Quá trình đầu cuối trong sản xuất chip: Chế độ lắng đọng phim mỏng

Quá trình Front-End trong Sản xuất Chip: Lắng đọng Màng Mỏng

Mạch tích hợp được cấu tạo từ nhiều bước chế tạo phức tạp và tinh vi, trong đó lắng đọng màng mỏng là một trong những công nghệ quan trọng nhất. Mục đích của lắng đọng màng mỏng là xây dựng các lớp đa tầng trong các thiết bị bán dẫn và đảm bảo cách điện giữa các lớp kim loại. Nhiều lớp kim loại dẫn điện và lớp cách điện điện môi được xếp chồng xen kẽ trên bề mặt wafer. Sau đó, chúng được loại bỏ có chọn lọc thông qua các quy trình khắc lặp đi lặp lại để tạo thành cấu trúc 3D.

Thuật ngữ mỏng thường đề cập đến các màng có độ dày dưới 1 micron, không thể sản xuất bằng gia công cơ học thông thường. Quá trình gắn các màng phân tử hoặc nguyên tử này lên bề mặt wafer được gọi là lắng đọng.

 

Tùy thuộc vào nguyên tắc cơ bản, các kỹ thuật lắng đọng màng mỏng thường được phân loại thành:

• Lắng đọng hóa học (CVD)

• Lắng đọng vật lý (PVD)

• Lắng đọng lớp nguyên tử (ALD)

Khi công nghệ màng mỏng phát triển, nhiều hệ thống lắng đọng khác nhau đã xuất hiện để phục vụ các bước khác nhau trong quá trình chế tạo wafer.

---

▌Lắng đọng vật lý (PVD)

PVD đề cập đến một nhóm các quy trình dựa trên chân không sử dụng các phương tiện vật lý để hóa hơi vật liệu đích (rắn hoặc lỏng) thành nguyên tử hoặc phân tử, hoặc ion hóa một phần chúng, và vận chuyển chúng qua khí áp suất thấp hoặc plasma để lắng đọng các màng chức năng lên chất nền.

Các phương pháp PVD phổ biến bao gồm:

• Lắng đọng bay hơi

• Lắng đọng phun

• Lắng đọng plasma hồ quang

• Mạ ion

• Tế bào phân tử (MBE)

PVD được đặc trưng bởi:

• Độ tinh khiết của màng cao

• Chất lượng màng ổn định

• Nhiệt độ xử lý thấp hơn

• Tốc độ lắng đọng cao

• Chi phí sản xuất tương đối thấp

PVD chủ yếu được sử dụng để lắng đọng các màng kim loại và không thích hợp cho các màng cách điện. Lý do là khi các ion dương bắn phá một mục tiêu cách điện, chúng truyền năng lượng động học cho bề mặt mục tiêu, nhưng bản thân các ion dương tích tụ trên bề mặt. Sự tích tụ điện tích này tạo ra một điện trường đẩy lùi các ion đến và cuối cùng dừng quá trình phun.

● Bay hơi chân không

Trong môi trường chân không, vật liệu đích được nung nóng và bay hơi. Các nguyên tử hoặc phân tử bốc hơi khỏi bề mặt và di chuyển với va chạm tối thiểu qua chân không để lắng đọng trên chất nền. Các phương pháp gia nhiệt phổ biến bao gồm:

• Gia nhiệt điện trở

• Cảm ứng tần số cao

• Bắn phá chùm electron, chùm laser hoặc chùm ion

● Lắng đọng phun

Trong chân không, các hạt năng lượng cao (thường là ion Ar⁺) bắn phá bề mặt mục tiêu, khiến các nguyên tử bị đẩy ra và lắng đọng lên chất nền.

● Mạ ion

Mạ ion sử dụng plasma để ion hóa vật liệu phủ thành ion và nguyên tử trung hòa năng lượng cao. Một điện áp âm được áp dụng cho chất nền, thu hút các ion lắng đọng và tạo thành một màng mỏng.

