V iệt N am , vào cuối năm 2013 với 90 triệu dân không phái là ngoại lệ. s ố máy :ính điện thoại di động và các phương tiện thông tin khác tăng tnrớng hàng chục phần xăm m ỗi năm là băng chứ ng cúa v iệc sử dụng vô cùng rộng rãi các m ạch vi điện tứ. về c ô n s ngh ệ chê tạo, trước đây chúng ta có m ột vài cơ sờ nghiên cứu và sàn xuất
hoạt động trong lĩnh vực này nhung chi ờ quy mô hết sức nhỏ bé. Gần đây, với sự đầu tư của một số hãng điện từ lớn như Intel, Fujitsu, Canon, Foxconn..., chấc chăn công nghệ vi điện tử trong nước sẽ phát triển. Vi vậy, nhu cầu đào tạo nhân lực trinh độ cao về lĩnh vực này sẽ càng trớ nên cấp bách. Giáo trình Công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn và mạch vi điện tứ đã được giảng dạy ờ trướng Đại học Bách Khoa Hà Nội từ cuối những năm 1970 cúa thế kỷ trước đặc biệt là sau khi có Phòng thí nghiệm Vi điện tử MOS do Hà Lan viện trợ năm 1977. Từ đó đến nay, giáo trinh liên tục được giảng dạy cho sinh viên ngành Vật lý kỹ thuật và gần đây cho cả ngành Điện tứ - Viễn thông của trường. Giáo trình này thường được dạy sau các giáo trinh như Vật lý linh kiện bán dẫn hay c ấ u kiện điện từ. Vi vậy, nội dung giáo trinh chỉ liên quan đến các khâu công nghệ chù yếu trong quy trinh ché tạo mạch vi điện từ, mà không đi sâu phân tích nguyên lý hoạt động của các linh kiện cụ thể, trừ một số linh kiện đặc biệt, hoặc vì lý do cần thiết để hiểu rõ hơn khâu công nghệ nào đó. Tuy một trong hai tác giá đã có hơn 30 năm kinh nghiệm giàng dạy và nghiên cứu về công nghệ vi điện tử, nhưng, như đã nói ờ trên, đây là lĩnh vực thay đồi vô cùng nhanh chóng, nên không khỏi có những kỹ thuật mới nhất chưa được cập nhật trong tài liệu. Mặt khác, trong quá trình biên soạn, tác giá có sử dụng nhiều tài liệu tiếng Anh của các tác giả nước ngoài, có nhiều thuật ngữ mới trong tiếng Việt chưa có. Khi đó phải dịch nghĩa, tạm thời có ghi cả từ nguyên gốc tiếng Anh, đề bạn đọc tiện theo dõi. Trong phần lớn các trường hợp khác, tác giả sử dụng Từ điển Vật lý Anh Việt của Đặng Mộng Lân và Ngô Quốc Quýnh, Nhà xuất bàn Khoa học và Kỹ thuật, 1992 và Từ điển Vật lý và Công nghệ cao Anh - Việt & Việt - Anh do Vũ Đình Cự chú biên, Nhà xuất bàn Khoa học và Kỹ thuật, 2001. Cuốn sách Công nghệ chế tạo mạch vi điện từ do Nhà xuất bàn Bách Khoa - Hà Nội in lân đâu năm 2007 đã được đông đảo bạn đọc là cán bộ, sinh viên đón nhận nhiệt tình và được phát hành hết trong thời gian ngắn. Trên cơ sờ tiếp thu những đóng góp của bạn đọc và các ý kiến của Hội đồng thẩm định, lần này sách được xuất bàn lần thú hai với nội dung cập nhật đề dùng làm là giáo trinh chính thức cùa Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Giáo trinh có thể dùng cho sinh viên các ngành Vật lý kỹ thuật, Điện từ - Viễr thông, Khoa học và công nghệ vật liệu cùa các trường đại học. Sách cũne sẽ !à tài liệi tham khảo có ích cho các nhà khoa học, các kỹ sư, các nghiên cứu sinh muốn tìm hiềi sâu hoặc sử dụng một hay một vài khâu công nghệ trong quy trinh chế tạo mạch vi điệt từ hiện đại. Các tác già xin chân thành cảm ơn GS. TS. Nguyễn Năng Định. Khoa Vật 1' kỹ thuật và Công nghệ nano, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc sia Hà Nội
PGS. TS. Phó Thị N gu yệt Hằng, PGS. TS. N guyễn Hữu Lâm, PGS. TS. Lê Tuấn và PGS. TS. Đ ặng Đ ức V ượng, V iện Vật lý kỹ thuật, TS. N gu yên V ũ Thăng, V iẹn Điẹn lừ — V iễn thòng, trường Đ ại học Bách Khoa Hà N ội đã đ ọc bản thảo, trao đôi và đóng g óp nhiều ý kiến quý báu. Các tác già cũng xin được bày tỏ lòng biêt ơn đên G S. TS. Phùng H ô, GS. TSKH. Thân Đ ứ c H iền và c ố G S. TSK H . N gu yễn Phú Thùy đã luôn khuyến khích, động viên; đặc biệt cám ơn các đồng nghiệp PGS. TS. Phạm Thành H uy, T S. M ai Anh Tuấn và ThS. N gu yễn Văn Toán đã hỗ trợ rất hiệu quà trong khâu chế bàn và các khâu kỹ thuật khác đ ể hoàn thành cuốn sách. C uốn sách chắc chắn không tránh khói những thiếu sót. M ọi góp ý xin gừi về N h à xuất bàn B ách K hoa - Hà N ộ i hoặc trực tiếp ch o tác giá theo địa chi: B ộ m ôn V ật liệu đ iện tử, V iện V ật lý kỹ thuật, T rường Đ ạ i h ọc B ách K hoa Hà N ộ i, S ố 1, Đ ại c ồ V iệt, Hà N ộ i. Các tác giả GS. TS. N gu yễn Đ ứ c Chiến PG S. TS. N gu yễn Văn H iếu 5
