Titanium oxinitride thin films: the reactivity as an original physico-chemical characterization method
Couches minces d'oxynitrure de titane : la réactivité comme moyen original de caractérisation physico - chimique
Résumé
Titanium oxinitride thin films, TiNxOy, were elaborated on Si(100) by the MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, using titanium isopropoxide Ti(OCH(CH3)2)4 and ammonia NH3 as precursors. By varying the growth temperature, it is possible to modify the N/O ratio and change the conductivity of the films.
The target of this work was to determine the composition and the structure of these TiNxOy thin films in order to understand the electrical properties. However, this study was difficult because classical characterization techniques (SEM, XRD, Raman, XPS...) were unable to describe the whole TiNxOy system. Indeed, only a structure which is isomorphic to TiN (NaCl structure) was detected in the samples elaborated at high temperature ( T > 550 °C) and quantitative analysis revealed relatively high oxygen content in all the samples. This study was broadened to TiN films in order to understand the importance of oxygen in this structure.
Original characterization methods, based on the fact that it is possible to link the structure of a material to its reactivity, were carried out in order to complete previous characterizations. In particular, the study of the reactivity of thin films towards ion bombardment or thermal treatments allowed to determine and quantify the different phases which are present in TiNxOy thin films. For low synthesis temperatures (T < 700 °C) they are composed of a conducting Ti(N,O) phase and an insulating TiO2 one. A percolation model allowing the understanding of the conductivity variations as a function of the films synthesis temperature was proposed thanks to these characterization methods.
The target of this work was to determine the composition and the structure of these TiNxOy thin films in order to understand the electrical properties. However, this study was difficult because classical characterization techniques (SEM, XRD, Raman, XPS...) were unable to describe the whole TiNxOy system. Indeed, only a structure which is isomorphic to TiN (NaCl structure) was detected in the samples elaborated at high temperature ( T > 550 °C) and quantitative analysis revealed relatively high oxygen content in all the samples. This study was broadened to TiN films in order to understand the importance of oxygen in this structure.
Original characterization methods, based on the fact that it is possible to link the structure of a material to its reactivity, were carried out in order to complete previous characterizations. In particular, the study of the reactivity of thin films towards ion bombardment or thermal treatments allowed to determine and quantify the different phases which are present in TiNxOy thin films. For low synthesis temperatures (T < 700 °C) they are composed of a conducting Ti(N,O) phase and an insulating TiO2 one. A percolation model allowing the understanding of the conductivity variations as a function of the films synthesis temperature was proposed thanks to these characterization methods.
Des couches minces d'oxynitrure de titane, TiNxOy, ont été élaborées sur Si(100) par MOCVD (dépôt chimique en phase vapeur) à partir d'isopropoxyde de titane Ti(OCH(CH3)2)4 et d'ammoniac NH3. En modifiant la température de croissance, il est possible de contrôler le rapport N/O et d'obtenir ainsi des composés de conductivité variable.
L'objectif de ce travail était la détermination de la composition et de la structure des couches minces de TiNxOy de façon à en comprendre les propriétés électriques. Cependant, cette étude s'est rapidement avérée plus complexe que prévue, les techniques de caractérisation classiques (MEB, DRX, Raman, XPS...) étant insuffisantes pour décrire le système TiNxOy dans sa totalité. En effet, une seule phase cristallisée, isomorphe de TiN, a pu être mise en évidence dans les échantillons élaborés à haute température (T > 550 °C) tandis que des analyses quantitatives ont révélé des proportions d'oxygène relativement importantes dans tous les échantillons. Aussi, cette étude a été élargie à des films de TiN afin de comprendre l'importance de l'oxygène dans cette structure.
Des méthodes de caractérisation originales, basées sur le fait qu'il est possible de relier la structure d'un matériau à sa réactivité, ont alors été mises en œuvre afin de compléter les analyses précédentes. Notamment, l'étude de la réactivité des couches minces vis-à-vis d'une irradiation ionique ou lors de traitements thermiques a permis de qualifier et quantifier les différentes phases des films minces de TiNxOy en réalité constitués d'une phase Ti(N,O) conductrice et d'une phase TiO2 isolante. Un modèle de percolation permettant la simulation des variations de conductivité des films à partir des proportions relatives de chacune de ces deux phases a alors pu être proposé.
L'objectif de ce travail était la détermination de la composition et de la structure des couches minces de TiNxOy de façon à en comprendre les propriétés électriques. Cependant, cette étude s'est rapidement avérée plus complexe que prévue, les techniques de caractérisation classiques (MEB, DRX, Raman, XPS...) étant insuffisantes pour décrire le système TiNxOy dans sa totalité. En effet, une seule phase cristallisée, isomorphe de TiN, a pu être mise en évidence dans les échantillons élaborés à haute température (T > 550 °C) tandis que des analyses quantitatives ont révélé des proportions d'oxygène relativement importantes dans tous les échantillons. Aussi, cette étude a été élargie à des films de TiN afin de comprendre l'importance de l'oxygène dans cette structure.
Des méthodes de caractérisation originales, basées sur le fait qu'il est possible de relier la structure d'un matériau à sa réactivité, ont alors été mises en œuvre afin de compléter les analyses précédentes. Notamment, l'étude de la réactivité des couches minces vis-à-vis d'une irradiation ionique ou lors de traitements thermiques a permis de qualifier et quantifier les différentes phases des films minces de TiNxOy en réalité constitués d'une phase Ti(N,O) conductrice et d'une phase TiO2 isolante. Un modèle de percolation permettant la simulation des variations de conductivité des films à partir des proportions relatives de chacune de ces deux phases a alors pu être proposé.
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