JP2021516291A

JP2021516291A - 高温スパッタによる化学量論的窒化チタン薄膜

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Publication number: JP2021516291A
Application number: JP2020547006A
Authority: JP
Inventors: リウ，シャオ; ジャグダースレン，バットグトク; ティー．ケアニー，ブライアン
Original assignee: ザガバメントオブザユナイテッドステイツオブアメリカ，アズリプレゼンテッドバイザセクレタリーオブザネイビー
Priority date: 2018-03-09
Filing date: 2019-01-22
Publication date: 2021-07-01
Also published as: US20190276925A1; WO2019172996A1; EP3762520A1; EP3762520A4; US11072848B2

Abstract

高温スパッタによる化学量論組成のＴｉＮ薄膜を作製するための方法である。スパッタされるＴｉターゲットを収容するスパッタチャンバ内に基板を置き、基板温度を室温と約８００℃の間であるように制御する。スパッタチャンバを２×１０−７Ｔｏｒｒ以下のベース圧力に排気する。２〜１５ｍＴｏｒｒの圧力のＡｒガスフロー及び５０〜２００Ｗの無線周波（ＲＦ）電力の下で、Ｔｉターゲットをプレスパッタする。Ｔｉを次いで、膜が確実に窒素飽和状態となるようにするためにＮが優勢であるＮ２対Ａｒの比で、同じ圧力及びＲＦ電力の下でＮ２及びＡｒガスフローの存在下にて、基板上にスパッタする。【選択図】図３

Description

相互参照
本出願は、２０１８年３月９日に出願された米国特許仮出願第６２／６４０，７００号に基づく優先権の利益を主張するものである。

本開示は、薄膜、特に、高い基板温度で調製される及び／又は高温でアニールされる、スパッタによる窒化チタン（ＴｉＮ）薄膜に関する。

薄膜窒化チタン（ＴｉＮ）は、その高い硬度、高い融点、良好な熱安定性、良好な電気伝導率、並びに優れた耐腐食性及び耐拡散性に起因して、超硬質耐摩耗性コーティング、抵抗加熱要素及び温度センサ、電気接点、及び拡散障壁などの様々な用途で長年関心をもたれてきた。最近では、電子デバイスのいくつかの用途で、１００℃付近の通常の動作温度よりも高温での動作が要求される。

このような高温型デバイスの一例は、両方とも本開示と共通の発明者を有する「ＣＶＤＮａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＳｉｌｉｃｏｎＡｓＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃＭａｔｅｒｉａｌ」という名称のＬｉｕ他の米国特許第９，４７２，７４５号及び「ＣＶＤＮａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＳｉｌｉｃｏｎＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃＭａｔｅｒｉａｌ」という名称のＬｉｕ他の米国特許第９，５７７，１７４号に記載されたものなどの、薄膜ナノ結晶シリコンベースの熱電デバイスである。

薄膜材料の他の用途は、極超音速飛翔体に搭載される電子装置を含む。加えて、航空宇宙産業、自動車産業、及び石油化学産業では、過酷な高温環境でのシステムの性能を監視するために、より高温型の電子装置に対する需要が高まっている。これらの動作の多くに関して、これらの薄膜に用いられる構成材料は、高温環境に耐えなければならない。しかしながら、これらの膜に対するほとんどの電気抵抗率の研究は、１００℃を下回る温度でなされており、この温度範囲を超えてＴｉＮの抵抗率を調べた研究はほとんどない。例えば、Ｊ．Ｆ．Ｃｒｅｅｍｅｒｅｔａｌ．，“ＭｉｃｒｏｈｏｔｐｌａｔｅｓｗｉｔｈＴｉＮｈｅａｔｅｒｓ，” ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ１４８（２００８）４１６−４２１参照。これはおそらく、多くの実際の電子装置の用途が既にこの温度範囲内にあるためであるが、多くは室温での導電率を向上させるべくアニーリングと高温堆積の影響を調べている。Ｐ．Ｐａｔｓａｌａｓｅｔａｌ．，“Ｏｐｔｉｃａｌ，ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ，ａｎｄｔｒａｎｓｐｏｒｔｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｔｉｔａｎｉｕｍｎｉｔｒｉｄｅｔｈｉｎｆｉｌｍｓ，” ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ９０，４７２５（２００１）；ＮｉｋｈｉｌＫ．Ｐｏｎｏｎｅｔａｌ．，“Ｅｆｆｅｃｔｏｆｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｐｏｓｔｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｎｅａｌｏｎｒｅａｃｔｉｖｅｌｙｓｐｕｔｔｅｒｅｄｔｉｔａｎｉｕｍｎｉｔｒｉｄｅｔｈｉｎｆｉｌｍｓ，” ＴｈｉｎＳｏｌｉｄＦｉｌｍｓ５７８（２０１５）３１−３７；及びＡｄａｍＴａｍｉｏｗｙｅｔａｌ．，“Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｒｍａｌｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｏｐｔｉｃａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｍｏｒｐｈｏｕｓｔｉｔａｎｉｕｍｎｉｔｒｉｄｅｔｈｉｎｆｉｌｍｓ，” ＴｈｉｎＳｏｌｉｄＦｉｌｍｓ３１１，９３（１９９７）参照。ＭＥＭＳホットプレート及びナノ結晶シリコン熱電などの、薄膜材料のいくつかの用途は、１００℃よりも高い持続的な動作温度の使用を含む。上記のＣｒｅｅｍｅｒｅｔａｌ．参照；Ｆｉｔｒｉａｎｉ，“Ａｒｅｖｉｅｗｏｎｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｈｉｇｈ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒｗａｓｔｅｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｙ，” ＲｅｎｅｗａｂｌｅａｎｄＳｕｓｔａｉｎａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＲｅｖｉｅｗｓ６４（２０１６）６３５−６５９も参照；ＪｕｎｉｃｈｉｒｏＳｈｉｏｍｉ，“ＲｅｓｅａｒｃｈＵｐｄａｔｅ：Ｐｈｏｎｏｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｓｉｌｉｃｏｎｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，” Ａｐｌ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ４，１０４５０４（２０１６）も参照。

