[发明专利]生长在硅衬底上的（100）高度择优取向的氮化钛薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种单一取向薄膜及其制备方法，更具体地说涉及一种生长在硅衬底上的(100)高度择优取向的氮化钛薄膜及其制备方法。

背景技术

氮化钛晶体是面心立方结构，其晶格常数为0.4239nm，其含氮量在一定范围内的变化不会引起氮化钛晶格结构的改变。氮化钛薄膜具有优秀的热、电、机械性能。它拥有良好的导电率、高熔点以及良好的化学相容性，并且和某些压电、铁电材料(如锆钛酸铅PZT，晶格常数为0.4055nm)有着较小的失配度，可以为压电、铁电薄膜提供一定的取向控制作用，是非常好的底电极材料；同时，由于其具有良好的化学稳定性和导电、导热性能，可以作为微电子器件中的阻挡层；因为氮化钛薄膜在可见光区有较高的透射率在近红外区有较高的反射率，有利于形成该波段的表面等离子体，它也可以作为新型光电器件的重要部件。

目前常见的氮化钛薄膜的生长方式有有机金属化学气相沉积法(MOCVD)、常压化学气相沉积法(APCVD)、脉冲激光沉积(PLD)等。但是这些方法中，由于由MOCVD制作的氮化钛薄膜中含有较多的碳和氢杂质，很难完全消除，这影响了氮化钛薄膜的结构稳定性；而APCVD得到的薄膜质量和均匀性均较差，很难满足高质量的氮化钛薄膜生长要求；常见的PLD方法也未有系统的高度择优取向的氮化钛薄膜的制备工艺报道。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种生长在硅衬底上的(100)高度择优取向的氮化钛薄膜及其制备方法，采用磁控溅射法，靶材利用率高，应用广泛且便于操作，制备成了具有(100)高度择优取向的低电阻率氮化钛薄膜。

本发明采用的技术方案是：

一、一种生长在硅衬底上的(100)高度择优取向的氮化钛薄膜的制备方法

1)采用单面抛光的基片作为衬底，选用超高真空磁控溅射设备，将经过RCA标准清洗的基片放置于旋转加热台面上，调整基片与靶材之间的距离；

2)盖上真空腔盖，抽取本底真空，通入氮气和氩气，选取直流磁控溅射模式，进行磁控溅射；

3)磁控溅射后，停止通入氮气和氩气，抽真空后进行真空退火；

4)真空退火后关闭分子泵，待降温至100至150度，关闭机械泵，打开放气阀，待旋转加热台面温度降至常温时取出样品，获得所述氮化钛薄膜。

所述步骤2)进行磁控溅射时调整溅射薄膜时的温度、氮气氩气流量比例和总流量以及抽真空退火使得最终制成所述氮化钛薄膜，并通过控制溅射功率、工作电压和溅射时间控制薄膜的厚度。

所述氮化钛薄膜具有(100)的高度择优取向，电阻率小于200μohm/cm。

所述的基片采用(100)晶向硅片，所述靶材为金属钛。

所述的钛靶为纯度99.999％，直径三英寸，厚度5mm的圆柱形靶材。

所述步骤2)中本底真空度为5×10^-6Pa到2×10^-5Pa。

所述步骤2)通入的氮气流量和氩气流量比为1：9，氮气流量为4sccm，氩气流量为36sccm，总流量为40sccm，真空腔内保持0.15Pa的真空度。

所述步骤2)磁控溅射时基片温度在750-850摄氏度范围。

所述步骤2)磁控溅射时溅射功率为80到120W，工作电压为250到350V，施加的电流为0.25至0.48A。

所述步骤2)在进行磁控溅射前，需要对钛靶进行预轰击，即对靶材进行预溅射，功率为80到120W，时长为10到20分钟。

所述步骤3)抽真空退火时真空度保持1×10^-5Pa，基片温度保持在750-850摄氏度，经过20分钟后完成真空退火。

溅射时所述氮化钛薄膜厚度由真空腔内的晶振检测，实时控制薄膜的生长情况。

二、一种生长在硅衬底上的(100)高度择优取向的氮化钛薄膜：

所述氮化钛薄膜由上述方法制成，所述氮化钛薄膜的化学式为TiN_x，其中0.5＜x＜1.5，具有(100)的高度择优取向，典型电阻率小于200μohm/cm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用磁控溅射技术生长氮化钛薄膜，工艺相对简单，可以控制薄膜的生长情况和性能参数，可以和其他薄膜的生长兼容，为外延层的生长提供基础。

2、使用该制备方法得到的氮化钛薄膜具有(100)的高度择优取向，且能保证拥有小于200μohm/cm的电阻率，该类氮化钛薄膜无论作为底电极还是光电材料都具有广泛的应用范围和重要的应用价值。