磁控溅射制备超薄TiN薄膜电极

摘要

化学计量比接近1∶1的TiN薄膜制备工艺简单，价格低廉，具有良好的导电性和较大的功函数(～4.7eV)，因此成为当前微电子工业中的主流电极材料，广泛应用于动态随机存储器（DRAM）和场效应晶体管(FET)等器件当中。厚度小于10nm的TiN薄膜与HfO2等高-k电介质层接触时，会形成较高的肖特基势垒（～2.13eV），可保障器件具有较小的本征漏导电流，有利于降低器件的功耗，同时提高了器件的可靠性。此外，在最近兴起的HfO2基新型铁电薄膜材料研究当中人们发现:TiN上电极的机械夹持作用会促进HfO2在退火晶化时形成亚稳正交相，对HfO2铁电性质的产生及稳定起到了关键作用。
　　本论文工作以HfO2基新型铁电薄膜材料研究为背景，采用高真空直流磁控溅射设备在单晶p-Si(100)基片上制备TiN导电薄膜。实验中，通过椭偏仪、X射线反射率(XRR)技术对TiN薄膜的厚度进行了测量;使用四探针法测量薄膜的电阻率;薄膜表面形貌以及表面粗糙度的测试采用扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)来完成;通过X射线光电子能谱(XPS)测试对薄膜的化学键结合情况以及各元素的含量进行了分析。本论文分别研究了溅射电流、工作总压、靶基距、基底温度、氩氮比以及溅射时间对TiN薄膜颜色、厚度、电阻率、结晶取向、微观形貌的影响规律，通过优化工艺参数，实现了稳定可重复制备导电性能优秀的超薄TiN薄膜电极的工作目标。
　　实验结果表明:制备超薄纳米氮化钛薄膜电极的最理想参数如下，溅射电流为0.4A，工作总压为0.3Pa，靶基距为93mm，基底温度为350℃，氩气与氮气流量比为12∶1。XPS结果表明Ti与N化学计量比接近1∶1。XRD分析说明了薄膜均为多晶膜，择优取向为TiN(111)和TiN(200)，且(I)(200)越大，薄膜导电性越好。AFM结果表明TiN薄膜表面较为平整光滑，没有明显晶粒生长。