いくつかのＴｉＮ膜は、それらの堆積温度よりも高温に供されるため、線形の温度依存性のないシート抵抗を有する。上記のＣｒｅｅｍｅｒｅｔａｌ．及び上記のＴａｍｉｏｗｙｅｔａｌ．参照；Ｙ．Ｌ．Ｊｅｙａｃｈａｎｄｒａｎｅｔａｌ．，“Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｉｔａｎｉｕｍｎｉｔｒｉｄｅｆｉｌｍｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔｍａｇｎｅｔｒｏｎｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ，” ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡ４４５−４４６（２００７）２２３−２３６も参照。これは、ＴｉＮ膜がそれらの堆積温度又はアニーリング温度を超えると安定ではないことと、そうでなければ最適な堆積パラメータを有しても、基板温度とアニーリングが高温での性能に重要であることを示唆している。

原子層堆積（ＡＬＤ）、化学気相成長（ＣＶＤ）、パルスレーザ堆積、及びカソード真空アーク蒸着などの、ＴｉＮを堆積するためのいくつかの方法が存在する。Ｊ．Ｗｅｓｔｌｉｎｄｅｒｅｔａｌ．，“ＯｎｔｈｅＴｈｅｒｍａｌＳｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｅｄＴｉＮａｓＧａｔｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅｉｎＭＯＳＤｅｖｉｃｅｓ，” ＩＥＥＥＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．９，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２００３；Ｗ．Ｓｐｅｎｇｌｅｒｅｔａｌ．，“Ｒａｍａｎｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ａｎｄｐｈｏｎｏｎｄｅｎｓｉｔｙｏｆｓｔａｔｅｓｏｆｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃａｎｄｎｏｎｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃＴｉＮ，” ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＢ１７，１０９５（１９７８）；Ｒ．Ｃｈｏｗｄｈｕｒｙｅｔａｌ．，“Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｉｔａｎｉｕｍｎｉｔｒｉｄｅｆｉｌｍｓｇｒｏｗｎｂｙｐｕｌｓｅｄｌａｓｅｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，” ＪｏｕｒｎａｌＯｆＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈ１１，１４５８（１９９６）；Ｃ．Ｃｏｎｓｔａｂｌｅｅｔａｌ．，“ＲａｍａｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃｓｔｕｄｉｅｓｏｆＰＶＤｈａｒｄｃｏａｔｉｎｇｓ，” ＳｕｒｆａｃｅａｎｄＣｏａｔｉｎｇｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１１６，１５５（１９９９）；Ｙ．Ｃｈｅｎｇｅｔａｌ．，“ＳｕｂｓｔｒａｔｅＢｉａｓＤｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆＲａｍａｎＳｐｅｃｔｒａｆｏｒＴｉＮＦｉｌｍｓＤｅｐｏｓｉｔｅｄｂｙＦｉｌｔｅｒｅｄＣａｔｈｏｄｉｃＶａｃｕｕｍＡｒｃｆＪｏｕｒｎａｌＯｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ９２，１８４５（２００２）；及びＨ．−Ｙ．Ｃｈｅｎｅｔａｌ．， “Ｏｘｉｄａｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｔｉｔａｎｉｕｍｎｉｔｒｉｄｅｆｉｌｍｓ，” ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶａｃｕｕｍＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＡ：Ｖａｃｕｕｍ，Ｓｕｒｆａｃｅｓ，ａｎｄＦｉｌｍｓ２３，１００６（２００５）参照。

スパッタリング技術は典型的には、薄い障壁層として用いるのに特に適する緻密な均一な膜を生じることが知られている。反応性スパッタリングは、ＴｉＮの高品質の低抵抗の薄膜を生じることが知られている、十分に確立された堆積方法である。窒素の割合、全圧、スパッタガス、バイアス電圧、電力、基板温度、及びアニーリングなどのスパッタパラメータは、スパッタされた膜の特性及び品質に影響を及ぼす可能性がある。例えば、上記のＣｒｅｅｍｅｒｅｔａｌ．、上記のＰｏｎｏｎｅｔａｌ．、上記のＰａｓｔａｌｅｓｅｔａｌ．、及び上記のＪｅｙａｃｈａｎｄｒａｎｅｔａｌ．参照；Ｌｉ−ＪｉａｎＭｅｎｇ，“Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｉｔａｎｉｕｍｎｉｔｒｉｄｅｆｉｌｍｓｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｄｃｒｅａｃｔｉｖｅｍａｇｎｅｔｒｏｎｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ，” Ｖａｃｕｕｍ４６，２３３（１９９５）；ＲａｊａｒｓｈｉＢａｎｅｒｊｅｅｅｔａｌ．，“Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇｇａｓｏｎｔｈｅｐｒｅｆｅｒｒｅｄｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｔｉｔａｎｉｕｍｎｉｔｒｉｄｅｔｈｉｎｆｉｌｍｓ，” ＴｈｉｎＳｏｌｉｄＦｉｌｍｓ４０５，６４（２００２）；及びＷＩＬＬＩＡＭＤ．ＳＰＲＯＵＬｅｔａｌ．，“ＴｈｅＥｆｆｅｃｔｏｆＴａｒｇｅｔＰｏｗｅｒｏｎｔｈｅＮｉｔｒｏｇｅｎＰａｒｔｉａｌＰｒｅｓｓｕｒｅＬｅｖｅｌａｎｄＨａｒｄｎｅｓｓｏｆＲｅａｃｔｉｖｅｌｙＳｐｕｔｔｅｒｅｄＴｉｔａｎｉｕｍＮｉｔｒｉｄｅＣｏａｔｉｎｇｓ，” ＴｈｉｎＳｏｌｉｄＦｉｌｍｓ１７１，１７１（１９８９）も参照。膜のアニーリング及び／又は高い基板温度での堆積は、ほとんどの場合に抵抗を下げることが知られている。上記のＰａｔｓａｌａｓｅｔａｌ．及び上記のＰｏｎｏｎｅｔａｌ．参照。より高い窒素分圧が、より低い抵抗率、したがって、より良好な性能の膜を生じることも見出されている。上記のＣｒｅｅｍｅｒｅｔａｌ．参照。

