TaN 薄膜电阻器加入温度传感器后，对低温氮化技术产生有怎样影响

文/麒阁史观

编辑/麒阁史观

前言：

随着物联网（IOT）技术的快速发展，温度传感器、气体传感器、光学传感器等传感器技术的改进，未来需要与存储设备、逻辑设备、无源设备进行集成。除了传统传感器器件的体积大外，制造中使用的材料需要在高温下加工，这与集成电路（IC）制造工艺的后端不兼容。

因此，传感器器件和IOT技术开发与低温和集成电路技术兼容的材料。是氮化钽是一种机械坚硬、化学内部、耐腐蚀的材料，具有良好的抗冲击、耐热性能。这些特性使该材料在许多工业应用中具有吸引力。

有一种新的低温氮化技术出现，打破了人们的认知。通过氮化钽（TaN）薄膜电阻（TFR）超临界二氧化碳（SCCO2）处理温度传感器应用。使得TaNTFR的温度灵敏度提高了约10.2%，这可以从电阻温度系数（TCR）的测量中得到证明。

为了了解SCCO2对TaNTFR的硝化机理，通过电流拟合的方法分析了该器件的载流子传导机理。经过低温SCCO2硝化处理后，TaNTFR的电流传导机制由跳变转变为肖特基发射。最终提出了一种含氮和硅硝化处理的空位钝化模型，以提高TaNTFR的隔离能力，从而导致电流传导机制的转移。

在氮化钽（TaN）薄膜电阻器上，通过电流-电压测量和分析，发现了利用超临界二氧化碳（SCCO2）氮化技术提高温度敏感性的问题。应用现有的拟合方法，分析了SCCO2氮化处理后TaN薄膜中载流子传导的物理机理。

这对于传导电流拟合和变化温度的电流-电压测量数据进行了深入的研究，由此确定了电流传导机制。最后，建立了一个分子反应模型。SCCO2硝化过程对TaN薄膜电阻器电流传导机理的影响。可以利用SCCO2硝化技术，在低温条件下提高TaN薄膜的温度敏感性。

薄膜温度传感电阻器件制备如下：首先，将导体银材料打印在氧化铝基材上。然后在Ar、N2混合气体环境中，用Ta靶进行直流溅射，在银印衬底上沉积150nm的TaN薄膜。

最好将TaN薄膜放入一个具有165ml腔室尺寸的超临界流体系统的反应性腔室。然后将吸附在沸石上的5ml氨溶液混合的SCCO2液注入反应室，对样品进行处理。从而得出氨将进入摩尔浓度为1.7M的SCCO2流体中。

在处理过程中，氨混合超临界二氧化碳流体，在超临界流体系统的不锈钢室中加热和压力中分别至120°C和3000psi1h。为了对温度传感器的TaN薄膜电阻进行电测量和分析了一种蛇型绿色激光控制电阻值。整个设备的电学测量，均使用安捷伦B1500半导体参数分析仪进行。

采用直流电流-电压（I-V），扫扫研究了硅氮处理前后TaN薄膜电阻的电学特性。为了验证TaN薄膜电阻器的温度敏感性，于是在30~80的变温度下进行了变温度I-V测量°C，电阻温度系数值定义在不同温度之间的电阻变化之比。

TCR=（R1−R0）/R0*（1/T1−T0）×106（ppm/°C），其中T0为30°C，T1为80°C，R0为30°C时的电阻值，R1为80时的电阻值°C.将I-V曲线转换为TCR值后发现通过SCCO2硝化技术，TaN薄膜的温度敏感性提高了约10.2%。

如果TCR值为负，则TaN薄膜的电阻值与温度呈负相关。TCR的绝对值越高，表示随温度的变化量越大。为了研究SCCO2硝化对TaN薄膜电性能的影响，分析了在有无硅氮化处理下，TaN薄膜电阻（TFR）装置的电流传导机理。

根据跳变传导方程，分别为空间电荷密度、跳变距离平均值、跳变势垒高度、固有振动频率和膜厚度。因此在未经SCCO2硝化处理的TaNTFR的电流传导机制，主要是跳变传导机制。

在TaNTFR装置上的SCCO2硝化处理中，ln曲线与施加电压的平方根呈线关系。根据肖特基发射的公式，这些都是理查森常数，活化能垒高度，对运输的载体传导机制，转移到肖特基排放后SCCO2硝化处理。

当氮流量小于5%时,TaN薄膜中主要含低TCR的Ta2N相,当氮流量高于5%时,TaN薄膜中主要含高TCR的富氮相。薄膜厚度显著影响TaN薄膜的电学性质,随薄膜厚度的增加,薄膜的电阻率和绝对值TCR都减小,当薄膜厚度从30nm增加到280nm时,TaN薄膜电阻率从150ppm/℃减小到30ppm/℃。

对于Al掺杂的TaN薄膜，随着Al/Ta面积比的增加，薄膜的电阻率和TCR绝对值也会逐渐增大。当Al/Ta面积比从0%增加到30%时,薄膜的电阻率绝对值将从12ppm/℃增大到270ppm/℃,这与未掺杂的TaN薄膜相比,其电阻率可调范围显著增大,而TCR并没有显著地恶化。