MỤC LỤC L Ờ IN Ó IĐ Ằ U ................................................................................................................................. 3 CHƯƠNG 1. NHẬP MÔN CÓNG NGHỆCHẾ TẠO MẠCH VI ĐIỆN TỬ .................. 11 1.1. Công nghệ vi điện từ qua một ví dụ đơn g iả n ................................................... 12 1.2. Các công đoạn công nghệ chính k h ác ................................................................ 1.5 CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU BÁN DÀ N ................................................................................ 17 2.1. Giản đè pha và độ hòa tan rắn (độ hòa tan giới h ạ n ).....................................17 2.2. Tinh thể học và cấu trúc tinh t h ẻ ...........................................................................20 2.3. Khuyết tật tinh th ề ...................................................................................................... 22 2.4. Phương pháp nuôi tinh thể Czochralski..............................................................27 2.5. Nuôi cáy GaAs bằng phương pháp Bridgm an.................................................31 2.6. Kỹ thuật nóng chảy vùng (float zo n e ).................................................................. 32 2.7. Chế tạo phiến và các đặc trưng của phiến.........................................................34 Bài tập ...................................................................................................................................37 CHƯƠNG 3. KHUẾCH T Á N ........................................................................................... 39 3.1. Phương trinh khuếch tán Fick trường hợp một chiều.....................................40 3.2. Các mô hình khuếch tán nguyên t ừ .....................................................................41 3.3. Nghiệm giải tích của định luật Fick...................................................................... 46 3.4. Các hiệu chỉnh cho lý thuyết đơn g iả n ............................................................... 48 3.5. Hệ số khuếch tán cùa các tạp chất thông d ụ n g .............................................. 49 3.6. Profile khuếch tán (phân bố nồng độ tạ p )......................................................... 53 3.7. Khuếch tán trong S i0 2............................................................................................. 60 3.8. Các hệ khuếch tá n .....................................................................................................61 3.9. Chương trinh mô phỏng profile khuếchtán S U P R E M ................................... 63 Bài tập....................................................................................................................................... 66 CHƯƠNG 4. OXY HÓA NHIỆT........................................................................................ 68 4.1. Mô hình oxy hóa Deal - G ro ve.............................................................................. 68 4.2. Hệ số tốc độ tuyến tính và parabol......................................................................... 71 4.3. Chế độ oxy hóa ban đầu.......................................................................................... 74 4.4. Cấu trúc của S i0 2 ...................................................................................................... 75 4.5. Đ ặc trưng o x id e ..........................................................................................................76 4.6. Hiệu ứng tạp chắt trong quá trình oxy h óa.........................................................80
4 .7 . T h iế t bị oxy h ó a ................................................................................................................ 81 4 .8 . M ô phỏng oxy hóa bằng S U P R E M ........................................................................... 82 Bài tậ p ............................................................................................................................................ 84 CHƯƠNG 5. CÀY IO N ...............................................................................................86 5 .1 . T h iế t bị c áy ion ...................................................................................................................87 5 .2 . P h ân bố tạp c h á t...............................................................................................................88 5 .3 . C ơ chế dừng io n ...............................................................................................................89 5 .4 . H iệu ứng kênh (c h a n n e lin g )........................................................................................ 92 5 .5 . H iệu ứng m át trật tự và ủ n hiệt................................................................................... 93 5 .5 .1 . M ấ t trậ t t ự ..............................................................................................................93 5 .5 .2 . ủ n h iệ t .................................................................................................................... 95 5 .6 . C á c quá trinh liên quan đến cấy io n ......................................................................... 96 5 .6 .1 . C ấ y io n n h iề u lầ n ................................................................................................ 