kaz29Вестник Казахстанско-Британского технического университетаHerald of the Kazakh-British Technical University1998-66882959-8109Казахстанско-Британский Технический Университет10.55452/1998-6688-2024-21-3-302-313kaz29-1390Research ArticleФИЗИЧЕСКИЕ НАУКИPHYSICAL SCIENCESВЛИЯНИЕ ОТНОШЕНИЯ РАСХОДОВ ГАЗОВ N2/Ar И МОЩНОСТИ МАГНЕТРОНА НА ПЛОТНОСТЬ И СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПЛЕНОК TINX, СИНТЕЗИРОВАННЫХ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯINFLUENCE OF THE RATIO OF GASE CONSUMPTION N2/Ar AND MAGNETRON POWER ON THE DENSITY AND STOICHIOMETRIC COMPOSITION OF TINX FILMS SYNTHESIZED BY MAGNETRON SPUTTERING METHODhttps://orcid.org/0000-0002-7268-7193КейінбайС.KeiinbayS.

постдокторант 

050000, г. Алматы

postdoctoral researcher 

050000, Almaty

s.keiinbay@kbtu.kzhttps://orcid.org/0000-0001-8200-7510НусуповК. Х.NussupovK. Kh.

докт. физ.-матем. наук, главный научный сотрудник 

050000, г. Алматы

Dr.Phys.-Math.Sc., chief researcher 

050000, Almaty

rich-famouskair@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0074-431XСултановА. Т.SultanovA. T.

докторант 

050000, г. Алматы

 

PhD student 

050000, Almaty

asanalisultanovs@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-9518-0651ТысченкоИ. Е.TyschenkoI. E.

докт. физ.-матем. наук, ведущий научный сотрудник 

630090, г. Новосибирск

Dr.Phys.-Math.Sc., leading researcher 

630090, Novosibirsk

tys@isp.nsc.ruhttps://orcid.org/0009-0003-4051-5180ЭшановА. Ф.EshanovA. Ph.

студент 

050000, г. Алматы

student 

050000, Almaty

a_eshanov@kbtu.kzhttps://orcid.org/0000-0002-5908-5614БейсенхановН. Б.,BeisenkhanovN. B.

докт. физ.-матем. наук, главный научный сотрудник

050000, г. Алматы

Dr.Phys.-Math.Sc., chief researcher 

050000, Almaty

beisen@mail.ruКазахстанско-Британский технический университетКазахстанKazakh-British Technical UniversityKazakhstanИнститут физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наукРоссияRzhanov Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202403102024213302313Copyright © Кейінбай С., Нусупов К.Х., Султанов А.Т., Тысченко И.Е., Эшанов А.Ф., Бейсенханов Н.Б., 20242024Кейінбай С., Нусупов К.Х., Султанов А.Т., Тысченко И.Е., Эшанов А.Ф., Бейсенханов Н.Б.Keiinbay S., Nussupov K.K., Sultanov A.T., Tyschenko I.E., Eshanov A.P., Beisenkhanov N.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.kbtu.edu.kz/jour/article/view/1390

Пленки нитрида титана были осаждены методом магнетронного распыления на постоянном токе на поверхности образцов монокристаллического кремния в атмосфере Ar-N2  для использования в качестве диффузионного барьера. Толщину и плотность пленок измеряли методом рентгеновской рефлектометрии. Изменена конструкция установки MAGNA TM-200-01 для увеличения подачи азота в камеру. Изучено влияние условий распыления, включая расход газов азота и аргона и их отношения N2 /Ar в пределах 1–60 в камере, мощность магнетрона 690 – 1400 Вт на формирование пленок TiNх , их плотность и стехиометрический состав. Показано, что на величину х влияет не только отношение расходов газов N2 /Ar, но и мощность магнетрона. При параметрах распыления 1200 Вт, N2 /Ar = 30, 0.8 Пa, 320 сек и 100 °С получена максимальная плотность 5.247 г/см3 пленки состава TiN0.786 = Ti56N44. Методом фотографической рентгеновской дифракции подтверждено наличие нанокристаллической пленки нитрида титана и отсутствие нанокристаллической фазы титана. Выявлено, что для синтеза нитрида титана, максимально близкого к стехиометрическому составу TiN0.770 – TiN0.786, необходимо использовать мощности магнетрона в пределах 900–1200 Вт, расход азота – 30 см3 /мин. при низких потоках аргона 1–5 см3 /мин.

