1

KHOA CÔNG NGH THÔNG TIN MÔN: N T - VI N THÔNG

THS. V CHI N TH NG

THU T VI N T

P BÀI GI NG(L u hành n i b )

THÁI NGUYÊN 9/2010

2

C L C

C L C ......................................................................................................................... 1Ch ng 1: C S V T LÝ ............................................................................................... 4

1.1. C u trúc tinh th ...................................................................................................... 41.2. C u trúc vùng n ng l ng ........................................................................................ 61.3. Bán d n tinh khi t .................................................................................................... 71.4. Bán d n lo i P.......................................................................................................... 81.5. Bán d n lo i N .........................................................................................................91.6. linh ng, d n.............................................................................................. 11

Ch ng 2: C U TRÚC M CH VI N T .................................................................. 132.1. Chuy n ti p PN...................................................................................................... 132.2. Công ngh l ng c c ............................................................................................. 15

2.2.1. Cách n b ng chuy n ti p PN....................................................................... 152.2.2. Cách n b ng Oxide ..................................................................................... 162.2.3. Transistor l ng c c ....................................................................................... 172.2.4. Diode, n tr và t n ................................................................................ 21

2.3. Công ngh CMOS ................................................................................................. 242.3.1. M u ........................................................................................................... 242.3.2. Quá trình ch t o............................................................................................. 262.3.3. Ch t o gi ng .................................................................................................. 272.3.4. n c c c ng ................................................................................................. 28

Ch ng 3: CÔNG NGH CH T O M CH VI N T ............................................. 303.1. Ch t o phi n bán d n............................................................................................ 30

3.1.1. Quy trình ch t o phi n bán d n silic............................................................... 303.1.2. Ch t o Silic a tinh th .................................................................................. 313.1.3. Ch t o Silic n tinh th ................................................................................ 323.1.4. Ch t o phi n bán d n ..................................................................................... 373.1.5. Phòng s ch...................................................................................................... 37

3.2. Oxy hóa ................................................................................................................. 493.2.1.Gi i thi u công ngh Oxy hoá.......................................................................... 493.2.2.Oxy hóa nhi t................................................................................................... 49

3.3. Quang kh c............................................................................................................ 533.3.1. Khái ni m ....................................................................................................... 533.3.3. Các khái ni m c b n...................................................................................... 543.3.4. Các giai n c a quá trình quang kh c........................................................... 56

3.4. n mòn.................................................................................................................. 603.4.1. n mòn t..................................................................................................... 613.4.2. n mòn khô .................................................................................................... 66

3.5. Khu ch tán ............................................................................................................ 683.6. C y ion .................................................................................................................. 69

3.6.1. M u ........................................................................................................... 693.6.2. Thi t b c y ion ............................................................................................... 713.6.3. M t n dùng cho c y ion ................................................................................. 723.6.4. nhi t ............................................................................................................ 72

3.7. Epitaxy .................................................................................................................. 72

3

3.7.1. M u ........................................................................................................... 723.7.2. Làm s ch phi n và t y l p Oxit t nhiên ......................................................... 733.7.2. Nhi t ng h c quá trình Epitaxy pha h i........................................................ 733.7.3. Pha t p ............................................................................................................ 753.7.4. Khuy t t t trong l p Epitaxy ........................................................................... 753.7.5. Epitaxy GaAs.................................................................................................. 763.7.6. Epitaxy chùm phân t ..................................................................................... 77

3.8. Các ph ng pháp t o màng m ng: Bay h i, phún x .............................................. 813.8.1. M u ........................................................................................................... 813.8.2. Bay h i trong chân không ............................................................................... 823.8.3. Phún x ........................................................................................................... 91

3.9. K t t a hóa h c pha h i CVD ................................................................................ 963.9.1. M u ........................................................................................................... 963.9.2. H CVD n gi n ch t o màng Si ............................................................. 963.9.3. Ch t o màng n môi b ng CVD áp su t khí quy n ...................................... 973.9.4. Ch t o màng n môi và bán d n b ng CVD áp su t th p ............................. 983.9.6. Ch t o màng kim lo i b ng CVD................................................................... 99

Ch ng 4: M T S H VI M CH C B N ............................................................... 1014.1. Phân lo i vi m ch ................................................................................................ 101

4.1.1. Theo ch c n ng............................................................................................. 1014.1.2. Theo công ngh ch t o................................................................................. 1014.1.3. Theo linh ki n c b n.................................................................................... 1014.1.4. Theo m c t h p ...................................................................................... 101

4.2. Các h vi m ch s ................................................................................................ 1014.2.1. T ng quan..................................................................................................... 1014.2.2. Các c tr ng c a các vi m ch s .................................................................. 1024.2.3. H RTL (Resistor-Transistor Logic).............................................................. 1034.2.4. H DTL (Diode-Transistor Logic)................................................................. 1044.2.5. H TTL (Transistor-Transistor Logic)........................................................... 1044.2.6. H CMOS..................................................................................................... 1064.2.7. M t s c ng .................................................................................................. 106

TÀI LI U THAM KH O .............................................................................................. 108

4

Ch ng 1: C S V T LÝ

1.1. C u trúc tinh thTrong tinh th , các nguyên t s p x p theo m t tr t t tu n hoàn. C u

trúc tinh th nh nh t c l p l i mang y thông tin c a m t tinh th g ilà ô m ng c s .

a. Ô l p ph ng n gi n

Bao g m 8 nguyên t 8 nh.

Hình 1.1. Ô l p ph ng n gi n.

b. Ô l p ph ng tâm kh i

Bao g m 8 nguyên t 8 nh và 1 nguyên t tâm hình l p ph ng.

Hình 1.2. Ô l p ph ng tâm kh i.

c. Ô l p ph ng tâm m t

Bao g m 8 nguyên t 8 nh và 6 nguyên t tâm 6 m t.

5

Hình 1.3. Ô l p ph ng tâm m t

d. Ô l p ph ng c u trúc kim c ng

Hình 1.4. Ô l p ph ng c u trúc kim c ng

Hình 1.5. Ô m ng c s Si

t ph ng tinh th : S d ng h s Miller xác nh nh hình 1.6.

6

Hình 1.6. H s Miller xác nh m t ph ng tinh th

1.2. C u trúc vùng n ng l ng

Vùng n ng l ng m i v t r n là khác nhau, r ng và v trí c a t ngvùng n ng l ng ph thu c vào lo i v t r n khác nhau. Tùy theo tình tr ngcác m c n ng l ng có b n t chi m ch hay không, ng i ta chia ra làm 3vùng là: Vùng d n, vùng c m, và vùng hóa tr .

Hình 1.7. Gi n vùng n ng l ng c a Kim lo i, ch t bán d n

và ch t n môiVùng d n: Có th g i là vùng d n n, t c là nh ng n t nào n m trongvùng này g i là nh ng n t t do. ó các m c n ng l ng ch a cchi m ch ho c b chi m ch 1 ph n.

Vùng hóa tr : Ch a nh ng n t hóa tr c a nguyên t , có m c n ng l ngth p nh t.

Vùng c m: Là vùng n m gi a vùng d n và vùng hóa tr . Trong vùng này,không t n t i m c n ng l ng mà n t có th chi m ch .

Trong t ng vùng n ng l ng, các m c n ng l ng có th b chi m yhoàn toàn, m t ph n ho c b tr ng hoàn toàn.

7

t n t mu n tham gia vào thành ph n dòng n ph i tr thànhn t t do, ngh a là nó ph i có n ng l ng nh y t vùng hóa tr , v t

qua vùng c m lên vùng d n. B i v y, r ng c a vùng c m là tiêu chu n phân bi t v t r n là v t li u d n n, bán d n, hay cách n. Nh v y,

ng c a vùng c m càng l n thì d n càng kém, chi u r ng c a vùng c m sxác nh n ng l ng c n thi t n t b t kh i các liên k t hóa h c thamgia vào quá trình t i n. n gi n, kí hi u áy vùng d n là Ec, nh c avùng hóa tr kí hi u là Ev. Kho ng cách gi a Ec và Ev là vùng c m ∆Eg.

1.3. Bán d n tinh khi t

Khi các n t hóa tr nh n c các n ng l ng t bên ngoài (nhi t, ánh sáng) l n, có th thoát c l c liên k t tr thành n t t do

(nh y lên vùng d n) tham gia vào thành ph n dòng n. Khi y trong vùnghoá tr do thi u h t n t nên xu t hi n m c n ng l ng b tr ng. u ó

a t i s d n n trong vùng hoá tr . Nh ng m thi u h t n t trongvùng hoá tr có th xem nh là t i y t n t i n tích d ng còn g i là ltr ng. Khác v i ion, các l tr ng có th di chuy n trong v t r n là do n tbên c nh l p y l tr ng ó và nó l i l i m t l tr ng và l tr ng này dichuy n m t cách t do theo h ng ng c v i h ng c a n t . u ó cóngh a là vi c t m t liên k t ng hoá tr làm cho m t n t chuy n d i tvùng hoá tr lên vùng d n.

Quá trình trên c g i là quá trình phát x c p n t - l tr ng. Nhy trong bán d n s ch, các h t d n c t o ra ch y u b i quá trình hình

thành (phát sinh) c p n t l tr ng. Trong ó, n t trong vùng d n, ltr ng trong vùng hóa tr .

Ng c l i v i quá trình phát sinh c p n t - l tr ng là quá trình táip n t và l tr ng, t c là quá trình xây d ng l i m t liên k t nh n t do r i t vùng d n xu ng vùng hóa tr (s phát x n ng l ng).

8

Hình 1.8. Quá trình phát sinh và tái h p n t , l tr ng.

tr ng thái cân b ng nhi t ng, s n t phát sinh úng b ng s n tái h p. Bán d n nh v y c g i là bán d n ròng (bán d n tinh khi t).

1.4. Bán d n lo i P

Pha t p Silic v i các nguyên t hóa tr 3 nh Al, thì m i nguyên t t pch t hóa tr 3 thay th v trí nguyên t bán d n tinh khi t g c và t o ra liên

t ng hóa tr v i 3 nguyên t láng gi ng g n nhau nh t, còn liên k t th 4không hoàn h o và vì v y làm xu t hi n 1 l tr ng. Do v y, ch c n 1 n ng

ng r t nh c ng cho phép m t n t c a liên k t ng hóa tr g n ó nchi m l tr ng và làm t các liên k t khác. Các nguyên t t p ch t hóa tr 3này có xu h ng b t n t c a vùng hóa tr làm t ng l tr ng trong bán d nnên ng i ta g i là t p ch t aceptor, còn bán d n có t p ch t lo i này g i làbán d n lo i P.

9

Hình 1.9. T p ch t aceptor trong n tinh th Si

Hình 1.10. Gi n m c n ng l ng aceptorc n ng l ng aceptor Ea n m g n nh vùng hóa tr , b i v y ch c n

t n ng l ng nh (n ng l ng ion hóa) c ng có th làm cho n t nh y tvùng hóa tr lên các m c aceptor làm cho nguyên t t p ch t ion hóa tr thànhion âm, ng th i làm xu t hi n các l tr ng trong vùng hóa tr .

1.5. Bán d n lo i N

Nguyên t Si: M i nguyên t có b n n t hoá tr g p chung v i b nnguyên t bên c nh t o thành m i liên k t ng hoá tr .

Pha t p Si v i các nguyên t thu c nhóm V, ch ng h n nh ph t phothì các nguyên t t p ch t s liên k t ng hóa tr v i 4 nguyên t Si lánggi ng g n nh t. Nh v y còn th a ra 1 n t hóa tr s có liên k t y u v i

10

nguyên t láng gi ng xung quanh và c ng liên k t y u v i nguyên t c achính nó. Nên ch c n 1 n ng l ng nh c ng gi i phóng nó kh i nguyên t

a nó tr thành n t t do.

p ch t hóa tr 5 này c g i là t p ch t ôno, có ngh a là t p ch tn t t do. Còn ch t bán d n có t p ch t dono g i là bán d n lo i N. Cácn t c g i là h t a s , các l tr ng c g i là h t thi u s .

Hình 1.11. T p ch t dono trong n tinh th Si

Tính d n n trong bán d n lo i N do n t quy t nh. Vi c pha t pch t ôno s làm xu t hi n trong vùng c m c a bán d n này nh ng m c n ng

ng c c b n m sát d i áy vùng d n g i là m c n ng l ng dono.

11

Hình 1.12. Gi n m c n ng l ng dono

Kho ng cách t áy vùng d n n m c dono nh h n nhi u so v i ng vùng c m. Vì v y n ng l ng c n thi t n t nh y t m c dono lên

vùng d n (n ng l ng ion hóa) nh h n r t nhi u n ng l ng c n thi t an t t vùng hóa tr lên vùng d n.

1.6. linh ng, d n

i tác ng c a n tr ng, h t d n chuy n ng nh h ng có giac t o nên m t dòng n (g i là dòng trôi) v i v n t c trung bình t l v i

ng E c a n tr ng:

tbv Eµ=

Suy ra:Ev ntbn µ−=

Ev ptrp µ=

Trong ó pµ và nµ là các h s t l g i là linh ng c a các h t d n

ng ng.

ó m t dòng trôi g m hai thành ph n:

Itrôin = - qnvtbn

Itrôip = qpvtbp

Hay dòng trôi toàn ph n

12

Itrôi = Itrôin+Itrôip

Itrôi = qE(n nµ +p pµ )

t khác: I = ETrong ó:

: Là d n [S/m]

= n + p = qn n+ qp p

i v i bán d n thu n:

= qni n p)

Trong bán d n lo i N vì nn>> pp

= n= qn n

Trong bán d n lo i P vì có pp >> nn

= p= qp p

u b ion hoá hoàn toàn, n ng n t là Nd

n = q nNd

ng t n u b ion hoá hoàn toàn

p = q pNa

13

Ch ng 2: C U TRÚC M CH VI N T

2.1. Chuy n ti p PNng các bi n pháp công ngh , ng i ta t o ra c vùng chuy n ti p

PN có tính d n n t bán d n lo i P sang bán d n lo i N. ây là d ng ti pxúc phi tuy n có tính d n n không i x ng theo hai chi u n áp t vào.

Hình 2.1. Chuy n ti p PN

a. Chuy n ti p PN tr ng thái cân b ng

Bán d n lo i P, l tr ng là h t d n a s , n t là h t d n thi u s .Bán d n lo i N, n t là h t d n a s , l tr ng là h t d n thi u s . Khi hìnhthành chuy n ti p PN, t i b m t ti p xúc, l tr ng s khu ch tán t bán d n Psang bán d n N, ng c l i n t s khu ch tán sang bán d n P (vì có schênh l ch v n ng nn >>np và pp>>pn). Nh v y, t i g n b m t ti p xúcbán d n P s có nh ng ion âm c a các nguyên t acxepto ã b ion hóa, t i

n b m t ti p xúc bán d n N còn l i các ion d ng c a các dono b ion hóa.Do s khu ch tán các h t a s mà t i mi n lân c n m t ti p xúc m t c tínhtrung hòa v n. Phía N tích n d ng, phía P tích n âm, hình thànhnên 1 n tr ng khu ch tán Ekt, g i là n i tr ng (tr ng phía bên trong),chi u c a Ekt t h ng t N sang P. Nh v y, Ekt ch ng l i s d ch chuy n

a các h t a s (ch ng l i xu h ng kh ch tán ban u). Nh ng tr ng h p

14

này l i cu n n t t P sang N, l tr ng t N sang P làm t ng c ng s d chchuy n c a h t d n thi u s . Khi s khu ch tán x y ra mãnh li t vùng ntích âm, d ng 2 phía bán d n P, N càng r ng ra (s n tích t ng lên) vàEkt t ng lên, dòng khu ch tán các h t a s Ikt gi m i, còn dòng cu n các h tthi u s Itr ngày càng t ng lên. Cu i cùng dòng cu n các h t a s b ng dòngcu n các h t thi u s (Ikt = Itr), t c là có bao nhiêu h t d n a t P sang N thìcó b y nhiêu h t d n c a t N sang P, chuy n ti p P-N tr ng thái cân

ng. ó là m t tr ng thái cân b ng ng.

tr ng thái cân b ng, s ion âm n m trên b m t ti p xúc v phía P và ion d ng n m trên b m t ti p xúc v phía N b ng nhau không i, do ó

ng n i tr ng Etx c ng t t i giá tr nh t nh. Mi n các ion d ng vàâm trên không có h t d n cho nên g i ó là mi n n tích không gian ( ôi khicòn g i là mi n nghèo). Kho ng cách t b mi n n tích không gian phía Psang b mi n n tích không gian phía N g i là r ng mi n n tích khônggian (Xm). Khi t n tr ng thái cân b ng r ng mi n n tích không gian

ng xác nh. Hi u n th ti p xúc có giá tr xác l p, c xác nh b i :

2lni

DAtx n

NNq

kT=ψ

b. Chuy n ti p PN khi c phân c c thu n

t vào chuy n ti p P-N m t tr ng n t bên ngoài làm cho tr ngthái cân b ng c a chuy n ti p P-N b phá v .

n tr ng bên ngoài Eng có chi u ng c v i chi u c a n tr ngkhu ch tán Ekt thì n tr ng t ng c ng trong vùng n tích không gian s bgi m xu ng làm cho các h t c b n s xích l i g n nhau h n v i l p ti p xúc.