この概要は、詳細な説明でさらに説明される概念の選択を簡単な形で紹介することを意図している。この概要は、特許請求される主題の重要な又は本質的な特徴を特定することを意図しておらず、特許請求される主題の範囲を定める際の補助として用いられることも意図していない。代わりに、本明細書で説明され特許請求される主題の簡単な概要として単に提示されるにすぎない。

本発明は、高温スパッタによる化学量論的窒化チタン（ＴｉＮ）薄膜を作製するための方法を提供する。

本発明の方法によれば、しばしば「ターゲット」と呼ばれる、基板をスパッタされるＴｉ材料のソースを収容するスパッタチャンバ内に置く。チャンバ内の基板温度を、室温（約２０℃）〜約８００℃の間であるように制御する。次いで、スパッタチャンバを、所定のベース圧力、例えば、２×１０^−７Ｔｏｒｒ以下に排気し、最終的なＴｉＮ膜の酸素汚染を回避するためには、より低い圧力が一般に好ましい。

本発明に係る次の工程において、Ｔｉターゲットを、例えば、２〜１５ｍＴｏｒｒの圧力及び５０〜２００Ｗの無線周波（ＲＦ）電力で、所定の時間、通常は約５分間にわたってアルゴン（Ａｒ）ガスをチャンバに流すことによって、プレスパッタする。プレスパッタは、スパッタ工程で用いるのと同じチャンバ条件下で行われるが、シャッタは開かれず、そのためプレスパッタ中に基板への堆積は起こらない。

このプレスパッタ工程に続いて、本発明に係る次の工程において、チャンバのシャッタを開き、薄い、例えば６ｎｍのＴｉの接着層を基板上に堆積させる。プレスパッタ工程とこの最初の堆積工程は、ターゲットの表面から酸化物と窒化物を除去し、同時に、膜の接着を向上させるのに役立つ。

ＴｉＮ膜を次いで、膜を確実に窒素飽和状態にするためにＮが優勢であるＮ_２とＡｒの比で、通常は各ガスに関して数又は数十ｓｃｃｍの範囲の、Ｎ_２及びＡｒガスフローの存在下で、基板上にＴｉを堆積させることによって、基板上にスパッタする。例示的なＴｉＮ膜の堆積中に、無線周波（ＲＦ）電力は５０〜２００Ｗに保たれ、チャンバ圧力はＮ_２及びＡｒガスの存在下で２〜１５ｍＴｏｒｒに維持され、より緻密な膜を成長させるためには、より低いチャンバ圧力が一般に好ましい。シャッタを、所定の時間にわたって開いたままにして、所定の厚さのＴｉＮ膜を得る。

本明細書に記載の１つ又は複数の態様に係る異なる堆積パラメータを用いて調製したＴｉＮ薄膜の２つの異なるサンプルの、３００Ｋ〜７５０Ｋでの２つの連続する抵抗率測定の結果を示すプロットである。図２Ａ及び図２Ｂは、本明細書に記載の１つ又は複数の態様に係る異なる堆積パラメータを用いて調製したＴｉＮ薄膜の６つの異なるサンプルの、３００Ｋでの抵抗率値を示すプロットである。本明細書に記載の１つ又は複数の態様に係る異なる堆積パラメータを用いて調製した膜を含む種々のＴｉＮ薄膜の、温度依存抵抗の相対的変化を示すプロットである。本明細書に記載の１つ又は複数の態様に係る異なる堆積パラメータを用いて調製したＴｉＮ薄膜のいくつかのサンプルの、Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定の結果を示すプロットである。本明細書に記載の１つ又は複数の態様に係る異なる堆積パラメータを用いて調製したＴｉＮ薄膜のいくつかのサンプルの、ラマン分光法の結果を示すプロットである。

上記に要約した本発明の態様及び特徴は、様々な形態で具体化できる。以下の説明は、態様及び特徴を実施に移すことができる組み合わせ及び構成を例として示している。説明した態様、特徴、及び／又は実施形態は単なる例であることと、当業者は、本開示の範囲から逸脱することなく、他の態様、特徴、及び／又は実施形態を使用する、又は、構造的及び機能的修正を加えてよいことが理解される。

上で述べたように、高い基板温度でのアニーリングと堆積は、ＴｉＮ薄膜の抵抗を下げることが知られている。結果として、高温で安定な、反応性スパッタによる化学量論的ＴｉＮ膜はまた、高品質且つ低抵抗率であり、したがって、より高い抵抗温度係数（ＴＣＲ）も有することが期待できる。

