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溅射制作埋嵌电阻的TaN薄膜电阻率的控制

来源:六九路网
印制电路信息2010 No.12 集成元件PCB IntegratedPCB 溅射制作埋嵌电阻的TaN薄膜电阻率的控制 白亚旭袁正希何为编译 (电子科技大学微固学院应用化学系,四川成都610054) 何波莫芸琦 (珠海元盛电子股份有限公司,广东珠海519060) 摘要 文章介绍的是由射频(RF)溅射反应沉淀制备的TaN薄膜,以及在各种N /Ar气流比例和工作压力下测试其 电阻率变化。从x射线衍射(X-RD)图像和四点探针测试仪测试的TaNx薄膜方块电阻来看。研究发现,TaNx薄膜电阻率 发生突变的原因主要是由于N 分压的作用而使TaNx薄膜晶体结构发生了变化。当六边形结构的TaN薄膜变成面心立方行 结构时,薄膜电阻从1 6 Q/sq增加到1 396 Q/sq。但是,在晶体结构不变和一定的工作压力范围内,我们能把TaN薄膜 的电阻率控制在69 o/sq ̄q 87 5 Q/sq范围内 在扫描电子显微镜(SEM)成像中,晶粒尺寸随着_T-作压力的增加将会有 所减小。 关键词 氮化钽;电阻率;方块电阻;溅射反应 中图分类号:TN41 文献标识码:A 文章编号:1009—0096(2010)12—0055—04 Control of ntrol electrical resistielectrical ;istivi‘vi ̄ 0t。a _ 0f Ta~thin f1 N thin liilms lm byreactivesPutterinR Ior emDenden DaSSIVe resist0rS ・● - n ■ l T l ● ‘ ・ BAI Ya-xu YUANZheng-xi HE Wei HE Bo MO Yon-qi Abstract Tantalum nitride thin iflms were deposited by radio rfequency(RF)reactive spu ̄efing at various N2/Ar gas flow ratios and working pressures to examine the change of their electrical resistivity.From the X—ray diffraction(XRD)and four-point probe sheet resistance measurements of the TaNx films,it was found that the change of the crystalline structures of the TaNx films as a function of the N2 partial pressure caused an abrupt change of the electircal resistiviyt.When the hexagonal struc ̄re TaN thin iflms changed to an f.c.C.structure,the sheet resistance increased from l 6 D./sq to 1 396 f ̄/sq.However,we were able to control the electrical resistivity of the TaN thin film in the range from 69 f ̄/sq to 875 Q/sq,with no change in crystalline structure,within a certain range of working pressures.The size of the grains in the scanning electron microscopy(SEM)images seemed to decrease with the increase of working pressure. Key words Tantalum nitride;Resistivity;Thin fiIm resistors;Reactive sputtering 迄今为止,已有数百万的的埋嵌无源元件被 (TaN)薄膜将成为前途较好的埋嵌电阻候选材料; 应用于各种形式的电子设备中。