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DC磁控溅射制备的TiNx薄膜组分及性能分析

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第29卷第4期 2010年8月 文章编号:1001—9014(2010)04—0245—03 红外与毫米波学报 J.Infrared Millim.Waves Vo1.29,No.4 August,2010 DC磁控溅射制备的TiNx薄膜组分及性能分析 李海翼, 赖珍荃 , 朱秀榕, 胡 敏 (南昌大学物理系,江西南昌330031) 摘要:利用Dc磁控溅射法在p.sj(111)衬底上制备了TiN 薄膜.利用x射线能谱仪(EDX)、X射线衍射(XRD)、紫 外/可见分光光度计、四探针电阻率测试仪等分析了薄膜的组分、结构和光电特性.结果表明,薄膜中N/Ti原子比接 近干1;衬底温度对薄膜的择优取向影响显著,240%附近是TiN 薄膜结晶择优取向由(111)向(2oo)转变的临界点;薄 膜在近红外波段平均反射率随衬底温度的升高,先增大后减小;薄膜的电阻率随着衬底温度的升高而显著降低. 关键词:氮化钛薄膜;磁控溅射;反射率;电阻率 文献标识码:A 中图分类号:0469 COMPOSITION AND PROPERTIES OF TiNx THIN FILMS PREPARED BY DC MAGNETRoN SPUTTERING LI Hal—Yi,LAI Zhen-Quan , ZHU Xiu—Rong,HU Min (Department of Physics,Nanchang University,Nanchang 330031,China) Abstract:TiN thin iflms were deposited on p-Si(11 1)substrate by DC magnetron reactive sputtering method.rI11e compo- sition,structure and photoelectric properties of the films were studied by using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX),X-ray diffraction(XRD),UV-visible spectrophotometer,and four・probe resistivity meter.111e results show that the atomic ratio N/Tj of the prepared TiN thin films iS close t0 1.The preferred orientation of TiN t}1in films iS obviously influenced by the substrate temperature and there iS a transition ofthe preferred oirentation from(111)to(2o0)when the substrate temperature iS about 240oC.The average reflectivity of the films in the near infrared band first increases and then decreases with the increase of the substrate temperature,while the resistivity of TiN thin films decreases rapidly. Key words:TiN thin films;magnetron sputtering;reflectance;resistivity 引言 氮化钛属于第四族过渡金属的氮化物,其结构 用作太阳能选择性透射膜-4 J、电致变色器件中的 导电薄膜以及保护膜、显示器中的反射薄膜和抗静 电薄膜 .但总体上,报道TiN 薄膜的光、电性能的 文献相对较少,TiN 薄膜的电学和光学性能方面有 待做进一步的深入研究. 采用DC反应磁控溅射法直接在P型Si(111) 衬底上沉积TiN 薄膜.着重研究DC磁控溅射制备 氮化钛过程中衬底温度对薄膜光电性能的影响. 通常是由金属键和共价键混合而成…,这使其具有 金属晶体和共价晶体的特点:高熔点、高硬度、优异 的导热性和化学惰性、优良的导电性和类似金属的 反射比 J.氮化钛薄膜不仅作为耐磨硬质涂层广泛 用于各种切削工具、机械零部件,也作为装饰薄膜广 泛应用于各种装饰行业.近年来,在微电子器件和光 电子器件应用需求的驱动下,氮化钛薄膜的电学、光 学性能受到了人们的广泛关注.氮化钛薄膜可作为 集成电路芯片中Cu和Si之间的扩散阻挡层 J,膜 较薄时,在可见光区半透明及红外区高反射。它也可 1实验 利用CKJ-500D多靶磁控溅射镀膜设备,直接 在Si衬底上沉积TiN薄膜,以 ̄100mm纯度 99.99%的金属Ti为靶材,以纯度为99.999%的氩 收稿日期:2009—05—07,修回日期:2010—01—31 Received date:2009.05-07,reviseddate:2010—01—31 基金项目:国家自然科学基金资助(No.50730007);同济大学波与材料微结构重点实验室开放基金资助(No.200602) 作者简介:李海翼(1983-),女,青海互助人,硕士生,主要从事固体光学与光电子学的研究. ‘通讯作者:zqlai@ncu.edu.ca. . 红外与毫米波学报 29卷 l-3 O・9 菱0.6 0.3 0.0 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 Energy/keV 图1 TiN 薄膜的EDX图谱 Fig.1 EDX analysis of TiN 出 films 气为工作气体,纯度99.999%的氮气为反应气体. 