掺Al对TaN薄膜微结构及电性能的影响

蒋洪川，王超杰，张万里，向 阳，司 旭，彭 斌，李言荣

(电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室 成都 610054)

掺Al对TaN薄膜微结构及电性能的影响

蒋洪川，王超杰，张万里，向 阳，司 旭，彭 斌，李言荣

(电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室 成都 610054)

采用反应直流磁控溅射法在Al2O3陶瓷基片上制备TaAlN薄膜，通过调节复合靶Al/Ta面积比调节Al掺杂量，研究了Al/Ta面积比对TaAlN薄膜微结构及电性能的影响。XRD结果表明，TaN薄膜中掺杂Al可在2θ为38.5°和65.18°处分别有立方结构的AlN(101)和AlN(202)相出现。随Al/Ta面积比的增大，TaAlN薄膜的沉积速率、电阻率、方阻以及TCR绝对值逐渐增大。当Al/Ta面积比为零时，TaN薄膜的电阻率和TCR绝对值分别为247.8 µΩ⋅cm和12 ppm/℃，当Al/Ta面积比增大到29%时，TaAlN薄膜的电阻率和TCR绝对值分别增大到2560 µΩ⋅cm和270 ppm/℃。

Al掺杂; 磁控溅射; TaN薄膜; TCR

随着微波技术的不断发展，微波电子系统及其部件逐渐向微型化、集成化、薄膜化以及高温度稳定性方向发展。由于微波集成电路中的电阻性功率匹配负载(功率电阻器)或衰减器需要在较高的温度下工作，因此，电阻器或衰减器的电阻层薄膜材料需要有较低的电阻温度系数(TCR)。作为薄膜电阻器的电阻层材料，TaN薄膜具有自钝化特性，能在空气中氧化生成一层约几埃厚的致密Ta2O5膜，使它在非密封状态下工作时可抵抗水气的侵蚀，从而具有优良的稳定性和可靠性[1-2]。另外，当TaN薄膜结构主要包含六方结构(hcp)Ta2N相时，薄膜的电阻温度系数不超过−100 ppm/℃，甚至可调节至零[3-5]，所以TaN是一种非常理想的精密电阻材料。为此，国内外对TaN薄膜的制备工艺及性能进行了大量的研究[6-11]。TaN薄膜的制备方法主要有化学气相沉积法(CVD)和反应磁控溅射法。作为薄膜电阻器的电阻层，TaN薄膜的方阻和TCR是表征电阻器性能的主要参数。调节TaN薄膜方阻的常用方法有两种：一是调节溅射气氛中N2/Ar比，因为提高溅射气氛中N2/Ar比可显著提高TaN薄膜方阻，但TaN薄膜的TCR也会随N2/Ar比的增大而增大[6]，因此该方法可调节范围有限；二是调节薄膜厚度，因为降低薄膜厚度可提高方阻，但薄膜厚度减小会显著降低薄膜电阻器的功率负荷密度。掺杂是调节薄膜方阻的有效方法，为此，本文采用反应直流磁控溅射制备TaN薄膜，通过Al掺杂调节TaAlN(由于样品中掺杂Al，为避免混淆，本文将掺杂Al的样品描述为TaAlN)薄膜的方阻，主要考察了溅射靶材Al/Ta面积比对TaAlN薄膜微结构及电性能的影响。

1 实验部分

采用反应直流磁控溅射制备TaAlN薄膜，靶材采用纯度为99.99 at.%Ta靶，直径为Φ60 mm，通过在Ta靶上放置金属Al片调节Al/Ta的面积比，如图1所示。基片采用单面抛光的Al2O3陶瓷基片，溅射气体采用纯度为99.999%的Ar和N2，溅射时靶基距80 mm，背底真空度5×10−4Pa，溅射气压0.2 Pa，溅射气氛中N2/(N2+Ar)流量比为3%，溅射功率25 W，溅射时间20 min，基片温度为600℃。薄膜厚度采用台阶仪测量，薄膜方阻采用SZ82型四探针测试仪测量，相结构采用XRD(Bede公司DI型衍射仪，采用Cu-Kα射线)表征，电阻温度系数采用高低温实验箱及吉时利(2400)电源测试，测试温度范围为−36℃～130℃。TCR为：