96 5 .6 .2. M ặ t n ạ d ù n g c h o c ấ y i o n .................................................................................96 5 .6 .3 . T ạ o n g u ồ n k h u ế c h tá n và đ iề u k h iể n đ iệ n á p n g ư ỡ n g .......................97 5 .6 .4 . C h ế tạ o c á c c h u y ể n tiế p n ô n g .......................................................................97 5 .6 .5 . L ớ p đ iệ n m ô i c h ô n ( b u r r ie d ) .......................................................................... 97 5.7 . Profile tạp tính bằng S U P R E M ................................................................................... 98 Bài t ậ p .............................................................................................................................................. 99 CHƯƠNG 6. x ừ LÝ NHIỆT NHANH.......................................................................100 6.1. Bức xạ vật x á m , trao đổi nhiệt và hấp thụ q u a n g ..............................................101 6 .2 . C á c nguồn q uang học có cường độ c a o .............................................................. 103 6.3 . Đ o nhiệt đ ộ ........................................................................................................................ 104 6.4 . H o ạt hóa tạp ch ất bằng xử lý nhiệt n hanh ............................................................107 6.5 . C h ế tạo lớp điện môi bằng xử lý nhiệt n h a n h ..................................................... 108 6.6. T ạ o tiếp xúc bằng hợp chất của silic và kim lo ạ i.............................................. 109 Bài tậ p ............................................................................................................................................ 110 CHƯƠNG 7. KHÁC VÀ ĂN MÒN.............................................................................111 7 .1 . Q u a n g k h ắ c ........................................................................................................................111 7 . 1.1. P h ò n g s ạ c h ......................................................................................................... 111 7 .1.2. C á c th iế t b ị c h iế u s á n g ...................................................................................114 7.1 .3. M ặ t n ạ ( m a s k ) .................................................................................................... 117 7 .1 .4 . C h ắ t c ả m q u a n g ................................................................................................119 7 . 1.5. Q u á trìn h tru y ề n h ìn h ả n h ............................................................................. 121 7 .1 .6. C á c k ỹ th u ậ t tă n g đ ộ p h â n g iả i................................................................. 124
7.2. Các phương pháp khắc thế hệ s a u ..................................................................125 7.2.1. K hắc bằng chùm điện t ử ........................................................................125 7.2.2. K hắc bằng tia tử ng o ại xa (E x tre m e -U ltra v io le t)............................. 128 7.2.3. K hắc bằng tia X ........................................................................................ 129 7.2.4. K hắc bằng chùm tia io n ..........................................................................130 7.2.5. So sánh các p hư ơ ng pháp k h ắ c ......................................................... 131 7.3. Tẩm thực (ăn mòn) hóa ướt.............................................................................. 131 7.3.1. Tầm thực s ilic ........................................................................................... 132 7.3.2. Tẩm thực dioxide s ilic ............................................................................. 134 7.3.3. Tẩm thực silic nitride và silie đa tinh thề ............................................ 134 7.3.4. Tẳm thực n h ô m ........................................................................................136 7.3.5. Tẩm thực G a A s ........................................................................................136 7.4. Tẩm thực k h ô .........................................................................................................136 7.4.1. M ột số kiến thức cơ bản về p la s m a ...................................................137 7.4.2. Cơ chế tẩm thực, chẩn đoán plasma, điều khiển điềm kết th ú c ....... 139 7.4.3. Các k ỹ th u ật và thiết b ị tẩm thự c pla sm a p h ả n ứ n g ......................141 7.4.4. Hệ tẩm thự c ion p hản ứ ng (R IE ).........................................................142 7.4.5. ứ n g dụng của tẩm thực plasm a p hản ứ n g .......................................145 7.5. Các hệ thống vi cơ điện tử (M E M S )................................................................ 150 7.5.1. Vi c ơ k h ố i....................................................................................................150 7.5.2. Vi c ơ bề m ặ t ...............................................................................................151 7.5.3. K ỹ th u ậ t U G A ............................................................................................ 