許金鈴，陳城釗，詹鎮(zhèn)業(yè)，陳佳儀，王久川，曾錦城，陳景樂

韓山師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，廣東 潮州 521041

鍺(Ge)材料由于具有高的電子和空穴遷移率，而且在通信波段有較高的吸收系數(shù)，近年來基于Ge 材料的高速微電子及光電器件受到了廣泛關(guān)注[1-3]．目前，體鍺單晶材料的工業(yè)制備工藝臻于成熟，為鍺相關(guān)器件的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)．此外，Ge材料的工藝與成熟的Si CMOS工藝基本兼容，因此鍺器件在硅基光電集成方面的應(yīng)用是非常有吸引力的．對(duì)于鍺光電器件的制備，材料摻雜仍是一個(gè)關(guān)鍵問題，其中原位摻雜和離子注入是Ge材料常用的兩種摻雜手段．原位摻雜雖然引入的位錯(cuò)比離子注入的低，但是原位摻雜對(duì)生長(zhǎng)的條件要求比較苛刻，不易獲得高摻雜濃度，且不易形成平整的表面；對(duì)于離子注入方法，如何在鍺中形成高的n型雜質(zhì)激活濃度及n型淺結(jié)，同時(shí)避免摻雜損耗仍是目前研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)．

近年來，實(shí)驗(yàn)上也通過采取不同的退火激活條件來改善摻雜原子的擴(kuò)散問題[4-6]．目前對(duì)于n型摻雜原子的激活，主要有兩種退火方式：快速熱退火及激光退火．由于激光退火的退火時(shí)間很短，只有幾個(gè)納秒，因此摻雜雜質(zhì)的擴(kuò)散得到了有效的控制，能形成很淺的結(jié)深．新加坡的Jidong Huang等人[7]和韓國(guó)的Sungho Heo小組[8]都采用激光退火實(shí)現(xiàn)了n+/p-Ge淺結(jié)，其中Sungho Heo等人通過低能PH3等離子注入，結(jié)合KrF準(zhǔn)分子激光退火，在Ge中實(shí)現(xiàn)了超淺的n+/p結(jié)，結(jié)深僅為15 nm．盡管擴(kuò)散問題通過激光退火方式能夠得到改善，但由于激光能量不均勻，使不同區(qū)域的激活效果存在差異性，因此激光退火比較適合小范圍的摻雜激活．本文主要研究離子注入砷(As)在體鍺(Ge)片中的摻雜擴(kuò)散及快速熱退火激活的情況．

1 試驗(yàn)部分

1.1 樣品制備

注入樣品為Ge (100)晶片，電阻率為1.1～1.3 Ω·cm．注入前先用PECVD在Ge表面生長(zhǎng)一薄層SiO2，約15 nm，作為注入保護(hù)層．砷離子注入能量為17 keV，注入劑量為4×1015cm-2，注入時(shí)離子束偏離樣品表面7 °，以減小溝道效應(yīng)．已離子注入的Ge片在退火前，先將注入時(shí)表層的SiO2用稀釋HF腐蝕掉，重新用PECVD在不同樣品表面分別生長(zhǎng)150 nm的SiO2，以防止退火過程中Ge表面被氧化以及摻雜離子從樣品表面擴(kuò)散出去，待退火完成后再去除．三組樣品分別標(biāo)記為樣品組A，B和C，每組樣品都進(jìn)行RTA退火，退火溫度分別為650，675和700 ℃，對(duì)應(yīng)退火時(shí)間分別為8，5和3 s．

1.2 測(cè)試方法

采用JobinYvon Horiba HR800型微區(qū)Raman光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，激發(fā)光源為488 nm的Ar+激光．測(cè)試在室溫下進(jìn)行，拉曼散射峰位通過洛倫茲擬合獲得．分別對(duì)樣品A，B和C進(jìn)行二次離子質(zhì)譜(SIMS)分析，得到各自的As濃度分布．通過擴(kuò)展電阻測(cè)試(SRP)和四探針測(cè)試，獲得樣品的載流子濃度和方塊電阻．

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 Raman分析

圖 1為未注入、As注入和退火As注入Ge襯底的拉曼光譜．圖1 (a)為各樣品的Raman測(cè)試結(jié)果，從圖1(a)可見，單晶Ge-Ge峰位于300 cm-1處．圖1 (b)是注入前后Ge片的拉曼譜，從圖1 (b)可以明顯看出，剛注入的樣品出現(xiàn)了非晶Ge的信號(hào)峰，約在270 cm-1處，說明砷注入對(duì)Ge晶格產(chǎn)生了嚴(yán)重的損傷，在表層注入?yún)^(qū)，Ge材料已變成了非晶體．圖1(c)為三組樣品測(cè)得的單晶Ge峰半高寬，從圖1(c)可見：經(jīng)過RTA退火后，單晶Ge峰重新出現(xiàn)，表明晶格損傷已基本完成修復(fù)；在經(jīng)過650 ℃ 退火后，Ge峰半高寬僅為4.84 cm-1，說明注入引起的損傷已基本消除，晶體質(zhì)量已恢復(fù)到注入前的狀態(tài)．

