by
Kỹ thuật màng mỏng
Thin Films - Màng mỏng
Thường có độ dày từ một vài micron đến vài nanomet.
Các màng phổ biến bao gồm:
• Silicon Dioxide - chất cách điện.
• Silicon Nitride - bảo vệ vi mạch IC đã hoàn thiện.
• Polysilicon - được sử dụng làm dây dẫn và điện cực điều khiển cho một số loại bóng bán dẫn.
• Nhôm - được sử dụng làm conductor.
• Đồng - loại conductor mới nhất, có điện trở thấp hơn nhôm.
• Titanium Nitride hoặc Tantalum Nitride - được sử dụng làm rào cản giữa các màng để ngăn tương tác.
....
Thin Films - Màng mỏng
Thường có độ dày từ một vài micron đến vài nanomet.
Các màng phổ biến bao gồm:
• Silicon Dioxide - chất cách điện.
• Silicon Nitride - bảo vệ vi mạch IC đã hoàn thiện.
• Polysilicon - được sử dụng làm dây dẫn và điện cực điều khiển cho một số loại bóng bán dẫn.
• Nhôm - được sử dụng làm conductor.
• Đồng - loại conductor mới nhất, có điện trở thấp hơn nhôm.
• Titanium Nitride hoặc Tantalum Nitride - được sử dụng làm rào cản giữa các màng để ngăn tương tác.
....
Chủ yếu để tạo những lớp vật liệu có bề dày như mong muốn lên trên một lớp vật liệu khác. Đây là quá trình đòi hỏi khá nhiều kiến thức bổ xung như kỹ thuật chân không, cấu trúc vật liệu…Các kỹ thuật cơ bản để tạo màng mỏng ở đây gồm hai phương pháp – vật lý và hoá học. Phương pháp vật lý bao gồm: phún xạ (sputtering), bốc bay hơi nhiệt (evaporation), phương pháp phun tĩnh điện…Trong khi đó phương pháp hoá học có: lắng đọng hoá học pha hơi (CVD), lắng đọng hoá học pha hơi áp suất thấp (LPCVD), và Sol-gel.
Chemical Vapor Deposition (CVD)Trong các quy trình CVD, khí hoặc hơi hóa học được phản ứng để tạo thành một lớp màng lắng (deposited film), phổ biến nhất là ở áp suất thấp. Các phản ứng có thể được gây ra bởi nhiệt như trong CVD, năng lượng tần số cao như trong Plasma Enhanced CVD (PECVD) hoặc ánh sáng như trong Photon Assisted CVD (PHCVD). Nếu các hóa chất được sử dụng trong phản ứng được tạo thành từ các phân tử kết hợp kim loại và chất hữu cơ, thì quá trình CVD được gọi là Metal Organic CVD-CVD hữu cơ kim loại (MOCVD). Ngoài ra còn có Low Pressure CVD-CVD áp suất thấp (LPCVD) và Sub Atmospheric
CVD (SACVD).
Một ví dụ về quy trình CVD được minh họa trong hình bên dưới.
Một số loại màng được sử dụng trong chế tạo vi mạch thường được lắng đọng đặc trưng bởi quá trình CVD được liệt kê trong bảng bên dưới.
Physical Vapor Deposition (PVD)
Ngoài CVD ra thì còn một cách nữa để tráng lớp kim loại lên wafer. Lối này kêu là Physical Vapor Deposition hay PVD.
Cái tên nghe có vẻ trừu tượng quá, nhưng họ đặt ra như vậy để phân biệt với CVD. Bên CVD thì kim loại được lấy ra từ hơi hóa học (chemical), bên PVD thì kim loại lấy thẳng từ "hơi của kim loại". Tưởng tượng hột lúa mì được đập cho thành bột, rồi bột bỏ vô khuôn ép lại trở thành cái bánh. Tức là một khối kim loại bị đập thành bột, rồi lớp bột này được "ép" lên mặt wafer để trở thành một lớp kim loại (không còn trong dạng bột nữa).
Thế thì làm thế nào mà biến một khối kim loại thành "dạng bột" với điều kiện là thật nhuyễn? Liên hệ với chuyện làm mộc là giấy nhám càng thô thì lúc chà sẽ đem ra bụi gỗ rất lớn. Nếu giấy nhám mà thật mịn thì bột gỗ sẽ ra mịn hơn. Đấy là bí quyết trong PVD để ra bột thật mịn.
Lý thuyết thì rất đơn giản và hơi giống như trong máy implant và plasma etch.
