一种新型高精度TaN-Cu薄膜电阻的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于磁控溅射的复合薄膜电阻，该复合薄膜电阻包括三氧化二铝基底、氮化铝缓冲层、TaN

【技术实现步骤摘要】
一种新型高精度TaN
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Cu薄膜电阻的制备方法

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[0001]本专利技术涉及高精度薄膜电阻领域，具体是一种基于直流磁控溅射的复合薄膜电阻的制备方法。

技术介绍
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[0002]现代电子技术的不断发展促使小型化、集成化不断推进，而薄膜能够完美的适应这一发展趋势。目前薄膜已经在许多领域起到了重要的作用，例如薄膜元器件、薄膜复合材料、薄膜网络结构、集成电路和多种布线板等，其中薄膜电阻器是最早也是应用最广泛的薄膜元器件之一。面对需求日益剧增的电阻需求，开发高功率、高精度、高稳定性的薄膜电阻显得尤为重要。
[0003]与传统的厚膜电阻不同的是薄膜电阻能够提供更高的精度、更稳定的性能，这些优异的性能使其能够满足许多尖端领域的需求。其中氮化钽(TaN)薄膜以其优异的抗腐蚀性、良好的化学惰性、热稳定性和高电阻等优异的性能，在许多领域受到了广泛的关注，例如铜与硅或二氧化硅之间的扩散阻挡层、硬质涂层和薄膜电阻器的电阻层。同时氮化钽的低电阻温度系数(TCR)特性对于制备高精度薄膜电阻具有重要意义。氮化钽薄膜电阻在
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20℃至150℃的循环温度范围内均可以保持很小的方阻变化，具有很高的稳定性，能够作为薄膜电阻。但是氮化钽薄膜的电学性能受其结构与成分巨大的影响，氮化钽薄膜一般是通过反应溅射制备，并且有几种形式，如Ta2N、TaN和Ta3N5，具体的相取决于氮气的分压。根据目前市场需求，薄膜电阻的电阻温度系数至少为
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50至50ppm/℃的范围。目前实验已经证明溅射过程中更高的氮分压可以获得更高的电阻率和更负的电阻温度系数，因此仅仅调整氮分压已经无法实现电阻温度系数趋近于零的目的。同时在器件小型化的过程中，要达到大型器件相同的效果，薄膜电阻必然需要更高的电阻率。
[0004]因此，如何实现氮化钽薄膜的高电阻率以及电阻温度系数趋近于零的需求成为当下一大难点。满足高的电阻率必然导致电阻温度系数向更负的方向改变，如何实现电阻率与电阻温度系数的双重提升亟待解决。近来，正温度系数补偿提供了一个新的方向，金属元素铜、铝、银等金属具有正的电阻温度系数，通过这些元素的掺杂可以有效改善氮化钽薄膜的电阻温度系数偏负的问题。因此，本专利技术通过改变氮分压以及铜元素的掺杂，获得了一种具备高电阻率、电阻温度系数接近于零的高性能TaN
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Cu薄膜电阻。

