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        氮?dú)夂繉杌鵄lN薄膜結(jié)構(gòu)及性能的影響

        2012-02-01 03:36:46劉永智李海翼
        物理實(shí)驗(yàn) 2012年2期
        關(guān)鍵詞:靶材氮?dú)?/a>粗糙度

        劉永智,李海翼

        (甘肅民族師范學(xué)院物理與水電工程系,甘肅合作747000)

        1 引 言

        高性能的AlN在現(xiàn)代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中成為一種新型的多功能材料,其纖鋅礦的AlN具有寬的直接帶隙,其禁帶寬度為5.9~6.2eV[1],由于它的優(yōu)越的物理和化學(xué)性能,如高擊穿場強(qiáng)(10kV/m)、高熱導(dǎo)率[3.2W/(cm·K)]、高電阻率、高化學(xué)和熱穩(wěn)定性以及良好的光學(xué)及力學(xué)性能[2]等,能應(yīng)用于表聲波(SAW)和體聲波(BAW)器件、金屬絕緣體半導(dǎo)體器件、MIS埋層、大規(guī)模的絕緣集成電路(ULSI)[3]等領(lǐng)域而吸引了眾多半導(dǎo)體工作者.在很多器件的應(yīng)用中,AlN薄膜的結(jié)構(gòu)和粗糙度對其影響很大,要求其結(jié)構(gòu)必須具有多晶擇優(yōu)取向,組成均勻,表面粗糙度小[4-5],但是目前在沉積AlN薄膜過程中工藝參量對薄膜結(jié)構(gòu)和粗糙度方面的實(shí)驗(yàn)研究的報道并不多[6-7].因此研究AlN薄膜的結(jié)構(gòu)和表面粗糙度就比較有意義了.

        制備AlN薄膜的方法有化學(xué)氣相沉積法(CVD)[8]、超高真空電子束蒸發(fā)法[9]、等離子體浸沒離子注入技術(shù)[10]等,反應(yīng)磁控濺射方法由于低成本且要求相對較低的生長溫度而備受關(guān)注,已廣泛用于大面積沉積各種半導(dǎo)體材料,如SiC和AlN.本文采用直流磁控反應(yīng)濺射沉積AlN薄膜,以探索氮?dú)夂吭谡麄€制備薄膜過程中的重要作用.

        2 實(shí) 驗(yàn)

        采用CKJ-500D多靶磁控濺射鍍膜設(shè)備,直接在p-Si(111)基底沉積3組AlN薄膜,用直徑為100mm,純度為99.999%的金屬Al為靶材,以純度99.999%的氬氣為工作氣體,99.999%的氮?dú)鉃榉磻?yīng)氣體.真空腔的本底真空度5.0×10-4Pa,沉積過程中濺射氣壓為0.6Pa,濺射電流為0.40A,基底溫度為360℃,濺射時間為180min保持不變,保持氮?dú)夂蜌鍤饪偭坎蛔儯淖兊獨(dú)庹伎偭康陌俜直?經(jīng)過多次探索實(shí)驗(yàn),氮?dú)夂窟^低,薄膜中只有鋁生成,而當(dāng)?shù)獨(dú)夂窟^高(>87.5%)時,沉積過程中靶面嚴(yán)重中毒,實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行,所以本實(shí)驗(yàn)的氮?dú)夂糠秶鸀?5%~87.5%較為合適.

        采用英國Bede-D1型X射線衍射儀(XRD)來測試薄膜結(jié)構(gòu).采用AJ-Ⅲ型原子力顯微鏡(AFM)對薄膜的表面形貌、表面粗糙度進(jìn)行分析.采用NICOLET380傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)測量薄膜紅外吸收光譜.

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

        3.1 氮?dú)夂繉lN薄膜結(jié)構(gòu)的影響

        圖1給出在氮?dú)夂糠謩e為25%,37.5%,50%,62.5%,75%,87.5%時制備的AlN薄膜的XRD圖.從圖1可以看出,薄膜呈現(xiàn)多晶態(tài).可以看出,在25%的氮?dú)夂肯?,只有金屬鋁的(311)的衍射峰被觀察到,衍射角為2θ=78.2°.37.5%時,漸出現(xiàn)六方相的AlN(002)衍射峰,氮?dú)夂吭黾拥?0%時,出現(xiàn)六方AlN(100)、AlN(002)的混合相,隨著氮?dú)夂康脑黾樱珹lN(100)的衍射峰強(qiáng)度逐漸增大,且出現(xiàn)AlN(110)衍射峰,75%時峰強(qiáng)達(dá)到最強(qiáng),說明此時薄膜的結(jié)晶度最好,但當(dāng)?shù)獨(dú)夂窟^大時(87.5%),薄膜中出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的立方向的AlN(200)衍射峰,且六方相的其他衍射峰逐漸消失.這是由于增加氮?dú)夂浚瑯悠房梢院虯l充分發(fā)生反應(yīng),使得AlN晶粒得以生長.對于給定的氣壓,增加氮?dú)饬髁繉?dǎo)致中性粒子流的增加,從而增加了對薄膜的碰撞導(dǎo)致薄膜有了一定的取向.當(dāng)?shù)獨(dú)夂窟^大時,反應(yīng)氣體充當(dāng)工作氣體,氮?dú)饬W愚Z擊靶材,極易與靶材發(fā)生反應(yīng),在靶材表面生成不導(dǎo)電的AlN,到達(dá)基底表面的AlN粒子較少,從而在表面形成多晶態(tài)薄膜.

