金属掺杂TaN-Ag 复合薄膜的制备及热稳定性的研究★

2022-05-11周美辰

山西化工 2022年2期

周美辰

（山西机电职业技术学院，山西长治 046011）

引言

集成电路的出现极大地丰富了人们的生活。薄膜电阻作为集成电路的基础器件，常占电子组件总数的30%以上，是关键的元器件[1-2]。TaN 掺杂导电金属的复合薄膜具有电阻可调范围宽、近零温度系数等诸多优点，是制备薄膜电阻的理想材料[3-4]。热处理是薄膜制备成器件的必经步骤[5]，且该薄膜在工作过程中需要将电能转化成热能，因此研究该体系的热稳定性对实际应用具有重大意义。

Tseng 等[6]研究了退火后TaN+Ag 薄膜硬度变化。当Ag 质量分数为1.59%时，TaN+Ag 薄膜的硬度整体较高，其中退火8 min 后薄膜的硬度最高。Mardani等[7]研究了不同氮分压制备条件下复合薄膜退火后电学性能的变化。本文采用真空退火方法，通过控制退火温度，对TaN 掺Ag 复合薄膜进行退火处理，测量退火前、后复合薄膜的电阻，研究掺Ag 量和退火温度对薄膜电学性能的影响，并通过SEM 表面形貌分析等方法探究薄膜在热场作用下的变化。

1 实验部分

1.1 样品制备

样品制备采用磁控溅射方法，实验设备采用JGP-450A 磁控溅射沉积系统，基底选用单面抛光单晶Si（100）片，并对其表面进行热氧化处理，使其形成厚度约为270 nm 的热氧化层，确保电学性能测量时具有良好的绝缘性。

实验用到的靶材分别为Ta 靶（Φ75 mm×5 mm，纯度99.99%），Ag 靶（Φ75 mm×5 mm，纯度99.99%）。使用的氩气和氮气均为高纯气体（99.999%），Ta 靶氮分压选定为40%，溅射时间为30 min。Ta 靶使用直流溅射，溅射功率选定为200 W，Ag 靶使用射频溅射，Ag 靶溅射功率分别设置为0、50、80、110、130 W，制备出不同Ag 含量的复合薄膜。

1.2 差重实验

差重实验采用SDT Q600 高温差热分析仪，对样品进行示差扫描量热分析。坩埚为氧化铝坩埚材质，样品质量为5 mg～10 mg，保护气体为高纯氮气，测试温度为25℃～800℃。

1.3 退火实验

退火实验采用RTP-1000 型真空退火炉，退火温度设定为100、200、300 ℃。退火升温时间设置为3 min，达到设定退火温度后，设备将自动进入保温模式，保温时间为10 min，随后自然冷却至室温后取出。

2 样品表征

薄膜方阻选用四点探针法测试；薄膜元素定量成分选用X 射线光电子能谱（XPS）方法；表面形貌测试选用SU6600 场发射扫描电子显微镜。

3 结果分析

3.1 薄膜成分分析

利用XPS 成分分析方法得出薄膜中的Ag 元素含量，具体结果如第14 页表1 所示。随着Ag 溅射功率的增加，复合薄膜内部的Ag 元素含量也随之增加。当Ag 溅射功率从0 W 增大到80 W 时，Ag 质量分数从0 增至5.71%，当Ag 溅射功率从80 W 增大到130W 时，Ag 质量分数从5.71%增至16.68%。可见，随着溅射功率增加，在初始阶段薄膜中Ag 质量分数增加缓慢，之后随着Ag 溅射功率增加，Ag 质量分数对溅射功率反应敏感，增大速度变快。作为薄膜中的导电颗粒，Ag 质量分数的增加将会造成薄膜的电阻减小。

表1 不同溅射功率下的Ag 质量分数

第14 页图1 所示是Ag 质量分数为11.72%下复合薄膜Ag3d 的XPS 能谱。测试前薄膜表面经过Ar+离子束刻蚀30 s，标准峰位用284.6 eV 的吸附C1s 进行矫正。如图所示，367.8 eV、373.8 eV 分别对应Ag3d5/2和Ag3d3/2的电子轨道结合能，两峰位之间的差值为6 eV，与文献内容很吻合[8]，说明TaN+Ag复合电阻薄膜，Ag 均是以单质的形态存在于TaN 基体中，不与氮气发生反应，与后续析出Ag 颗粒点谱结果相一致。

