Suer原理和流程課件

Sputter原理和流程PVD製程知識Sputter原理NSNGasinpumping+--+-+-+-+-+-+-++-++-電子螺旋運動電子平均自由徑比較MagnetronDCSputtering濺擊產(chǎn)額Ar+數(shù)量及能量電子平均自由徑及能量濺擊總能量低，陰極加磁鐵增長，變大增多，變大增大濺擊能量低ParameterSubstrateTemperatureChamberPressureGasFlowRateDCPowerMagnetScanSpeed/Field即溫度、壓力、氣體氣流之速率、DC功率密度、磁鐵掃描及範圍。Sputteringprinciple定義：濺鍍，即利用電漿所產(chǎn)生的離子，藉著離子對被濺鍍物體電極的轟擊，使電漿的氣相內(nèi)具有被鍍物的粒子來產(chǎn)生沉積薄膜的一種技術(shù)。原理：利用DCPower將通入的ProcessGas解離成電漿，藉著離子對靶的轟擊將靶材物質(zhì)濺射飛散出來，而附著於目標基板形成膜。CrystalGrowthMechanismNucleationGrainGrowthCoalescenceFillingofChannelsFilmGrowthCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismCrystalGrowthMechanismPVDFlow機械流流程動作流流程L/ULL/ULCA432CA33CA31CA42CA43CA41機械流流程L/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CA41機械流流程L/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CA41機械流流程L/ULL/ULCA32CA31CA42CA43CA41CA33機械流流程L/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CA41機械流流程L/ULL/ULCA32CA33CA31CA42CA43CA41機械流流程SputterProcessFlow:1、抽真真空(粗抽)-760torr至10-3torr2、抽真真空(細抽)-10-3torr至10-8torr3、到達達底壓壓約10-7torr後通Ar氣,使壓力力控制在約約數(shù)mtorr4、加入入電場場(target為負極極),點燃plasma,開始鍍鍍膜5、膜厚厚度達達到之之後,停止電電場6、基板從從SChamber傳到TChamber7、基板送送入LChamber,破真空空取出Hillock（Al）原因：：wfilm的膨脹脹系數(shù)數(shù)小于于底材材時,從高溫溫降至至室溫溫,film受到擠擠壓應(yīng)應(yīng)力,若此應(yīng)應(yīng)力過過大時時,Al原子沿沿晶界界向膜膜上移移動,形成小小的突突起wAl成膜的的晶粒粒方向向不一一致,在後續(xù)續(xù)高溫溫制程程時,（110）晶粒粒在兩兩（111）晶粒粒間形形成hillock,形成的的原因因為（（110）晶粒粒和（（111）晶粒粒的熱熱膨脹脹系數(shù)數(shù)不同同HillockHillock（Al）後果：：易造造成閘閘極線線與信信號線線相會會處短短路解決方方案：：w用AlNdtarget代替Altargetw在Al上面再再鍍一一層覆覆蓋金金屬來來抑制制Alhillock的產(chǎn)生w減小grainsize可降低hillock凸出的大小小Splash原因：當target局部（如void、oxide處）散熱不均,過熱地方在高高溫下融化化,在Ar離子轟擊下下滴落在基板上,形成Dometype的splash在targetedge有強烈的arcing現(xiàn)象,使邊緣的金金屬融化濺落落在基板上上,形成wingtype的splashSubstrateArOxideorVoidHeatedareaWingtypeDometypeTargetMeltedparticalSplash後果：大塊金屬殘殘留導(dǎo)致閘閘極線與信信號線短路路解決方案：：用Shieldplate裝置保護Target邊緣不被Arcing改變Target的形狀可以以減少Arcing預(yù)防Arcing對策->提高Target的純度,使其低氧化化低雜質(zhì)（Inclusion）提高Target密度（Void）提高Target表面平整度度（SurfaceFinish）減小target晶粒的大小小,提高均一性性（GainSize）Nodule（ITO）原因:wITO靶材是由氧氧化銦及氧氧化錫熱燒燒結(jié)而成,若混合不均均及壓結(jié)密密度不足就易在濺鍍鍍時產(chǎn)生節(jié)節(jié)瘤wITO靶材為高硬度陶陶瓷材料,面積大時製造較難,故採用多塊小靶材材拼接而成成,接縫處常有有Nodule存在w制程中Nodule爆裂開形成許多ITO屑,飛到靶材上上遮住部分靶靶材無法Sputter,形成新的NoduleNodule（ITO）後果：w引起ITOflake產(chǎn)生,掉落於基板板為Particle,影響鍍膜品品質(zhì),導(dǎo)致ITO層的阻抗惡惡化并且減減少ITO層的透光率率解決方案：：用超高密度度的ITO靶材（>95%）可獲得改改善w將target表面處理平平滑及乾淨淨Void原因：wfilm的膨脹系數