式中 RT为温度T时的薄膜电阻；R25为温度25℃时的薄膜电阻；T为测试温度。

图1 靶材示意图

2 结果与讨论

图2所示为不同Al/Ta面积比所制备的TaAlN薄膜XRD图谱。由图可知，所制备的TaAlN薄膜为多晶结构，当用纯Ta靶制备薄膜时，TaN薄膜主要由六方结构(hcp)的γ-Ta2N(在2θ为36.9°出现(002)面的衍射，在2θ为60.9°出现(110)面的衍射)、面心立方结构(fcc)Ta4N(在2θ为59.3°出现(020)面的衍射)和体心四方结构(bct)的TaN(在2θ为41.7°出现(200)面的衍射，在2θ为64.6°出现(002)面的衍射)组成。当用TaAl复合靶制备TaAlN薄膜时，薄膜中除了上述六方结构(hcp)的γ-Ta2N、面心立方结构(fcc)Ta4N及体心四方结构(bct)的TaN外，在2θ为38.5°和65.18°处还分别出现立方结构的AlN(101)和AlN(202)面的衍射峰。

图2 不同Al/Ta面积比条件下TaAlN薄膜的XRD谱

图3所示为薄膜厚度与Al/Ta面积比的关系曲线。由图可知，随靶材Al/Ta面积比的增大，TaAlN薄膜的厚度逐渐增加。这是由于当Al/Ta面积比增大时，薄膜中AlN成分增加，由于Al原子量小于Ta原子量，被轰击出的Al原子的平均自由程大于Ta原子的平均自由程，导致Al的沉积速率大于Ta原子的沉积速率，而AlN的密度小于TaN的密度，使得薄膜的厚度随Al/Ta面积比的增大而增大。

图3 不同Al/Ta面积比条件下TaAlN薄膜的厚度

图4所示为TaAlN薄膜的电阻率与Al/Ta面积比的关系曲线。由图可知，随Al/Ta面积比的增加，薄膜的电阻率逐渐增大。当复合靶中Al/Ta面积比为0时，TaN薄膜的电阻率较低(约为247.8 µΩ⋅cm)，随复合靶中Al/Ta面积比增大，TaAlN薄膜的电阻率显著增大，当Al/Ta面积比为29%时，TaAlN薄膜的电阻率达到2 560 µΩ⋅cm。当Al/Ta面积比为0时，TaN薄膜中主要晶体结构为低电阻率的六方结构(hcp)的γ-Ta2N、面心立方结构Ta4N和体心四方结构(bct)的TaN相，因此薄膜的电阻率较低。随着溅射靶材中Al的引入，薄膜中析出高电阻率的AlN相，导致薄膜电阻率显著增大。随Al/Ta面积比的增大以及溅射粒子中Al粒子浓度的增大，薄膜中高电阻率的AlN相相对数量越来越大，导致TaN薄膜的电阻率随Al/Ta面积比的增大而增大。因此在不降低薄膜厚度的情况下，可通过Al掺杂有效调节TaAlN薄膜的方阻，从而可为电阻器的设计和加工提供较大的灵活性。

图4 不同Al/Ta面积比条件下TaAlN薄膜的电阻率

图5所示为TaAlN薄膜TCR与Al/Ta面积比的关系曲线。由图可知，随Al/Ta面积比的增大，TaAlN薄膜的TCR绝对值均逐渐增大。当Al/Ta面积比为零时，TaN薄膜的TCR绝对值为12 ppm/℃，随Al/Ta面积比的增大，TaAlN薄膜的TCR绝对值急剧增大，当Al/Ta面积比增大到29%时，TaAlN薄膜的TCR绝对值增大到270 ppm/℃。由于AlN相具有负的TCR且TCR的绝对值较大(达每度百万分之几千)，而通常的TaN薄膜具有正的TCR，因此，AlN相的引入将使TaAlN薄膜的TCR向负值方向变化，随Al/Ta面积比的增大，TaAlN薄膜中AlN相相对含量增加，从而薄膜的TCR绝对值逐渐增大。因此，只要适当控制Al/Ta面积比，可使TaAlN薄膜的TCR在可接受的范围内。

图5 不同Al/Ta面积比条件下的TaAlN薄膜的TCR

3 结 论

掺杂Al可在TaAlN薄膜中析出立方结构的AlN相。随溅射靶材Al/Ta面积比增大，TaAlN薄膜的沉积速率、电阻率以及TCR绝对值均逐渐增大。适当控制溅射靶材Al/Ta面积比，在不降低薄膜厚度的情况下，可有效调节TaAlN薄膜的方阻，并使TaAlN薄膜的TCR在可接受的范围内，从而为TaAlN薄膜电阻器的设计和加工提供较大的灵活性。

[1]CUONG N D, KIMB D J, KANG B D, et al. Structural and electrical characterization of tantalum nitride thin film resistors deposited on AlN substrates for ∏-type attenuator applications[J]. Materials Science and Engineering B, 2006,135(2): 162-165.