随着集成电路技术 因为它们的方块电阻能够达到更高的阻值,并且具 的发展要求,元器件将会向着高性能、小型化、轻 有良好的可靠性。一般来说,氮化钽有许多令人满 薄化的方向发展,以及可靠性更高的嵌入元器件印 意的特性,比如:电阻率随温度变化有较好的稳定 制电路板…。在各种类型的无源元器件中,氮化钽 性、硬度、化学惰性和良好的耐腐蚀性 。TaN薄 ..55.. 集成元件PGB Integrated PCB 印制电路信息2010 No.12 膜 经能够戍用物胛霸1化学 十H沉淀技术制备。存 这些技术-l】.经常川的足磁 溅射反应,I 为此方 法能够与集成电路技术中使用的传统余属化方法卡H 匹配 。许多研究暂的研究表明,由于N 分压的作用 tL,立方形TaN结构n勺特 以及 j此相对应的(111) 和(200)晶粒取向。[}l1线(b)的 耍波峰表明是 六方形和而心立方形的TaN薄膜混合物。在这种组成 中,六方形结构 导地位的阶段还并不是十分清 而使TaNx薄膜的 能发,卜变化。TaN薄膜存薄膜电阻 器中的 用受到限制1i要 因足由0。‘’ 氮气分压增 大时,TaN薄 的电 率会突然发 变化,事文 是 楚,然而,向心 方形(200)取向的TaN已经在很 多研究叶j都有过报道。在序列形成阶段,六方形TaN 薄膜的形成 蛰是m所使川的溅射系统以及选用的 儿何外形的决定的 。、 N,分压进一步增加时,将会 观察到Ta N 结构。 [11。-TaNx薄膜品体结构发 了变化川 。 此,通过 改变N,分压丽扶 的I乜 牢范 , 的埋嵌电 要求。 满足不l刊类 此,需要考虑使川不 的方法 控制电阻牢的稳定性。 在此项研究中,研究了存‘定的N,分压作用和 工作压力F,通过射频(RF)磁控溅射反应沉淀制 备的TaN薄膜的力‘块电m的变化差异,并}j.讨论了晶 体结构、表而形念以及力‘块Illm 之『Hj的笑系; 存晶体结构 变的情况卜,TaNx薄膜的方块电阻可 以被精确控制。 1 实验过程 存‘种N /At气体混合物 {『'通过射频磁摔溅射 反应,把TaNx薄膜沉 在辟芯片和玻璃 片J 。两 种气体的纯度为99.999%。溅射系统能为基板午¨磁摔 “2/o 图1在各种不同N ,Ar+N 气流比例和0.1 3Pa的工作 压力下,沉积薄I] ̄TaN的XRD(X射线衍射)图形 图2表明的是存各种不问N,/Ar+N,气流比例中用 旺一步骤”表 光沽度测试仪所测试的TaN薄膜的 l5爿极提供射频偏‘ 电源,住沉积TaNx薄膜前,使用 Ar气等离了体蚀刻法清沽 饭表面,Ta靶的纯度为 99.99%。拱板和磁拧阴极之 的距离是55 mm,此距 沉积速率。随着氮气分压从5%增加到15%,TaNx薄 膜的沉 速率从0.425 nm/s降低到0.305 nm/s。溅射速 离被认为能够提供最好的沉积速率和薄膜的均匀性。 底压为2.7×10。Pa。当维持0.13 Pa_T=作 力 ̄112o min 率的降低呵能足 J 反应腔条件的变化所引起的, 为所用的能够影响TaNx薄膜的沉积速率。一般来 说,随着反J 气体氮气比例的增人,溅射速率将会 降低。 2也表明了存氮气分压作用_F沉积薄膜的方 200 W的射频功率时,N,分 从5%增JJn到60%。然后 在N,分压为10%时,我们把 作压力从0.1 3 Pa变化到 1.19 Pa,由r潜 的 料 饭的应J1],革扳不能被 块电m。与 1所表示的XRD( 射线衍射)数据相 比较, 氮气分压为5%,10%,15%时,TaN薄膜的 加热。应川x射线光电 能谱仪(ESCA2000)对儿 集状态下的TaNx薄膜进行定景分析;用“a一步骤” 结构分别为六方形结构,六方形与面心 方形的混 合,面心 办形结构。 块电阻土要 功于TaN结构 的变化。随着氯气分 从5%增加 ̄j9oo,六方形结构 /的TaN薄膜的方块电阻将会从16 Q/口变化到73 Q/口。 随着氮气分 从l0%增加到14%,八方形与面心立方 形混合结构的TaN薄膜的 电阻将会从141 Q/口变化 表而光洁度仪测鞋游膜的厚度;川一种x射线衍射仪 (Bruker AXS,D8 Discover)检测品仆结构;川f一 种扫描电 显微镜(JEOL,JSM6700F)观察表面形 态;使川叫探针法测量 块电 。 2结果与讨论 1 示了不川N,分JK作 TaN薄幞的x射线衍 射图形。在 l rl_(a)曲线的x衍射线 要波峰足 六边形TaN结构的特 以及与此相对直的(110)和 到1396 Q/口。