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Ta及Ta-O薄膜的制备及其电学性能研究

周艳明  
【摘要】:本文采用磁控溅射方法在玻璃基底上制备了纯Ta薄膜和低值Ta-0薄膜。研究了不同制备工艺参数以及热处理过程中上述两种成分薄膜的微观结构、表面形貌以及化学组成的演变及其对电性能的影响。同时研究了n与Ta0_x缓冲层的微观结构、表面特性及其对沉积其上的Ta薄膜微观结构的影响,分析了缓冲层对Ta薄膜的生长机理以及Ta/n和Ta/Ta0_x薄膜微观结构的演变对电学性能的影响。 溅射功率、沉积温度对Ta薄膜的沉积速率、结晶取向、0/Ta比值以及电性能起着重要作用;所沉积的Ta薄膜均呈现碳污染。随溅射功率的增加,Ta薄膜的沉积速率几乎呈线性增大,薄膜中晶粒取向增多,颗粒尺寸增大,杂质碳原子含量基本不变,0/Ta比值减小,导电性能增加,TcR住正值方向偏移。在300℃~500℃范围沉积的Ta薄膜均为p-Ta,择优取向为p-Ta(200),基底温度增加到650℃,部分B-Ta转化为α-Ta,电阻率迅速下降。随着基底温度的升高,Ta薄膜的表面平均粗糙度和颗粒尺寸变小,致密度提高,0/Ta原子比值减小,电阻率减小。 不同热处理工艺对Ta薄膜的微观结构、表面特性与相的组成有重要影响,进而影响其电性能。在O-2Pa低真空环境中热处理,其室温电阻率随着热处理温度的上升,呈先上升、后略微下降趋势;而在O-2Pa02中热处理,其室温电阻率随热处理温度的上升而增大。相同的热处理温度,在02中热处理后的Ta薄膜室温电阻率都要比在低真空下热处理后的电阻率大。薄膜热处理后微观结构对电性能的影响机理可以采用简单化的双层并联电阻模型,借助双导电特性来定性解释。 Ta-0薄膜的微观结构、化学组成与溅射气氛中的0z含量有关。随着溅射气体中02含量的增加,薄膜的结晶相含量迅速减少。650℃高温热处理促进Ta-0薄膜发生结晶析出;Ta-0薄膜中氧的含量及微观结构的演变对电性能起主导作用。真空环境下的电阻-温度曲线随薄膜中氧含量的增加由近似线性关系逐渐演变为近似指数形式,空气环境下的电阻-温度特性曲线表现为冷却时的电阻变化曲线斜率要比加热时的斜率更负。 对比研究了不同厚度及氧含量的Ta-0薄膜经不同温度、气氛和时间老化后的电学稳定性能。不同厚度的Ta-0薄膜,其AR/R值随着老化时间及温度的增加而增大。Ta-0薄膜在空气环境中经相同温度及时间老化后,其相对电阻变化(AR/R)值随溅射气体中0:含量的增加而增大;Ta-0薄膜存在老化稳定性较差的问题。Ta-0薄膜在空气或氧气气氛下老化处理后微观结构对电性能的影响机理可以用颗粒边界氧扩散-氧化模型来定性解释。 沉积于玻璃和Si(111)基底的Ta/n薄膜,其各结晶相的体积分数部受Ti缓冲层厚度的影响。n缓冲层的引入能有效抑制Ta薄膜中B-Ta相的生长,而促进α-Ta相的形成。将Ti缓冲层暴露于空气环境后,沉积的Ta薄膜由α-Ta相和β-Ta相组成,其中β-Ta分别呈(200)与(004)晶面择优取向生长,α-Ta仍以(110)晶面择优取向生长。Ti缓冲层对Ta薄膜的生长的影响机理,可用n缓冲层与Ta薄膜之间的晶格匹配来解释。 Ta0X缓冲层的微观结构与表面形貌对Ta薄膜的微观结构、颗粒尺寸、表面形貌以及断面形貌有重要影响,进而影响其电性能。随着0_2/Ar流量比值的增加,Ta0_x缓冲层的结晶颗粒迅速减少,薄膜逐渐由晶态成分逐渐转变为非晶态成分占主导地位,使沉积其上的Ta薄膜的结晶取向性变差,粒度减小,Ta薄膜与Ta0_x缓冲层之间逐渐出现明显的分界面。Ta/Ta0_x薄膜内Ta颗粒的减小,使薄膜内晶界密度增加,从而增强晶界电子散射效应,使Ta/Ta0_x薄膜的室温电阻率增加。


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