本発明は、高い基板温度で調製される及び／又は高温でアニールされる、スパッタによる窒化チタン（ＴｉＮ）薄膜を製作するための方法を提供する。本開示に従って調製されるＴｉＮ薄膜は、その優れた長期高温熱安定性により、多くの高温用途での使用に適しており、最高で６００℃（８７３Ｋ）の高温で動作する薄膜ナノ結晶シリコンベースの熱電デバイスのための金属接点及び拡散障壁として機能するのに特に適する可能性がある。加えて、それらの低い抵抗率と高い抵抗温度係数（ＴＣＲ）により、ＴｉＮ薄膜を、電気伝導層及び抵抗温度センサとしても用いることができる。

本明細書で説明した例示的なケースでは、ＴｉＮ薄膜を、マグネトロンスパッタリングシステムを用いて堆積したが、他の適切なスパッタリングシステムを適宜用いることができる。

本発明に係る方法では、しばしば「ターゲット」と呼ばれる、基板をスパッタされるＴｉ材料のソースを収容するスパッタチャンバ内に置く。チャンバ内の基板温度は、室温（約２０℃）〜約８００℃の間であるように制御する。チャンバを次いで、堆積されるＴｉＮ中の酸素混入を回避するために、２×１０^−７Ｔｏｒｒ以下のベース圧力に排気する。堆積プロセス中に、チャンバ圧力は、純Ａｒガスフロー、又はＡｒガスフローとＮ_２ガスフローの下で２〜１５ｍＴｏｒｒに制御可能に維持され得るが、一般により低いチャンバ圧力が、より緻密な膜を成長させるために好ましい。加えて、最良の膜品質を得るために、ターゲットの過熱なしにスパッタリングシステムが供給できる最高電力を用いることが最善であり、この理由のため、パルスＤＣスパッタリングが、スパッタ中のその非常に高い過渡電力により、ＲＦ電力よりもさらに良好な結果をもたらす可能性がある。

本発明に係る次の工程において、スパッタチャンバ内の酸素量をさらに減らし、且つターゲット表面を清浄にするために、アルゴン（Ａｒ）ガスを、所定の比及び流量、所定の圧力及び所定の電力で、所定の時間にわたってチャンバ内に流すことによって、チャンバ内でＴｉターゲットをプレスパッタする。プレスパッタは、スパッタ工程で用いるのと同じチャンバ条件下で行われるが、シャッタを開かず、そのためプレスパッタ中に基板への堆積は起こらない。例示的なケースでは、ターゲットは、２〜１５ｍＴｏｒｒの圧力、５０〜２００Ｗの無線周波（ＲＦ）電力で、約５分間プレスパッタされる。

このプレスパッタ工程に続いて、本発明に係る次の工程において、チャンバのシャッタを開き、ターゲットから、薄い、例えば６ｎｍのＴｉの接着層を基板上に堆積させる。プレスパッタ工程とこの最初の堆積工程は、ターゲットの表面から酸化物と窒化物を除去し、同時に、膜の接着を向上させるのに役立つ。

ＴｉＮ膜を次いで、膜が確実に窒素飽和状態であるためにＮが優勢であるＮ_２対Ａｒの比で、通常は各ガスに関して数又は数十ｓｃｃｍの範囲の、Ｎ_２及びＡｒガスフローの存在下で、基板上にさらにＴｉを堆積させることによって基板上にスパッタする。純Ｎ_２フローでもうまくいくが、幾らかのＡｒの添加は、ガスフローの下でＲＦ電力によって発生したプラズマを安定化するのに役立つ。ＴｉＮ膜の堆積中に、プレスパッタ工程で用いた電力及びチャンバ圧力を、Ａｒガス及びＮ_２ガスの存在下で維持する、例えば、Ｎ_２及びＡｒガスの存在下で、ＲＦ電力を５０〜２００Ｗに保ち、チャンバ圧力を２〜１５ｍＴｏｒｒに維持する。

所定の厚さのＴｉＮ薄膜を得るために、シャッタを、所定の時間にわたって開いたままにする。

実施例
本発明に係るＴｉＮ薄膜を、アルゴン（Ａｒ）及び窒素（Ｎ_２）に関してそれぞれ１ｓｃｃｍ及び２０ｓｃｃｍの流量で、溶融石英基板上にＡｒ及びＮ_２環境にて５Ｎの２インチのＴｉターゲットを使用して、２×１０^−７Ｔｏｒｒのベースチャンバ圧力に事前に見積もったＡＪＡマグネトロンスパッタリングシステムを用いて、堆積した。最初にターゲットを５分間プレスパッタし、次いで６ｎｍのＴｉの接着層を、純Ａｒガスフロー中１００ＷのＲＦ電力でその上に堆積させた。スパッタ中に、１００ＷのＲＦ電力を使用し、膜を確実に窒素飽和状態にするためにＮが優勢である２０：１の比の、３ｍＴｏｒｒの圧力でのＮ及びＡｒガスの存在下で、４．９４Ｗ／ｃｍ^２の電力密度をもたらした。

基板温度とアニーリング方法を変えて６つのサンプルを調製した。本明細書でサンプルＡ〜Ｆとして説明されるサンプルを、ＴｉＮ薄膜に対する異なる堆積条件の影響を調べるために本発明者らによって研究した。

サンプルＡ〜Ｅに関して、薄膜の堆積はおよそ２時間かかったが、サンプルＦは、高い堆積速度に起因して、１時間しか必要としなかった。２５℃、３５０℃、及び６００℃の基板温度を用いた。

