周美辰

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長治 046011）

引言

集成電路的出現(xiàn)極大地豐富了人們的生活。薄膜電阻作為集成電路的基礎(chǔ)器件，常占電子組件總數(shù)的30%以上，是關(guān)鍵的元器件[1-2]。TaN 摻雜導(dǎo)電金屬的復(fù)合薄膜具有電阻可調(diào)范圍寬、近零溫度系數(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，是制備薄膜電阻的理想材料[3-4]。熱處理是薄膜制備成器件的必經(jīng)步驟[5]，且該薄膜在工作過程中需要將電能轉(zhuǎn)化成熱能，因此研究該體系的熱穩(wěn)定性對實(shí)際應(yīng)用具有重大意義。

Tseng 等[6]研究了退火后TaN+Ag 薄膜硬度變化。當(dāng)Ag 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.59%時(shí)，TaN+Ag 薄膜的硬度整體較高，其中退火8 min 后薄膜的硬度最高。Mardani等[7]研究了不同氮分壓制備條件下復(fù)合薄膜退火后電學(xué)性能的變化。本文采用真空退火方法，通過控制退火溫度，對TaN 摻Ag 復(fù)合薄膜進(jìn)行退火處理，測量退火前、后復(fù)合薄膜的電阻，研究摻Ag 量和退火溫度對薄膜電學(xué)性能的影響，并通過SEM 表面形貌分析等方法探究薄膜在熱場作用下的變化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品制備

樣品制備采用磁控濺射方法，實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用JGP-450A 磁控濺射沉積系統(tǒng)，基底選用單面拋光單晶Si（100）片，并對其表面進(jìn)行熱氧化處理，使其形成厚度約為270 nm 的熱氧化層，確保電學(xué)性能測量時(shí)具有良好的絕緣性。

實(shí)驗(yàn)用到的靶材分別為Ta 靶（Φ75 mm×5 mm，純度99.99%），Ag 靶（Φ75 mm×5 mm，純度99.99%）。使用的氬氣和氮?dú)饩鶠楦呒儦怏w（99.999%），Ta 靶氮分壓選定為40%，濺射時(shí)間為30 min。Ta 靶使用直流濺射，濺射功率選定為200 W，Ag 靶使用射頻濺射，Ag 靶濺射功率分別設(shè)置為0、50、80、110、130 W，制備出不同Ag 含量的復(fù)合薄膜。

1.2 差重實(shí)驗(yàn)

差重實(shí)驗(yàn)采用SDT Q600 高溫差熱分析儀，對樣品進(jìn)行示差掃描量熱分析。坩堝為氧化鋁坩堝材質(zhì)，樣品質(zhì)量為5 mg～10 mg，保護(hù)氣體為高純氮?dú)?，測試溫度為25℃～800℃。

1.3 退火實(shí)驗(yàn)

退火實(shí)驗(yàn)采用RTP-1000 型真空退火爐，退火溫度設(shè)定為100、200、300 ℃。退火升溫時(shí)間設(shè)置為3 min，達(dá)到設(shè)定退火溫度后，設(shè)備將自動進(jìn)入保溫模式，保溫時(shí)間為10 min，隨后自然冷卻至室溫后取出。

2 樣品表征

薄膜方阻選用四點(diǎn)探針法測試；薄膜元素定量成分選用X 射線光電子能譜（XPS）方法；表面形貌測試選用SU6600 場發(fā)射掃描電子顯微鏡。

3 結(jié)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，具體結(jié)果如第14 頁表1 所示。隨著Ag 濺射功率的增加，復(fù)合薄膜內(nèi)部的Ag 元素含量也隨之增加。當(dāng)Ag 濺射功率從0 W 增大到80 W 時(shí)，Ag 質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0 增至5.71%，當(dāng)Ag 濺射功率從80 W 增大到130W 時(shí)，Ag 質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5.71%增至16.68%?？梢?，隨著濺射功率增加，在初始階段薄膜中Ag 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加緩慢，之后隨著Ag 濺射功率增加，Ag 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對濺射功率反應(yīng)敏感，增大速度變快。作為薄膜中的導(dǎo)電顆粒，Ag 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加將會造成薄膜的電阻減小。

表1 不同濺射功率下的Ag 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

第14 頁圖1 所示是Ag 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.72%下復(fù)合薄膜Ag3d 的XPS 能譜。測試前薄膜表面經(jīng)過Ar+離子束刻蝕30 s，標(biāo)準(zhǔn)峰位用284.6 eV 的吸附C1s 進(jìn)行矯正。如圖所示，367.8 eV、373.8 eV 分別對應(yīng)Ag3d5/2和Ag3d3/2的電子軌道結(jié)合能，兩峰位之間的差值為6 eV，與文獻(xiàn)內(nèi)容很吻合[8]，說明TaN+Ag復(fù)合電阻薄膜，Ag 均是以單質(zhì)的形態(tài)存在于TaN 基體中，不與氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)，與后續(xù)析出Ag 顆粒點(diǎn)譜結(jié)果相一致。

圖1 復(fù)合薄膜Ag3d 的XPS 能譜

3.2 差重實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

測試復(fù)合薄膜差熱曲線如圖2 所示。圖2 中復(fù)合薄膜在350 ℃左右出現(xiàn)吸熱峰值，說明在這個溫度范圍內(nèi)，薄膜性質(zhì)可能發(fā)生了變化，因此將退火溫度設(shè)定為100、200、300 ℃，研究TaN+Ag 復(fù)合薄膜的熱穩(wěn)定性，差重實(shí)驗(yàn)為退火溫度的設(shè)定提供依據(jù)。

