（凝聚态物理专业论文）应变si载流子散射机制及特性研究.pdf

摘要 摘要 应变s i 材料迁移率高、能带结构可调，且其应用与s i 工艺兼容，是当前国内 外关注的研究发展重点，在高速高性能器件和电路中有广阔的应用前景。载流子 散射机制是深入研究应变s i 载流子迁移率增强，发展高速高性能器件和电路的重 要理论基础。目前，有关应变s i 载流子散射机制的理论研究鲜有报道，基于应变 s i 材料物理机制，系统研究其载流子散射机制有重要理论意义和应用价值。 本论文首先分析了应变s i 形成机制，并获得了应变s i 载流子散射几率研究所 需物理参数。然后从载流子散射的量子力学理论出发，分析研究了应变s i 载流子 各主要散射机制，包括离化杂质散射、晶格散射( 声学声子散射和非极性光学声 子散射) 、谷间声子散射并建立了相应的散射几率物理模型。最后，对载流子各种 散射机制的散射几率与能量e 在g e 组分变化时的关系进行了m a t l a b 仿真分析。 仿真结果表明，与弛豫s i 相比，应变s i 电子、空穴总散射几率均显著减小。此外， 相同g e 组分下应变s i 电子总散射几率随能量的增加而减小，而空穴总散射几率 随能量的增加而增大。 本文所得各机制散射几率模型数据量化，可为应变s i 材料物理属性的深入理 解及器件性能增强的研究提供重要理论依据。 关键词：应变s i散射机制散射模型 a b s t r a c t a b s t r a c t s t r a i n e ds ih a st h eb r o a dp r o s p e c t si nh i g h - s p e e d l l i 曲一p e r f o r m a n c ed e v i c e sa n d c i r c u i t sf o ri t sa d v a n t a g e so fh i 曲m o b i l i t y , a d j u s t a b l eb a n ds t r u c t u r ea n db e e n c o m p a t i b l ew i t hs ip r o c e s s i t sa i li m p o r t a n tr e s e a r c ha r e ao fc o n c e l t la th o m ea n d a b r o a d t h es c a t t e r i n gm e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i co fs t r a i n e ds i l i c o ni st h et h e o r e t i c a l b a s i sf o rt h ei n - d e p t hs t u d yo fs t r a i n e ds ic a r t i e rm o b i l i t ye n h a n c e m e n t t i l ln o w , t h e r e a r el i t t l ep a p e r sa b o u ti t b a s eo nt h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo fs t r a i n e ds i ，t h i st h e s i s m a i n l ys t u d yt h es c a t t e r i n gm e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i co fs t r a i n e ds i l i c o n t h i st h e s i sf i r s ta n a l y z e st h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fs is t r a i n ，t h u sp a r a m e t e r s ， n e c e s s a r yt og e ts c a t t e r i n gp r o b a b i l i t y ，a l eo b t a i n e d t h e n ，w i t ht h ea n a l y s i so ft h e q u a n t u mm e c h a n i c sf u n d a m e n to fs c a t t e r i n gm e c h a n i s m ，t h i st h e s i ss t u d i e st h em a i n s c a t t e r i n gm e c h a n i s m si n s is t r a i n ，s u c ha si o n i z e di m p u r i t ys c a t t e r i n g ，a c o u s t i c a l p h o n o ns c a t t e r i n g ，o p t i cp h o n o ns c a t t e r i n ga n di n t e r - v