實驗二 金屬薄膜沉積與四點探針方法 Metal deposition and 4 point probe method 半導體專題實驗 實驗二 金屬薄膜沉積與四點探針方法 Metal deposition and 4 point probe method

Outline 實驗原理 金屬鍍膜 四點探針的理論與量測 四點探針公式推導 實驗步驟 實驗注意事項

金屬鍍膜 (Metal Deposition) 本實驗使用物理鍍膜 (Physical Vapor Deposition；PVD) 需在真空下進行 可分為蒸鍍(evaporation)與濺鍍 (sputtering)兩種 蒸鍍環境：10-6~10-7 Torr

真空環境 一般的機械式抽氣幫浦，只能抽到10-3 Torr的 真空度(粗抽)，之後須再串接高真空幫浦，才 高真空幫浦有以下幾種: 擴散式幫浦 (diffusion pump) 渦輪式幫浦 (turbo pump) 致冷式幫浦 (cryogenic pump)

diffusion pump

turbo pump

cryogenic pump

真空系統示意圖(鍍鋁機)

蒸鍍 根據加熱方式差異，可再分為電阻式(thermal coater)與電子槍式(E-gun evaporator)兩類 電阻式： 將準備熔融蒸發的金屬以線材方式掛在加熱鎢絲上，受熱熔融後，因液體表面張力故，會攀附在加熱鎢絲上，然後徐徐飄附著至腔體四周(包含sample晶圓)。因加熱鎢絲耐熱能力與供金屬熔液攀附空間有限，僅用於低熔點的金屬蒸鍍，如鋁，且蒸鍍厚度有限。

蒸鍍 電子槍式： 利用電子束打入靶材加熱，金屬靶材擺在石墨或鎢質坩堝(crucible)中。待金屬蒸氣壓超過臨界限度，金屬原子開始徐徐飄附著至腔體四周(包含sample晶圓)。 電子槍式蒸鍍機可蒸鍍熔點較高的金屬，厚度也比較不受限制。此系統主要的優勢是可以避免Na+離子汙染晶片，同時可以改善Step Coverage。

Step Coverage 在起伏較劇烈的表面，蒸鍍之金屬斷裂不連續。另外，多片晶圓的大面積蒸鍍也存在厚度均勻的問題。為此，晶片承載臺加上公轉自轉的轉盤機制，方便用於上述兩問題之改善。

電阻式蒸鍍 應用於低溫金屬，以及鍍碳、金等導電用薄膜。圖為鍍鋁機。 製作低溫金屬如銦、錫等時，可以利用蒸鍍的方式得到μm級的膜，快速且平整性及均勻性好。 利用加熱的方式使碳棒放出細微碳分子在試片表面導電用，鍍金亦同。 優點是操作方便，真空潔淨度佳，快速且厚度可大可小。

電阻式蒸鍍

電子槍式蒸鍍

濺鍍 利用一個電漿中的高能離子去轟擊而濺射出一個 靶的原子出來，這些原子接著穿越過一個真空或 非常低壓的氣相，撞擊到晶圓之上，在表面上重 新沉積而形成膜。 氬氣(Ar)是濺鍍製程中最常用的氣體，因為它是 惰性的，質量夠大的以及豐沛的(大氣中約佔1%) ，並且符合成本效益的氣體。 在反應式濺鍍製程中，可以使用氧或氮與氬的混 合氣體來沉積金屬氧化物或氮化物，如氮化鈦。

濺鍍

濺鍍-真空系統 MP TP FV Chamber MV RV VENT GAS VALVE Ar N2

濺鍍-操作面板 MP:機械式幫浦 TP:渦輪式幫浦 RV:粗抽閥 FV:細抽閥 MV:主閥 VENT:破真空閥 GAS VALVE:氬氣閥 MOTOR:轉盤 tp mode full/half - speed:TP 升速/降速

