Ta及Ta-N薄膜的制備與電學(xué)性能研究.pdf

1、在N2/Ar氣氛中，采用反應(yīng)直流磁控濺射方法在Al2O3陶瓷和玻璃基底上制備了Ta-N薄膜，對比研究了不同基底、工藝參數(shù)及熱處理工藝對Ta-N薄膜微觀結(jié)構(gòu)、表面形貌、化學(xué)組分的演變及電性能的影響；制備并分析了Ta-N薄膜在Cu/Ta-N/SiO2/Si、Cu/Ta/Ta-N/SiO2/Si及Cu/Ti/Ta-N/SiO2/Si體系中的擴(kuò)散阻擋性能及其失效機(jī)制。
　　研究發(fā)現(xiàn)，沉積于Al2O3基底的Ta-N為團(tuán)簇狀單相薄膜，而沉積于

2、玻璃基底的Ta-N薄膜，隨N2/Ar流量比增加，由單相演變?yōu)槎嘞喙泊妫煌瑫r，隨著N2/Ar流量比的增加，沉積于Al2O3陶瓷和玻璃基底的Ta-N薄膜，其N/Ta比值與方阻均逐漸增加，電阻溫度系數(shù)(TCR)向負(fù)值方向移動。相同N2/Ar流量比，沉積于玻璃基底的Ta-N薄膜表現(xiàn)出更優(yōu)異的電性能。隨著基底溫度的升高，薄膜中N含量逐漸增加，薄膜由TaN(111)轉(zhuǎn)變?yōu)門aN(200)擇優(yōu)取向，薄膜方阻逐漸增大，TCR向負(fù)值方向移動；隨著退火溫度

3、的升高，薄膜晶粒尺寸減小，薄膜變得致密、平整；退火溫度高于500℃時，薄膜中析出低電阻率的Ta2N相，使薄膜方阻減小，TCR顯著改善；與此同時，退火溫度的升高使得薄膜中O含量增加，退火溫度高于600℃時，由于氧化嚴(yán)重，內(nèi)應(yīng)力急劇增加導(dǎo)致薄膜開裂。
　　研究表明，隨著N2/Ar流量比增加，Ta-N擴(kuò)散阻擋層的熱穩(wěn)定性逐漸提高，流量比為10%的100nmTa-N阻擋層表現(xiàn)出較優(yōu)的熱穩(wěn)定性，700℃/30min熱處理后，Cu/Ta-N/

4、SiO2/Si擴(kuò)散體系開始失效，方阻急劇增加，失效機(jī)制為層間反應(yīng)生成高電阻率的Cu3Si和Ta2O5。Ta/Ta-N雙層結(jié)構(gòu)阻擋層兼顧了Cu/Ta界面良好的粘附性及Ta-N的高熱穩(wěn)定性，750℃/30min熱處理后，Cu/Ta/Ta-N/SiO2/Si擴(kuò)散體系開始失效，其失效機(jī)制為Cu原子擴(kuò)散通過Ta/Ta-N阻擋層與Si發(fā)生反應(yīng)，Cu膜表面發(fā)生團(tuán)聚。首次嘗試制備并研究了Ti/Ta-N雙層結(jié)構(gòu)擴(kuò)散阻擋特性，研究表明，Cu/Ti/Ta-N