基于兩步退火法提升Al/n+Ge歐姆接觸及Gen+/p結(jié)二極管性能*

王塵 許怡紅 李成 林海軍 趙銘杰

1) (廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院,福建省光電信息材料與器件重點(diǎn)實驗室,廈門 361024)

2) (廈門工學(xué)院電子信息工程系,廈門 361024)

3) (廈門大學(xué)物理學(xué)系,半導(dǎo)體光子學(xué)研究中心,廈門 361005)

1 引 言

隨著COMS工藝尺寸的不斷減小,Ge材料由于具有比硅更高的電子和空穴遷移率、在光纖通信波段具有更大的吸收系數(shù)以及更低的工藝處理溫度,成為極具應(yīng)用前景的材料之一,受到人們的廣泛關(guān)注[1,2].目前,高性能Ge p-MOSFET的研究已經(jīng)取得了不錯的進(jìn)展,然而Ge n-MOSFET性能的提升仍存在許多問題[3-5],如隨著器件的源/漏接觸面積不斷縮小,源/漏的接觸電阻增大,器件性能下降[6-8].此外,金屬與鍺低比接觸電阻率的歐姆接觸較難實現(xiàn),這主要是由兩方面決定的: 一方面,金屬與鍺的接觸存在強(qiáng)烈的費(fèi)米釘扎效應(yīng),導(dǎo)致大的電子勢壘高度[9]; 另一方面,由于n型雜質(zhì)在Ge中具有較大的擴(kuò)散系數(shù)(與摻雜濃度正相關(guān))以及較低的雜質(zhì)固溶度,使得在Ge中實現(xiàn)高摻雜濃度、界面陡峭以及低擴(kuò)散深度的n型摻雜十分困難.結(jié)合離子注入和后退火工藝是實現(xiàn)Ge中n型摻雜的常用手段,然而要在Ge中獲得高激活濃度n型摻雜的同時,雜質(zhì)的擴(kuò)散深度也要盡可能小,此時就需要一種退火時間短(減小雜質(zhì)擴(kuò)散)以及退火溫度高(激活雜質(zhì)離子)的退火技術(shù).相比于其他退火技術(shù),如常規(guī)熱退火[10]、快速熱退火[11]、快閃燈照退火[12]、微波退火[13]等,脈沖激光退火技術(shù)擁有獨(dú)特的優(yōu)勢[14]: 首先,退火時間極短,只有幾十納秒,使得雜質(zhì)的擴(kuò)散深度減小,雜質(zhì)的損失也減小; 其次,脈沖激光退火過程是一個亞穩(wěn)態(tài)的熱處理過程,故允許摻雜濃度超過雜質(zhì)在半導(dǎo)體中的固溶度極限; 再次,退火溫度很高,一般可以達(dá)到半導(dǎo)體材料的熔點(diǎn),有利于雜質(zhì)的激活; 最后,可對特定區(qū)域進(jìn)行退火處理,忽略對周圍區(qū)域的影響.這些優(yōu)勢使得脈沖激光退火技術(shù)成為一種實現(xiàn)Ge中高激活濃度n型摻雜、低擴(kuò)散深度以及雜質(zhì)損失少的有效退火方法[15].

目前,結(jié)合離子注入和激光退火技術(shù)在Ge中實現(xiàn)激活濃度大于1020cm-3的n型摻雜,已有許多文獻(xiàn)報道[16,17],且激光退火還可有效修復(fù)離子注入損傷,減小器件的暗電流.但是,實現(xiàn)高性能Ge n+/p結(jié)二極管以及高激活濃度的n+Ge,通常需要較大的離子注入劑量以及激光退火能量,而較大的激光退火能量將導(dǎo)致雜質(zhì)在Ge中擴(kuò)散深度加大,不利于Ge中n型淺結(jié)的制備,限制了其在器件中的應(yīng)用[18-20].