濺鍍-操作步驟 關掉主閥MV，按一下VENT破真空。打開chamber後再關閉VENT。 1.破真空，load sample 2.粗抽 Sputter需常年保持在低壓環境下，因此在操作sputter前 先確定MP、TP、FV、MV四個按鈕是開的(即亮綠色)。 1.破真空，load sample 關掉主閥MV，按一下VENT破真空。打開chamber後再關閉VENT。 放入金屬靶材並將檔板先蓋上，然後將準備好的sample用膠帶固定在轉盤上，關上chamber。 2.粗抽 關閉FV，打開RV，打開GAS　VALVE，進行粗抽並確定壓力有下降。

濺鍍-操作步驟 確定壓力抽至5E-2後，關閉RV，打開FV，打開MV，進行細抽，約需一個半小時。 3.細抽 4.降速 確定壓力至5E-6後，按一下tp mode half-speed，讓渦輪降速。 5.預鍍 開啟MOTOR讓轉盤旋轉。通入氬氣並調整流量，開電漿主電源，確定電漿有點起來，預鍍3分鐘。

濺鍍-操作步驟 6.濺鍍 移開擋板開始進行濺鍍。濺鍍完後將擋板遮回，關掉電極主電源，關閉氮氣流量，關掉GAS VALVE。 7.升速 按一下tp mode full-speed，讓渦輪升速。 8.破真空，取出sample 同步驟一，取出sample。 9.抽真空 同步驟2與3，確定sputter處於低壓環境，完成操作。

量測晶圓的電阻率 直接量測法 兩點探針法 一點探針法 線性四點量測法 (本實驗採用) 非線性量測法 (實驗三採用) 1. 正方形排列 2. ven der Pauw量測法

四點探針 V I 四點探針量測最早是在1954 年被Valdes 應用於半導體晶片之電阻率的量測上。

四點探針 (1)四點探針法有何好處: 四點探針具有以下特點： 一是當樣品尺寸很大時，樣品尺寸、形狀等幾何參數對測量結果不產生影響，因此不必製作特殊規格的試樣 二是可在工件、器件或設備上直接測量電阻率。

(2)為何四點探針可減少實驗誤差: 在高導電率材料或小電阻器件的電阻測量之中，不僅電路中的接觸電阻不可以忽略不計，甚至導線的電阻都不是無窮小量。而四點探針法較兩點探針法可有效減少誤差。

4 point probe可以更精確量得V與resistivity

當厚度遠大於電流擴散深度時: T>>探針彼此間距，且探針與試片邊緣距離>>探針彼此間距 將電流視為表層點電荷 對點電荷而言 If S1=S2=S3=S Resistivity E=rJ

四點探針公式推導 當厚度遠小於電流擴散深度時: S 1 2 3 4 I t t<<S/2 Line charge

考慮各種形狀:

3D (t >> s)

2D (t << s)

參考照片 1.電阻率量測儀器 2.放置晶片 3.將四點探針對準晶片 4.壓下後數據會顯示出來

實驗注意事項 1. 實驗時穿著，長褲，襪子，實驗衣，並戴上口罩及手套 2. 移動晶片時都以鑷子夾取 3. 使用濺鍍機或鍍鋁機時，請遵照濺鍍機和鍍鋁機標準操作流程

實驗結果 Calculate metal thickness Rsheet=r/tmetal @20oC Au Ag Cu Pt Al Ni Ti W Fe Pb Resistivity (10-8 W-m) 2.44 1.59 1.68 10.6 2.82 6.99 42.0 5.60 10 2.2 Ref: https://www.thoughtco.com/table-of-electrical-resistivity-conductivity-608499 量測sheet resistance and resistance經由resistivity換算得thickness 量測sheet resistance and resistance經由thickness換算得resistivity

結報問題 For different gas tanks, what does the color mean? What is a pressure regulator? How does it work? What is the color of the plasma from different gases? How does the ion gauge work? What is the difference between DC sputtering and RF sputtering? What are they suitable for? What is SRP (spreading resistance probe)? How is the resistivity measured by SRP?