サンプルＢ、Ｄ、及びＥを、スパッタチャンバ内で真空で６００℃にて４時間アニールした。サンプルＢ及びＥは、スパッタチャンバから取り出し、アニーリング工程のために後でまた装填したが、サンプルＤは、スパッタチャンバ内で真空を破らずにアニールした。

サンプルＡ及びＣを、それらをスパッタチャンバに戻さずアニールしなかったこと以外は、それぞれサンプルＢ及びＥに用いたのと同じ堆積条件下で調製した。堆積パラメータとアニーリングパラメータを以下の表Ｉにまとめる。

イプシロメータ（ｅｐｓｉｌｏｍｅｔｅｒ）を用いて膜厚を測定し、ステッププロフィロメータを用いて結果を確認し、表Ｉに示すように５７．１〜７８．２ｎｍの間の値を得た。サンプルＣ及びＦの密度（イプシロメータからの厚さを用いる）及びＴｉ：Ｎ比を、ＥＡＧラボラトリーズによって行われたラザフォード後方散乱法から得、サンプルはほぼ化学量論的であるが、バルクのＴｉＮよりも低密度であることを示す。正方形のピースを、レーザ切断ツールを用いて切断し、アルミニウムワイヤを、サンプルのコーナー部付近のＴｉＮに直接ボンディングした。その後、各サンプルをＪａｎｉｓＶＰＦ−８００クライオスタット中に置き、４点ＶａｎｄｅｒＰａｕｗ法を用いて、温度の増加順に３００〜７５０Ｋの間の各プリセット温度で電気抵抗率を求めた。各温度点にて、サンプルを、その抵抗が安定するまでの間保持した。これは、いくつかのサンプルの熱平衡とさらなる構造緩和のための時間を含む。最終的な、安定な抵抗率値のみを、分析に用いた。

抵抗の測定後に、サンプルを、平行ビームモードで固定のＣｕＫα線を用いるＲｉｇａｋｕＳｍａｒｔｌＬａｂＸ線回折装置を使用して、微小角入射Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定を用いて特性評価した。入射角を０．５°θに設定し、検出器を０．０２°２θの増分で２０〜７０°で測定するために回転させ、カウントを各ステップで１秒間累積した。サンプルの高さ調整を、Ｒｉｇａｋｕの平坦サンプル用の自動高さ調整機能により行った。ラマンスペクトルを、１８００溝／ｍｍ格子を用いる０．５ｍのシングル分光計と、可視から近赤外のスペクトル範囲で感度の高い液体窒素冷却型のｂａｃｋ−ｔｈｉｎｎｅｄ／ｄｅｅｐ−ｄｅｐｌｅｔｅｄＣＣＤと、サンプルでの典型的なスポットサイズ＜１μｍ及び強度約２ｍＷでのシングルモード４８８ｎｍレーザとで構成された自作の共焦点微小ラマン装置で取得した。

図１は、サンプルＡ及びＢに関する３００Ｋ〜７５０Ｋでの２つの連続する抵抗率測定の結果を示す。サンプルＡは室温で堆積されアニールされていないので、膜は、第１の実行において温度の上昇に伴って不可逆的な構造緩和を起こした。その抵抗率は３５％低下する。各温度点で、膜がステージとの熱平衡に達するのに十分な時間をおいたが、時間は膜の構造緩和にまだ十分ではない場合があることに留意されたい。第２の実行では、サンプルＡは、はるかにより低い抵抗率で始まり、正のＴＣＲの兆候を示す。最高温度での抵抗率の僅かな低下は、膜のさらなる構造緩和の兆候である。６００℃で４時間のアニーリングのため、サンプルＢは、正のＴＣＲを示す第２の実行でのサンプルＡの抵抗率と類似の抵抗率で始まる。より高い温度（＞５５０Ｋ）での抵抗率の減少は、さらなる構造緩和の兆候であり、そのアニーリングの効果が制限されることを示す。第２の実行に関して、その抵抗率は、１０％低い値で始まり、調査した温度範囲の全体を通して正のＴＣＲを示す。これらの結果は、室温で堆積されたＴｉＮ膜は温度が上昇すると構造変化を経験し、以前に観察されたように抵抗率の減少をもたらすことを実証する。上記のＴａｍｉｏｗｙｅｔａｌ．参照。アニーリングは役に立つが、第２の実行でのサンプルＢの室温での抵抗率とＴＣＲとの両方が高い基板温度で堆積されたものよりもはるかに悪いため、十分にはまだほど遠い。上記のＣｒｅｅｍｅｒｅｔａｌ．参照。

図１に示した実験を、この研究で調べたすべてのサンプルで行った。各サンプルに関して、最高で４つの抵抗率実験を行った。３００Ｋで各測定の開始時にとった抵抗率値を図２（ａ）に表す。室温で堆積されたサンプルＡ及びＢは、他のサンプルよりもはるかに高い抵抗率値を有するため、サンプルＣ〜Ｆを、明快にするためにスケールを拡大して図２（ｂ）に再度プロットする。一般に、室温での抵抗率は、すべてのサンプルで第２の実行後に飽和し始める。クライオスタットの真空は通常、室温よりも高い温度で１０^−５Ｔｏｒｒに維持されるため、連続する各実行での抵抗率の僅かな増加は、実験中の酸化によって引き起こされる可能性がある。

構造緩和に起因する第１の実行から第２の実行にかけてのサンプルＡ及びＢの抵抗率の低下は、３５０℃で堆積されアニールされないサンプルＣでも観察されたが、同じ堆積から得られ６００℃でアニールされたサンプルＥでは観察されなかった。室温での抵抗率については、サンプルＦが最小値を有し、サンプルＤがこれに次ぐ。この結果は、高い基板温度が、高い構造安定性をもちつつ低い抵抗率に達するための最も重要なパラメータであることを示す。アニーリングは役に立つが、二次的である。

