钴镍与多晶锗硅的固相反应和肖特基接触特性
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1 引言
近年来，多晶锗硅(poly-Si1-xGex)及其器件的研究引起了较多关注。在集成电路某些应用中，它有可能是比多晶硅更好的选择 [1-7]。高掺杂poly-Si1-xGex具有可变的功函数，用作亚微米MOS晶体管的栅极，能同时实现PMOS和NMOS表面沟道器件[8]。poly-Si1-xGex的淀积、结晶和杂质激活温度均比poly-Si低[9]，适合于在低成本的大面积玻璃衬底上制作薄膜晶体管(TFT)。通常，poly-Si1-xGex采用化学气相淀积法制备。如低压化学气相淀积[10]、等离子体增强化学气相淀积[11]等。利用物理淀积方法，如溅射[12-16]和蒸发[17]，淀积非晶锗硅，再结晶得到poly-Si1-xGex，是一种简便、经济和环保的方法[18]。
在器件应用中，金属与锗硅及其反应产物与锗硅形成良好的肖特基或者欧姆接触是十分重要的。为了弄清物相生成和金属/锗硅反应特性，人们已经进行了一些研究[19]。由于金属/锗硅反应的复杂性，制备陡峭、均匀的硅化物/锗硅界面比硅化物/硅界面要困难[20]。至今，金属Pt、Pd、Ni、Ti、W、Zr、Ir、Co同单晶Si1-xGex的固相反应和接触特性，已有了较多的研究结果[21-28,31]。而对金属/多晶锗硅的界面反应和接触特性的研究尚少。研究表明，Pt和Ti可在多晶锗硅(poly-Si0.8Ge0.2)上形成良好的整流接触[29]。本文研究离子束溅射制备的poly-Si1-xGex薄膜，在快速热退火(RTA)条件下，与钴和镍的固相反应，以及退火温度对肖特基接触特性的影响。
2 实验
实验用的衬底是n-Si(100)和氧化层厚度为500nm的氧化片，n-Si的电阻率为2~5W·cm。标准RCA清洗后，样片立即装入本底真空度为7.0×10-5Pa的Oxford离子束溅射仪中。溅射时，通入99.999%高纯Ar气作为离子源气体。靶采用高阻Si片，表面用导电胶粘帖少量Ge片。在5.0×10-3Pa的气压下淀积Si1-xGex，淀积速率为2nm/min，膜厚为300nm。溅射后的Si1-xGex薄膜，用稀的HF漂洗片刻以除去自然氧化层；放入热扩散炉进行磷掺杂，扩散源为液态POCl3，扩散温度为650℃，扩散时间为40min。扩散后片子用稀的HF漂洗，去离子水冲洗。以带孔的钼版作掩模版，在n-poly-Si1-xGex/n-Si样品表面分别溅射Co和Ni，形成直径约为1mm的圆点状的肖特基正面电极，厚度约为60nm。n-poly-Si1-xGex/SiO2样品表面，不用掩模板，分别淀积Co、Ni。所有样品背面用电子束蒸发约800nm厚的Al作为背电极。淀积完成后，部分样品置于KST-2型卤钨灯RTA系统中, 在高纯氮气保护下, 分别在300、400、500和600℃进行RTA处理，退火时间为1min。用四探针法测得掺磷后样品n-poly-Si1-xGex/SiO2的方块电阻为6.3~9.7MW/□。由霍尔测试得到n-poly-Si1-xGex/SiO2的迁移率为18~25cm2/V·s，载流子浓度为6~6.5×1015cm-3。由俄歇电子谱(AES)确定n-poly-Si1-xGex薄膜的锗含量为16%。用X射线衍射（XRD）表征了Co/n-poly-Si1-xGex/SiO2从300~1000℃以及Ni/n-poly-Si1-xGex/SiO2从300~600℃的物相随退火温度的变化。用室温I-V曲线拟合得到表观势垒高度﹑理想因子和串联电阻。
3 结果与讨论
3.1 结构表征
图1是Co/n-poly-Si0.84Ge0.16/SiO2 1min退火（300~1000℃）后的XRD图，图2是 Ni /n-poly-Si0.84Ge0.16 /SiO2 1min退火（300~600℃）后的XRD图。
由图1可见，300~400℃退火，样品出现衬底的Si(200)、Co(111)以及Si1-xGex的衍射峰，表明Co/n-poly-Si0.84Ge0.16基本上没有反应。Si1-xGex中的x值，除由AES测定外，还可通过Vegard公式计算得到。即