腔体的本底真空度5.0×10~Pa,溅射时腔体气压P 为0.3Pa,氩气和氮气流量比为3:1,溅射电流为 0.35 A,溅射时间为180min,衬底温度150~360 ̄C. 采用Bede.D1型x射线衍射(XRD)仪对样品 进行物相分析,X射线能谱仪(EDX)分析其组分, UV-3101PC分光光度计测定薄膜的反射率,SDY-5 型双电测四探针电阻率测试仪测量薄膜的方块 电阻. 2结果与讨论 2.1薄膜的组分和结晶取向分析 薄膜的光电性能与其组分及结晶取向有关,因 此对样品进行EDX和XRD测试以获得其组分和结 晶取向. 图1为衬底温度在330℃的条件下制备的Ti℃ ℃℃℃℃℃ ℃ N 薄膜样品的EDX图谱.计算出N原子百分含量占 47.15%,Ti原子百分含量占52.85%,原子比N/Ti 接近于1. 图2为不同温度下沉积的氮化钛薄膜的XRD 图.XRD测试的结果表明,制备的TiN 薄膜主要成 分为立方结构的TiN,薄膜为多晶态;衬底温度在 240oC以下时,结晶为(111)择优取向,衬底温度继 续升高,结晶逐渐转变成(200)择优取向,逐渐升高 的温度增加了原子的迁移,进而增加原子表面的扩 散距离,原子向(200)面结晶的可能性随之增加, 240%时TiN 薄膜的结晶逐渐转变为(200)择优取 向.可见240oC附近是TiN 薄膜结晶择优取向转变 的临界点.从图2可以看到,360oC时,立方相TiN (111)、(2oo)、(220)三个晶面的衍射峰同时存在, 这是由于衬底温度升高,粒子会有一部分在衬底其 2 。 图2不同衬底温度下制备的TiN 薄膜的XRD图 Fig.2 XRD patterns of TiN thin films deposited at diferent temperatures 500 400 瑶 300 200 lo0 O l5O 20o 250 300 350 400 Substratetemperture/'C 图3 TiNx薄膜的电阻率与衬底温度的关系 iFg.3 The resistivity of TiNx thin films .the substrate tern— perature 它位置成核,薄膜生长开始向多晶面取向进行. 2.2衬底温度对薄膜电阻率的影响 图3是薄膜的电阻率随衬底温度变化的关系曲 线.薄膜的电阻率随着衬底温度的升高而显著下降, 在衬底温度为330oC时电阻率为最小值33.7 n・ cm,接近块体TiN的电阻率20—3O Q・cm .在低 温下,沉积的薄膜的结晶性较差,薄膜的缺陷密度较 大,这增加了载流子的散射,因此薄膜导电性能差. 随着衬底温度的升高,吸附在衬底的原子(分子), 在表面的扩散能力增加,薄膜的缺陷密度降低,载流 子迁移率提高,并且较高的衬底温度也有助于溅射 出来的Ti原子与N原子在衬底更充分地反应,改善 了TiN。薄膜的导电性. 2.3衬底温度对薄膜光学反射率的影响 图4中七条曲线分别是在衬底温度为150、 4期 李海翼等:Dc磁控溅射制备的TiN 薄膜组分及性能分析 247 Q3u暑8葛 O 9 8 7 6 5 4 3 2 1 O 400 500 6OO 700 800 900 1 000 2/nm 图4不同衬底温度沉积的TiN 薄膜的反射谱 Fig.4 The reflection spectra of TiN thin films deposited at dif- ferent substrate temperatures 180、210、240、270、330、360oC沉积的TiN 薄膜的反 射谱,测试波长范围为350—1000rim.从图中可以看 出,七个薄膜样品的反射率都随波长的增大先减小 后增大;近红外波段范围内(760~1000nm),平均反 射率随衬底温度的升高,先增大后减小.反射率与薄 膜的结晶取向有关,因为240oC附近是择优取向由 (111)向(200)转变的临界点,当薄膜为(111)择优 取向时,反射率较低,薄膜为(200)择优取向时,反 射率普遍较高.另外,氮化钛是一种类金属薄膜,根 据Drude理论,红外反射率 限随电阻率的减小而增 大.在膜非常薄时,方块电阻尺几越小,红外反射率就 越大,并可用如下近似公式表示 RIR=(1+0.0053R口)~. (1) 实验中当衬底温度为330oC时样品的方块电阻 Rn=2.611达到最小,由图4可知其对应的红外反 射率达到0.9,将Rn=2.6ft带人式(1)计算出反射 率的理论值为0.97,与实验值比较接近,而衬底温 度为360℃时,薄膜的电阻率又有所增大,相应的反 射率有所减小. 3结论 利用DC反应磁控溅射技术,在腔体气压为 0.3Pa,Ar/N2流量比为3:1,溅射电流为0.35 A,溅 射时间为180min,衬底温度为150—360 ̄C的工艺参 数下沉积TiN 薄膜.XRD测试表明,衬底温度对薄 膜的结晶取向有显著影响,240 ̄C附近是TiN 薄膜 结晶择优取向由(111)向(200)转变的临界点.薄膜 的光电性能随沉积时的衬底温度而变:薄膜样品在 近红外波段平均反射率随衬底温度的升高先增大后 减小,薄膜的电阻率随着衬底温度的升高而显著下 降. REFERENCES [1]Savvides N,Window B.Electircal rtansoprt,optical proper- ties,and structure of TiN films synthesized by low-energy assisted deposition[J].Journal ofAppliedPhysics,1988,64 (1):225—_234. [2]Niyomsoan S,Grant W,Olson D L,et a1.Variation of col— or in titanium and zirconium nitride decorative tllin films [J]. so F//ms,2002,415(1-2):l87一l94. 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