PHẦN MỞ ĐẦU

Bán Dẫn Và Mạch Tích Hợp (IC)

TỔNG QUAN

Chúng ta thường nghe mọi người nói rằng chúng ta đang sống trong thời đại thông tin. Một lượng lớn thông tin có thể thu được qua Internet và cũng có thể thu được một cách nhanh chóng qua những khoảng cách xa bằng những hệ thống truyền thông vệ tinh. Sự phát triển của transistor và IC đã dẫn đến những khả năng đáng kinh ngạc này. IC thâm nhập vào hầu hết mọi mặt của đời sống hàng ngày chẳng hạn như đầu đọc đĩa CD, máy Fax, máy Scan laser tại các siêu thị, và điện thoại di động. Một trong những ví dụ điễn hình nhất của kĩ thuật mạch tích hợp là máy tính số – ngày nay một laptop tương đối nhỏ cũng có khả năng tính toán hơn một thiết bị được dùng để gửi con người lên mặt trăng cách đây vài năm. Lĩnh vực điện tử bán dẫn tiếp tục là một lĩnh vực có tốc độ phát triển nhanh, với hàng nghìn tài liệu nghiên cứu được xuất bản mỗi năm.

LỊCH SỬ

Thiết bị bán dẫn có một lịch sử phát triển khá dài nhưng sự bùng nổ của kĩ thuật mạch tích hợp chỉ mới xuất hiện trong hai hoặc ba thập niên gần đây. Tiếp xúc kim loại–bán dẫn bắt nguồn từ những công trình trước đây của Braun vào năm 1874. Ông đã phát minh ra bản chất bất đối xứng của độ dẫn điện giữa tiếp xúc kim loại và bán dẫn. Những thiết bị này được dùng như detector trong những thí nghiệm trên radio trước đây. Vào năm 1906, Pickard đã đưa ra phát minh về detector tiếp xúc điểm dùng silic và, năm 1907, Pierce đã công bố nghiên cứu về đặc tính chỉnh lưu của diode được chế tạo bằng cách phun kim loại trên những loại bán dẫn khác nhau.

Năm 1935, bộ chỉnh lưu selen và diode tiếp xúc điểm silic đã được dùng làm bộ phát hiện tỉ số. Với sự phát triển của Radar, nhu cầu về những diode tách sóng và bộ trộn sóng tăng lên. Những phương pháp tạo ra Silic và Gemani pha tạp cao cũng được phát triển trong suốt thời gian này. Bước tiến trong hiểu biết về tiếp xúc kim loại–bán dẫn được hỗ trợ bởi sự phát triển trong vật lí bán dẫn. Có lẽ sự kiện quan trọng nhất trong thời kì này là lí thuyết về sự phát xạ nhiệt của Bethe vào năm 1942, theo lí thuyết này dòng điện được xác định bởi quá trình phát electron trong kim loại chứ không phải qua sự trôi giạt hoặc khuếch tán. Một bước đột phá khác diễn ra vào năm 1947 khi transistor đầu tiên được chế tạo và được kiểm tra tại phòng thí nghiệm Bell bởi William Shockley, John Bardeen, và Walter Brattain. Transistor đầu tiên này là một thiết bị tiếp xúc điểm và dùng Germani đa tinh thể. Hiệu ứng transistor cũng sớm được chứng minh trong silic. Một sự cải tiến có ý nghĩa khác xuất hiện vào cuối những năm 1949 khi vật liệu đơn tinh thể được dùng thay cho vật liệu đa tinh thể. Đơn tinh thể đã đạt được sự đồng đều và một số tính chất được cải tiến so với những vật liệu bán dẫn khác.

Bước tiến tiếp theo trong sự phát triển của transistor là sử dụng quá trình khuếch tán để hình thành nên những tiếp xúc cần thiết. Quá trình này cho phép điều khiển tốt hơn tính chất của transistor và đã thu được những thiết bị có thể hoạt động ở tần số cao. Transistor mô đỉnh bằng được chế tạo bằng phương pháp khuếch tán được thương mại hóa vào năm 1957 (loại Germani) và năm 1958 (loại Silic). Quá trình khuếch tán cũng cho phép nhiều transistor được chế tạo trên một lớp silic đơn tinh thể mỏng, vì vậy giá thành của những thiết bị này giảm xuống.

MẠCH TÍCH HỢP (IC)

Đến lúc này, những thành phần trong mạch điện tử vẫn phải được kết nối với nhau bằng những dây riêng biệt. Tháng 11 năm 1958, Jack Kilby thuộc công ti Texas Instruments đã chế tạo IC đầu tiên bằng Germany. Cũng trong khoảng thời gian đó, Robert Noyce thuộc công ti Fairchild Semiconductor cũng đã chế tạo thành công IC bằng silic dùng công nghệ planar. Mạch đầu tiên đã sử dụng transistor lưỡng cực. Sau đó, những transistor MOS được chế tạo vào giữa những năm 60. Công nghệ MOS, đặc biệt là CMOS đã trở thành tiêu điểm lớn cho việc thiết kế và chế tạo IC. Silic là vật liệu bán dẫn chính được sử dụng trong chế tạo IC. GaAs và những bán dẫn hợp chất khác được dùng trong những ứng dụng đặc biệt đòi hỏi tần số cao và những thiết bị phát quang.