Xét r ng c a mi n n tích không gian: Do n c c c a n áp bên ngoàit vào, các l tr ng trong bán d n P và n t trong bán d n N b y v phía

mi n n tích không gian, trung hoà b t các ion d ng và âm c a mi n nàydo ó làm cho r ng c a mi n này h p l i. n áp thu n càng l n, s h t

n a s b y v phía mi n n tích không gian càng nhi u và r ng c anó càng gi m nh . Rõ ràng là r ng mi n n tích không gian gi m nh

15

ng ng v i s n tích vùng này gi m và do ó n tr ng c a nó c nggi m nh so v i khi cân b ng m t l ng là ( Ψ tx – U).

c. Chuy n ti p PN khi c phân c c ng c

Eng cùng chi u v i Ekt làm cho n tr ng t ng c ng trong vùng ntích không gian t ng lên và ng n các h t t i c b n trong vùng tr ng xích l i

n l p ti p xúc công ngh , vì v y chi u r ng vùng n tích không gian t nglên, hàng rào th n ng c ng t ng lên m t i l ng là q( Ψ tx +V) và các h t t i

b n không n ng l ng v t qua hàng rào th n ng này, d n n ssuy gi m dòng các h t t i qua chuy n ti p PN.

Khi chuy n ti p PN phân c c ng c dòng các h t t i không c b n (cácn t trong mi n p, các l tr ng trong mi n n) có th chuy n d ch vào trong

mi n ti p xúc. Lúc này s có 1 dòng n r t nh chuy n r i qua chuy n ti pPN; dòng n này c g i là dòng n ng c (dòng rò) c a chuy n ti p PN.Dòng này có xu h ng ti n t i 1 giá tr bão hòa nào ó, và g i là dòng bãohòa.

2.2. Công ngh l ng c c

ch tích h p u tiên (1960) c ch t o d a trên các transistorng c c, và r t nhi u lo i vi m ch SSI, MSI, LSI hi n nay c ng c phát

tri n t nh ng m ch ban u này. ng l c phát tri n các m ch IC là ch t o các máy tính ngày càng nh h n và ch t l ng h n. Các m ch l ng

c trong các máy tính hi n nay là các m ch logic TTL, ECL và m t s m chkhác, s d ng các lo i transistor NPN, các diode và các n tr khu ch tán,

th c hi n nhi u ch c n ng logic khác nhau.

t trong nh ng yêu c u quan tr ng i v i t t c các m ch trên ây là cáchn gi a các linh ki n khác nhau. Chúng ta s xét m t s k thu t cách n

trong các vi m ch.

2.2.1. Cách n b ng chuy n ti p PN

thu t cách n ph bi n nh t trong các IC th h u tiên là s d ngchuy n ti p PN phân c c ng c. V t li u ban u là lo i P, trên ó có c y

16

t l p epitaxy lo i N. Các vùng N riêng r c t o ra b ng cách khuy chtán t p lo i P qua l p epitaxy n t n . S m t c t v i vùng N cách ly

c bi u di n trên hình 2.2.

Hình 2.2. M t c t ch rõ vùng epitaxy lo i N c bao quanh

i khu ch tán lo i P

Vùng N này hoàn toàn c bao quanh b i khuy ch tán lo i P, và n uchuy n ti p PN c phân c c ng c thì s cách n t t cho dòng m t chi u.Tuy nhiên, i v i tín hi u xoay chi u thì tính ch t cách n s gi m khi t n

tín hi u t ng, nguyên nhân là chuy n ti p có n dung và tr kháng c an dung gi m khi t n s t ng.

2.2.2. Cách n b ng Oxide

Vi c thay th vùng cách n lo i p b ng oxide sillic cho phép ti t ki mdi n tích vì nó không c n n chuy n ti p pn và do ó lo i lo i tr c vùngnghèo c a chuy n ti p. Oxide là v t li u cách n t t. Gi n c u trúc linhki n v i cách n oxide c trình bày hình 2.3.

17

Hình 2.3. Cách n b ng oxide trong tr ng h p lý t ng.

Trên th c t ta s nh n c c u trúc “m chim” ch không th nh nc Oxide cách n vuông góc lý t ng nh hình v .

2.2.3. Transistor l ng c c

a. C u trúc m t c t Transistor NPN

Thi t k các IC l ng c c bao g m vi c h p m ng n các transistor,diode, n tr và t n. Không có cu n c m, bi n th và th c t thì t nch có giá tr gi i h n n vài ch c pF. Linh ki n quan tr ng nh t trong IC

ng c c là các transistor và c u trúc m t c t c a m t transistor NPN côngsu t th p c trình bày nh hình v 2.4. ây s d ng cách n oxide.Ph n tích c c c a transistor là vùng n m ngay d i Emitter. n t cphun t Emitter N+ vào Baz lo i P d i tác d ng c a n áp t trên chuy nti p BE.

Hình 2.4. C u trúc m t c t c a Transistor NPN

18

Các thông s thi t k quan tr ng liên quan n dòng m t chi u, khu chi dòng m t chi u và n áp ánh th ng. i v i ho t ng tín hi u nh thìn s c c i, t c chuy n m ch, n dung chuy n ti p và n tr n i ti póng vai trò quan tr ng.

Ta th y r ng dòng ch y th ng góc t E, qua B n C, nh ng ph i ch yngang qua l p epitaxy n ti p xúc collector. Vì c n có n áp ánh th ngcao nên l p epitaxy c n có n tr su t t ng i l n, và do ó sinh ra ntr n i ti p l n gi a vùng ho t ng d i E và ti p xúc C. n tr n i ti pnh h ng x u n tính n ng c a transistor. ng th i duy trì n tr su t

cao c a l p epitaxy và gi m n tr n i ti p collector, m t l p n tr su tth p c ch t o ngay phía d i transistor . L p chôn N+ ây c ch t otr c khi c y l p epitaxy.

b. n tr Baz và Collector

Trong c u trúc th c c a transistor dòng ch y t vùng tích c c ngay d iEmitter n ti p xúc Baz và Collector. Nó i qua ph n silic không óng vaitrò gì cho ho t ng khu ch i, mà ng c l i, ph n silic này là n tr i

i dòng, và n tr ó c n ph i a vào mô hình tính toán transistor. Quantr ng nh t dây là n tr Baz và Collector. Dòng Baz trong m ttransistor tín hi u nh ch y t phía d i Emitter i qua vùng n tr cao c aBaz và n ti p xúc Baz nh hình 2.5.

19

Hình 2.5. n tr Baz gi a ti p xúc Baz và vùng tích c c d i Emitter.

Có th chia quãng ng i c a dòng thành ba ph n: Ph n ngay d iti p xúc Baz (ra), ph n gi a ti p xúc Baz và mép Emitter (rb) và ph n d iEmitter (rc) Phân tích chi ti t ba ph n trên cho ta các giá tr n tr nh sau:

EB

BCBa Ld

xr3ρ

= ;EB

EBBb LW

dr ρ= ;

EB

EBC LW

dr6ρ

=

Trong ó: Bρ là n tr su t trung bình c a mi n Baz , LE là chi u dàia ti p xúc Baz và c ng là chi u r ng c a Emitter.

ng n tr Baz là: rbb = ra + rb + rc

Thông th ng rbb có giá tr trong kho ng t 50 n 200 .

Có th nh n c bi u th c n tr Collector m t cách t ng t . ng ia dòng Collector c ng c chia làm 3 ph n nh hình 2.6.

20

Hình 2.6. n tr Collector gi a ti p xúc Collector

và vùng phía d i Emitter.

Gi thi t l p chôn N+ tr i dài t phía d i Emitter n d i ti p xúcCollector. n tr các ph n nh sau:

CC

EepiCa Ld

XXr

)( −=

ρ ;2/)( CE

ECSb LL

dr+

=ρ ;

EE

BCepiCC Ld

XXr

)( −=

ρ

Trong ó cρ là n tr su t l p epitaxy, Sρ là n tr vuông c a l p chôn n+.

c. n dung chuy n ti p m t phía PN

n dung c a m t chuy n ti p t ng t (m t phía) P+N ho c PN+ phânc ng c c cho b i:

2/1

0

0

)(2

+

=φ

εεV

qNAC Si

Trong ó: A là di n tích chuy n ti p, N là n ng t p c a vùng pha t pth p và 0φ là th khu ch tán c cho b i:

20 lni

DA

nNN

qkT

=φ

t thông s liên quan ây là chi u r ng l p nghèo c cho b i:

21

2/100 )(2

+=

qNVx Si φεε

2.2.4. Diode, n tr và t n

Khi thi t k m ch tích h p, ng i ta ch có c m t s gi i h n c uki n nh n tr , diode và t n dung nh . Giá tr n tr t vài ch c

n vài ch c K . Có th có n tr l n h n nh ng v i sai s l n và phthu c vào nhi t . V i m ch IC, di n tích các linh ki n có vai trò quan tr ng,và vì transistor th ng nh h n nhi u so v i n tr và t n nên trong thi t

ng i ta a vào m t s l ng l n transistor. Do t m quan tr ng c atransistor, quá trình ch t o vi m ch c t i u hóa cho transistor, các ph n

khác ph i có kh n ng c ch t o theo cùng quy trình. V i m t s ngng c bi t, có th c n thêm m t s khâu công ngh , nh ng t ng giá thành t ng.

Diode trong m ch tích h p có th d dàng t o t m t chuy n ti p PNa transistor. C ng các chuy n ti p ó, khi phân c c ng c có th dùng nht t n. n tr c ch t o t v t li u lo i n ho c lo i p. Có th s

ng c y ion ch t o n tr có tr s l n.

a. Diode

Nh ã nói trên, diode c nh n t chuy n ti p PN c a transistor.t s cách c u hình diode d a trên transistor npn c ch ra trong b ngi ây.

22

u hìnhdiode

n tr n iti p

n ápánh th ng

n dung Th i gian tr

Th p ~ rbb Th p 5-7V Cbe ~ 0,5pF Cao ~ 70ns

Th p ~ rbb Th p 5-7V Cbe ~ 0,5pF Th p ~ 5ns

Cao ~ rbb + rcc Cao > 40V Cbe ~ 0,7pF Cao ~ 120ns

Cao ~ rbb + rcc Cao > 40V Cbe ~ 0,7pF Cao ~ 90ns

Cao ~ rbb + rcc Th p 5-7V Cbe ~ 1,2pF Cao ~ 150ns

ng 2.1. Các cách c u hình Diode

b. n tr

Tr s c a n tr trong IC ph thu c vào kích th c hình h c và v tli u s d ng. Ph ng trình c b n c a n tr là:

SlR ρ=

i là n tr su t c a v t li u, L là chi u dài c a m u, S là di n tích ti tdi n ngang.

t: R =dρ ( )

23

=> R = RWL

Hình 2.7 d i ây là m t c t n tr khu ch tán nh n c t vùng khu chtán Baz .

Hình 2.7. M t c t n tr khu ch tán

c. T n

n chính c a các t n trong IC là di n tích. n dung cho b i:

C = C0 S

Trong ó: C0 th ng có giá tr trong kho ng 10-4 n 10-3 pF/ m2. Tn v i n dung 1pF òi h i di n tích 104 n 103 m2. i v i IC Silic,

ây là m t di n tích l n, vì v y giá tr n dung th ng c gi i h n vàipF. Có hai lo i t n c b n là: T chuy n ti p PN và t MOS (Kim lo i –Oxide - Silic).

chuy n ti p PN là Diode di n tích l n, s d ng m t ho c hai chuy nti p PN c a transistor. n dung l n nh t nh n c khi dùng c hai chuy nti p B-E và B-C m c song song nh hình 2.8. Chuy n ti p ph i luôn cphân c c ng c.

Hình 2.8. T n s d ng c hai chuy n ti p E-B và B-C

24

t c t c a t MOS c trình bày trên hình 2.9. B n c c trên là màngAl và b n c c d i là l p n+ khu ch tán cùng Emitter. n môi là l p SiO2

y trê l p khu ch tán n+. Giá tr n dung cho b i công th c:

Hình 2.9. M t c t t MOS.

2.3. Công ngh CMOS

2.3.1. M u

CMOS là thu t ng ch m t l ai công ngh dùng ch t o vi m chtích h p. Công ngh CMOS c dùng ch t o vi x lý, vi u khi n,RAM t nh và các m ch lôgíc s khác. Công ngh CMOS c ng c dùng r tnhi u trong các m ch t ng t nh c m bi n hình nh, chuy n i ki u dli u, và các vi m ch thu phát có m t tích h p cao trong l nh v c thông tin.

Trong thi t k các hàm lôgíc trong các vi m ch CMOS s d ng c hailo i transistor PMOS và NMOS.

Hai c tính c b n c a các linh ki n c ch t o b ng công nghCMOS là có mi n nhi u cao và tiêu th n ng l ng tr ng thái t nh r tth p. Các vi m ch CMOS ch tiêu th n ng l ng m t cách áng k khi cáctransistor bên trong nó chuy n i gi a các tr ng thái óng (ON) và m(OFF). K t qu là các thi t b CMOS ít tiêu th n ng l ng và t o ra ít nhi t

n so v i các lo i m ch lôgíc khác nh m ch transistor-transistor logic(TTL). CMOS c ng cho phép tích h p các hàm lôgíc v i m t cao trên chíp.

25

Công ngh CMOS u tiên là công ngh PMOS. n u nh ng n m 1970,công ngh NMOS chi m u th do linh ng c a n t cao h n. So v icông ngh l ng c c thì công ngh CMOS có giá thành th p h n (vì s d ngít m t n quang h n) ng th i l i có m t t h p l n (1000-20.000

ng/chip). Nh ng nó l i có nh c m là t c ch m h n.

a, b,

c,Hình 2.10. Ph n t o CMOS :

n (a), S b trí m ch (b), M t c t d c (c)

26

2.3.2. Quá trình ch t o

Hình 2.11. L c quy trình ch t o m ch CMOS

Công ngh CMOS c s d ng r ng rãi cho các m ch s và các b ccông ngh c t i u hóa có m t t h p r t cao. Các linh ki n MOSkhông òi h i công ngh khu ch tán ho c oxy hóa riêng cách n gi achúng. Các vùng tích c c c cách n v i nhau b i các chuy n ti p P-Nph n c u ng c c a b n thân các linh ki n. Trên th c t , các m ch MOS tiênti n th ng s d ng l p oxide dày ho c các vùng b o v c y ion lo i n+ ho cp+ c i thi n tính n ng c a m ch. Mât t h p cao c a m ch MOS c nglà nh các m ch s c u t o hoàn toàn t các transistor MOS mà không c n s

ng các n tr khu ch tán, th ng chi m nhi u di n tích h n b n thântransistor. Dòng n trong m ch MOS u ch y trong l p r t m ng trên b

t bán d n, do v y không c n thi t ph i có l p chuy n ti p khu ch tán sâuvà không c n l p chôn n+. V nguyên t c c ng không c n n quá trình

27

epitaxy. i v i công ngh MOS, c y ion là công n quan trong nh t, cbi t là hi u ch nh n áp ng ng c a linh ki n.

M ch CMOS s d ng c hai lo i MOSFET kênh p và kênh n. ch t o chai lo i linh ki n trên cùng m t phi n c n ph i t o gi ng hay ng có lo i d ntrái d u v i lo i d n c a .

2.3.3. Ch t o gi ng

Có ba c u hình gi ng nh c miêu t trên hình 2.12. Trên hình 2.12at li u ban u là silic lo i n, gi ng p c ch t o th ng b ng ph ng phápy ion k t h p khu ch tán vào MOSFET kênh p c ch t o trên g c lo i

n còn MOSFET kênh n c ch t o trên gi ng lo i p. N u v t li u xu t phátlà silic lo i p, c n t o gi ng n b ng c y ion và khu ch tán nh trên hình 2.12b.

ng có th ch t o hai gi ng riêng bi t, m t lo i n, m t lo i p, trong l pepitaxy có iên tr su t r t cao c c y trên n+ nh c ch ra trên hình2.12c. Tuy quy trình ch t o gi ng ôi ph c t p h n nh ng nó cho phép linhho t h n trong thi t k và t i u hóa các linh ki n lo i p và lo i n.