a l l e yp h o n o ns c a t t e r i n g ，a n d b u i l d st h e c o r r e s p o n d i n gs c a t t e r i n gm o d e l s f i n a l l y , u s i n gt h e s ec o r r e s p o n d i n g s c a t t e r i n gm o d e l s ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ne n e r g ye ，g ec o n c e n t r a t i o na n dt h e p r o b a b i l i t i e si so b t a i n e d t h em o d e l sh a v eb e e ns i m u l a t e db ym a t l a ba n da l lr e s u l t sa r e p r e s e n t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t hn o n s t r a i n e ds i l i c o n ，t h et o t a ls c a t t e r i n g p r o b a b i l i t i e sa b o u te l e c t r o n i c sa n d h o l eo fs t r a i n e ds i l i c o nw e r es i g n i f i c a n t l yr e d u c e d i n a d d i t i o n ，w i t ht h es f l _ t l l eg ec o n c e n t r a t i o n , t h et o t a ls c a t t e r i n gp r o b a b i l i t ya b o u t e l e c t r o n i c so fs t r a i n e ds i l i c o nd e c r e a s e sw i t h i n c r e a s i n ge n e r g y , w h i l et h et o t a l s c a t t e r i n gp r o b a b i l i t ya b o u t t h eh o l eo fs t r a i n e ds i l i c o ni n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n ge n e r g y t h es c a t t e r i n gm e c h a n i s mp r o b a b i l i t ym o d e l so b t a i n e di nt h i st h e s i sc o u l dp r o v i d e i m p o r t a n t t h e o r e t i c a lb a s e sf o rb o t ht h eu n d e r s t a n d i n go ft h es is t r a i np h y s i c a l p r o p e r t i e sa n d t h ed e v i c ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t s k e y w o r d s ：s t r a i n e ds is c a t t e r i n gm e c h a n i s ms c a t t e r i n gm o d e l 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指 导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所 罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得 西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 日期l 坠与l 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的 复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影 印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰 写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 第一章绪论 第一章绪论 弛豫s i 微电子技术在集成电路产业中发挥着重要的作用，但是随着科技的发 展，它也面临着物理与工艺极限的挑战。为了延续摩尔定律，未来的s i 基微电子技 术必将是在传统s i 工艺技术基础上，综合多种先进技术而形成的新的技术体系，当 前应变s i 技术是高速高性能半导体器件和集成电路重要的研究领域和发展方向。 