Công nghệ chế tạo mạch vi điện tử

N G U Y Ễ N Đ Ứ C C H IẾ N (C h ủ b iê n )

N G U Y Ễ N V Ă N H IẾ U

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO

MẠCH VI ĐIỆN TỬ

Thư viện - ĐH Quy Nhơn

lili «111lllllili 1lllll

VVGOKbi 10. C1001

Í L NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA - HÀ NỘI

NGUYỄN ĐỨC CHIÉN (Chủ biên)

NGUYỄN VĂN HIÉU

CÔNG NGHỆ CHÉ TẠO

MẠCH VI ĐIỆN Tử

(Xuất bản lần thứ hai, có sửa chữa và bổ sung)

TRƯỜNG ĐẠI HfC QUV NHƠN

THƯ VIỆN

WG- iồiũA

NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA - HÀ NỘI

Bản quyền thuộc về trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Mọi hình thức xuất bản, sao chép mà không có sự cho phép bằng văn bản của

trường là vi phạm pháp luật.

Mã số: 22 - 2014/CXB/70 - 80/BKHN

Biên mục trên xuất bản phẩm của Thư viện Quốc gia Việt Nam

Nguyễn Đức Chiến

Công nghệ chế tạo mạch vi điện tử / Nguyễn Đức Chiến (ch.b.), Nguyễn

Văn Hiếu. - Xuất bản lần thứ 2, có sửa chữa, bổ sung. - H. : Bách khoa Hà Nội,

2014. - 268tr. : hình vẽ, bảng ; 24cm

Thư mục: tr. 226-227

ISBN 9786049116551

1. Công nghệ chế tạo 2. Mạch vi điện tử

621.3815 -dc23

BKF0041p-CIP •

LỜI NÓI ĐẦU

Từ khi ba nhà bác học ờ Bell Labs là Shockley, Bardeen và Brattain phát minh

ra transistor năm 1947, kỹ thuật điện tử đã cỏ những bước nhảy vọt, làm bùng nổ cuộc

cách mạng thông tin, làm thay đổi thế giới trong những thập kỷ cuối thế kỷ XX. Từ

những mạch điện tử sừ dụng các linh kiện rời rạc với những chức năng đơn giản, độ tin

cậy thấp, người ta đã chế tạo được những mạch tích hợp đầu tiên với chức năng ngày

càng phức tạp và độ tin cậy ngày càng cao, giá thành ngày càng rẻ. Từ những mạch

tích họp với chi vài transistor và vài điện trở trên một chip, giờ đây người ta đã cỏ thể

chế tạo hàng chục triệu đến hàng trăm triệu transistor trên một chip diện lích vài cm2.

Từ những mạch điện từ với linh kiện cơ bản là transistor kích thước vài milimet đến

hàng trăm micromet, người ta đã giảm thiểu kích thước linh kiện xuống còn một vài

micromet, làm xuất hiện điện tử micro hay còn gọi là vi điện tử (microelectronics).

Dần dần các kỹ thuật hiện đại cho phép giảm kích thước tối thiểu của transistor xuống

dưới micromet và những năm gần đây, chiều dài kênh của transistor MOSFET được rút

xuống chỉ còn vài chục nanomet, xuất hiện mạch điện tử nano (nanoelectronics). Như

vậy, lời tiên đoán của một trong hai nhà sáng lập ra hãng Intel nổi tiếng là Gordon

Moore năm 1965 rằng mật độ tích hợp mạch điện tử tăng gấp đôi sau mỗi 18 tháng,

được biết đến dưới tên gọi định luật Moore, đã thành hiện thực trong suốt hơn 40 năm

qua. Xu thế này được dự đoán là còn tiếp tục đúng cho đến khoảng năm 2020.

