CC BY
23Вестник СибГУТИ. 2015. № 3
29
УДК 539.231
Исследование электрофизических параметров тонких плёнок нитрида титана, полученных методом магнетронного распыления
Е. В. Ерофеев, И. В. Федин, А. И. Казимиров
Плёнки нитрида титана известны уже давно, но они не теряют своей актуальности, и обнаруживаются новые сферы их применения. Со временем совершенствуются способы получения плёнок для достижения наилучших характеристик. Для получения тонких плёнок ТК широко применяется метод магнетронного распыления, который характеризуется рядом технологических параметров.
В данной статье представлены результаты исследования влияния мощности разряда и потока азота в парогазовой смеси Аг+№ на удельное электрическое сопротивление и скорость роста плёнок нитрида титана, полученных методом реактивного магнетронного распыления. Также рассмотрено влияние температурной обработки на деградацию удельного электрического сопротивления и изменение элементного состава полученных плёнок.
Ключевые слова: тонкие плёнки, нитрид титана, магнетронное распыление, удельное электрическое сопротивление, скорость роста, поток азота, мощность разряда, термическая стабильность, элементный состав.
1. Введение
Плёнки нитрида титана (TiN) известны уже давно, но они не теряют своей актуальности, и обнаруживаются новые сферы их применения. Со временем совершенствуются способы получения плёнок для достижения наилучших характеристик. Плёнки TiN обладают исключительной твёрдостью, высокой износостойкостью, высокой температурой плавления, химической инертностью, термодинамической стабильностью [1, 2]. Данные качества определили широкую область применения плёнок TiN. В микроэлектронике их используют в качестве диффузионных барьеров в кремниевой технологии «Dual Damascene» при капсулировании медных межсоединений [3] и защитных покрытий [1], а также в качестве барьеров Шоттки [4] и омических контактов к эпитаксиальным слоям p-GaN [5], контактных слоёв для солнечных элементов [5], антиотражающих и антистатических покрытий [6]. Для получения плёнок TiN применяют в основном два способа: либо электродуговое распыление титанового катода в атмосфере реакционного газа азота, либо магнетронное распыление титановой мишени в атмосфере азота [6]. Процесс магнетронного распыления характеризуется целым перечнем технологических параметров, основными из которых являются мощность разряда, давление рабочей смеси, состав рабочей смеси, степень предварительного вакуума.
В данной статье исследуется влияние режимов магнетронного распыления на электрофизические параметры тонких пленок нитрида титана, осаждаемых на полупроводниковые подложки.
2. Методика эксперимента
Плёнки нитрида титана осаждались методом реактивного магнетронного распыления на подложки из кремния Si (111) при комнатной температуре. На подложке формировалась фо-торезистивная маска в виде последовательности резистивных элементов известной топологии, что позволяло определить удельное сопротивление плёнок. Перед осаждением плёнок подложки проходили обработку в водном растворе соляной кислоты для удаления собственного окисла с последующей промывкой в деионизованной воде и сушкой в потоке очищенного азота. Вакуумная откачка проводилась до остаточного давления атмосферы не хуже р = 4.5*10-5 Па. Мишень проходила предварительную очистку распылением в атмосфере аргона в течение I =10 мин. Плёнки TiN напылялись при 9 различных режимах, приведённых в табл. 1.
Таблица 1. Режимы напыления плёнок TiN
№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9
j п, см3/мин 7 7 7 14 14 14 3 3 3
Р, Вт 260 790 490 480 770 270 480 750 260
3
Поток аргона для всех образцов был фиксирован и составлял jar = 25 см /мин. При напылении плёнок использовались три режима потока азота: jn = 3, 7 и 14 см3/мин (доля азота в парогазовой смеси составляла n = 12, 28 и 56% соответственно) и три режима мощности разряда: P = 250, 500 и 750 Вт.
Элементный анализ состава плёнок проводился методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии на электронном микроскопе Hitachi TM-1000.
Толщина плёнок h в диапазоне от 30 до 100 нм определялась микроскопией скола образцов на сканирующем электронном микроскопе Zeiss Supra 55. Удельное электрическое сопротивление р определялось исходя из геометрии тестовых элементов на пластине по формуле (1):
р = R * х * h / I, (1)
где р - удельное электрическое сопротивление;
R - электрическое сопротивление образца;
l - длина образца;
h - толщина образца;
х - ширина образца.
Длина l и ширина х образцов была задана топологией рисунка резисторов.
Для исследования термической стабильности электрического сопротивления плёнки TiN подвергались термической обработке в атмосфере азота при температуре Тотж = 600 °С в течение времени ¿отж = 30 и 60 с.
2. Результаты и обсуждение 2.1. Скорость роста плёнок TiN
В первой серии экспериментов исследовалось влияние плотности потока азота jn в смеси Ar+N2 и мощности разряда P на скорость осаждения V тонких пленок TiN. На рис. 1 приведена зависимость скорости роста плёнок нитрида титана от мощности разряда (P = 250, 500 и 750 Вт) для трёх потоков азота (jn = 3, 7 и 14 см3/мин).