Kể từ IC đầu tiên đó, việc thiết kế mạch đã trở nên tinh vi hơn, và mạch tích hợp ngày càng phức tạp hơn. Chip silic đơn tinh thể cỡ 1 cm² đã chứa hơn một triệu transistor. Một số IC có thể có hơn hàng trăm chân, trong khi mỗi transistor chỉ có 3 chân. Một IC có thể chứa những hàm đại số, logic, và nhớ trong một chip bán dẫn đơn tinh thể–ví dụ về loại IC này là vi xử lí. Những nghiên cứu về quá trình chế tạo silic cùng với sự tăng tính tự động hóa trong thiết kế và chế tạo đã dẫn đến giá thành thấp hơn và sản lượng cao hơn.

CHẾ TẠO

Mạch tích hợp là kết quả trực tiếp của việc phát triển những kĩ thuật chế tạo transistor và những dây liên kết trong chip đơn. Sau đây chúng ta sẽ mô tả một vài quá trình này. Phần giới thiệu này nhằm mục đích cung cấp cho người đọc một số thuật ngữ cơ bản trong chế tạo.

Oxi hóa nhiệt Sự thành công của những IC được chế tạo từ tinh thể sillic là nhờ một loại oxit thiên nhiên tuyệt vời, SiO₂, được hình thành trên bề mặt silic. Oxit này được dùng như cổng cách li trong MOSFET và cũng được dùng như chất cách điện giữa các thiết bị và được gọi là oxit trường. Những dây liên kết bằng kim loại kết nối những thiết bị khác nhau có thể được đặt trên đỉnh của oxit trường. Hầu hết các chất bán dẫn khác không hình thành đủ oxit tự nhiên để dùng trong việc chế tạo thiết bị.

Silic sẽ bị oxi hóa ở nhiệt độ phòng trong không khí hình thành nên oxit tự nhiên mỏng có độ dày khoảng 25 A⁰. Tuy nhiên, đa số sự oxi hóa được thực hiện tại nhiệt độ cao bởi vì quá trình cơ bản đòi hỏi oxi khuếch tán qua oxit đang tồn tại đến bề mặt silic để tương tác có thể xảy ra. Sơ đồ của quá trình oxi hóa được biễu diễn trong hình 0.1. Oxi khuếch tán trực tiếp qua lớp khí ứ đọng kế với bề mặt oxit và sau đó khuếch tán qua lớp oxit đang tồn tại đến bề mặc silic, ở đó O₂ tương tác với Si hình thành nên SiO₂. Bởi vì tương tác này, silic bị phá hủy tại bề mặt của nó. Lượng silic bị phá hủy gần bằng 44% độ dày của oxit sau cùng.

Mạng che quang và quang khắc Mạch trên mỗi chip được tạo ra bằng cách dùng mạng che quang và quang khắc. Mạng che quang là sự biểu diễn về mặt vật lí của một thiết bị hoặc một phần của thiết bị. Vùng đục trên mạng được tạo bởi vật liệu hấp thụ tia tử ngoại. Đầu tiên, một lớp nhạy quang được gọi là lớp cản quang được phủ trên bề mặt của bán dẫn. Lớp cản quang là một polime hữu cơ thực hiện những biến đổi hóa học khi tiếp xúc với ánh sáng tử ngoại. Lớp cản quang tiếp xúc với ánh sáng tử ngoại qua mạng che quang như được chỉ ra trong hình 0.2. Sau đó, lớp cản quang được phát triển trong một dung dịch hóa học. Thuốc hiện ảnh được dùng để di chuyển những phần không mong muốn của lớp cản quang và tạo ra một hình dạng thích hợp trên silic. Mạng che quang và quá trình quang khắc là yếu tố then chốt để xác định xem thiết bị chế tạo ra có thể nhỏ như thế nào. Thay vì dùng ánh sáng tử ngoại, electron và tia X cũng có thể được dùng để bốc lớp cản quang ra.