152 Bài tậ p ............................................................................................................................... 154 CHƯƠNG 8. CÁC PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ TẠO MÀNG MỎNG: BAY HƠI VÀ PHÚN X Ạ ...................................................................... 156 8.1. Bay hơi chân không............................................................................................. 157 8.1.1. Thăng hoa và bay h ơ i..............................................................................158 8.1.2. Tốc độ kế t tủ a ............................................................................................ 159 8.1.3. P hủ bậc th a n g ...........................................................................................161 8.1.4. Các k ỹ thuật đ ố t chén n u n g ..................................................................162 8.1.5. M àng m ỏng đa thành p h ầ n ................................................................... 164 8.2. Phún xạ (sputtering).............................................................................................165 8.2.1. Vật lý quá trinh phún x ạ .........................................................................166 8.2.2. TÓC độ kế t tủa và hiệu su ấ t phún x ạ .................................................. 1 6 7 8.2.3. Phún xạ plasm a m ật độ c a o ................................................................. 168 8.2.4. P hún xạ các vật liệu đặc b iệ t ............................................................... 169
C H Ư Ơ N G 9. K ẾT T Ủ A HÓ A PHA HƠI (C V D )...............................................................172 9.1. H ệ C V D đơn giản để chế tạo m àng s ilic ..............................................................172 9 .2 . C â n bằng hóa và định luật tác dụng khối lư ợ n g .............................................. 173 9 .3 . Dòng khí và lớp b iê n .....................................................................................................177 9.4. Đ á n h giá hệ C V D đơn g iả n ........................................................................................ 180 9 .5 . C h ế tạo m àng điện môi bằng cvd áp suất khí quyển ( A P C V D ) .............. 182 9 .6 . C h ế tạo m àng điện môi và bán dẫn bằng C V D áp suất thấp (L P C V D ) 183 9.7. C h ế tạo m àng điện môi bẳng C V D cỏ sự trợ giúp của plasm a (P E C V D ).. 185 9 .8 . C V D m àng kim lo ạ i........................................................................................................187 Bài t ậ p ...........................................................................................................................................188 C H Ư Ơ N G 10. E P IT A X Y .........................................................................................................189 10 .1. Làm sạch phiến và tẩy lớp oxide tự n hiên .........................................................190 1 0 .2. N h iệt động học quá trinh epitaxy pha hơi ( V P E ) ............................................ 191 1 0 .3 . C á c phản ứng bề m ặ t................................................................................................ 193 10 .4. P h a tạ p .............................................................................................................................. 195 1 0 .5. K huyết tật trong lớp e p ita x y .................................................................................. 196 10.6. Epitaxy G a A s ...............................................................................................................196 10 .7. E pỉtaxy không tương xứng và epitaxy lớp biến d ạ n g ................................ 197 1 0 .8 . K ết tủa hóa pha hơi từ hợp chát cơ kim ( M O C V D ) .................................... 2 0 0 1 0 .9 . C á c kỹ thu ật epitaxy pha hơi silic tiên t i ế n ..................................................... 203 1 0 .10 . C ông nghệ epitaxy chùm phân t ử ................................................................... 20 6 Bài t ậ p ........................................................................................................................................... 210 CHƯƠNG 11. CÔNG NGHỆ CMOS........................................................................ 211 11.1. C á c tính chất cơ bẩn của linh kiện kênh d à i..................................................... 211 11.2. C á c công nghệ M O S truyền th ố n g .......................................................................217 11.3. Q u y trinh công nghệ M O S ........................................................................................21 8 11.3.1. C h ế tạ o g iế n g ..................................................................................................21 8 11.3.2. Đ iệ n c ự c c ổ n g .................................................................................................21 9 1 1 .3.3 . Q u á trìn h c h ế tạ o ........................................................................................... 