镍薄膜制备与性能研究

苏州科技学院本科生毕业论文

课题名称：镍薄膜制备与性能研究

院系名称：数理学院

班级：应物1122班

学号：**********

学生姓名：***

指导教师：***

2015 年 5 月

镍薄膜制备与性能研究

摘要

本文使用磁控溅射设备在n型硅基片上制备镍薄膜，研究不同工作气压（1Pa、1,5Pa、2Pa）对辉光放电、薄膜生长速率以及薄膜表面形貌与粗糙度的影响。结果表明，工作气压的变化对镍薄膜生长速率影响较大，1Pa工作气压条件下，镍薄膜生长速率较快，2Pa次之。使用低压化学气相沉积设备对镍薄膜样品进行退火处理，分析样品经退火处理后各项特性的改变。实验结果分析表明，样品经退火后表面形貌改变较大，变得更加粗糙。样品经退火后各项特性的改变不仅与退火温度有关与薄膜厚度也有关系。

关键词磁控溅射；镍薄膜；表面形貌；粗糙度；退火

The preparation and characterization of nickel thin

film

Abstract

In this paper, nickel thin film was produced onto n-type Si substrates by megnetron sputtering device, and the influence on glow discharge, growth rate, surface topography and roughness caused by different working air pressure(1Pa, 1,5Pa, 2Pa) has been investigated. The result turns out that the change of working air pressure has a great influence on the growth rate of nickel film. Under the working pressure of 1Pa, the growth rate of Ni film is faster, then 2Pa. Samples were annealed by using LPCVD device, and changes on functional characteristics of samples after annealing have been analyzed. The experimental result shows that the surface topography of samples have been changed significantly and the roughness has become larger after annealing. The characteristics of the sample after annealing are not only related to the annealing temperature but also to the thickness of the film.

Key words magnetron sputtering; nickel thin film; surface topography; roughness; anneal

目录

第1章绪论 (1)

1.1 引言 (1)

1.2 Si的基本性质 (2)

1.3 Ni的基本性质 (2)

第2章实验仪器介绍及原理说明 (3)

2.1 磁控溅射设备 (3)

2.1.1 溅射镀膜设计原理 (3)

2.1.2 磁控溅射 (4)

2.2 LPCVD设备 (4)

2.3 探针式表面轮廓仪 (5)

2.4 原子力显微镜 (6)

2.6 半导体分析系统 (7)

2.7 金相显微镜 (7)

第3章金属与半导体接触 (8)

3.1 金半接触 (8)

3.2 金属硅化物 (8)

第4章实验 (9)

4.1 实验目的 (9)

4.2 实验设备以及材料 (9)

4.3 实验内容 (9)

4.3.1 基片前处理 (9)

4.3.2 薄膜的制备 (10)

4.3.3 退火处理 (11)

第5章实验结果及分析 (12)

5.1 不同工作气压下辉光的区别 (12)

5.2 不同工作气压对薄膜生长速率的影响 (13)

5.3 薄膜表面形貌与粗糙度分析 (16)

5.3.1 不同工作气压下薄膜的表面形貌与粗糙度 (17)

5.3.1 退火处理对薄膜表面的影响 (22)

5.4 退火处理对样品U-I特性的影响 (24)

结论 (26)

致谢 (27)

参考文献 (28)

附录A 译文 (29)

附录B 外文原文 (35)

第1章绪论

1.1 引言

目前，随着半导体和微电子行业的蓬勃发展，薄膜科技与技术愈来愈受到人们的关注。薄膜技术是半导体技术中十分重要的一部分，可以说薄膜技术及工艺的发展对半导体器件和微电子行业的发展起到了极其重要的推动作用。

膜最大的特点就是其厚度一维线性尺度远远小于其他二维尺度。通常，薄膜（thin film）的厚度小于1μm，而厚度大于1μm的则为厚膜；因为薄膜在厚度这一特定尺寸上十分微小，只可以通过微观测量，并且在厚度方向上由于存在界面，从而使得界面处的物质处于非连续性状态，使得薄膜材料拥有块状材料所不具有的特殊性能[1]。

薄膜的制备方法很多，如氧化法、电镀法、化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）等等，而且每一种制备方法又可以分成若干种[2]。金属薄膜通常利用物理气相沉积法（PVD）制备。

金属镍薄膜具有良好的导电性，耐腐蚀性好、可塑性好，在微电子产业中有着十分广泛的应用。金属镍薄膜常用于制作MESFET器件的电极（栅极gate 为肖特基接触，源极source和漏极drain为欧姆接触）[3]。金属与半导体直接接触存在大的接触电阻率，为了提高器件性能就必须减小接触电阻率。工业中，常在重掺杂的硅衬底上生长镍薄膜，再经过退火处理，使形成镍硅化合物，从而减小接触电阻率。

镍薄膜主要的制备方法为物理气相沉积，本文中采用磁控溅射法在硅基底上制备镍薄膜，研究在不同工作气压（1Pa、1.5Pa、2Pa）对镍薄膜的生长速率、表面形貌、电学特性的影响。使用DektakXT探针式表面轮廓仪测量镍薄膜的厚度从而计算镍薄膜的生长速率；使用AJ-Ⅲ型原子力显微镜（AFM）扫描镍薄膜表面形貌以及分析其表面粗糙度；使用4200-SCS/C型半导体分析系统绘制样品的U-I特性曲线。利用LPCVD设备进行退火（annealing）处理，研究不同退火温度（300℃-600℃）下镍薄膜电学特性的变化以及退火处理对薄膜表面形貌的改变。尝试探索以上工作是否能够形成低接触电阻率的Ohmic接触。