（1-x）aSi + x aGe= aSi1-yGey (1)
式中，aSi =5.4307 牛琣Ge=5.6579 牛直鹗枪韬驼嗟木Ц癯Ｊ籥Si1-xGex是锗硅的晶格常数，由Si0.84Ge0.16（111）峰对应的晶面间距求出。计算结果与AES测量结果一致。600℃退火，Co(Si1-yGey)(210)衍射峰最强 ；表明Co(Si1-yGey)是含量占优势的物相。Co与分子束外延制备的poly-Si1-xGex反应也有类似的结果[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。这里y<x，说明Co(Si1-yGey)中Ge的比例比Si1-xGex中的小，即Ge出现了分凝。退火温度升至700 ℃，该峰的2q 值向增大的方向位移，对应于晶面间距变小；亦即晶格常数变小。原因是Ge从物相Co(Si1-yGey)中分凝出去；并且，退火温度越高，分凝出来的Ge越多；直到875℃，Ge完全从Co(Si1-yGey)分凝完毕，Co(Si1-yGey)变成CoSi；同时，通过反应CoSi+Si→CoSi2，薄膜中生成较多的CoSi2。图1中，875 ℃以上退火，出现较强的CoSi2 (111) 和CoSi2 (220)衍射峰。由于CoSi2是低阻相，所以用四探针仪测量样品时，会发现薄层电阻快速下降。当900℃以上退火时，薄膜表层有少量的Co2N和Co3O4生成。这是因为退火系统是开放式的，总会混入少量的氧气。这些物相变化引起Co、Si、Ge、O元素的重新分布，由AES测试结果可证实。
图2是Ni/n-poly-Si0.84Ge0.16从300~600℃ RTA的XRD谱。400℃以下，除了衬底的Si(200)衍射峰，还出现了Ni(111)和Si1-xGex的衍射峰，说明两者反应很弱，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。与Co/Si0.84Ge0.16反应不同的是，600℃退火， Ge没有分凝，这与样品的AES测试结果相符。需要指出，Ni与CVD淀积的poly-Si1-xGex之间的反应，不高于600℃，Ge也没有发生分凝[32]。
3.2 I-V特性
如果载流子唯一的输运过程为热电子发射，并考虑串联电阻影响时，肖特基结的I-V关系为[33]，
其中，S为电极面积；A* 为有效Richardson常数；T为绝对温度；kB为Boltzmann常数；q为电子电荷；Fb为表观势垒高度；n为理想因子；Rs为串联电阻。图3和图4分别是肖特基二极管Co/n-poly-Si0.84Ge0.16和Ni/n-poly-Si0.84Ge0.16在不同退火条件下的I-V曲线。
在0~1V的电压范围，对Log I-V曲线进行拟合，得到Fb、n和Rs的表观值。在不同退火温度下，每个样片取25个管子进行测试，得到Fb、n和Rs表观值列于表1。可以看出，Ni/n-poly-Si0.84Ge0.16和Co/n-poly-Si0.84Ge0.16的势垒高度接近，并且在300~600℃ RTA条件下基本保持恒定。Ge的含量很少，所起的作用可以忽略。理想因子的波动范围较大，预示接触界面是不均匀的。我们认为，这种不均匀性与多晶界面的无序、缺陷、晶粒间界以及锗分凝引入的界面态有关。
4 结论
应用离子束溅射技术淀积非晶Si1-xGex薄膜，热扩散使之转变为n-poly-Si1-xGex，研究了Co、Ni与其固相反应和接触特性。利用XRD、I-V测试对物相及接触特性进行了表征。经600℃退火，两种金属与Si1-xGex薄膜反应生成三元相。600℃以上退火，Ge从Co(Si1-yGey) 相分凝，并且分凝量随退火温度升高而增加，三元相逐渐转变为Co-Si二元相。I-V测试结果表明，两样品的势垒高度接近，并且300~600℃范围内基本上不随退火温度变化，说明退火温度对肖特基势垒高度没有显著影响。
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