ZnO界面层与氩等离子体协同降低金属-Ge接触电阻：实现n-Ge上欧姆Al接触

摘要

本文系统研究引入薄ZnO界面层（IL）的n-Ge金属-绝缘体-半导体（MIS）接触，以抑制金属/Ge界面费米能级钉扎（FLP）。观测到ZnO与n-Ge间0.22 eV适度导带偏移，配合界面层显著降低接触电阻（R_c），优于无ZnO器件。氩（Ar）等离子体处理ZnO进一步通过增加氧空位（V_o）浓度（作为n型掺杂剂）增强R_c降低。载浓3×10¹⁶ cm⁻³ n-Ge上实现Al/ZnO/n-Ge欧姆行为。重掺杂n⁺-Ge（P⁺注入）经Ar等离子体处理ZnO后，比接触电阻率达2.86×10⁻⁵ Ω·cm²。

研究背景

锗因载流子迁移率优于硅，成为先进MOSFET首选候选。尽管应变Ge沟道、表面钝化、源漏接触进展推动超缩放Ge p-FinFET超越Si对应器件，但n沟道Ge器件仍受困于界面质量差、n型掺杂激活受限、强FLP导致大多数金属于n-Ge上肖特基势垒高达~0.5 eV。

插入TiO₂或ZnO等薄界面层可通过阻隔金属诱导间隙态（MIGS）去钉扎费米能级。ZnO尤具吸引力：与Ge导带偏移小，可实现更薄耗尽区、潜在更低R_c，优于正偏移的TiO₂。且ZnO易通过氧空位（V_o) n型掺杂，进一步减小耗尽宽度。常规氮退火造空位易致互扩散与掺杂迁移，需低温法。

本工作探索原子层沉积（ALD）生长ZnO界面层缓解FLP，考察Ar等离子体处理对Al/ZnO/n-Ge接触电阻的影响。

方法

轻掺杂（~3×10¹⁶ cm⁻³）与重掺杂n-Ge(001)晶片制备金属接触。后者经30 keV P⁺注入（1×10¹⁵ cm⁻²）+600°C、60 s快速热退火制得。去离子水稀HCl清洗后转入ALD腔（Beneq TSF-200），150°C用DEZn与H₂O前驱体沉积ZnO。考察1、2、3 nm三种厚度，椭偏仪（SE）验厚。Al接触溅射光刻剥离成型。部分ZnO膜经Ar等离子体处理（50 W，60 sccm，45 s）。圆形传输线法（CTLM）提取接触电阻；暴露ZnO全蚀刻隔离器件。Keithley 4200 SCS电学测量。高分辨透射电镜（HRTEM）、X射线光电子能谱（XPS）、UV-Vis光谱（PerkinElmer LAMBDA 950）表征结构化学与ZnO带隙。

结果与讨论

Al/ZnO/n-Ge材料表征

图1展示体ZnO、ZnO/Ge界面、纯Ge XPS价带谱，得价带偏移（VBO）2.33 eV。结合ZnO带隙3.21 eV（图2a），ZnO/Ge导带偏移（CBO）为0.22 eV（图2b），确证有效抑制FLP。HRTEM（图3）显示均匀非晶3 nm ZnO层共形覆盖Al与Ge表面，沉积温度150°C下形成薄GeO_x界面层（<3 nm）。

Ar等离子体处理增加氧空位密度，XPS O 1s峰向低结合能偀移（图4）佐证。空位富集降低Al/ZnO界面隧穿势垒与串联电阻，直接降低R_c。等离子体后VBO降低0.05 eV（图5），CBO变0.17 eV，进一步缓解FLP。

Al/ZnO/n-Ge接触电学性能

电流-电压测量（图6a）显示：无ZnO的Al/n-Ge器件因FLP呈整流行为；Al/ZnO/n-Ge器件反向电流改善、势垒高度降低。2 nm ZnO平衡MIGS抑制与串联电阻，性能最优。Ar等离子体处理2 nm ZnO增强正/反向电流（图6b），确证空位掺杂作用。

Al/2 nm ZnO/n-Ge在一系列等离子体曝光时间（15–60 s）均呈欧姆行为。总电阻R_tot随等离子体时长递减，45 s后比接触电阻率达3.66×10⁻³ Ω·cm²（图8）。Ge沟道方阻不变，表明等离子体选择性掺杂ZnO而非Ge衬底。

重掺杂n⁺-Ge上，Al/2 nm ZnO接触（等离子体45 s）展现优异欧姆特性（图9）。提取方阻64 Ω/□，比接触电阻率2.86×10⁻⁵ Ω·cm²，超越Ni/GeSn、Ni/Ge、Ti/TiO₂/GeO₂/Ge等已报道金属/Ge接触。优势归因于薄高掺杂ZnO界面层与FLP减弱。

结论

薄ZnO界面层有效去钉扎Al/ZnO/n-Ge结构费米能级，XPS带对齐确证。Ar等离子体进一步增加氧空位浓度，增强ZnO n型掺杂，大幅降低接触电阻。等离子体50 W、45 s处理ZnO后，轻/重掺杂n-Ge均实现欧姆Al接触，比电阻率分别为3.66×10⁻³ Ω·cm²（n-Ge）与2.86×10⁻⁵ Ω·cm²（n⁺-Ge）。

缩略语

ALD

原子层沉积

CBO

导带偏移

CTLM

圆形传输线法

FLP

费米能级钉扎

MIGS

金属诱导间隙态

VBO

价带偏移

XPS

X射线光电子能谱