氮化鈦薄膜在Si(111)基板上磊晶成長｜國立清華大學博碩士論文庫

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研究生：	郭曉文 H.W.Kuo
論文名稱：	氮化鈦薄膜在Si(111)基板上磊晶成長 Epitaxial Growth of TiN Thin Film On Si(111) Substrate
指導教授：	吳信田 S.T.Wu
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 材料科學工程學系 Materials Science and Engineering
論文出版年：	2002
畢業學年度：	90
語文別：	中文
論文頁數：	132
中文關鍵詞：	氮化鈦、磊晶、反應式濺鍍、薄膜分析
外文關鍵詞：	epitaxial growth, titanium nitride, thin film, sputtering
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本實驗研究方向及動機是為了了解氮化鈦在矽(111)基板上成長的微結構，並調整基板溫度與氮氣分壓濺鍍各種氮化鈦薄膜，試著了解基板溫度與氮氣分壓對於磊晶薄膜會有何種影響。
我們使用直流磁控濺鍍的方法，在矽(111)基板上濺鍍氮化鈦薄膜，我將試片分為(A)(B)兩組，(A)組是氮氣分壓為6.0×10-5torr，從100℃到900℃；(B)組是3.0×10-5torr，從100℃到900℃。對濺鍍薄膜做X-ray θ/ 2θ繞射分析、X-ray pole figure 分析、X-ray θscan 半高寬測量、HRTEM 結構分析、歐傑電子分析儀分析、掃描式電子顯微鏡(SEM)分析、原子力顯微鏡(AFM)分析等，對濺鍍膜作各式的觀察分析，以期能徹底了解薄膜的結構與特性。

由於氮化鈦的濺鍍條件十分嚴苛，加上本實驗所使用反應式濺鍍速率緩慢，大約20Å/min，更讓製程條件能容忍的範圍減小，經過多次的實驗，找出最佳的氮氣分壓約6.0×10-5torr，而氬氣分壓約為3.0×10-3torr，也就是說當氮氣與氬氣的分壓比為1:50時，在其餘製程參數不變之下，可以得到成分均勻的氮化鈦薄膜。

目錄
圖目錄………………………………………………………………… V

表目錄………………………………………………………………… IX

第一章簡介   ………………………………………………………   1

1-1 濺鍍系統裝置………………………………………………    1

1-1.1 真空系統………………………………………………    1

1-1.2 直流磁控濺鍍系統……………………………………    1

1-2 薄膜分析儀器原理簡介……………………………………    2

1-2.1電子顯微鏡………………………………………………   3

1-2.2 X-ray分析檢測…………………………………………… 6

1-2.3 歐傑電子分析儀 (Auger Electron Spectroscopy)…   9

1-2.4掃描式電子顯微鏡觀察(SEM)…………………………… 10

1-2.5原子力顯微鏡觀察(AFM)……………………………….. 11

1-3氮化鈦的應用…………………………………………………  12第二章文獻回顧……………………………………………………… 26

2-1  氮化鈦薄膜的被覆方法……………………………………  26

2-1.1電漿化學氣相沉積法(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)………………………………………………….. 26

2-1.2電子束蒸發活化反應離子被覆技術(E-gun reactive ion plating, EIP)……………………………………………………………27

2-1.3中空陰極放電離子被覆技術(Hollow cathode discharge ion plating, HCD)…………………………………………………………...27

2-1.4  陰極電弧放電離子被覆技術(cathodic arc plasma ion plating, CAP)……………………………………………………………28

2-1.5磁控濺射離子被覆法(magnetron sputter ion plating, MSIP)

…………………………………………………………………………..29

2-2  電漿的形成…………………………………………………..29

2-2.1 氣體動力論……………………………………………….30

2-2.2直流式電漿…………………………………………………32

2-2.3 低溫電漿的熱力學與反應機構………………………… 34

2-3 氮化鈦薄膜的型態(morphology)…………………………… 37

2-4結晶體的優選織構……………………………………………. 38

2-5 氮化鈦薄膜與矽基板的理論方向性關係…………………… 39

第三章氮化鈦試片製備……………………………………………… 57

3-1 氮化鈦試片製備流程………………………………………… 57

3-1.1 基板清洗………………………………………………… 57

3-1.2 氮化鈦濺鍍製程………………………………………… 58

3-2 電鏡試片的製備…………………………………………….. 59

3-3  X-ray分析試片的製作…………………………………….. 62

3-4 歐傑電子分析儀(Auger Electron Spectroscopy)試片製作

……………………………………………………………………… 63

3-5  掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope)試片製作……………………………………………………………………..63

