（微电子学与固体电子学专业论文）应变cmos器件结构模型研究.pdf

摘要 摘要 应变硅技术通过在传统的体s i 器件中引入应力来改善迁移率对器件性能的 限制，而且应变c m o s 以体s i 工艺为基础而不需要太过复杂的工艺，因而正在 做为一种廉价而高效的技术而得到越来越广泛的应用，延续着摩尔定律的发展。 本论文提出了一种新型的应变c m o s 器件结构模型。这种结构采用全局应 变应力引入技术，在同一块硅片上实现应变硅表面沟道n m o s f e t 和应变硅垂 直沟道p m o s f e t 的集成，既应用到新型技术，又符合国内工艺条件，提升工艺 设备的利用价值，兼顾先进性和经济性的考虑，是一种很有发展前途的器件结 构，具有创新性。 为了器件模拟的需要，建立了应变硅器件的迁移率模型和阈值电压模型等 主要的器件物理参数模型，应用二维器件模拟软件m e d i c i 对器件的直流和交流 特性进行了模拟仿真，并对主要的结构参数对器件性能的影响做了模拟，以选 取适当的参数优化器件性能。 通过模拟的结果证明这种新型器件性能良好，具有很好的应用前景。 关键词：应变硅 c m o s 器件结构 a b s t r a c ti i i a bs t r a c t s t r a i n e ds i l i c o nt e c h n o l o g ye n h a n c e st h ec a r r i e rm o b i l i t yi nb u l ks ic m o sb y i n t r o d u c i n gt e n s i l eo rc o m p r e s s i v es t r e s si n t os id e v i c e i na d d i t i o n ，b a s e do nt h e p r o c e s so fb u l ks ic m o s ，s t r a i n e ds i l i c o nt e c h n o l o g yn e e d sn oc o m p l i c a t e d m e t h o d si n p r o c e s sl i n e ，t h u sb e i n gw i d e l ya p p l i e da sac h e a pa n de f f i c i e n t m e t h o d o l o g y , a n dm a i n t a i n i n gt h ec o n t i n u a t i o no fm o o r e sl a w t h i st h e s i sd e s i g n e dan o v e ls t r u c t u r em o d l eo fs t r a i n e dc m o sd e v i c ew h i c hi s i n t e g r a t e db ys t r a i n e ds i l i c o ns u r f a c ec h a n n e ln m o s f ta n ds t r a i n e ds i l i c o nv e r t i c a l c h a n n e lp m o s f e t t h i sc m o ss t r u c t u r en o to n l yu s e dt h en o v e lt e c h n o l o g y ，b u t a l s of i t e da n dp r o m o t e dt h ep r o c e s sl i n eo fo u rc o u n t r y ，w h i c hi sa d v a n c ea n d e c o n o m i c a lw i t hag r a t ef u t u r e t h i sn o v e ls t r a i n e dc m o ss t r u c t u r ei sac r e a t i v e d e s i g na n dh a s n tb e e nr e p o r t e dp r e v i o u s l y f o rt h es a k eo fs i m u l a t i n ga n dm o d e l i n gt h en o v e ls t r a i n e dc m o s ，t h em a i n d e v i c ep h y s i c a lp a r a m e t e r ss u c ha st h r e s h o l dv o l t a g ea n de f f e c t i v ec a r r i e rm o b i l i t y a r ee s t a b l i s h e d a f t e rt h a t ，t h ei n t e g r a t e ds t r a i n e dc m o sw a ss i m u l a t e db ym e d i c it o r e s e a r c ho nt h ed cs t e a d ya n da cs m a l ls i g n