磁控濺鍍原理與薄膜濺鍍技術 修平技術學院 電子工程系教授兼工學院院長 陳宏仁 教授 2010/5/29.

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1 磁控濺鍍原理與薄膜濺鍍技術 修平技術學院 電子工程系教授兼工學院院長 陳宏仁 教授 2010/5/29

2 簡報大綱 物理性鍍膜簡介 1 磁控濺鍍原理 2 薄膜濺鍍技術與應用 3 結論 4

3 Purpose of the Thin Film Technology
Thin Films are deposited onto bulk material (Sub.) to achieve properties unattainable or not easily attainable in the substrate alone. What properties are required for the application at hand?

4 Thin-Film Applications

5 薄膜成長基本步驟 Need energy 1. 原子/分子的吸收(物理性吸收) 2. 表面擴散 (Surface Diffusion)
3. 分子-分子及基板-分子鍵結形成(化學性吸附) 4. 成核(Nucleation): aggregation of single atoms/molecules 5. 結構及微結構形成(amorphous, polycrystalline, single crystal, defects, roughness, etc…) 6. 膜本體內部之改變(diffusion, grain growth, etc.)

6 How to Obtain the Thin Films
•Poly-Si deposition •Epi-Si deposition •Dielectrics (SiO2 , Si3 N4 , Ti2 O5 ) deposition •Metals (Al-Cu, Ti, TiN, W, Cu, Ta, TaN) deposition Physical vapor deposition (PVD) Chemical vapor deposition (CVD) A(g)+B(g) →C(s) ↓+D(g) A(s) →A(g) →A(s)

7 物理性鍍膜 Physical Vapor Deposition (PVD) Electron beam deposition
電子鎗蒸鍍法是利用高能聚焦的電子 束轟擊到固態蒸發源表面，使之熔化 並蒸發到基板表面上，形成薄膜。 Hot filament thermal deposition 電阻加熱蒸鍍法利用鎢絲加熱所 需 的金屬材料，使之分解為單原子或 原子聚合體，並結合或凝聚在基板 表面，形成薄膜。

8 Metallization Structure
Semiconductor industry uses PVD to deposit the metal that electrically connects the various parts of the IC to each other and to the outside world. There are four common structures in metallization: contacts, vias, plugs and interconnects. Via 2 Interconnects Metal 3 Silicon Dioxide (ILD) Metal 2 Via 1 Metal 1 Contact Silicon Dioxide Silicon

9 蒸鍍(Evaporation) 原理: 蒸鍍根基於一種概念,就是在任何物質上方皆存在一有 限 的蒸氣壓; 此物質不是昇華(Sublimation)就是蒸發 (Evaporation) 之ㄧ. 優點: 因為低壓下作業, 可得最高純度(對蕭特基接觸面有益). 缺點: 較差的階梯覆蓋(Step coverage),形成合金(金屬化合物) 可能較困難.

10 Evaporation Step Coverage
蒸鍍膜的階梯覆蓋起因於被 蒸鍍材料較差的方向性之故. 加熱及旋轉基板有助於階梯 覆蓋的問題但蒸鍍對於AR (Aspect Ratio)>1時無法形 成 連續膜 我們需要一較差方向性的金 屬化--->較高壓力 (a)較低基板溫度 及無轉動 (b)加熱及旋轉 (a)具有微小表面原子移動率及深寬比為1的隨 時間演變的蒸鍍(亦即有較低基板溫度及無 轉);(b)在旋轉及加熱基板的最後沉積的剖面

11 Have any other deposition Technology?
在高溫度下，所有物質早就游離化了，稱此種游離化狀態叫 做電漿(plasma)或稱為離子氣體(ionized gas)。基本上電漿 為離子之集合體,就太空而言，更有百分之九十五都呈現電 漿態，電漿是由離子，電子，與中性粒子所組成。又稱物質 之“第四態“。熱電漿的溫度可高達 oC。