圖1 未注入、As注入和退火砷注入Ge襯底的拉曼光譜 (a)各樣品的Raman光譜圖；(b) As離子注入前后樣品的Raman圖；(c)單晶Ge峰的半高寬隨退火的變化Fig.1 Raman spectra of unimplanted, as-implanted, and annealed arsenic-implanted Ge substrates(a) raman spectra of three kinds of samples；(b) raman spectra of unimplanted and as-implanted Ge substrates；(c) FWHM of the Ge peak of raman spectra of as-implanted and annealed arsenic-implanted Ge substrates VS annealing temperatures

2.2 SIMS和SRP分析

圖2為Ge片注入As+未退火及經(jīng)不同條件退火后的SIMS圖(a)和SRP圖(b)，其中圖2(a)為Ge片中注入As+離子后未退火及經(jīng)過不同條件退火后的SIMS圖，圖2(b)為利用擴(kuò)展電阻剖面分步法測(cè)到的退火后三個(gè)樣品的載流子濃度縱向分布圖．從圖2(a)可以看到，剛注入樣品的砷濃度峰值為6.93×1020cm-3．當(dāng)退火溫度從650 ℃增加到700 ℃時(shí)，在近表面處逐漸出現(xiàn)更高的擴(kuò)散As濃度分布，說明此處As的擴(kuò)散明顯增強(qiáng)，同時(shí)擴(kuò)散尾部的濃度值也變大了，擴(kuò)散不斷深入Ge內(nèi)部，不過700 ℃退火的樣品，其n-i結(jié)的界線更為陡峭．另外，根據(jù)SIMS測(cè)試曲線，得到退火后三個(gè)樣品的結(jié)深Xj(一般指As濃度降低到1×1018cm-3的位置)分別為180，230和260 nm．在距表面300 nm之下砷濃度值均低于1×1017cm-3，已基本滿足PIN器件n型摻雜的要求．從圖2(b)可以看到，跟與SIMS的結(jié)果相對(duì)應(yīng)，當(dāng)退火溫度從650 ℃增加到700 ℃時(shí)，在近表面200 nm處出現(xiàn)高達(dá)3.14×1019cm-3的擴(kuò)散As濃度分布，說明溫度升高，樣品中As的擴(kuò)散明顯增強(qiáng)，同時(shí)擴(kuò)散不斷深入Ge內(nèi)部，得到了很好的熱激活．

圖2 Ge片注入As+未退火及經(jīng)不同條件退火后的SIMS圖(a)和SRP圖(b)Fig.2 SIMS(a) and SRP(b) depth profiles of the as-implanted and annealed arsenic-implanted Ge substrates

2.3 方塊電阻分析

圖3為利用四探針測(cè)試得到的樣品的方塊電阻，其中0 ℃對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表示未注入和已注入未退火樣品的方塊電阻值．從圖3可以看到，離子注入和退火對(duì)樣品的方塊電阻有明顯的影響，說明注入及退火過程中樣品的電學(xué)特性發(fā)生了變化．注入前Ge片方塊電阻約為151.9 Ω/sq，注入后方塊電阻增大到163.4 Ω/sq．這主要是由于離子注入對(duì)Ge晶格造成損傷，在內(nèi)部形成大量缺陷，使材料遷移率減小，從而導(dǎo)致注入后的Ge片方塊電阻變大．退火后，當(dāng)退火溫度從650 ℃增加到700 ℃時(shí)，Ge的方塊電阻從108.8 Ω/sq逐漸降低到74.4 Ω/sq和63.1 Ω/sq．這是由于退火后砷離子被激活，使載流子濃度增加；另一方面，退火修復(fù)了注入的晶格損傷，這兩個(gè)因素都促使電阻逐漸降低．

圖3 Ge片注入As+離子后方塊電阻隨退火溫度的變化情況Fig.3 The sheet resistance of unimplanted, as-implanted, and annealed arsenic-implanted Ge substrates

3 結(jié) 論

在Ge襯底中進(jìn)行了砷離子注入后，采用快速退火工藝對(duì)其進(jìn)行退火處理．主要研究了離子注入As在Ge襯底中的擴(kuò)散和激活情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用離子注入和快速熱退火處理可以獲得優(yōu)質(zhì)的n型鍺材料，快速退火能修復(fù)離子注入損傷以及激活雜質(zhì)離子，其中在700 ℃和3 s退火條件下，樣品中電學(xué)載流子濃度約為3.14×1019cm-3，方塊電阻為63.5 Ω/sq．