興味深い観察は、真空を破らずに堆積の直後にアニールすることは、抵抗率を低減させるかなりの効果を有することであり、サンプルＤの抵抗率は、真空を破った後でアニールされるサンプルＥの抵抗率よりも約１３％低く、６００℃で堆積されたものよりも１０％高いだけである。真空を破った後の酸素の拡散がアニーリングの効果を低くする可能性がある。この結果は、再現性のある低い抵抗率をもつ高品質のＴｉＮ薄膜材料を製造するには、密な且つ十分に緩和された安定な構造に達することが重要であることを実証する。

いくつかのサンプルについての温度依存抵抗を、上記のＣｒｅｅｍｅｒｅｔａｌ．でのものと比較して図３に示す。これらの結果は、各サンプルで行われる第２の測定からの結果であり、後続の測定と一致するが、図２が示唆するように、アニールしたサンプルの全体的な抵抗率は、後続の測定で僅かに増加した。サンプルＦ及びＤは、それぞれ、０．０９５２及び０．０９８５％／Ｋの最高ＴＣＲ値を示す。アニーリング前の空気への曝露は、他はサンプルＤと同一の堆積条件であるにもかかわらず、サンプルＥについてそのＴＣＲを０．０６８５％／Ｋに低減した。サンプルＢは、０．００９％／Ｋのはるかにより弱いＴＣＲを示し、これは、それが室温で堆積され空気にも曝されており、その両方が、最初からはるかにより高い室温での抵抗率値をもたらしたためであると思われる。上記のＣｒｅｅｍｅｒｅｔａｌ．での膜は、ここで調べた６０ｎｍの膜と比較して、２００ｎｍの厚さであり、電子のより少ない表面散乱をもたらし、したがって、向上したＴＣＲをもたらしたことに留意されたい。経験則として、金属は０．１％／ＫのＴＣＲ値を有する傾向があり、サンプルＢを除いて図３に示したすべてのサンプルと一致する。この研究で達成された抵抗率及びＴＣＲは、最高で５００℃の温度のセンサ用途及び導電障壁層用途で容認できる。

この研究で検討したサンプルの構造変化を理解するために、サンプルＢ、Ｄ、及びＦのＸＲＤ結果を図４に示す。ＸＲＤは、抵抗率の測定後に行われたことに留意されたい。そのため、７５０Ｋまでの連続測定サイクル後のさらなる構造変化を考慮に入れるべきである。ＴｉＮ（ＩＣＤＤ＃０３−０６５−０５６５）の（１１１）、（２００）、及び（２２０）面に関連したピークが見られ、ピーク位置は、ＲＢＳからのサンプルＤ及びＦの１のＴｉ：Ｎの比で予想される通りに、すべてのサンプルが化学量論的ＴｉＮのＢ１立方相にあることを示唆している。Ｈｏｎｇ−ＹｉｎｇＣｈｅｎｅｔａｌ．，“Ｏｘｉｄａｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｔｉｔａｎｉｕｍｎｉｔｒｉｄｅｆｉｌｍｓ，”ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶａｃｕｕｍＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＡ：Ｖａｃｕｕｍ，Ｓｕｒｆａｃｅｓ，ａｎｄＦｉｌｍｓ２３，１００６（２００５）で調べられた膜とは対照的に、サンプルＤ及びＦでの膜は、ＸＲＤを、抵抗率測定を終えてから数か月後に測定したにもかかわらず、ルチル型ＴｉＯ_２に関連したピークを示さなかった。

シェラーの式を用いて、サンプルＢ、Ｄ、及びＦに関する平均結晶粒径は、表Ｉで報告したように、それぞれ、５．５ｎｍ、１２．４ｎｍ、及び１５．６ｎｍと推定される。これは、上記の抵抗率及びＴＣＲ結果と整合性があり、より大きい粒径は、低い抵抗率及びより高いＴＣＲと関連付けられる。より詳細に調べると、サンプルＦは、（３１１）ピークを含むＩＣＤＤ＃０３−０６５−０５６５のものと同等の、そのピークの相対強度比を有して明確な結晶ピークを示すことが分かり、この膜は優先配向を有しないことを示す。対照的に、サンプルＢは、見られる３つのピークのすべてに関して比較的同様の強度を有し、サンプルＤは、（１１１）でよりも（２２０）でより高い強度を有する。サンプルＢ及びＤに関しては、（３１１）ピークは、サンプルＦでのように可視ではない。ＩＣＤＤ＃０３−０６５−０５６５のピークからのサンプルＢ及びＤでの相対回折ピーク強度のこれらの偏差のすべては、堆積後の構造緩和の結果としての幾らかの優先的な結晶配向を意味し、高い基板温度が、高品質のＴｉＮ薄膜を作製するのに最も重要なパラメータであり、アニーリングは二次的であることを確認する。すべてのサンプルにおいて、（１１１）ピークの高さは、（２００）ピークの高さを超えない。低応力の膜は顕著な（１１１）配向を示す傾向があるので、これは高い窒素濃度からの高応力のＴｉＮと一致する。例えば、Ｌｉ−ＪｉａｎＭｅｎｇ， “ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆＴｉｔａｎｉｕｍＮｉｔｒｉｄｅＦｉｌｍｓＰｒｅｐａｒｅｄｂｙＤ．Ｃ．ＲｅａｃｔｉｖｅＭａｇｎｅｔｒｏｎＳｐｕｔｔｅｒｉｎｇａｔＤｉｆｆｅｒｅｎｔＮｉｔｒｏｇｅｎＰｒｅｓｓｕｒｅｓ，” ＳｕｒｆａｃｅａｎｄＣｏａｔｉｎｇｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ９０，６４（１９９７）参照。しかしながら、これらの膜の優先的配向でのバリエーションは、必ずしも応力と完全に結び付けられず、Ｂａｎｅｒｊｅｅｅｔａｌ．は、スパッタガスの変化により好ましい（２００）配向を得ている。ＲａｊａｒｓｈｉＢａｎｅｒｊｅｅ， “ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅＳｐｕｔｔｅｒｉｎｇＧａｓｏｎｔｈｅＰｒｅｆｅｒｒｅｄＯｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＮａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＴｉｔａｎｉｕｍＮｉｔｒｉｄｅＴｈｉｎＦｉｌｍｓ，” ＴｈｉｎＳｏｌｉｄＦｉｌｍｓ４０５（２００２）６４−７２参照。我々のどのサンプルも、本質的に化学量論組成を示すＲＢＳ結果と一致して、約５０２θでＴｉ_２Ｎに関する（２１１）ピーク（上記のＴａｍｉｏｗｙｅｔａｌ．参照）を示さないことに注目されたい。