本章首先简要介绍应变s i 研究背景与意义，然后简述其国内外研究现状，最 后引出本论文的主要研究内容。 1 1 研究背景与意义 近5 0 年集成电路的发展是技术推动和市场牵引相结合的结果。5 0 年的发展史 实质上是一部科学技术创新并将它转化为生产力的历史。目前，国际上技术处于 前沿的i n t e l 公司于2 0 0 6 年宣布完成4 5i l i ac p u 的开发，与6 5n m 技术相比可以 将晶体管集成密度提高约2 倍，晶体管的开关功耗降低3 0 ，开关速度提高2 0 ， 源漏泄漏功耗降低5 倍，栅泄漏功耗降低1 0 倍。根据i t r sr o a d m a p 预测【lj ，传统 的m o s 器件在采用新结构、引入新材料的前提下能够发展到2 0 2 0 年的1 4n n l 技 术代，其物理沟道长度为6n l l l ，光刻栅长度为9n n l 。 信息技术的不断发展对微电子技术以及集成电路产业提出了更高的要求。特 征尺寸的不断缩小一直是c m o s 器件性能提高的主要途径，但是随着器件尺寸进 入纳米量级，器件尺寸的进一步缩小将面临着许多挑战。如：纳米器件中短沟效 应、强场效应、量子效应、寄生效应、参数涨落等对器件泄漏电流、亚阈斜率、 饱和电流等性能的影响愈来愈突出，进而严重影响到电路的速度和功耗等方面的 性能，器件进一步缩小受到来自于器件结构、材料以及工作机制等诸多方面的严 重限制，常规的体s i c m o s 技术不再适用，必须针对功耗、密度、性能提高、工 艺集成等方面的问题，在器件结构、材料选用、加工技术以及器件机制等方面寻 求突破【2 1 。 应变s i 技术被认为是实际应用中一项极具吸引力的技术【3 】【s 】。不仅因为它有良 好的性能，而且应变s i 工艺不需要额外的步骤和设备，其制造技术与成熟的s i i 艺 相兼容，易于在目前的制造工艺中加以应用。该技术的出现对利用强大而成熟的 s i 技术、推动高速高性能集成电路的发展带来了新的生机，为解决上述问题提供 了一个可行的方向【9 】。应变s i m o s 器件的优势主要体现在载流子的迁移率、跨导 和电流驱动等方面。应变s i 技术通过在s i 中引入应变使能带发生分裂，引起载流子 2 应变s i 载流子散射机制及特性研究 重新分布导致载流子电导率有效质量减小并降低了能谷间散射，从而有效地增 强了载流子的迁移率，因此应变s i 技术受到了越来越多的关注【1 0 1 4 】。 应变s i 技术能使电子的迁移率提高到1 0 0 以上而空穴的则可高达6 5 0 如图1 1 所示。 审 三 2 耋 吾 j 喜 盖 田1i 应变s i 技术f 电子和空穴迁移率的提高 目前，s i 基应变技术的研究方向大致分为两类。一类研究主要集中于电子和 空穴传输的物理机制，即器件性能增强机理，包括能带结构分析、迁移率横型等。 另一荚则是应用研究，主要包括s i 基应变器件和电路的工艺技术问题，以及器 件应力引入方法等问题。本文的工作主要集中于研究应变s i 材料的教射特性，它 是载流子迁移率增强的主要因素之一。 i2 国内外研究现状 1 9 0 0 年，p l a n c k 提出了量子理论，1 9 0 5 和1 9 1 5 年，e i n s t e i n 分别提出狭义相对 论和广义相对论，从而揭示了微观世界物理的基本规律，其后由h e i s e n b e r g 和 s c h r & l i n g e r 建立了量子力学体系。2 0 世纪3 0 年代建立的现代物理学成为现代电子信 息技术革命的基础，也是集成电路科学技术发展的理论基础。2 i 世纪是微电子技 术走向纳电子的时代，预计2 1 世纪3 0 年代将引发信息科学技术革命性的变革。 如果说2 0 世纪3 0 年代微电予科学技术的理论基础是量子论与能带论，技术 的驱动力是小型化，从而导致1 9 4 7 年晶体管的发明和1 9 5 8 年集成电路的发明 那么2 1 世纪3 0 年代纳米科学技术和纳米电子学理论将足信息科学技术的理论基 础而技术驱动力在于低功耗、高性能和系统集成。纳米t 艺和s o c ( s y s t e m o n c h i p ，集成系统芯片) 将足蛀活跃的两个领域。 早在卜蛙纪八十年代，在s i 卜的失配s i g e 外延层生蚝技术的发展使。些关键 的在s i g e 异质结上关于能带对准的技术成为可能。神1 9 8 5 年德国摹尼黑 t e c h n i s c h eu n i v e r s i t y 的a b s t r e i t e r 证明了生长在弛豫或拧部分弛豫的s “g e ；台金 一idi|5jju：lu 第一章绪论 3 上的张应变s i 形成了电子限制t y p e i i 能带偏移【l4 1 。除观测到二维电子气，a b s t r e i t e r 基于s h u b n i k o v d eh a a s 和回旋加速共振试验确定了被破坏的六重简并的导带分 裂成2 重( 垂直于平面) 低能量能谷和4 重( 平行于平面) 高能量能谷。 到了九十年代初期，由于外延缓冲s i g e 层质量的提高，得到的应变s i 的电子 迁移率也有了显著的提高。