Рис. 1. Зависимость скорости роста V плёнок Т1К от мощности разряда Р для потоков азота _/„ = 3, 7 и 14 см3/мин
Как видно из рис.1, при мощности Р = 250 Вт скорость осаждения тонких плёнок нитрида титана практически не зависит от величины потока азота /„ и составляет V ~ 5 нм/мин. Однако с увеличением мощности разряда Р при потоках азота/„ = 3 и 7 см3/мин и при потоке азота /„ = 14 см3/мин наблюдается разница в скоростях осаждения. Также при увеличении мощности разряда Р вне зависимости от величины потока азота/„ наблюдается рост скорости осаждения.
Объяснить данный характер зависимости можно тем, что увеличение мощности разряда приводит к активации реакций между большим числом радикалов, что в свою очередь приводит к увеличению скорости роста плёнки. Резкое понижение скорости роста плёнки при потоке азота/„ =14 см /мин объясняется возросшей вероятностью столкновений частиц титана с молекулами азота, связанной с понижением степени вакуума, что в свою очередь приводит к уменьшению длины свободного пробега частиц титана на пути от мишени к подложке.
2.2. Удельное электрическое сопротивление плёнок TiN
Во второй серии экспериментов исследовалось влияние мощности магнетронного разряда Р и потока азота/„ на удельное электрическое сопротивление р плёнок нитрида титана. На рис. 2 приведена зависимость удельного сопротивления р плёнок TiN от потока азота /„ для мощностей разряда Р = 250, 500 и 750 Вт.
Как видно из рис. 2, характер зависимости сопротивления р от потока азота/„ для разных мощностей разряда не одинаков. При малых потоках азота в смеси с увеличением мощности разряда Р наблюдается рост удельного сопротивления р пленок. Однако с увеличением плотности потока азота в смеси до /„ = 14 см3/мин наблюдается обратная зависимость, что может быть обусловлено изменением размера зёрен тонкой плёнки.
Рис. 2. Зависимость удельного сопротивления тонких плёнок Т1К от плотности потока азота в смеси для мощностей разряда 250, 500 и 750 Вт
Минимальным сопротивлением плёнок обладают образцы, полученные при мощности разряда Р = 500 Вт и потоке азота]„ = 7 см /мин, а также при мощности разряда Р = 750 Вт и потоке азота = 14 см3/мин (67 и 58,5 мкОм*см соответственно), что близко к табличному сопротивлению объёмных образцов нитрида титана (40 мкОм*см [6]).
2.3. Термостабильность электрического сопротивления плёнок TiN
В третьей серии экспериментов исследовалось влияние термической обработки при температуре Тотж = 600 °С в течение taIЖ = 30 и 60 с в среде азота на удельное электрическое сопротивление р и изменение элементного состава г тонких пленок В табл. 2 приведены результаты измерений сопротивления образцов до и после отжига, режимы напыления которых приведены в табл. 1.
Таблица 2. Изменение сопротивления плёнок Т1К после отжига при температуре 600 °С
в течение 30 и 60 с
№ До отжига Отжиг 30 с Отжиг 60 с
р, мкОм*см Цвет визуального контроля р, мкОм+см Цвет визуального контроля р, мкОм*см Цвет визуального контроля
1 150,5 Желтый 206 Серый 271 Серый
2 161 Серый 162 Жёлтый 283 Серый
3 67 Желтый 137 Жёлтый 100 Жёлтый
4 114,7 Серый 230 Жёлтый 147,6 Серый
5 58,5 Желтый 65 Жёлтый 66 Жёлтый
6 241 Серый 14850 Серый 22110 Серый
7 185 Серый 200 Жёлтый 462 Жёлтый
8 192,8 Серый 294,5 Жёлтый 133 Серый
9 128,7 Серый 320 Жёлтый 32760 Серый
Исходя из табл. 2 оптимальными режимами, при которых плёнки Т1К обладают наименьшим сопротивлением и наилучшей термостабильностью, являются режимы № 3 и 5. При этом образец № 5 обладает наилучшей термостабильностью - изменение сопротивления не превысило 13% после отжига в течение 60 с. При этом оба образца сохранили жёлтый цвет, что свидетельствует в пользу того, что полученные плёнки сохранили в своём составе значительное количество Т1К.
Исследование изменения элементного состава плёнок в результате отжига проводилось энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией. Для краткости на рис. 3 приведены типовые результаты энергодисперсионного анализа образца № 5 до и после отжига.
Рис. 3. Изменение элементного состава плёнок Т1К (а) после отжига в течение 30 с (б) и в течение 60 с (в) при температуре 600 °С
Как видно из рис. 3, отжиг при температуре Тотж = 600 °С приводит к значительному снижению содержания азота в плёнках: с г] = 64 ат.% у исходного образца (рис. 1а) до г]= 18 ат.% после отжига в течение 60 с (рис. 1в). Таким образом, термостабильность плёнок Т1М, диссоциирующих уже при 600 °С, значительно отличается от термостабильности объёмного Т1К, температура плавления (а следовательно, и температура разрушения связи ТьК) которого составляет 2930 °С [9], что может быть обусловлено размерным эффектом, характерным для тонких пленок.