但是,为了能在埋嵌电阻中应用,方 块电阻必须稳定的保持在250 Q/口到1000 Q/口的范 卜豳内。同时,我们也观察剑随着氮气分压从10%增加 到15%,TaN薄膜的方块电阻存250 f 口到1000 Q/口 的范周内将会产 显著地增加。 56.. (300)品粒取向。图1LI一(C)曲线的丰耍波峰是面 ..印制电路信息2010 No.12 集成元件PCB Integrated PCB 的变化是控制TaN薄膜方块电阻的重要凶素之 。 一 脚 图2在各种不同N2/Ar+N2气流比例和O.1 3 Pa的工 作压力下。沉积薄膜TaN的方电阻和溅射速率 图4在氮气分压为10%,各种不同的工作压力 下沉积TaN薄膜的XRD图形。(a)0.39Pa; (b J 0.66Pa;(c)0.93Pa;(d)1.19Pa 图3表明了在N,分压作用下,用xes(x射线光电 予光谱法)对TaNx薄膜组成的分析。在氮气分压为 10%时,Ta:N的比例53:47,随着氮气分压的增大, Ta/N的比例将会缓慢的降低,然而当氮气分压超过 50%是Ta/N将会急剧降低。随着氮气分压的增大,沉 积薄膜N的总量将会增加;因为氮气的掺杂影响了Ta 最外层原子轨道的化学环境 -ol。 图5沉积TaN薄膜的方块电阻 图6显示了各种不同工作压力下TaN薄膜的SEM (扫描电子显微镜)图像。随着工作压力的增)/NTaN 薄膜的晶粒尺寸将会变小,在图6(a)中,品粒尺寸 南100 nm变化到200 nm,并且比其他的图形具有更 随机的分布。 图3在各种不同N2/Ar+N2气流比例中沉积TaNx薄 膜中Ta/N比例,实线代表了这些数据的趋势。 图4表明了在氮气分压固定为1O%时,各种不同 工作压力下TaN薄膜的XRD(x射线衍射)图形。随 着工作压力由0.13 Pa增加到1.19 Pa,TaN薄膜的相并 没有发生变化。 (11 1)和(200)取向的波峰是面 ■ 【a 【b Lc J 图6在氮气分压固定为1O%,由于工作压力 的作用沉积的TaN薄膜的SEM图像,(a) 0.13Pa;(b)0.66Pa:(c)1.19Pa 心立方形TaN结构的特性, (300)取向的波峰是六 边形TaN结构的特性,随着工作压力由0.13 Pa增加到 1.19 Pa, (111)和(200)取向的波峰强度将会增强 而(300)取向的波峰强度将会缓慢的降低。 图5显示了在各种不同工作压力下沉积TaN薄膜 但是,从图6(b)和(C)中(在图中晶粒尺寸 分别为大约65 nm ̄45 nm)我们可以推知随着工作 压力的增加晶粒尺寸将会均匀变小。我们认为随着 晶粒尺寸减小而方块电阻增大的原因是由于晶界的 增大而捕获了电子。 的方块电阻。在氮气分压固定在10%时,工作压力从 0.13 Pa变化到1.19 Pa随着工作压力的增加,方电阻从 69 口增加到875 D./口,可以观察到随着工作压力的 3结论 本文研究了在一定的N:分压和工作压力_F,通 过射频磁控溅射沉积反应制备的TaNx薄膜的方块电 增加方块电阻呈现近似线性的增加趋势。结果表明: 有可能通过调解工作压力来控制方块电阻。工作压力 ..57.. 集成元件PCB IntegratedPCB 印制电路信息2010 No.12 附。根据N,分压的小同,TaNx薄膜各阶段分别是 六边形,六边形和而心专:方形的混合以及向心立方 (2002):289. [3]Deok—kee Kim,Heon Lee,Donghwan Kim,Young Keum Kim,J.Crystal Growth 283(2005):404. 形。随着 分 从5%增加到1 5%,上述结构的方块 电阻将会从16 口变化到1396 口。存N,分雎 定为 【4】K.Baba,R.Hamba,Sure Coat.Techno1.84(1996):429. [5]K.Eda,T.Miwa,Y.Taguchi,T.Uwano,IEEE Trans. Microwave Techno1.Tech.38 rl990):1949. l0%,六方形和商心立方形混合结构没有变化的情况 下,随着 作压力的增加方块电阻也将会从69 口增 加 ̄U875 Q/口。我们发现随着』_作压力的增加晶粒尺 寸均匀的变小。因此,TaNx薄膜的 块电阻能够通 [6】M.H.Tsai,S.C.Sun,C.E.Tsai,S.H.Chuang, H_T.Chiu,J.App1.Phys.79(1 996):6932. [7】S.K.Kim,B.C.Cha,Thin Solid Films 475(2005):202. [8]N.R.Moody,R.Q.Hwang,S.Venka—taraman, J.E.Angelo,D.P.Norwood,W.W.Gerberich,Acta 过凋节工作压力进行精确地摔制。即:通过调节工 作压力提供了控制方块电 的另…‘种方法。团 mater.46,2(1997):585. [9]YM.Lu,R.J.Weng,W.S.Hwang,Y.S.Yang,Thin 参考文献 『】I G.Min,Synth.Met.1 53(2005):49. [2]T・Riekkinen,J・Molarius,T・Laurila,A-Nurmela, I.Suni.J.K.Kivilahti.Microelectron.Eng.64 Solid Films 398—399(2001):356. [1 0】Wen—Horng Lee,Jung—cheng Lin,Chiapyung Lee, Mater.Chem.Phys,68(2001):266. (上接第54页) 烧制后的MLCC 体两端涂上银浆,高温烧银;然 后在银层上电镀2 um~4 ̄tmNi作为阻挡层;最后在 镍层_卜电镀5 pm~10 gm的sn或SnPb合会以保证元 件有良好的可焊件。即底层足Ag电极,I}J问是Ni镀 样品分析得知,其银电极表面出现介质成分(钛酸 钡),很可能是该MLCC的端电极银层在烧结的过程 【{|,烧银工艺设置不合理,导致出现烧结缺陷。 层,最外层是Sn(或Sn—Pb)。采用三层结构的端电 极即经济又可靠,先是烧结 层附着力 的又适宜 电镀的银层,接着在其上面电镀…层而、』高温、稳定 性好的Ni阻挡层,该层阻挡了Ag的迁移,又阻挡了 MLCC ̄电极银焊接时在焊槽里牛成Ag—Sn合金。从 而避免了端电极被熔蚀脱落。此外,在产品热老化 3 结论 多层陶瓷电容器端电极电镀效果变差的原因 是一一层电极结构中的底层银出现了缺损和不连续现 象,导致部分内部介质和银浆料中的无机粘结剂成 分裸露,而这些氧化物和化合物都是导电效果差的 物质,在后续的电镀时,基体银层就会因导电性不 好而导致电镀效果差,镀层不连续,影响了多层陶 瓷电容器元件的质量。因此要设置合理的烧银工艺 以达到理想的烧结特性。团 过程中阻止Sn焊料向Ag电极层扩散 f。 端电极用得银浆料是由导电相、无机粘结剂及 有机粘结载体三个部份组成。无机粘结剂主要成分 为玻璃和氧化物,其功能是将外电极永久性地粘结 于MLCC端面上。正常烧结情况下,高温烧结渗透 参考文献 【1]杜支波等.多层共烧元件界面研究的现状与展望 【J】.材料导报,2008,22(4):26—29. [2]宋子峰.大容量MLCC的工艺设计[J].电子元件与 后形成 个非连续具有良好的机械粘结拉力的牢固 粘结区。对三层电镀端电极要注意,要选择可镀性 好的银浆料,在此前提 ,关键是选择好助溶剂即 玻璃粉和与之相适应的烧银温度。选好银浆料和烧 银工艺是基础。如果该基础选择小好,就会出现各 材料,2008,8(8):43—45. [3]Chowdsry R,Koripella,Henry Dematos V. Fractography of thermal--shock—-cracked mutilayer capacitors[J].Joural Of American Ceramic Society, 1 999,52(6):2234~2257. 种端电极问题。银底层对多层陶瓷电容器的镀层质 量有决定性的影响。它必须把银电极 域密封好, [4]杨雯,俞守耕.片式MLC_ ̄层端电极中的Sn—pb合 防【卜电镀时镀液中金属离子渗透。还有如果烧结工 艺设置不合理,如:烧银温度偏高或保温时间过 金电镀[J].电子元件与材料,1994,13(6):35—38. [5]张尹,李基森,齐坤等.片式电子元器件中无铅可 焊镀层的研究[J].中国表面工程,2005,18(2):1-3. 长,就会造成玻璃料物质溢出,而这些物质都基本 不导电,从而影响后续的电镀工艺,导致电镀效果 第一作者简介 史勤刚,硕士,研究方向为电子信息材料。 58.. 变差,影响镀层的连续性。从对电镀效果差的问题 ..

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