Mạch tích hợp (Integrated Circuits - IC) hay mạch vi điện tử, hay đom giản hơn

là vi mạch tuy chỉ được chế tạo ở một số nước tiên tiến, bởi các hãng điện tử lớn,

nhưng hiện đang được dùng khắp nơi trên thế giới. Vi mạch có mặt ở trong hầu hết các

thiết bị điện tử, từ những thiết bị dân dụng bình thường nhất như đồ chơi, đồng hồ, đến

những thiết bị chuyên dụng cao cấp như máy bay, tên lửa, tàu vũ trụ. Tất nhiên, một

lĩnh vực vừa là kết quả, vừa là động lực và vừa là công cụ phát triển của công nghệ vi

điện tử là máy tính, kể cả những loại máy tính đơn giản đến các siêu máy tính hiện nay.

Việt Nam, vào cuối năm 2013 với 90 triệu dân không phải là ngoại lệ. số máy

tính, điện thoại di động và các phương tiện thông tin khác tăng trưởng hàng chục phàn

trăm mỗi năm là bằng chửng của việc sử dụng vô cùng rộng rãi các mạch vi điện tử.

về công nghệ chế tạo, trước đây chúng ta có một vài cơ sở nghiên cứu và sàn xuất

3

hơạt động trong lĩnh vưc này nhưng chi ở quy mô hết sức nhỏ bé. Gần đây, với sự đầu

tư của một số hãng điện tử lớn như Intel, Fujitsu, Canon, Foxconn..., chắc chắn công

nghệ vi điện tử trong nước sẽ phát triển. Vì vậy, nhu cầu đào tạo nhân lực trình độ cao

về lĩnh vực này sẽ càng trờ nên cấp bách.

Giáo trình Công nghệ chế tạo lỉnh ỉciện bán dẫn và mạch vi điện tử đã được

giang dạy ở trường Đại học Bách Khoa Hà Nội từ cuối những năm 1970 của thế kỷ

trước, đặc biệt là sau khi có Phòng thí nghiệm Vi điện từ MOS do Hà Lan viện trợ năm

1977. Từ đó đên nay, giáo trình liên tục được giảng dạy cho sinh viên ngành Vật lý kỹ

thuạt và gân đây cho cả ngành Điện tử - Viễn thông của trường. Giáo trình này thường

được dạy sau các giáo trình như Vật lý linh kiện bán dẫn hay cấu kiện điện tử. Vì vậy,

nội dung giáo trình chỉ liên quan đến các khâu công nghệ chủ yếu trong quy trình chế

tạo mạch vi điện tử, mà không đi sâu phân tích nguyên lý hoạt động của các linh kiện

cụ thê, trừ một sô linh kiện đặc biệt, hoặc vì lý do cần thiết để hiểu rõ hơn khâu công

nghệ nào đó. Tuy một trong hai tác giả đã cỏ hơn 30 năm kinh nghiệm giảng dạy và

nghiên cưu ve cong nghệ vi điện tử, nhưng, như đã nói ở trên, đây là lĩnh vực thay đổi

vo cung nhanh chóng, nên không khỏi có những kỹ thuật mới nhất chưa được cập nhật

trong tai hẹu. Mặt khác, trong quá trình bĩẽn soạn, tác giả cỏ sử dụng nhiều tài liệu

tieng Anh cua cac tác giả nước ngoài, có nhiều thuật ngữ mới trong tiếng Việt chưa có.

Khi đo phai dich nghía, tạm thời có ghi cà từ nguyên gốc tiếng Anh, để bạn đọc tiện

theo dõi. Trong phần lớn các trường hợp khác, tác giả sư dụng Từ dien Vật ỉỷ Anh Việt

cua Đạng Mọng Lân và Ngồ Quốc Quýnh, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 1992

và I ừđf n Vật ỉỷ và CÔng nghệ cao Anh ~ Việt & Việt - Anh do Vũ Đình Cự chủ biên

Nhà xuât bản Khoa học và Kỹ thuật, 2001.