(a) Gi ng ôi trong n tr su t cao

28

(b)Gi ng n trong p

(c)Gi ng p trong n

Hình 2.12. M t c t c u hình gi ng c a CMOS

2.3.4. n c c c ng

Các th h m ch MOS u tiên s d ng n c c c ng nhôm, v i màngnhôm c ph trên c ng sau khi công n khu ch tán ngu n và máng k tthúc. Nh c m c a cách làm này là r t khó trùng kh p chính xác m t nquang c a n c c c ng v i các vùng ngu n và máng ã c ch t o tr có, d n n c c c ng không ph lên vùng khu ch tán ngu n ho c vùng

khu ch tán máng. Ng c l i, n u c c c ng ph lên quá nhi u s gây ra ndung ký sinh gi a c ng v i ngu n ho c máng, nh h ng x u n ho t ông

a linh ki n. Ng i ta ã thay th nhôm b ng silic a tinh th t o n c cng t trùng kh p. làm c vi c này, ng i ta k t t a l p silic a tinh

th tr c khi ch t o các vùng ngu n và máng. L p silic a tinh th óng vaitrò nh m t n cho vùng kênh, và vì silic a tinh th có th ch u c nhi t

29

cao, nên nó không b phá h y trong quá trình khu ch tán và sau khu ch tán.i cách làm nh v y, ngu n và máng trùng kh p m t cách chính xác v i

ng silic a tinh th . Các kim lo i khó nóng ch y nh W và MO c ng ãc s d ng cho m c ích này. V t li u s d ng cho c c c ng s nh h ng

n n áp ng ng thông qua hi u công thoát, u này c n ph i c tínhn khi xác nh n áp ng ng cho các tranzitor MOS kênh n và kênh p.

Ch t l ng ho t ng c a m ch CMOS ph thu c r t nhi u vào n ápng ng VT . Trong tr ng h p m ch CMOS c n ph i kh ng ch hai n ápng ng, m t có giá tr d ng, m t có giá tr âm thì có th u khi n chínhxác VT b ng c y ion.Th ng c y ion c th c hi n xuyên qua l p oxide

ng tr c khi ph l p poly-Silic c c c ng.

30

Ch ng 3: CÔNG NGH CH T O M CH VI N T

3.1. Ch t o phi n bán d n

3.1.1. Quy trình ch t o phi n bán d n silic

Hình 3.1. Quy trình ch t o phi n bán d n

t li u ch t o phi n bán d n: t li u ch y u là Si (chi m > 95%), còni là GaAs. B i vì:

- Silic có nhi u trong thiên nhiên nên giá thành s n ph m th p h n Ge.

- V t li u c nghiên c u k , có nhi u ng d ng.

- N ng l ng vùng c m (Eg = 1,12eV) l n h n c a Ge (0.67eV) nênIC có kh n ng làm vi c nhi t cao h n

- n nh v hóa – lý cao.

31

- D ch t o l p SiO2 có ch t l ng cao, th ng hóa b m t, r t thu n l itrong công ngh .

Tuy nhiên : Không ch t o c các linh ki n phát quang, linh ng c at t i nh h n so v i GaAs.

Các công n c a quy trình ch t o phi n bán d n bao g m :

- Ch t o silic a tinh th t v t li u ban u (SiO2).

- Nuôi n tinh th .

- C a, c t, mài và ánh bóng b m t phi n bán d n.

3.1.2. Ch t o Silic a tinh th

t li u ban u t o phi n bán d n là cát c làm s ch t o th chanh (SiO2). Sau ó, th ch anh c cho vào lò n cùng các lo i than khácnhau (nh : Than á, than c c, than c i) th c hi n oxi hóa kh kh SiO2.Các ph n ng x y ra trong lò, ph n ng t ng h p s là:

Silic thu c sau ph n ng g i là Silic luy n kim, s ch không cao.

Làm s ch Silic luy n kim b ng ph n ng chlo-hóa:

n ph m SiHCl3 (trichlorosilane) c hóa l ng nhi t phòng,m sôi: 32oC và ch ng c t lo i b các t p ch t.

Làm s ch SiHCl3 b ng các công ngh hóa h c nh ch ng c t tách,chi t. nh n Si có s ch cao, SiHCl3 c n c làm s ch v i các t p ch tth a mãn : 0,3.10-7%B; 1,5.10-70%P; 0,005.10-70%As; 5.10-7%C. a tinh th Sithu c có s ch r t cao .

Hoàn nguyên SiHCl3 i H2 theo ph n ng :

32

Silic thu c có s ch cao, yêu c u n ng t p ch t Cacbon nhn c ppm (part per million); các t p ch t khác nh h n c ppb (part per

billion).

ng m t s t p ch t :

Lo i t p Cát Si luy n kim a tinh th Si tinh khi tAl 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. Ch t o Silic n tinh th

Thông th ng ng i ta ti n hành nuôi n tinh th silic t Si a tinh thng 2 ph ng pháp chính là CZ ( Czochralski) và luy n vùng (floating zone

– Fz).

a. Ph ng pháp Cz

ây là ph ng pháp ch t o ph n l n các tinh th mà t ó ng i ta c tthành các phi n bán d n. Ph ng pháp Czochralski th c ch t là k t tinh t

ng nóng ch y. V t li u dùng nuôi n tinh th Silic là Silic a tinh th(polisiicon) s ch n t , nh n c qua tinh th cát th ch anh(SiO2) n

s ch 99,999999%.

thu t thông th ng nuôi tinh th c g i là ph ng phápCzochralski. Trong k thu t này, m t mi ng nh v t li u bán d n c g i là

m c mang n ti p xúc v i b m t c a m t v t li u gi ng nó phang, và sau ó c kéo ch m t th l ng. Khi m m c kéo ch m, s hóan xu t hi n gi a l p ti p xúc l ng-r n. Thông th ng tinh th c ng c

quay ch m khi nó ang c kéo tr n l ng, d n n nhi t ng u h n.Nh ng nguyên t t p ch t, ch ng h n nh Bo ho c Photpho có th c thêmvào bán d n ang tan ch y. Hình 3.2 bi u di n s c a quá trình nuôiCrochralski và th i silic c hình thành trong quá trình này.

33

(b)

Hình 3.2. Mô hình b kéo tinh th (a)

ch c ki m tra trên mi ng silic và sau ó c tách thành

nh ng chíp riêng bi t (b).

Hình 3.3 là s thi t b nuôi tinh th b ng ph ng pháp Czochralski

34

Hình 3.3. S thi t b nuôi tinh th b ng ph ng pháp Czochralski

m n tinh th có h ng xác nh c c g n v i tr c quay vànhúng vào a tinh th silic nóng ch y, ng th i quay liên t c.

i vùng ti p xúc gi a m m n tinh th ,m m tinh th và Si a tinh thnóng ch y, ng i ta làm l nh n nhi t ông c (1690K) và k t tinh úngnh c u trúc m ng c a m m, kh i n tinh th c kéo d n kh i Si nóngch y v i v n t c ~ 10 µm/s.

+ Sau khi a tinh th Si ã chuy n h t thành n tinh th , ng i ta c t bhai u, mài b nh ng ph n g gh thu c th i n tinh th hình tr có

ng kính t 80-250 mm ho c l n h n nh hình 3.4.

35

Hình 3.4. Th i n tinh th Si

b. Ph ng pháp Fz (Floating Zone)

Ph ng pháp nóng ch y vùng hay luy n vùng (Fz) là ph ng pháp nuôitinh th t t nh t nh n c Silic c c kì tinh khi t. c m c b n c aph ng pháp luy n vùng là ph n nóng ch y c a m u hoàn toàn c gi b iph n r n, ngh a là ây không c n n i nh ph ng pháp Cz.

Trong ph ng pháp luy n vùng, a tinh th silic c làm nóng ch yng h quang u ti p xúc v i m m tinh th và làm l nh n nhi t ôngc c a silic. n tinh th Si t o ra c quay và kéo xu ng v i v n t c xácnh. Các b c ti p theo hoàn toàn t ng t nh ph ng pháp Cz.

36

Hình 3.5. H nuôi n tinh th silic b ng ph ng pháp Fz

Nh n xét:

1. Tinh th nuôi t Fz s ch h n nuôi t Cz ( nhi m các t o ch t Oxy, C,B và nhi u kim lo i khác t n i nung th ch anh). Vì v y ph ng pháp FZ

c dùng ch t o các n tinh th có s ch cao, có n tr su t c 10-200 .cm.Tinh th nuôi t Fz th ng dùng ch t o thysistor, diode ch nh

u công su t cao, các detector h ng ngo i c n s ch siêu cao.

2. Nh c m c a ph ng pháp nóng ch y vùng là giá thành cao vàkhông ch t o c tinh th có ng kính l n nh ph ng pháp CZ, ph ngpháp FZ ch ch t o c tinh th có ng kính c 100mm. Ngoài ra, m tnh c m khác c a k thu t nóng ch y vùng là khó pha t p m t cách ng

u.

37

3.1.4. Ch t o phi n bán d n Sau khi nuôi c th i bán d n n tinh th c n xác nh các h ng

tinh th , làm các vát chu n chính và vát chu n ph ( nh h ng tinh th ).

Sau khi mài vát, th i c nhúng vào dung d ch n mòn hóa t y b saing do mài c khí gây ra. M i nhà s n xu t s d ng h n h p riêng c a h ,

nh ng thông th ng là trên c s h HF-HNO3. Sau ó, th i c c a, c tthành phi n, ây là b c h t s c quan tr ng vì nó quy t nh ph ng c aphi n.

Hình 3.6. Phi n bán d n Si

Cu i cùng phi n Si c ki m tra, xác nh các thông s nh n trsu t b m t, ng kính, b dày… sau ó phân lo i, óng h p và a n n ich t o vi m ch.

pha t p ch t vào n tinh th Si ng i ta dùng khí tr (Ar) mang khípha t p vào vùng nóng ch y; ho c tr n tr c ti p các ch t t p nh B, P ho c Asvà a tinh th Si nóng ch y. Khí ch a t p là PH3, B2H6 ho c AsH3. Lo i khí,

ng và áp su t khí a vào ph thu c vào lo i bán d n và n ng h t d nn ch t o.

3.1.5. Phòng s ch Trong ngành v t lý, khoa h c v t li u, phòng s ch th ng dùng cho cáccông ngh ch t o v t li u òi h i s ch cao nh : quang kh c, công nghmàng m ng (MBE, sputtering, CVD...), công ngh linh ki n bán d n, linh ki n

n t , các h th ng vi c n t (MEMS, NEMS), các phép phân tích tinh, các x lý lý hóa c a s n ph m.

Phòng s ch là m t phòng mà n ng c a h t l l ng trong không khí bkh ng ch và nó c xây d ng và s d ng trong m t k t c u sao cho s có

38

t, s s n sinh và duy trì các h t trong phòng c gi m n t i thi u và cácu t khác trong phòng nh nhi t , m, áp su t u có th kh ng ch vàu khi n .

Nói m t cách n gi n, phòng s ch là m t phòng kín mà trong ó, l ngi trong không khí, c h n ch m c th p nh t nh m tránh gây b n cho

các quá trình nghiên c u, ch t o và s n xu t. ng th i, nhi t , áp su t vàm c a không khí c ng c kh ng ch và u khi n có l i nh t cho

các quá trình trên. Ngoài ra, phòng còn c m b o vô trùng, không có cáckhí c h i úng theo ngh a "s ch" c a nó.

Tiêu chu n phòng s ch: Tiêu chu n u tiên c a phòng s ch là hàm l ngi.

Hình 3.7. So sánh ng kính s i tóc và h t b i trong phòng s ch .

Các tiêu chu n v phòng s ch l n u tiên c a ra vào n m 1963 , và hi n nay ã tr thành các tiêu chu n chung cho th gi i. ó là các tiêu

chu n quy nh l ng h t b i trong m t n v th tích không khí. Ng i tachia thành các t m kích c b i và lo i phòng c xác nh b i s h t b i cókích th c l n h n 0,5 m trên m t th tích là 1 foot kh i ( ft3 ) không khítrong phòng.

Các gi i h n hàm l ng b i trong tiêu chu n ISO:

Theo T ch c Tiêu chu n Qu c t (International Standards Organization- ISO) thì các lo i phòng s ch c phân lo i theo t ng c p phòng s ch nh

ng d i ây.

39

ng 3.1. Các gi i h n hàm l ng b i trong tiêu chu n ISO 14644-1

Chú ý: M c nhi m b n không khí trong phòng còn ph thu c vào các h ti sinh ra trong các ho t ng trong phòng, ch không ch là con s c nha phòng. Vì v y, các tiêu chu n c a phòng, luôn òi h i các h th ng làmch liên hoàn và còn quy nh v quy mô phòng và s ng i, s ho t ng

kh d trong phòng s ch.

Các thi t k phòng s ch

a. Ki u phòng thông h i h n lo n :

Nguyên lý thông h i c a phòng s ch ki u này c ng t ng t nh h u h t cácphòng u hòa không khí ph thông. Không khí (s ch) c cung c p b imáy u hòa không khí c t a i qua h th ng khu ch tán trên tr n nhà nhhình 3.8.

40

Hình 3.8. Phòng s ch ki u “thông h i h n lo n”

Ng i ta g i là "thông h i h n lo n" là do không khi di chuy n m tcách ng u nhiên và h n lo n trong phòng nh h th ng khu ch tán (hình 3.9a)ho c nh h th ng "phun" (hình 3.9b).

41

(a) (b)

Hình 3.9. Các ki u di chuy n không khí trong phòng s ch ki u thông h i h n lo n:di chuy n qua b khu ch tán (a) và s phun nh m t h th ng phun h i (b).

th ng "phun" không khí (hình 3.9b) th ng b t g p trong các hth ng phòng s ch thông h i h n lo n truy n th ng. H th ng ki u này th ngcho các dòng khí th ng và có kh n ng ki m soát t t quá trình nhi m b n d i

l c. H th ng phun này có th mang l i các u ki n kh d h n bên d ikhi v c cung c p, nh ng do ó l i làm kém i cho các vùng xung quanh trongphòng (hình 3.10).

42

Hình 3.10. M t s n gi n v phân b áp su t dòng khí

trong phòng s ch v i h th ng phun khí.

b. Phòng s ch ki u nh h ng hoàn toàn (Unidirectional Cleanroom):

th ng phòng s ch v i ki u thông h i tán lo n th ng ch t ccác s ch tiêu chu n t i c p ISO 6 trong quá trình s n xu t. t c các

43

u ki n t t h n th trong su t quá trình ho t ng, u c n thi t là ph i làmloãng s s n sinh các h t. u này có th t c b ng cách dùng dòngkhông khí hoàn toàn th ng (hình 3.11).

Hình 3.11. H th ng phòng s ch ki u dòng không khí th ng ng

Hình 3.12. H th ng thoát khí th ng ng v i các c a thoát khí b sung 2 bên.

44

t ki u khác c a h th ng phòng s ch nh h ng là h th ng dòngkhí n m ngang (hình 3.12)

Hình 3.13. H th ng phòng s ch v i dòng không khí n m ngang.

45

Hình 3.14. So sánh 2 ki u gi m nhi m b n dòng không khí

th ng ng và n m ngang.

+ phòng có dòng l u chuy n th ng ng, các b i b n s b y theo chi uth ng ng xu ng sàn, và th i b t xu ng các v trí thoát khí và không gâynhi m b n t v trí này sang v trí khác c ng nh t ng i này sang ng ikhác.

+ Còn h th ng l u chuy n khí n m ngang có th d n t i vi c b i b n b th i v trí này sang m t v trí n m ngang khác, ho c t ng i phía tr c (chi u

khí l u chuy n) bay vào ng i phía sau (hình 3.14).

th ng phòng s ch v i dòng không khí l u chuy n th ng ng c d ng ph bi n cho công nghi p bán d n và công ngh v t li u.

46

Hình 3.15. Ki u thi t k phòng s ch cho công ngh v t li u (linh ki n n tbán d n...) - ki u thi t k này c g i là ki u phòng ballroom .

Các phòng có th c b trí theo nhi u ki u khác nhau t o thành cácki u phòng s ch. (hình 3.15) g i là "ballroom", ki u phòng này có tr n là m t

l c khí hi u n ng cao cung c p khí kh i cho toàn x ng cho dù máy mócng v trí nào.

47

Hình 3.16. Ba ki u phòng s ch hay dùng cho khoa h c và công ngh v t li u.