在1 9 9 1 年，通过运用高温下的成分的渐变，a t & tb e l l 实验室的f i t z g e r a l d 降低了在应变s i 调制掺杂结构中的有源区中的位错密度，从 1 0 8 降到1 0 6 c m 2 ，把4 k2 d e g 迁移率从1 9 0 0 0c m 2 s 提高到9 6 0 0 0 c m 2 v s 15 1 。 f i t z g e r a l d 还提出了应变s i 的概念。在1 9 9 2 年的国际电子器件大会( i e d m ) 上，一个 来自斯坦福大学的研究小组证明了利用s i 0 2 栅的应变s i 表面沟道n m o s 可以 展示比体s i - n m o s 高7 0 的有效迁移率【1 6 j 。在1 9 9 3 年，u c l a 和a e r o s p a c e 组 织的n a y a k 发表了关于提高了有效迁移率( 仃) 的应变s i p m o s 的论文u 7 1 。n a y a k 充分论述了应力导致分裂成的重空穴( h h ) 和轻空穴( l h ) 退化可以被用来制作高有 效迁移率的p m o s 。n a y a k 的应交s i p m o s 取得了5 0 的迁移率提高。 九十年代中后期，由于工艺技术的提高，应变s i 的研制工作得到了充分的发 展。在1 9 9 5 年的i e d m 上，来自斯坦福的r i m 发表了一篇关于应变对空穴迁移率 的影响的论文【l 引。r i m 发现与电子相比，空穴迁移率提高不饱和，并且在s i l x g e x 中，当g e 组分x = 0 1 - 0 3 时按线性增加。电子与空穴迁移率增加不同在于由于应 变的作用导致低的价带分裂速率和双轴张力改变了价带的形状，而导带的形状没 改变。在1 9 9 6 年，n a y a k 在东京大学发表了另一份关于应变s i p m o s 的论文。 此时，室温最高迁移率提高4 0 。1 9 9 8 年实现应变s i 的形势变得非常明朗。来 自斯坦福大学小组的r i m 在i e d m 上提交了一篇论文，论证了在短沟道应变 s i - n m o s 中有4 5 的跨导提高【1 9 】。与先前的报道关于长沟道应变s i 器件的不同， r i m 的器件栅长为0 1 岬，为了抑制短沟道效应而做了侧面掺杂。由于沟道里的高 掺杂密度，这些短沟道器件在很高的有效电场下( e 。曲工作。r i m 观测到n 沟道迁 移率比一起处理的体s i 器件提高了7 5 ，证明了在应变s i 反型层中迁移率提高与 垂直方向的电场无关。在r i m 发表论文不久，n e w c a s t l e 大学的o n e i l l 也发表 了在0 1 5 岬应变s i - n m o s 上很高的跨导的实验结果。 进入2 1 世纪以后，应变s i 的器件研制有了大幅度的进步。在2 0 0 0 年v l s i 技 术讨论会上，来自t o s h i b a 的m i z t m o 发表了在绝缘衬底上的应变s i m o s 的n 沟 道和p 沟道迁移率分别提高了6 0 和3 0 2 0 j 。为了寻找提高传输和减少s o i 衬 底上的寄生效应之间的最好结合，这个小组用了化合物渐变和氧注入分离( s i m o x ) 的结合来形成在隐埋氧化物上的瓯。g ，层。 在2 0 0 0 年，h 6 c k ，实证了空穴迁移率提高因子是4 5 的异质结构p m o s 。 此双异质结构是在5 n m 应变s i 帽层上生长弛豫瓯5 2 g p 。朋，再生长一层瓯。，g 8 3 形成应变沟道【2 。h 6 c k 的器件取得了室温载流子有效迁移率最高为7 6 0c m 2 v s 的 4 应变s i 载流子散射机制及特性研究 成果。h 6 c k 的结果证明埋层和表面沟道的混合传导可以导致非常高的载流子有 效迁移率。 2 0 0 1 年i b m 、m i t 和t o s h i b a 三家公司都发表了运用s g o i ( s i g eo ni n s u l a t o r ) 技术制作应变s i 的论文【2 2 卜1 2 4 。在2 0 0 2 年的s y m p o s i u mo nv l s it e c h n o l o g y 上， 来自i b m 的r i m 报道了他们研制的短沟道应变s i m o s 结构的一些情况1 25 。r i m 提高s i 化物和冠状掺杂模式来获得具有良好器件特性的短沟道n m o s 和l 提高 了1 5 。p m o s 的l 提高了7 一1 0 ，这个表明生长在瓯，g ：。上的应变s i 中的空穴迁移率提高在e 斫= 1 0 m v c m 下减小到0 。在同一个会议上，r i m 也介 绍了h i t 2 栅介质的应变s i - n m o s 的结果，表明在应变s i 中的高电子迁移率可以 很大程度上补偿与高k 栅介质有关的迁移率的损失。在同一年的国际电工电子工 程师协会( i e e e ) s o i 会议上，来自a m b e r w a v es y s t e m s 的l a n g d o 首次提出了将应 变s i 直接键合在氧化衬底上形成应变s o i ( s s o i ，s t r a i n e ds io ni n s u l a t o r ) 技术1 2 引。 