22 0 1 1 .4. G iảm thiểu kích thư ớc linh k iệ n ............................................................................. 22 2 11 .5. C á c bộ nhớ M O S ..........................................................................................................22 5 11.5.1. E P R O M ..............................................................................................................22 5 11.5.2. E E P R O M ........................................................................................................... 22 8 Bài t ậ p ................................................................................................................................................2 3 0 9
CHƯƠNG 12. CÔNG NGHỆ .. ...................................................................................... 231 12.1. Nguyên lý hoạt động của ................................................................................... 231 12.2. Công nghệ chế tạo .............................................................................................. 233 Bài tập ............................................................................................................................... CHƯƠNG 13. CÔNG NGHỆ LƯỜNG c ự c SILIC.................................................. 237 13.1. Quy trình công nghệ lưỡng c ự c .....................................................................237 13.1.1. Cách điện bằng chuyển tiếp p - n ...................................................... 237 13.1.2. Lớp chôn r ì .............................................................................................239 13.1.3. C ách điện bằng oxid e...........................................................................239 13.1.4. Q uy trình chế tạ o ................................................................................... 241 13.2. Transistor lưỡng c ự c ......................................................................................... 241 13.2.1. Khuếch đại d ò n g ...................................................................................242 13.2.2. Dòng C ollector........................................................................................... 246 13.2.3. Điện áp E a rly ............................................................................................. 246 13.2.4. S ự ph ụ thuộc của hệ số khuếch đ ạ i vào d ò n g ................................. 247 13.2.5. Mô p h ỏ n g ................................................................................................ 249 13.2.6. Điện áp đánh th ù n g .............................................................................. 249 13.2.7. Điện trở B a z ơ v à C o lle c to r.................................................................250 13.2.8. Điện dung chuyển tiếp p n ................................................................... 252 13.2.9. Đ áp ứng tẳn s ố .................................................... ................................. 253 13.2.10. T ra n s is to rp n p ..................................................................................... 255 13.3. Diode, điện trờ và tụ đ iệ n ................................................................................ 255 13.3.1. D io d e ........................................................................................................ 256 13.3.2. D iode S c h o ttk y ......................................................................................... 259 13.3.3. Các điện trở trong m ạch tích h ợ p ...................................................... 260 13.3.4. Tụ điện trong m ạch tích h ợ p ..............................................................263 Bài tập...................................................................................................................................264 TÀI LIỆU THAM K H À O ......................................................................................................... 266 PHỤ L Ụ C .................................................................................................................................... 268