* H th ng l c không khí cho phòng s ch :

Không khí trong phòng s ch ph i t các yêu c u v m c các h t b ivì th luôn c n có các h th ng l c b i. K t n m 1980, m t h th ng l c

c s d ng r ng rãi mang tên High Efficiency Particle Air (HEPA - Hth ng l c h t hi u n ng cao). HEPA là m t h th ng có kh n ng l c h t b i

i trong không khí v i hi u su t 99,97% cho b i nh t i 0,3 m. Ngày nay,HEPA còn c b sung các tính n ng l c vi khu n và các h t tr .

48

(a) (b)

Hình 3.17: M t b l c HEPA ki u các n p g p sâu (a) và các n p g p nh (b).

Không khí c l c qua các cu n gi y l c cu n t ng l p thành cácmedia l c có r ng t 15 n 30 cm và c ng n cách b i các lá nhôm

ng. ng n c n các h t b i nh , ng i ta s d ng media l c là các dâymicro x p thành các l i siêu nh (hình 3.18a) và do ó cho không khí i qua,

ng th i c n các h t b i.

(a)

49

(b) (c)

Hình 3.18. Vi c u trúc t m l c (a)

và c ch l c b i c a t m l c (b) và hi u su t l c (c).

3.2. Oxy hóa3.2.1.Gi i thi u công ngh Oxy hoá

Vi c kh ng ch chính xác dày l p Oxyde c ng nh s am hi u vquá trình Oxy hóa óng vai trò quan tr ng c bi t trong công ngh ch t olinh ki n vi n t . S Oxy hóa nh ng, nhôm tr c ây ã c nghiên

u g n li n v i v n n mòn kim lo i. Tuy nhiên, ngày nay trên 90% linhki n u c ch t o trên tinh th silic nên chúng ta ch nghiên c u quá trìnhOxy hóa silic mà c th là quá trình t o l p SiO2. Ph ng pháp ph bi n nh t

t o l p SiO2 trong công nghi p là Oxy hóa nhi t.

3.2.2.Oxy hóa nhi t

a. Phân lo i

Trong ph ng pháp oxy hóa nhi t, c n c vào môi tr ng oxy hóang i ta chia làm 2 d ng là oxy hóa khô và oxy hóa m

50

- S t o thành l p Oxyde trong môi tr ng Oxy khô c bi u di n qua ph nng hóa h c:

Si + O2 = SiO2

- Trong Oxy hóa m , h i n c là ch t khí tham gia ph n ng:

Si + 2H2O = SiO2 +2H2

b. Thi t b Oxy hoá

Thi t b dùng Oxy hoá thông d ng là lò Oxy hoá bi u di n nh hình3.19. Các phi n Si c gi th ng ng trong “thuy n” th ch anh, m i thuy nch a n 25 phi n. Thuy n c a vào trong ng lò th ch anh. Các khí c nthi t nh H2, N2, O2, HCl... c a vào lò thông qua các van l u l ng khívà c th i ra t u kia c a ng. Nhi t trong lò kho ng t 400 C -> 1200C.

Trong các lò công nghi p các phi n sau khi r a s y khô t vào trong thuy nc t ng a vào trong lò và nhi t c nâng lên. Mu n th c hi n

Oxy hoá m ng i ta s d ng các khí mát (O2, N2) s c qua n c un nhi t 95oC a n c vào bên trong.

Hình 3.19. Thi t b Oxy hóa

Các l p SiO2 c t o b i 2 ph ng pháp có tính ch t không hoàn toàngi ng nhau. Ch t l ng l p SiO2 c t o b i Oxy hoá khô t t h n, tuy nhiên

51

c Oxy hoá m l i nhanh h n Oxy hoá khô cho nên có th ph i h p c 2ph ng pháp trên ch l p SiO2. t ng t c Oxy hoá và hoàn thi n ch t

ng l p SiO2, trong công ngh ng i ta th ng cho thêm vào ph n ng hoác các ch t ch a Cl nh HCl ; C2HCl3; C2H3Cl3.

Các ph n ng khi cho ch t xúc tác nh sau:

4HCl + O2 = 2H2O + Cl24C2HCl3 + 9O2 = 2H2O + 6Cl2 + 8CO2

2H2O + 2Cl2 = 4HCl + O2

Oxy hoá khô:

Quá trình Oxy hoá Si trong oxy phân t x y ra theo ph n ng:

Si + 02 = Si02

Si b oxy hoá trong không khí ngay nhi t phòng. Tuy nhiên, m tkhi ã hình thành l p Oxyde, các nguyên t Si ph i i qua l p Oxyde ph n

ng v i O2 b m t ngoài ho c các phân t O2 ph i i qua l p Oxyde n bt Si ph n ng v i Si, ây là quá trinh khuy ch tán. H s khuy ch tán

a Si trong SiO2 nh h n nhi u so v i h s khuy ch tán c a O2.Vì v y ph nng Oxy hoá s x y ra trên ph n biên Si-SiO2.

nhi t T(k) nh t nh, chi u dày l p ôxide d t ng lên theo th i gianôxi hoá, nh v y l p biên Si-SiO2 s d ch d n v phía trong Si.

Hình 3.20. Mô hình kh o sát ng h c c a quá trinh oxy hoá

52

Hình 3.21. S ph thu c c a dày l p SiO2 theo th i gian.

Oxy hoá m:- c ích: t o l p Oxyde dày, gi m th i gian Oxy hoá. Do nhóm OH

trong h i n c khuy ch tán vào trong m ng Si-O-Si,nên các phân t h i n cvà O2 khuy ch tán nhanh h n, ph n ng x y ra nhanh h n , các h ng s B/Avà B t ng r t nhanh và m nh.

53

Hình 3.22. S m t c t lò Oxy m

3.3. Quang kh c

3.3.1. Khái ni m

Quang kh c hay photolithography là k thu t s d ng trong công nghbán d n và công ngh v t li u nh m t o ra các chi ti t c a v t li u và linh ki n

i hình d ng và kích th c xác nh b ng cách s d ng b c x ánh sáng làmbi n i các ch t c m quang ph trên b m t t o ra hình nh c n t o. Thi t

c s d ng trong quang kh c là d ng c chi u sáng. D ng c này cxác nh b i 3 thông s : phân gi i, trùng l p và l ng m u c th chi n trong m t gi . Ph ng pháp này c s d ng ph bi n trong côngnghi p bán d n và vi n t , nh ng không cho phép t o các chi ti t nh do

n ch c a nhi u x ánh sáng, nên c g i là quang kh c micro (microlithography).

3.3.2. Nguyên lý h quang kh c

t h quang kh c bao g m m t ngu n phát tia t ngo i, chùm tia tngo i này c khu ch i r i sau ó chi u qua m t m t n (photomask). M t

là m t t m ch n sáng c in trên ó các chi ti t c n t o (che sáng) chekhông cho ánh sáng chi u vào vùng c m quang, t o ra hình nh c a chi ti t

n t o trên c m quang bi n i. Sau khi chi u qua m t n , bóng c a chùmsáng s có hình d ng c a chi ti t c n t o, sau ó nó c h i t trên b m tphi n ã ph c m quang nh m t h th u kính h i t .

54

Hình 3.23. H quang kh c

3.3.3. Các khái ni m c b n

a. Ch t c m quang

Là m t d ng c bi t c a polymer c m quang, chúng c ngd ng r ngrãi trong l nh v c quang kh c, có kh n ng t o hình nh n i trên s n ph m vàgiúp ch ng l i quá trình kh c n mòn trên b m t s n ph m.

Polymer c m quang nói chung và photoresist nói riêng g m có 2 lo i:Lo i t o nh D NG và lo i t o nh ÂM.

Lo i t o nh D NG là h g m các polymer có tr ng l ng phân t l n,i tác d ng c a các b c x s chuy n sang các polymer ho c các monomer

55

có tr ng l ng phân t th p h n, có kh n ng hoà tan t t h n trong dung môithích h p. Hay polymer ban u là lo i khó hoà tan, d i tác d ng c a b c x

d hòa tan h n.

Lo i t o nh ÂM là các h mà ban u g m là h d hoà tan, sau ó d itác d ng c a b c x s chuy n sang d ng khó hoà tan h n.

b. M t n

Là m t t m th y tinh có hình nh. Hình nh c t o b ng cách n mòncó ch n l c l p crom m ng ph (kho ng 70 nm) trên t m th y tinh t o vùng

i và vùng sáng. Khi chi u ánh sáng qua ch nào không có crom thì cho ánhsáng i qua, ch nào có crom s c n ánh sáng. Hình 3.24 minh h a

Hình 3.24. Hình nh v m t n

t n dùng ch t o vi m ch th ng gi ng nh l i thu nh .B cu trong ch t o m t n là s d ng h thi t k có s tr giúp c a máy tính

miêu ta toàn b hình d ng m ch n sau ó nh ng d li u s nh n t máytính c s d ng u khi n thi t b v hình là h kh c b ng chùm tia n

, h kh c này s truy n tr c ti p hình v lên m t n .

56

3.3.4. Các giai n c a quá trình quang kh c

Hình 3.25. S quá trình quang kh c

a. Chu n b b m t

- Tách t p ch t trên b m t bán d n. Ph ng pháp:

+ Th i khí nit có áp su t cao

+ V sinh b ng hóa ch t

+ Dòng n c có áp su t cao

+ Dùng c r a

- S y tách m: Trên b m t các bán d n th ng có m do ó c n ph i lo i b ng cách gia nhi t kho ng 150~200oC

- Ph l p n tích s c p: làm t ng kh n ng k t dính gi a bán d n vàm quang. n tích s c p th ng s d ng là HMDS (hexamethyldislazane)

57

b. Ph l p c m quang

giai n này n n c quay trên máy quay trong môi tr ng chânkhông. Các thông s ki m soát trong giai n này:

+ T c 3000-6000 vòng/phút

+ Th i gian quay: 15-30 giây

+ dày l p ph : 0.5-15µm

Công th c th c nghi m tính dày l p ph c m quang

wkpt

2

=

i k: h ng s c a thi t b quay spinner (80-100)

p: hàm l ng ch t r n trong ch t c m quang (%)

w: t c quay c a máy quay (vòng/1000)

Hình 3.26. Quá trình ph c m quang

Các s c th ng g p trong quá trình ph l p photoresist:

c Nguyên nhân ng kh c ph c

dày không u m t khô không u

các ng biên dày h n(có th dày h n 20-30

n)

Có th t 1 vòng tròn ng biên.

Dùng dung môi phun lênp biên hoàn tan

58

Xu t hi n các ngc

Do trong resist có các h tn có ng kính l nn dày l p ph .

Dày ng biên ng s c trên b m t

Hình 3.27. Các s c th ng g p khi ph c m quang

c. S y s b

c ích: làm bay h i dung môi có trong photoresist. Trong quá trìnhy dày l p ph s gi m kho ng 25%. Ph ng pháp th c hi n:

- Dùng lò i l u nhi t. u ki n: Nhi t : 90-100oC, th i gian: 20 phút

- Dùng t m gia nhi t: Nhi t : 75-85oC, th i gian: 45 giây

- Dùng sóng viba và èn h ng ngo i.

d. Chi u ánh sáng (chuy n hình nh t m t n lên c m quang)

Trong giai n này, h s c chi u ánh sáng chuy n hình nh lênn, m t n c t gi a h th u kính và n n.

Có 3 ph ng pháp chi u d a vào v trí t m t n :

- t n ti p xúc

- t n t cách photoresist kho ng cách nh

- t n t cách xa photoresist, ánh sáng c chi u qua h th u kính

59

Hình 3.28. Các ph ng pháp chi u sáng

So sánh 3 ph ng pháp:

Ph ng pháp u m Khuy t m

t n ti p xúc Giá c h p lí

phân gi i cao: 0.5 µm

Làm h m t n do l p oxittrên m t n b x t.

Các v t b n trên m t n s inlên phototresit

t n t cáchphotoresist kho ngcách nh

Giá c h p lí

phân gi i th p: 1-2 µm

Do nh h ng c a nhi u xnên h n ch chính xác c ahình nh.

l p l i c a hình nh kém

t n t cách xaphotoresist

phân gi i r t cao: < 0.07µm)

Không gây h h ng m t n

Giá thành cao

nh h ng c a nhi u x

60

e. Tráng r a: Dùng hóa ch t tách các c m quang ch a óng r n.

f. y khô: Làm cho c m quang c ng hoàn toàn, ng th i tách toàn b dungmôi ra kh i c m quang.

u ki n s y:

- Nhi t : 49-54oC

- Th i gian: 30 phút

g. n mòn

h. T y b c m quang: bán d n c r a và s y khô. Dùng dung d chki m ho c khí hòa tan c m quang.

Dùng hóa ch t tách c m quang:

- S d ng hóa ch t nóng hòa tan c m quang

- Các hóa ch t th ng s dùng: acid sulfuric, acid phosphoric và hydrogenperoxide

- u m: tách c m quang nhanh

- Nh c m: giá thành hóa ch t cao, tác ng n môi tr ng

Ph ng pháp khô (dùng khí):

- Ph ng pháp này không c h i do s d ng khí oxy plasma oxy hóahoàn toàn c m quang nên còn c g i là tro hóa c m quang. L ng khí

o thành s c tách b ng b m chân không.

CxHy (c m quang) + O2 → CO + CO2 + H2O

3.4. n mòn

Sau khi th c hi n quá trình quang kh c ta thu c hình nh trên là b nsao hình d ng c a m ch. nh n c hình d ng th t c a m ch ta th c hi nquá trình n mòn nh m t y b l p v t li u không c b o v .

thu t n mòn c ng d ng r ng rãi trong công ngh bán d n vàcác h th ng vi c n t

Có 2 ph ng pháp n mòn :

- n mòn t : s d ng i v i chi ti t có phân gi i > 3µm.

61

- n mòn khô : s d ng i v i chi ti t có phân gi i < 3µm

3.4.1. n mòn tây là k thu t thông d ng nh t trong công ngh bán d n. Ngay t công

n phi n v a m i c c a ra kh i th i silion t nhà máy s n xu t phi n,các hóa ch t ã c s d ng mài nghi n và ánh bóng cu i cùng chúng tathu c m t t m silicon ph ng và nh n. i v i nh ng thi t b n l ho c

ch tích h p có kích th c l n (> 3 µm), hoá ch t n mòn c s d ng kh c nh ng ho ti t và m c a s trên l p v t li u n môi.

n mòn t là ph ng pháp n gi n nh t và kinh t nh t hòa tan cácm quang ch a óng r n. n mòn t c bi t thích h p khi c n n mòn toàn b m t phi n có l p ph là silic a tinh th , oxide, nitride, kim lo i và cácp ch t nhóm III-V…

* Nh c m c a ph ng pháp:

- n mòn u không có nh h ng nên d n mòn vào l p oxit bên d ip photoresist. Do ó t o hình nh không úng v i yêu c u.

- Hóa ch t s d ng ch y u là các acid nên ph i quan tâm n tác ng c amôi tr ng.

Anisotropic : n mòn n h ng

Isotropic : n mòn nhi u h ng

* ch n mòn t g m 3 giai n:

62

- Các ch t ph n ng khu ch tán n b m t

- Ph n ng hoá x y ra trên b m t

- S n ph m ph n ng c a ra kh i b m t b ng quá trình khu chtán.

Trong công ngh ch t o IC quá trình n mòn c th c hi n theo 2 cách:

- Nhúng phi n vào dung d ch n mòn.Trong tr ng h p này ng i tadùng khu y c h c n mòn ng u và có c t c n mònthích h p.

- Phun dung d ch lên phi n.Trong tr ng h p này t c n mòn t ngnh và ng u cao do ch t ph n ng m i luôn c cung c p t i

m t phi n

ng u t c n mòn xác nh b i :

max min

max min

(%) 100(%)etchR RUR R

−= ×

+

Trong ó : Rmax là t c n mòn l n nh t

Rmin là t c n mòn nh nh t.

VD:

Hãy tính t c n mòn trung bình và ng u t c n mòn Al trênphi n Si ng kính 200mm,gi thi t t c n mòn bên trái, bên ph i, m ttrên và m t d i l n l t là 750,812,765,743 và 798nm/phút.

BG:

T c n mòn trung bình =(750+812+765+743+798)/5 = 773,6 (nm/phút).

ng u t c n mòn là:

Uch =(812-743)/(812+743)x100% = 4,4%

a. n mòn Silic

Dung d ch n mòn silic thông d ng nh t là h n h p HNO3 và HF hòa

tan trong n c ho c CH3COOH .

63

HNO3 oxy hóa Si t o l p SiO2 theo ph n ng:

Si + 4HNO3 = SiO2 + 2H2O +4NO2

HF hòa tan SiO2 theo ph n ng:

SiO2 + 6HF = H2SiF6 + 2H2O

c n mòn ph thu c nh h ng tinh th silic ( n mòn d h ng).Ch t n mòn d h ng thông d ng nh t v i silic là h n h p KOH trong n cvà r u isopropyl.