12 何謂電漿 (Plasma) 氣體分子因光、放射線、電子等具 有能量的粒子衝撞而激發、離子化 (電子衝撞所致氣體激發及離子化 的 現象稱為放電)，因放電而激發 及離 子化的氣體(ionized gas) 中，有中性 分子、原子、各種離 子、電子，此 為「電漿狀態」。 「氣體被離子化後所產生的物質狀 態」與傳統的物質三態（即固、 液、氣態）明顯不同，被科學家稱 為物質的第四態，科學家估計宇宙 中百分之九十五的物質是以電漿狀 態存在。

13 電漿(Plasma)產生方式 藉由外加的電場能量來促使氣體內的電子獲得能量並加速撞擊 不帶電中性粒子，由於不帶電中性粒子受加速電子的撞擊後會 產生離子與另一帶能量的加速電子，這些被釋出的電子，在經 由電場加速與其他中性粒子碰撞。 如此反覆不斷，進而使氣體產生崩潰效應(gas breakdown)， 形成電漿狀態。 台灣精品外銷玩具電光球 利用高壓電能氣體放電發光（電漿） 創造奇幻光感！

14 不同氣體壓力下之電漿特性 當氣体壓力較高時，氣體分子和電子 具有相同的動能，此種電漿中的氣体 溫度(亦即氣體動能)高於常溫、常壓， 可資應用於材料表面改 質、電弧融鍊、電漿融射及感應耦 電漿分光分析儀即利用此種電漿(高壓電漿) (等溫電漿)。 電子動能 氣體分子動能 當氣體壓力較低時，離子溫度和電子 溫度開始分道揚鑣，電子因擁有足夠 的平均自由徑且質量遠小於離子，受 電場加速的效應十分顯著而提昇動 能。這樣的高能電子可資用於氣相沉 積的輔助工具。濺鍍、電漿輔助物理 氣相沉積和電漿輔助化學氣相沉積 利用此種電漿(低壓電漿) (非等溫電 漿)。 不同氣體壓力下所得之電漿中 的氣體溫度和電子溫度。

15 電漿鍍膜技術:電漿濺鍍(DC) Substrate Target 容器 陽極板 陰極板 利用惰性氣體原子受高速運動的電子相
互碰撞，藉由電場與磁場作用，正離子 撞到陰極或靶材表面，靶材原子被撞擊 並沉積在基材，以下式子為電漿碰撞的 經驗式： Ar+e-→Ar++e-(slow)+e-(slow) ， 進而產生大量的電漿，以撞擊 靶材，使其沉積在基材上。 金屬導線 採用直流高電壓將氣體擊潰而獲得輝光 放電電漿，所使用的設備示意圖如右圖 所示。這樣的設備架構基本上就是構成 電漿輔助薄膜製程的基礎，例如的靶材相當於右圖的陰極板。 直流電源供應器

16 濺鍍產生電漿之電源分類 濺鍍法基本上是利用輝光放電產生電漿，其中可以分為直流 電漿與交流射 頻電漿。
以直流電漿來進行鍍膜的濺鍍時，會有較高的濺擊產率，也 就是沉積速率會比交流射頻高，但是電極板(濺擊靶)的材料 必須是導體，否則會有電荷累積效應。使用交流射頻電漿就 沒有這個限制，但是沉積速率較慢。 濺鍍法 產生電漿 電源分類 交流 射頻電漿 直流電漿

17 直流式之電漿原理 在容器內帶正電荷的氣態離子在外加電場下將會往負電極上加速撞擊(謂之 離子轟擊)，此時會產生更多不同粒子，其中含有二次電子，而這些二次電 子會受到外加電場下與其它粒子碰撞，尤其是不帶電荷的粒子(如氣體分子 及原子團)。 當氣體裡的帶電荷粒子的數量達到一 定的階段時，這些原本不良導電的氣 體，將處於崩潰的狀態，而這時部份 離子化的氣體，將會經歷一段低電流 密度的放電區域(及湯森放電區) ，然 後到達正常放電區，此時的氣態粒子 裡的電子數足以產生足夠的離子，以 維持氣態離子與電子在容器內的平衡。

