基底温度对磁控溅射法制备TiN薄膜性能的影响

宋文斌，刘盛意，王志鹏，张 颖（通信作者）

（大连东软信息学院 辽宁 大连 116023）

1 引言

氮化钛结构是由离子键、金属键和共价键混合而成，其独特的电子结构，使它被广泛应用于机械工具、装饰材料、医学以及微电子制造领域。其良好的导电性和较大的功函数（约为4.7eV）使其在与铁电材料HfO2接触做电极时，对铁电材料产生的是促进作用。这一发现，使其成为微电子领域的一种主流电极材料。氮化钛这些特性使其在电学领域具有重要意义。

本论文主要以探究氮化钛在作为HfO2基新型铁电薄膜材料的电极为背景，采用TRP-450型高真空三靶磁控溅射镀膜系统在单面抛光的P型（100）晶向的硅片上，使用直流溅射法制备TiN薄膜，本文主要分析了溅射过程中基底温度对TiN薄膜结晶质量的影响。

2 实验

本次实验通过优化现有工艺参数制备出金黄色的氮化钛薄膜，并探究基底温度对薄膜宏观以及微观的影响。

TiN薄膜的颜色并不是固定不变的，它是根据溅射时间、氮氩气体比等工艺参数的不同，会出现不同的颜色。随着氮气分压的改变，氮气和Ti的化学计量比会发生变化，氮气比例不同，薄膜颜色也会变化。其中，金黄色是最受使用者所喜欢的。所以本次实验制作出金黄色薄膜。

实验通过使用已知参数制备出TiN薄膜，再通过改变参数多做几组实验，找到实验参数对TiN薄膜的影响，然后再对参数进行修正，直到找到最优参数，部分参数数值如表1所示。

表1 磁控溅射法制备TiN薄膜的工艺参数

3 结果与讨论

本次实验主要研究不同的基底温度在直流溅射条件下通过使用台阶仪、X射线衍射仪、原子力显微镜这三个设备，分别测试不同基底温度下薄膜的电阻率、厚度、晶体结构、表面特征，分析基底温度对薄膜特性的影响。

本组实验使用直流磁控溅射的工艺参数，通过改变基底温度分别为室温25℃、150℃、250℃、350℃、450℃，分析不同基底温度下薄膜的电阻率以及厚度的影响。不同基底温度对溅射制备的TiN薄膜的厚度与电阻率的影响规律如图1所示。

图1 不同基底温度下溅射制备的TiN薄膜厚度及电阻率

从图1中可以看出，薄膜厚度与基底温度之间没有明显的规律性，可以推论基底温度对薄膜厚度影响不大。而薄膜电阻率与基底温度呈现明显的规律性，随着温度的升高，薄膜电阻率逐渐减小，并且在原有实验数据的基础上增加了基底温度为450℃的实验样品，测试结果为电阻率更小。为了确定测试结果的真实准确性，我们又进行了XRD分析，分析结果如图2所示。

图2 不同基底温度下制备的TiN薄膜的XRD图谱

从XRD图谱可以看出，五组波形中每个波形都有两个峰。通过查阅资料得知，氮化钛最常见的峰为TiN（111），五组样品都出现了该峰。而TiN（200）峰与薄膜电阻率有关，并且峰值越大，薄膜电阻率越低。原因是由于基底温度的升高，TiN分子变得活跃，其在基片表面的运动路径增大，同时伴随着结晶成膜的过程。所以薄膜的导电性能就越好。由图2可知，随着温度的升高，峰值越来越大，电阻率逐渐减小。与图1得出的结论相同，证实了基底温度影响成膜晶向的说法。从而我们可以从这个方向入手，继续优化制备TiN薄膜的工艺参数。

TiN薄膜经过了XRD图谱的分析后，为了得到更详细的分析数据，又进行了AFM的测试。表2详细的总结了AFM测试后获得的详细数据，分别有平均粗糙度、表面均方粗糙度、平均粒径以及平均高度。

表2 不同基底温度下 TiN 薄膜的 AFM 测试结果

4 结语

通过以上数据，可以看出不同基底温度对氮化钛薄膜的表面粗糙度有很大的影响，且随着温度的上升，表面均方粗糙度逐渐减小。且在350℃条件下，薄膜表面最光滑。从而证实了温度越高，薄膜的表面越优良。由于一些其它原因没有测量在基底温度为450℃条件下的AFM数据，但是通过现有的实验数据可以推断出450℃条件下的薄膜质量更好。