基底溫度對(duì)磁控濺射法制備TiN薄膜性能的影響

宋文斌，劉盛意，王志鵬，張 穎（通信作者）

（大連東軟信息學(xué)院 遼寧 大連 116023）

1 引言

氮化鈦結(jié)構(gòu)是由離子鍵、金屬鍵和共價(jià)鍵混合而成，其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，使它被廣泛應(yīng)用于機(jī)械工具、裝飾材料、醫(yī)學(xué)以及微電子制造領(lǐng)域。其良好的導(dǎo)電性和較大的功函數(shù)（約為4.7eV）使其在與鐵電材料HfO2接觸做電極時(shí)，對(duì)鐵電材料產(chǎn)生的是促進(jìn)作用。這一發(fā)現(xiàn)，使其成為微電子領(lǐng)域的一種主流電極材料。氮化鈦這些特性使其在電學(xué)領(lǐng)域具有重要意義。

本論文主要以探究氮化鈦在作為HfO2基新型鐵電薄膜材料的電極為背景，采用TRP-450型高真空三靶磁控濺射鍍膜系統(tǒng)在單面拋光的P型（100）晶向的硅片上，使用直流濺射法制備TiN薄膜，本文主要分析了濺射過程中基底溫度對(duì)TiN薄膜結(jié)晶質(zhì)量的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)通過優(yōu)化現(xiàn)有工藝參數(shù)制備出金黃色的氮化鈦薄膜，并探究基底溫度對(duì)薄膜宏觀以及微觀的影響。

TiN薄膜的顏色并不是固定不變的，它是根據(jù)濺射時(shí)間、氮?dú)鍤怏w比等工藝參數(shù)的不同，會(huì)出現(xiàn)不同的顏色。隨著氮?dú)夥謮旱母淖儯獨(dú)夂蚑i的化學(xué)計(jì)量比會(huì)發(fā)生變化，氮?dú)獗壤煌∧ゎ伾矔?huì)變化。其中，金黃色是最受使用者所喜歡的。所以本次實(shí)驗(yàn)制作出金黃色薄膜。

實(shí)驗(yàn)通過使用已知參數(shù)制備出TiN薄膜，再通過改變參數(shù)多做幾組實(shí)驗(yàn)，找到實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)TiN薄膜的影響，然后再對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正，直到找到最優(yōu)參數(shù)，部分參數(shù)數(shù)值如表1所示。

表1 磁控濺射法制備TiN薄膜的工藝參數(shù)

3 結(jié)果與討論

本次實(shí)驗(yàn)主要研究不同的基底溫度在直流濺射條件下通過使用臺(tái)階儀、X射線衍射儀、原子力顯微鏡這三個(gè)設(shè)備，分別測(cè)試不同基底溫度下薄膜的電阻率、厚度、晶體結(jié)構(gòu)、表面特征，分析基底溫度對(duì)薄膜特性的影響。

本組實(shí)驗(yàn)使用直流磁控濺射的工藝參數(shù)，通過改變基底溫度分別為室溫25℃、150℃、250℃、350℃、450℃，分析不同基底溫度下薄膜的電阻率以及厚度的影響。不同基底溫度對(duì)濺射制備的TiN薄膜的厚度與電阻率的影響規(guī)律如圖1所示。

圖1 不同基底溫度下濺射制備的TiN薄膜厚度及電阻率

從圖1中可以看出，薄膜厚度與基底溫度之間沒有明顯的規(guī)律性，可以推論基底溫度對(duì)薄膜厚度影響不大。而薄膜電阻率與基底溫度呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性，隨著溫度的升高，薄膜電阻率逐漸減小，并且在原有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上增加了基底溫度為450℃的實(shí)驗(yàn)樣品，測(cè)試結(jié)果為電阻率更小。為了確定測(cè)試結(jié)果的真實(shí)準(zhǔn)確性，我們又進(jìn)行了XRD分析，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同基底溫度下制備的TiN薄膜的XRD圖譜

從XRD圖譜可以看出，五組波形中每個(gè)波形都有兩個(gè)峰。通過查閱資料得知，氮化鈦?zhàn)畛Ｒ姷姆鍨門iN（111），五組樣品都出現(xiàn)了該峰。而TiN（200）峰與薄膜電阻率有關(guān)，并且峰值越大，薄膜電阻率越低。原因是由于基底溫度的升高，TiN分子變得活躍，其在基片表面的運(yùn)動(dòng)路徑增大，同時(shí)伴隨著結(jié)晶成膜的過程。所以薄膜的導(dǎo)電性能就越好。由圖2可知，隨著溫度的升高，峰值越來越大，電阻率逐漸減小。與圖1得出的結(jié)論相同，證實(shí)了基底溫度影響成膜晶向的說法。從而我們可以從這個(gè)方向入手，繼續(xù)優(yōu)化制備TiN薄膜的工藝參數(shù)。

TiN薄膜經(jīng)過了XRD圖譜的分析后，為了得到更詳細(xì)的分析數(shù)據(jù)，又進(jìn)行了AFM的測(cè)試。表2詳細(xì)的總結(jié)了AFM測(cè)試后獲得的詳細(xì)數(shù)據(jù)，分別有平均粗糙度、表面均方粗糙度、平均粒徑以及平均高度。

表2 不同基底溫度下 TiN 薄膜的 AFM 測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語

通過以上數(shù)據(jù)，可以看出不同基底溫度對(duì)氮化鈦薄膜的表面粗糙度有很大的影響，且隨著溫度的上升，表面均方粗糙度逐漸減小。且在350℃條件下，薄膜表面最光滑。從而證實(shí)了溫度越高，薄膜的表面越優(yōu)良。由于一些其它原因沒有測(cè)量在基底溫度為450℃條件下的AFM數(shù)據(jù)，但是通過現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以推斷出450℃條件下的薄膜質(zhì)量更好。