第二章 原子層沉積氮化鈦受氣體處理之表現
2.3 實驗結果與討論
圖 2.3 為氮化鈦薄膜在電漿瓦數 300 瓦特但不同溫度下的成長速率（growth
per cycle, GPC），可以發現成長速率和溫度是一函數的關係，當溫度越高時成長
速率也會越高，沒有明顯的 ALD window，其中在 250°C 時，成長速率是大約 0.134
nm/cycle，也是之後製成主要成長溫度。
圖 2.3 300w 不同溫度氮化鈦 GPC
21
圖 2.4 為薄膜厚度與成長循環數的圖，隨著循環數增加膜厚也呈線性增加，所
以說雖然氮化鈦沒有明顯的 ALD window，也可以精準控制厚度，也可以說是一
ALD 製成。
圖 2.4 ALD 循環數對厚度作圖 250˚C
圖 2.5 為 AFM 表面型態圖，在不同的氣體電漿處理薄膜的粗糙度分別是，
未經任何處理(As)其粗糙度在大約為 0.090nm，氫氣電漿前處理(PreH)粗糙度為
0.087nm，後氨氣電漿處理(PostN)粗糙度為 0.096nm，結合前兩者的(PHPN)粗糙
度為 0.097nm，大置上粗糙度沒有太大的差異，整體而言是一個平整的氮化鈦薄
膜，而且不同的氣體處理對氮化鈦薄膜表面型態並沒有太大的變化。
22
圖 2.5 不同氣體電漿處理氮化鈦薄膜 AFM
成長 50 cycle 約 6nm 氮化鈦的四組樣品的電性如表 2.1，主要有電阻率
（Resistivity）、載子濃度（Bulk Concentration）以及載子遷移率（Mobility），在
經過氨氣電漿後處理（PostN）的薄膜，會有較好的電阻率表現， 5.77×10-5 Ω-cm，
和未經過任何處理的薄膜（As）有些微優化，和過去的文獻[1, 31]相比較也有一定
的提昇，在經過氫氣電漿前處裡（PreH）的樣品，電阻率有明顯變高的趨勢，變
為 1.12×10-3 Ω-cm，但是第四組樣品結合了前述的兩種處理後，電阻率又有些微
的下降，6.18 ×10-5 Ω-cm，因此可以推測氮氣電漿後處理，對於降低氮化鈦薄膜
電阻率有一定的效果。
23
As-deposited
Resistivity(Ω ㎝) 6.5×10-5
Bulk concentration(cm-3) 2.3×1020
Mobility(cm2/V．s) 4.03×102
PostN PreH PHPN
Resistivity(Ω ㎝) 5.77×10-5 1.12×10-3 6.18×10-5 Bulk
concentration(cm-3) 8.82×1020 5.40×1018 5.77×1020 Mobility(cm2/V．s) 1.22×102 1.03×103 1.75×102
表 2.1 不同氣體電漿 6nm 氮化鈦處理 Hall effect 基本電性
24
Ar bombardment 50W 10sec 300W 40sec
Resistivity(Ω ㎝) 1.320×10-4 1.024×10-4
Bulk concentration(cm-3) 7.328×1018 3.022×1020
Mobility(cm2/V．s) 6.452×103 2.017×102
表 2.2 Ar bombardment 處理後 Hall effect 基本電性
在做 XPS 分析時，每組試片都會先在儀器腔體中用氬氣離子清除試片表面的污染
物及氧化層，圖 2.6 是氮化鈦在不同氣體處理的 XPS 全能量頻譜，可以看到主要
的峰值都在鈦（Ti）, 氮（N）, 氧（O）還要很微弱的碳（C）訊號，其中鈦和氮
的元素比例大約是在一比一。
圖 2.6 TiN XPS 在不同氣體處理的 XPS 全能量頻譜
25
不過在我們使用 ALD 成長的氮化鈦薄膜中都會有一定比例的氧含量，而且這個
現象很難去除，這是比較令人意外結果，因為在我們的製成中完全沒有使用到任
何含氧的物質，這個現象也有在過去其他人的研究中發現[1]，不過因為鈦是一個
很容易和氧結合的元素，只要有一點點的水氣，就容易形成含氧的氮薄膜（TiOx）。
在圖 2.7 中是 N 的 XPS 能譜其中主要的峰值在束縛能（Binding Energy）396 電子
伏特（eV）這在 XPS 分析中為氮和鈦的鍵結能量，
圖 2.7 XPS N1s 能譜
26
在圖 2.8Ti 的 XPS 能譜中在 Binding Energy 為 458eV 主要是鈦和氮的鍵結能量，
456.7eV 是鈦和氧的鍵結能量，而從圖 2.9 O 的能譜中可以看到峰值主要在 530eV
這跟峰值主要是二氧化鈦的鍵結能量，從圖 2.8 及 2.9 兩張 XPS 分析圖都說明我
們成長的氮化鈦中的鈦很容易的與氧產生見結形成氧化鈦，不過可以發現在不同
氣體處理下，氧的含量有明顯的變化，在有氫氣電漿前處理的樣品中氧的含量有
明顯的下降，這說明氫氣電漿可以有效的將 ALD 反應腔體的含氧的物質可能是
氧氣或是水氣反應掉，降低氮化鈦薄膜的含氧量。表 2.3 是不同氣體處理後的元
素比例。
圖 2.8 XPS Ti2p3 能譜
27
圖 2.9 XPS O1s 能譜
Atomic(%) As PostN PreH PNPH
Ti 39.8 41.9 42.8 43.8
N 38.8 41.0 41.8 41.8
O 21.3 17.1 15.7 14.8
Resistivity(Ω ㎝) 6.50×10-5 5.77 ×10-5 1.121×10-3 6.180×10-5
表 2.3 是不同氣體處理後的氮化鈦元素比例
28