Cuôn sách Công nghệ chế tạo mạch vi điện từ do Nhà xuất bản Bách Khoa - Hà

Nọ m lan đau nam 2007 đã được đông đảo bạn đọc là cán bộ, sinh viên đón nhận nhiệt

va được phat hành het trong thời gian ngắn. Trên cơ sờ tiếp thu những đóng góp

. ọc va cac y kiên của Hội đông thẩm định, lần này sách được xuất bản lần thứ

' ^ ung cạp ráật đê dùng làm là giáo trình chính thức của Trường Đai hoc

Bách Khoa Hà Nội

thrmcr vu ^ C0 tlìe °*10 si*1*1 viên các ngành Vật lý kỹ thuật, Điện tử - Viễn

tham kháo có nghệ vật Iiệu của các tnrờng đại học- sách cũng sẽ là tài liệu

sâu hoăc sử dune c '0f hác nhà kh0a học’ các ^ sư’ các nghiên cứu sinh muốu tỉm hiếu

từ hiện đại ụ mọ ay mdt vài khâu công nghệ trong quy 'trình chế tạo mạch vi điện

kỹ thua^và xi; ; hì : thí . h cảm ơnG S- TS- Nguyln Năng Định, Khoa Vật lý

kỹ thuật và Công nghệ nano, truóng Đại học Công nghệ, Đại hçc Quốc gia Ha N ộ-•

4

PGS. TS. Phó Thị Nguỳệt Hằng, PGS. TS. Nguyễn Hữu Lâm, PGS. TS. Lê Tuấn và

PGS. TS. Đặng Đức Vượng, Viện Vật lý kỹ thuật, TS. Nguyễn Vũ Thắng, Viện Điện

tử - Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã đọc bản thảo, trao đổi và đóng

góp nhiều ý kiến quý báu.

Các tác giả cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn đến GS. TS. Phùng Hồ, GS. TSKH.

Thân Đức Hiền và cố GS. TSKH. Nguyễn Phú Thùy đã luôn khuyến khích, động viên;

đặc biệt cảm ơn các đồng nghiệp PGS. TS. Phạm Thành Huy, TS. Mai Anh Tuấn và

ThS. Nguyễn Vãn Toán đã hỗ trợ rất hiệu quà trong khâu chế bản và các khâu kỹ thuật

khác để hoàn thành cuốn sách.

Cuốn sách chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Mọi góp ý xin gửi về

Nhà xuất bản Bách Khoa - Hà Nội hoặc trực tiếp cho tác già theo địa chỉ:

Bộ môn Vật liệu điện tử, Viện Vật lý kỹ thuật, Trường Đại học Bách Khoa

Hà Nội, Số 1, Đại cồ Việt, Hà Nội.

Các tác giá

GS. TS. Nguyễn Đức Chiến

PGS. TS. Nguyễn Văn Hiếu

MỤC LỤC

LỜI NÓI Đ À U ...................................................................................................................3

CHƯƠNG 1. NHẬP MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MẠCH VI ĐIỆN TỬ..............11

1.1. Công nghệ vi điện tử qua một ví dụ đơn giản....................................... 12

1.2. Các công đoạn công nghệ chính khác.............................................. 15

CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU BÁN DẲN........................................................................... ...