圖2 復(fù)合薄膜差熱曲線

3.3 電性能分析

圖3 所示為不同成分的復(fù)合薄膜電阻值變化率隨退火溫度的折線圖。當(dāng)復(fù)合薄膜內(nèi)Ag 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%和1.25%時(shí)，在退火100 ℃～300 ℃之間，TaN薄膜的電阻值呈小幅度上升趨勢，整體變化幅度很小，說明此成分的復(fù)合薄膜在熱場下性能比較穩(wěn)定；當(dāng)Ag 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.71%時(shí)，在100 ℃退火條件下電阻變化率依舊很小，但是當(dāng)退火溫度上升至200 ℃時(shí)，電阻出現(xiàn)明顯上升，當(dāng)退火溫度上升至300 ℃時(shí)，電阻變化率出現(xiàn)大幅度增大，電阻值發(fā)生了較大的漂移，可以判定薄膜在300 ℃退火后已失效；當(dāng)Ag 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至11.72%和16.68%時(shí)，在100 ℃退火條件下電阻值比較穩(wěn)定，當(dāng)退火溫度上升至200 ℃～300 ℃，兩組薄膜的電阻變化率均出現(xiàn)明顯增大，電阻值發(fā)生了較大的漂移，在300 ℃退火后，電阻值出現(xiàn)的明顯陡增，基本可以判定薄膜已失效。

圖3 復(fù)合薄膜退火后電阻值的變化率

綜上所述，在100 ℃退火溫度下，5 組復(fù)合薄膜的電學(xué)性能均能保持穩(wěn)定；當(dāng)退火溫度上升至200 ℃以上時(shí)，Ag 含量較小的復(fù)合薄膜仍能保持較好的熱穩(wěn)定性，Ag 含量較多的復(fù)合薄膜出現(xiàn)了電阻值的漂移，且隨著退火溫度的上升會出現(xiàn)電阻值的陡增。所以，適當(dāng)減少Ag 元素的摻雜量和退火溫度可以提高TaN+Ag 復(fù)合薄膜的電阻熱穩(wěn)定性。

3.4 薄膜表面形貌

圖4 所示為300 ℃退火后不同Ag 含量復(fù)合薄膜薄膜的表面形貌圖。對比可以看出，當(dāng)Ag 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.25%時(shí)，300 ℃退火后薄膜表面很平整，只有少數(shù)微小突出物，而當(dāng)Ag 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.71%時(shí)，300 ℃退火后薄膜表面出現(xiàn)較大粒徑的析出物，薄膜表面形貌出現(xiàn)凹凸。結(jié)合圖3 中的電阻值變化率曲線，300 ℃退火后，Ag 質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.25%的復(fù)合薄膜電性能較為平穩(wěn)，Ag 質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.71%復(fù)合薄膜電性能發(fā)生較大漂移。通過第15 頁圖5 中析出物的點(diǎn)譜圖，判斷析出顆粒的成分為Ag 元素。說明Ag 含量較多的復(fù)合薄膜在退火作用下，更容易出現(xiàn)大量Ag 原子擴(kuò)散至薄膜表面的現(xiàn)象，導(dǎo)致電阻值的較大漂移。

圖4 300℃退火后復(fù)合薄膜的表面形貌

圖5 Ag 顆粒點(diǎn)譜圖

第15 頁圖6 所示為Ag 質(zhì)量分?jǐn)?shù)16.68%的薄膜在不同退火溫度下復(fù)合薄膜表面形貌的演變過程。圖6-1 為100℃退火后復(fù)合薄膜的表面形貌圖，可以看出薄膜表面出現(xiàn)粒徑較小顆粒物，形狀和大小比較均勻；當(dāng)退火溫度升至300 ℃時(shí)，復(fù)合薄膜表面析出大顆粒物，粒徑可至150 nm 左右。根據(jù)圖3中的電阻值變化率曲線，100 ℃退火后，復(fù)合薄膜電性能較為平穩(wěn)，300 ℃退火后，復(fù)合薄膜電性能發(fā)生較大漂移。分析原因，正是由于高溫作用下復(fù)合薄膜內(nèi)導(dǎo)電組分Ag 原子的大量擴(kuò)散析出，導(dǎo)致電阻值巨大漂移，因此，Ag 含量較高的復(fù)合薄膜應(yīng)控制退火溫度，保持電性能穩(wěn)定，退火溫度升高會導(dǎo)致Ag 元素大量擴(kuò)散而失效。

圖6 Ag 質(zhì)量分?jǐn)?shù)16.68%的薄膜在不同退火溫度下的表面形貌

4 結(jié)論

采用磁控濺射方法在單晶Si（100）片上制備TaN-Ag 復(fù)合薄膜樣品，研究了摻Ag 量和退火溫度對薄膜電學(xué)性能和表面形貌的影響，得到結(jié)論如下：

1）在100 ℃退火溫度下，復(fù)合薄膜的電阻值能保持穩(wěn)定；

2）當(dāng)退火溫度上升至200 ℃以上時(shí)，含Ag 量較少的復(fù)合薄膜電性能保持穩(wěn)定，而含Ag 量較多的復(fù)合薄膜表面會出現(xiàn)Ag 顆粒的大量析出，電阻值出現(xiàn)較大漂移。

3）降低退火溫度和Ag 摻雜量可以保持TaN-Ag復(fù)合薄膜的電阻值熱穩(wěn)定性。