图1 复合薄膜Ag3d 的XPS 能谱

3.2 差重实验结果分析

测试复合薄膜差热曲线如图2 所示。图2 中复合薄膜在350 ℃左右出现吸热峰值，说明在这个温度范围内，薄膜性质可能发生了变化，因此将退火温度设定为100、200、300 ℃，研究TaN+Ag 复合薄膜的热稳定性，差重实验为退火温度的设定提供依据。

图2 复合薄膜差热曲线

3.3 电性能分析

图3 所示为不同成分的复合薄膜电阻值变化率随退火温度的折线图。当复合薄膜内Ag 质量分数为0%和1.25%时，在退火100 ℃～300 ℃之间，TaN薄膜的电阻值呈小幅度上升趋势，整体变化幅度很小，说明此成分的复合薄膜在热场下性能比较稳定；当Ag 质量分数为5.71%时，在100 ℃退火条件下电阻变化率依旧很小，但是当退火温度上升至200 ℃时，电阻出现明显上升，当退火温度上升至300 ℃时，电阻变化率出现大幅度增大，电阻值发生了较大的漂移，可以判定薄膜在300 ℃退火后已失效；当Ag 质量分数增加至11.72%和16.68%时，在100 ℃退火条件下电阻值比较稳定，当退火温度上升至200 ℃～300 ℃，两组薄膜的电阻变化率均出现明显增大，电阻值发生了较大的漂移，在300 ℃退火后，电阻值出现的明显陡增，基本可以判定薄膜已失效。

图3 复合薄膜退火后电阻值的变化率

综上所述，在100 ℃退火温度下，5 组复合薄膜的电学性能均能保持稳定；当退火温度上升至200 ℃以上时，Ag 含量较小的复合薄膜仍能保持较好的热稳定性，Ag 含量较多的复合薄膜出现了电阻值的漂移，且随着退火温度的上升会出现电阻值的陡增。所以，适当减少Ag 元素的掺杂量和退火温度可以提高TaN+Ag 复合薄膜的电阻热稳定性。

3.4 薄膜表面形貌

图4 所示为300 ℃退火后不同Ag 含量复合薄膜薄膜的表面形貌图。对比可以看出，当Ag 质量分数为1.25%时，300 ℃退火后薄膜表面很平整，只有少数微小突出物，而当Ag 质量分数为5.71%时，300 ℃退火后薄膜表面出现较大粒径的析出物，薄膜表面形貌出现凹凸。结合图3 中的电阻值变化率曲线，300 ℃退火后，Ag 质量分数1.25%的复合薄膜电性能较为平稳，Ag 质量分数5.71%复合薄膜电性能发生较大漂移。通过第15 页图5 中析出物的点谱图，判断析出颗粒的成分为Ag 元素。说明Ag 含量较多的复合薄膜在退火作用下，更容易出现大量Ag 原子扩散至薄膜表面的现象，导致电阻值的较大漂移。

图4 300℃退火后复合薄膜的表面形貌

图5 Ag 颗粒点谱图

第15 页图6 所示为Ag 质量分数16.68%的薄膜在不同退火温度下复合薄膜表面形貌的演变过程。图6-1 为100℃退火后复合薄膜的表面形貌图，可以看出薄膜表面出现粒径较小颗粒物，形状和大小比较均匀；当退火温度升至300 ℃时，复合薄膜表面析出大颗粒物，粒径可至150 nm 左右。根据图3中的电阻值变化率曲线，100 ℃退火后，复合薄膜电性能较为平稳，300 ℃退火后，复合薄膜电性能发生较大漂移。分析原因，正是由于高温作用下复合薄膜内导电组分Ag 原子的大量扩散析出，导致电阻值巨大漂移，因此，Ag 含量较高的复合薄膜应控制退火温度，保持电性能稳定，退火温度升高会导致Ag 元素大量扩散而失效。