技术实现思路
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[0005]本专利技术的目的就是为了解决现有问题，提供一种高性能的电阻层的制备方法，该制备方法在氮气氛围下，钽铜镶嵌靶通过反应共溅射在基片上获得TaN
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Cu薄膜，所得产品具备高电阻率，同时能够通过控制铜的含量来调节薄膜的电阻温度系数。与传统的氮化钽薄膜相比热稳定性显著提升，同时能够改善氮分压对薄膜电阻温度系数过负的影响，膜的质量得到显著提升。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术的技术解决措施如下：
[0007]一种基于磁控溅射的复合薄膜电阻层的制备方法，具体的步骤如下：
[0008]步骤1：基底清洗：三氧化二铝基底依次用丙酮、无水乙醇超声清洗15min，随后用去离子水冲洗，再用氮气吹干水滴并烘干。最后将清洗好的基底放于磁控溅射的腔体内准备溅射；
[0009]步骤2：缓冲层制备：在三氧化二铝基片上以铝靶通过溅射得到氮化铝的缓冲层，并退火处理，得到结构层a；
[0010]步骤3：靶材预溅射：在开始溅射前，真空溅射室内的挡板先挡住已经溅射了缓冲层的三氧化二铝基底，通过直流电源对钽铜镶嵌靶进行预溅射以达到对靶材清洗的目的；
[0011]步骤4：电阻层制备：在缓冲层a的基础上以钽铜镶嵌靶进行直流磁控溅射构建铜掺杂的氮化钽层，随后进行退火处理，得到所述的TaN
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Cu薄膜电阻层；
[0012]步骤5：在步骤4的基础上，在TaN
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Cu薄膜电阻层上通过磁控溅射制备氧化铝的保护层。
[0013]本专利技术所述复合薄膜电阻的制备方法中，专利技术人为了改善薄膜电阻的电阻温度系数偏负的问题，通过正电阻温度系数的金属元素掺杂进行补偿的方式，通过调节掺杂的金属元素的含量能对电阻温度系数进行调整，能保证在较高氮气分压下制备具有高的电阻率的同时得到接近零的电阻温度系数的薄膜，从而实现氮化钽薄膜电阻质量进一步的提升。
[0014]作为优选，所述钽铜镶嵌靶设置于磁控溅射腔体中，其中钽靶的纯度≥99.99％，钽靶表面设计了一些孔洞。小的铜圆垫能够放置于孔中，铜圆垫的纯度≥99.99％，通过调整铜圆垫在钽镶嵌靶上的数量，能够对TaN
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Cu薄膜中铜的含量进行控制。
[0015]作为优选，钽镶嵌靶的尺寸为110mm，靶基距为100～120mm。铝靶尺寸为110mm，靶基距为90～100mm。
[0016]由于本产品在制备过程中氮化铝层和TaN
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Cu层的生长温度存在差异，因此需先制备氮化铝的缓存层，然后制备TaN
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Cu电阻层。
[0017]作为优选，所述步骤(1)三氧化二铝基底在放入溅射腔前，需对腔体进行全面的气氛清洗和干燥处理。
[0018]由于TaN
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Cu薄膜在制备过程中容易受到污染，腔体内剩余的其它气体和水可能导致薄膜中氧含量过高，影响薄膜的微观结构，从而导致薄膜的性能受到影响，腔体的清洁有利于得到质量更好的薄膜。
[0019]作为优选，所述步骤(1)中的真空度应当≤8
×
10
‑4Pa，基底设置的温度为200～600℃。
[0020]作为优选，所述步骤(2)中，采用磁控溅射方法，在氩气和氮气的混合气体下进行，时间大约60min，将氮化铝缓存层沉积于三氧化二铝基底表面，所述氮化铝缓存层的厚度为700～800nm。
[0021]作为优选，所述步骤(3)中，预溅射清洗钽铜镶嵌靶的直流功率设为60w，在氩气氛保护下进行，时间5～10min。
[0022]通过上述方式可以避免由于靶材表面被污染，影响最后成膜的质量，有利于提高最后薄膜的纯度。
[0023]作为优选，所述步骤(4)中，溅射过程中基底和靶均匀速转动。
[0024]通过上述方式能够保证薄膜的均匀性，同时靶材转动也避免了靶材溅射过程中部
分靶表面过度溅射，保证了靶材能够均匀的消耗，提高靶材的寿命。
[0025]作为优选，所述步骤(4)中，直流溅射功率为120W，氮气的分压为10％。
[0026]作为优选，所述步骤(4)中，铜掺杂的TaN薄膜的厚度约500nm。直流磁控溅射镀膜的过程中一直是氮和氩气的混合气氛下制备，溅射期间的压强维持在0.90Pa左右。溅射结束后的退火温度为450～600℃，在Ar气气氛和真空条件下进行原位退火。
[0027]在所述条件下，电阻层能与缓存层紧密结合，且薄膜的成分以及厚度均匀，维持在500nm左右。原位退火也避免了其它环境下退火导致成分发生偏析、氧化的问题，有利于薄膜的稳定。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磁控溅射的复合薄膜电阻，其特征在于：该复合薄膜电阻包括三氧化二铝基底(4)、氮化铝缓存层(3)、TaN
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Cu电阻层(2)、氧化铝保护层(1)，其中:所述氧化铝缓存层(3)沉积在所述三氧化二铝(4)表面，所述TaN
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Cu薄膜电阻层(2)沉积于所述氮化铝缓存层(3)表面，氧化铝保护层(1)沉积于TaN
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Cu薄膜电阻层上(2)。2.根据权利要求1所述的基于磁控溅射的复合薄膜电阻，其特征在于：所述TaN
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Cu薄膜电阻层(2)位于氮化铝缓存层(3)之上。3.根据权利要求1
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2任一项所述的基于磁控溅射的复合薄膜电阻的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：基底清洗：三氧化二铝基底依次用丙酮、无水乙醇超声清洗15min，随后用去离子水冲洗，再用氮气吹干水滴并烘干。最后将清洗好的基底放于磁控溅射的腔体内准备溅射；步骤2：缓冲层制备：在三氧化二铝基片上以铝靶通过溅射得到氮化铝的缓冲层，并退火处理，得到结构层a；步骤3：靶材预溅射：在开始溅射前，真空溅射室内的挡板先挡住已经溅射了缓冲层的三氧化二铝基底，通过直流电源对钽铜镶嵌靶进行预溅射以达到对靶材清洗的目的；步骤4：电阻层制备：在缓冲层a的基础上以钽铜镶嵌靶进行直流磁控溅射构...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨成韬，张越，雷奕，蒲一帆，许美琪，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：