Chưong 1 NHẬP MÔN CÔNG NGHỆ CHÉ TẠO ■ ■ ■ MẠCH VI ĐIỆN Tử ■ ■ C ông nghiệp điện từ đã phát triển cực kỳ nhanh chóng trong khoảng thời gian bốn thập ký vừa qua. Sự phát triển đó là nhờ có cuộc cách m ạng trong công nghệ vi điện tử. Trước những năm 1960, người ta không thể n gh ĩ đến v iệc chế tạo nhiều transistor trên cùng m ột m iến g bán dẫn. N hững m áy tính số lúc bấy g iờ rất cồng kềnh, chậm và v ô cùng đắt. P hòng thí nghiệm nồi tiếng B e ll Labs, nơi ba nhà khoa học Sh ock ley, Brattain và Bardeen phát m inh ra transistor năm 1947 đã không chấp nhận khái niệm m ạch tồ hợp (Integrated Circuit - IC). H ọ lý luận rằng để m ột m ạch hoạt động thì tất cả m ọi linh kiện đều phài hoạt động. N h ư v ậy, để cho m ột m ạch gồm 20 transistor hoạt đ ộn g với xác suất 50% thì xác suất hoạt độn g của linh kiện phải là (0 ,5 )1 /2 0 = 0 ,9 6 6 hay 96,6% , điều này lúc đó được coi như là quá m ức lạc quan. Còn hiện nay, các IC chứa đến hàng chục, hàng trăm triệu transistor. Những transistor đầu tiên được che tạo bằng vật liệu germ any (G e), còn hiện nay phần lớn m ạch tổ hợp được chế tạo trên vật liệu silic (S i). T rong giáo trình này, chúng ta chủ yếu quan tâm đến silic. Loại vật liệu thứ hai cũng được dùng đê chế tạo IC là G aA s. C húng ta cũng sẽ xét đến vật liệu G aA s và m ạch tồ hợp trên G aA s nhưng ờ mức độ ít hơn. T uy rằng G aA s có độ linh động điện tử lớn hơn cùa Si nhưng nó cũng có nhiều hạn ch ế n gh iêm trọng như độ linh động lỗ trống thấp, kém ổn định trong quá trình xử lý nhiệt, lớp oxid e nhiệt chất lượng kém , giá thành cao và có lẽ quan trọng hon cả là mật độ khuyết tật lớn hơn nhiều. D o vậy, silic là vật liệu chủ yếu để chế tạo vi m ạch có m ức tô hợp lớn, còn G aA s được dùng đè chế tạo các m ạch có tôc độ làm việc rất cao nhưng m ức độ tô họp vừa phải. H iện tại, ứng dụng lớn nhất cùa G aA s là các m ạch tương tự (an alog) làm việc ờ tần số lớn hơn gigahéc (1 0 9 H z). Gần đây côna nghệ vi điện tử cũng được sừ dụng đé chế tạo các loại linh kiện khác nhau như linh kiện vi tù (inicrom agnetic), linh kiện quang và linh kiện vi cơ (m icrom echan ical).
10” 1
(a ) (b) Hình 1.2. S ơ đồ mạch chia điện áp (a) Sơ đả điện; (b) Bàn vẽ lay-out. C ôn g nghệ chế tạo m ạch này được chi ra trên hình 1.3. Phiến silic được dùng làm đế vì nó rất phẳng, tương đối rẻ và phần lớn các thiết bị côn g nghệ che tạo IC thích hợp với v iệc sừ dụng phiến silic. V iệc chế tạo phiến silic được trình bày trong chươna 2. V ì phiến silic dù sao cũng dẫn điện, tuy không tốt, nên cần thiết phải tạo m ột lớp cách điện trên đế silic để tránh dồng rò giữa các điện trờ cạnh nhau. T hường người ta dùng oxid e silic nhận bằng o x y hóa nhiệt vì nó là vật liệu cách điện tuyệt vờ i. Quá trình oxy hóa nhiệt silic được xét trong chương 4. Tiếp theo người ta kết tùa m ột lớp dẫn điện đề chế tạo điện trờ. M ột số phương pháp chế tạo màng cách điện và dẫn điện sẽ được xét trong các chương 8 và 9. (1) Phiến Si (2) Tạo lớp ôxit đọng lớp vặt liệu điện trớ (5) Lắng đọng !ớp vật liệu cả ch điện (6) Tạo hinh lớp cách điẹn UỀ__ỉ_■■ ■■ i__ ■'_ (7) Phú lớp vặt liệu kim loai (8) T9° hinh '° p klm loa' H ìn h 1.3. Q u y trin h ch ế tạo b ộ ch ia đ iệ n áp 13
Lớp dẫn điện này cần được chia ra thành các điện trờ riêng rẽ. Muốn vậy ngưcn ta tẳy bỏ những phần không cần thiết, chi giữ lại những phần hình chữ nhật vả những phần này cách ly với nhau. Giá trị điện trở được cho bời: R=p — (1.1) w-t trong đó p là điện trờ suất của vật liệu, L là chiều dài điện trờ, w là chiều rộng điện trờ và t là chiều dày màng. Nhà thiết kế có thề chọn các giá trị điện trớ khác nhau bằng cách chọn tỷ lệ W/L khác nhau trong khuôn khồ các quy tắc thiết kể lay-out. Nhà công nghệ chọn chiều dày và vật liệu (do đó là p) đề cung cấp cho nhà thiết kế giá tri điện trớ suất thích hợp, nhưng không bắt buộc nhà thiết kế phái dùna đến các kích thước giới hạn. Vì p và t được xác định trong quá trinh chế tạo và gần như khỏng lồ i trẽn toàn phiến, người ta thường dùng tỳ số p /t hơn là dùng các giá trị riêng biệt là o và t. Tỳ số này được gọi là điện trờ bề mặt (Rs) hay điện trờ vuông. Đơn vị (thứ nguyên) của Rs là Í2C , số ô vuông chính là tỳ số LỈW của điện trờ. Những thông tin về điện trờ đo nhà thiết kế cung cấp, có nghĩa là L và w của "nỗi điện trờ, cần được chuyển từ mặt nạ quang sang phiến silic. V iệc này được thực liên bằng công đoạn quang khẳc (photolithography). Trong công đoạn này, trước hết -nột lớp nhạy quang gọi là càm quang (photoresist) được phủ lên phiến hình ] .4. (Ị ) Đ ế Si với lớp v ặt liệu (2) Đ ế đ ư ợ c p h ù c h á t c ầ n k h ắc hình cám q u an g (3) sắ y khô sơ bộ lớp (4) C hiếu s á n g lớp càm cám q u an g q u an g q u a m ặt nạ (5) H iện hinh lớp cám (6 ) An mòn vật liệu quang Hình 1.4. Các bước truyền hình phiến bằng kỹ thuật quang khắc