---

▌Lắng đọng hóa học (CVD)

CVD sử dụng các phản ứng hóa học để lắng đọng màng mỏng. Khí phản ứng được đưa vào buồng phản ứng và kích hoạt bằng nhiệt, plasma hoặc ánh sáng. Các loại khí này phản ứng hóa học để tạo thành màng rắn mong muốn trên chất nền, trong khi các sản phẩm phụ được thải ra khỏi buồng.

CVD bao gồm nhiều biến thể tùy thuộc vào điều kiện:

• CVD áp suất khí quyển (APCVD)

• CVD áp suất thấp (LPCVD)

• CVD tăng cường plasma (PECVD)

• PECVD mật độ cao (HDPECVD)

• CVD kim loại-hữu cơ (MOCVD)

• Lắng đọng lớp nguyên tử (ALD)

Các màng CVD thường thể hiện:

• Độ tinh khiết cao

• Hiệu suất vượt trội
  Đây là phương pháp chủ đạo để chế tạo các màng kim loại, điện môi và bán dẫn trong sản xuất chip.

● APCVD

Được thực hiện ở áp suất khí quyển và 400–800 °C, được sử dụng để sản xuất các màng như:

• Silicon đơn tinh thể

• Silicon đa tinh thể

• Silicon dioxide (SiO₂)

• SiO₂ pha tạp

● LPCVD

Được áp dụng trong các quy trình >90nm để sản xuất:

• SiO₂, PSG/BPSG

• Silicon nitride (Si₃N₄)

• Polysilicon

● PECVD

Được sử dụng rộng rãi trong các nút 28–90 nm để lắng đọng các vật liệu điện môi và bán dẫn.
Ưu điểm:

• Nhiệt độ lắng đọng thấp hơn

• Mật độ và độ tinh khiết của màng cao hơn

• Tốc độ lắng đọng nhanh hơn
  Các hệ thống PECVD đã trở thành các công cụ màng mỏng được sử dụng rộng rãi nhất trong các nhà máy so với APCVD và LPCVD.

---

▌Lắng đọng lớp nguyên tử (ALD)

ALD là một loại CVD đặc biệt cho phép phát triển màng siêu mỏng bằng cách lắng đọng từng lớp nguyên tử một lần thông qua các phản ứng bề mặt tự giới hạn. 

Không giống như CVD thông thường, ALD xen kẽ các xung tiền chất. Mỗi lớp được hình thành bởi một phản ứng bề mặt tuần tự với lớp đã lắng đọng trước đó. Điều này cho phép:

• Kiểm soát độ dày ở cấp độ nguyên tử

• Độ bao phủ phù hợp

• Màng không có lỗ thủng

ALD hỗ trợ lắng đọng:

• Kim loại

• Oxide

• Carbide, nitride, sulfide, silicide

• Chất bán dẫn và chất siêu dẫn

Khi mật độ tích hợp tăng lên và kích thước thiết bị thu nhỏ, chất điện môi high-k đang thay thế SiO₂ trong cổng transistor. Độ bao phủ bước tuyệt vời và khả năng kiểm soát độ dày chính xác của ALD khiến nó trở nên lý tưởng cho việc chế tạo thiết bị tiên tiến và ngày càng được áp dụng trong sản xuất chip tiên tiến.

---

▌So sánh các công nghệ lắng đọng

● Hiệu suất lắng đọng màng

(Tại đây, bạn có thể chèn một bảng so sánh về tính phù hợp, kiểm soát độ dày, độ bao phủ bước, v.v.)

 

● Công nghệ và Ứng dụng

(Chèn bảng hiển thị các trường hợp sử dụng PVD so với CVD so với ALD)

 

● Thiết bị & Khả năng

(Chèn bảng so sánh tốc độ lắng đọng, nhiệt độ, độ đồng đều, chi phí)

---

Kết luận

Sự tiến bộ của các công nghệ lắng đọng màng mỏng là điều cần thiết cho sự phát triển liên tục của ngành công nghiệp bán dẫn. Các quy trình này ngày càng trở nên đa dạng và chuyên biệt hơn, cho phép đổi mới và cải tiến hơn nữa trong sản xuất mạch tích hợp.