Trong máy PVD thì khối kim loại được kêu là target. Nếu bỏ một chất hơi nào đó vô và dùng RF để làm rung chất hơi đó lên. Khi nó rung như vậy thì các phân tử sẽ đập lên mặt target và sẽ làm văng các phân tử kim loại của target ra. Thế thì dùng chất hơi nào? Argon được chọn trong khâu này vì: tương đối rẻ tiền, nó là khí trơ, và quan trọng nữa là nó nặng hơn nhiều thứ khí khác. Có những thứ khí trơ nặng hơn, nhưng tốn tiền hơn.
Trong PVD thì họ dùng plasma của hơi Argon cộng với RF tại 11 MHz (nếu không nhớ lầm) để cho nó rung lên (ném). Khi hơi Argon đập vào mặt target thì nó sẽ có đủ mô men để đập văng ra vài phân tử kim loại. Tại sao phải tại 11MHz? Cái này là tại luật từ FCC đưa ra. FCC lo về sóng truyền tin (máy bộ đàm, TV, radio, cell phone, v.v.). Những gì có thể gây nhiễu cho các sóng thì FCC phải can thiệp vô. Quên không nhắc thêm là sức mạnh của RF trong PVD lên tới vài chục KW, dư sức làm cho các TV bị nhiễu.
PVD machine
Hình trên là kí họa máy PVD.
Gồm có vỏ của buồng máy (mầu vàng). Buồng máy (chamber) chia làm 2 phần. Nắp máy gồm có target (mầu đỏ), nam châm và nước giải nhiệt.
Target là nguồn nhiên liệu cho kim loại "đắp" lên wafer. Thường là nhôm, cobalt, titanium. Vàng và bạch kim thì quá đắt đỏ nên hầu như ít được dùng.
Từ trường của nam châm thì dùng để "gom" plasma nằm một chỗ (trên mặt wafer). Nếu không thì plasma sẽ tản ra, gây phí phạm nguyên liệu (không deposit lên mặt wafer). Miếng nam châm này quay lòng vòng để cho từ trường "đều" trên mặt wafer/plasma.
Nước giải nhiệt là nước DI (de inonized) vì điện trở cao. Lý do là giữa target và pedestal có 2 nguồn. DA và AC. AC để rung plasma để đập bể target thành các phân tử. DC để tạo plasma và tạo áp cho các phân tử "bay" vào mặt wafer. Quay lại nước DI, nếu dùng nước thường thì điện trở quá thấp sẽ gây rò cho nguồn DC và AC.
Trong phần dưới của buồng máy thì có collimator (mầu tím) và pedestal (mầu đen) là chính.
Collimator đại khái là một miếng kim loại hình tổ ong. Nhiệm vụ chính là giữ cho các phân tử "bay" thật "thẳng" vào mặt wafer. Vì nếu bay "nghiêng" góc sẽ gây rắc rối. Pedestal là cái "mâm" mà wafer (mầu tím) nằm trên. Nó cũng là cực dẫn điện cho nguồn DC và AC nói trên.
Vùng ngay trên mặt wafer được đặt tên là dark space (mầu đen - chấm). Khi plasma tới gần mặt wafer thì các phân tử bị ly tử hóa nhập lại với điện tử trở thành bình thường. Vì vậy vùng đó không còn là plasma nữa mà chỉ là một "cơn mưa" của các phân tử từ target. Vì không có mầu nên vùng đó được đặt tên là dark space (kiểu như black hole).
Collimator
Cũng giống như trong máy ảnh collimator dùng cái này để chống glare. Hoặc trong quân đội dùng súng có ống ngắm thì có thể cũng dùng cái này để chống glare (địch quân không phát hiện ra mình).
Nó cho ánh sáng đi đúng chiều thôi. Nếu ánh sáng đi nghiêng quá thì cái "tường" của các lỗ tổ ong sẽ chặn lại. Nói tóm lại là một bộ lọc ánh sáng chỉ cho những tia "gần như" song song với tường của collimator đi ra hoặc đi vô thôi.
Đối với máy PVD thì cũng vậy. Collimator chỉ cho các phân tử đi song song với tường của lỗ tổ ong đi qua thôi. Những phân tử khác thì bị chặn lại và dính vào collimator (nó làm bằng kim loại titanium nên dễ hút các chất khác). Vì nó hút các phân tử vô, nên sau một thời gian các lỗ tổ ong sẽ nhỏ lại và cần phải thay.
Thế thì ảnh hưởng như thế nào đến với wafer trong máy PVD. Xin coi hình kí họa ở dưới.
