脉冲激光诱导金属与锗反应接触界面微结构改性及杂质输运机理研究

The Improvement of germanium (Ge) doping level and achievement of good ohmic contact are the key technologies to realize high performance silicon-based Ge devices, which has a great significance to the development of Si-based high speed optoelectronic integration. In this project, applicants aim to study Interface microstructure modification of metal/Ge contact and impurity transportation by combining theoretical modeling and experimental analysis when metal/implanted-Ge interacts induced by pulsed laser. Low resistance ohmic contact of metal/Ge and shallow junction doping in Ge are the goal. The main research proposals are as follows: (1) the heat transport theory will be modeled in metal/Ge during a nanosecond pulse laser annealing. The mechanism of impurity transportation and activation will be proposed combined with the analysis of metal and Ge atom’s diffusion behavior, strain and defect’s evolution. (2) the mechanisms of laser induced metal germanide formation texture evolution and Interface microstructure modification of metal/Ge contact will be detailed. The modulation mechanism of interface microstructure modification on barrier height will be analyzed. (3) A ohmic contact with low specific contact resistivity of metal/Ge and high activation concentration doping with shallow junction in Ge will be achieved at the same time by laser annealing. The influence mechanism of traditional post-annealing process on metal-semiconductor contact and doping in Ge will be also proposed. Through this project, it will not only provide a renew sense on the mechanisms of metal/Ge ohmic contact as well as impurity transportation and activation, it also will provide a useful guidance on the achievement of super low contact resistance and ultra shallow junction of source-drain in Ge. It will have an important basic science research value.

提高锗中掺杂水平及实现金属与锗良好欧姆接触是高性能硅基锗器件中的关键技术，对硅基高速光电集成的发展意义重大。本项目采用理论建模与实验分析相结合的方式，研究脉冲激光诱导金属与锗反应接触界面微结构改性及杂质输运机理，实现低阻欧姆接触以及锗中浅结掺杂。主要研究内容包括：（1）构建脉冲激光诱导金属与锗反应热输运理论，结合金属与锗原子扩散行为以及应力与缺陷演变规律的分析，揭示杂质输运与激活机制；（2）阐明激光诱导金属锗化物形成织构演变与界面微结构改性机理，深入剖析界面微结构改性对接触势垒高度的调控机制；（3）同时实现金属锗化物与锗低比接触电阻率的欧姆接触及锗中高激活浓度浅结掺杂，并揭示后退火工艺对接触与掺杂稳定性的影响机理。本项目的研究不仅将对金属与锗欧姆接触及杂质输运与激活机制产生新的认识，而且为超低阻源漏接触以及超浅结源漏的实现提供新思路，具有较为重要的基础科学研究价值。

金属与锗低比接触电阻率的欧姆接触以及锗中高激活浓度浅结的掺杂作为实现高性能锗器件的关键工艺技术和重要挑战，是当前国际上研究硅基光电集成的热点方向之一。针对该问题，本课题提出采用纳秒脉冲激光诱导金属与离子注入锗反应的方式，其核心思想是：脉冲激光诱导金属与离子注入锗反应，通过界面微结构改性调制金属锗化物与锗接触势垒高度，同时激活注入杂质离子，修复缺陷损伤，获得金属锗化物与锗低比接触电阻率的欧姆接触以及锗中高激活浓度浅结掺杂，并实现超低阻源漏接触以及超浅结源漏。. 本课题采用理论建模结合实验分析，开展纳秒脉冲激光诱导金属锗化物形成织构演变、应力与缺陷演变、杂质输运与激活等机理的研究，构建脉冲激光诱导金属与锗反应热输运理论和混合共掺理论，揭示了杂质输运与激活机制，阐明了激光诱导金属锗化物形成织构演变与界面微结构改性机理，最终同时实现了金属锗化物与锗低比接触电阻率的欧姆接触（1.85e-8 Ω•cm2）以及锗中高激活浓度掺杂（4.7e20/cm3），且杂质的扩散深度小于20nm，并应用于PN结二极管中，提高了器件的性能。. 本课题同时利用了离子注入、脉冲激光退火、金属与锗反应等技术的优点，但为了获得平整连续的金属锗化物薄膜及其与锗良好的接触，这在一定程度上对脉冲激光有着严格的要求，需要激光光斑能量分布均匀，光斑大小为长方形或正方形，这有利于实验可重复性的提升。目前针对这个问题，有研究小组提出采用特制的光栅结构拟获得规则均匀的脉冲光斑，取得了一定的效果，但仍有许多未解决的问题。此外，由于纳秒脉冲激光与金属/Ge结构材料相互作用的时间非常短，涉及到非平衡状态下的激光光场分布、瞬时能量传递、瞬时材料特性等方面，需采用一些更加先进的技术来进一步精确分析这种超快的过程，从而继续深入剖析脉冲激光诱导金属与锗反应的微观过程，获得更加普适的理论和实验结果。