TaN薄膜详解_东宸先瑞

TaN是芯片制造中常见的薄膜材料，它与TiN性质和作用有相似之处，今天我们就系统介绍一下TaN薄膜的性质、制备方法等方面的知识。

TaN是什么？

TaN是一种重要的过渡金属氮化物。过渡金属氮化物还包括：TiN、CrN、HfN、ZrN等

物理性质

高熔点：TaN熔点高于3000°C，它能适用于高温环境。

高硬度：TaN是一种非常硬的材料，硬度可以达到30 GPa以上，是金刚石硬度的一半左右，是金属铜硬度的20倍。

高密度：约为16.4 g/cm³。

高热导率

化学性质

TaN化学惰性强，在腐蚀性气体和液体中不易被腐蚀，且在高温下也具有较好的抗氧化性。

TaN薄膜的结构？

TaN薄膜根据Ta与N的含量不同，有多个不同的组成形式，常见的有TaN，Ta2N，Ta3N5，Ta4N，Ta5N6等。随之而来的他们的晶体堆砌方式也发生了变化，其结构可以是体心立方结构（bcc），六方结构（hex），面心立方结构（fcc）等。

TaN薄膜的电性能？

TaN薄膜的电性能会根据氮含量的不同而有显著差异。含氮量越小，导电性越强。

当TaNx，x<1时：通常具有接近于金属的较低的电阻率。

当TaNx，x≈1时：TaNx薄膜是半导体性或绝缘性的。

当TaNx，x>1时：TaNx会形成非晶相，导致薄膜的电阻率显著增加。

TaN薄膜如何制备？

一般有以下方法可以制得：磁控反应溅射，电子束蒸发，低压金属有机化学气相沉积 (LP-MOCVD)，等。

本文以反应磁控溅射为例，通过调节氩气（Ar）与N2的比例，来控制TaNx中x的大小。氩气作为惰性工作气体来产生等离子体，它能够将Ta靶材的原子“敲掉”。而氮气（N2）作为反应性气体，它与溅射下来的Ta原子结合，形成TaN薄膜。

当氮气比例较低时，溅射下来的Ta原子中只有一部分能与氮原子反应形成氮化钽，导致薄膜中钽的含量相对较高，则导电性较好。

当氮气比例较高时，溅射下来的Ta原子有更多机会与氮原子反应，氮的含量超过了钽。这样的薄膜会有较高的电阻率，表现为绝缘或半导体性质。

TaN在半导体中的应用？

在集成电路（IC）制造的后端互连过程（BEOL）中，Ta/TaN薄膜用作铜互连的扩散阻挡层和粘合层，主要是为了防止铜原子扩散到硅基底或介电层中。铜原子的扩散会大大影响芯片的性能。

在精密的薄膜电阻器中，TaN运用十分普遍，比镍铬合金具有更大的耐湿性能。

等等。

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