18 直流式之電漿原理 ＊當帶有能量之ions撞擊surface of material,將發生以下四種cases.
(1) E<10 eV,ion可能被material表面吸附,而以熱方式釋放能量. (2) E>10 KeV ion penetrates into the material many atomic large spacing, most of its energy deep into the substrate, where it changes the physical structure. (ion implantation). (3)若能量介於 10eV <E< 10KeV,則將有兩種energy transfer mechanisms 發生. (a) Part of the ion energy is deposited in the form of heat. (b) Remainder goes into a physical rearrangement of the substrate. ions將與target表面很多層原子互相作用. target atoms and clusters of atoms 將被ejected from the surface of the target. (with 10 to 50 eV;此些大約有evaporated atoms之100倍以上的能量). 提供sputtered atoms具有額外之surface mobility,以致能停留在substarte表面 最低能量位置. 被sputtering出來約95%為atomic,其餘可能為diatomic molecules.

19 為何看得到電漿發光? 我們由激發反應可得之: 激發反應: e- + x x* + e- x* x + hν
N (excited state) M L 激發反應: e- + x x* + e- K (ground state) x* x + hν ν:可見光與紫外光頻率。 此發光是處於正常放電區。 若將供電電力提高，則此時的I-V曲線 將呈現線性正比關係，此區域稱為異常 放電區，此區亦是所有以電漿來進行半 導體沉積薄膜與蝕刻的操作區域。

20 直流式之電漿: 正離子撞擊陰極釋放二次電子 引發電漿後可以看到容器中的空間 充滿電漿，陰極表面則被一層暗區 所籠罩，稱之為陰極暗區。
下圖: 電漿與陰極表面形成陰極暗區，並且電 漿中的正離子撞擊陰極釋放二次電子之示意圖 引發電漿後可以看到容器中的空間 充滿電漿，陰極表面則被一層暗區 所籠罩，稱之為陰極暗區。 陰極暗區的厚度與電漿中的 物理量息息相關。而輝光放 電電漿中的物理量諸如電子 密度，亦即離子密度、離子 化度、電漿電位是我們所關 切的。因為這些物理量影響 到鍍膜的成長特性，進而影 響鍍膜的應用價值或特性。

21 直流式之電漿: 低壓氣體進行輝光放電的電壓-電流關係圖
電漿並不遵守歐姆定律。引發電漿必須達到 某一臨界電壓，因為氣體為近乎絕緣體，此 時電流增量極小，這區段稱為湯遜放電 (Townsend region)，空間中的氣體在這區段 中扮演絕緣體的角色。 當電壓超過500 V之後，氣體開始崩潰。原 本空間中的氣體隨時受到宇宙射線和紫外光 的照射並產生自由電子，在電壓不夠高的情 況下，這些自由電子在瞬間即告消失。 當電壓超過500 V之上則自由電子受到兩電 極間的高電場所加速，向陽極方向移動，在 移動的過程中碰撞其它中性氣體分子或原 子， 並將之游離化，製造出第二個自由電 子，相同的過程發生在第二個自由電子，於 是二生四、四生八，氣體崩潰於焉發生，此 時開始可觀察到電漿的輝光。

22 DC Sputter deposition -V (DC) (glow discharge) Cathode shield
Schematic diagram of DC powered sputter deposition equipment Vacuum ground

23 Plasma structure and voltage distribution
DC Sputter system Plasma structure and voltage distribution Bulk of plasma contains equal con. of ions & electrons. Al, W, Ti, silicides, other metals Electric potential ~constant Voltage drop ~across the sheath regions. Plasma used in processing is a “weak” plasma, containing mostly neutral atoms/molecules (10-3 to 10-6)

24 Processes in sputter deposition
只適用於導電材料 e- Al Power Supply

25 Sputtering yield in a DC system

26 Sputtering yield in a DC system
Defined as the number of atoms ejected per incident ion. Typically, range Determines the deposition rate. Depends on: Target material. Mass of bombarding ions. Energy of the bombarding ions. Direction of incidence of ions (angle).