这些晶片的显著特征是弛豫瓯一。，层和应变s i 层中的高度应变难以维持。 2 0 0 3 年的i e d m 上论证了短沟道应变s i 器件电流最大程度的提高指日可待， 还有一篇关于集成了高k 栅介质和金属栅应变s i 器件的论文。t s m c 的w a n g 报 告了当时应变s i - n m o s 直流l 。一，。圹的最大提高，在栅长为6 0 8 0 n m 的器件有1 5 的提高而且没有任何自加热校正。这些导致应变s i p m o s 的l 。一l 厅提高了1 1 一1 9 ，提高幅度取决于源漏间距。同时他们也证明了环形振荡器在传输延迟 方面有1 8 的提高。另外，i n t e l 的d a t t a 做出了有h f 0 2 栅介质和t i n 金属栅电极 的栅长度为1 4 0 u r n 的应变s i - n m o s 器件。这些器件制作在只有1 0 g e 组分的虚 拟衬底上，由于高k 介质的引入补偿了迁移率的损失。2 0 0 3 年的国际电子器件会 议( i e d m ) 介绍了一个在p m o s 晶体管沟道中引入“局部 压应变的新途径。该方 法使用所谓的“凹源漏”方法，用选择性的g e s i 外延来替代自对准刻蚀步骤中源 漏区被刻蚀掉的s i 。因为有更大的晶格常数，g e s i 层中产生了压应变，并在沟道 附近的s i 中产生同样类型的应变。在这种情况下，应变是单轴的而不是全局方法 中的双轴。单轴应变可以有效地提高载流子迁移率，含g e 组分为1 7 的g e s i 层 可以把p m o s 的驱动电流提高2 5 【z 7 j 。从2 0 0 1 年到2 0 0 3 年，基于s i g e m o s 的 研究和发展很快。这个时期的关键研究领域还包括获得相当高的p 沟道载流子有 效迁移率和实现几种s o i 技术的实现。同时，随着商业化努力的发展，研究者逐 渐把他们的注意力转到工艺集成和超短沟道长度器件。 2 0 0 4 年，h s y a n g 等人的研究结果表明，应用d s l ( 双应力衬垫) 技术后使 得n m o s 和p m o s 的有效驱动电流分别增加l5 和3 2 ，饱和驱动电流分别增加 1 1 和2 0 1 2 8 j 。同时，空穴的迁移率增加了6 0 ( 此时使用的应变层为取。，而 不是s i g e ) 。同时，使用d s l 技术对产量影响不大。对于相似的工艺技术过程， 使用和不使用d s l 技术，生产的微处理器产量相当。这说明，d s l 技术能使用标 第一章绪论 5 准工具和材料迅速融入大批量生产中，对生产成本的增加不会太大。同年的i e d m 上，a m d 公司就新型应变s i 技术“d s l ”在微处理器的实际应用结构做了发表。 已经证实，基于p o w e rp c 架构的i b m6 4 位微处理器和a m d a t h l o n6 4 ”的工作频 率分别提高了7 和1 2 2 9 1 。 2 0 0 5 年1 2 月的国际电子器件会议( i e d m ) 聚焦第二代应变s i 技术，将其视为 提高晶体管速度的主要途径。在i e d m 上，来自a m d 、i b m 、索尼和东芝公司的 研究人员介绍了一种采用多种技术来应变s i 沟道的工艺【3 0 】。这些人目前共同在纽 约州i b m 半导体研究和开发中心工作。他们已经开发了一种能够提高性能的商业 化可靠方法，而相应增加的复杂度也处于可接受的水平。利用其标准的6 5 纳米工 艺，这个团队加入了额外的应变源，包括在p m o s 源漏极区域生长的外延s i g e ， 它类似于英特尔的应变s i 方法。该团队开发了n m o s 中的应力记忆技术，即在源 漏极区域退火处理之前将在栅极上加一层氮。这些区域在退火期间会重新结晶， 从而引入应力。当氮层在随后的退火工序中被去除后，应变力仍然保存下来。另 外，a m d 的研发团队报告了一种合并两种应变s i 形式的6 5 纳米节点工艺，它把 双应力衬垫和位于漏源极区域的沉积s i g e 相结合。使用应变s i 技术可以使n m o s 晶体管的驱动电流增加3 2 ，p m o s 晶体管驱动电流增加5 3 。n m o s 使用了 产生张应力的膜和应力记忆技术，p m o s 晶体管使用了产生压应力的膜和研g e 。 2 0 0 6 年7 月，法国s o i t e c 公司宣布其应用于6 5 纳米线宽以下制成的绝缘层上应 变s i 衬底片已上市，并成为业界首款量产的应变s i 衬底。s o i t e c 总裁a n d r 6 j a c q u e s a u b e r t o n h e r v 6 表示：“最新一批绝缘层上s i 衬底，目标锁定网络处理、运算、 游戏及高阶无线产业内的高阶应用，而对这些应用来说，速度及极低功率十分重 要。除了让芯片制造商可以更进一步扩大其产品的效能与功率优势，我们新的绝 缘层上应变s i 将是未来的可延伸平台。 