Anh sáng chiếu qua mặt nạ vào những vùng cảm quang nơi mà sau này cân phái tây bỏ lớp điện trờ kim loại. Ờ những vùng lộ sáng xảy ra các phản ứng quang hóa trong lớp cảm quang làm cho chất cảm quang dễ bị hòa tan trong dung dịch hiện (develop er). Sau bước hiện hình, cảm quang chỉ còn lại ờ những chỗ cân có điện trờ. Lúc đó phiến được nhúng vào acid, acid hòa tan lớp kim loại không được bảo vệ nhưng không ăn m òn lớp cảm quang. Khi quá trình tẩm thực (etch) kết thúc, phiến được rửa sạch trong nước siêu tinh khiết và lớp cảm quang được tẩy bỏ. Quá trinh quang khăc và quá trình tẩm thực sẽ được xét trong chương 7. M ột khi các điện trở đã được chế tạo, chúng cần được nối với nhau bằng các đường dẫn kim loại và các đường dẫn này cần nối với các diện tích tiếp xúc ờ mép chip, đề từ đó sau này hàn dây nối ra chân ngoài. C ông đoạn cuối cùng này gọi là đóng g ói (packaging). Trong trường hợp các đường dẫn kim loại cần phải đi cắt ngang điện trở, người ta phủ thêm m ột lớp cách điện lên trên lớp điện trở. Đ ể c ó tiếp xúc điện với các điện trờ, có thể m ờ cửa sổ trong lớp cách điện bằng cách sừ dụng kỹ thuật quang khắc và ăn m òn như đã dùng cho các điện trớ, tuy nhiên thành phần acid có thề khác so vớ i trường hợp trên. Tiếp sau là công đoạn phủ lớp kim loại dẫn điện tốt, dùng mặt nạ thứ ba để tẩm thực tạo đường dẫn kim loại. T rong c ô n g ngh ệ này ta thấy có bốn lớp vật liệu: lớp cách điện phía dưới, m àng đ iện trở, lớp cách đ iện phía trên và lớp kim loại dẫn điện. K ỹ thuật quang khắc được sử dụng để tẩy bỏ m ột cách chọn lọc m ột hay nhiều lớp vật liệu ở những vị trí xác định. Trừ các m ép hình, c ò n chiều dày của các m àng là kh ôn g đ ổi. C ôn g ngh ệ ờ đây sử dụng ba bước quang khắc, ba bước tẩm thực và bốn lần kết tủa m àng m òng (kể cà lần c ấ y các lớp o x id e ). Đ ể chế tạo m ột tụ điện, người ta cũng phải sử dụng các bư ớc tương tự. T hêm m ột số bư ớc nữa, ta có thề chế tạo đư ợc m ột transistor đơn giản. Đ ò i hỏi đối v ớ i v iệ c thiết kể m ột IC không phụ thu ộc v à o số lư ợng điện trở. M ột mặt nạ quang c ó thể xác lập m ột điện trờ hoặc m ột triệu điện ừ ờ . Trên thực tế, hai bộ mặt nạ quang khác nhau, m ột bộ dùng để chế tạo vài điện trờ, còn m ột bộ dùng cho hàng ngàn đ iện trở, c ó thê thay thế nhau vớ i cùng quy trình c ô n g ngh ệ và đòi hỏi khối lượng c ô n g v iệ c như nhau. 1.2. CÁC C Ô N G Đ O Ạ N CÔNG NGHỆ CHÍNH KHÁC Trên đây chúng ta đã xét m ột số bước cơ bản sừ dụng để chế tạo vi mạch: quang khẳc, kết tủa m àng m ỏn g, tấm thực. Các quá trinh tạo m àng m òng bao gồm quá trinh phún xạ và bốc bay. Đ ây là những quá trình vật lý vì chúng nói chung kh ôn e phụ thuộc vào phản ứng hóa học. Phún xạ được thực hiện bằng cách dùng các ngu yên từ tích điện — ion Ar - để bắn phá bia là vật liệu cần kết túa. B ia bị bào m òn dưới tác dụng bắn phá của các ion, m ột phần vật liệu rơi xuống bề mặt phiến tạo thành lớp m àng m òng trẽn phiến. B ố c bay là đốt nóng vật liệu cần tạo m àng đến nhiệt độ cao để có luồng hơi. Phiến đư ợc đặt trong luồng hơi này và lớp m àng m ỏng hình thành trên phiến. Quá trình tạo m àng m òng thứ ba mà chúng ta sẽ xét là kết tủa hóa trone pha hơi (C hem ical Vapor 15
Deposition - CVD). Trong kỹ thuật này, người ta đưa một loại hoặc nhiều loại khí vào trong binh phàn ứng có chứa phiến, thông thường phiến được đốt nóng đến nhiệt độ nhất định. Phản ứng hóa học xày ra và sàn phẩm là vật liệu rắn lắng đọng trên bề mặt phiến. Cực cổng Hình 1.5. Sơ đồ cấu trúc một transistor MOSFET kênh n Trên đây chúng ta đã chọn điện trờ đề đơn gián hóa ví dụ đầu tiên. Phân lớn linh kiện bán dẫn đòi hói phái tạo vùng pha tạp. Ví dụ, xét transistor loại MOSFET kênh n như biểu diễn trên hình 1.5. Có hai chi tiết giống trường hợp điện trờ, đó là lớp cách điện và lớp kim loại dẫn điện đã được tạo hình. Đẽ chê tạo transistor, ta kết hợp thêm quá trình pha tạp chọn lọc tạo vùng nguồn (source) và máng (drain). Tạp có thẻ là loại donor (loại n) hoặc acceptor (loại p). Đối với silic, các tạp loại n thông đụne nhất là As, p và Sb, tạp loại p thông dụng nhất là Bo. Với GaAs, tạp loại n thông dụng nhắt là Si, s và Se, còn tạp loại p là c , Be và Zn. Trong công nghệ bán dẵn trước đày, tạp chất được đưa vào bằng cách đôt nóng phiến trong môi trường khí có chửa tạp chất. Chẳng hạn, hỗn hợp khí hydro/phôtphin (H; PH3) được dùng để pha tạp phôtpho vào silic. Việc đưa tạp vào bàng cách này, rồi sau đó làm cho tạp chuyển động sâu hơn khi đốt nóng phiến, được gọi là khuếch tán. Bằng cách này tạp có thể khuếch tán vào sâu trong phiến. Phương pháp khuếch tán do đó thích hợp để chế tạo các linh kiện kích thước lớn, còn công nghệ vi điện tử hiện đại lại có các linh kiện với kích thước nhó hơn nhiều. Ờ đây, phương pháp cấy ion thay thế phươna pháp khuếch tán. Phucma pháp cấy ion sử dụng ion được gia tốc trong trường tĩnh điện để cấy vào phiến. Phương pháp này cho phép nhà công nghệ khống chế được tượng tạp đưa vào (liều lượns - dose) và chiều sâu thâm nhập của tạp vào phiên (dài - range). Để aiam sự khuếch tán tạp chất người ta đã phát triẽn một kỹ thuật xừ lý. gọi là xư lý nhiệt nhanh (Rapid Thermal Processing - RTP) cho phép đốt nóng và làm nguội phiến với tốc độ rất cao. Nhiều kỹ thuật cho phép cấy (nuôi) những lớp bán dẫn mong trên bề mặt phiến bán dần Đó là kỹ thuật epitaxy. Trong giáo trinh này, chúng ta trước hết xem xét các quá trinh cấy epitaxy truyền thống: cấy silic trên đe silic và cấy GaAs trên đế GaAs (epitax\ đồng chất - homo epitaxy). Sau đó ta sẽ nghiên cứu các phương pháp tiên tiến hơn dùn» đe cấy các lóp cực kỳ mòng cho các cấu trúc linh kiện hiện đại.