サンプルＢ、Ｄ、Ｅ、及びＦのラマン分光法の結果を図５に示す。上記のＸＲＤによって決定されるＢ１立方晶ＴｉＮの場合、完全結晶は一次ラマン散乱を禁制し、したがって、観察されるラマン散乱スペクトルは、微視的欠陥、具体的にはＴｉ及びＮでの空孔に起因することが知られている。我々の結果は、他の研究（例えば、上記のＰｏｎｏｎｅｔａｌ．参照）で得られた結果と類似し、３００ｃｍ^−１を下回る２つのピーク（我々のラマンセットアップでのフィルタのカットオフに起因して１つは部分的にしか見られない）と５５０ｃｍ^−１あたりで一つのピークを示す。さらに、４５０ｃｍ^−１付近に二次的なピークが存在する。３００ｃｍ^−１を下回る２つのピークは、Ｔｉ、したがってＮ空孔に関連したＴＡ及びＬＡモードであり、一方、５５０ｃｍ^−１あたりでのピークは、Ｎ、したがってＴｉ空孔に関連したＴＯモードである。サンプルＤ及びＥが有意なＴＯピークを有することは明らかであり、サンプルＢ及びＦと比較して、Ｄ及びＥにＴｉ空孔がより多いことを示唆している。これは、サンプルＤについて１：１．０４に対しサンプルＦについて１：０．９８のＴｉ：Ｎ比を示す表ＩでのＲＢＳ結果と一致し、Ｄは僅かにＮに富み、一方、Ｆは僅かにＴｉに富むことを示す。サンプルＥは、サンプルＤと同じ大きいＴＯピークを示し、且つ、それはサンプルＤと同一の条件下で堆積されたので、それもおそらく僅かにＮに富むであろう。サンプルＢは、Ｎ空孔が優位であると思われるが、それでも酸化がＴｉを除去しＴｉ空孔及びしたがって５５０ｃｍ^−１付近のＴＯピークを目立たせるはずであり、サンプルＢの酸化がおそらく相対的に最小であることを示唆する。サンプルＥもアニーリング前に空気に曝されたが、サンプルＤと比較してＮ空孔に関連したＴＯピークの増加は見られないようであり、最小限の酸化をまた示唆する。

利点と新しい特徴
本発明は、熱電用途のためのナノ結晶シリコンの成長に関する発明者らの以前の特許に関連する。上記の米国特許第９，４７２，７４５号及び第９，５７７，１７４号参照。これらの特許並びに本発明の目的は、ナノ結晶シリコンベースの高温熱電デバイスのための材料支援を提供することであり、これは現在のところ既存の材料からは得られない。

本発明に係るＴｉＮ薄膜のマグネトロンスパッタリングは、堆積パラメータの制御が容易で、低レベルの不純物を含むという点で有利であり、それは高温用途のためのＴｉＮ薄膜の熱安定性と構造的及び電気的性能のさらなる向上を可能にする。高い基板温度が、この目的を達成可能にする最も重要なパラメータであるが、この研究で達成された基板温度とアニーリング温度との両方は現在可能な限り高く、可能であれば基板温度のさらなる増加は、膜品質をより一層向上させ得る。

Ｐｔ及び多結晶シリコンなどの他の高温抵抗温度感知型の薄膜と比較して、ＴｉＮは、そのＴＣＲは僅かにより低いが、より化学的に不活性であると共により耐拡散性である。上記のＣｒｅｅｍｅｒｅｔａｌ．参照。電気伝導層及び金属接点の観点では、ＴｉＮは、おそらく金属白金よりもさらに良好な、優れた低い抵抗率を与える。特に、ＴｉＮは、ＣＭＯＳに適合することがテストされており、したがって、例えば最新のマイクロエレクトロニクスデバイスでの用途に最適である。

代替
前述のように、高温用途のためのＴｉＮ薄膜の性能をさらに向上させるために、膜構造と電子特性の特性評価と組み合わせて、さらなるパラメータの余地が検討される。スパッタリングは最も便利な堆積方法の１つであるが、ＴｉＮは、他の一連の堆積方法によって堆積されてもよい。高い基板温度は、どの方法が用いられても同様の結果をもたらし得ると予想される。さらに、窒化タンタル、酸化インジウム、窒化タングステンなどの、他の競争的な金属酸化物及び窒化物が存在する。それらの使いやすさと高温での構造安定性及び熱安定性は、それらの構造の詳細と相図に依存する。