The films of titanium nitride were deposited by direct current magnetron sputtering on the surface of singlecrystalline silicon samples in an Ar-N2  atmosphere for use as a diffusion barrier. The thickness and density of films were measured by X-ray reflectometry. The design of the MAGNA TM-200-01 installation has been changed to increase the supply of nitrogen into the chamber. The influences of sputtering conditions, including the flow rate of nitrogen and argon gases and their N2 /Ar ratios in the range of 1–60 in the chamber, magnetron power of 690–1400 W on the formation of TiNx  films, their density and stoichiometric composition, were studied. It is shown that the value of x is affected not only by the N2 /Ar gas flow rate ratio, but also by the magnetron power. At the sputtering parameters 1200 W, N2 /Ar = 30, 0.8 Pa, 320 s and 100°C, a maximum density of 5.247 g/cm3  of a film was achieved, which corresponds to the composition TiN0.786 = Ti56N44. The presence of nanocrystalline film of titanium nitride and the absence of a nanocrystalline titanium phase were confirmed by photographic X-ray diffraction. It was found that for the synthesis of titanium nitride as close as possible to the stoichiometric composition TiN0.770 - TiN0.786, it is necessary to use magnetron power in the range of 900–1200 W, nitrogen rate of 30 cm3 /min with low argon flows of 1–5 cm3 /min.