本文采用低溫預(yù)退火處理注磷鍺樣品,在保證雜質(zhì)幾乎不發(fā)生擴(kuò)散的同時,初步修復(fù)注入損傷,而后再脈沖激光退火.采用低溫預(yù)退火與脈沖激光退火的兩步退火工藝,降低了雜質(zhì)在Ge中的擴(kuò)散深度,提高了Ge中雜質(zhì)激活濃度,并提升了金屬與鍺的歐姆接觸以及Ge n+/p結(jié)二極管的性能.結(jié)合離子注入和兩步退火工藝,Al/n+Ge歐姆接觸的比接觸電阻率降至2.61×10-6Ω·cm2,Ge n+/p結(jié)二極管在±1 V的整流比提高到8.3×107.

2 實 驗

本實驗采用電阻率為0.088 Ω·cm,厚度為500 μm的p-Ge(100)晶片作為襯底材料,其過程可分為三個步驟.第一步,首先對襯底依次進(jìn)行丙酮和乙醇超聲清洗,冷去離子水沖洗干凈后再用冷去離子水超聲清洗3遍,然后浸泡HF∶H2O=1∶50約15 s,去除Ge表面氧化物,接著冷去離子水沖洗干凈,氮?dú)獯蹈? 而后,用PECVD在清洗后的襯底表面沉積15 nm SiO2,再在注入能量為30 keV,注入劑量為5×1014cm-2條件下注入磷離子(P+),離子注入后用濃度適中的氫氟酸去除樣品表面的SiO2.第二步,對注磷p-Ge樣品進(jìn)行不同條件的退火處理,形成n+-Ge層; 低溫預(yù)退火采用的是N2氣環(huán)境下快速熱退火工藝,而脈沖激光退火(ELA)是用248 nm波長KrF準(zhǔn)分子激光器以不同能量密度的脈沖激光對注磷Ge樣品在N2氣環(huán)境下進(jìn)行掃描退火,脈沖激光光斑為面積4 mm×3 mm的矩形光斑,激光分別沿著X軸和Y軸對樣品進(jìn)行單脈沖掃描.第三步,將不同條件退火后的樣品經(jīng)圖1所示工藝制備得到Ge n+/p結(jié)二極管,二極管的金相顯微鏡俯視圖如圖1最后一步所示,并通過測試它們的I-V特性曲線,分析p-n結(jié)特性; 同時,采用光刻、濺射以及腐蝕等工藝,制備Al/n+-Ge的歐姆接觸,并采用了圓點(diǎn)傳輸線模型(CTLM)來計算得到歐姆接觸的比接觸電阻率.

3 結(jié)果與分析

首先固定脈沖激光退火能量密度為150 mJ/cm2,改變低溫預(yù)退火的溫度和退火時間,制備不同退火條件下的Ge n+/p結(jié)二極管,并測試二極管的I-V特性曲線.預(yù)退火溫度的選擇依據(jù)是在保證雜質(zhì)不發(fā)生明顯擴(kuò)散的情況下能夠一定程度修復(fù)離子注入損傷,根據(jù)文獻(xiàn)報道[21-23],選擇的溫度范圍為從350 ℃變化至450 ℃,具體退火條件及相應(yīng)的樣品編號如表1所示.樣品R1至R4的p-n結(jié)二極管I-V特性測試曲線如圖2所示,從圖2中抽取得到它們的理想因子和整流比如表1所示.測試結(jié)果表明: 4種樣品中,樣品R2二極管的理想因子最小、反向漏電最小以及整流比最大,這說明400 ℃-10 min條件下的低溫預(yù)退火效果最好.對比樣品R2和R3,僅低溫預(yù)退火的時間不同,樣品R2二極管的性能明顯更好,說明在相同預(yù)退火溫度下,退火時間不能太長,盡管低溫退火雜質(zhì)擴(kuò)散非常小,但是由于離子注入深度很淺,雜質(zhì)離子主要分布在靠近表面很薄的一層Ge中,長時間的低溫退火仍然會有較多雜質(zhì)向外擴(kuò)散[23],造成較大的雜質(zhì)損失,影響二極管的性能.此外,對比樣品R1和R2二極管的I-V曲線,2種二極管正向電流相差不大,但是在-1 V時R2樣品的反向漏電流比R1樣品約小了一個數(shù)量級,說明低溫預(yù)退火溫度越高越有利于注入損傷的修復(fù),從而減小二極管的反向漏電.但是低溫預(yù)退火溫度又不能太高,如樣品R4,當(dāng)?shù)蜏仡A(yù)退火溫度達(dá)到450 ℃時,盡管有利于離子注入損傷的修復(fù),但這個溫度下退火可能造成的雜質(zhì)外擴(kuò)散損失比樣品R3還要多[23],故二極管的性能最差.

