Structure of thin titanium nitride films deposited by magnetron sputtering

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

This review paper is focused on the structure of thin titanium nitride films formed by magnetron sputtering. A model of film growth depending on the deposition temperature and nitrogen flow is considered. This model is compared with experimental results. The effect of annealing on the structure of titanium nitride films is described.

About the authors

A. G. Isaev

NRC “Kurchatov Institute”

Email: isaev.ag@phystech.edu
Moscow, Russia

A. E. Rogozhin

NRC “Kurchatov Institute”

Author for correspondence.
Email: isaev.ag@phystech.edu
Moscow, Russia

References

  1. Sharath S.U., Vogel S., Molina-Luna L. Control of Switching Modes and Conductance Quantization in Oxygen Engineered HfOx based Memristive Devices // Adv. Funct. Mater. 2017. Vol. 27/ № 32. P. 1700432. https://doi.org/10.1002/adfm.201700432
  2. Isaev A.G., Permyakova O.О., Rogozhin A.Е. Mechanisms of conductive filament formation in hafnium oxide multilayer structures // Thin Solid Films. 2023. Vol. 781. P. 139993. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2023.139993
  3. Isaev A.G., Permyakova O.O., Rogozhin A.E. Oxide Memristors for ReRAM: Approaches, Characteristics, and Structures // Russ. Microelectron. 2023. Vol. 52. № 2. P. 74–98. https://doi.org/10.1134/S1063739723700257
  4. Kohlhase A., Mändl M., Pamler W. Performance and failure mechanisms of TiN diffusion barrier layers in submicron devices // J. Appl. Phys. 1989. Vol. 65. № 6. P. 2464–2469. https://doi.org/10.1063/1.342816
  5. Kwak M.Y., Shin D.H., Kang T.W., Kim K.N. Characteristics of TiN barrier layer against Cu diffusion // Thin Solid Films. 1999. Vol. 339. № 1–2. P. 290–293. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(98)01074-8
  6. Vorobjova A.I., Labunov V.A., Outkina E.A., Grapov D.V. Metallization of Vias in Silicon Wafers to Produce Three-Dimensional Microstructures // Russ. Microelectron. 2021. Vol. 50. № 1. P. 8–18. https://doi.org/10.1134/S1063739721010108
  7. Huang J.S., Oates A.S., Zhao J. Effect of cracks in TiN anti-reflection coating layers on early via electromigration failure // Thin Solid Films. 2000. Vol. 371. № 1–2. P. 310–315. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(00)01018-X
  8. Pan F., Gao S., Chen C. Recent progress in resistive random access memories: Materials, switching mechanisms, and performance // Mater. Sci. Eng. R Rep. 2014. Vol. 83. P. 1–59. https://doi.org/10.1016/j.mser.2014.06.002
  9. Lanza M., Wong H.-S.P., Pop E. Recommended Methods to Study Resistive Switching Devices // Adv. Electron. Mater. 2019. Vol. 5. № 1. P. 1800143. https://doi.org/10.1002/aelm.201800143
  10. Kajikawa Y., Noda S., Komiyama H. Comprehensive perspective on the mechanism of preferred orientation in reactive-sputter-deposited nitrides // J. Vac. Sci. Technol. Vac. Surf. Films. 2003. Vol. 21. № 6. P. 1943–1954. https://doi.org/10.1116/1.1619414
  11. Patsalas P., Kalfagiannis N., Kassavetis S., Abadias G., Bellas D.V., Lekka Ch., Lidorikis E. Conductive nitrides: Growth principles, optical and electronic properties, and their perspectives in photonics and plasmonics // Mater. Sci. Eng. R Rep. 2018. Vol. 123. P. 1–55. https://doi.org/10.1016/j.mser.2017.11.001
  12. Petrov I., Barna P.B., Hultman L., Greene J.E. Microstructural evolution during film growth // J. Vac. Sci. Technol. Vac. Surf. Films. 2003. Vol. 21, № 5. P. S117–S128. https://doi.org/10.1116/1.1601610
