Физика/2. Физика твердого тела.

Федин И.В., Скубо В.В.

Научный руководитель Ерофеев Е.В., к.т.н.

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина 40

Плёнки TiN в микроэлектронике. Методы измерения, влияние соотношения Ar/N₂, мощности разряда и температуры подложки на характеристики плёнок TiN

Аннотация

Данная статья является небольшим литературным обзором достижений зарубежных учёных в области получения плёнок нитрида титана. В частности рассмотрены методы исследования плёнок, влияние соотношения Ar/N₂, мощности разряда и температуры подложки на характеристики плёнок TiN

Введение

Плёнки TiN известны уже давно. Со временем совершенствуются способы их получения для достижения наилучших характеристик. Данные плёнки обладают исключительной твёрдостью, высокой износостойкостью, высокой температурой плавления, химической инертностью, термодинамической стабильностью. Данные качества определили область применения плёнок TiN – их используют в качестве диффузионных барьеров, защитных покрытий, барьеров Шоттки, контактных слоёв для солнечных элементов, антиотражающих и антистатических покрытий. Такая широкая область применения плёнок нитрида титана обуславливает повышенный интерес к ним зарубежных разработчиков. Для получения плёнок TiN применяют различные способы, в микроэлектронике наибольшее распространение получил метод магнетронного распыления.

Методы измерения характеристик плёнок TiN

Состав и однородность плёнок оценивается при помощи RBS метода (Rutherford Backscattering Spectrometry-спектрометрия обратного рассеяния Резерфорда), ERDA (упругого ядерного резонанса на протонах) и EDS (Energy-dispersive X-ray spectroscopy - энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия). X-Ray diffraction (XRD-дифракция рентгеновских лучей) применяется для определения кристаллографической ориентации плёнки. Сопротивление измеряют методом Ван-дер-Пау.

Толщину, структуру поверхности, размер зёрен и плотность зародышеобразования исследуют при помощи сканирующей электронной микроскопии (ускоряющее напряжение 15 кВ), либо атомно-силовой микроскопии.

Влияние отношения Ar/N2 на характеристики плёнок TiN

При получении плёнок TiN методом магнетронного распыления титановую мишень распыляют в атмосфере, состоящей из смеси газов азота и аргона. От процентного соотношения составляющих смеси зависят конечные характеристики получаемых плёнок. Одним из важнейших параметров тонких плёнок в микроэлектронике является электрическая проводимость. Плёнки нитрида титана являются проводящими плёнками, поэтому, обычно, стремятся уменьшить их сопротивление. Зависимость удельного электрического сопротивления плёнки TiN от процентного содержания в ней азота приведена на рис.1 [1]. Как видно из рис. 1, влияние содержания азота в плёнке на электрическое сопротивление довольно не однозначно. Электрическое сопротивление чистого Ti составляет, примерно 60 мкОм*см и сильно увеличивается при внедрении азота до 190 мкОм*см при концентрации N от 2 до 8 ат.%. Дальнейшее увеличение содержания азота уменьшает сопротивление плёнки вплоть до сопротивления титана и даже ниже (ат.% азота >50) [2]. Данный факт подтверждается работами [2] и [3].

Рисунок 1 - Зависимость удельного электрического сопротивления плёнки TiN от процентного содержания азота

Повышенное сопротивление плёнок при низких концентрациях азота объясняется ростом числа дефектов в металлической плёнке – азот занимает промежуточные места в гексагональной α-структуре титана. Дальнейшее увеличение концентрации азота приводит к образованию стехиометрического соединения TiN и снижению электрического сопротивления.

Влияние мощности разряда и температуры подложки на характеристики плёнок TiN

В работе [4] описывается влияние температуры подложки и мощности разряда на скорость роста и сопротивление плёнки. Ниже приведена зависимость скорости роста плёнки TiN (рис 2.а) и электрического сопротивления (рис. 2.б) от температуры подложки и мощности разряда.

Рисунок 2 - Зависимость скорости роста плёнки TiN (а) и электрического сопротивления (б) от температуры подложки и мощности разряда.

В диапазоне исследуемых мощностей и температур подложки скорость роста плёнки увеличивалась практически линейно. Авторы [3] объясняют данную зависимость тем, что с увеличением температуры увеличивается энергия реакции, что приводит к увеличению скорости роста плёнки. Увеличение мощности разряда, в свою очередь, приводит к активации реакций между большим числом радикалов, что так же приводит к увеличению скорости роста плёнки. С увеличением температуры подложки с 300 ⁰С до 600 ⁰C сопротивление плёнки упало с 350 мкОм*см до 60 мкОм*см. Это говорит о том, что при увеличении температуры улучшается качество поликристаллической структуры плёнки.

Литература

1. Nadia SAOULA, Karim HENDA et Rafika KESRI. Influence of Nitrogen Content on the Structural and Mechanical Properties of TiN Thin Films: Plasma Fusion Res. SERIES, Vol. 8 (2009) 1403-1407 p.

2. F. Vaza, J. Ferreiraa, E. Ribeiroa, L. Reboutaa, S. Lanceros-Mendeza, J.A. Mendesa, E. Alvesb, 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 191 (2005) 317–323 p

3. 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, Vol. 37, No. 3, September 2000, 319-323 p.

4. 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, Vol. 37, No. 3, September 2000, 319-323 p.