a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dm a j o rs t r u c t u r e p a r a m e t e r so fd e v i c e t h er e s u l tf r o mt h es i m u l a t i o nd e m o n s t r a t e dt h a t t h i sn o v e ls t r a i n e dc m o s s t r u c t u r ei sw e l ld e s i g n e da n dw i l lh a v ea p r o m i s i n gf u t u r ei nt h ea p p l i c a t i o nf i e l d k e y w o r d s ： s t r a i n e ds i l i c o nc m o s d e v i c es t r u c t u r em 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 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 本人签名 不实之处，本人承担一切相关责任。 日期盟垒三皇上 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。本人保证 毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大 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。( 保 密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论 本人签名 导师签名 年解密后适用本授权书。 日期垒2 呈21 生 日期 2z ! ! ! 受 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 根据摩尔定律，集成电路的发展水平以每18 2 4 个月集成度就翻一翻的速 度发展，集成电路技术和微电子技术的迅猛发展使得半导体器件的尺寸可以不 断地缩小以保证摩尔定律的预测得以实现。目前，s i 基c m o s i l 】工艺水平已到 达6 5 n m 、4 5 n m ，正向3 2 疗聊迈进1 2 】。然而，随着器件特征尺寸减小、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。尤其是当集成电路芯片的特征尺寸进入了纳米尺度，m o s 管尺寸 趋于物理与工艺极限后，使得集成电路继续按照摩尔定律发展下去将变的非常 困难，因此必须寻找新的途径来解决现有的问题。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，为延续摩尔定律发展集成电路带来了生机。 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 l s i g e 能带的不连续性和应变，可以设计出新型的半导体器件，制作高频、 高速器件和电路。同时，利用s i 和s i g e 晶格不同产生的张应变或压应变效应 可以获得具有特殊性能的应变材料，从而提高载流子的迁移率，使s i 基c m o s 器件的性能得到了巨大的提升。不仅仅是新型半导体材料的研究使得集成电路 的发展有了长足的进步，各种新型的器件结构也将半导体器件的性能提升到了 一个新的高度。多种超高频，大功率的半导体器件被开发出来应用于不同需要 的集成电路里。如何在现有的成熟的技术基础上不追加太多的投资成本而获得 性能更好的半导体器件与集成电路成为国内外竟相研究的热点，其中最主要的 途径之一就是采用新颖的器件结构。目前，s o i ，三维集成等已经成为炙手可热 的研究焦点，并已取得累累硕果。对于应变s i g e 材料的器件研究也不断的取得 新的突破，各种新结构新方法被提出，展示了勃勃的生机和辉煌的应用前景。 1 2 国内外研究发展状况 近年来，国内外基于应变材料的器件研究发展迅速，应变材料及其相关器 件的优势及潜在的优越特性愈来愈引起世界各国的极大兴趣和关注。目前，国 外对应变s i 、应变s i g e 器件及电路的研究已经进入了商用化的阶段。全球各大 主流半导体公司也均宣布在应变s i s i g e 异质结双极晶体管( s i g eh b t ) 、应变 s ic m o s 的制造技术上有所突破：i h p 公司基于s i g e 技术制造出f t = 3 0 0 g h z ， 应变c m o s 器件结构模型研究 厶以= 2 5 0 g h z ，门延迟时间小于3 3 p s 的s i g eh b t 3 】； i n f i n e o n 公司基于s i g e 技术制造出f r = 2 2 5 g h z ，厶甜= 3 0 0g h z ，门延迟时间小于3 2 p s 的s i g eh b t 【4 j ； i b m 公司基于s i g e 技术制造出f r = 3 0 0 g h z ，厶酊= 3 5 0g h z ，f - j 延迟时间小于 3 3 p s 的s i g eh b t l 5 1 。 