鈷鎳與多晶鍺硅的固相反應(yīng)和肖特基接觸特性

1 引言

　　近年來，多晶鍺硅(poly-Si1-xGex)及其器件的研究引起了較多關(guān)注。在集成電路某些應(yīng)用中，它有可能是比多晶硅更好的選擇 [1-7]。高摻雜poly-Si1-xGex具有可變的功函數(shù)，用作亞微米MOS晶體管的柵極，能同時實現(xiàn)PMOS和NMOS表面溝道器件[8]。poly-Si1-xGex的淀積、結(jié)晶和雜質(zhì)激活溫度均比poly-Si低[9]，適合于在低成本的大面積玻璃襯底上制作薄膜晶體管(TFT)。通常，poly-Si1-xGex采用化學(xué)氣相淀積法制備。如低壓化學(xué)氣相淀積[10]、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積[11]等。利用物理淀積方法，如濺射[12-16]和蒸發(fā)[17]，淀積非晶鍺硅，再結(jié)晶得到poly-Si1-xGex，是一種簡便、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的方法[18]。

　　在器件應(yīng)用中，金屬與鍺硅及其反應(yīng)產(chǎn)物與鍺硅形成良好的肖特基或者歐姆接觸是十分重要的。為了弄清物相生成和金屬/鍺硅反應(yīng)特性，人們已經(jīng)進(jìn)行了一些研究[19]。由于金屬/鍺硅反應(yīng)的復(fù)雜性，制備陡峭、均勻的硅化物/鍺硅界面比硅化物/硅界面要困難[20]。至今，金屬Pt、Pd、Ni、Ti、W、Zr、Ir、Co同單晶Si1-xGex的固相反應(yīng)和接觸特性，已有了較多的研究結(jié)果[21-28,31]。而對金屬/多晶鍺硅的界面反應(yīng)和接觸特性的研究尚少。研究表明，Pt和Ti可在多晶鍺硅(poly-Si0.8Ge0.2)上形成良好的整流接觸[29]。本文研究離子束濺射制備的poly-Si1-xGex薄膜，在快速熱退火(RTA)條件下，與鈷和鎳的固相反應(yīng)，以及退火溫度對肖特基接觸特性的影響。

　　2 實驗

　　實驗用的襯底是n-Si(100)和氧化層厚度為500nm的氧化片，n-Si的電阻率為2~5W·cm。標(biāo)準(zhǔn)RCA清洗后，樣片立即裝入本底真空度為7.0×10-5Pa的Oxford離子束濺射儀中。濺射時，通入99.999%高純Ar氣作為離子源氣體。靶采用高阻Si片，表面用導(dǎo)電膠粘帖少量Ge片。在5.0×10-3Pa的氣壓下淀積Si1-xGex，淀積速率為2nm/min，膜厚為300nm。濺射后的Si1-xGex薄膜，用稀的HF漂洗片刻以除去自然氧化層；放入熱擴(kuò)散爐進(jìn)行磷摻雜，擴(kuò)散源為液態(tài)POCl3，擴(kuò)散溫度為650℃，擴(kuò)散時間為40min。擴(kuò)散后片子用稀的HF漂洗，去離子水沖洗。以帶孔的鉬版作掩模版，在n-poly-Si1-xGex/n-Si樣品表面分別濺射Co和Ni，形成直徑約為1mm的圓點狀的肖特基正面電極，厚度約為60nm。n-poly-Si1-xGex/SiO2樣品表面，不用掩模板，分別淀積Co、Ni。所有樣品背面用電子束蒸發(fā)約800nm厚的Al作為背電極。淀積完成后，部分樣品置于KST-2型鹵鎢燈RTA系統(tǒng)中, 在高純氮氣保護(hù)下, 分別在300、400、500和600℃進(jìn)行RTA處理，退火時間為1min。用四探針法測得摻磷后樣品n-poly-Si1-xGex/SiO2的方塊電阻為6.3~9.7MW/□。由霍爾測試得到n-poly-Si1-xGex/SiO2的遷移率為18~25cm2/V·s，載流子濃度為6~6.5×1015cm-3。由俄歇電子譜(AES)確定n-poly-Si1-xGex薄膜的鍺含量為16%。用X射線衍射（XRD）表征了Co/n-poly-Si1-xGex/SiO2從300~1000℃以及Ni/n-poly-Si1-xGex/SiO2從300~600℃的物相隨退火溫度的變化。用室溫I-V曲線擬合得到表觀勢壘高度﹑理想因子和串聯(lián)電阻。

