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

 

Влияние потока азота и мощности разряда на электрическое сопротивление плёнок TiN, полученных методом магнетронного распыления

Аннотация

В данной статье рассмотрена зависимость удельного сопротивления плёнок нитрида титана от парциального давления азота и мощности разряда магнетрона, полученных методом магнетронного распыления в атмосфере состоящей из смеси азота и аргона.

Введение

Плёнки TiN известны уже давно. 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 и защитных покрытий. В микроэлектронике их так же применяют в качестве барьеров Шоттки, контактных слоёв для солнечных элементов, антиотражающих и антистатических покрытий. Для получения плёнок TiN применяют различные способы, в микроэлектронике наибольшее распространение получил метод магнетронного распыления.

Методика эксперимента

Плёнки TiNx осаждались методом магнетронного распыления в атмосфере из смеси азота и аргона на кремниевые подложки с кристаллографической ориентацией [111] через резистивную маску с рисунком резисторов. Рабочая камера установки предварительно откачивалась до давления 4,5*10-5 Па. Затем проводился напуск аргона до давления 0,1 Па (поток аргона 25 sccm). После этого проводился напуск азота до необходимого соотношения Ar-N2 (поток азота 3-14 sccm). Использовались 3 режима мощности разряда: 250, 500 и 750 Вт.

Влияние потока азота и мощности разряда на электрическое сопротивление плёнок TiN

Одним из важнейших параметров тонких плёнок в микроэлектронике является электрическое сопротивление. Плёнки нитрида титана являются проводящими плёнками, поэтому, обычно, стремятся уменьшить их сопротивление. Сопротивление плёнок TiN зависит от количества азота в плёнке [1]. В данной работе изменение стехиометрии TiNx проводилось путём подачи различных потоков азота (3, 7, 14 sccm) при постоянном потоке аргона, равном 25 sccm. Возможность такого влияния на стехиометрию плёнок показана в [2]. Мощность разряда так же влияет на сопротивление получаемых плёнок. На рис. 1 приведены зависимости удельного сопротивления плёнок TiN от потока азота при постоянной мощности разряда (слева) и зависимость сопротивления плёнки от мощности разряда при постоянном потоке азота (справа).

Рисунок 1 - Зависимость удельного сопротивления плёнок TiN от потока азота при постоянной мощности разряда (слева) и зависимость сопротивления плёнки от мощности разряда при постоянном потоке азота (справа).

Электрическое сопротивление чистого Ti составляет, примерно 60 мкОм*см [3] и сильно увеличивается при внедрении азота до 190 мкОм*см при малых концентрации азота. Повышенное сопротивление плёнок при низких концентрациях азота объясняется ростом числа дефектов в металлической плёнке – азот занимает промежуточные места в гексагональной α-структуре титана. Данный эффект так же подтверждается в работе  [2]. Увеличение потока азота приводит к снижению электрического сопротивления вследствие образования соединения TiN (сопротивление 40 мкОм*см [4]), что подтверждается результатами микроанализа (рис. 2).

Рисунок 2 – Соотношение ат.% титана и азота в плёнке TiN при потоке N2 7sccm и мощности разряда 500 Вт

При малых потоках азота (3 sccm) увеличение мощности разряда приводит к росту сопротивления плёнок TiN (ри. 2 справа). При потоке N2 равном 7 sccm оптимальное значение мощности, при котором наблюдается наименьшее сопротивление составляет 500 Вт. При больших потоках азота (14 sccm) при увеличении мощности разряда сопротивление плёнок уменьшается. Наменьшим сопротивлением обладали плёнки нитрида титана, полученные при потоках 7 и 14 sccm и мощностях разряда 500 и 750 Вт соответственно. Таким образом, при напылении плёнок TiN необходимо учитывать немонотонность зависимости сопротивления от мощности разряда и потока азота и находить оптимальное значение двух этих параметров.

Заключение

В данной работе проведено исследование влияния мощности разряда и потока азота на сопротивление плёнок нитрида титана, полученных методом магнетронного распыления в атмосфере из смеси аргона и азота. Показано, что данные зависимости имеют немонотонный характер, что необходимо учитывать при подборе оптимального режима технологической операции.

 

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. Электропроводимость и электрическое сопротивление титана и титановых сплавов. ⌈Электронный ресурс⌉. - Режим доступа: http://www.dpva.info/Guide/GuidePhysics/ElectricityAndMagnethism/ElectricalResistanceAndConductivity/ElResTitaniumAndAlloys/ (дата обращения: 04.02.2015)

4. Нитрид титана ⌈Электронный ресурс⌉. - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Нитрид_титана (дата обращения: 04.02.2015)

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