(shù)數(shù)大于底材材時,從高溫降至至室溫時,film受到拉伸應(yīng)應(yīng)力,如此應(yīng)力過過大時,Al原子沿晶界界向膜下移移動,形成許多空空隙(Void)或裂痕(Cracks)Al在高溫制程程時,成膜的晶粒粒方向不一一樣,（111）晶粒在兩（110）晶粒間形成成Void,因為（110）晶粒和（111）晶粒的熱膨膨脹系數(shù)不不同金屬連線高高低起伏的的外觀使上上面鍍絕緣緣層不易完完全將縫隙隙填滿（填填塞不良））,留下VoidITO成膜速度太太快使得薄薄膜呈柱狀狀結(jié)構(gòu)造成成有很多孔孔洞（Void）產(chǎn)生而影影響膜質(zhì)Void後果：增加加膜的阻抗抗解決方案：：減小grainsize提高靶材密密度金屬連線上上絕緣層通通常厚度比比較薄在1000到3000之間,即使金屬層層角落部分分有凸出也也不至於連連起來形成成Void控制ITO成膜速度合適Spike(Al)原因：Si在400℃左右對Al有一定的固固態(tài)溶解度度,因此沉積於於Si上的Al在經(jīng)歷約400℃℃以上的步驟驟時,Si將借擴散效效應(yīng)進入Al,Al亦回填Si因擴散而遺遺留下的空空隙,在Al與Si進行接觸部分形成SpikeN+AlSi場氧化膜Spike(Al)後果：如果果尖峰長度度太長,穿透了膜層層,會導(dǎo)致短路路解決方案：：w一般在金屬屬鋁的沉積積制程中主主動加入相相當於Si對Al之溶解度的的Si（一般為1%）w加入一層阻阻障層,採用在Al膜下再加一一層Mo層,以防止該現(xiàn)現(xiàn)象的產(chǎn)生生Electromigration（Al）原因：w當薄膜中的的原子（Al）在極高的電電場下,譬如較高的的傳導(dǎo)電流流,金屬原子會會沿著材質(zhì)質(zhì)本身的晶晶粒邊界,往電子流動動的方向流流,使的導(dǎo)線部部分的原子子數(shù)量遠遠遠減少,導(dǎo)線的截面縮小,終而導(dǎo)致整整個導(dǎo)線的的斷路晶粒邊界鋁線Electromigration（Al）後果：導(dǎo)致致電路斷路路,影響元件可可靠性很大大,導(dǎo)致失效解決方案：：通常在Al中加入少量量的其他元元素來防止止它的發(fā)生生,強化鋁線可可靠性通常是加入入適量的銅銅,含量約為0.5-4%之間Peeling/Crack原因：w每一層膜從從成長到元元件的完成成之間,將在制程中中經(jīng)歷許多多不同的環(huán)環(huán)境,使得每一層層的film所承受的機機械應(yīng)力發(fā)發(fā)生變化,當film累積過多的的應(yīng)力可能能產(chǎn)生永久久的機械性性的破壞,如剝落（Peeling）或龜裂（Crack）wfilm的膨脹系數(shù)數(shù)大于底材材時,從高溫降至至室溫時,film受到拉伸應(yīng)應(yīng)力,如此應(yīng)力過過大時,Al原子沿晶界界向膜下移移動,形成許多空空隙(Void)或裂痕(Cracks)Peeling/Crack後果：永久久性破壞，導(dǎo)致TFT徹底失效解決方案：：w在製程過程程中控制好好參數(shù)，使使薄膜應(yīng)力力控制在合合適的範圍圍之內(nèi)w在一些膜層層鍍好後可可借助AnnealOven回火來調(diào)整整薄膜應(yīng)力力FillingBad原因：PVDsputter最大的缺點點是無法提提供一個階階梯覆蓋性性良好的film,因爲很多粒粒子以大角角度濺射到到基板表面面,對溝渠底部部沉積能力力差,使得大多數(shù)數(shù)的濺鍍金金屬沉積在在晶片的表表面,終而導(dǎo)致填塞不良的的現(xiàn)象FillingBad後果：使薄薄膜沉積形形狀不理想想，且容易易產(chǎn)生Void解決方案：：w可以利用準準直管將大大角度濺鍍鍍現(xiàn)象濾除除，使到達達基板表面面的靶原原子都是較較小的行徑徑角度Inclusion在濺鍍的過過程中,ITO膜形成時,電漿中的負負離子在濺濺鍍電壓（（靶極電位位）的作用用下,往基板方向向射入,此時在膜中中形成黑色色的絕緣物物InO（節(jié)瘤成分）Sputter之前,金屬靶表面面可能已遭遭受不同程程度之污染染,比如氧化物物,或金屬靶本本身純度不不好帶有雜雜質(zhì)時,這些不純物物隨著製程程進行而沉沉積在薄膜膜中形成雜雜質(zhì)濺鍍過程中中靶材並非非全部沉積積於基板,也會鍍在Chamber內(nèi),這些附著膜膜脫落也會會形成雜質(zhì)質(zhì)Chamber中用來密封封的O-ring之碎屑也可可能成爲製製程中的異異物Inclusion後果：可影影響吸附原原子的擴散散運動及晶晶粒的成長長、大小與與形狀解決方案：：適當降低濺濺鍍電壓（（電壓絕對對值）來降降低負離子子射入能量量而降低膜膜質(zhì)破壞，，進而形成成低阻值的的ITO膜在濺鍍初期期為防止靶靶材表面氧氧化物隨濺濺鍍沉積於於薄膜,先用Dummy代替Substrate來進行沉積積,待穩(wěn)定後再再換真正的的Substrate其它由外來雜質(zhì)質(zhì)引起的及及材料本身身具有的各各種缺陷(a)(c)(b)其它由應(yīng)力造成成的變形（（彎曲等））(a)(c)(b)T=沉積高溫T=室溫T=室溫薄膜底材其它後果：解決方案：：在薄膜沉積積完成後借借助適當回回火調(diào)整應(yīng)應(yīng)力,使薄膜再結(jié)結(jié)晶在薄膜沉積積時借助適適當?shù)摹半x離子轟