2.1. Giản đồ pha và độ hòa tan rắn (độ hòa tan giới hạn).............................. 17

2.2. Tinh thể học và cấu trúc tinh thể......................................... 20

2.3. Khuyết tật tinh thể.......................................... 22

2.4. Phương pháp nuôi tinh thể Czochralski................................................. 27

2.5. Nuôi cấy GaAs bằng phương pháp Bridgman...........................................31

2.6. Kỹ thuật nóng chảy vùng (float zone).... 32

2.7. Chế tạo phiến và các đặc trưng cùa phiến. 34

Bài tập................................................í......... 37

CHƯƠNG 3. KHUẾCH TÁ N ....................................................................................... 39

3.1. Phương trình khuếch tán Fick trường hợp một chiểu.............................. 40

3.2. Các mô hình khuếch tán nguyên từ ..... 41

3.3. Nghiệm giải tích của định luật Fick.......... 46

3.4. Các hiệu chỉnh cho lý thuyết đơn giản ... 48

3.5. Hệ số khuếch tán của các tạp chất thông dụng 49

3.6. Profile khuếch tán (phân bố nồng độ tạp) 53

3.7. Khuếch tán trong S i02............................. 60

3.8. Các hệ khuếch tán..................................... 61

3.9. Chương trình mô phỏng profile khuếch tán SUPREM . 63

Bàitập................................................. .......ZZlZZZZZZZZ"Z

CHƯƠNG 4. OXY HÓA NHIỆT...................................................... 68

4.1. Mô hình oxy hóa Deal - Grove...........................................zzzzz68

4.2. Hệ số tốc độ tuyến tính và parabol....... 71

4.3. Chế độ oxy hóa ban đầu...................... 74

4.4. Cấu trúc của Si02.................. ịg

4.5. Đặc trưng oxide.................

4.6. Hiệu ứng tạp chất trong quá trình oxy h o a Z Z Z Z Z Z Z I ' Z Z I I s O

4.7. Thiết bị oxy hóa............................................................................................81

4.8. Mô phỏng oxy hóa bằng SUPREM.............................................................82

Bài tập...................................................... 84

CHƯƠNG 5. C Á YIO N .................................................................................................86

5.1. Thiết bị cấy ion...............................................................................................87

5.2. Phân bố tạp chất...........................................................................................88

5.3. Cơ chế dừng ion........................................................................................... 89

5.4. Hiệu ứng kênh (channeling)....................................................................... 92

5.5. Hiệu ứng mất trật tự và ủ nhiệt................................................................... 93

5.5.1. Mất trật tự................... 93

5.5.2. ủ nhiệt................................................................................................95

5.6. Các quá trình liên quan đến cấy ion...........................................................96

5.6.1. Cấy ion nhiều lần...............................................................................96

5.6.2. Mặt nạ dùng cho cấy ion................................................................. 96

5.6.3. Tạo nguồn khuếch tán và điều khiển điện áp ngưỡng................. 97

5.6.4. Chế tạo các chuyển tiếp nông.........................................................97

5.6.5. Lớp điện môi chôn (burrieơ)............................................................ 97

5.7. Profile tạp tính bằng SUPREM.....................................................................98

Bài tập.....................................................................................................................99

CHƯƠNG 6. Xử LÝ NHIỆT NHANH........................................................................100

6.1. Bức xạ vật xám, trao đổi nhiệt và hấp thụ quang.....................................101

6.2. Các nguồn quang học có cường độ cao...................................................103

6.3. Đo nhiệt đ ộ ...................................................................................................104

6.4. Hoạt hóa tạp chất bằng xử lý nhiệt nhanh............................................... 107

6.5. Chế tạo lớp điện môi bằng xử lý nhiệt nhanh........................................... 108

6.6. Tạo tiếp xúc bằng hựp chất của silic và kim loại......................................109

Bài tập.............................. 110

CHƯƠNG 7. KHÁC VÀ ĂN MÒN..............................................................................111

7.1. Quang khắc................................................................................................111

7.1.1. Phòng sạch...................................................................................... 111

7.1.2. Các thiết bị chiếu sáng.................................................................... 114

7.1.3. Mặt nạ (mask).................................................................................. 117

7.1.4. Chất cảm quang...............................................................................119

7.1.5. Quá trình truyền hình ảnh...............................................................121

7.1.6. Các kỹ thuật tăng độ phân giải....................................................... 124

7.2. Các phương pháp khắc thế hệ sau..........................................................125

7.2.1. Khắc bằng chùm điện tử...............................................................125

7.2.2. Khắc bằng tia tử ngoại xa (Extreme-Ultraviolet)....................... 128

7.2.3. Khắc bằng tia ..................................................................................129

13n 7.2.4. Khắc bằng chùm tia ion................................................................. ,ou

7.2.5. So sánh các phương pháp khắc.................................................. 131

7.3. Tẩm thực (ăn mòn) hóa ướt...................................................................... ^

119 7.3.1. Tẩm thực silic..................................................................................