随着对s i g e 器件研究的深入，研究的重点逐渐由单一的s i g eh b t 研究延 伸至基于应变s i s i g e 材料的m o s f e t 和s g o i ( s i g eo ni n s u l a t o r ) 等技术。如何 充分发挥和利用s i s i g e 应变材料的特性，即如何获得m o s f e t 导电沟道中高 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，成为应变硅 器件研究的重点。同时，如何能采用新型结构使得各种优点能够集中在单一m o s 器件上也成为一个新的挑战。 2 0 0 4 年i n t e l 公司新推出采用应变s i 技术的9 0 n mp e n t i u m 4 芯片，芯片性能 提高1 0 一2 0 ，频率达3 4 g h z ，实现了c p u 遵循摩尔定律的第1 4 次更新换 代；i b m 采用应变s i 和s o i 技术使其p o w e r p c 和a m d 公司的a t h l o n6 4 芯 片的工作频率分别提高了7 和1 2 。在2 0 0 5 年的国际电子器件会议( i e d m ) 上， 英特尔和东芝分别推出用于4 5 n m 工艺的第二代应变硅技术。在2 0 0 7 - - 2 0 0 8 年， i n t e l 、a m d 的双核、三核以及四核微处理器中，均引入了氮化硅致应变技术， 大大提高了其工作频率和工作性能。单是依靠尺寸缩小不能提达到需的芯片性 能，未来业界将转向新的应变s i 及其器件技术研究，以使m o o r e 定律仍能继续 适用。应变技术为高速、高性能器件与电路的发展开辟了新的途径，以集成电 路为代表的微电子技术正在进入应变技术时代。 概括起来，s i 基应变技术的研究发展大致分为四个阶段： 1 、二十世纪八十年代，集中于s i g e s i 异质结生长和能带结构研究，异质 结的缺陷密度高达1 0 8 1 0 1 0c m 。 2 、二十世纪九十年代初期，发展弛豫s i g e 缓冲层技术，s i g e s i 异质外延 缺陷密度降低到1 0 6 1 0 8c m ，对应变s i 、s i g e 和g e 沟道f e t ( 包括s c h o t t y 和s i 0 2 栅) 进行了初步探索。 3 、二十世纪九十年代后期，集中于各种应变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 器件的性能。表面应变s in m o s f e t 的性能比体s i n m o s f e t 性能提高4 5 。 4 、二十一世纪初期，重点开展了s i 基应变技术研究。i n t e l 、i b m 等国际半 导体公司先后研发了基于s i g eh b t 的b i c m o s 集成电路和应变s ic m o s 集成 电路，使s i 基应变技术进入实用化阶段。 国内s i 基应变技术的研究起步较早，对s i 基应变材料和器件开展了大量的 研究，但由于工艺条件所限，研究工作仍处于探索阶段，与国外研究水平差距 较大6 】【7 】。相对而言，清华大学、北京大学、西安电子科技大学、电子科技大 第一章绪论 学、东南大学、中科院微电子所等单位，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。 国内在应变硅技术研究方面主要集中于大专院校和科研院所，包括西安电 子科技大学、西安交通大学、成都电子科技大学、中电集团二十四所、清华大 学、北京工业大学、中科院半导体所、上海微系统所等在内的多家科研单位， 在应变s i g e 、应变s i 材料生长、s i g eh b t 、s i s i g em o s f e t 器件和电路等方 面进行了深入研究和探索，取得可喜成果。 1 3 本文工作目的及内容 本论文的研究目的在于研究应变c m o s 器件结构，利用全局应变应力引入 技术，将应变n m o s f e t 和应变p m o s f e t 集成在同一硅片上，得到高性能的 c m o s 器件。 本论文研究内容为应变c m o s 器件结构模型，利用全局应变应力引入技术， 实现应变硅表面沟道n m o s f e t 和应变硅垂直沟道p m o s f e t 的集成，全局应 变s i 层在平行界面上受到双轴张应变，在垂直界面方向受到单轴压应变，分别 提升了电子迁移率和空穴迁移率，从而使得c m o s 器件性能获得提高。 为此，研究全局应变硅技术的原理和应力引入技术，分析研究了已报道的 两种应变c m o s 器件结构的优缺点。在此基础上提出一种新型的应变c m o s 器 件结构，对其进行了深入研究。 以二维数值器件模拟软件m e d i c i 为工具，在建立应变硅表面沟道n m o s f e t 和应变硅垂直沟道p m o s f e t 的物理参数模型和电学参数模型的基础上，对新型 应变c m o s 器件结构进行模拟分析，包括直流稳态和交流小信号特性分析，深 入讨论了器件传输特性、跨导和特征频率等电学参数与器件结构参数和材料参 数之间的关系，并对器件进行模拟优化，得出一些有意义的结论，对进一步器 件结构的完善有指导意义。 