在各类薄膜电阻中，tan薄膜电阻显示出较优异的性能。tan薄膜材料具有低电阻温度系数、机械强度高、耐高温、化学稳定性好、不溶于盐酸、硝酸和氢氟酸等优点，且其阻值可调范围大，十分适合用作薄膜电阻中的电阻薄膜材料。

相较于目前应用广泛的镍铬薄膜电阻材料，tan薄膜具有自钝化特性，能在空气中氧化生成一层致密的ta2o3膜，这层ta2o3膜可以抵御外界环境对电阻体的侵蚀，使它能在密封环境下工作，从而具有良好的稳定性和可靠性。

在测量过程中基于欧姆定律，即电阻与电流和电势差成正比。在薄膜电阻测试中，通常使用四线法，其中两个探针用于传输电流，另外两个探针用于测量电压。通过测量电流和电压，可以计算出薄膜的电阻值。

TaN为暗灰色物质，同时呈现出六方晶体结构，晶体的常数为0.518nm，密度为14.36g/cm3，熔点为3090℃，电阻率为180μΩ.cm左右。其耐酸性能好，不溶于硝酸，盐酸和氢氟酸，只被硫酸和硝酸及过氧化氢的混合液氧化，易和碳化钽生成类质同晶混合物。

tan薄膜具有熔点高、硬度大、金属导电性甚至超导电性等优异性能。TaN中可能存在两种因素异构体，一种为a-Ta，另一种为β-Ta。前者与块体金属具有相同的金属结构，为体心立方bcc结构:后者属正方品系。

根据混射条件，一般具会得到一种，偶尔两种混合存在，一旦溅射条件确定后，就可以得到较稳定的薄膜。TaN薄膜具有极好的稳定性，经测试其电阻变化率在10年内仅为0.5%。

通过改善沉积工艺来调节tan薄膜的物相组成，tan薄膜的各物相中，有部分物相具有较低的tcr，通过提高tan薄膜中该相的成分从而改善薄膜的tcr,比如vishay公司推出的tan薄膜电阻，即是通过提升薄膜中ta2n相的含量，使得薄膜电阻具有较好的tcr(±25ppm/℃以内)

改善薄膜的热稳定性，主要从两个方面进行：1、调节tan薄膜的沉积工艺，获得高质量(即缺陷少)的tan薄膜，高质量的tan薄膜具有更好的热稳定性。2、变换过渡金属层3的材料，使电极在高温下能够更好的粘附而不剥离。

基于电分析结果，建立了scco2TaNTFR的载流子传导模型。硝化处理方法由于dc溅射技术是在低温下沉积的，因此在TaN薄膜中存在许多空位。当电压施加于沉积的TaNTFR时，载流子通过空位跳跃传输，导致沉积的TaNTFR的电流传导机制由跳变传导主导。

由于跳变传导机制的温度敏感度较低，因此所沉积的TaNTFR的绝对TCR值较小。用SCCO2硝化技术处理沉积的TaNTFR后，氮原子会穿透TaN薄膜，钝化TaN晶粒晶界中的空位，导致在TaN颗粒之间形成绝缘的氮氧化钽（TaON）层。

也可以利用高真空磁控溅射镀膜的方法，制备超大规模成电路铜布线的扩散阻挡层TaN薄膜。通过讨论各实验参数温度、气流量和功率对TaN薄膜的生长动力和表面形貌结构的影响。得出TaN薄膜的生长速区在温度和Ar/N气体流量比，在一定的情况下随射频电源功率的增加而逐渐升高。

在电源功率和Ar/N₂气大流量比一定的情况下在300~400℃之间随温度的加所得到的薄膜生长速率逐渐升高，而在400与00℃随温度的增加所得到的薄膜生长速率逐渐减小，形成这一结果原因进行了定性分析，更深入的讨论不有待于进一步的研究。

同时得出TaN薄膜的生长速度，会随着Ar/Nz气体流量比增加而逐渐增加。

TaON层会增加载流子输运的热活化能势垒高度，导致SCCO2硝化处理的TaNTFR的电流传导机制以肖特基发射为主。由于肖特基传导是由于电子交叉活化能垒高度的发射，经过SCCO2硝化处理的TaNTFR的电流传导对温度敏感，从而提高了TaNTFR的温度敏感性。

利用SCCO2硝化技术成功地钝化了TaN颗粒间的空位，形成了绝缘的TaON层。经过SCCO2硝化处理后，TaN晶界之间TaON层的形成，TaNTFR的载流子传导机制由跳变传导转变为肖特基发射传导，从而提高了TaNTFR的温度敏感性。

低温SCCO2硝化处理，将会是一种很有前途的高温灵敏度传感器应用技术。低温SCCO2硝化处理技术在实际应用中仍然面临一些挑战。例如，SCCO2的使用压力比较高，需要相应的设备和安全措施。

此外，针对不同气体的选择性和灵敏度需要通过优化处理条件和催化剂来实现，这也需要更多的研究和开发工作。目前低温硝化处理技术，可作为一种高温灵敏度传感器应用技术具有一定的潜力，但还需要进一步的研究和改进以实现更好的性能和可靠性。