2 0 0 7 年的i e d m 会议上，新加坡国立大学的研究人员介绍了随着栅极间距的 减小，此前的s i n 薄膜应变不能充分加载这一问题的解决方法【3 l 】使用虽为薄 膜却具有高压缩应变的类金刚石碳( d l c ) 薄膜的方法。d l c 膜的特点是虽为薄膜却 能够保持l 1 0 g p a 的高压缩应变特性，介电常数也比s i n 低，为2 7 3 8 。适应 于栅极长8 0 n m 的p m o s 场效应管，与d l c 膜厚度为1 9 n m 及2 7 n m 的产品相比， l l 矿特性( = 1 0 n a t m ) 分别提高了3 5 及6 9 ，作为2 2 n m 工艺的应变加载 材料前景可观。 近两年，应变工程备受关注，在用于提升n m o s 和p m o s 晶体管的性能方面 贡献很大。一般来讲，应力技术会提高工艺的复杂度。然而，张应力和压应力层 和应力记忆技术以及用于p m o s 源漏区内的嵌入式s i g e 技术在4 5 r m a 和3 2 n m 时 已经证实了其实用性。 新加坡国立大学在应变s i 技术方面取得了很多成果，此外德国、台湾、香港 6 应变s i 载流子散射机制及特性研究 等也在进行研究。芯片代工厂台积电也已经宣布开始采用应变s i 技术的6 0 n m 工 艺计划，台联电也和a m b e rw a v e rs y s t e m s 公司合作进入应变s i 领域。国内在应 变s i 及应变s i g e 技术研究方面也取得了可喜的成绩，开展研究的主要是大专院校 和科研院所，如复旦大学、清华大学、浙江大学、中科院半导体所和上海微系统 所等，在应变s i 材料和器件研制、物理模型建立、器件性能模拟等方面进行了较 多的研究工作，具备了进一步研究s i 基应变技术的技术基础。复旦大学主要进行 材料和器件结构的理论分析，清华大学已经成功研制了s i g e g e 结构的h b t 。成 都电子科技大学、中电集团二十四所合作对应变s i 材料、器件及电路进行研究。 上海微系统所主要发展拥有自主知识产权的s i g e ，应变s i 技术也取得了重要进展。 西安电子科技大学近年来在应变s i 、应变s i g e 、应变s i s o i ( s s o i ) 及其器件技术 方面做了大量有成效的研究工作，尤其是在应变s i 、应变s i g e 与s s o i 材料的制 备、载流子迁移率增强机理、迁移率模型以及器件的结构优化、建模与仿真等方 面取得了可喜的成果与进展【j 2 j 【珀j 。 1 3 论文研究内容以及章节安排 理论研究是应用的基础，应变s i 载流子迁移率增强是器件性能提高的本质因 素。应力作用下载流子散射机制的改变是应变s i 载流子迁移率增强的因素之一。 如何基于理论研究分析应变s i 载流子散射机制是分析迁移率增强及指导器件设 计、应用的基础。 本论文拟研究应变s i 材料载流子散射特性及机制，确定相应载流子各机制的 散射几率，建立载流子散射几率模型。 本论文将主要进行以下工作： 第一章主要叙述s i 基应变技术的国内外研究现状，概述本论文主要研究内容； 第二章主要分析应变s i 形成机制，获得了求解应变s i 载流子散射几率所必需 的物理参数，包括应变s i 能带结构、状态密度、状态密度有效质量和电导有效质 量； 第三章从散射机制的量子力学基础出发，研究并建立应变s i 材料中主要的散 射几率机制，包括离化杂质散射、晶格散射( 声学声子散射和非极性光学声子散 射) 、谷间声子散射，并建立相应的散射几率计算模型。 第四章利用m a t l a b 软件对散射几率与载流子能量e 和g e 组分的关系进行了 研究，仿真得到各种机制散射几率与载流子能量e 在不同的g e 组分下的变化关系。 第五章对本论文进行总结，对所得到的结果进行分析，同时对不足之处提出 建议和改进方法。 第二章应变s i 物理特性研究 7 第二章应变s i 基本物理特性研究 应变s i 的基本物理参数在研究载流子迁移率增强机理中起着重要的作用。本 章基于非应变s i 的物理特性参数，分析应变s i 形成机制，由形变势理论分析应变 对能带结构的作用，探讨能带结构的变化量，推导出状态密度有效质量、状态密 度、本征载流子浓度等求解应变s i 载流子散射几率所必需的物理参数，为后面各 种散射机制的研究做准备。 2 1 应变s i 形成机理 通过在弛豫s i g e 衬底上外延生长s i ，可以得到应变s i 。应变s i 层生长在s i g e 上的最大厚度称为临界厚度，如果外延材料的厚度超过临界厚度，则会弛豫，同 时形成位错。应变使s i 的导带和价带结构发生变化，材料的迁移率提高，器件性 能得到提高。 2 1 1s i 晶体结构 s i 、g e 在化学元素周期表中都属于第族元素，原子的最外层都具有四个价 电子， 它们都具有金刚石型( 如图2 1 所示) 的晶体结构。金刚石结构是由两个 面心立方晶胞相对位移体对角线l 4 而构成的【3 7 】。在此结构中，每个原子有4 个最 近邻的原子和1 2 个次近邻的原子。4 个最近邻的原子分别位于正四面体的4 个顶 点，并与该原子形成4 个共价键。金刚石结构是靠原子间共价键形成的。 