基底溫度對磁控濺射法制備TiN薄膜性能的影響

宋文斌，劉盛意，王志鵬，張 穎（通信作者）

（大連東軟信息學院 遼寧 大連 116023）

1 引言

氮化鈦結構是由離子鍵、金屬鍵和共價鍵混合而成，其獨特的電子結構，使它被廣泛應用于機械工具、裝飾材料、醫學以及微電子制造領域。其良好的導電性和較大的功函數（約為4.7eV）使其在與鐵電材料HfO2接觸做電極時，對鐵電材料產生的是促進作用。這一發現，使其成為微電子領域的一種主流電極材料。氮化鈦這些特性使其在電學領域具有重要意義。

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TiN薄膜結晶質量的影響。

2 實驗

本次實驗通過優化現有工藝參數制備出金黃色的氮化鈦薄膜，并探究基底溫度對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，它是根據濺射時間、氮氬氣體比等工藝參數的不同，會出現不同的顏色。隨著氮氣分壓的改變，氮氣和Ti的化學計量比會發生變化，氮氣比例不同，薄膜顏色也會變化。其中，金黃色是最受使用者所喜歡的。所以本次實驗制作出金黃色薄膜。

實驗通過使用已知參數制備出TiN薄膜，再通過改變參數多做幾組實驗，找到實驗參數對TiN薄膜的影響，然后再對參數進行修正，直到找到最優參數，部分參數數值如表1所示。

表1 磁控濺射法制備TiN薄膜的工藝參數

3 結果與討論

本次實驗主要研究不同的基底溫度在直流濺射條件下通過使用臺階儀、X射線衍射儀、原子力顯微鏡這三個設備，分別測試不同基底溫度下薄膜的電阻率、厚度、晶體結構、表面特征，分析基底溫度對薄膜特性的影響。

本組實驗使用直流磁控濺射的工藝參數，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。不同基底溫度對濺射制備的TiN薄膜的厚度與電阻率的影響規律如圖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律性，可以推論基底溫度對薄膜厚度影響不大。而薄膜電阻率與基底溫度呈現明顯的規律性，隨著溫度的升高，薄膜電阻率逐漸減小，并且在原有實驗數據的基礎上增加了基底溫度為450℃的實驗樣品，測試結果為電阻率更小。為了確定測試結果的真實準確性，我們又進行了XRD分析，分析結果如圖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，五組波形中每個波形都有兩個峰。通過查閱資料得知，氮化鈦最常見的峰為TiN（111），五組樣品都出現了該峰。而TiN（200）峰與薄膜電阻率有關，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，其在基片表面的運動路徑增大，同時伴隨著結晶成膜的過程。所以薄膜的導電性能就越好。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得出的結論相同，證實了基底溫度影響成膜晶向的說法。從而我們可以從這個方向入手，繼續優化制備TiN薄膜的工藝參數。

TiN薄膜經過了XRD圖譜的分析后，為了得到更詳細的分析數據，又進行了AFM的測試。表2詳細的總結了AFM測試后獲得的詳細數據，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 測試結果

4 結語

通過以上數據，可以看出不同基底溫度對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。從而證實了溫度越高，薄膜的表面越優良。由于一些其它原因沒有測量在基底溫度為450℃條件下的AFM數據，但是通過現有的實驗數據可以推斷出450℃條件下的薄膜質量更好。