Chương 2 VẬT LIỆU BÁN DẪN N h iều c ô n g đoạn cô n g nghệ phụ thuộc mạnh vào tính chất của ph iến bán dí V í dụ, khuếch tán phụ thuộc vào độ hoàn hảo của tinh thể bán dẫn, m à độ hoàn hảo n lại phụ thuộc nhiệt độ của công đoạn đó. Ta sẽ bắt đầu bằng việc xét giản đồ pha. Đi này giúp bạn đọc hiểu được sự hình thành hợp kim, về độ hòa tan rắn và về pha t trong tinh thể bán dẫn. T iếp theo ta xét cấu trúc tinh thể và các khuyết tật. Tro chương này ta cũng sẽ xét các kỹ thuật chế tạo phiến bán dẫn. Phiến bán dẫn có kí thước từ m ột vài centim ét đối với bán dẫn hợp chất đến 30 cm đối vớ i silic , là xuất pl điểm c ơ bàn để chế tạo linh kiện. C ác vật liệu dùng trong công nghệ vi điện từ có thể chia làm ba loại phụ thu trật tự nguyên từ của chúng. Vật liệu đom tinh thể có hầu hết các ngu yên tử chiếm vị xác định và tuần hoàn, gọi là nút m ạng tinh thể. Phần lớn các đế bán dẫn dùng để c tạo linh kiện tích cự c đều là đom tinh thể. N gược lại, trong vật liệu v ô định hình, n S 1O 2, các nguyên tử không có trật tự xa, các liên kết hóa học c ó đ ộ dài và định hướ khác nhau. N h óm vật liệu thú ba là đa tinh thề, bao gồm tập hợp các đom tinh thể n định hướng bất kỳ tương đối với nhau. K ích thước và định hướng của các tinh t thường biến đồi trong quá trình công nghệ. 2.1. GIÀN ĐÒ PHA VÀ Đ ộ HÒA TAN RÁN (Đ ộ HÒA TAN GIỚI HẠh Phần lớn vật liệu m à ta quan tâm ờ đây đều không phải là thuần khiết nguyên mà là hỗn hợp vật liệu. N g a y cả silic cũng thường được sử dụng ờ trạng thái không ti khiết, thường chứa tạp chất để có tính chất điện như m ong m uốn. M ột cách rất thu tiện để m ô tả tính chất của hỗn hợp vật liệu là giàn đồ pha. G iàn đồ pha hai ngu yên < rõ các vùng (m iền) ổn định cùa hỗn hợp hai vật liệu phụ thuộc thành phần (phần tră vật liệu và nhiệt độ. G iản đồ pha cũng có thể phụ thuộc áp suất, tuy nhiên ờ đây ta ( xét ở điều kiện 1 atm. H ình 2.1 là giản đồ pha của hệ G e -S i, m ột hệ thuộc loại đơn giản nhất. Có 1 đường đặc trưng trên đồ thị. Đ u ờng trên, đường liquidus (L), cho biết nhiệt độ tại một hỗn hợp cho trước ở trạng thái lòng hoàn toàn. Đ ư ờn g dưới, đườna solidu s (; A a V i Ô t (4 Â -> to i /t Â ílẦ n liív n ỉiA Ò n A Ám o f> n n 17
P h ần trăm n g u y ên tử silic 0 20 40 60 80 100 Hình 2.1. Giản đồ pha cùa hệ G e-Si Giữa hai đường L và s là miền chứa cả hỗn hợp lỏng và ran. Thành phần của ung dịch nóng chày có thể dễ dàng xác định từ giàn đồ. Neu hỗn hợp rắn có cùng ằng độ nguyên từ Ge và Si được đốt nóng từ nhiệt độ phòng thì nó sẽ bắt đầu nóng lảy ở nhiệt độ 1108 °c . Giả thiết quá trinh đốt nóng đủ chậm để hệ luôn ờ cân bàng hiệt động. Giữa hai đường L và s , nồng độ dung dịch nóng chày được xác định tại iao điềm của L với nhiệt độ. Ví dụ, tại 1150 °c , thành phần cùa dung dịch nóng chảy ao gồm 22% nguyên tử silic. Thành phần dung dịch rắn được xác định tại giao điềm ìa đường s với nhiệt độ. Trong ví dụ trên, dung dịch rấn chứa 58% nguyên từ silic. ượng chất ran sẽ nóng chảy có thê tính được với việc sù dụng các giá trị này. Khi hiệt độ tăng, thành phân dung dịch nóng cháy dịch về giá trị gốc, còn nồna độ chất in tiến gần đến silic tinh khiết. Khi nhiệt độ đạt đến đường L, toàn bộ hồn hợp nóng lảy. Với hỗn hợp 50% ban đầu, điều này xày ra tại khoảng 1272 °c . Khi làm nơuội íc quá trình tương tự xảy ra. Trong cà hai trường hợp, giữ cân bằng nhiệt độna ưong ha rắn khó hơn nhiều trong pha lóna. Ví dụ 2.1. Trong ví dụ trên đây, hãy tính ti phần nóng chày của hỗn hợp 50% tại 150 °c. Bài giái: Gọi ti phần nóng cháy của hỗn hợp là X. Như vậy ti phần rắn là 1 - X. hần silic nóng chảy cộng với phần silic rắn 0,5 là lượna silic trong hỗn hợp. Ta có: 0,5 = 0,22x + 0,58(1 - x) 0,36x = 0,08 X = 0,22 Như vậy, 22% hỗn hợp nóng chày, 78% hỗn hợp rắn.