图2 1 金刚石结构示意图 在室温下，s i 的晶格常数a s i = o 5 4 3 0 8 9 n m ，而g e 的晶格常数a g e = 0 5 6 5 7 5 4 n m ， s i 和g e 的晶格常数相差约4 2 ，为可无限互熔的晶体，形成观一，g e ，固溶体，称 为弛豫研。一，或体瓯一，g p ，组分x 可以在0 1 之间任意取值。 口，上 8 应变s i 载流子散射机制及特性研究 2 1 2 应变s i 形成 应变s i 是一种能够提高载流子迁移率和增强器件性能的新技术。当前有两类广 泛使用的制备应变s i 的方法。一类是在晶体管制作前在衬底上形成应变s i 晶片 ( s t r a i n e ds i l i c o n w a f e r ) ，被称作“全局方案；另一类是在晶体管周围通过“局部 膜层引入应变一工艺致应变( p r o c e s s i n d u c e ds t r a i n ) 。目前，国际上i c 工业评价的应 变s i 衬底主要是两种“全局”方案：直接在绝缘体上生长的应变s i ( s t r a i n e ds i l i c o n o ni n s u l a t o r , s s o i ，应变s o i ) 以及在绝缘体上的弛豫s i g e ( s g o i ) 上生长的应变s i 。 1 ) 全局应变： 假设衬底材料的晶格常数为a s u b ，外延层材料的晶格常数为a e d i 。 当a s u b a e p i 时，外延层受到压应力的作用； 当a s u p a e p i 时，外延层受到张应力的作用。如图2 2 所示。 a 专辨a 毒剧 q 嘲a 蛹 嬲乏剿 a f ( a ) 张应变 亡今 ! j i 触错 i i t i ， 上 t - a ， ( b ) 压应变( c ) 应变弛豫 图2 2应变示意图 当s i g e 薄膜淀积在s i 衬底上或s i 薄膜淀积在弛豫s i g e 衬底上时，随g e 组 分的增加，平行衬底方向的薄膜平面受到的衬底应力随之增加。当薄膜超出了i | 缶 界厚度后，形成大量的位错，应力被释放，材料被弛豫。临界厚度是指保持材料 热稳定性的最大厚度，它是一个极为重要的表征异质外延材料性能的参数，取决 于生长速率和生长温度，更多的情况下取决于s i g e 层中的g e 的摩尔含量【3 8 】。【3 9 】。 如果应变s i 层的厚度超过其临界厚度，则在应变弛豫发生的同时会带来缺陷【矧。 应变s i 是通过在弛豫s i g e 衬底上淀积一层s i 薄膜形成的。由于弛豫s i g e 的 晶格常数比体s i 的晶格常数大，在平行衬底的平面，s i 薄膜受到张应力的作用， 为了保持平衡，界面上s i 的晶格常数变大。弛豫s i g e 和s i 的晶格结构如图2 3 。 第二章应变s i 基本物理特性研究 硅 圈 应变硅 锗硅 情硅 图2 3 $ i g e 上的应变s i 示意图( 由于材料间晶格参数不同造成的应力) 制各绝缘体上应变s i ( s s 0 1 ) 的过程如图2 4 所示：第一步，在普通s i 片上外延 递变组分的s i g e 层，然后再外延一层固定组分的弛豫s i g e 层，最后外延应变s j 层- 利用c m p 技术将应变s i 表面抛光至粗糙度低于5j 矣( 4 0 m x 4 0 u r n ) 。第二步， 利用s m a r t - c u t 技术，在该外延片中注入氢，然后将其与一个覆盖有氧化层的s i 片 键合，然后剥离，退火。第三步，应变s i 表面残留的s i g e 层通过湿法腐蚀去除。 墨卫。 曩墨墨一一 巴= ! 口墨= 固 $ 吗i 焉 _ l 亏器_ = 皇= 互， ( a ) 键合( b ) 剥离( c ) s i g e 腐蚀 图24 a r a b c r w a v e 制备s s o l 的流程： 在绝缘体上的弛豫s i o e ( s g o d 上生长的应变s i 步骤如下：先通过s i m o x 和 s m a r t c u t 技术或氧化扩散法等$ 9 名- s g o i ( s i g eo ni n s u l a t o r ) 材料，再在弛豫的s i o e 上生长应变s i ，这种结构中由于s i g e 层的存在，顶层的s 1 薄层中将会存在张应变。 显然，由于g e 与s i 晶格结构相同、晶格常数相差约4 ，s i g e 材料在工艺上与传统 集成电路工艺基本兼容，s i g e 的组分可调又使得s 层的应变可调。 戊变s i 载流子散射机制及特性研究 2 ) 局部应变： 全局应变工艺比较复杂，加上缺陷问题和高的成本，使这种方法集成到c m o s 工艺中有一定的难度，而由于工艺诱生应力工程成本低、工艺比较简单、兼容， 更加受到人们的青睐，是当今研究的热点。 工艺诱生应变的原理是利用某些特定的工艺步骤，例如，浅槽隔离( s h a l l o w t r e n c hi s o l 越i o n ，s t i ) 、g e s i 嵌入式源漏( s i g es d ) 、应力衬垫技术、应力记忆技术， s i 化反应( s i l i c i d a t i o n ) 和g e 预非晶化等工艺相关的结构，运用其存在的应力，将其 施加于器件上以形成应变沟道。