  13. Mahieu S., Depla D., Gryse R.D. Modelling the growth of transition metal nitrides // J. Phys. Conf. Ser. 2008. Vol. 100. № 8. P. 082003. https://doi.org/10.1088/1742-6596/100/8/082003
  14. Mahieu S., Depla D. Reactive sputter deposition of TiN layers: modelling the growth by characterization of particle fluxes towards the substrate // J. Phys. Appl. Phys. 2009. Vol. 42. № 5. P. 053002. https://doi.org/10.1088/0022-3727/42/5/053002
  15. Mahieu S., Ghekiere P., Depla D., De Gryse R. Biaxial alignment in sputter deposited thin films // Thin Solid Films. 2006. Vol. 515. № 4. P. 1229–1249. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2006.06.027
  16. Matacotta F.C., Ottaviani G. Science and technology of thin films. Singapore New Jersey London [etc.]: World scientific, 1995.
  17. Thornton J.A. High Rate Thick Film Growth // Annu. Rev. Mater. Sci. 1977. Vol. 7. № 1. P. 239–260. https://doi.org/10.1146/annurev.ms.07.080177.001323
  18. Li T.Q., Noda S., Tsuji Y., Ohsawa T., Komiyama H. Initial growth and texture formation during reactive magnetron sputtering of TiN on Si(111) // J. Vac. Sci. Technol. Vac. Surf. Films. 2002. Vol. 20. № 3. P. 583–588. https://doi.org/10.1116/1.1458944
  19. Martinez G., Shutthanandan V., Thevuthasan S., Chessa J.F., Ramana C.V. Effect of thickness on the structure, composition and properties of titanium nitride nano-coatings // Ceram. Int. 2014. Vol. 40. № 4. P. 5757–5764. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.11.014
  20. Yang H.H., Je J.H., Lee K.-B. Effect of the nitrogen partial pressure on the preferred orientation of TiN thin films // J. Mater. Sci. Lett. 1995. Vol. 14. № 23. P. 1635–1637. https://doi.org/10.1007/BF00422660
  21. Je J.H., Noh D.Y., Kim H.K., Liang K.S. The crossover of preferred orientation in TiN film growth: A real time x-ray scattering study // J. Mater. Res. 1997. Vol. 12. № 1. P. 9–12. https://doi.org/10.1557/JMR.1997.0003
  22. Zhou T., Liu D., Zhang Y., Ouyang T., Suo J. Microstructure and hydrogen impermeability of titanium nitride thin films deposited by direct current reactive magnetron sputtering // J. Alloys Compd. 2016. Vol. 688. P. 44–50. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.06.278
  23. Chuang K.-L., Tsai M.-T., Lu F.-H. Morphology control of conductive TiN films produced by air-based magnetron sputtering // Surf. Coat. Technol. 2018. Vol. 350. P. 1091–1097. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.02.020
  24. Huang J.-H., Yu K.-J., Sit P., Yu G.-P. Heat treatment of nanocrystalline TiN films deposited by unbalanced magnetron sputtering // Surf. Coat. Technol. 2006. Vol. 200. № 14–15. P. 4291–4299. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2005.02.147
  25. Xi Y., Fan H., Liu W. The effect of annealing treatment on microstructure and properties of TiN films prepared by unbalanced magnetron sputtering // J. Alloys Compd. 2010. Vol. 496. № 1–2. P. 695–698. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.02.176
  26. Kavitha A., Kannan R., Sreedhara Reddy P., Rajashabala S. The effect of annealing on the structural, optical and electrical properties of Titanium Nitride (TiN) thin films prepared by DC magnetron sputtering with supported discharge // J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2016. Vol. 27. № 10. P. 10427–10434. https://doi.org/10.1007/s10854-016-5130-0
  27. Ghailane A. et al. Influence of Annealing Temperature on the Microstructure and Hardness of TiN Coatings Deposited by High-Power Impulse Magnetron Sputtering // J. Mater. Eng. Perform. 2022. Vol. 31. № 7. P. 5593–5601. https://doi.org/10.1007/s11665-022-06689-5

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».