тонкие пленкидиффузионный барьернитрид титанамагнетронное распылениеструктураthin filmsdiffusion barriertitanium nitridemagnetron sputteringstructureРабота финансировалась МНВО РК в рамках проекта № AP22684659.ReferencesPetrov I., Hultman L., Helmersson U., Sundgren J.E., Greene J.E. Thin Solid Film., 1989, vol. 169, pp. 299–314. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/004060908990713X.Petrov I., Hultman L., Helmersson U., Sundgren J.E., Greene J.E. Thin Solid Film., 1989, vol. 169, pp. 299–314. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/004060908990713X.Arshi N., Lu J., Joo Y.K., Lee C.G., Yoon J.H., Ahmed F. Mater. Chem. Phys., 2012, vol. 134, pp. 839–844. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0254058412003288.Arshi N., Lu J., Joo Y.K., Lee C.G., Yoon J.H., Ahmed F. Mater. Chem. Phys., 2012, vol. 134, pp. 839–844. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0254058412003288.Istratov A.A. and Weber E. R. J Electrochem Soc, 2002, vol. 149, no. 1, p. G21. http://doi.org/10.1149/1.1421348.Istratov A.A. and Weber E. R. J Electrochem Soc, 2002, vol. 149, no. 1, p. G21. http://doi.org/10.1149/1.1421348.Aljaafari A., Ahmed F., Shaalan N.M., Kumar S. and Alsulami A. Inorganics, 2023, vol.11, no. 5, p. 204. https://doi.org/10.3390/inorganics11050204.Aljaafari A., Ahmed F., Shaalan N.M., Kumar S. and Alsulami A. Inorganics, 2023, vol.11, no. 5, p. 204. https://doi.org/10.3390/inorganics11050204.Veprek S., Veprek-Heijman M.G., Karvankova P., Prochazka J. Thin Solid Film, 2005, vol. 476, pp. 1–29.Veprek S., Veprek-Heijman M.G., Karvankova P., Prochazka J. Thin Solid Film, 2005, vol. 476, pp. 1–29.Kadlec S., Musil J., Vyskcil J., Surface and Coatings Technolgy, 1992, vol. 54–55 (16 November 1992), pp. 287–296. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(09)90064-0.Kadlec S., Musil J., Vyskcil J., Surface and Coatings Technolgy, 1992, vol. 54–55 (16 November 1992), pp. 287–296. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(09)90064-0.Jiang F., Zhang T.F., Wu B.H., Surface and Coatings Technolgy, 2016, vol. 292, pp. 54–62. http://dx.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.03.007.Jiang F., Zhang T.F., Wu B.H., Surface and Coatings Technolgy, 2016, vol. 292, pp. 54–62. http://dx.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.03.007.Niyomsoan S., Grant W., Olson D.L., Mishra B. Thin Solid Films, 2002, vol. 415, pp. 187–194. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(02)00530-8.Niyomsoan S., Grant W., Olson D.L., Mishra B. Thin Solid Films, 2002, vol. 415, pp. 187–194. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(02)00530-8.Patsalas P., Charitidis C., Logothetidis S., Dimitriadis C.A., Valassiades O.J. Appl. Physic, 1999, vol.86, pp. 5296–5298. https://pubs.aip.org/aip/jap/article-abstract/86/9/5296/289131/Combined-electrical-andmechanical-properties-of?redirectedFrom=fulltext.Patsalas P., Charitidis C., Logothetidis S., Dimitriadis C.A., Valassiades O.J. Appl. Physic, 1999, vol.86, pp. 5296–5298. https://pubs.aip.org/aip/jap/article-abstract/86/9/5296/289131/Combined-electrical-andmechanical-properties-of?redirectedFrom=fulltext.Banerjee R., Chandra R., Ayyub P. Thin Solid Films, 2002, vol. 405, pp. 64–72. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0040609001017059.Banerjee R., Chandra R., Ayyub P. Thin Solid Films, 2002, vol. 405, pp. 64–72. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0040609001017059.Kavitha A., Kannan R., Gunasekhar K.R. Journal of Electronic Materials, 2017, vol.7, pp. 1–8. http://dx.doi.org/10.1007/s11664-017-5608-4.Kavitha A., Kannan R., Gunasekhar K.R. Journal of Electronic Materials, 2017, vol.7, pp. 1–8. http://dx.doi.org/10.1007/s11664-017-5608-4.Gu P., Zhu X., Li J., Wu H., Yang D. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2018, vol. 29, pp. 9893–9900. https://doi.org/10.1007/s10854-018-9031-2.Gu P., Zhu X., Li J., Wu H., Yang D. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2018, vol. 29, pp. 9893–9900. https://doi.org/10.1007/s10854-018-9031-2.Fillot F., Morel T., Minoret S., Matko I., Maıˆtrejean S., Guillaumot B., Chenevier B., and Billon T. Microelectron. Eng., 2005, vol. 82, pp. 248–253. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0167931705003485.Fillot F., Morel T., Minoret S., Matko I., Maıˆtrejean S., Guillaumot B., Chenevier B., and Billon T. Microelectron. Eng., 2005, vol. 82, pp. 248–253. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0167931705003485.Echtermeyer T., Gottlob H.D.B., Wahlbrink T., Mollenhauer T., Schmidt M., Efavi J.K., Lemme M.C., and Kurz H. Solid State Electron, 2007, vol. 51, pp. 617–621. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0038110107000640.Echtermeyer T., Gottlob H.D.B., Wahlbrink T., Mollenhauer T., Schmidt M., Efavi J.K., Lemme M.C., and Kurz H. Solid State Electron, 2007, vol. 51, pp. 617–621. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0038110107000640.Lee Y.J. Mater. Lett., 2005, vol. 59, pp. 615–617. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0167577X04007347.Lee Y.J. Mater. Lett., 2005, vol. 59, pp. 615–617. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0167577X04007347.Yoon D.S., Roh J.S., Lee S.M., and Baik H.K. J. Electron. Mater., 2003, vol.32, pp. 890–898. https://link.springer.com/article/10.1007/s11664-003-0206-z.Yoon D.S., Roh J.S., Lee S.M., and Baik H.K. J. Electron. Mater., 2003, vol.32, pp. 890–898. https://link.springer.com/article/10.1007/s11664-003-0206-z.Park D.G., Lim K.Y., Cho H.J., Cha T.H., Yeo I.S., Roh J.S., and Park J.W. Appl. Phys. Lett., 2002, vol. 80, pp. 2514–2516. https://pubs.aip.org/aip/apl/article-abstract/80/14/2514/514810/Impact-of-atomiclayer-deposited-TiN-on-the-gate?redirectedFrom=fulltext.Park D.G., Lim K.Y., Cho H.J., Cha T.H., Yeo I.S., Roh J.S., and Park J.W. Appl. Phys. Lett., 2002, vol. 80, pp. 2514–2516. https://pubs.aip.org/aip/apl/article-abstract/80/14/2514/514810/Impact-of-atomiclayer-deposited-TiN-on-the-gate?redirectedFrom=fulltext.Yang X., Liu W., Bastiani M. De, Allen T., Kang J., Xu H., Aydin E., Xu L., Bi Q., Dang H., AlHabshi E., Kotsovos K., AlSaggaf A., Gereige I., Wan Y., Peng J., Samundsett C., Cuevas A., Wolf S. De, Joule 3, 2019, pp. 1314–1327. https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.03.008.Yang X., Liu W., Bastiani M. De, Allen T., Kang J., Xu H., Aydin E., Xu L., Bi Q., Dang H., AlHabshi E., Kotsovos K., AlSaggaf A., Gereige I., Wan Y., Peng J., Samundsett C., Cuevas A., Wolf S. De, Joule 3, 2019, pp. 1314–1327. https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.03.008.Kern W. The Evolution of Silicon Wafer Cleaning Technology. Journal of the Electrochemical Society, 1990, vol. 137, no. 6, pp. 1887–1892. https://iopscience.iop.org/article/10.1149/1.2086825.Kern W. The Evolution of Silicon Wafer Cleaning Technology. Journal of the Electrochemical Society, 1990, vol. 137, no. 6, pp. 1887–1892. https://iopscience.iop.org/article/10.1149/1.2086825.Touryanski A.G., Vinogradov A.V., and Pirshin I.V. X-ray reflectometer. US Patent No. 6041098, 2000. https://patents.google.com/patent/US6041098A/en.Touryanski A.G., Vinogradov A.V., and Pirshin I.V. X-ray reflectometer. US Patent No. 6041098, 2000. https://patents.google.com/patent/US6041098A/en.Henke B.L., Gullikson E.M., J Davis. C. In: Atomic Data and Nuclear. Data Tables 54, 2, 1993, 181 p. http://henke.lbl.gov/optical_constants/.Henke B.L., Gullikson E.M., J Davis. C. In: Atomic Data and Nuclear. Data Tables 54, 2, 1993, 181 p. http://henke.lbl.gov/optical_constants/.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.