不同于基于圆片的全局应变，工艺诱生应变属于 局部应变即沟道上不同的位置其应变大小不同，同时也与器件结构参数如沟道 长度与宽度等有密切的关联性。这种应变存在于单一方向又称为单轴应变。在 9 0 纳米节点中，单轴应变s l 工程技术首次被使用，因此受到产业界的广泛关注， 并促进了它的不断发展和进步。 浅沟槽隔离( s t d 一般用在s i 基村底器件的横向隔离技术中。s t i 刻蚀工艺被 用来在s i 村底上刻蚀浅沟槽，然后在这些沟槽中填满绝缘介质形成隔离墙。s t i 工艺可以在器件中引入有用的机械应力。 局部应变技术还包括在源漏区外延g e s i 的“凹源漏法”( 如图25 所示) 和 采用在栅上层叠s i n 薄膜的双应力技术等。 圈2 5 凹潭漏法示意图 嵌入式g e s i 源漏是通过在s i ：刻蚀凹槽，选择性地生长s i g e 外延层，进而在 s i g e 源漏之间的沟道区引入单轴压应力。该类型的应力提高了空穴的迂移率从而 提高了p m o s 器件的性能。需要注意的是：因为应力来自下沟道的两边，而小是 蕾一的，所以应力在两边最大而在中阈最弱，成为限制空： = 迁移牢提高的瓶颈。 正如所预科的那样，对于长沟道器件，应变效应在沟道中问消失，园此本方法仅 适用于短沟道器件。 应力衬垫技术也称为双应力线技术是将压应变和张应变的s i n 层分别淀积 第二章应变s i 基本物理特性研究 在p f e t 和n f e t 器件的栅上，如图2 6 所示。 t e n s i l eni t r i d e c o m p r e s s i v en i t r i d e 图2 6 双应力衬垫结构 经优化之后，单轴应变主要沿着沟道方向，由于衬垫层同时用于两种晶体管 中，而且还被用作接触孔刻蚀的停止层，所以又被称为双重刻蚀停止衬垫( d u a l e t c h s t o pl i n e r ，d e s l ) 。目前，用于n m o s 器件的高度张应变的衬垫技术已经成熟， 而用于p m o s 器件的高度压应交的衬垫则正在开发中。 制备高性能的s i n 薄膜是本方法的关键。现在已有多种技术能够进行适当的 高应力s i n 薄膜的淀积炉管化学汽相淀积( c v d ) 、原子层淀积( a l d ) 和等离子 体增强化学汽相淀积( p e c v d ) 等。p e c v d 是一种具有高生产力的成熟工艺技术， 因为该方法具有较强的适应性和延续性，能够在9 0 纳米和6 5 纳米生产工艺流程 中快速地得以实现。 2 1 3 应变s i 技术优点 相对于采用别的高迁移率半导体材料，如i i i v 族化合物半导体，在s i 中引入 应变对c m o s 器件制造工艺的影响更小，因而这项技术成为人们的首选。所谓应 变s i 技术是指s 汐p 延层与衬底材料s i g c 合金之间因晶格失配产生平面应力后( 如 图2 7 所示) ，改变能带结构，造成能带交叠，减少载流子有效质量，降低谷间散 射，从而提高了s i 中载流子的迁移率。因此应变s i 具有迁移率高、能带结构可调的 优点，且能与传统的体s i 工艺兼容，采用应变s i 材料不但能大幅提高m o s 器件的 运行速度，而且可沿用现有工艺，很快实现批量生产。 图2 7 应变s i 结构示意图 1 2 应变s i 载流子散射机制及特性研究 2 2 应变s i 能带结构 应变使s i 晶格结构由立方晶系变为四角晶系，同时能带结构也发生相应的变 化。能带的变化包括能带偏移和能带分裂。应变s i 弛豫s i g e 异质结的能带结构对 异质结器件的应用是很重要的。本节介绍了应变导致s i 价带和导带能带结构变化， 以及应变s i 弛豫s i g e 异质结的能带结构。 戳一，衬底上赝晶生长的应变s i 层，s i 受到双轴应变，双轴应交可以分为 静压应变和单轴应变。静压应变使价带和导带平均位置发生偏移，单轴应变使导 带和价带发生分裂【4 l j 。 2 2 i 应变s i 导带结构 在普通的体s i 材料中，导带由六个简并能谷构成，这六个简并能谷分别有六 个导带极值，等能面为旋转椭球面，沿椭球长、短轴方向沿的有效质量分别为m ，和 m ，。如取x ，y ，z 轴分别沿0 0 0 ， o l o l 和 o o l 】方向，则不同极值的能谷中的电 子沿x ，y ，z 方向的迁移率不同。如图2 8 所示。 普通硅材料 图2 8s i 导带等能面示意图 对于生长在( 0 0 1 ) 晶面的应变s i m o s 来说，由于应力的作用，原有的六重简 并能谷。的简并被解除，分为两组：两个能量降低的二重简并能谷：，沿与沟道 垂直的轴向；四个能量升高的四重简并能谷。，沿与沟道平行的轴向，如图2 9 所示。 第二章应变s i 基本物理特性研究 1 3 应变硅材科 体硅 应变硅 厶 l| 、 。6 7 苗 ， 2 l i l t m l 图2 9 应变s i m o s 反型层中的导带等能面与能量分裂示意图 应变使得四度简并能谷。与二度简并能谷：所产生的导带能量偏移之差约 为【4 2 】： a e 2 4 = 0 6 7 xe v式( 2 - 1 ) 式中x 是弛豫s i g e 缓冲层顶部g e 的组分。 由于导带简