Ăn mòn Sau khi hình dạng của lớp cản quang được hình thành, lớp cản quang còn lại có thể được dùng như một mặt nạ, vì thế vật liệu không bị phủ bởi lớp cản quang sẽ bị ăn mòn. Hiện nay, ăn mòn Plasma là một quá trình tiêu chuẩn được dùng trong chế tạo IC. Thông thường, một chất khí ăn mòn chẳng hạn như khí CFC (CloFlocarbon) được bơm vào một buồng áp suất thấp. Plasma được tạo ra bằng cách đặt một điện áp tần số radio giữa catot và anot. Miếng silic được đặt ở catot. Những ion mang điện dương trong Plasma được gia tốc hướng về Catot và bắn phá miếng bán dẫn theo hướng vuông góc với bề mặt. Tương tác vật lí và hóa học thực sự tại bề mặt rất phức tạp nhưng kết quả cuối cùng là silic có thể bị ăn mòn dị hướng trong những vùng được chọn lọc của miếng bán dẫn. Nếu lớp cản quang được đặt vào bề mặt của silic đioxit thì silic đioxit cũng có thể bị ăn mòn theo cách tương tự.

Khuếch tán

Quá trình nhiệt được dùng rộng rãi trong chế tạo IC là khuếch tán. Khuếch tán là một quá trình mà qua đó những loại nguyên tử tạp chất đặc biệt có thể được đưa vào trong vật liệu silic. Quá trình pha tạp này làm thay đổi tính chất điện của silic và hình thành nên tiếp xúc pn. (Tiếp xúc pn là thành phần cơ bản của thiết bị bán dẫn.) Miếng silic bị oxi hóa để hình thành đioxit silic và những cửa sổ nhỏ được mở trong oxit trong những vùng được chọn lựa dùng kĩ thuật quang khắc và ăn mòn như vừa được mô tả ở trên.

Sau đó miếng bán dẫn được đặt trong lò nhiệt độ cao (khoảng 1100⁰C) và những nguyên tử pha tạp chẳng hạn như Bo hoặc Photpho được đưa vào. Những nguyên tử pha tạp dần dần khuếch tán và di chuyển vào trong silic do gradient mật độ. Bởi vì quá trình khuếch tán đòi hỏi gradient trong mật độ nguyên tử, mật độ sau cùng của những nguyên tử khuếch tán là phi tuyến như được biễu diễn trong hình 0.3. Khi miếng bán dẫn được lấy ra khỏi lò và nhiệt độ của miếng bán dẫn trở lại nhiệt độ phòng, hệ số khuếch tán của những nguyên tử pha tạp về cơ bản bằng 0 vì thế những nguyên tử pha tạp định xứ trong vật liệu silic.

Cấy Ion Đây là quá trình thay thế cho quá trình khuếch tán nhiệt độ cao. Một chùm những ion pha tạp được gia tốc ở năng lượng cao và đến bề mặt bán dẫn. Khi những ion đi vào silic, chúng va chạm với những nguyên tử silic, đánh mất năng lượng và cuối cùng dừng lại tại một độ sâu nào đó trong tinh thể. Bởi vì quá trình va chạm về bản chất là thống kê, do đó có một sự phân bố độ sâu thâm nhập của những ion pha tạp. Hình 0.4 biễu diễn ví dụ về quá trình cấy Bo vào silic tại một năng lượng nào đó.

Hai ưu điểm của quá trình cấy ion so với quá trình khuếch tán là: (1) quá trình cấy ion là một quá trình nhiệt độ thấp và (2) những lớp tạp chất được cố định rất tốt. Lớp cản quang và lớp oxit có thể được dùng để ngăn cản sự thâm nhập của những nguyên tử tạp chất để cho quá trình cấy Ion có thể xuất hiện trong những vùng rất được chọn lựa của silic.

Một nhược điểm của cấy ion là tinh thể silic có thể bị hỏng bởi sự thâm nhập của những nguyên tử tạp chất dẫn đến sự va chạm của những nguyên tử tạp chất tới và những nguyên tử silic chủ. Tuy nhiên, đa số sự hư hỏng có thể được loại bỏ bằng cách luyện silic ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ luyện thường rất thấp hơn nhiệt độ của quá trình khuếch tán.

Mạ kim loại, liên kết, và đóng gói Sau khi thiết bị bán dẫn đã được chế tạo bằng những quy trình như đã được thảo luận. Chúng cần được kết nối với nhau để hình thành nên mạch. Thường màn kim loại được kết tủa bởi kĩ thuật kết tủa chân không và những dây liên kết được hình thành dùng quang khắc và ăn mòn. Nói chung, lớp bảo vệ nitric silic cuối cùng được kết tủa trên toàn bộ chip.

Những chip IC riêng biệt được tách ra bằng cách vạch và bẽ gãy miếng bán dẫn. Sau đó chip IC được đưa vào trong gói. Cuối cùng, những gạch liên kết bằng chì được dùng để gắn những dây bằng nhôm hoặc vàng giữa chip và các chân trên gói.

Tóm tắt: Quá trình chế tạo tiếp xúc pn được đơn giản hóa. Hình 0.5 này biễu diễn những bước cơ bản trong sự hình thành tiếp xúc pn. Những bước này bao gồm một vài quá trình được mô tả trong đoạn trước.