Hình 3.29. n mòn d h ng. n mòn qua c a s trên silic m t (100) (a);

qua c a s trên silic m t (110)

ng cách n mòn d h ng silic nh h ng (100) qua m t n SiO2, cóth ch t o h hình ch V v i mép là các m t (111) d i góc 54.7o so v i m t(100). N u c a s trên m t n oxide r ng và th i gian n mòn ng n, có thnh n c h n mòn hình ch U.

64

Chi u r ng b m t áy c a h c xác nh nh sau:

Wb =Wo=2lcos54,70

Trong ó:

Wo là chi u r ng h trên m t phi n,

l là chi u sâu h n mòn .

b. n mòn SiO2

d ng dung d ch HF pha loãng (có th có thêm NH4F)

SiO2 + 6HF = H2SiF6 + 2H2O

c n mòn SiO2 ph thu c vào: N ng dung d ch, vi c khu y và

nhi t . Ngoài ra ph thu c vào m t , x p, vi c u trúc và s có m t t pch t trong l p oxide.

c. n mòn Al

Dung d ch n mòn nhôm g m:73% H3PO4, 4% HNO3 , 3.5%

CH3COOH ,và 19.5% n c kh ion, 30-80oC.

Quá trình x y ra: HNO3 oxy hóa nhôm, sau ó H3PO4 hòa tan nhôm

oxide. T c n mòn ph thu c n ng dung d ch, nhi t , khu y phi n vàp ch t hay h p kim trong màng nhôm.

n mòn t các màng cách n và các màng kim lo i ng i tath ng dùng các hóa ch t có kh n ng hòa tan các v t li u này d ng kh i vàchuy n chúng thành mu i ho c h p ch t hòa tan. Nói chung v t li u màng

ng b n mòn nhi u h n so v i v t li u kh i. Ngoài ra, t c n mòn c ngn h n i v i nh ng màng có vi c u trúc không hoàn h o, ch a ng su t,u t o không h p ho c ã b chi u b c x .

65

t s dung d ch n mòn cho v t li u cách n & v t li u d n n

t li u Thành ph n dung d ch n mòn T c n mòn(nm/phút)

28ml HF

170ml H2O

113g NH4F

100

Si02

15ml HF

10ml HNO3

300ml H2O

12

Si3N4 28ml HF

170ml H2O

113g NH4F

0,5

H3PO4 10Al

4ml HNO3

3,5ml CH3COOH

73ml H3PO4

30

Au 4g KI 1000

Mo 1g I2

40ml H2O

5ml H3PO4

2ml HNO3

4ml CH3COOH

150ml H2O

500

Pt 1ml HNO3

7ml HCl

8ml H2O

50

W 34g KH2PO4

66

13,4g KOH

33g K3Fe(CN)6

H2O cho 1 lit

160

3.4.2. n mòn khôt c chính xác cao cho vi c truy n hình nh t l p c m

quang xu ng l p màng v t li u phía d i, nh t là trong công ngh ch t och ULSI, ng i ta ã phát tri n các ph ng pháp n mòn khô.

Trong k thu t n mòn khô, t m silicon c a vào trong bu ng chânkhông, sau ó h n h p khí dùng cho n mòn c a vào trong bu ng ph n

ng. chân không thích h p, d i tác d ng c a ngu n cao t n, khí n mòn bion hoá và chúng ta thu c h n h p plasma c a khí nói trên bao g m cácion F+. Do ó SiO2 …b n mòn và t o ra các s n ph m ph n ng t ng ng.

n mòn khô là các k thu t s d ng plasma d i d ng phóng n áp su tth p.

Các ph ng pháp n mòn khô:

- n mòn plasma.

- n mòn ion ph n ng (RIE).

- n mòn phún x .

- n mòn ion ph n ng trong t tr ng (MERIE).

- n mòn plasma m t cao (HDP).

*M t s ki n th c c b n v plasma.

Plasma là ch t khí b ion hóa hoàn toàn ho c b ion hóa m t ph n baom s l ng nh nhau các n tích d ng, n tích âm và m t s phân t

không b ion hóa. Plasma hình thành khi m t n tr ng m nh t vàoch t gây ra hi n t ng ành th ng và khí b ion hóa.

Quá trình c kh i ng b i các n t t do c cung c p t m tngu n nào ó. Các n t t do c gia t c b i n tr ng, va ch m v i các

67

phân t khí và m t n ng l ng. N ng l ng truy n trong quá trình va ch mlàm ion hóa phân t khí, ngh a là gi i phóng n t . Các n t t do l inh n ng n ng t n tr ng và quá trình ti p t c. Nh v y khi n ápngoài t vào l n h n n áp ánh th ng, plasma s c duy trì trong toàn

bu ng ph n ng.

n mòn Plasma

ch n mòn: x y ra theo 5 b c:

1. Các tác nhân n mòn c hình thành trong plasma.

2. Các ch t này khu ch tán qua l p khí ng n b m t.

3. Các ch t n mòn h p th trên b m t.

4. Ph n ng hóa h c x y ra t o thành h p ch t bay h i.

5. Các ch t này nh h p kh i b m t,khu ch tán vào dòng khí và c b mhút b i h chân không.

Hình 3.30. Các b c c b n trong quá trình n mòn khô

n mòn plasma d a trên vi c hình thành plasma trong ch t khí áp su t th p.

68

Hai ph ng pháp ch y u c s d ng là :

- n mòn phún x

- n mòn thu n hóa h c

- n mòn phún x (ph ng pháp v t lý): Các ion d ng b n phá b m t v ic cao; m t l ng nh ion âm hình thành trong plasma không n c bt và do ó không óng vai trò tr c ti p trong n mòn.

n mòn v t lý có tính d h ng t t nh ng tính ch n l c kém và gây sai h ngdo b n phá v t li u.

- n mòn thu n hóa h c(ph ng pháp hóa h c): Các ch t ph n ng hìnhthành do plasma tác d ng v i b m t v t li u t o ra các h p ch t bay h i.

n mòn hóa h c có t c n mòn l n, tính ch n l c t t nh ng l i là ngng

3.5. Khu ch tán

d ng k thu t khu ch tán, các nguyên t t p ch t c a vàong tinh th bán d n, t o nên các vùng bán dãn có lo i h t d n và n ng

t d n mong mu n. S khu ch tán trong m ng tinh th là m t quá trình v t lýc c tr ng b i s xâm nh p các nguyên t t p ch t vào m ng tinh th

trong u ki n nhi t cao.

ch khu ch tán trong tinh th :

- S khu ch tán gi a các nút m ng: Nguyên t t p ch t d ch chuy n trongng tinh th b ng cách nh y t v trí gi a các nút m ng này n các v trí

ti p theo.

- S khu ch tán thay th : Do trong m ng tinh th có các sai h ng m, skhu ch tán x y ra khi nguyên t t p ch t i v trí gi a các sai h ng mtrong m ng tinh th và thay th các nguyên t c a tinh th t i v trí nút m ng.

- S khu ch tán thay th gi a các nút m ng: Trong c ch khu ch tán nàyng th i có s tham gia c a các sai h ng m. Nguyên t t p t v trí nútng nh y ra v trí gi a các nút m ng và t o nên l h ng.

69

Nh n th y r ng, có th t n t i ng th i các c ch khu ch tán nh ãmô t trên ho c có s ph i h p gi a các c ch khu ch tán.

t s yêu c u c a m t h khu ch tán:

- Quá trình khu ch tán không c làm h ng b m t phi n bán d n.

- Sau quá trình khu ch tán, v t li u còn ng l i trên b m t phi n ph i cy m t cách d dàng thu n l i cho các công n sau.

- H khu ch tán ph i cho cùng m t k t qu i v i t t c các phi n trong cùngdây chuy n công ngh .

- H khu ch tán ph i có kh n ng khu ch tán cùng m t lúc m t s phi n bánn.

- Nhi t khu ch tán th ng s d ng trong kho ng t 800 n 1200 0C.

Ngu n khu ch tán bao g m: Ngu n r n, ngu n l ng và ngu n khí.

Hình 3.31. S h khu ch tán t ngu n r n.

3.6. C y ion

3.6.1. M u- C y ion là ph ng pháp a t p ch t vào phi n bán d n nh m t o ra cácvùng có các d ng h t d n và n ng h t d n xác nh.

70

- Các nguyên t t p ch t c ion hóa, c gia t c và a n b m t phi nbán n sau ó các ion có n ng l ng cao i vào m ng tinh th va ch m v icác tinh th silic và d ng l i.

Hình 3.32. C y ion

u m c a ph ng pháp c y ion:

- Có th kh ng ch chính xác l ng nguyên t t p ch t.

- Có ph r ng ch n các v t li u làm m t n nh ôxit,ch t c m quang,poly-Si, kim lo i...

- Có th c y ion qua l p ôxit.

- Không b nh h ng nhi u t các công n làm s ch b m t phi n.

- Có ng u r t lý t ng li u chi u x theo chi u ngang.Ví d : Li uchi u x , hay l ng t p ch t ch thay i c 1% trên su t ng kính c aphi n Si 8”(20,32 cm).

- Có th th c hi n c y nhi u lo i nguyên t khác nhau

- Vi c c y ion t p ch t u ki n chân không,nhi t phòng vì v y khôngnh h ng t i s phân b t p ch t c a các công n tr c.

Nh c m c a ph ng pháp c y ion:

71

- Gây sai h ng l n t i b m t m u do s b n phá c a chùm ion.

- Thi t b t ti n, c ng k nh, òi h i các ph tr ph c t p.

3.6.2. Thi t b c y ion

Hình 3.33. S thi t b c y ion

- Ngu n ion ch a các ch t khí c a t p ch t ví d PH3, B2H6 ho c AsH3 c d ng t o plasma và c ion hóa.

- Nam châm s ch n l c m t lo i trong s nhi u lo i ion c ion c ionhóa và a vào ng gia t c.

- ng gia t c có nhi m v cung c p n ng l ng c n thi t các ion chui sâuvào l p bán d n.

- Chùm ion c u ch nh qu o v phía bán d n thông qua h th ng l ngkính, b n l ch X, b n l ch Y. V trí bán d n c t l ch so v i ph ng n mngang sao cho chùm tia trung tính không u khi n c không i n phi nbán d n.

- Có th dùng các b n l ch X và Y quét chùm tia ion ng u trên m tphi n bán d n.

72

- Phi n (bia) c t trong n ng Faraday có th d dàng o s ionng các o dòng ion và l y t ng theo th i gian c y.

3.6.3. M t n dùng cho c y ion

t o chuy n ti p P-N t i nh ng v trí ch n l c trên bán d n c nph i s d ng m t n (mask) thích h p i v i quá trình c y ion.

t li u t o m t n th ng là SiO2 và Si3N4

3.6.4. nhi tVì quá trình c y ion gây ra sai h ng và m t tr t t nên nó làm gi m

các thông s bán d n nh linh ng và th i gian s ng. ngoài ra ph n l nion m i c c y vào không gian n m v trí thay th . kích ho t cácion m i c y và khôi ph c linh ng và các thông s v t li u khác, c nph i bán d n t i nhi t trong kho ng th i gian thích h pM c ích:- Tái k t tinh vùng nhi u sai h ng, ph c h i l i c u trúc tinh th bán d n.- Khi n cho các ion t p ti p t c khu ch tán và th ch vào các nút khuy t

a m ng tinh th bán d n. t ng chi u dày l p khu ch tán.

3.7. Epitaxy

3.7.1. M u thu t epitaxy là m t quá trình mà qua ó l p v t li u n tinh th

c hình thành trên b m t c a n tinh th .

Trong quá trình epitaxy, n tinh th óng vai trò nh m m, m c dùquá trình x y ra v i nhi t r t th p so v i nhi t nóng ch y. Khi l pepitaxy c t o ra trên c a v t li u cùng lo i, quá trình c g i là ngepitaxy. S hình thành silic trên silic là ví d c a quá trình ng epitaxy.

Tuy nhiên, trong hi n t i, ph n l n công vi c c th c hi n v i quátrình d epitaxy. Trong quá trình epitaxy, m c dù và v t li u epitaxy khônggi ng nhau nh ng hai c u trúc tinh th ph i r t gi ng nhau n u mu n thu c

n tinh th và tránh các sai h ng t i b m t chuy n ti p gi a epitaxy và .

73

hình thành nh ng l p epitaxy c a h p kim ba thành ph n AlGaAs trên GaAs là ví d v quá trình d epitaxy.

3.7.2. Làm s ch phi n và t y l p Oxit t nhiênTr c khi c y l p epitaxy, c n ph i c làm s ch, c th là c n ph i

y l p oxide t nhiên và m i t p ch t và b i trên m t . M c ích c a côngn này là t o b m t silic hoàn h o, không có t p ch t và không có s thay

i v trí c a các nguyên t b m t.Trên th c t , có th t y b h t t p ch tnh ng ko th có b m t hoàn h o vì b n thân b m t ch a các t p ch t khôngbão hòa.

Các t p ch t t n t i trên b m t phi n bao g m các h p ch t h u c xu tphát t c m quang d hay v t li u polimer k t t a trong quá tình n mòn, các

t kim lo i và l p oixde m ng. Quá trình t y b t p ch t c th c hi n l nt theo các công n, m i công n k t thúc b ng tráng n c th ion.

Các ion kim lo i ki m c t y b trong dung d ch ch a Halogen.Thông d ng nh t là h n h p H2O: HCl: H2O2 c nung nóng n 75-80°C.

s y phi n sau khi r a, ng òi ta dùng khí N2 nén ho c quay khô ly tâm.

Sau khi c làm s ch b ng ph ng pháp hoá h c nh miêu t trênây, trên b m t phi n th ng t n t i m t l p oxide m ng không ch a t p kim

lo i ho c h u c . có th c y l p epitaxy ch t l ng cao, c n ph i t y bp oxide này. Trong h u h t tr ng h p b c u tiên tr c khi th c hi n

epitaxy, ng i ta t y l p oxide trong môi tr ng H2, h n h p H2/HCl ho cchân không, nhi t cao.

3.7.2. Nhi t ng h c quá trình Epitaxy pha h iMô hình n gi n nh t có th s d ng miêu t quá trình VPE

(Vapour Phase Epitaxy) là mô hình c a Deal. Mô hình này v c b n gi ngnh mô hình cho quá trình oxy hóa. Mô hình Deal là mô hình bán nh l ng,tuy nhiên quá trình c y epitaxy b n gi n hóa quá nhi u. Không gi ng nhoxy hóa, các ch t k t t a và ngu n khí ây không ph i là m t. Nhi u ph n

ng hóa h c có th x y ra trong pha khí và trên m t phi n. Ngoài ra, nhi u quá

74

trình x y ra ng th i, có quá trình h tr , có quá trình làm c n tr vi c pháttri n c a l p epitaxy.Thí d trong h Si-H-Cl, các phân t ch a silic trên b

t phi n có th là SiCl2, SiCl4, SiH2 ho c Si. Khi áp su t trong bình th pho c khi dòng khí vào nh , vi c có m t các ch t trên ây có th h n ch t c

c l p epitaxy. Các nguyên t silic h p ph trên b m t và c các nguyên tu có th b n mòn b i ph n ng v i Cl. Mô hình Deal không tính n u

này. ây chúng ta s s d ng ph ng pháp tham s hóa quá trình ph c t p.

ng t ta xét mô hình chi tiêt c a quá trình m c l p epitaxy VPEng cách chia thành các b c tu n t , trong ó m i b c u có nh h ngn t c m c. Các ch t khí khi c i vào bình thì b phân li m t ph n t o

ra nhi u ch t còn ph n ng m nh h n. Các ch t ch a silic này ph i i quabình cho n khi chúng t i g n phi n. T i ó chúng ph i i qua l p trì tr

n b m t phi n. Trên m t phi n chúng b h p ph , khu ch tán ti p t c phânly thành silic nguyên t và s n ph m ph n ng bay h i, các s n ph m ph này

nh h p và c b m ra ngoài. Trong m c này, ta xét ph n ng pha khí c at s quá trình epitaxy silic thông d ng nh t.