27 Contact hole filling problem
Fort aspect ratios A = w/d smaller than approximately 1, the layer at the edge of the contact hole will become unacceptably thin or will even be non-existing - the contact to the underlying structure is not established.

28 Contact hole filling problem –– the real thing
Real thing together with one way to overcome the problem is shown above (the example is from the 4Mbit DRAM generation, around 1988).

29 RF sputter deposition Real thing together with one way to overcome the problem is shown above (the example is from the 4Mbit DRAM generation, around 1988).

30 Reactive sputter deposition
Real thing together with one way to overcome the problem is shown above (the example is from the 4Mbit DRAM generation, around 1988).

31 Magnetron sputter deposition

32 PVD -- (Sputtering deposition)

33 磁控濺鍍（Magnetron Sputtering）
為提高直流濺鍍法的沈積率，在靶材背面加上磁場是個有 效的方法— 電場與磁場的交互作用會使二次電子集中於靶材附近， 呈現螺旋狀的運動。 缺點:靶材耗損較快。

34 濺鍍系統粒子分佈

35 磁控濺鍍陰極靶材使用率比較

36 濺鍍過程

37 薄膜成長機制 Substrate

38 電漿如何造成沉積

39 磁控濺鍍基本原理

40 磁控濺鍍基本原理

41 濺鍍率

42 Sputtering Yield of Ar

43 Sputtering Yield of Ar

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47 A1

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51 Bias sputtering • Sometimes bias sputtering of the wafer is desirable. This is done by reversing the electrical connections. • One application would be for precleaning the wafer before the actual deposition. • During this step, a controlled thickness of surface material is sputtered off the wafer, removing any contaminants or native oxide. • A film can then be sputter deposited immediately afterward without breaking the vacuum.

52 Bias sputtering • Useful for cleaning contact/vias.
• Sputter etching has serious problems as particles.

53 Thermal Dissipation is not good.

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60 Deposition Rate of IrO2 as a Function of OMR
Data From ITRI

61 Reaction Process Models of IrO2 Films
by Reactive Sputtering

62 Reaction Process Models of IrO2 Films
by Reactive Sputtering

63 Substrate Temp. effect on the IrO2
Resitivity

64 XRD patterns of IrO2 prepared under different OMRs

65 Manufacturing methods
Thin film Equipment Typical reaction Comments Al Magnetron sputter C – standard C – hot Al Ti and TiW TiN Reactive sputtering Ti + N2 (in plasma) ÞTiN Cu Electroplating Cu2+ + 2e- ÞCu

66 Applications of Sputtering
ITO Sputtering (in-line) Transparent Electrode for STN, TFT…… ITO Sputtering (batch) Low-temperature Color Filter……… ITO Sputtering (roll to roll) Low-temperature plastic coating ITO/SiO2/PET….

67 In-Line ITO Design Vertical substrate orientation ( 85°) : low particle contamination Cathode design : high deposition rate, low resistivity ITO and metal Heater design : homogeneous substrate temperature distribution Flexibility : ITO and others (SiO2 , Cr, Mo, Ti, Ta,....) using the same architecture

68 4th ITO Sputtering System
• 4th Generation: Max. 750 x 950 cm • Big Mag array: 8 • Scan Mag. Cathode • Target Dimension: 158 x cm

69 Sputtering for Components

70 討論與展望 •應用產品決定 PVD 薄膜技術及設備 •從可行性研究到生產 •薄膜設備之設計及控制 (quality, niformity,
repeatability….) • Throughput 之考量 •創新與突破