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 結(jié)構(gòu)表征

　　圖1是Co/n-poly-Si0.84Ge0.16/SiO2 1min退火（300~1000℃）后的XRD圖，圖2是 Ni /n-poly-Si0.84Ge0.16 /SiO2 1min退火（300~600℃）后的XRD圖。

　　由圖1可見，300~400℃退火，樣品出現(xiàn)襯底的Si(200)、Co(111)以及Si1-xGex的衍射峰，表明Co/n-poly-Si0.84Ge0.16基本上沒有反應(yīng)。Si1-xGex中的x值，除由AES測定外，還可通過Vegard公式計算得到。即
　　 （1-x）aSi + x aGe= aSi1-yGey (1)
　　式中，aSi =5.4307 �，aGe=5.6579 �，分冰槝岉w駝嗟木Ц癯Ｊ�；aSi1-xGex是鍺硅的晶格常數(shù)，由Si0.84Ge0.16（111）峰對應(yīng)的晶面間距求出。計算結(jié)果與AES測量結(jié)果一致。600℃退火，Co(Si1-yGey)(210)衍射峰最強(qiáng) ；表明Co(Si1-yGey)是含量占優(yōu)勢的物相。Co與分子束外延制備的poly-Si1-xGex反應(yīng)也有類似的結(jié)果[30]。Co(Si1-yGey)中的y值，由Vegard公式[31]
（1-y）aCoSi + y aCoGe= aCoSi1-yGey (2)

　　算得y=0.12。這里y

　　圖2是Ni/n-poly-Si0.84Ge0.16從300~600℃ RTA的XRD譜。400℃以下，除了襯底的Si(200)衍射峰，還出現(xiàn)了Ni(111)和Si1-xGex的衍射峰，說明兩者反應(yīng)很弱，只有很少量的Ni2Si1-xGex生成。500~600℃退火，有三元相Ni2Si1-xGex和NiSi1-xGex生成。與Co/Si0.84Ge0.16反應(yīng)不同的是，600℃退火， Ge沒有分凝，這與樣品的AES測試結(jié)果相符。需要指出，Ni與CVD淀積的poly-Si1-xGex之間的反應(yīng)，不高于600℃，Ge也沒有發(fā)生分凝[32]。

　　3.2 I-V特性

　　如果載流子唯一的輸運過程為熱電子發(fā)射，并考慮串聯(lián)電阻影響時，肖特基結(jié)的I-V關(guān)系為[33]，
　　其中，S為電極面積；A* 為有效Richardson常數(shù)；T為絕對溫度；kB為Boltzmann常數(shù)；q為電子電荷；Fb為表觀勢壘高度；n為理想因子；Rs為串聯(lián)電阻。圖3和圖4分別是肖特基二極管Co/n-poly-Si0.84Ge0.16和Ni/n-poly-Si0.84Ge0.16在不同退火條件下的I-V曲線。

　　在0~1V的電壓范圍，對Log I-V曲線進(jìn)行擬合，得到Fb、n和Rs的表觀值。在不同退火溫度下，每個樣片取25個管子進(jìn)行測試，得到Fb、n和Rs表觀值列于表1�？梢钥闯觯琋i/n-poly-Si0.84Ge0.16和Co/n-poly-Si0.84Ge0.16的勢壘高度接近，并且在300~600℃ RTA條件下基本保持恒定。Ge的含量很少，所起的作用可以忽略。理想因子的波動范圍較大，預(yù)示接觸界面是不均勻的。我們認(rèn)為，這種不均勻性與多晶界面的無序、缺陷、晶粒間界以及鍺分凝引入的界面態(tài)有關(guān)。

　　4 結(jié)論

　　應(yīng)用離子束濺射技術(shù)淀積非晶Si1-xGex薄膜，熱擴(kuò)散使之轉(zhuǎn)變?yōu)閚-poly-Si1-xGex，研究了Co、Ni與其固相反應(yīng)和接觸特性。利用XRD、I-V測試對物相及接觸特性進(jìn)行了表征。經(jīng)600℃退火，兩種金屬與Si1-xGex薄膜反應(yīng)生成三元相。600℃以上退火，Ge從Co(Si1-yGey) 相分凝，并且分凝量隨退火溫度升高而增加，三元相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镃o-Si二元相。I-V測試結(jié)果表明，兩樣品的勢壘高度接近，并且300~600℃范圍內(nèi)基本上不隨退火溫度變化，說明退火溫度對肖特基勢壘高度沒有顯著影響。