H hóa h c n gi n nh t c y l p silic là nhi t phân silane. Ph nng t ng th là :

SiH4 (g) -> Si(s) +2H2(g)

Ph n ng này th c ch t là không thu n ngh ch và có th x y ra nhi t t ng i th p là 600oC. Ph n ng c ng th ng c s d ng k t t a

silic a tinh th . Tuy có th dùng silane c y silic epitaxy nhi t th p t600oC->800oC, nh ng vì SiH4 có xu h ng phân ly t o h t trong pha khínên khó có th nh n l p epitaxy ch t l ng cao, tr khi áp su t th p. S t o

t ng th x y ra liên t c trong pha khí b t kì áp su t nào, tuy nhiên t c o h t t ng r t m nh khi áp su t riêng ph n silane t ng. Do ó t i m t nhi t cho tr c áp su t SiH4 không c l n h n m t giá tr nh t nh.

u nh t t c các h epitaxy c y silic trong công ngh IC u s d ngph n ng kh SiHxCl4-x v i x=0,1,2,3, c pha loãng trong H2. S nguyên tCl trong phân t clorosilane càng nh , nhi t epitaxy c n thi t t t c

75

y cho tr c càng th p. Tr c ây ng i ta ch y u dùng SiCl4, tuy nhiên có t c c y ch p nh n c nhi t ph i l n h n 1150oC, nh v y sgây ra tái phân b t p ch t r t m nh. D n d n ng i ta thay th SiCl4 b ngSiHCl3, SiH2Cl2, SiH3Cl. Hi n nay SiH2Cl2 c dùng ch y u.

3.7.3. Pha t pTrong quá trình c y epitaxy, t p ch t có th c a vào có ch ý ho c

ng u nhiên. Ngu n t p ng u nhiên chính là khu ch tán pha t p r n t và tpha t p pha khí. Khu ch tán pha r n kh ng ch profile t p g n phân biênepi/ .

i v i epitaxy silic, các ngu n t p d ng khí thông d ng nh t làdiborane(B2H6), arsine(AsH3) và phosphine(PH3). N ng t p trong l pepitaxy c u khi n b ng thông l ng khí t p i vào bình ph n ng.Mu n có áp su t riêng ph n th p nh n l p pha t p nh , khí ch a t p th ng

c pha loãng trong hidro.

3.7.4. Khuy t t t trong l p Epitaxyp epitaxy có th có khuy t t t. N u nh ng khuy t t t n m trong vùng

tích c c c a phi n, chúng có th làm h ng linh ki n. Linh ki n h ng có thtr c ti p do các tr ng thái n t có liên quan n khuy t t t làm t ng áng kdòng rò. C ng có th trong quá trình epitaxy khuy t t t b t gi các t p ch tkhác trên phi n t o nên các tr ng thái n t . Khuy t t t c ng có th làm t ngkhu ch tán, d n n thay i c u trúc v t lý c a transistor.

Lo i khuy t t t ph bi n nh t trong l p silic epitaxy là sai h ng x p. Saing x p là m t ph ng nguyên t thêm vào(th a) tinh th ho c m t ph ng

nguyên t thi u tinh th . Sai h ng x p trong silic th ng x y ra theo h ng<111>.

Khuy t t t có th là nh ng u nh n, ch nhô ra t l p epitaxy, khôngtrùng v i h ng tinh th . ây có th là d u hi u c a s m c màng 3 chi u(3-D). Sai h ng x p và u nh n th ng có ngu n g c t khuy t t t c a b m tphi n ban u. Các khuy t t t ban u g m t p oxi, kim lo i, sai h ng x p do

76

oxi hóa gây ra trong phi n và các h t k t t a trên b m t phi n. Vi c làm s ch m t phi n 1 cách c n th n s làm gi m áng k m t sai h ng x p trongp silic epitaxy.

ch m ng c ng t ng t nh sai h ng x p nh ng là khuy t t t 2-D.ch m ng khó phát hi n trên b m t nh ng v n nh h ng nghiêm tr ng n

ch t l ng l p epitaxy. L ch m ng có th lan truy n t , c ng có th chình thành trong l p epitaxy do bi n d ng àn h i, h u qu c a phân b nhi tkhông u và t c m c quá l n. Nh ng khuy t t t tinh vi ki u l ch m ngth ng c phát hi n b ng n mòn ch n l c.

t trong nh ng lí do t i sao ph c y l p epitaxy gi m n tr n iti p hay n tr kí sinh. Th ng vi c này c th c hi n b ng cách c y l pepitaxy pha t p nh trên b m t phi n pha t p m nh ho c lên trên vùng chôn

c b pha t p m nh. Transistor c ch t o trong l p epitaxy, còn vùng phap m nh th c ch t là ti p xúc phía áy c a transistor.

3.7.5. Epitaxy GaAsEpitaxy GaAs c th c hiên khác v i epitaxy Si. Ngu n khí As là

AsH3, m t ch t n nh nh ng r t c. Tuy nhiên Ga l i không t o c h pch t Clorohydride b n v ng. Ph n l n h p ch t c a Ga v i clo là d ng r n nhi t phòng. nhi t cao GaCl và GaCl3 có th tr thành d ng khí. âychính là c s cho m t ph ng pháp c y GaAs r t thành công, ó là ph ngpháp v n chuy n halogenua.

Trong ph ng pháp này, ngu n Ga d ng r n c t nóng n 700-750o C. H n h p khí HCl pha loãng trong H2 ch y qua phía trên Ga ho cGaAs nóng, t o thành GaCl. Khí mang v n chuy n GaCl n b m t phi n và

i ó t o thành GaAs trên b m t. xây d ng mô hình b m t trong su tquá trình VPE ng i ta th ng gi thi t r ng các ph n ng pha khí ch làmphát sinh các ch t t o màng, nh ng ch t này sau ó h p th trên b m t phi nph n ng r i tr thành m t ph n c a màng.

77

Có 2 tr ng i trong vi c s d ng ph ng pháp v n chuy n halogenua y GaAs. Th nh t là do nhi t c n thi t c y l p GaAs ch t l ng có

th ch t o linh ki n là khá cao, cho nên khó nh n c chuy n ti p t ng t.n th 2 là do b n ch t quá trình khó kh ng ch chi u dày l p epitaxy v i

các c u trúc m ng. Ph ng pháp v n chuy n halogenua v n còn c s d ng ch t o quy mô l n các diot phát quang.

3.7.6. Epitaxy chùm phân tEpitaxy chùm phân t (ti ng Anh: Molecular beam epitaxy, vi t t t là

MBE) là thu t ng ch m t k thu t ch t o màng m ng b ng cách s d ngcác chùm phân t l ng ng trên n tinh th trong chân không siêu cao, thu c các màng m ng n tinh th có c u trúc tinh th g n v i c u trúc c a

p . K thu t này c phát minh vào nh ng n m 60 c a th k 20 t iPhòng thí nghi m Bell (Bell Telephone Laboratories) b i J.R. Arthur vàAlfred Y. Cho.

Hình 3.34. S h epitaxy chùm phân t

t trong nh ng k thu t u tiên dùng ch t o c u trúc d ch t GaAs là thu t epitaxy chùm phân t . K thu t này cho phép ch t o các l p bán d n

78

ch t l ng cao, v i chi u dày có th kh ng ch m c nguyên t . H n n a,nhi t c y th p h u nh lo i tr vi c khu ch tán t p ch t. K thu t MBE

ng ã c dùng c y silic.

thu t MBE ch có th th c hi n c trong môi tr ng chân khôngsiêu cao (áp su t th p h n 10-9 Torr), do ó cho phép t o ra các màng m ng

t li u có tinh khi t r t cao. m khác bi t c b n nh t c a MBE so v icác k thu t màng m ng khác (ví d nh phún x , b c bay nhi t...) là cácmàng m ng n tinh th c m c lên t l p n tinh th v i t c c cth p và có hoàn h o r t cao. Vì th , k thu t MBE cho phép t o ra các siêu

ng, th m chí ch vài l p nguyên t v i ch t l ng r t cao. Tuy nhiên, ch tng màng c ng nh t c t o màng ph thu c nhi u vào hoàn h o c a

môi tr ng chân không. L p bên d i là n tinh th , có tác d ng nh m tm l p màng phát tri n lên trong quá trình ng ng ng.

MBE có th ch t o các màng h p ch t ho c n ch t t các ngu n v tli u riêng bi t. Các v t li u ngu n c t n m c bay h i nh ng v i t c

r t ch m và c d n t i . ó, n u là màng h p ch t, các ch t s ph nng v i nhau ch t i b m t phát tri n thành n tinh th . Các chùm

nguyên t , phân t c a các v t li u ngu n s không ph n ng v i nhau chon khi chúng k t h p v i nhau trên do quãng ng t do trung bình c a

chúng r t dài. ây là lý do chính c a tên g i chùm phân t .

Trong quá trình hình thành màng, ng i ta th ng dùng k thu t nhi un t ph n x n ng l ng cao (RHEED) ki m soát quá trình m c

màng thông qua ph nhi u x n t c ghi tr c ti p. Quá trình này chophép ki m soát s phát tri n c a màng v i chính xác t ng l p nguyên t .

ng th i, trong quá trình ch t o, c n c gi l nh.

t c môi tr ng chân không siêu cao, ban u bu ng ch t oc hút chân không s c p (c 10-3 Torr), sau ó s d ng b m turbo t o

chân không cao t i 10-7 Torr và t o chân không siêu cao b ng b m iôn ho cng cryo-pump (b m chân không siêu cao, s d ng các khí hóa l ng nhi t

79

th p, ví d nh nit l ng 77 0K..., b y khí nh m t o ra chân khôngsiêu cao). Vì th , h MBE v n hành khá ph c t p và t n kém.

t c chân không ban u cao nh v y, bu ng MBE bao g m ccác m cao su c n ph i thi t k sao cho có th c nung nóng n 150->250oC. Vi c nung nóng nhi t cao làm t ng áp su t h i c a n c h p thtrên vách trong c a bình và m t trong c a các b ph n khác. V i m c íchnày, th ng m i thi t b c cung c p m t t m choàng t nóng. Khi tnóng kéo dài c n c bi t chú ý n b n c a các c a s quan sát. Các bph n này th ng kém ch u ng nh ng chu trình nhi t cao l p i l p l i.Nh ng b ph n quan tr ng nh ngu n bay h i có th c nung nhi t cao h n m b o s ch cao h n. Th i gian t nóng ph thu c m c ti p xúc không khí phía bên trong h . N u ph i m toàn b h thay ingu n v t li u, th ng m t n c tu n v a b m v a t nóng thì m i có th

y c l p màng ch t l ng cao ch t o linh ki n.

Có nhi u lo i b m có th s d ng duy trì tr ng thái chân không cao.Các thi t b th h u s d ng b m khuy ch tán, tuy nhiên khi ó c n h t s cchú ý tránh d u b m nóng khuy ch tán ng c vào bình ph n ng. M t slo i thi t b nh s d ng b m h p ph làm l nh b ng Nit l ng. Nh ng b mnày ho t ng trên c s h p th v t lý các khí trên b m t rây phân t ho c

t li u h p ph khác nh Al2O3 ho t tính. ây th ng là v t r n có di n tích m t l n. B m c làm l nh n 770K, sau ó c thông v i bu ng c n

hút chân không. Khi b m xong, b m c cách ly kh i bu ng, c t nóngvà c hút khí. T n t i nhi u lo i b m h p th , trong ó b m chân khôngcao dùng cho h MBE thông d ng là b m nhi t th p. Các h MBE m ith ng s d ng b m turbo phân t t o chân không cao. Ph ng án này cbi t h p d n n u ph i s d ng ngu n c h i, vì v t li u t ngu n này th nghay tích t trong b m trong chu trình nhi t .

Vi c t nóng th ng c th c hi n thông qua t nóng giá phi n b ng b c x ho c b ng s i t n tr . Lò n tr có th là cu n dây

ng kim lo i khó nóng ch y ho c là màng graphite c ch t o thành lò t.

80

Nhi t phi n có th o b ng c p nhi t g n trên giá . C ng có th o nhi t phi n b ng to k .

Có 3 lo i ngu n th ng c s d ng cho h MBE: T bào Knudsen,ngu n chùm n t và ngu n khí. Trong t bào Knudsen, chén có ch a v tli u ngu n c t nóng b ng lò d ng lá. C p nhi t c g n phía ngoàichén u khi n nhi t và do ó là u khi n dòng v t li u. Th ch anh

ng có th dùng c y màng Silic. có dòng v t li u Silic l n, c nnhi t kho ng 1700ºC. nhi t này Silic nóng ch y và ho t tính r t m nh.

t qu là m ng s b nhi m b n t p ch t t chén nung. Mu n tránh hi nng này ph n l n các thi t b MBE silic u s d ng ngu n chùm n t .i v i c hai lo i ngu n là t bào Knudsen và ngu n chùm n t , dòng v t

li u c xác nh b ng nhi t , vì nhi t quy t nh áp su t h i. Vì m ingu n v t li u có kh i nhi t nh t nh nên không th ng t dòng m t cách t cth i. u khi n t t/m trong quá trình c y, ng i ta dùng lá ch n. Tuynhiên, vi c s d ng lá ch n có nh c m là v t li u k t t a trên lá ch n cóth tái bay h i, làm nh h ng n ch t l ng màng trên phi n. tránh hi n

ng này, ng th i là c i thi n ng u và ch t l ng c a màng, cácthi t b MBE nh ng n m g n ây s d ng ngu n khí.

M t trong nh ng k thu t hay c s d ng nh t theo dõi tr c ti pquá trình c y là nhi u x n t . Trong ph ng pháp này, các n t n ng

ng cao b tán x kh i b m t v t li u ang m c và c ghi trên màn nh phía i di n c a bu ng ph n ng. Vì màng m c theo t ng l p, c ng nhlúc u t ng, sau gi m, r i t ng tr l i m i khi m t n l p c t o thànhtr n v n.

Ngu n khuy t t t ch y u trong màng c y b ng MBE là do các h t r i l p k t t a trên thành bình, l p này c ng c hình thành trong quá trìnhy. u này c bi t nghiêm tr ng i v i l p epitaxy silic. Ng i ta th yng, n u không làm l nh thành bình b ng Nit l ng mà làm l nh b ng n c

thì m t khuy t t t gi m áng k . C ng có th s d ng n áp cao t g nngu n bay h i gi cho b i không vào chùm phân t , lúc ó m t khuy t

81

t r t nh . Ngu n khuy t t t quan tr ng khác trong màng nh n b ng MBE làp kim lo i. Các ch t t p này làm gi m th i gian s ng các h t t i không cn trong màng. Trong ph n l n các h Epitaxy pha h i, ng i ta s d ng h p

ch t ch a clo ph n ng v i kim lo i làm s ch b m t.

c c y l p MBE c xác nh b i dòng nguyên t xu t phát tngu n và t ph n các nguyên t n c b m t và b gi l i trên b m tphi n.

3.8. Các ph ng pháp t o màng m ng: Bay h i, phún x

3.8.1. M uMàng m ng kim lo i ph trên b m t phi n bán d n nh m m c ích n i

các vùng khuy ch tán P và N v i nhau. Màng kim lo i c cách n v i silic b ng l p oxide tr các v trí ti p xúc tr c ti p v i silic. Ngoài m c íchlàm các ng d n n i h p m ng, màng kim lo i c ng c dùng làm vùng

m hàn dây t chip ra v v i các m ch ph c t p, có th ph i c n n haiho c nhi u h n l p d n n kim lo i.

Khi s d ng làm d n n i h p m ng,màng m ng kim lo i c n áp ngnh ng òi h i sau ây:

- Màng ph i d n n r t t t.

- Màng ph i t o ti p xúc thu n tr t t v i c lo i N và lo i P.

- Màng ph i dính bám t t v i c silic và l p oxide silic.

- Có th t o hình dáng b ng ph ng pháp quang kh c.

- Có th hàn dây vào màng n i v i chân ngoài c a IC.

- D t o màng và màng ph i ph t t các b c thang oxide.

- Màng ph i n nh và không ph n ng v i v t li u v và dây hàn.

- Màng ph i ch u c m t dòng cao.

Tr c ây các màng m ng kim lo i dùng trong công ngh bán d n uc ch t o b ng bay h i chân không. Tuy nhiên ph ng pháp bay h i ãc thay th b ng ph ng pháp phún x trong ph n l n công ngh silic do

82

hai nguyên nhân. Nguyên nhân u tiên là kh n ng ph kín các b c thang, k tqu là b m t c n ph kim lo i tr nên m p mô h n. Kh n ng các màng kimlo i nh n b ng bay h i ph lên c u trúc nh v y r t kém nhi u khi không bámlên c các vách th ng ng. Ngoài ra, v i ph ng pháp bay h i c ng khócó th ch t o màng m ng h p kim có nh ng tính n ng cho tr c, mà nh ngmàng m ng này ngày càng c s d ng nhi u trong công ngh silic.

3.8.2. Bay h i trong chân khôngThi t b bay h i n gi n c trình bay trên hình 3.35. Các phi n silic

c a vào trong bu ng chân không cao nh n b ng b m khu ch tán ho cm nhi t th p. Các h b m khu ch tán th ng có b y l nh tránh h iu c a b m bay vào bu ng. V t li u c n k t t a c t i vào chén nung.

Chén nung có th c t nóng b ng lò n tr . V t li u c nung nóngn khi bay h i. Vì áp su t trong bu ng chân không th ng c 10-5 mmHg,

các nguyên t v t li u bay th ng lên và tích t thành màng trên b m t .Các h chân không có th c trang b 4 chén nung và cùng lúc có th k t t amàng cho 24 phi n. H n n a, n u c n t o màng h p kim, có th s d ng nhi uchén nung cùng m t lúc. kh i ng và k t thúc quá trình bay h i m t cách

c th i, ng i ta s d ng lá ch n c h c b trí ngay trên chén nung.

83

Hình 3.35. S h bay h i s d ng b m khu ch tán.

3.8.2.1. Th ng hoa và bay h iKhi nhi t t ng v t li u bình th ng tr i qua tr ng thái (pha) r n, l ng

và khí. m i nhi t t n t i áp su t h i bão hòa (cân b ng) trên m t v tli u. Khi k t t a màng nhi t m u th p h n nhi t nóng ch y, quá trình

c g i là th ng hoa. Khi k t t a màng nhi t nóng ch y v t li u thì âylà quá trình bay h i. Công ngh bán d n s d ng bay h i vì lúc ó áp su t h icao h n và do ó t c k t t a c a màng là ch p nh n c. Hình 3.36 ch ra

ph thu c áp su t h i cân b ng vào nhi t c a các nguyên t khác nhau.

nh n c t c k t t a h p lí, áp su t h i c a m u ph i có giá tr ítnh t là 10mTorr.T hình v ta th y r ng m t s v t li u ph i c nung nóng

n nhi t cao h n nhi u các v t li u khác có cùng áp su t h i. Các v tli u khó nóng ch y nh : Ta,W,Mo và Ti có nhi t nóng ch y r t cao và doó có áp su t h i th y nhi t trung bình. có áp suât h i 10mTorr

Vonfram c n ph i c nung nóng n 30000C; trong khi ó, nhôm có áp su ti 10mTorr nhi t 12500C.

Bu ng chân không

Phi n

t li u b c bay

Chén nung

Van x khí

m sp

m c h c

y l nhm khuy ch tán

84

100

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

10-6

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Na

In

Ag GaAn NI

Cr

Pt

W

MoTi

Al

Hình 3.36. Áp su t h i c a m t s v t li u bay h i thông d ng.

3.8.2.2. T c k t t a ph n t khí i qua m t m t ph ng n v trong m t n v th i gian

c cho b i:

J n =kTMP

π2

2

Trong ó P là áp su t trong bu ng; M là nguyên t l ng. Ph ng trìnhtrên có th dùng miêu t t c m t mát nguyên t t ngu n bay h i.

Nhân Jn v i kh i l ng phân t cho ta bi u th c Langmuir v t c bay h ikh i l ng:

R ME = ePkT

Mπ2

Trong ó Pe là áp su t h i cân b ng c a v t li u chén nung.

ây ta có th d dàng tính t c t n hao (m t mát) kh i l ng chén nung:

R ML = ∫ ePkT

Mπ2

dA=k

Mπ2 ∫ T

Pe dA

85

Trong ó tích phân c l y theo b m t c a kh i v t li u bay h i trongchén. Bi u th c trên có th vi t l i n u gi thi t (góc m ) mi ng chén có di ntích không i A:

R ML =k

Mπ2 T

Pe A

tìm t c k t t a trên b m t phi n, ta c n xác nh t ph n v t li uxu t phát t chén nung tích t trên m t phi n. V i bu ng chân không siêu cao,vi c xác nh giá tr này t ng i d dàng. Áp su t th p v t li u bay

i t chén bay th ng n b m t phi n . N u gi thi t r ng toàn b ph nt li u bay n m t phi n u dính bám l i trên phi n, t c có th tính

c t các thông s hình h c.

có t c k t t a l n c n ph i nâng nhi t c a ngu n(chén nung)lên r t cao. Khi ó áp su t h i ngay trên b m t chén cao vùng này cóth coi là ch dòng nh t. Bay h i ch này có th d n n là v t li ubay h i ng ng t thành gi t. N u các gi t này bay n và dính bám vào m tphi n, hình thành b m t màng có th r t x u. có ng u t t nh t, c nbay h i t c th p.

3.8.2.3. Ph b c thang:t trong nh ng h n ch c a ph ng pháp bay h i là kh n ng ph b c

thang. Hình 3.37 miêu t hình d ng c a màng k t t a trên b c thang. B cthang ây là c a s ti p xúc c n mòn trong l p cách n cho n bán d n.Trong ph m vi kích th c ~1 µ m có th coi chùm v t li u t i là songsong. Gi thi t các nguyên t v t li u b t ng trên b m t phi n, s có hi n

ng bóng và màng th ng b t n trên m t phía c a ti p xúc nh hình3.37a. ây là v n c bi t h tr ng vì khâu ph màng kim lo i là nh nggiai n cu i cùng c a quy trình ch t o.

86

(a) (b)Hình 3.37. Màng bay h i trên b c thang:

(a) Tr ng h p nhi t th p, (b) Nhi t cao và quay .

Ph ng pháp c s d ng c i thi n ph b c là quay phi n trongquá trình bay h i. Giá phi n hình ch m c u c thi t k sao cho có thquay phi n xung quanh nh c a bu ng chân không. T c k t t a trên váchtuy v n nh h n t c k t t a trên m t ph ng nh ng ng u theo tr c hình3.37b. M t thông s quan tr ng là t s gi a chi u cao và chi u r ng b c. T snày càng nh h n 1 thì ng u c a màng càng t t.

3.8.2.4. Các k thu t t chén nungCó 3 lo i t chén nung: H n tr , h c m ng và chùm n t . H

t nóng b ng n tr là n gi n nh t.

i bu ng chân không cao, có th thi t k m t h bay h i n gi n g mi t nh . V t li u bay h i có th d ng thanh nh ho c dây g n t trên s it nh hình 3.38a.

87

V t li u bay h i

S i t

V t li u bay h i thuy n

Hình 3.38.Ngu n bay h i n tr : (a) S i t; (b) Thuy n.

Thu n ti n h n có th dùng thuy n n tr nh hình 3.38b. Do s i tho c thuy n ph i ch u nhi t cao nên có v n i v i ph ng pháp ntr là hi n t ng bay h i và nh khí c a b n thân s i t ho c thuy n nung.

u v t li u c n bay h i là nhôm, có áp su t h i thích h p ch c n côngsu t t v a ph i.tr ng h p c n bay h i v t li u khó nóng ch y, nhi u khikhông th có v t li u làm s i t.

88

Hình 3.39. Chén nung b ng c m ng.

t trong nh ng ph ng pháp t nhi t ngu n cao h n là sng chén nung t b ng c m ng. Nh c trình bày trên hình 3.39, v t li un bay h i c cho vào chén nung th ng c làm b ng Nitrit Bo (BN).i dây kim lo i c qu n xung quanh chén và ngu n cao t n i qua cu nm, t o ra dòng Phucô và t nóng v t li u c n bay h i. tránh hi n t ng

bay h i cu n c m, có th làm ngu i b ng n c gi nhi t c a nó d i1000C.

89

Hình 3.40. Ngu n bay h i b ng chùm tia n t .Tuy k thu t t nóng b ng c m ng cho phép t ng nhi t chén nung

lên cao có th bay h i các v t li u khó nóng ch y, vi c nhi m b n v tli u bay h i t chính v t li u làm chén v n là v n nan gi i. V n này cóth kh c ph c b ng cách ch nung v t li u bay h i, còn làm ngu i chén. th c hi n vi c này ng i ta s d ng k thu t bay h i b ng chùm tia n t ,

i ngu n bay h i thông d ng c miêu t nh hình 3.40.

t sung n t phía d i chén nung phát ra chùm n t c ng cao và n ng l ng cao. Vi c b trí s t phía d i làm gi m thi u k t t a

t li u s i t lên b m t phi n. T tr ng m nh lái chùm tia n t l ch2700 chi u lên b m t v t li u bay h i. Có th quét chùm tia trên v t li u

ng ph n bay h i.

Có kh n ng k t t a nhi u lo i v t li u khác nhau. Các h bay h i b ngchùm tia n t c ng c s d ng nhi u trong công ngh GaAs.

90

c trong ph ng pháp bay h i b ng chùm tia n t , s i t v n làngu n nhi m b n trong bu ng chân không, c bi t khi chân không siêu cao.

t s v n khác c ng r t nghiêm tr ng trong công ngh silic, ó là saing do b c x . B c x ây là do n t b kích thích m nh trong v t li u

bay h i khi tr v tr ng thái c b n thì phát ra tia X. Vì các tia X s gây ra saing trong và trong l p n môi nên các h bay h i b ng chùm tia n t

không th s d ng trong công ngh MOS và công ngh khác nh y c m i v ilo i sai h ng này.

Thông th ng nên có nhi u ngu n bay h i trong m t h , k c khi chdùng m t ngu n m i l n. Nh v y có th k t t a các v t li u khác nhau màkhông c n s d ng bu ng chân không cao. i v i h n tr , có th s d ng

p chuy n m ch công su t, v i m i chén nung có cu n t riêng. Các h bayi b ng chùm n t r t thích h p v i ng d ng này vì r t d lái chùm n t ngu n này sang ngu n khác nh th t nh n ho c b ng t tr ng. M t

khác, có th di chuy n các ngu n khác nhau n v trí chùm n t b ng cu c h c.

3.8.2.5. Màng m ng a thành ph n:

Có 3 ph ng pháp ch t o màng m ng h p kim. n gi n nh t là bayi v t li u có áp su t h i t ng t nhau ví d : Al và Au, t ngu n h p kimng ng trong m t s ng d ng, khi ch t o ti p xúc Ohmic cho GaAs, áp

su t h i c a thành ph n h p kim là khá g n nhau và s thay i thành ph np kim là ch p nh n c. Tuy nhiên, m t s tr ng h p khác không ph i

nh v y ví d nh : TiW. Khi nhi t chén nung là 25000C, áp su t h i c a Tikho ng 1 torr, trong khi ó áp su t h i c a W ch có 3× 10-6 torr. Lúc âu g nnh ch có h i c a Ti, sau ó do thành ph n dung d ch nóng ch y thay i,thành ph n màng k t t a c ng thay i theo.

n c b n ây là s khác nhau v áp su t h i c a các thành ph nkhác nhau. R t khó kh ng ch chính xác thành ph n c a h n h p. Trong kthu t ng bay h i, nhi u ngu n ho t ng ng th i k t t a màng h pkim.Thí d k t t a màng TiW ng i ta s d ng 2 chén nung,m t chén ch a

91

W và m t chén ch a Ti, hai nhi t khác nhau.Tuy làm nh v y có th c ithi n áng k ch t l ng màng, áp su t h i v n là bài toán khó và t c k t

a v n là t c k t t a là vô cùng nh y c m v i nhi t bay h i. i v imàng n nguyên t , t c k t t a tuy t i không quan tr ng vì có th s

ng ng h o chi u dày màng óng m lá ch n.Trong quá trình ngbay h i m b o thành ph n màng, c n kh ng ch chính xác nhi t ngu n bay h i.

t ph ng pháp ch t o màng a thành ph n khác là k t t a t ngp.Vi c này có th th c hi n c trong nhi u h ngu n b ng cách m và

óng lá ch n. Nhi u l p màng r t m ng c k t t a xen k nhau.Sau khi k tthúc quá trình bay h i ,có th t o h p kim b ng cách nâng nhi t m u cácthành ph n khu ch tán vào nhau. Quá trình này òi h i phi n ph i ch u ng

c công n x lý nhi t cao.

3.8.3. Phún xPhún x là ph ng pháp có th thay th ph ng pháp bay h i t o

màng kim lo i trong công ngh vi n t .

3.8.3.1. u m c a ph ng pháp phún x

- V n t c l ng ng cao nh các cathode hi n i và bia c thi t k h p lý.

- Có kh n ng t o màng h p kim có thành ph n ph c t p.

- Có th t o màng a kim lo i có nóng ch y và nhi t nóng ch y cao.

- T o c màng ng kính l n (200mm), ng th i ki m soát c chínhxác dày c ng nh s ng u c a màng.

- Kh n ng s d ng h a ch c n ng nh làm s ch các ti p xúc tr c khi t ong d n b ng kim lo i.

- ch t o ng d n b ng h p kim c a nhôm, và các ti p xúc kim lo i thìkhông có k thu t nào b o m t t c các u m trên nên ph ng pháp phún

v n c s d ng hi u qu nh t.

92

3.8.3.2. H phún x n gi n

Hình 3.41. H phún x n gi n

bao g m m t bu ng chân không ch a lò ph n ng Plasma b n c csong song, c thi t k sao cho các ion n ng l ng cao b n phá bia làm t

t li u c n k t t a.

Quy trình t o màng:

Th ng ban u ng i ta hút chân không trong bu ng xu ng c 10-6

torr, sau ó th khí tr (Ar) vào bu ng n áp su t c 10-1-10-2torr.

Khí Ar b ion hóa d i tác d ng c a n tr ng cao, v i n áp m t chi u V= 5KV ho c ngu n cao t n V ~ 1.5KV, t n s 13,65MHZ.

Các ion Ar b n phá bia ( c t d i m t n áp âm – cathode), làmcho v t li u bia bay h i và k t t a trên b m t phi n. có th thu gom ccàng nhi u càng t t các nguyên t v t li u b n t bia, cathode và anode trong

93

thi t b phún x n gi n trên ây c t r t g n nhau, th ng kho ng cáchi 10cm.

3.8.3.3. V t lý quá trình phún x .

s c a quá trình phún x là t o ra và s d ng Plasma t khí Ar.Plasma c t o ra b ng cách t n áp l n trên kho ng h p ch a khí d iáp su t th p.

ng n ng l ng ion hóa l n nh t và l n th hai c a m t s khí

Nguyên t Ion hóa I(eV) Ion hóa (eV)

Heli(He) 24,586 54,416

Nit (N) 14,534 29,601

Oxy(O) 13,618 35.116

Argon(Ar) 15,759 27,629

t khi Plasma hình thành, các ion trong plasma c gia t c ncathode, chúng gi i phóng n t th c p, và các n t này nhanh chóng r ikh i cathode. N u n ng l ng truy n nh h n n ng l ng ion hoá các phân tkhí, nguyên t có th b kích thích lên m c n ng l ng cao, khi tr v m c lõithông qua chuy n m c quang s phát ánh sáng c tr ng. N u n ng l ngtruy n l n h n n ng l ng ion hoá thì các nguyên t b ion hoá và gia t c vphía cathode. Vi c b n phá Cathode lu ng ion này gây ra quá trình phún x .

Khi các ion n ng lu ng cao p vào b m t v t li u,có th x y ra b nkh n ng:

+ Các ion v i n ng l ng th p h n b b t ra kh i b m t.

+ V i n ng l ng nh h n kho ng 10eV, ion có th b h p th trên bt, nh ng n ng l ng cho phonon (nhi t).

+ V i n ng l ng l n h n 10KeV, ion chui sâu vào v t li u (nhi u l pnguyên t ), nh ng ph n l n n ng l ng sâu trong , làm thay i

u trúc v t lý.

94

+ V i n ng l ng trong d i trung gian, x y ra hai c ch truy n n ngng. M t ph n n ng l ng ion c gi i phóng d i d ng nhi t, ph n

còn l i làm thay i c u trúc v t lý c a .

d i n ng l ng này, c ch d ng h t nhân trên b m t r t hi u qu .Quá trình truy n n ng l ng ch y u x y ra trong m t l p nguyên t . Khi ócác nguyên t ho c ám nguyên t s b b n b t ra kh i b m t .

Nh ng nguyên t này b t ra kh i b m t cathode v i n ng l ng t 10 -50eV, t c là g p kho ng 100 l n n ng l ng c a nguyên t bay h i do nhi t.

ng l ng d giúp các nguyên t phún x có linh ng b m t l n h n vàdo ó ph b c thang t t h n so v i tr ng h p bay h i. Thông th ng kho ng95%v t li u c phún x d i d ng nguyên t . Nói chung v t lý quá trìnhphún x v t li u khá ph c t p, nó bao g m các hi u ng k t h p gi a phá

ng liên k t hoá h c và d ch chuy n v t lý.