7.3.2. Tẩm thực dioxide silic............................ ........................................ 134

7.3.3. Tẩm thực silic nitride và silic đa tinh thể.......................................134

7.3.4. Tẩm thực nhôm..............................................................................^

7.3.5. Tẩm thực GaAs...............................................................................

7.4. Tầm thực khô..............................................................................................

7.4.1. Một số kiến thức cơ bàn về plasma............................................. 137

7.4.2. Cơ chế tẩm thục, chẩn đoán plasma, điều khiển điểm kết thúc.......139

7.4.3. Các kỹ thuật và thiết bị tầm thực plasma phản ứng....................141

7.4.4. Hệ tẩm thực ion phản ứng (RIE)................................................... 142

7.4.5. ứng dụng của tẩm tỉiực plasma phản ứng...................................145

7.5. Các hệ thống vi cơ điện tử (MEMS)......................................................... 139

7.5.1. Vi cơ khối.........................................................................................^39

7.5.2. Vi cơ bề m ặt................................................................................... ^

7.5.3. Kỹ thuật UGA ................................................................................. 152

Bài tập..... ...................................................................................... 154

CHƯƠNG 8. CÁC PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ TẠO MÀNG MỎNG:

BAY HƠI VÀ PHÚN X Ạ ................................................................. 156

6-1 ■ Bay hơi chân không....................................................................................15^

8-1.1. Thăng hoa và bay hơi.................................................................. 158

8.1.2. Tốc độ kết tủa..................................................................................

8.1.3. Phủ bậc thang.................................................................................151

8.1.4. Các kỹ thuật đốt chén nung.......................................................... 152

8.1.5. Màng mỏng đa thành phần........................................................... 154

8.2. Phún xạ (sputtering).................................................................................155

8.2.1. Vật lý quá trình phún x ạ .............................................................. 156

8.2.2. Tốc độ kết tủa và hiệu suất phún xạ .............................................157

8.2.3. Phún xạ plasma mật độ cao.......................................................... 168

8.2.4. Phún xạ các vật liệu đặc biệt........................................................ 169

Bài tập.................................................................................................................. 171

CHƯƠNG 9. KÉT TÙA HÓA PHA HƠI (CVD).......................................................172

9.1. Hệ CVD đơn giản để chế tạo màng silic..................................................172

9.2. Cân bằng hóa và định luật tác dụng khối lượng..................................... 173

9.3. Dòng khí và lớp biên...................................................................................177

9.4. Đánh giá hệ CVD đơn giản........................................................................ 180

9.5. Chế tạo màng điện môi bằng cvd áp suất khí quyển (APCVD)............182

9.6. Chế tạo màng điện môi và bán dẫn bằng CVD áp suất thấp (LPCVD) 183

9.7. Chế tạo màng điện môi bằng CVD có sự trợ giúp của plasma (PECVD).. 185

9.8. CVD màng kim loại..................................................................................... 187

Bài tập...................................................................................................................188

CHƯƠNG 10. EPITAXY............................................................................................. 189

10.1. Làm sạch phiến và tẩy lớp oxide tự nhiên.............................................. 190

10.2. Nhiệt động học quá trình epitaxy pha hơi (VPE)....................................191

10.3. Các phản ứng bề mặt............................................................................... 193

10.4. Pha tạp........................................................................................................195

10.5. Khuyết tật trong lớp epitaxy......................................................................196

10.6. Epitaxy GaAs............................................................................................. 196

10.7. Epitaxy không tương xứng và epitaxy lớp biến dạng............................197

10.8. Kết tủa hóa pha hơi từ hợp chất cơ kim (MOCVD)...............................200

10.9. Các kỹ thuật epitaxy pha hơi silic tiên tiến.............................................203

10.10. Công nghệ epitaxy chùm phân tử .................................. 206

Bài tập...................................................................................................................2-10

