Sub-micron CMOS technology: Công nghệ chế tạo CMOS trên wafer.
Trước tiên hayc cùng xem hình vẽ ở dưới.
Phần phụ thêm cho biết là miếng gate oxide độn giữa gate và drain/source (làm bằng SiO2, silicon dioxide). Lớp này chỉ dầy từ vài chục đến vài trăm angstrom (1 micron = 10,000 angstrom). Khi ESD làm hư con IC là tại vì dòng điện lớn từ gate bắn "thủng" qua lớp oxide này. Tức là khi trời khô, nếu chúng ta lấy lược chải đầu xong rồi sờ vào con CMOS IC thì tĩnh điện trong người có thể làm rách lớp gate oxide và chỉ cần 1 con transistor hỏng là con IC vô thùng rác luôn.
Vậy làm thế nào để tạo được drain và source n ? Có 2 cách làm, diffusion và implant.
Khuếch tán: Diffusion
Diffusion- Khuếch tán là sự di chuyển của các nguyên tử tạp chất ở bề mặt silicon vào phần trong silicon. Luôn luôn theo hướng từ nồng độ cao hơn đến nồng độ thấp hơn. Khuếch tán thường được thực hiện ở nhiệt độ cao: 800 đến 1400°C
Mấy lò diffusion thường làm bằng một ống quartz (SiO2) dài/cao chừng 1-2 mm (tùy hãng, máy). Trong đó nó có một giàn (hơi giống như wafer boat) làm bằng quartz để đựng wafer. Khoảng cách giữa các wafer này thường là 1/4 hay 1/8 inch (để cách hơi "ướp" thấm vào). Một lần chạy như vậy thì có chừng 100-200 wafer. Khi wafer được bỏ vô thì họ bơm hết không khi ra rồi bơm Nitrogen vô, rồi bơm ra, rồi lại bơm Nitrogen vô. Sau vài lần như vậy thì tẩt cả hơi ẩm cùng các chất khác trong không khí đã gần như là không còn trong ống quartz này nữa. Sau đó thì máy sẽ nâng nhiệt độ lên hơn 1000C và bơm khí "ướp" vô để ướp.
Trong implant thì cũng như vậy. Hơi ly tử làm từ ga (thường là ga Arsine, Phosphine, Boron Trifluoride, Germanium Tetrafluoride và Silicon Tetrafluoride) được phóng ra với một vận tốc nào đó đi qua một dẫy nam châm được sếp hình vòng cung để "bẻ" tia ly tử cong 90 độ.
Những cục nam châm này là nguồn "trọng lực" để kéo những ly tử (vệ tinh) qua một bên. Những ly tử quá nhẹ sẽ bị hút qua một bên. Những ly tử quá nặng do đó sức ly tâm lớn hơn sức từ trường (trọng lực) sẽ bay thẳng luôn. Chỉ có những ly tử đúng trọng lượng sẽ quẹo 90 độ và nằm đúng trên "quỹ đạo" của máy.
Tại sao phải làm như vậy ? Lý do chính là người ta chỉ muốn đúng loại ly tử được bắn vào wafer thôi. Những thứ khác như Nitơ, Oxy, He, v.v. sẽ không được bắn vào wafer.
Sau khi ly tử được cho lựa qua khúc cua 90 độ, thì chúng được đi một dẫy nam châm điện nữa để tăng vận tốc cho đủ sức mạnh mà đâm thủng mặt wafer và ghim sâu vào trong.
Implant là khâu độc hại nhất trong nghề fab. Nó dùng ga độc như arsine và phosphine. Một cái mùi cá, một cái mùi tỏi. Khi nhân viên trong fab mà ngửi thấy 2 mùi này là phải bấm còi báo động và toàn thể nhân viên phải di tản ra khỏi fab.
Ngoài ra điện thế trong những máy này rất cao (cho nam châm điện để bắn ly tử). Những máy này được xếp hạng theo sức điện của nó. Họ dùng đơn vị eV, và máy thường từ vài trăm KeV cho tới vài triệu KeV. Dân trong nghề này không bao giờ dùng tay để chỉ trỏ máy (nhất là khi máy đang chạy mà bị hư cái gì đó). Khi dùng ngón tay để chỉ trỏ thì nó sẽ như là một cột thu lôi có thể bị "sét đánh". Đó là lý do tại sao những máy này có những cây móc làm bằng chất cách điện để lôi những người bị điện giựt ra chỗ an toàn.
Vì ly tử là một loại phóng xạ cho nên tất cả những người làm trong khâu này phải đeo phim phóng xạ (radiation badge) giống như trong lò điện nguyên tử.
Trước tiên hayc cùng xem hình vẽ ở dưới.
Đây là n-channel MOSFET. Đế substrate là loại P. Drain và source là loại N.
Khoảng cách giữa source và drain là gate length hay channel length: L và độ rộng của transistor W (width). Quan trong nhất là kích thước L vì L càng ngắn thì thời gian dòng điện đi từ drain qua source sẽ ngắn hơn (chạy nhanh hơn). Với L và W càng nhỏ thì transistor càng nhỏ, và có thể bỏ nhiều transistor lên một IC (integrated circuit - Mạch tích hợp). Đối vớ uC, uP thì L đã xuống dưới 1um từ hơn chục năm qua. Và sub-micron technology là công nghệ trong mạch tích hợp và chứa 1 phần cụ thể hơn nữa là độ dài L giữa 2 source và drain trong MOSFET.Phần phụ thêm cho biết là miếng gate oxide độn giữa gate và drain/source (làm bằng SiO2, silicon dioxide). Lớp này chỉ dầy từ vài chục đến vài trăm angstrom (1 micron = 10,000 angstrom). Khi ESD làm hư con IC là tại vì dòng điện lớn từ gate bắn "thủng" qua lớp oxide này. Tức là khi trời khô, nếu chúng ta lấy lược chải đầu xong rồi sờ vào con CMOS IC thì tĩnh điện trong người có thể làm rách lớp gate oxide và chỉ cần 1 con transistor hỏng là con IC vô thùng rác luôn.
Vậy làm thế nào để tạo được drain và source n ? Có 2 cách làm, diffusion và implant.
Diffusion- Khuếch tán là sự di chuyển của các nguyên tử tạp chất ở bề mặt silicon vào phần trong silicon. Luôn luôn theo hướng từ nồng độ cao hơn đến nồng độ thấp hơn. Khuếch tán thường được thực hiện ở nhiệt độ cao: 800 đến 1400°C
Là kỹ thuật được sử dụng trong công nghệ bán dẫn để tạo các vùng chuyển tiếp của transitor. Có nhiều phương pháp để khuếch tán tạp tạo vùng chuyển tiếp P-N khác nhau như phương pháp khuếch tán ở nhiệt độ cao, phương pháp cấy ion... Tuỳ thuộc vào đế silicon và mục đích của việc pha tạp người làm công nghệ sẽ phải dùng hai loại tạp phổ biến nhất là Boron (B) hoặc phốtpho (P) cho quá trình này.
Mấy lò diffusion thường làm bằng một ống quartz (SiO2) dài/cao chừng 1-2 mm (tùy hãng, máy). Trong đó nó có một giàn (hơi giống như wafer boat) làm bằng quartz để đựng wafer. Khoảng cách giữa các wafer này thường là 1/4 hay 1/8 inch (để cách hơi "ướp" thấm vào). Một lần chạy như vậy thì có chừng 100-200 wafer. Khi wafer được bỏ vô thì họ bơm hết không khi ra rồi bơm Nitrogen vô, rồi bơm ra, rồi lại bơm Nitrogen vô. Sau vài lần như vậy thì tẩt cả hơi ẩm cùng các chất khác trong không khí đã gần như là không còn trong ống quartz này nữa. Sau đó thì máy sẽ nâng nhiệt độ lên hơn 1000C và bơm khí "ướp" vô để ướp.
Cấy ion: Ion Implantation
Các tạp chất có thể được sử dụng để thay đổi các đặc tính về điện của silicon. Việc đưa các tạp chất vào trong silicon theo cách được kiểm soát là chìa khóa để hình thành nên các mạch tích hợp. Implant ion hiện là phương pháp phổ biến nhất để đưa tạp chất vào trong các tấm silicon. Trong một thiết bị cấy ion, các tạp chất được đưa vào silicon sẽ được ion hóa, tức là loại bỏ một hay nhiều electron khiến ion tạp chất mang điện tích dương. Một điện trường điện áp cao sau đó được sử dụng để tăng tốc các ion với một năng lượng rất cao. Quá trình gia tốc này được thực hiện trong chân không để các ion không va chạm với bất kỳ khí nào trong quá trình tăng tốc. Các ion gia tốc sau đó được “cấy ghép” vào bề mặt silicon nhờ vào năng lượng cao của chúng khiến chúng thâm nhập, thấm vào bề mặt mà chúng được nhắm vào trước khi dừng nghỉ.
Quá trình cấy ghép ion được chọn lọc bằng cách sử dụng một mô hình photoresist để chặn các ion tạp chất đến silicon mà không có tạp chất mong muốn. Quá trình đưa vào có chọn lọc của tạp chất bắt đầu với sự phát triển/gia tăng của một lớp SiO2 mỏng. Lớp silicon dioxide bảo vệ bề mặt silicon, nhưng phải đủ mỏng để không chặn các ion cấy vào. Sau khi cấy ion, photoresist bị loại bỏ thì một quá trình lò nung nhiệt độ cao khoảng 500~800°C (Annealing) được sử dụng để hàn gắn "rạn nứt" trong cấu trúc tinh thể sau quá trình ion năng lượng cao ảnh hưởng đến silicon.
Những cục nam châm này là nguồn "trọng lực" để kéo những ly tử (vệ tinh) qua một bên. Những ly tử quá nhẹ sẽ bị hút qua một bên. Những ly tử quá nặng do đó sức ly tâm lớn hơn sức từ trường (trọng lực) sẽ bay thẳng luôn. Chỉ có những ly tử đúng trọng lượng sẽ quẹo 90 độ và nằm đúng trên "quỹ đạo" của máy.
Sau khi ly tử được cho lựa qua khúc cua 90 độ, thì chúng được đi một dẫy nam châm điện nữa để tăng vận tốc cho đủ sức mạnh mà đâm thủng mặt wafer và ghim sâu vào trong.
Ngoài ra điện thế trong những máy này rất cao (cho nam châm điện để bắn ly tử). Những máy này được xếp hạng theo sức điện của nó. Họ dùng đơn vị eV, và máy thường từ vài trăm KeV cho tới vài triệu KeV. Dân trong nghề này không bao giờ dùng tay để chỉ trỏ máy (nhất là khi máy đang chạy mà bị hư cái gì đó). Khi dùng ngón tay để chỉ trỏ thì nó sẽ như là một cột thu lôi có thể bị "sét đánh". Đó là lý do tại sao những máy này có những cây móc làm bằng chất cách điện để lôi những người bị điện giựt ra chỗ an toàn.
Vì ly tử là một loại phóng xạ cho nên tất cả những người làm trong khâu này phải đeo phim phóng xạ (radiation badge) giống như trong lò điện nguyên tử.
Nguồn tham khảo: Điện tử Việt Nam
0 comments: