（微电子学与固体电子学专业论文）应变bicmos器件及应力分布研究.pdf

摘要 摘要 s i g eb i c m o s 技术具有高性能、低成本的特点，发展前景好，因此对s i g e b i c m o s 技术进行研究具有非常实际的意义。应变硅材料中应力和应变的分布对 提升器件性能具有理论指导意义。 本文首先对双轴应变材料特性进行了分析，特别是对迁移率、临界厚度、能 带分裂的研究，为提出s i g eb i c m o s 模型奠定了理论基础。在均匀弯曲的假设 基础上，本文提出了计算s i g e s i 异质结中应力和应变分布的理论模型，并在厚 衬底条件下，进行了化简。该模型对设计和优化器件性能具有指导意义。最后， 提出了一种新型的s i g eb i c m o s 模型，并运用m e d i c i 软件进行了二维仿真分 析，优化了其各项参数，得到了满意的电学特性。 本文提出的计算应力模型对研究应变材料和器件具有实际应用价值。提出的 新型s i g eb i c m o s 模型，性能优良，具有广阔的运用前景。 关键词：应力，s i g eh b t ，b i c m o s a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hh i g h - p e r f o r m a n c e ，l o w - c o s tc h a r a c t e r i s t i c sa n dg o o dd e v e l o p m e n tp r o s p e c t s ， s oi ti sw o r t ht os t u d yt h es i g eb i c m o sd e v i c e s t u d y i n gt h es t r e s sd i s t r i b u t i o ni n s t r a i n e ds i l i c o nc a ng u i d eh o wt oe n h a n c et h ed e v i c ep e r f o r m a n c e t h i sa r t i c l ea n a l y z e sb i a x i a ls t r a i n e dm a t e r i a lp r o p e r t i e s ，e s p e c i a l l yo nm i g r a t i o n r a t e ，t h ec r i t i c a lt h i c k n e s sa n dt h ee n e r g yb a n d ，w h i c hl a i dat h e o r e t i c a lb a s i so ns i g e b i c m o s b a s e do nu n i f o r mb e n d i n ga s s u m p t i o n s ，t h i sa r t i c l ep r o p o s e sm o d e la b o u t h o wt oc a l c u l a t i o nt h es t r e s sd i s t r i b u t i o n u n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h i c ks u b s t r a t e ，t h i s a r t i c l eg i v e st h es i m p l i f i c a t i o no ft h em o d e l t h i sm o d e li sw o r t h yf o rd e s i g n i n ga n d o p t i m i z a t i n gt h es i g eb i c m o s f i n a l l y , t h i sa r t i c l ep r o p o s e san e wm o d e lo fs i g e b i c m o s ，a n du s e sm e d i c it om a k et w o d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o na n a l y s i s i t o p t i m i z a t e sv a r i o u sp a r a m e t e r sa n dh a sb e e ns a t i s f i e dw i t ht h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e s i nt h i sp a p e r , t h ec a l c u l a t i o nm o d e lf o rs t u d y i n gt h es t r e s sd i s t r i b u t i o ni sv a l u a b l e f o re n h a n c et h ed e v i c ep e r f o r m a n c e t h en e ws i g eb i c m o sm o d e lh a sb r o a d a p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e y w o r d s ：s t r e s s ，s i g eh b t , b i c m o s 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已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： 毒磊一 日期习：! ：2 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) 本学位论文属于保密，在_ 年解密后适用本授权书。 本人签名：差磊 导师签名： 日期j 牡 日期珥! ：2 第一章绪论 第一章绪论 1 1引言 硅材料作为半导体材料应用经历了5 0 多年，无论是技术发展还是应用程度都 非常的成熟，一直占据着微电子产业的主导地位，尤其是s ic m o s 技术，在常规的 运算器、储存器等电路中占据着统治地位。但是目前工业硅集成电路的特征尺寸 已达到1 0 0 纳米范围，进一步缩小尺寸面临着加工精度的限制，特征尺寸缩小带来 的寄生效应( 短沟道效应、热电子效应等) 的限制以及物理极限的限制。然而， 随着无线移动通信的飞速发展，对器件和电路的性能，如频率特性、噪声特性、 封装面积、功耗和成本等提出了更高的要求。这时传统的硅技术便显得力不从心。 为了获得高于s i 器件及电路的性能，必须使用性能优于s i 的新型半导体材料如： g a a s 、s i g e 、i n p 等。为此相对于s i 平面工艺的“杂质工程”而言，“能带工程”更加 受到人们的重视，这是因为通过对不同材料能带的剪裁组合，利用异质结的能带 突变和具有纳米尺度低维系统( 二维、一维、或零维) 的量子限制效应，可以制 作出性能优异的微波、超高速器件及电路。异质结构的出现为大幅度提高器件和 电路性能开辟了新的道路 提高i c 速度和性能有两大途径：一是不断缩小其特征尺寸，按照摩尔定律指 引的途径继续走下去；二是寻找新材料以放宽对芯片特征尺寸进一步缩小的要求。 目前，s i 集成电路工艺水平已经进入4 5 r i m 的水平。随着特征尺寸进一步减小以 及集成度和复杂性的增强，出现了一系列涉及材料、器件物理、器件结构和工艺 技术等方面的新问题。尤其是i c 芯片特征尺寸进入纳米尺度，m o s 管尺寸趋于 物理与工艺极限后，就难以再按照以往的速度发展下去，而必须采用新技术新材 料来提高器件和电路的性能。s i g e 克服了g a a s 工艺复杂、成本高的缺点，并且 具有与体s i 良好的工艺兼容性。s i g e 技术的出现对利用成熟的硅工艺制作超高 速集成电路带来了新生机，是一个可行的新技术途径。 s i g e 技术将能带工程和应变工程引入了以s i 为基础的集成电路和器件。利 用s i g e s i 能带的不连续，可以设计出电子或空穴的量子阱和加速载流子的自建 电场，制作高频高速的s i g e s ic m o s ，i - i b t 器件，b i c m o s 器件和电路。利用 s i g e s i 晶格不同产生的张应变或压应变效应可以改变材料性质，提高载流子的迁 移率，提高s i 基c m o s 性能。 s i g e 与s i 相比具有如下优点： s i g e 层一般在s i g eh b t 中做基区。由于 s i g e 层电子迁移率是s i 的两倍，因此可以提高器件的工作频率。通过降低s i g e 基区电阻，可以实现s i g e 器件高电流增益和低噪声。温度范围宽，可实现稳定 2 一 应变b i c o m s 器件及应力分布研究 的工作特性。可将s i g e 技术集成与常规的c m o s 工艺。 s i g e 技术在热传导 和低泄露电流方面有良好特性。 1 2 1 工艺发展 1 2 国内外研究现状和发展动态 近十年来，s i g eb i c m o s 技术的研究和发展迅速，研究成果和器件潜在的优 越特性，已经越来越引起各国的极大兴趣和关注。 s i g e 最大的优势就是其卓越的高频特性以及与s i 工艺良好的兼容性。因此 以s i g e 和s i 材料为基础的s i g eb i c m o s 技术，一直追求在保证工艺兼容的前提 下，不断提高h b t 的频率特性，并且在引入应力的情况下，如何保证器件的可靠 性。要达到此目标，就必须依靠工艺的改善，结构的改进，以及特征尺寸的缩小。 s i 和g e 的晶格失配达4 2 以上，在衬底上外延生长的的s i g e 合金层是应变层， 生长条件要求高，且应力容易释放产生缺陷，所以研究工作一直进展缓慢。1 9 7 5 年才研制出有器件质量的s i g e s i 应变异质结材料。 8 0 年代中期，b e l t 实验室j b e a m 等人对s i m b e 设备做了较大改进，并对外 延层生长所需的表面厚度、清洗、低温生长技术进行了研究，取得突破后，获得 了高质量无缺陷的s i g e s i 异质结材料。 1 9 9 0 年m 利用u h v c v d 设备外延s i g e s i 异质结材料取得成功，大幅提 高s i g e s i 异质结材料的生长速度，真正意义上使s i g e 器件能大规模生长。 1 9 9 2 年，m 最先实现s i g eb i c m o s 技术，向s i g e 大规模集成电路的出现 迈出了里程碑式的一步。此后，s i g eb i c m o s 工艺快速发展，形成选择性外延和 非选择性外延两大类。非选择性s i g eb i c m o s 工艺外延从最初的非自对准注入 进步到现在的自对准注入；选择性外延s i g eb i c m o s 技术则由单层多晶工艺衍 生出双层多晶工艺。器件临界尺寸也逐步减小。 当特征尺寸减小到0 2 5 1 t m 时，s i g eb i c m o s 技术出现了一次巨大的变化。 特征尺寸大于0 2 5 1 t m ，是在s i g eh b t 基区和发射区完成以后，才形成m o s 栅 和源漏注入；而0 2 5 1 t m 以下的工艺则是在c m o s 完全形成以后才完成h b t 的基 区和发射区。 1 2 2s i g ei - - i b t 的发展 s i g eh b t 是s i g eb i c m o s 技术最重要的器件单元， 代早期开始。 十年后s i g eh b t 的截至频率已经做到5 0 g h z 以上。 其研究从上世纪8 0 年 1 9 9 8 年，m m 公司和 第一章绪论 t e m i c 已经开始向通讯市场提供s i g eh b t 和s i g eb i c m o s 电路。 当今s i g e 研究与应用领域中，以m m 公司为代表的美国企业和t e m i c 为代 表的欧洲公司具有领导意义的两大主流。此外日本的n e c ，h i t a c h i 也研制出了高 性能的s i g e h b t 器件。 1 9 8 7 年制造出第一个s i g eh b t 的m m 公司，在2 0 0 1 年的i e d m 上宣布制 造出厂t 高达2 0 7 g h z 的s i g eh b t 。这种晶体管采用非自对准结构。其特点是电子 在垂直方向上流动，通过减小垂直方向的厚度就能够提高处理速度，这样做就突 破了为了保证高 瞰，而必须使基区不能太薄的瓶颈。在2 0 7 g i - i z 的工作频率下， 电流为l m a ，耐压为2 v ，与现在使用的晶体管相比，该晶体管的效率可以提高 8 0 ，耗电量可降低5 0 。2 0 0 3 年m m 公司宣布在0 1 2 p m 的特征尺寸下使用非 选择性外延的方法制作出了 为3 7 5 g h z ，厶戳为2 1 0 g h z 的非自对准结构的s i g e h b t 。 日本n e c 公司1 9 9 2 年报道了 为5 1 g h z ，懈为5 0 g h z 应用于b i c m o s 技术的s i g eh b t 。其采用u h v c v d 自对准选择外延s i g e 基区，本征基区中 g e 采用渐变方式，外基区自对准使用硼硅玻璃( b s g ) 侧壁结构，该结构也被称 为超级自对准选择生长s i g e 基区结构。 国内s i g eb i c m o s 技术起步较晚，目前还没有一家科研机构宣布掌握s i g e b i c m o s 工艺技术。而研究台面结构的机构则不少，如西安电子科技大学，重庆 2 4 所，北京工业大学，清华大学，北京大学等。西安电子科技大学与重庆2 4 所 合作研制出了，一达到1 5 7 g h z 的双台面结构的s i g e i - i b t 。虽然已经研制出疗为 1 3 5 g h z 的平面结构的s i g eh b t ，但由于工艺条件限制并没有用于s i g eb i c m o s 电路中。清华大学微电子所研制出与c m o s 工艺兼容的微波功率s i g eh b t ， 为7 弛。 1 2 3s i g em o s 的研究状况 目前，s i g e 研究的重点已经转向s i g e s im o s f e t 、s g o i ( s i g eo ni n s u l a t o r ) 技术。研究工作主要集中在小尺寸应变s i g e s im o s f e t ，高速高频，高性能器 件s i g e s i 应变材料的特性，增强m o s f e t 导电沟道的载流子迁移率，以提高器 件的频率特性、跨导和电流驱动能力。 应变s i g e s im o s f e t 的发展大致分为四个阶段： 2 0 世纪8 0 年代，集中于s i g e s i 异质结生长和能带结构研究，异质结的缺 陷高达1 0 8 1 0 c m - 2 2 0 世纪9 0 年代初期，出现驰豫s i g e 缓冲层技术，驰豫s i g e ! 应变s i 异质 外延缺陷密度降低到1 0 6 1 0 8 c m - 2 对应变s i 、s i g e 和g e 沟道f e t 进行了初步探 4 一 应变b i c o m s 器件及应力分布研究 索。 2 0 世纪9 0 年代后期，集中于各种对应变s i 、s i g e 和g e 沟道m o s f e t 的 研究，提高m o s f e t 的性能。表面应变s in - m o s f e t 的性能比体s in m o s f e t 的性能提高4 5 。 2 1 世纪初期，研究开发s i g e 基高迁移率应变m o s f e t ，包括获得较高p 沟空穴迁移率和s i g e 与s o i 相结合的技术。同时，更注重工艺集成和超短沟道 小尺寸器件的研究。 1 3 本文的内容及章节安排 s i g eh b t 和应变硅c m o s 的研究在国际上已经发展的比较成熟，但是在同 一块硅片上同时集成两种先进器件国内外目前还未见报道。本论文的研究考虑到 国内工艺水平的现状，设计新型的b i c m o s 器件结构，实现应变硅c m o s 和s i g e h b t 集成。同时考虑到了工艺的实用性和经济性，主要采取了可以用在长沟道器 件中的全局应力引入方法来设计器件结构，这样可以适用现有工艺线的要求而不 需要更新设备。同时，使用二维器件模拟工具m e d i c i 模拟验证了器件性能并得 到了满意的结果，证明这种结构是可行的。 本论文的章节按如下顺序安排： 第一章：绪论；介绍了b i c m o s 器件的基本应用领域，国内外当前的发展状 况，以及本论文的工作和研究的意义。 第二章：应变硅s i g e s i 的物理特性；介绍应变硅的晶格及能带结构等物理 特性。还详细阐述了应力产生的基本原理以及s i s i g e 异质结及量子阱的基本原 理和应用。建立了主要的电学参数模型以适应之后模拟研究的需要。 第三章：在均匀弯曲的假设基础上，提出了计算s i g e s i 异质结中应变和应 力的模型和公式，并进一步简化了计算公式，对实际应用具有现实价值。对表征 双轴应变材料的试验手段做了简要研究。 第四章：研究了s i g eh b t 需要用到的数学模型，在此基础之上，提出了一 种新型的s i g eh b t 结构，并进行了二维仿真，得出满意的结果。 第五章：提出一种新型的应变b i c m o s 器件结构，这种新结构通过把应变硅 c m o s 和s i g eh b t 集成在一块芯片上实现高性能的器件结构，并且工艺上简便 可行，可与现有的s i 工艺相兼容，符合国内生产的现状。并用m e d i c i 软件模拟 了其直流和交流性能并对关键的器件结构参数做出了模拟优化。 第六章：结论：总结本论文完成的工作，取得的成就，以及可以进一步完善 和发展的地方。 第二章应力引入及s i g e s i 的材料特性 第二章应力引入及s i g e s i 的材料特性 要研究s i g eb i c m o s 器件，就必须先了解应力引入以及s i g e s i 的材料特性。 应力主要分为双轴应力和单轴应力。s i g e s i 异质结能带分裂所引起的各种特殊性 质，是制作器件的基础。本章将会就这方面内容做理论介绍。 2 1 应力引入方法和分类 形成应变的方式很多，可通过工艺步骤、材料上自然晶格常数的差异以及封 装等方式来实现。从应变的作用面积大小可区分为局部应变与全局应变，其中施 加的应力种类可包含伸张应变与压缩应变。若只考虑i c 带1 造的前段工艺，应变方 式主要可分为基于圆片应变与工艺诱生应变二个系统。 2 1 1 双轴应变 基于圆片应变方式是由材料上自然晶格常数的差异来产生应变。比较硅与锗 硅的自然晶格常数，锗硅因有较大晶格常数锗的加入而具有较大的值，因此当在 晶格常数大的锗硅上面外延一层薄硅层时，晶格匹配机制强迫硅层在平行圆片平 面的方向与锗硅衬底具有相同的晶格常数，因此这层硅层的晶格常数大于原来值， 形成伸张应变。伸张应变硅的应力大小主要由应变硅层厚度和虚拟衬底锗含量所 决定。这种方法由于在整个圆片都进行生长，不同的沟道位置具相同的应力大小 和方向，故称为全局应变或称双轴应变。如图2 1 所示。 b i a x i a lt e n s i l e - s t r a i n e ds i 图2 1 双轴应变示意图 应变弛豫缓冲层结构( s t r a i n e dr e l a x e db u f f e r ，s i 也) 、绝缘层上锗( s i g eo n i n s u l a t o r ，s g o i ) 、绝缘层上应变b 圭( s t r a i n e d s i o ni n s u l a t o r ，s s o r ) 等都属于全局应 变的制备方式。 应变b i c o m s 器件及应力分布研究 2 12 单轴应变 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、硅化反应 ( s i l i c i d a t i o n ) 、接触孔刻蚀停止层( c o n t a c te t c hs t o pl a y e r ，c e s l ) 以及锗硅嵌入式源 漏( s i g es d ) 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。与全局应变硅器件相比，局 部应变硅器件制作与现有的硅工艺兼容。 然而，单轴应变由于是局部的应变，其应力能达到的范围有一定的限度。同 样的应力强度下，沟道长度越长则沟道中部的应力将会越小，如果沟道长度的大 小超过了应力所能到达的范围，那么在沟道中部将会出现非应变的部分，从而使 整个应变结构失效。目前的单轴应变方法都是应用在9 0 n m 以下的应变c m o s 器件 中，应力大小足以满足全沟道应变的需要。但是如果考虑大尺寸条件下的应变， 双轴全局应变可能是一个更好的选择。所以本文将基于双轴应变进行研究。 2 2s i g e ，s i 材料物理特性 双轴应变硅一般通过弛豫的s i l ；g 氐层来引入应力，即衬底引入应力。由于锗 原子比硅原子大，即锗的晶格常数比硅的晶格常数大，在硅中掺入一部分锗后， 原子之间距离比单纯硅原子之间距离大，在上面外延生长一层很薄的硅帽层后， 利用原子相互间总是趋于成行排列的性质，扩展硅材料原子间的距离，使之在平 行面上被拉伸，上面的硅原予直接和衬底相匹配，因此硅外延层中的原子之间存 在张应力。整个过程如图22 所示。 m o o o 2 2 利用弛豫s i g e 虚拟衬底引入双轴应变硅的示意图 第二章应力引入及s i g e s i 的材料特性 2 2 1 s i g e 晶格结构的分析 s i 和g e 的单晶均为金刚石型立方晶体结构，g e 的晶格常数比s i 大4 2 ， s i 和g e 能以任何比例形成s i l x g e x 固溶体，称为驰豫s i l - x g e x 或体s i l x g e x 。其晶 格常数理论上遵从v e g a r d 定则，可用2 - 1 公式计算： a 1 ( s ii x g “) = a ( s i ) 4 - a ( g c ) - a ( s i ) 】a ( s i ) ：z + 0 2 0 0 3 2 6 ( x - x z ) = 5 4 3 i + 0 2 0 0 3 2 6 x + 0 0 2 3 2 7 x 2( 2 1 ) 其实测公式为： a ( s i i x g “1 = 5 4 31 + 0 0 1 9 9 2 x + 0 0 0 0 2 7 3 3 x z ( 2 2 ) 厚驰豫s i l v g e v 衬底上赝晶生长s i l 嗡g e x 薄膜，在临界厚度范围内，通过 s i l 哇g e x 四方畸变补偿二者晶格失陪，获得无界面位错的s i l 嗡g e x 应变层，若g e 组分x y ，外延s i l 囔g e x 层是张应变。反之，s i l x g e x 外延层是压应变。s i l x g e x 应 变层受到生长平面内的双轴应力，其生长平面内的晶格常数劬( x ) 近似等于衬底驰 豫s i l y g e y 的晶格常数a o ( y ) 。而垂直于生长平面的晶格常数a 上( x ) n - i 用弹性理论得 出： 口上x ) - a 0 g 卜甜雀斜 协3 ， 式中a o ( x ) 为体s i l 。g e x 的晶格常数，c l l 、c 1 2 为该材料的弹性常数。 可用“晶格失配”来描述组成异质结的两种材料的晶格常数的差别，其定义 为： 厶咖枷= 旦凸 ( 2 4 ) a l 和a 2 分别为两种材料的晶格常数，a 为两种材料的晶格常数平均值。g e s i 的失配 率为4 1 7 ，则s i l 畸g e x s i 的失去配率为： 厂m 豇。脚：鱼旦立盟：4 1 7 x ( 2 5 ) 由于材料的热膨胀系数不同，失配率在不同温度也不同。对于常温失配小而 高温失配大的晶格，如果冷却过快，高温下形成的许多错位会冻结下来。而对于 高温失配小而常温失配大的异质结，快速冷却会使位错数目减小，但在室温下将 产生很大的应力。s i g e s i 的失配率随温度的升高只有微弱的增加，故上述问题在 工艺中的影响不大 外延层中应力a 的计算由下列公式得到： 盯= 一2 e f 妇柳绷旦等 ( 2 6 ) 应变b i c o m s 器件及应力分布研究 其中e 、u 分别为材料的弹性模量和泊松比。那么对于应变s i 弛豫s i l 。g e 。结构，g e 的组分x 越大，失配应变就越大，在应变硅层中引入的应力也就越大。 2 2 2s i g e 合金禁带宽度 s i l x g e 。合金的禁带宽度e g 比g e 大，比s i 小， 关。g e 组分引起禁带宽度变化量与g e 分布有关 e g ( x ) = e g s i 一0 7 4 x ( e x r ) 且与组分x 和应力的大小有 s i 的禁带宽度e g s i 又与温度和由重掺杂引起的禁带宽度变窄量a e g 有关。 e 辫咄一器一监g a e g 与掺杂浓度n 的关系为： a e g = g v l 悟 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 式中，e o = 1 1 7 e v ，a = 4 7 3 x1 0 _ 4 e v k ，b = 6 3 6 k ，v 1 - - 9 m v ，n o = 1 0 1 7 c m 。3 c = 0 5 ，q 为电子电荷。一般情况下公式可以简化为： a e g = 【m 筹】 像1 0 ) 应变的存在将使禁带宽度减小，因此，也可通过控制应变的程度来调节材料 的禁带宽度。对外延生长的s i g e 合金薄膜，衬底不同，应变情况也不相同，从而 e g 的关系也不一样，如图2 3 。其中，曲线1 对应于无应变的块状合金，曲线2 5 分别对应于在s i ，s i o 7 5 g e o 2 5 ，s i o 5 g e o 5 和g e 衬底上生长的合金膜。总之，外延 生长的s i g e 合金膜的e g 既与g e 的组分x 有关，也与应变的大小有关，可以通 过改变g e 组分或者应力的大小来自由调节s i g e 合金的e g ，这在能带工程中具 有重要的意义。 q e 组分( ) i n 2 3s i g e 合金薄膜的e g 与g e 含量的关系 第二章应力引入及s i g e s i 的材料特性 2 23s i g e s i 异质结导带结构分析 对于没有应变的硅其导带在能谷处于六重简并状态。在双轴应变硅中应变 对电子传输的主要影响源自导带的分裂。当应变硅生长在弛豫的s i i ；g e x 上时，室 温下，拉伸应变使得硅的六重简并能谷6 分裂成赴和4 两组，如图24 所示。能量 更低的2 是二重简并，该能谷在垂直于异质结界面方向具有纵向质量m l = 09 8 m o ， 在平行于异质结界面方向具有横向质量r o t = 01 9 m o 。另一组能量更高的能谷出为四 重简并，并拥有垂直于界面的横向质量m l 。 u n 日咄n 鲥s 1s t 咖n 酣g* ( ： ( a l由) 24 拉伸应变使得投有应变的硅的六重简并能谷e 分裂成岛和a 。两组 能量降低的二重筒并能谷和能量升高的四重简并能谷之间的能量分裂值e 蚰为： b h 。= o6 7 x ( e v ) ( 2 1 1 ) 式中x 为弛豫s i ，。g 白衬底的g e 组分。从能量的角度来说，电子优先占据能量更低的 二重简并能谷。 2 24s i g e g s i 异质结价带结构分析 对于没有应变的硅，价带顶位于k = 0 ，即在布里渊区的中心，能带是简并的。 价带顶附近有三个带，两个最高的带在k = o 处简并，能量表示式为： s 啦) = 一芸k 2 t b 2 k 2 + c 2 + t ”t ：州 ( 2 _ 1 2 ) 下面的第三支带为自旋一轨道耦合分裂出来的，能量表示式为： 仅1 a ! 一4 ： ( 2 1 3 ) 、。 2 m n 式中是自旋一轨道耦合的分裂能量，常数a 、b 、c 由计算不能准确求出，需要借 助于回旋共振实验定出。 由式( 2 1 2 ) 看到，对于同一个k ，e 可以有两个值，在k = o 处，能量重合，表 孛率 l o 应变b i c o m s 器件及应力分布研究 明硅有两种不同有效质量的空穴。根式前取负号，得到有效质量较大的空穴，称 为重空穴，有效质量通常用( m 口) h 表示；反之，如果取正号，则得到有效质量较小 的空穴，称为轻空穴，有效质量通常用( r a p ) 1 表示。式( 2 1 1 ) 所代表的等能面具有 扭曲的形状，称为扭曲面。式( 2 1 3 ) 表示的第三个能带，由于自旋轨道耦合作用， 使能量降低了，与以上两个能带分开，等能面接近于球面。对于硅，约为0 0 4 e v ， 给出第三种空穴有效质量( m 口) 3 。由于这个能带离开价带顶，所以一般只对前述两 个能带感兴趣。 由前述可见，不考虑自旋一轨道耦合，室温下，在没有应变的硅中，空穴占据 顶部的两个能带：重空穴带和轻空穴带，这两个带的等能面为图2 5 所示。当施加 应变时，使得价带r 点简并发生分裂，a e 删l h = 0 3 8 x ( e v ) 。同时能带发生扭曲， 导致空穴有效质量变成高度的各向异性，而且原来单纯的轻、重空穴带的能级发 生混合，轻、重空穴带失去它们原有的意义。由于轻、重空穴带发生分裂，故施 加的应变越大，空穴占据最顶部的能带越多。一般可以近似认为，双轴应变使得 轻空穴带上升，重空穴带下降，空穴首先占据轻空穴带。同时能带分裂降低了自 旋轨道带的能量，使得带间和带内散射减小，从而提高了面内( i n p l 趾e ) 的空穴迁 移率。 h h s p i 一， 、“ ； ，、 ) r b i t o u t - o f n e 厂、咖艴 s 历r v 、 k 。甲、 厂、 u n s t r a i n e ds t r a i n e ds i 2 5 双轴应变引起的应变s i s i l 。g e 。中的价带结构的变化 2 2 5 双轴应变硅m o s f e t 迁移率的增强机理 载流子的迁移率p 与电导率有效质量和散射几率有关，即 = 芝 ( 2 - 1 4 ) = 二 u 。j m c m 木。为载流子的电导率有效质量，1 厅为散射几率。由此可见，降低电导率有效质量或 者降低散射率都可以提高载流子迁移率。 a ) 双轴应变硅n m o s f e t s 电子迁移率的增强机理： 从图2 4 可以看出，对于( 0 0 1 ) 圆片上制作的n m o s f e t s ，双轴应力导致2 ( 面外) 能谷和4 ( 面内) 能谷之间的简并消失，2 能谷的能级相对于4 能谷的能级下移，因 第二章应力引入及s i g e s i 的材料特性 此电子优先占据2 能谷。对于没有应变的体硅n m o s f e t s ，沿沟道方向总的电子 电导率有效质量m 堆为： r1 ， 、 - 1 ：l 二i 三+ 二l i(215m ) = l l 一十一l l k z 1 6 l 研，m ，川 式中第一项为面外2 能谷的贡献，第二项为面内乱( 面内) 能谷的贡献。2 能谷在垂 直于异质结界面方向具有纵向质量m l = o 9 8 m o ，在平行于异质结界面方向具有横向 质量m r = 0 1 9 m o 。可以看出，相对于没有应变的情况，双轴应变硅n m o s f e t s 中， 更多的电子占据2 能谷，意味着有更多的具有面内横向有效质量( m 。= o 1 9 m o ) 和面 外纵向有效质量( m 尸o 9 8 m o ) 的电子，面内电导率有效质量减小，面外电导率有效 质量增加。因此沿沟道方向电导率有效质量减小，迁移率增加。 对于反型层迁移率来说，在室温下，声子散射是主要的本征的散射机制。仅 考虑受声子散射限制的反型层2 d e g 迁移率，相对于体硅m o s f e t s ，应变硅 m o s f e t s 的迁移率增强可以归结于两个因素；一个因素是由于应变引起能带分裂， 谷间声子散射受到抑制，尤其是声子吸收过程的抑制；另一个因素是四重简并能 谷的占据率降低，导致平均传导质量减小。 b ) 双轴应变硅p m o s f e t s 空穴迁移率的增强机理： 通过前面对应变硅价带结构的分析知道，在应变硅中原来简并的轻空穴带和 重空穴带发生分裂，轻空穴带能量变低，空穴优先占据轻空穴带，引起空穴的电 导率有效质量降低，空穴的迁移率增大。由于能带分裂量较小，散射几率降低程 度很小。所以双轴应变硅p m o s f e t s 空穴的迁移率增大主要是由于电导率有效质量 的减小。 获得高空穴迁移率的一个重要因素是最顶部的能带具有很低的面内电导质 量，也就是说对通常的p m o s f e t s 来说，沿着沟道方向，等能面具有一个很窄的宽 度。虽然通过减小谷间散射可以显著地增加空穴迁移率，但是对于当前的工业生 产来讲，这是很有难度的。因为对于小于1 c - p a 的应力，能带分裂小于光学声子能 量( 6 0 m e v ) ，此时并不能显著的降低空穴的谷间散射。因此，为了可观地抑制谷间 声子散射，最顶部的两个能带的能量分裂值大于6 0 m e v 是必要的。 2 3 双轴应变材料温度效应 m o s f e t 反型层载流子迁移率主要由晶格散射、电离杂质散射和表面散射机 构决定，其中晶格散射主要受温度的影响。它们决定的迁移率与电离杂质浓度和温 度的关系如下： 应变b i c o m s 器件及应力分布研究 p i0 1 ：n t & 2 ( 2 1 6 ) ，o ct 一3 7 2 ( 2 - 1 7 ) 掺杂浓度较低时，晶格散射起主要作用，随着温度的升高，晶格散射的作用会越 来越明显。晶格散射迁移率随着温度的升高而降低。实际的晶格散射对迁移率的 影响往往与( 2 1 7 ) 式有所偏离，这是由于谷间散射的影响造成的。谷间散射使得 迁移率随温度增加的下降更加明显。 双轴应变硅材料载流子迁移率增大的一个重要原因是应变引起的能带分裂对 声子吸收过程的抑制加强，谷间散射减小。在较低的掺杂浓度下，晶格散射起主 要作用，双轴应变硅材料的载流子迁移率随温度的升高而降低。在较低的温度下 ( 小于2 0 0 k ) ，载流子迁移率受谷间散射因素的影响减弱，电离杂质散射因素的 作用加强，因此双轴应变硅材料由于谷间散射减小而引起的迁移率增大性能下降。 随着温度进一步下降，体硅载流子迁移率比应变硅材料载流子迁移率增长得更快， 在极低温度( 2 0 k ) 下，体硅载流子迁移率跟应变硅载流子迁移率基本相当，应变 硅失去迁移率增大的性能，如图2 6 所示 - 净 。 昌 。 弋 ： i 图2 6 双轴应变硅与体硅迁移率随温度变化的比较 2 4 应变硅层的临界厚度 当前，对于大多数用于主流电子器件的锗硅异质结构设计来说，都是在体硅 或者弛豫的s i l ) c g e 。虚拟衬底上生长- n 两层应变层，其厚度远小于虚拟衬底。假 设外延层和衬底之间的失配足够小，则生长在衬底上的第一个原子层的晶格就会 和衬底相匹配，从而产生应变。这样就会形成一个相干的即赝晶的异质结界面， 从而使得应变层的面内晶格常数被迫与衬底一致。当外延层的厚度逐渐增加，将 会存在一个最大值，称为临界厚度1 1 c ，超过这一厚度就会消耗外延层和与之相干的 衬底之间产生的弹性应变能量，产生失配位错来释放外延层中的应变，从而使外 第二章应力引入及s i g e s i 的材料特性 延应变层发生弛豫。