4. Заключение
В работе представлены результаты исследований влияния режимов магнетронного распыления на электрофизические параметры тонких пленок нитрида титана, осаждаемых на полупроводниковые подложки. В частности, рассмотрено влияние потока азота /„ и мощности разряда Р на скорость роста V и удельное электрическое сопротивление р плёнок нитрида титана, а также влияние высокотемпературного отжига при температуре Т = 600 °С на изменение элементного состава плёнок и деградацию сопротивления.
Показано, что:
1. Скорость роста V плёнок Т1К зависит прямо пропорционально от мощности магне-тронного разряда Р и обратно пропорционально от потока азота /„.
2. Значение удельного электрического сопротивления плёнок р определяется режимом напыления.
Минимальное значение р = 58.5 мкОм*см было достигнуто при потоке азота /„ = 14 см3/с и мощности разряда Р = 750 Вт.
3. Лучшие результаты термостабильности удельного электрического сопротивления наблюдались у тонких пленок, имеющих минимальное электрическое сопротивление.
Авторы работы выражают благодарность коллективу НПК «Микроэлектроника» ЗАО «НПФ «Микран» за содействие в проведении экспериментальной части работы.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, договор № 02.G25.31.0091.
Статья поступила в редакцию 12.03.2015
Литература
1. Nadia Saoula, Karim Henda et Rafika Kesri. Influence of nitrogen content on the structural and mechanical properties of tin thin films // j. Plasma fusion res. Series. 2009 V. 8, P. 1403-1407.
2. Li-Jian Meng, M.P. Santos. Characterization of titanium nitride falms prepared by d.c. reactive magnetron sputtering at dufferent nitrogen pressures // Surface and Coatings Technology. 1997 V. 90, P. 64-70.
3. Громов Д.Г. Металлизация в системах с наноразмерными элементами: учеб. пособие для студентов техвузов. М.: МИЭТ; Москва: АСТ, 2011. 60 с.
4. Az. Ahaitouf, J. C. Gerbedoen, A. Soltani Process Technology study of TiN/AlGaN/GaN Schottky contact on (111) Silicon substrate // J. Mater. Environ. Sci. 2010. V 1, P. 309-312.
5. Hong Tak Kim, Chan Su Chae, Dae Hee Han and Duck Kyu Park. Effect of Substrate Temperature and Input Power on TiN Film Deposition by LowFrequency (60 Hz) PECVD // Journal of the Korean Physical Society. 2000 V. 37, № 3. P. 319-323.
6. Способ реактивного ионного травления слоя нитрида титана селективно к алюминию и двуокиси кремния [Электронный ресурс].
URL: http://www. freepatent. ru/patents/2392689 (дата обращения: 14.02.2015)
7. Способ получения однофазных пленок нитрида титана [Электронный ресурс].
URL: http://www.findpatent.ru/patent/2 4 9/2 4 97 977.html (дата обращения: 23.02.2015)
8. Нитрид титана [Электронный ресурс].
URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Нитрид титана (дата обращения: 15.02.2015)
9. F. Vaza, J. Ferreiraa, E. Ribeiroa, L. Reboutaa, S. Lanceros-Mendeza, J.A. Mendesa, E. Al-vesb, Ph. Goudeauc, J.P. Rivie 'rec, F. Ribeirod, I. Moutinhod, K. Pischowe, J. de Rij. Influence of Nitrogen Content on the Structural and Mechanical Properties of TiN Thin Films // Surface & Coatings Technology. 2005. V. 191, P. 317-323.
Ерофеев Евгений Викторович
к.т.н., начальник лаборатории усилительных МИС НПК «Микроэлектроника» ЗАО НПФ «Микран» (634045, Томск, ул. Вершинина, 47), тел. (3822) 413403, e-mail: erofeev@micran.ru.
Федин Иван Владимирович
магистрант 2 года обучения ТУСУР, инженер-технолог III категории НПК «Микроэлектроника» ЗАО НПФ «Микран» (634045, Томск, ул. Вершинина, 47), тел. +7 923 402 1940, e-mail: fedinivanvladimirovich@mail.ru.
Казимиров Артём Игоревич
аспирант ТУСУР, инженер-технолог II категории НПК «Микроэлектроника» ЗАО НПФ «Микран» (634045, Томск, ул. Вершинина, 47), тел. +7 923 402 1940,
e-mail: kazimirov@micran.ru.
Investigation of electrical properties of TiN thin films obtained by DC magnetron sputtering
E.V. Erofeev, I.V. Fedin, A.I. Kazimirov
Effects of power density and nitrogen flow on the electrical resistivity, thermal stability and growing rate of TiN films obtained by magnetron sputtering are presented in this paper. The effect of temperature treatment on the degradation of specific electrical resistance and the change in the elemental composition of the films are also considered.
Keywords: thin film, titanium nitride, magnetron sputtering, electrical resistivity, growing rate, nitrogen flow, power density, thermal stability.