CHƯƠNG 11. CỒNG NGHỆ CMOS.........................................................................211

11.1. Các tính chất cơ bản của linh kiện kênh dài...........................................211

11.2. Các công nghệ MOS truyền thống..........................................................217

11.3. Quy trình công nghệ MOS........................................................................218

11.3.1. Chế tạo giếng.................................................................................218

11.3.2. Điện cực cồng............................................................................... 219

11.3.3. Quá trình chế tạo........................................................................... 220

11.4. Giảm thiểu kích thước linh kiện................................................................222

11.5. Các bộ nhớ MOS....................................................................................... 225

11.5.1. EPROM ...........................................................................................225

11.5.2. EEPROM........................................................................................ 228

Bài tập....................................................................................................................230

9

CHƯƠNG 12. CÔNG NGHỆ MESFET.....................................................................231

12.1. Nguyên lý hoạt động của MESFET........................................................ 231

12.2. Công nghệ chế tạo MESFET...................................................................233

Bài tập................................................................................................................... 236

CHƯƠNG 13. CÔNG NGHỆ LƯỠNG cự c SILIC................................................237

13.1. Quy trình công nghệ lưỡng cực...............................................................237

13.1.1. Cách điện bằng chuyển tiếp p -n ................................................237

13.1.2. Lớp chôn n+.................................................................................239

13.1.3. Cách điện bằng oxide................................................................. 239

13.1.4. Quy trình chế tạo........................................................................ 241

13.2. Transistor lưỡng cực.................................................................................241

13.2.1. Khuếch đại dòng........................................................................ 242

13.2.2. Dòng Collector............................................................................ 246

13.2.3. Điện áp Early.............................................................................. 246

13.2.4. Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào dòng..........................247

13.2.5. Mô phỏng............ .*.................................................................... 249

13.2.6. Điện áp đánh thủng....................................................................249

13.2.7. Điện trở Bazơ và Collector.........................................................250

13.2.8. Điện dung chuyền tiếp pn...........................................................252

13.2.9. Đáp ứng tần số............................................ 253

13.2.10. Transistor p n p ..................................... 255

13.3. Diode, điện trở và tụ điện.........................................................................255

13.3.1. Diode......................................................................... 256

13.3.2. Diode Schottky...........................................................................259

13.3.3. Các điện trở trong mạch tích hợp.............................................. 260

13.3.4. Tụ điện trong mạch tích hợ p........................................... 263

Bài tập.

, ~ 264

TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................. ............266

PHỤ LỤC...

..........................................................................................................................268

I0

Chương 1

NHẬP MÔN CÔNG NGHỆ CHÉ TẠO

MẠCH VI ĐIỆN TỪ

Công nghiệp điện tử đã phát triển cực kỳ nhanh chóng trong khoảng thời gian

bốn thập kỷ vừa qua. Sự phát triển đó là nhờ có cuộc cách mạng trong công nghệ vi

điện tử. Trước những năm 1960 người ta không thể nghĩ đến việc chế tạo nhiều

transistor trên cùng một miếng bán dẫn. Những máy tính số lúc bấy giò rất cồng kềnh,

chậm và vô cùng đắt. Phòng thí nghiệm nổi tiếng Bell Labs, noi ba nhà khoa học

Shockley, Brattain và Bardeen phát minh ra transistor năm 1947 đã không chấp nhận

khái niệm mạch tổ hợp (Integrated Circuit - IC). Họ lý luận rằng để một mạch hoạt

động thì tất cà mọi linh kiện đều phải hoạt động. Như vậy, để cho một mạch gồm 20

transistor hoạt động với xác suất 50% thì xác suất hoạt động của linh kiện phải là

(0,5)1/20 = 0,966 hay 96,6%, điều này lúc đó được coi như là quá mức lạc quan. Còn

hiện nay, các IC chứa đến hàng chục, hàng trăm triệu transistor.