Hình 3.42. Nguyên lý quá trình phún x

Mô hình này b qua hi u ng hoá h c và coi các nguyên t nh cácqu c u r n. M t ion t i b m t có th chui sâu vào bia qua nhi u l p nguyên

cho n khi p vào nguyên t v i thông s va ch m nh và b l ch gócn. u này c ng có th làm gi i phóng nguyên t bia v i moment l n

ng i l ch kh i pháp tuy n t i b m t. Trong quá trình này, nhi u liên k t

95

trong l p b m t bia b b g y. Nh ng va ch m ti p theo s làm b t ra cácnguyên t ho c các ám nguyên t nh .

3.8.3.4. T c k t t a và hi u su t phún x

c k t t a phún x ph thu c lu ng ion t i bia, xác su t ion t i b tc nguyên t bia và s v n chuy n v t li u phún x qua plasma n phi n.

t li u bia th ng c ch t o d i d ng a b ng ph ng pháp ép nóng.Do ph n l n công su t trong Plasma c to ra d i d ng nhi t trên bia, tránh quá nóng, bia c làm ngu i b ng n c (n c kh ion tránh ch p

n). Bia c g n v i giá gi ho c b ng c khí.

3.8.3.5. Phún x các v t li u c bi t

Ph n l n các nghiên c u u liên quan t i phún x nhôm t o ti pxúc và ng d n trong IC silic. Tuy nhiên nhôm tinh khi t ã c thay th

ng các h p kim Nhôm – Si t ng tin c y c a ti p xúc Ohmic cho cácchuy n ti p nông.

có t c phún x l n, ng i ta dùng ch y u h phún magnetronplanar m t chi u. Vì màng là h p kim nên vi c kh ng ch thành ph n là v n

c n quan tâm. Nh ã nói trên, thành ph n màng k t t a th ng g ngi ng thành ph n v t li u bia. nhi t v a ph i khi có th b qua hi n

ng tái bay h i c a v t li u k t t a, thành ph n chính xác c a màng ckh ng ch b i tính ch t v n chuy n c a các ph n t c u thành trong Plasma.

t ph ng pháp n a là s d ng nhi u bia. B ng cách ch nh công su ti bia,có th thay i thành ph n màng.

Ngoài ra kh ng ch thành ph n màng mà không c n b ngu n thhai là s d ng bia ghép v i các vùng có n ng khác nhau. Trong tr ng h p

n gi n nh t, các m nh v t li u khác c g n lên bia. Thành ph n màngc xác nh b i t s c a các vùng ti p xúc v i Plasma.

Khi c n k t t a màng h p ch t trong ó các nguyên t có hi u su t phún r t khác nhau, và m t trong s ó có th nh n c d i d ng khí, t t nh t

nên s d ng ph ng pháp phún x ph n ng, là quá trinh trong ó khí phún xlà khí tr c thay th b ng h n h p khí tr khi ph n ng. Thành ph n màng

96

t t a có ki m soát b ng cách thay i áp su t riêng c a khí ph n ng. B ngph ng pháp phún x ph n ng có th ch t o màng h p ch t có thành ph nthay i trong m t d i r ng. V n còn l i là ch n u ki n k t t a và uki n sau k t t a có thành ph n và pha mong mu n.

3.9. K t t a hóa h c pha h i CVD

3.9.1. M ut t a hóa pha ph i (Chemical Vapor Deposition-CVD) hi n c s

ng r ng rãi t o màng c a nhi u v t li u khác nhau. Ph ng pháp CVDnhi t c ng là c s c a k thu t c y c y epitaxy trong ch t o IC. Các bi n th

a ph ng pháp CVD nhi t s d ng m t s ngu n n ng l ng nh plasmaho c kích thích quang u khi n các ph n ng hóa h c, cho phép k t t amàng nhi t th p.

nh ngh a: Là ph ng pháp công ngh t o màng ch t r n có thành ph n xácnh và không b bay h i trên b m t b ng ph n ng hóa h c c a các ch t ng khí.

Khác v i Oxy hóa nhi t là l p oxide c m c ra t , t o l p SiO2

ng ph ng pháp CVD ng i ta s d ng các h p ch t khó có ch a Si ho ccác h p ch t Silic và O2. L p SiO2 c t o thành trên b m t theo cácph n ng hóa h c. Các quá trình x y ra nh sau:

- V n chuy n h n h p khí t l i vào n g n phi n.

- Ph n ng gi a các khí t o phân t con.

- V n chuy n các ch t ph n ng n b m t phi n.

- Ph n ng b m t t o silic.

- Nh h p các s n ph m khí.

- V n chuy n các s n phâmr khí ra xa b m t.

- V n chuy n các s n phâmr khí ra kh i lò.

3.9.2. H CVD n gi n ch t o màng SiXét h CVD n gi n sau:

97

Hinh 3.43. S h CVD n gi n

Bình ph n ng là ng có ti t di n ch nh t. Thành ng c gi nhi t Tw. Phi n silic c t trên giá gi a ng. Nhi t giá là Ts. Thông

th ng Ts>>Tw. Ta xét m t quá trình n gi n nh ng c ng r t c tr ng làphân ly khí silane (SiH4) t o màng silic a tinh th . Gi thi t dòng khí iqua ng t trái qua ph i. Vì silane b t u phân ly khi n giá gi phi n, nên

ng silane c ng nh t c k t t a s gi m d n theo chi u dài ng. c ithi n ng u c a màng k t t a, ng i ta th ng tr n khí silane v i m tkhí mang là khí tr . M t ch t khí hòa tan cho silane th ng dùng là hydrophân t (H2). Gi thi t s d ng h n h p 1% SiH4 trong H2, gi thi t nhi t

a h n h p khí khi vào ng c ng là Tw. S n ph m c a ph n ng silanekhông tham gia ph n ng c a ra kh i ng qua l i thoát khí th i. Dòngkhí trong bu ng ph n ng th p có th coi áp su t trong bu ng ngnh t. Ph n ng x y ra nh sau:

SiH4(K) ----->Si(R) + 2H2(K)

3.9.3. Ch t o màng n môi b ng CVD áp su t khí quy nt s h CVD u tiên là h CVD áp su t khí quy n (APCVD :

Atmospheric pessure CVD) vì chúng có t c ph n ng l n và thi t b ngi n, c bi t n gi n ch t o v t li u n môi. Màng silic k t t a tsiliane nh ã xét ph n trên, th c ch t là nh n c áp su t khí quy n, có

98

ng u không t t. có ng u cao thì t t nh t là s d ng áp su tth p. Ph ng pháp AOCVD ch y u thích h p cho vi c nh n l p n môi

y, v i t c k t t a > 1000 Ao/min. Có th s d ng bình ph n ng lo ing, ho c lò ng n m ngang nh trong tr ng h p oxy hoá nhi t, ch khác

ch là s d ng nhi u khí khác nhau u vào. Ngoài ra còn có c u hình lòliên t c, trong ó các phi n c a vào và a ra theo t ng cassett, trên

ng chuy n nóng. Nhi t phi n trong kho ng 250 – 450 0C. Khi t s gi aO2 và SiH4 ít nh t t 3:1, ta nh n c SiO2 theo ph n ng:

SiH4 (K) + O2 (K) -> SiO2 (R) + 2H2 (K)

Vì các lý do khác nhau, ng i ta th ng ch t o màng SiO2 có ch a t4 n 12% ph t pho.V t li u thu tinh ph t pho silicat (PSG) này hoá m m vàch y nhi t không cao l m, làm cho b m t phi n ph ng h n, ng th i cótác d ng hút, làm th ng hoá nhi u t p ch t. Có th nh n màng (PSG) b ngph ng pháp (APCVD) n u thêm vào dòng khí PH3. Cùng v i ph n ng trênta có:

4PH3 (K) + 5O2 (K) -> 2P2O5 (R) + 6H2(K)

ng ph t pho trong có th u khi n b ng cách thay i t sPH3/SiH4. Nhi t k t t a c a ph n ng SiH4 v i O2 làm cho ph ng phápnày r t thích h p khi c n ph màng oxide lên trên l p màng nhôm.

3.9.4. Ch t o màng n môi và bán d n b ng CVD áp su t th p LPCVD có nhi u c u hình khác nhau, m t trong nh ng c u hình

thông d ng miêu t trên hình 3.44.

Có th chia các h LPCVD thành hai lo i, lo i có vách nóng và lo i cóvách ngu i. Các h vách nóng có u m là nhi t phân b ng u vàhi u ng i l u nh . H vách ngu i cho phép gi m k t t a trên vách. Khi x yra k t t a trên vách ng, m t m t các khí b nghèo, m t khác hình thành các

t, các h t có th bong kh i vách và r i xu ng m t phi n. K t t a trên váchng còn có hi u ng nh : v t li u k t t a trên vách tr c ó có th k t t a l i

trên phi n. Vì v y, h LPCVD vách nóng c n c s d ng cho m t lo i v tli u nh t nh.

99

CVD trên hình 3.44 c s d ng t o màng silic a tinh th ,SiO2 và SiN4. H bao g m ng th ch anh c t nóng b ng lò n tr 3vùng, khí d c a vào m t u ng và hút ra t u ng kia. Áp su t trongph n ng th ng t 0,25 n 2,0 torr; nhi t trong kho ng 300 n 900 oC;dòng khí trong kho ng t 100 n 1000 sccm (cm3 chu n trên phút). Phi n

c gi th ng ng, vuông góc v i dòng khí, trên giá th ch anh. M i m cóth x lý t 50 n 200 phi n v i ng u chi u dày màng ± 5%. Sau khicho phi n vào lò, ng i ta óng n p có do ng kín. Ng i ta ti n hành th i

ch ng b ng khí tr nh N2 r i b m hút n chân không trung bình. Khinhi t lò t nhi t k t t a, ng i ta cho khí ph n ng vào lò. Quá trình

o màng c ti n hành trong kho ng th i gian xác nh tr c, sau ó lò l ic th i s ch b ng khí N2, áp su t t ng n áp su t khí quy n, lúc ó có th

y phi n ra.

Hinh 3.44. S h CVD vách nóng, áp su t th p

3.9.6. Ch t o màng kim lo i b ng CVDt trong nh ng v n nghiêm tr ng nh t liên quan n nhi t ph

c thang là khi t o màng kim lo i làm ti p xúc. c bi t v i linh ki n kíchth c nh h n nhi u micromet, t s chi u cao chi u r ng t ng, vi c ph b c

ng k t t a phún x tr nên r t khó. Ng i ta ã s d ng CVD kim lo i

100

kh c ph c tình tr ng này. Kim lo i c nghiên c u nhi u v i k t qu t t làvonfram(W). Trong ph n l n tr ng h p màng W c nh n b ng CVD váchngu i. Ngu n W bao g m WCl6, W(CO)6, và WF6, trong ó ch có WF6 làch t l ng nhi t phòng, sôi 250C. Hai ch t kia là ch t r n v i áp su t h i

n. Các h CVD ch t o màng W ch y u dùng WF6 v i H2 là khí mang.Nhi t k t t a th ng nh h n 4000C. Tuy t c k t t a t ng i th p,màng W có ph b c r t t t n u ta s d ng WF6 và H2. Ph n ng t ng c aquá trình:

WF6 + H2 <-> W + 6HF

Ngoài W, ng i ta c ng t o màng ch n TiN và màng d n Cu. Có thnh n màng TiN b ng ph n ng gi a NH3 và TiCl4:

6 TiCl4 + 8 NH3 -> 6 TiN + 24 HCl + N2

101

Ch ng 4: M T S H VI M CH C B N

4.1. Phân lo i vi m ch

4.1.1. Theo ch c n ng

- Vi m ch s .

- Vi m ch t ng t .

4.1.2. Theo công ngh ch t o

- Vi m ch bán d n.

- Vi m ch màng.

- Vi m ch lai.

4.1.3. Theo linh ki n c b n

- Vi m ch l ng c c.

- Vi m ch CMOS.

- Vi m ch BiCMOS.

4.1.4. Theo m c t h p

- M c t h p th p (SSI) < 30 linh ki n/chip.

- M c t h p trung bình (MSI) 30 – 103 linh ki n/chip.

- M c t h p l n (LSI) 103 – 105 linh ki n/chip.

- M c t h p r t l n (VLSI) 105 – 107 linh ki n/chip.

4.2. Các h vi m ch s

4.2.1. T ng quan

Xét v c b n có hai lo i thi t b bán d n là l ng c c và n c c. D atrên các thi t b này, các m ch tích h p c hình thành.

Các m ch Logic l ng c c

Các y u t chính c a IC l ng c c là n tr , diode và BJT. Các hlogic l ng c c nh : M ch logic RTL, m ch logic TTL, m ch logic ECL...

Các m ch Logic n c c

102

Các thi t b MOS là các thi t b n c c và ch có các MOSFET cn hành trong các m ch logic MOS. Các m ch logic MOS nh : PMOS,

NMOS,CMOS.

4.2.2. Các c tr ng c a các vi m ch s

- T c ho t ng: L thu c vào th i gian tr truy n t

Hình 4.1. Tr truy n t

- T n hao công su t (mW): Xác nh b i tích s ngu n cung c p Vcc và dòngIcc.

- Ch s giá tr : Xác nh b i tích s t c và công su t.

Ch s giá tr (pJ) = th i gian tr truy n t x công su t (mW).

Ch s giá tr càng nh càng t t.

- H s t i: Là s c ng có th v n hành b i m t c ng, h s t i càng cao càngthu n l i.

- Các tham s dòng áp:

+ n áp u vào m c cao VIH: n áp t i thi u mà c ng có thnh n bi t m c 1.

+ n áp u vào m c th p VIL: n áp t i a mà c ng có th nh nbi t m c 0.

+ n áp u ra m c cao VOH: n áp t i thi u t i u ra t ng ngi m c 1.

+ n áp u ra m c th p VOL: n áp t i a t i u ra t ng ngc 0.

+ C ng dòng n u vào m c cao IIH: Dòng t i thi u c cungp t ng ng v i m c 1.

103

+ C ng dòng n u vào m c th p IIL: Dòng t i a c cung c png ng v i m c 0.

- Nhi u:

Hình 4.2. Nhi u

- Mi n nhi t ho t ng: T 0-700C cho các ng d ng tiêu dùng và côngnghi p; t 55-1250C cho các m c ích quân s .

4.2.3. H RTL (Resistor-Transistor Logic)

Bao g m các n tr và transistor, ây là h logic c tích h p s mnh t.

Ví d : M t c ng NOR RTL:

Hình 4.3. C ng NOR RTL

104

Các m ch RTL có c tính chung là c n dòng IB cho các BJT nên cònc g i là m ch thu dòng (current sinking), vì v y khi k t n i v i các m ch

khác c n ph i l u ý th a mãn u ki n này, n u không m ch s không làmvi c.

4.2.4. H DTL (Diode-Transistor Logic)

Bao g m Diode ngõ vào và transistor ngõ ra.

Ví d : C ng NAND DTL

Hình 4.4. C ng NAND DTL

4.2.5. H TTL (Transistor-Transistor Logic)

Lo i TTL s m c thay th b i m ch TTL t c Transistor ngõ vào vàTransistor ngõ ra.

Ví d : C ng NAND TTL.

105

Hình 4.5. C ng NAND TTL

Lo t IC TTL chu n u tiên g i là seri 54/74, tùy theo hãng ch t o scó thêm các ti n t . VD: Texas Instruments có ti n t SN, NationalSemiconductor dùng DM, Signetic là S.

Seri 74 v n hành trong kho ng n th 4.75V n 5.25V và nhi t 00C n 700C.

Seri 54 ch p nh n n th ngu n trong kho ng 4.5V n 5.5V và nhi t -550C n 1250C.

c n th c a Seri 74:

- Công su t tiêu hao trung bình m t c ng kho ng 10mW.

- Th i gian tr truy n trung bình 9ns.

- u ra TTL chu n có th kích thích 10 u vào TTL chu n.

106

4.2.6. H CMOS

Công ngh CMOS tung ra các s n ph m có c m hi u su t ngàycàng t t h n, cung c p không ch t t c ch c n ng logic có TTL, mà cònnhi u ch c n ng c bi t không có TTL.

u ý: Không bao gi c phép th n i các u vào CMOS không dùng n,t c u vào CMOS ph i c n i ho c v i m c n th c nh (0 ho c

VDD) ho c v i u vào khác. Lý do u vào CMOS th n i r t nh y v i t p âmnhi u và t nh n v n có th d dàng phân c c MOSFET tr ng thái d n

n.

4.2.7. M t s c ng

t c các c ng trong b ng d i ây u thu c lo i tích h p SSI.

107

108

TÀI LI U THAM KH O

1. Công ngh ch t o m ch vi n t , PGS.TS. Nguy n c Chi n, TS.Nguy n V n Hi u, NXB Bách Khoa Hà N i.

2. Bài gi ng k thu t vi n t , TS. Nguy n Ng c Trung, HBK Hà N i,2003.