表1 不同退火條件下Ge n+/p結(jié)二極管的整流比和理想因子Table 1.Rectification ratio and ideality factor of Ge n+/p junction diodes under different annealing conditions.

圖2 150 mJ/cm2激光能量密度不同預(yù)退火條件下p-n結(jié)二極管的I-V特性曲線Fig.2.Room temperature I-V characteristics of Ge n+/p junction diode formed by ELA with one pulse at 150 mJ/cm2 with different pre-annealing conditions.

而后改變脈沖激光退火能量密度(100,150,200,250 mJ/cm2),分別基于兩步退火法和單獨(dú)激光退火制備了兩組Al/n+-Ge的歐姆接觸,兩步退火法中的低溫預(yù)退火溫度和時間定為400 ℃-10 min.本文采用圓形傳輸線模型(CTLM),通過測試不同圓環(huán)間距的I-V特性,擬合計算得到Al/n+-Ge歐姆接觸的比接觸電阻率隨退火條件的變化情況(圖3).從圖3中可以看到,樣品單獨(dú)在100 mJ/cm2激光退火后,由于其測得的I-V特性曲線不是直線(未在此處顯示),表明該條件下無法得到Al與Ge的歐姆接觸,說明此退火條件下不能很好地修復(fù)離子注入損傷以及激活雜質(zhì)離子; 而結(jié)合了低溫預(yù)退火后,可得到Al/n+-Ge歐姆接觸的比接觸電阻率為3.44×10-4Ω·cm2.結(jié)合低溫預(yù)退火,提高激光退火能量為150 mJ/cm2時,得到的Al/n+-Ge接觸的比接觸電阻率最低,約為2.61×10-6Ω·cm2,比單獨(dú)采用脈沖激光退火樣品的比接觸電阻率(4.48×10-5Ω·cm2)降低了一個多數(shù)量級.此外,從圖3中還可以看到,兩步退火法可得到比單獨(dú)激光退火更低的比接觸電阻率,而低的比接觸電阻率對應(yīng)高的摻雜濃度.為了得到雜質(zhì)的擴(kuò)散深度以及激活濃度,對樣品進(jìn)行二次離子質(zhì)譜(SIMS)以及擴(kuò)展電阻探針(SRP)測試[17],結(jié)果發(fā)現(xiàn),離子注入樣品經(jīng)過兩步退火后,磷在Ge中的擴(kuò)散深度明顯比單獨(dú)采用脈沖激光退火后要小很多,說明低溫預(yù)退火可降低脈沖激光退火時雜質(zhì)在Ge中的擴(kuò)散系數(shù),更容易在Ge中獲得更小雜質(zhì)擴(kuò)散深度的n型摻雜.擴(kuò)展電阻探針測試可以得到磷的最大激活濃度為6×1019cm-3[17],比采用傳統(tǒng)退火方式獲得的雜質(zhì)激活濃度高好幾倍[10],這說明控制調(diào)整離子注入條件以及激光退火能量密度,結(jié)合低溫預(yù)退火和激光退火的兩步退火法是實現(xiàn)鍺中實現(xiàn)高激活濃度、低擴(kuò)散深度的n型摻雜的一種有效途徑.

圖3 Al/n+-Ge接觸的比接觸電阻率隨不同退火條件的變化曲線,內(nèi)插圖是CTLM結(jié)構(gòu)的俯視圖Fig.3.Change of specific contact resistivity of Al/n+-Ge extracted by CTLM with different annealing conditions.The inset shows the CTLM schematic structure (top view).

