鈷鎳與多晶鍺硅的固相反應和肖特基接觸特性

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注。在集成電路某些應用中，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，用作亞微米MOS晶體管的柵極，能同時實現PMOS和NMOS表面溝道器件[8]。poly-Si1-xGex的淀積、結晶和雜質激活溫度均比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采用化學氣相淀積法制備。如低壓化學氣相淀積[10]、等離子體增強化學氣相淀積[11]等。利用物理淀積方法，如濺射[12-16]和蒸發[17]，淀積非晶鍺硅，再結晶得到poly-Si1-xGex，是一種簡便、經濟和環保的方法[18]。

　　在器件應用中，金屬與鍺硅及其反應產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/鍺硅反應特性，人們已經進行了一些研究[19]。由于金屬/鍺硅反應的復雜性，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的固相反應和接觸特性，已有了較多的研究結果[21-28,31]。而對金屬/多晶鍺硅的界面反應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，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。標準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；放入熱擴散爐進行磷摻雜，擴散源為液態POCl3，擴散溫度為650℃，擴散時間為40min。擴散后片子用稀的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系統中, 在高純氮氣保護下, 分別在300、400、500和600℃進行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﹑理想因子和串聯電阻。

　　3 結果與討論

　　3.1 結構表征

　　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。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 牛琣Ge=5.6579 牛�分冰槝岉w駝嗟木Ц癯Ｊ�；aSi1-xGex是鍺硅的晶格常數，由Si0.84Ge0.16（111）峰對應的晶面間距求出。計算結果與AES測量結果一致。600℃退火，Co(Si1-yGey)(210)衍射峰最強 ；表明Co(Si1-yGey)是含量占優勢的物相。Co與分子束外延制備的poly-Si1-xGex反應也有類似的結果[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<x，說明Co(Si1-yGey)中Ge的比例比Si1-xGex中的小，即Ge出現了分凝。退火溫度升至700 ℃，該峰的2q 值向增大的方向位移，對應于晶面間距變小；亦即晶格常數變小。原因是Ge從物相Co(Si1-yGey)中分凝出去；并且，退火溫度越高，分凝出來的Ge越多；直到875℃，Ge完全從Co(Si1-yGey)分凝完畢，Co(Si1-yGey)變成CoSi；同時，通過反應CoSi+Si→CoSi2，薄膜中生成較多的CoSi2。圖1中，875 ℃以上退火，出現較強的CoSi2 (111) 和CoSi2 (220)衍射峰。由于CoSi2是低阻相，所以用四探針儀測量樣品時，會發現薄層電阻快速下降。當900℃以上退火時，薄膜表層有少量的Co2N和Co3O4生成。這是因為退火系統是開放式的，總會混入少量的氧氣。這些物相變化引起Co、Si、Ge、O元素的重新分布，由AES測試結果可證實。

　　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，還出現了Ni(111)和Si1-xGex的衍射峰，說明兩者反應很弱，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反應不同的是，600℃退火， Ge沒有分凝，這與樣品的AES測試結果相符。需要指出，Ni與CVD淀積的poly-Si1-xGex之間的反應，不高于600℃，Ge也沒有發生分凝[32]。

　　3.2 I-V特性

　　如果載流子唯一的輸運過程為熱電子發射，并考慮串聯電阻影響時，肖特基結的I-V關系為[33]，
　　其中，S為電極面積；A* 為有效Richardson常數；T為絕對溫度；kB為Boltzmann常數；q為電子電荷；Fb為表觀勢壘高度；n為理想因子；Rs為串聯電阻。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個管子進行測試，得到Fb、n和Rs表觀值列于表1。可以看出，Ni/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，預示接觸界面是不均勻的。我們認為，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有關。

　　4 結論

　　應用離子束濺射技術淀積非晶Si1-xGex薄膜，熱擴散使之轉變為n-poly-Si1-xGex，研究了Co、Ni與其固相反應和接觸特性。利用XRD、I-V測試對物相及接觸特性進行了表征。經600℃退火，兩種金屬與Si1-xGex薄膜反應生成三元相。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，三元相逐漸轉變為Co-Si二元相。I-V測試結果表明，兩樣品的勢壘高度接近，并且300~600℃范圍內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。