3-6  原子力顯微鏡(AFM)試片製作……………………………..64

第四章結果與討論…………………………………………………….76

4-1 氮化鈦薄膜的型態(morphology)……………………………76

4-2 氮化鈦薄膜結構分析(the structure analysis of TiN thin film) ………………………………………………………………… 77

4-2.1 X光繞射分析………………………………………………77

4-2.2  極圖量測(pole figure)………………………………. 79

4-4  本實驗氮化鈦薄膜與Si(111)基板的方向性關係………… 81

4-4.1 TEM cross-section diffraction pattern結果與討論

…………………………………………………………………….81

4-4.2 HRTEM原子像結構圖結果與討論………………………. 82

4-5 氮化鈦薄膜成分分析………………………………………….83

4-6 氮化鈦薄膜表面的形貌……………………………………….83

4-7 氮氣降為理想值的1/2時，氮化結構的改變……………….84

4-7.1 X光繞射分析……………………………………………..85

4-7-1.1  θ-2θ的分析………………………………………85

4-7-1.2 低掠角繞射(grazing angle)分析………………..86

4-7-1.3  電子顯微鏡(Plane-view TEM)分析……………..87

4-7-1.4歐傑電子分析儀的縱深成分分析(depth profiling)…………………………………………………………….87

4-7-1.5 結果與討論………………………………………….88

第五章 總結…………………………………………………………..115

參考文獻………………………………………………………………125

附錄一 氮化鈦的物理性質………………………………………… 129

                               圖目錄

圖1-1  真空系統配置圖…………………………………………….15

圖1-2  高能電子束與薄樣品交互作用的訊號示意圖…………….16

圖1-3  (a)電境的呈像原理(b)影像平面的強度分佈…………….17

圖1-4  操作X-ray時常見的四大轉動參數……………………….18

圖1-5  掠角X-ray繞射法(Grazing Incident X-Ray Diffraction)………………………………………………………….19

圖1-6  粉末法(Powder Method)θ-2θ scan的幾何關係……….20

圖1-7  θ- scan(Rocking Curve)………………………………….21

圖1-8  (1)αscan(2)pole figure示意圖………………………….22圖1-9  (1)晶粒的晶向完全隨機;(2)優選織構 ……………………23

圖1-10  掃描式電鏡的基本構造…………………………………….24

圖1-11   原子力顯微鏡示意圖……………………………………..25

圖2-1  電子束蒸發活化反應離子被覆技術…………………………43

圖2-2  中空陰極放電離子被覆技術…………………………………44

圖2-3  陰極電弧放電離子被覆技術…………………………………45

圖2-4 磁控濺射離子被覆法…………………………………………. 46

圖2-5  氣體的各項性質: 各種氣體的平均速度、分子半徑與平均自由程…………………………………………………………………….47

圖2-6  馬克斯威爾---波茲曼分布山形線圖……………………….48

圖2.7  部分常用氣體的質量、速度及入射頻度…………………….49

圖2-8  (I)電漿產生器的主要硬體設計 ; (II)與(III)表示圖(I)的硬體在不同容器壓力範圍下的電性操作情形……………………….50

圖2-9  顯示帶電荷離子晶由電場加速撞擊電板板面，所產生的幾種主要粒子……………………………………………………………….51

圖2-10  電漿產生器在不同的I-V操作區間下的放電情………….52

圖2-11 在不同壓力下氣體溫度(Tg)和電子溫度(Te)的比較圖…..53

圖2-12  Gibbs free energy of TiN formation an a function of temperature……………………………………………………………54