        圖1 不同氮?dú)夂肯鲁练eAlN薄膜的XRD圖

        3.2 氮?dú)夂繉lN薄膜的表面形貌的影響

        如圖2為6個樣品在不同氮?dú)夂肯鲁练e的AlN薄膜原子力顯微鏡(AFM)三維視圖,掃描范圍為2 500nm.

        由AFM的離線軟件可分別得到掃描區(qū)域內(nèi)最大高度h、表面均方粗糙度RMS、平均粒徑d,相應(yīng)數(shù)據(jù)見表1.

        AlN薄膜應(yīng)用于SAW器件中,由于SAW僅在表面?zhèn)鞑?,全部的能量幾乎只在從表面向?nèi)部1個波長之內(nèi),當(dāng)表面粗糙度超過1個波長時,SAW顯然無法通過,一般要求薄膜表面粗糙度小于30nm[11].薄膜的表面粗糙度和顆粒大小都隨氮?dú)夂康脑黾酉仍龃蠛鬁p小,6個樣品的粗糙度均小于30nm.在25%的氮?dú)夂肯拢獨(dú)鉂舛容^低,不足以跟鋁原子反應(yīng)在基底表面生成AlN,其薄膜表面可能只有金屬鋁原子,所以其平均顆粒尺寸較小,37.5%的氮?dú)鉂舛认?,薄膜表面顆粒相對變大,顆粒之間存在一些直徑較大的孔隙.再增大氮?dú)鉂舛?,?5%的氮?dú)夂肯?,薄膜表面顆粒明顯細(xì)化,直徑減小,高度降低,顆粒之間孔隙變小.隨著氮?dú)夂坑?5%增加到62.5%,薄膜中逐漸生成了AlN,薄膜的厚度增加,表面均方粗糙度由2.6nm增加到3.8nm,之后氮?dú)鉂舛冗_(dá)到75%時,其表面均方粗糙度減小到3.0nm.

        圖2 不同氮?dú)夂肯鲁练eAlN薄膜的AFM圖

        表1 不同氮?dú)夂肯鲁练e的AlN薄膜表面粗糙度和顆粒平均粒徑

        3.3 AlN薄膜的FTIR分析

        圖3給出了不同氮?dú)夂肯耂i基底AlN薄膜在(500~3 500cm-1)紅外波段的FTIR圖(圖中已扣除了Si基底的本底).可以看出,隨著氮?dú)夂康脑黾?,?70~700cm-1處出現(xiàn)Al—N的吸收峰,且吸收峰的強(qiáng)度隨氮?dú)夂康脑黾酉戎饾u增大,之后又逐漸減小.氮?dú)夂繛?5%時,吸收峰最強(qiáng),表明此時Al—N鍵的鍵密度最強(qiáng),此結(jié)果與XRD圖譜的結(jié)果相吻合.FTIR可以反映薄膜的晶格振動狀態(tài),入射光與光學(xué)橫模的耦合導(dǎo)致了光在670~700cm-1處被強(qiáng)烈吸收,不能透過薄膜,由此也表明了此時的薄膜確為AlN薄膜.

        圖3 不同氮?dú)夂肯耂i基底沉積AlN薄膜的FTIR圖

        4 結(jié) 論

        利用直流磁控濺射技術(shù)成功地制備了AlN薄膜.分析了氮?dú)夂繉杌苽涞腁lN薄膜結(jié)構(gòu)的影響.氮?dú)夂勘容^低時,薄膜呈非晶態(tài),隨著氮?dú)夂康脑黾?,AlN薄膜中出現(xiàn)了六方相的(100)AlN、(110)AlN和弱的亞穩(wěn)態(tài)的(002)AlN衍射峰;制備的6組薄膜都符合SAW器件的要求,薄膜表面粗糙度小于30nm;在氮?dú)夂繛?5%時,薄膜的FTIR圖譜中出現(xiàn)了強(qiáng)烈的吸收峰,表明薄膜中已經(jīng)生成了AlN.據(jù)本組實(shí)驗(yàn)來看,氮?dú)夂繛?5%時沉積的AlN薄膜質(zhì)量比較好.

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