Những transistor đầu tiên được chế tạo bằng vật liệu germany (Ge), còn hiện

nay phần lớn mạch tổ hợp được chế tạo trên vật liệu silic (Si). Trong giáo trình này,

chúng ta chủ yếu quan tâm đến silic. Loại vật liệu thứ hai cũng được dùng để chế tạo

IC là GaAs. Chúng ta cũng sẽ xét đến vật liệu GaAs và mạch tổ hợp trên GaAs nhưng

ở mức độ ít hom. Tuy rằng GaAs có độ linh động điện tử lớn hom của Si nhưng nó cũng

có nhiều hạn chế nghiêm trọng như độ linh động lỗ trống thấp, kém ổn định ưong quá

trình xử lý nhiệt, lớp oxide nhiệt chất lượng kém, giá thành cao và có lẽ quan trọng hơn

cả là mật độ khuyết tật lớn hơn nhiều. Do vậy, silic là vật liệu chù yếu để chế tạo vi

mạch có mức tổ hợp lớn, còn GaAs được dùng để chế tạo các mạch có tốc độ làm việc

rất cao nhưng mức độ tổ hợp vừa phải. Hiện tại, ứng dụng lớn nhất của GaAs là các

mạch tương tự (analog) làm việc ờ tần số lớn hơn gigahéc (10 Hz). Gần đây công nghệ

vi điện tử cũng được sử dụng để chế tạo các loại linh kiện khác nhau như linh kiện vi

từ (micromagnetic), linh kiện quang và linh kiện vi cơ (micromechanical).

Hình 1.1. Mật độ của bộ nhớ DRAM theo thời gian

Chúng ta có thể theo dõi quá trình phát triển của công nghệ vi điện tử silic ưên

ví dụ một loại chip, đó là chip bộ nhớv.(memory chip). Loại chip naỵ ve cơ ban khong

thay đổi chức năng ứong khoảng thời gian nhiều năm. Ngoài ra chip bọ nhơ được sư

dụng rất thường xuyên và được bán với số lượng lớn, thành thử việc thiêt kê chip rât

kinh tế. Kết quả là trong số các IC thì chip bộ nhớ cỏ mật độ tổ hợp lớn nhất. Hình

1.1 biểu diễn mật độ của bộ nhớ DRAM theo thời gian. Mật độ của các mạch tăng

theo hệ số 4 và mỗi lần tăng nhu vậy mất khoảng 3 năm. Điều này được biết đến như

là định luật Moore theo đó mật độ mạch tổ hợp tăng gấp đôi sau 18 tháng. Một trong

những thay đổi cơ bàn cho phép công nghệ tiến hóa như trên là sự giảm kích thước

tối thiểu cùa linh kiện Giảm kích thước tối thiểu không chì làm tăng mật độ tô hợp,

mà tốc độ làm việc của transistor cũng được cải thiện do điện tử (electron) và lỗ

trống chi phải vượt qua một quãng đường ngắn hom. Tính năng tần sổ của transistor

trong IC được cài thiện một phần còn do các transistor được chế tạo ờ gần nhau nên

điện dung kí sinh giảm.

1.1. CÔNG NGHỆ VI ĐIỆN TỪ QUA MỘT vỉ Dự ĐƠN GIÀN

Thay vì bàn sơ đồ nhà thiết kế mạch trao cho nhà chế tạo IC một bộ mật nạ

quang (photomask). Mặt nạ quang là thể hiện vật lý của bản thiết kể được chế tạo theo

nhừng quy tắc thiết kế nhất định. Ví dụ, giả thiết cần một IC đơn giản là bộ phân áp

(chia điện áp) như trên hình 1.2.