Hình trên có 2 phần. Phần trên không có collimator thì các phân tử có thể đi lệch lạc. Nếu "mưa" đi một bên thì một bên tường sẽ "ướt" nhiều hơn, và một bên sẽ ướt ít hơn. Đối với wafer trong PVD cũng vậy. Một bên sẽ bị deposited nhiều hơn hoặc ít hơn. Hình phần dưới thì có collimator, "mưa" rơi thẳng nên "ướt" đều hơn.
Etch Back.
Trong khâu thinfilm thì có vấn đề hay bị là khi deposit vô những lỗ quá sâu thì sẽ bị như hình trên bên phía trái. Lý do là các phân tử bám vào mọi phía, nhưng những phần nhô ra thì bị bám từ trên xuống và từ ngang qua (trái / phải) do đó những chỗ nhô ra bị deposited nhiều hơn. Trong khi những phần dưới đáy thì ít đi, và nhất là trong góc dưới đáy. Lý do là các phân tử đi song song với lỗ đã bị thu hút vô từ trên rồi, nên chẳng còn bao nhiêu đi xuống dưới hết.
Vì thế mà sau một lúc thì phần miệng lỗ sẽ bị dầy ra và thắt lại. Kết quả là một lỗ hổng nằm gần dưới đáy lỗ (mầu đỏ đậm, hình thù hơi giống hình tam giác). Vùng này được gọi là void, vì nó không có chất người ta muốn đắp vô đó, mà thường thì chỉ có các tạp chất khác mà người ta không muốn. Nên nhớ là trong CVD thì chất hóa học vô sẽ bị phân hóa ra thành nhiều thứ khác nhau. Vùng này sẽ gây nhiều rắc rối cho sản phẩm. Cũng dễ hiểu thôi. Ví dụ nếu vùng này là via để dẫn điện từ lớp này qua lớp khác thì điện trở sẽ tăng rất cao, làm ảnh hưởng đến mạch điện.
Để chống lại trường hợp này thì họ dùng RF để rung plasma lên. Cũng giống như nói trên bài PVD, plasma đập vào mọi nơi làm bể các chất rắn thành phân tử. Nhưng thế thì nó đập bể hết mọi thứ trên mặt wafer !!! ??????
Vì các góc cạnh dễ bị vỡ ra cho nên khi các ion trong plasma đập vào chỗ miệng cái lỗ (xem hình phải chỗ được tô đỏ đậm), thì nó sẽ "đẽo" bớt các miệng lỗ ra. Trong khi phần trên mặt wafer giữa 2 lỗ thì cứng hơn và khó bị "đẽo" cho nên ít bị hao mòn vì plasma hơn. Kết quả là các phần bị đẽo sẽ rơi xuống lỗ và cả wafer sẽ không bị void.
Nghe thì thấy đơn giản thật đấy, nhưng cũng tốn các nhà bác học bao nhiêu năm mới kiếm ra giải pháp này. Và vì nằm trong khâu deposit mà bị đẽo bớt lại cho nên họ đặt tên phương pháp này là Etch Back (ăn mòn lại).
Sheet resistance
Trong thinfilms thì khi đo độ dầy của lớp cách điện dielectric thì dùng sự khúc xạ của ánh sáng. Đối với lớp kim loại dùng khúc xạ không được.
Có 2 cách.
1. Bỏ lên cân. Dù rằng chỉ là 1 lớp kim loại thật mỏng nhưng những cái cân đó có thể cho biết bao nhiêu kim loại đã được đắp lên (dùng phương pháp trừ bì). Những cái cân này rất nhậy. Bỏ một wafer mới lấy trong lò ra còn ấm (chừng 50 độ) thì thấy nó rất nhẹ (vì hơi nóng bốc lên đủ để tạo "gió" làm cân sai). Tuy nhiên nó chỉ cho biết bao nhiêu thôi chứ cái quan trọng mà họ muốn biết là độ dẫn điện.
2. Cách chính xác hơn là đo sheet resistance. Có thể tham khảo link bên dưới:
Sheet resistance - Wikipedia, the free encyclopedia
Khi đo thì họ dùng bốn "que" đo để đo lớp kim loại trên wafer. Xem link này Four-terminal sensing - Wikipedia, the free encyclopedia
Lối đo này bị một nhược điểm là que đo sẽ làm thủng mặt kim loại. Vì thế mà trên wafer được bỏ riêng ra một khu để thử sheet resistance. Những khu này được gọi chung là test area, nhưng nhiều người hay kêu là test pattern (dù rằng trong đó nhiều khi không có pattern nào hết). Khu test area này về sau sẽ bị cắt bỏ.
Nguồn tham khảo: Điện tử Việt Nam
0 comments: