1 nm Al 插入層調(diào)節(jié) NiGe/n-Ge 肖特基勢(shì)壘*

丁華俊 薛忠營(yíng) 魏星 張波

(中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所,高端硅基材料與器件實(shí)驗(yàn)室,上海 200050)

通過(guò)引入1 nm 鋁作為插入層,研究了鋁在調(diào)制鎳與n 型鍺反應(yīng)時(shí)對(duì)鎳化鍺與n 型鍺接觸的肖特基勢(shì)壘高度的影響.采用正向 I-V 法、Cheung 法和 Norde 法分別提取了鎳化鍺與n 型鍺接觸的肖特基二極管的串聯(lián)電阻、勢(shì)壘高度和理想因子.研究表明,在鎳和鍺襯底之間引入1 nm 鋁插入層,能夠有效降低勢(shì)壘高度,且其能夠在 350 ℃—450 ℃ 保持穩(wěn)定.

1 引言

隨著超大規(guī)模集成電路發(fā)展到納米節(jié)點(diǎn),硅(Si)材料逼近其物理極限,短溝道效應(yīng)、隧穿效應(yīng)等對(duì)器件性能的影響愈發(fā)嚴(yán)重.為了維持摩爾定律,需要新材料、新工藝和新結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)晶體管尺寸的進(jìn)一步縮小.鍺(Ge)由于具有超高的電子和空穴遷移率被認(rèn)為是下一代高遷移率互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductors,CMOS)器件中具有前景的溝道材料[1,2].Ge 價(jià)帶附近的費(fèi)米能級(jí)釘扎增加了通過(guò)選擇具有不同功函數(shù)的金屬來(lái)調(diào)節(jié)金屬和鍺之間的勢(shì)壘高度的難度,這也是實(shí)現(xiàn)高性能鍺基CMOS 器件的主要挑戰(zhàn)之一[3].國(guó)內(nèi)外學(xué)者均提出使用插入層來(lái)調(diào)節(jié)金屬與Ge 接觸勢(shì)壘高度.Jason等[4]提出使用二氧化鈦界面層降低金屬與n 型Ge 接觸的肖特基勢(shì)壘高度,增加電流密度.Lieten等[5]提出使用氮化鍺作為界面層抑制金屬與n 型Ge 接觸的費(fèi)米能級(jí)釘扎,可以在n 型Ge 上形成歐姆接觸,在p 型Ge 上形成整流接觸.Liu等[6]提出氟化石墨烯中間層能夠有效地緩解鈦與n 型Ge 接觸的肖特基二極管(Schottky barrier diode,SBD)中費(fèi)米能級(jí)釘扎的現(xiàn)象,并且其勢(shì)壘高度與偏置電壓無(wú)關(guān).Kobayashi等[7]提出使用氮化硅界面層能調(diào)制金屬與n 型Ge 接觸的肖特基勢(shì)壘高度.Lin等[8]提出使用超薄氧化鋁界面層來(lái)調(diào)制金屬與n 型Ge 接觸的肖特基勢(shì)壘高度,可以降低接觸電阻.

在傳統(tǒng)的體硅工藝中,自對(duì)準(zhǔn)硅化物可用于源/漏接觸和局部互連,自對(duì)準(zhǔn)鍺化物可應(yīng)用于鍺基器件的制造,鎳化鍺 (NiGe)具有低電阻率、低形成溫度和兼容自對(duì)準(zhǔn)工藝,是最有潛力的候選材料之一,但是,NiGe 因?yàn)闊岱€(wěn)定性較差,在高溫下會(huì)嚴(yán)重影響器件的性能[9,10].目前,國(guó)際上大多使用金屬插入層來(lái)提高NiGe 熱穩(wěn)定性,比如使用Ti[11]等.

本文提出使用超薄的鋁(Al)插入層調(diào)制NiGe/n-Ge SBD,基于熱離子發(fā)射模型,采用正向I-V法,Cheung 的方法和 Norde 的方法提取肖特基勢(shì)壘參數(shù),結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)1 nm Al 調(diào)制后的NiGe/n-Ge SBD 的肖特基勢(shì)壘高度有所降低,在 350—450 ℃ 保持穩(wěn)定.

2 實(shí)驗(yàn)

本文采用電阻率為0.05—0.25 Ω·cm 的 n 型(110) Ge 片作為襯底,首先使用循環(huán)稀釋的氫氟酸 (VHF:=1:100)清洗Ge 片,去除表面原生氧化層.再用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積在 Ge 上長(zhǎng)100 nm 的二氧化硅作為隔離層,接著光刻出圖形,用四氟化碳刻蝕暴露的二氧化硅,用電子束蒸發(fā)依次蒸鍍 1 nm Al 和 10 nm Ni,金屬剝離工藝去除不在圖形內(nèi)的的金屬,在 350—450 ℃下以99.999%高純氮?dú)鉃闅夥湛焖贌嵬嘶?30 s,再用稀鹽酸溶液(VHCl:=1:10)去除未反應(yīng)的 Ni,接著按照?qǐng)D形進(jìn)行二次光刻,用電子束蒸發(fā)蒸鍍 150 nm Al 作為電極.圖1 是Ni/Al/Ge SBD 樣品的結(jié)構(gòu)圖和光鏡圖.I-V測(cè)量使用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀(KEITHLEY4200) 在 300 K 的黑暗條件下進(jìn)行.

圖1 帶有 1 nm Al 中間層的 Ni/Ge SBD 結(jié)構(gòu)圖與光鏡圖Fig.1.Structure and light microscopy of Ni/Ge SBD with 1 nm Al interlayer.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2 是Ni/Al/Ge SBD 在400 ℃退火后的透射電鏡圖(transmission electron microscopy,TEM)和X 射線(xiàn)能譜(energy dispersive spectroscopy,EDS).從圖2 中可以發(fā)現(xiàn),在使用1 nm Al 插入層調(diào)制后,生成了約26 nm 厚的Ni,Ge 原子比為1∶1 的單一的NiGe 相薄膜,此時(shí)的NiGe 薄膜連續(xù)且均勻,NiGe 薄膜與Ge 襯底界面平整.

圖2 Ni/Al/Ge 在 400 ℃ 條件下的 (a) TEM 圖;(b) EDS圖Fig.2.(a) TEM image of Ni/Al/Ge at 400 ℃;(b) EDS image of Ni/Al/Ge at 400 ℃.

圖3 顯示了Ni/Ge,Ni/Al(1 nm)/Ge 兩種SBDs在 350—450 ℃下的I-V特性.兩種肖特基二極管都有明顯的整流特性,正向偏置電流的線(xiàn)性區(qū)域表明電流滿(mǎn)足熱離子發(fā)射模型.

圖3 SBD的 I-V 特性 (a) Ni/Ge;(b) Ni/Al/GeFig.3.I-V characteristics of SBD: (a) Ni/Ge;(b) Ni/Al/Ge.

根據(jù)熱離子發(fā)射模型,可以確定 SBD 正向偏置電流I為[12,13]

其中,q為電子電荷;V為外加偏置電壓;k為玻爾茲曼常數(shù);T是絕對(duì)溫度;Rs 是串聯(lián)電阻;n為理想因子;飽和電流I0可以從lnI與(V-I)的曲線(xiàn)在V=0 時(shí)獲得,I0為

其中,A為接觸的有效面積;A**是理查德常數(shù),對(duì)于n型 Ge 來(lái)說(shuō)約等于50 A·cm—2·K—2;?B為肖特基勢(shì)壘,

理想因子n由正向偏置 lnI與V曲線(xiàn)的線(xiàn)性區(qū)域的斜率確定,

Ni/Ge SBD 的肖特基勢(shì)壘高度?B和理想因子n在 350 ℃ 的時(shí)候分別為0.38 eV 和 1.41,在400 ℃ 的時(shí)候分別為0.38 eV 和 1.04,在 450 ℃的時(shí)候分別為0.36 eV 和 0.92;Ni/Al/Ge SBD 的肖特基勢(shì)壘高度?B和理想因子n在 350 ℃ 的時(shí)候分別為0.35 eV 和 1.3,在 400 ℃ 的時(shí)候分別為0.35 eV 和 0.85,在 450 ℃ 的時(shí)候分別為0.32 eV和 1.54.SBD 的理想因子接近1,說(shuō)明該結(jié)果接近于理想情況.Ni/Al/Ge SBD 的理想因子比 Ni/Ge SBD 的略大,這可能歸因于各種影響,包括施加電壓的增加導(dǎo)致擴(kuò)散電流的增加[14],在耗盡區(qū)產(chǎn)生復(fù)合過(guò)程[15],串聯(lián)電阻Rs 的存在[16],或者是隧穿過(guò)程的影響[17].由結(jié)果可知 Ni/Al/Ge SBD 的肖特基勢(shì)壘高度低于 Ni/Ge SBD,這一點(diǎn)在后面討論.

NiGe/Ge 在450 ℃和Ni/Al/Ge 在400 ℃時(shí)提取的理想因子均小于1,可能是俄歇復(fù)合效應(yīng)和正向I-V法選用的是偏低壓的原因,從而對(duì)于理想因子的計(jì)算產(chǎn)生影響.

串聯(lián)電阻RS、肖特基勢(shì)壘高度?B和理想因子n通過(guò)Cheung 的方法由正向偏置I-V數(shù)據(jù)計(jì)算得到,用Cheung 的方法表示含有RS的肖特基接觸正向I-V特性的函數(shù)為[18]

圖4 是 Ni/Ge,Ni/Al/Ge SBDs 的dV/d lnI與I的變化曲線(xiàn),RS和n分別由斜率和y軸截距得到.結(jié)果表明,Ni/Ge SBD 的RS和理想因子n在350 ℃ 的時(shí)候分別為38.71 Ω 和1.06,在400 ℃的時(shí)候分別為37.51 Ω 和1.07,在 450 ℃的時(shí)候分別為82.89 Ω 和1.13;Ni/Al/Ge SBD的RS和理想因子n在 350 ℃的時(shí)候分別為197.17 Ω 和 1.55,在 400 ℃ 的時(shí)候分別為147.64 Ω 和 1.34,在 450 ℃的時(shí)候分別為296.77 Ω 和 1.81.圖5 是 Ni/Ge,Ni/Al/Ge SBDs的H(I)與I的變化曲線(xiàn),RS可以由該圖斜率得到,?B可以由y軸截距和前面得到的n計(jì)算得到.結(jié)果表明,Ni/Ge SBD 的RS和肖特基勢(shì)壘高度?B在 350 ℃分別為43.43 Ω 和 0.35 eV,在 400 ℃分別為39.42 Ω 和 0.33 eV,在450 ℃分別為78.71 Ω 和 0.3 eV;Ni/Al/Ge SBD 的RS和肖特基勢(shì)壘高度?B在 350 ℃ 分別為211.58 Ω 和0.23 eV,在 400 ℃分別為138.58 Ω 和 0.25 eV,在 450 ℃分別為252.07 Ω 和 0.17 eV.由此可知,使用 1 nm Al 插入層可以降低肖特基勢(shì)壘高度,但也引入了一定的電阻.

圖4 SBDs 的 dV/dlnI 與 I 的變化曲線(xiàn) (a) Ni/Ge;(b) Ni/Al/GeFig.4.Variation curves of dV/dlnI vs.I for SBDs: (a) Ni/Ge;(b) Ni/Al/Ge.

圖5 SBDs 的 H(I )與 I 的變化曲線(xiàn) (a) Ni/Ge;(b) Ni/Al/GeFig.5.H(I ) vs. I curves of SBDs: (a) Ni/Ge;(b) Ni/Al/Ge.

另一種提取肖特基參數(shù)RS和?B的方法是Norde 的方法,Norde 函數(shù)定義為[19]

這里,γ是大于理想系數(shù)的任意整數(shù)常數(shù),?B和RS可以定義為

其中,F(Vmin)和Vmin是曲線(xiàn)F(V)得到的,Imin為電壓Vmin處的電流值,n為理想因子.

圖6為Ni/Ge,Ni/Al/Ge SBDs 的F(V)與V的變化曲線(xiàn),由公式計(jì)算得到的 Ni/Ge SBD 的RS和肖特基勢(shì)壘高度?B在 350 ℃ 時(shí)分別為44.52 Ω和 0.48 eV,在 400 ℃ 時(shí)分別為46.86 Ω 和 0.46 eV,在 450 ℃ 時(shí)分別為110.72 Ω 和0.42 eV;Ni/Al/Ge SBD的RS和肖特基勢(shì)壘高度?B在350 ℃ 時(shí)分別為367.23 Ω 和0.39 eV,在 400 ℃ 時(shí)分別為122.67 Ω和 0.39 eV,在 450 ℃時(shí)分別為150.56 Ω 和 0.34 eV.如表1 所示,利用Norde 的方法得到的與其他方法得到的肖特基勢(shì)壘高度存在差異,這種差異可能是因?yàn)槠骷c理想熱離子偏差有關(guān)[20],而且,Norde方法可能不適用理想因子高的整流結(jié),這與熱離子發(fā)射相悖[21];也可能是由于對(duì)正向偏置I-V圖不同區(qū)域的提取所致,在研究中,正向I-V方法使用了正向I-V特性的低壓部分,Cheung 的方法使用了正向I-V特性中的高壓部分,而 Norde 方法則考慮了整個(gè)正向I-V數(shù)據(jù).

表1 不同方法提取的 Ni/Ge 和 Ni/Al/Ge SBDs 的肖特基勢(shì)壘參數(shù)Table 1.Schottky barrier parameters of Ni/Ge and Ni/Al/Ge SBDs extracted by different methods.

圖6 SBDs 的 F(V)與 V 的變化曲線(xiàn) (a) Ni/Ge;(b) Ni/Al/GeFig.6.Variation curves of F(V) vs.V for SBDs: (a) Ni/Ge;(b) Ni/Al/Ge.

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)討論

4.1 1 nm Al 插入層調(diào)制 Ni 與 Ge 的固相反應(yīng)

在沒(méi)有 Al 插入層的情況下,Ni 與 Ge 襯底在150 ℃ 退火就開(kāi)始發(fā)生固相反應(yīng),生成 Ni5Ge3,在250—600 ℃ 退火溫度區(qū)間內(nèi),NiGe 是唯一的相,在 350 ℃以上退火,NiGe 表面發(fā)生團(tuán)聚效應(yīng),導(dǎo)致 NiGe 薄膜不連續(xù)[22,23].在有超薄 Al 插入層的情況下(圖2),在使用1 nm Al 插入層調(diào)制后,此時(shí)的NiGe 薄膜連續(xù)均勻,生成了單一的NiGe相位.一方面,Al 層可能會(huì)減少 NiGe 的生長(zhǎng)速率,調(diào)制Ni 擴(kuò)散進(jìn)入 NiGe/Ge 界面的速率,導(dǎo)致 NiGe 晶粒生成較大的尺寸,就像 Ni-Al-Si 系統(tǒng)中通過(guò) Al插入層調(diào)制形成外延 NiSi 層一樣[24];另一方面,Al插入層可能減少了 NiGe 晶粒的吉布斯自由能,或者改變了晶界結(jié)構(gòu)從而提高了熱穩(wěn)定性,因?yàn)榫Ы缃缑婺艿臏p小是晶界處發(fā)生團(tuán)聚的驅(qū)動(dòng)力[25].

結(jié)合 TEM 和 EDS 測(cè)試結(jié)果,發(fā)現(xiàn) Al 從插入層轉(zhuǎn)變?yōu)榱松w帽層.Marshall[26]利用鎢標(biāo)記物研究Ni-Ge 體系中的擴(kuò)散元素,他們確定Ni為Ni2Ge相中的擴(kuò)散元素,所以Ni 通過(guò)擴(kuò)散在Al中間層下形成鎳鍺化物,退火后,大部分 Al 原子從原始層間向表面擴(kuò)散,形成氧化混合層.根據(jù)之前的研究[24,27],使用 Al 插入層用來(lái)調(diào)節(jié) Ni 與 Si,Ni 與 SiGe 的固相反應(yīng),不僅能夠獲得外延生長(zhǎng)的硅鎳與鍺硅鎳薄膜,也都發(fā)現(xiàn)了 Al 插入層的“層轉(zhuǎn)移”現(xiàn)象.

4.2 1 nm Al 插入層降低了 Ni/n-Ge 的肖特基勢(shì)壘高度

在對(duì)兩種肖特基二極管的I-V特性經(jīng)過(guò)正向I-V法,Cheung 法和Norde 法處理后,發(fā)現(xiàn)使用1 nm Al 插入層降低了 Ni/n-Ge SBD 的肖特基勢(shì)壘高度,這可以從四個(gè)方面考慮.

1) 在具有共價(jià)鍵的半導(dǎo)體表面,通常會(huì)存在許多未配對(duì)電子的原子,稱(chēng)為懸空鍵,因?yàn)镚e 表面存在許多懸空鍵,所以其表面態(tài)密度大[5].Ohta等[28]報(bào)道了Al/GeO2的O 會(huì)從GeO2向Al 移動(dòng)并且在界面處形成Al—Ge 鍵,同時(shí)也觀察到了Ge表面費(fèi)米能量的變化.由此可以猜測(cè),使用 Al 插入層減少了 Ge 表面懸空鍵數(shù)量,降低了 Ge 表面態(tài)密度,從而有利于降低肖特基勢(shì)壘高度.2) Liew等[29]報(bào)道了使用退火后能與鍺形成金屬鍺化物金屬/Ge 的肖特基接觸可以調(diào)制肖特基勢(shì)壘高度,因?yàn)殒N與金屬熱反應(yīng)形成埋藏界面,可以極大地調(diào)節(jié)界面條件.由于鍺化物/鍺界面是由原子擴(kuò)散和反應(yīng)形成的,且Al 可以調(diào)節(jié) Ni 與 Ge 的固相反應(yīng),由圖2 可知,在 400 ℃ 下形成了晶粒連續(xù)的NiGe薄膜,NiGe/Ge 界面平整,Al 也從插入層變成蓋帽層,因此,可望形成一個(gè)“干凈”的界面,并修復(fù)金屬沉積過(guò)程中可能造成的損傷.3) Richter 和Hiebl[30]報(bào)道了 Al 原子在 NiSi2中可增加 NiSi2的晶格常數(shù),從而使得 NiSi2和 Si 襯底完全匹配.在本研究小組的樣品中,雖然 Al 原子含量很少,但是Al 原子的存在可能會(huì)改變 NiGe 晶格常數(shù)的大小,使得NiGe 和襯底 Ge 的晶格常數(shù)正好符合,從而減少了 NiGe/Ge 接觸界面因?yàn)榫Ц癫贿B續(xù)產(chǎn)生的界面態(tài),降低肖特基勢(shì)壘高度.4) Sinha等[31]報(bào)道了在NiSiGe/SiGe 肖特基結(jié)中通過(guò)離子注入引入Al 原子,會(huì)使得Al 在NiSiGe/SiGe 界面處偏析,因?yàn)锳l 原子在界面處引入了電偶極子,導(dǎo)致界面處產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng),使得肖特基勢(shì)壘寬度降低.實(shí)驗(yàn)中,大部分Al 原子在退火后由中間插入層轉(zhuǎn)移到表面作為蓋帽層,預(yù)計(jì)也有少量Al 原子可能存在NiGe/Ge 界面,起到調(diào)制肖特基勢(shì)壘的作用.

4.3 1 nm Al 插入層增加了 Ni/n-Ge 的串聯(lián)電阻

通過(guò)dV/dlnI,H(I),Norde 的方法獲得的串聯(lián)電阻可知,在350—450℃下,有1 nm Al 插入層的Ni/n-Ge SBD 引入了一定的電阻.NiGe 通常用于n 型Ge 上的低電阻接觸,NiGe/Ge 的電流密度通常為8.9 × 10—3A/cm2,Al/Ge 的電流密度為5.5 × 10—4A/cm2[5].Ghosh等[32]報(bào)道 Al/Ge 的接觸電阻會(huì)隨著Al 的厚度而變化,當(dāng)120 nm 厚的Al 淀積在Ge 形成約 150 nm 的Al/Ge 層時(shí),350 ℃退火后的頂層區(qū)域的薄層電阻率為1.5 Ω/m,研磨至裸露Ge 表面時(shí),薄層電阻率可達(dá)600 Ω/m.在本實(shí)驗(yàn)中,使用的是1 nm Al 作為Ni/n-Ge 的插入層,Al 對(duì)NiGe/Ge 界面的調(diào)制減少了界面態(tài),降低了肖特基勢(shì)壘高度,但1 nm Al 與Ge 的相互擴(kuò)散或許是Ni/n-Ge SBD 串聯(lián)電阻增大的主要因素.

5 結(jié)論

本文詳細(xì)研究了Al 插入層對(duì)NiGe/n-Ge 接觸中電學(xué)特性的影響,包括串聯(lián)電阻、肖特基勢(shì)壘高度和理想因子等.研究結(jié)果表明,1 nm Al 插入層調(diào)節(jié)后能有效降低 NiGe/n-Ge SBD 的肖特基勢(shì)壘高度.在Al 元素的調(diào)制Ni-Ge 反應(yīng)過(guò)程中,Al 由插入層變?yōu)樯w帽層.該研究結(jié)果對(duì)未來(lái) Ge基 MOSFET 源漏接觸方面具有一定的參考意義.