特定の実施形態、態様、及び特徴を説明及び例示してきたが、本明細書で説明される発明は、それらの実施形態、態様、及び特徴だけに限定されず、本明細書で説明され特許請求される基礎にある発明の精神及び範囲内にあるあらゆるすべての修正及び代替的な実施形態も考慮していることを当業者はすぐに理解するであろう。本出願は、本明細書で説明され特許請求される基礎にある発明の精神及び範囲内のあらゆるすべての修正を考慮しており、すべてのこのような修正及び代替的な実施形態は、本開示の範囲及び精神内にあるとみなされる。

Claims

スパッタによる化学量論的窒化チタン（ＴｉＮ）薄膜を作製するための方法であって、
Ｔｉターゲットを収容するスパッタチャンバ中に基板を置くこと及び前記チャンバ中の基板温度を約２０℃〜８００℃の間であるように制御することと、
前記チャンバを所定のベース圧力に排気することと、
前記チャンバ中のスパッタシャッタが閉じられる一方で、第１の所定の制御されたガス圧力で前記チャンバ中にアルゴン（Ａｒ）ガスを流すこと及び前記チャンバ中で前記Ｔｉターゲットをプレスパッタするために所定の時間にわたり第１の所定の無線周波（ＲＦ）電力を印加することと、
前記スパッタシャッタを開くこと及び前記基板上にＴｉの最初の接着層を形成するために第２の所定の制御されたガス圧力でかつ第２の所定のＲＦ電力の下で所定のＡｒガスフローの存在下にて前記基板上に前記ターゲットからＴｉをスパッタすることと、
所定の厚さのＴｉＮ膜を形成するために所定の時間にわたって前記Ｔｉスパッタ及び前記Ａｒガスフローを続けながら前記チャンバ中に窒素（Ｎ_２）ガスを流すことであって、前記チャンバ中のＮ_２とＡｒの比が、前記ＴｉＮ膜で窒素の化学量論比を生み出すように構成される、流すこと
を含む、方法。
前記ターゲットが、５分間プレスパッタされる、請求項１に記載の方法。
前記ガスフロー中のＮ_２とＡｒの比が、２０対１である、請求項１に記載の方法。
前記基板が、２５℃の温度を有する、請求項１に記載の方法。
前記基板が、３５０℃の温度を有する、請求項１に記載の方法。
前記基板が、６００℃の温度を有する、請求項１に記載の方法。
前記Ｎ_２／Ａｒガスフローが、３ｍＴｏｒｒのガス圧力で、かつ２０対１のＮ_２／Ａｒ比で、１００ＷのＲＦ電力の下で適用される、請求項１に記載の方法。
前記スパッタチャンバ中で前記ＴｉＮ膜をアニールすることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記ＴｉＮ膜が、６００℃で４時間真空中にてアニールされる、請求項８に記載の方法。
前記ＴｉＮ膜が、前記スパッタチャンバから取り出されかつその後アニーリングのために前記チャンバに戻される、請求項８に記載の方法。
前記ＴｉＮ膜が、取り出されずに前記スパッタチャンバ中でアニールされる、請求項８に記載の方法。
スパッタによる化学量論的窒化チタン（ＴｉＮ）薄膜を作製するための方法であって、
Ｔｉターゲットを収容するスパッタチャンバ中に基板を置くこと及び前記チャンバ中の基板温度を約２０℃〜８００℃の間であるように制御することと、
前記チャンバを２×１０^−７Ｔｏｒｒのベース圧力に排気することと、
前記チャンバ中のスパッタシャッタが閉じられる一方で、約２〜１５ｍＴｏｒｒの制御されたガス圧力で前記チャンバ中にアルゴン（Ａｒ）ガスを流すこと及び前記チャンバ中で前記Ｔｉターゲットをプレスパッタするために所定の時間にわたり約５０〜２００Ｗの無線周波（ＲＦ）電力を印加することと、
前記スパッタシャッタを開くこと及び前記基板上にＴｉの最初の接着層を形成するために約２〜１５ｍＴｏｒｒの制御されたガス圧力でかつ約５０〜２００ＷのＲＦ電力の下で所定のＡｒガスフローの存在下にて前記基板上に前記ターゲットからＴｉをスパッタすることと、
所定の厚さのＴｉＮ膜を形成するために所定の時間にわたって前記Ｔｉスパッタ及び前記Ａｒガスフローを続けながら前記チャンバ中に窒素（Ｎ_２）ガスを流すことであって、前記チャンバ中のＮ_２とＡｒの比が、前記ＴｉＮ膜で窒素の化学量論比を生み出すように構成される、流すこと
を含む、方法。
前記ターゲットが、５分間プレスパッタされる、請求項１２に記載の方法。
前記ガスフロー中のＮ_２とＡｒの比が、２０対１である、請求項１２に記載の方法。
前記基板が、２５℃の温度を有する、請求項１２に記載の方法。
前記基板が、３５０℃の温度を有する、請求項１２に記載の方法。
前記基板が、６００℃の温度を有する、請求項１２に記載の方法。
前記Ｎ_２／Ａｒガスフローが、３ｍＴｏｒｒのガス圧力で、かつ２０対１のＮ_２／Ａｒ比で、１００ＷのＲＦ電力の下で適用される、請求項１２に記載の方法。
前記スパッタチャンバ中で前記ＴｉＮ膜をアニールすることをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
前記ＴｉＮ膜が、６００℃で４時間真空中にてアニールされる、請求項１９に記載の方法。
前記ＴｉＮ膜が、前記スパッタチャンバから取り出されかつその後アニーリングのために前記チャンバに戻される、請求項１９に記載の方法。
前記ＴｉＮ膜が、取り出されずに前記スパッタチャンバ中でアニールされる、請求項１９に記載の方法。