对于锗硅系统这种位错是a 2 6 0 0 型。大量的失配位错产 生的缺陷将会影响材料的电学、光学和热学特性，降低器件的性能。 当前已经发展出很多模型来预测应变层的临界厚度。v a n d e rm e r w e 提出的热动 力学平衡模型认为，通过产生周期排列的位错能使系统的总能量最小化，得到临 界厚度： 仁嚣嘲 沼 式中v 为外延层的泊松比，伪外延层和衬底之间的失配，b 为滑移距离，对失配位 错来说是b u r g e r s 矢量。对于体硅衬底，6 = o 4 r i m 。 m a t t h e w s 和b l a k e s l e e 采用一个等价的能提供螺位错增殖的力平衡方法，得到的 临界厚度为： = j 1 1 - - u c o s 20 h c h 酗) 协 2 jm 怙+ 1 川 “_ 刿 式中0 为位错线与它本身的b u r g e r s 矢量之间的夹角，九为b u r g e r s 矢量与在界 面处垂直于位错线的方向的夹角。弛豫s i l x g e x 衬底上应变s i ，纯s i 和g e 之间 的失配为o 0 4 1 7 ，对a 2 6 0 0 型位错c o s 0 = c o s z = 0 5 ，则上式简化为： h = 2 2 9 6 9 x 一1 2 3 2 6 n m ( 2 2 0 ) 2 5 应变锗硅层临界厚度 应变锗硅薄膜的临界厚度l l c 与g e 组分x 以及薄膜的后续热处理密切相关。 p e o p l e b e a n 模型假设位错的自身能量局限在位于位错中心的一定区域内。锗硅薄 膜的临界厚度与薄膜的面应变能密度h 和位错能密度d 有平衡关系，两者的表达式 为： = 与兰= 疋x = 0 0 4 1 8 x ( 2 2 1 ) ， 口 j 暑一 一 ：2 g i ，+ _ s o h f 2 ( 2 2 2 ) 铲面gh ( 鲁) 协2 3 ， s 。i 面h l i ，j ( z 2 3 与低温下生长锗硅薄膜的临界厚度结果符合较好。式( 2 2 1 ) q b 彬是锗硅薄膜的失 配，a x 和瓠代表s i g e 薄膜和s i 衬底的晶格常数，丘是g e 与s i 衬底间的晶格失配。其中 g 为剪切模量，v 为泊松比( v 0 2 7 3 ) ，b 为滑移矢量( b = 0 4 n m ) ，其中a x 可以取其平 1 4 应变b i c o m s 器件及应力分布研究 均值0 5 5 4 n m 。令1 1 c 为临界厚度，如果s i g e 薄膜是组分渐变的，则1 l c 代表总体厚度。 令h = h 。( n m ) ，则由( 2 2 2 ) 得到： 7 l c f 2 2 3 4x1 0 - 3 i n ( 2 2 4 ) 分别利用v a n d e rm e r w e 、m a t t h e w s b l a k e s l e e 矛 1 p e o p l e b e a n 模型理论计算应变锗硅 随x 的临界厚度变化如图2 7 所示，其中空心园点表示的值来源于采用m b e ( 分子束 外延) 在5 5 0 外延生长实验值。 x i s f i t 饼) 路 二 卺 皇 h 苫 奢i 一 喘 u 2 叠 u g ef r a c t i o n 佛) 图2 7 在体( 0 0 1 ) s i 衬底上赝晶生长s i l x g e 。层的临界厚度 由此可见，临界厚度的m a t t h e w s b l a k e s l e e 理论值与v a n d e rm e r w e 理论值存在 较大的差别，而基于m a t t h e w s b l a l 【e s l e e 理论基础的p e o p l e b e a n 模型所求出的临界 厚度与低温下生长的锗硅层实验结果符合较好，高温下的结果还有待进一步研究。 实验发现，测量得到的临界厚度取决于外延生长温度和生长速率，临界厚度随衬 底温度升高而减小。 2 6 本章小结 本章首先介绍了应力引入的方法，并重点阐述了双轴应力的引入。因为国内 目前的工艺水平还不适合单轴应力器件的设计，所以本文主要建立在双轴应变材 料基础上进行研究。 s i g e 晶格的畸变必然会产生晶格失配f m i 。眦劬，进而影响外延层中应力。的大 小；禁带宽度a e g 将会对第四章要研究的s i g eh b t 的工作性能产生重要影响，而能 带分裂所引起的迁移率散射的减小也会对后续要研究的s i g ec m o s 性能产生重大 影响；温度和临界厚度的研究为s i g e 船t 和s i g ec m o s 工艺和可靠性研究打下基 础。 第三章双轴应变材料应变和应力分布研究 坚 第三章双轴应变材料应力分布研究 研究双轴应变材料中应力分布，无疑对深入改进应变器件的性能具有重要意 义。本章在均匀弯曲的假设基础上，提出了计算双轴应变材料中应力分布的理论 模型。所谓均匀弯曲是指，认为在s i 衬底上赝晶生长s i g e 时，整个异质结是均 匀弯曲的。要满足这个假设，就必须要求外延层和衬底的杨氏模量接近。在厚衬 底的情况下，对提出的计算模型进行化简，对实际运用具有重要意