圖2-13 Thornton 鍍膜微結構模型圖……………………………….55

圖2-14 晶格契合(lattice match)的模型圖……………………….56

圖3-1  氮化鈦試片的製作流程圖…………………………………..65

圖3-2  橫截式電子顯微鏡試片製作(I)…………………………….66

圖3-3  橫截式電子顯微鏡試片製作(II)…………………………..67

圖3-4  橫截式電子顯微鏡試片製作(III)………………………….68

圖3-5  橫截式電子顯微鏡試片製作(IV)…………………………..69

圖3-6  橫截式電子顯微鏡試片製作(V)…………………………….70

圖3-7  橫截式電子顯微鏡試片製作(VI)……………………………71

圖3-8  平面式電子顯微鏡試片製作(I)…………………………….72

圖3-9  離子研磨示意圖……………………………………………..73

圖3-10  X-ray分析儀試片座的放置方式………………………….74

圖3-11  歐傑電子縱深成分分析原理示意圖……………………….75

圖4-1  不同溫度下濺鍍出的氮化鈦薄膜的X光繞射圖…………..90

圖4-2 為濺鍍氮化鈦薄膜(A)組試片的(111)pole之極圖量測圖… 91

圖4-3 為濺鍍氮化鈦薄膜(A)組試片的(200)pole之極圖量測……92

圖4-4  試片(A)不同溫度之半高寬分析表………………………….93

圖4-5  (A)組試片900℃、800℃，Si基板[011]pole電子顯微鏡的擇區繞射圖形………………………………………………………….94

圖4-6  (A)組試片700℃、600℃，Si基板[011]pole電子顯微鏡的擇區繞射圖形………………………………………………………….95

圖4-7  (A)組試片500℃、100℃，Si基板[011]pole電子顯微鏡的擇區繞射圖形………………………………………………………….96

圖4-8  (A)組試片基板溫度為600℃的高分辨原子像圖………….97

圖4-9  基板溫度600℃，TiN(111)//Si(111) 整層膜的HRTEM結構圖……………………………………………………………………….98

圖4-10 900℃氮化鈦歐傑電子縱深成分分析圖…………………….99

圖4-11(I)  900℃到100℃掃描式電子顯微鏡(SEM)50000倍的平面觀測圖(plan view)………………………………………………….100

圖4-12  900℃橫截面觀測圖(cross-section view)…………….101

圖4-13  900℃原子力顯微鏡(AFM):(1)flatting mode(2)3D mode(3)roughness的測量圖…………………………………………102

圖4-14  500℃原子力顯微鏡(AFM):(1)flatting mode(2)3D mode(3)roughness的測量圖…………………………………………103

圖4-15  100℃原子力顯微鏡(AFM):(1)flatting mode(2)3D mode(3)roughness的測量圖…………………………………………104

圖4-16  不同溫度下的Mean roughness……………………………105

圖4-17  鈦氮相圖……………………………………………………106

圖4-18  900℃-100℃ (B)組試片X光繞射θ-2θ的分析……….107

圖4-19  TiN0.26與α-TiN0.30的JCPDS Card………………….108

圖4-20   100℃-900℃低掠角繞射分析…………………………..109

圖4-21  100℃試片grazing angle繞射分析…………………….110

圖4-22  為氮氣分壓調整為1/2的製程，基板溫度為900℃時的濺鍍膜plane-view diffraction pattern………………..111

圖4-23  900℃(B)組試片歐傑電子分析儀的縱深成分分析(depth profiling)……………………………………………………………112

圖4-24  Hexagonal結構濺鍍膜與Cubic最密堆積面Si的堆疊.113

表目錄

表一 實驗製程表各組試片的條件與編號…………………………115

表二 氮氣分壓為6.0×10-5torr的(A)組試片繞射峰關係表…….116

表三 超晶格面積的不匹配具有最小△A值比較圖……………….117

表四 晶體結構比對圖……………………………………………….118

表五  N2為3.0×10-5torr時，繞射峰實驗值與JCPDS card比對表………………………………………………………………………119

表六  濺鍍膜Diffraction Pattern晶格常數對照Ti JCPDS card對照表…………………………………………………………………120

表七  濺鍍膜Diffraction Pattern晶格常數對照TiN0.26 JCPDS card對照表……………………………………………………………121

表八  濺鍍膜Diffraction Pattern晶格常數對照αTiN0.30 JCPDS card對照表……………………………………………………………122

參考資料
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