圖4 (a) 不同退火條件下Ge n+/p結(jié)二極管的I-V特性曲線; (b) Ge n+/p結(jié)二極管的整流比隨退火條件變化曲線Fig.4.(a) Room temperature I-V characteristics of Ge n+/p junction diode; (b) rectification ratio of Ge n+/p junction diodes formed by ELA with or without pre-annealing at 400 ℃-10 min.

圖4(a)所示為不同退火條件下的Ge n+/p結(jié)二極管的I-V特性曲線,計算抽取得到它們的整流比(@±1 V),如圖4(b)所示.結(jié)果表明,當(dāng)脈沖激光能量密度小于等于150 mJ/cm2時,低溫預(yù)退火對I-V特性的影響作用十分明顯,經(jīng)過兩步退火法制備得到的二極管性能比單獨(dú)激光退火后制備的二極管性能要好得多; 而當(dāng)脈沖激光能量密度大于等于200 mJ/cm2時,低溫預(yù)退火對二極管I-V特性的影響減弱.這是因為Ge中注入的雜質(zhì)離子在兩步退火過程中的擴(kuò)散主要發(fā)生在脈沖激光退火過程中,擴(kuò)散深度由Ge層熔化深度決定,Ge中低能量離子注入后,損傷區(qū)域非常薄,低溫預(yù)退火可部分修復(fù)離子注入損傷,提高Ge的晶體質(zhì)量,在低能量密度激光退火時,Ge層熔化深度較淺,低溫預(yù)退火對熔化深度的影響較為明顯,而當(dāng)激光退火能量密度較大時,Ge層熔化深度較深,此時低溫預(yù)退火作用可以忽略不計.此外,在400 ℃-10 min的低溫預(yù)退火外加150 mJ/cm2的脈沖激光退火的退火條件下,制備得到超高性能的Ge n+/p結(jié)二極管,整流比高達(dá)8.35×106,相比于未經(jīng)低溫預(yù)退火處理得到的PN結(jié)二極管,整流比提高了約兩個數(shù)量級,且二極管的理想因子僅為1.07,說明正向電流以擴(kuò)散電流為主,PN結(jié)勢壘區(qū)中產(chǎn)生復(fù)合中心很少,缺陷很少,離子注入損傷得到有效修復(fù).通過高分辨投射電鏡測試分析[17],發(fā)現(xiàn)p-Ge經(jīng)過磷離子注入后形成了約15 nm左右的注入損傷區(qū),經(jīng)400 ℃-10 min的低溫預(yù)退火后,注入損傷區(qū)的損傷得到了初步修復(fù),但仍然存在一些殘余的注入損傷,再經(jīng)過150 mJ/cm2激光退火后,殘余注入損傷得到了良好的修復(fù),樣品中幾乎看不到明顯缺陷的存在,這更直觀說明結(jié)合低溫預(yù)退火和激光退火的兩步退火法可有效修復(fù)Ge中的離子注入損傷.

4 結(jié) 論

本文進(jìn)行了p-Ge襯底中磷離子注入后,采用兩步退火工藝對其退火處理的研究,即先低溫預(yù)退火,初步修復(fù)注入損傷,而后再經(jīng)過脈沖激光退火,進(jìn)一步修復(fù)注入損傷以及激活雜質(zhì)離子,在此基礎(chǔ)上制備了Al/n+Ge的歐姆接觸以及Ge n+/p結(jié)二極管.I-V特性和SIMS,SRP,TEM等測試的結(jié)果表明: 樣品先低溫預(yù)退火,可降低脈沖激光退火時鍺中雜質(zhì)的擴(kuò)散深度,提高雜質(zhì)激活濃度,Al/n+Ge歐姆接觸的比接觸電阻率降至2.61×10-6Ω·cm2,Ge n+/p結(jié)二極管在±1 V的整流比提高到8.35×106,歐姆接觸及二極管性能均得到了顯著提升.結(jié)合低溫預(yù)退火和脈沖激光退火的兩步退火法有望運(yùn)用在高性能Ge n-MOSFET以及其他Ge器件中.