[2]CHUNG G S. Characteristics of tantalum nitride thin film strain gauges for harsh environments[J]. Sensors and Actuators A, 2007, 135(2): 355-359.

[3]KANG S M, YOON S G, SUH S J, et al. Control of electrical resistivity of TaN thin films by reactive sputtering for embedded passive resistors[J]. Thin Solid Films, 2008,516(11): 3568-3571.

[4]NA S M, PARK I S, PARK S Y, et al. Electrical and structural properties of Ta–N thin film and Ta/Ta–N multilayer for embedded resistor [J]. Thin Solid Film, 2008,516(16): 5465-5469.

[5]RIEKKINENA T, MOLARIUSA J, LAURILAB T, et al.Reactive sputter deposition and properties of TaN thin films[J]. Microelectr Eng, 2002, 64(1-4): 289-297.

[6]RADHAKRISHNAN K, ING N G, GOPALAKRISHNAN R.Reactive sputter deposition and characterization of tantalum nitride thin films[J]. Materials Science and Engineering B,1999, 57(3): 224-227.

[7]LU Y M, WENG R J, HWANG W S, et al. Electrical properties of TaxNy films by implementing OES in the sputtering system[J]. Materials Chemistry and Physics, 2001,72(2): 278-280.

[8]WANG C M, HSIEH J H, LI C. Electrical and piezoresistive properties of TaN-Cu nanocomposite thin films[J]. Thin Solid Films, 2004, 30(7): 1879-1883.

[9]TSUKIMOTO S, MORIYAMA M, MSANORI M.Microstructure of amorphous tantalum nitride thin films [J].Thin Solid Films, 2004, 460(1-2): 222-226.

[10]SHEN H , RAMANATHAN R. Fabrication of a low resistivity tantalum nitride thin films[J]. Microelectr Eng,2006, 83(2): 206-212.

[11]NAZON J, SARRADIN J, FLAUD V, et al. Effects of processing parameters on the properties of tantalum nitride thin films deposited by reactive sputtering[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2008, 464(1-2): 526-531.

编 辑 张 俊

Influences of Aluminum Doping on the Micro-Structures and Electrical Properties of TaN Thin Films

JIANG Hong-chuan,WANG Chao-jie, ZHANG Wan-li, XIANG Yang, SI Xu, PENG Bin, and LI Yan-rong

(State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054)

TaAlN thin films were deposited on Al2O3substrates by reactive DC magnetron sputtering. The content of Al doping in TaN thin films was controlled by adjusting Al/Ta area ratios of the composite target. The influences of Al/Ta area ratios on the micro-structures and the electrical properties of the samples were investigated in detail. The X-ray diffraction (XRD)results show that AlN (101)and AlN (202)phases precipitate out at 2 θ of 38.5° and 65.18° in aluminum doping TaN films, respectively. With the increase of the Al/Ta area ratios, the deposition rate, resistivity and the absolute value of temperature coefficient of resistance (TCR)of the samples increase gradually. When the Al/Ta area ratio is zero, the resistivity and the absolute value of the TCR of the samples are 247.8 µΩ⋅cm and 12 ppm/℃ , respectively. However,with the increase of the Al/Ta area ratio up to 29%, the resistivity and the absolute value of the TCR of the samples are increased to 2 560 µΩ⋅cm and 270 ppm/℃ , respectively.

Aluminum doping; magnetron sputtering; TaN thin films; TCR

TB43; TN6

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2010.03.025

2009- 07- 07；

2010- 03- 19

电子薄膜与集成器件国家重点实验室基金(KFJJ200804)

蒋洪川(1971- )，男，博士，副教授，主要从事电子薄膜与器件方面的研究.