12

o

o-

(a) (b)

Hình 1.2. Sơ đồ mạch chia điện áp

(a) Sơ đồ điện; (b) Bản vẽ lay-out.

Công nghệ chế tạo mạch này được chỉ ra trên hình 1.3. Phiến silic được dùng

làm đế vì nó rất phẳng, tương đối rẻ và phần lớn các thiết bị công nghẹ chế tạo IC thích

hợp với việc sừ dụng phiến silic. Việc chế tạo phiến silic được trình bày trong chương 2.

Vì phiến silic dù sao cũng dẫn điện, tuy không tốt, nên cần thiết phải tạo một lớp cách

điện trên đế silic để tránh dòng rò giữa các điện trở cạnh nhau. Thường người ta dùng

oxide silic nhận bằng oxy hóa nhiệt vì nó là vật liệu cách điện tuyệt vời. Quá trình oxy

hóa nhiệt silic được xét trong chương 4. Tiếp theo người ta kết tủa một lớp dẫn điện để

chế tạo điện trở. Một số phương pháp chế tạo màng cách điện và dẫn điện sẽ được xét

trong các chương 8 và 9.

(2) Tạo lởp ôxit

(3) Lắng đọng lớp vật liệu điện trờ

(5) Lắng đọng lởp vật liệu cách điện (6) Tạo hình lớp cách điện

(7) Phủ lởp vật lỉộu kim loại (8) Tạo hình lớp kỉm loại

Hình 1.3. Quy trình ché tạo bộ chia điện ảp

13

Lớp dẫn điện này cần được chia ra thành các điện trở riêng rẽ. Muốn vậy người

ta tẩy bỏ những phần không cần thiết, chỉ giữ lại những phần hình chữ nhật và những

phần này cách ly với nhau. Giá trị điện trở được cho bởi:

trong đó p là điện trở suất cùa vật liệu, L là chiều dài điện ưở, w là chiêu rộng điện trở

và t là chiều dày màng.

Nhà thiết kế có thể chọn các giá trị điện trở khác nhau băng each chọn ty lẹ W/L

khác nhau trong khuôn khổ các quy tắc thiết kế lay-out.

Nhà công nghệ chọn chiều dày và vật liệu (do đó là p) đê cung câp cho nha thiêt

kế giá trị điện trờ suất thích hợp, nhưng không bắt buộc nhà thiêt kê phải dùng đen các

kích thước giới hạn. Vì p và / được xác định trong quá trinh chế tạo và gần như không

đôi trên toàn phiến, người ta thường dùng tỷ số p/t hơn là dùng các giá trị riêng biẹt là

p và t. Tỷ số này được gọi là điện trờ bề mặt (Rs) hay điện trờ vuông. Đơn VỊ (thư

nguyên) cùa Rs là /30, số ô vuông chính là tỷ số LỈW của điện trở.

Những thông tin về điện trở do nhà thiết kế cung cấp, có nghĩa là L và w của

moi điện trờ, cần được chuyển từ mặt nạ quang sang phiến silic. Việc này được thực

hiện bằng công đoạn quang khắc (photolithography). Trong công đoạn này, trước hết

một lớp nhạy quang gọi là càm quang (photoresist) được phủ lên phiên hỉnh 1.4.

(1) Đé Si với lớp vật liệu (2) Đé được phủ chất

cần khắc hình cảm quang

ỉiỉỉỉí

(3) sáy khô sơ bộ lớp

cám quang

PPI

(4) Chiếu sáng lớp cảm

quang qua mặt nạ

(5) Hỉộn hình lớp cảm (6) mòn v3*

quang

Hình 1.4. Các bước truyền hình lên phiến bằng kỹ thuật quang khắc

14