原创 氢微波等离子体中氧氮化钛薄膜的稳定性及蚀刻

引言

氮化钛(TiN)具有许多优异的机械和物理性能，如高熔点、高硬度和化学稳定性、良好的导电性和导热性、高耐腐蚀性和抗氧化性。因此，TiN已被广泛用作工具的硬质涂层材料和用于低蚀刻速率材料如磁性薄膜和过渡层的蚀刻的新型硬质掩模。大多数TiN薄膜主要通过化学气相沉积、脉冲激光沉积(PLD)和磁控溅射来沉积。在这种沉积过程中，英思特发现由于氧与钛之间的亲和力高，即使在非常高的真空下，残留的氧与钛也会发生强烈反应。因此，我们发现大多数沉积膜是钛氧氮化物(TiNO)。将氧结合到TiN膜中对al的扩散阻挡性能有有益的影响，但是通常会导致薄膜电阻率的增加。由于氮/氢或纯氮等离子体处理能够降低氧和碳的浓度，因此经常被用于改善多晶TiNO膜的结晶度和电导率。

实验与讨论

英思特用PLD法在MgO (001)衬底上生长了外延(001)氧氮化钛薄膜。沉积前，用丙酮超声清洗5厘米厚的MgO(001)基片，用氮气吹干，然后立即放入基底压力为133×10—6Pa的真空室中。衬底面对距离14厘米的5厘米氧氮化钛靶。用KrF (k248nm)激光束以45°角照射靶，并在沉积过程中旋转。

生长的和氢等离子体处理的样品A、B、C、D和E的表面形态用AFM检查。从图1中可以清楚地看到。在5300 Pa的压力下处理5400 s的TiNO膜的表面(样品A)显示几乎没有蚀刻坑，但是它变得稍微粗糙，均方根(rms)粗糙度为0.48纳米，相比之下生长的TiNO为0.32纳米。

图1：AFM图像

然而，在8000-10700帕的压力下，处理时间为1800秒时，TiNO开始被蚀刻（如图2所示）。通过对其相应截面的分析表明，蚀刻的TiNO表面形态呈现出倒金字塔形的蚀坑平行于外延TiNO薄膜100方向的金字塔。蚀刻尺寸和蚀刻深度的定义如金字塔图所示。TiNO薄膜中金字塔腐蚀坑的起源可以解释为NaCl结构。在NaCl晶体中，倒金字塔形的蚀坑产生在与表面错位的相交处。类似地，在我们的TiNO薄膜上出现的倒金字塔腐蚀坑可能与位错位置有关。事实上，如稍后在XRD数据中所示，位错密度可以从X射线摇摆曲线加宽为大约108cm-2，这类似于在AFM图像上观察到的蚀坑密度。AFM图像也显示没有颗粒留在表面上，表明蚀刻后蚀刻产物完全去除。

图2：蚀刻后的TiNO(d)横断面SEM图像

我们还用X射线衍射研究了TiNO的稳定性。对于经处理的TiNO膜，没有检测到额外的峰，例如Ti和TiH2，表明在氢等离子体处理下，TiNO保持稳定。在5300帕的压力下为5400秒，与XPS的结果一致。另外还显示了氢等离子体处理后样品A的(002)TiNO摇摆曲线的半峰全宽从230弧秒略微增加到280弧秒。对于生长的和处理的TiNO膜,(004)TiNO的d间距分别确定为0.10636和0.10639 nm。d间距没有明显变化，以及化学组成的稳定性，表明尽管在高温下处理，等离子体处理的热效应没有引起TiNO(0.69%)应变状态的任何显著变化。原生样品和样品A的X射线反射率曲线也没有显示干涉条纹周期之间的临界角和距离的差异，表明密度和厚度没有变化。

结论

英思特研究证明，在低于5300 Pa的压力下，氮氧化钛在微波氢等离子体中非常化学和热稳定；XPS和XRD有力地证明了等离子体中76 nm厚的TiNO膜的化学和结晶度几乎是完整的。当压强高达8000 Pa时，在(001)TiNO表面上出现了倒金字塔形的蚀坑。AFM检测显示，蚀刻尺寸和蚀刻深度随着蚀刻时间和压力的增加而增加。

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