基于上述工作，本论文各章内容具体安排如下： 第一章：绪论。综述应变s i 、应变s i g em o s f e t 的国内外研究发展状况以 及面临的问题，概述了本文的主要工作的目的、意义及内容。 第二章：应变m o s 器件研究。研究应变硅的晶格及能带结构等物理特性， 并详细阐述了应力引入技术。提出了一种新型应变c m o s 器件结构，并对其结 构特点和实现工艺进行研究。 第三章：应变硅表面沟道n m o s f e t 。建立阈值电压模型和有效迁移率模 型，为第五章新型应变c m o s 器件的模拟分析提供模型基础。 应变a m o s 器件结构模型研究 第四章：应变硅表面沟道p m o s f e t 。建立阈值电压模型和有效迁移率模型， 为第五章新型应变c m o s 器件的模拟分析提供模型基础。 第五章：新型应变c m o s 器件结构研究。对器件性能进行模拟和分析，包 括直流特性分析和交流小信号特性分析，并在此基础上进行模拟优化，分析器 件结构参数对其电学特性的影响。 第六章：结果讨论；总结了本论文所做的工作和主要成果以及需进一步深 入和改善的工作。 第二章应变m o s 器件研究 第二章应变m o s 器件研究 2 1 1 应变硅晶格结构 2 1 应变硅技术研究 驰豫s i 导带底附近的等能面为沿 方向的六个旋转椭球面，导带极小 值即能谷位于 方向的布里渊区中心到其边界的0 8 5 倍处【8 】。当s i 薄膜赝 形生长在弛豫s i g e 衬底上时，会受到双轴张应力，晶格应变使s i 能带结构发生 变化，沿平面方向的晶格受到拉伸，既所谓的张应变，形成张应变s i 。 图2 1 给出了在s i 衬底上外延生长应变s i 弛豫s i g e 层的能带结构。应变 s i 层在垂直界面方向受到单轴的压应变，而在二维的平行界面方向上受到双轴 的张应变。平行界面上s i 层的晶格会伸展以匹配弛豫s i g e 层的晶格，这种弛豫 的s i g e 层有时也被称为虚衬底。 a a 上 u _ l 弋 图2 1s i 薄膜赝晶生长在弛豫s i g e ( 1 0 0 ) 衬底上 g e 单晶的晶格常数a ( g e ) 为5 6 5 7a ，s i 单晶的晶格常数a ( s o 为5 4 31a ， 完全驰豫的g e 组分为x 的s i l x g e x 的晶格常数a ( s i h g e x ) 口- i 以通过下面公式算 出【9 1 ： 口( 鼠一，g 巳) = a ( s i ) + a ( g e ) - a ( s i ) s i 2 + o 2 0 0 3 2 6 ( x - x 2 ) ( a ) ( 2 1 ) 应变c m o s 器件结构模型研究 = 54 3 l + 0 2 0 0 3 2 6 x + 0 0 2 3 2 7 x 2( a ) ( 2 - 2 ) 通常对于一层很薄的硅薄膜赝形生长在弛豫s i g e 村底上时，异质外延的失配应 变定义为： 。= 等：二丛 ( 2 - 3 ) m 其中4 m 为驰豫s “；g e 。虚拟衬底层的晶格常数，4 m 。为无应变的外延层薄膜的 晶格常数，即硅的晶格常数。外延层中的应力。由下式给出： 口= 2 = 等5 。m ( 2 4 ) 其中e 和r 分别为外延层薄膜的弹性模量和泊松比。那么对于应变s i ，驰豫 s i t 。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 1 2 应变硅导带能带结构 张应变s i 能带结构发生相应的变化。对于导带，体s i 的导带底能谷是沿布 里渊区 方向中心到边界处的六个等同的旋转椭球面。当受到张应力作用 时，导带底附近的六度简并能谷缸分裂成两组分立的能谷：一组为二重简并能 谷2 ，另一组是四重简并能谷a 一。其中2 能谷仍近似为旋转椭球面，其能量极 小值降低；矗4 能咎近似为扁椭球面，能量极小值升高，能咎之阐的能量分裂值 一丘，圳f 由下式决定【t o i l l l 】 蛆( 渤= 06 7 y e v( 2 - 5 ) m t 蜘目o n s l l 知， 第二章应变m o s 器件研究 b i l s is t r a i n e ds i 珥 啦 o 6 7 y ( e v ) 图2 2 驰豫s i 和应变s i 导带等能面与应变s i 导带能带分离示意图 ( a ) ( b ) ：驰豫s i( c ) ( d ) ：应变s i ( a ) ( c ) ：三维电子气 ( b ) ( d ) ：二维电子气 式中y 是弛豫s i l y g e y 衬底的g e 组分。图2 2 给出应变s i 导带能带分离示意图。 2 1 3 应变硅价带能带结构 双轴应变s i 的价带结构也发生改变。张应变使厂点简并的轻、重空穴带分 离，轻空穴带( l h ) 能量升高，重空穴带( h h ) 能量下降，并且自旋一轨道耦合分 裂能带( s 0 ) 能量降低：而在单轴压应变情况下，h h 带上升，l h 带和s o 带都下 降，h h 带和l h 带的分离使得h h 带成为最高的带。h h 带在r 点( k = 0 ) 处发 生形变使得空穴变的更轻。在这种情况下，空穴的有效质量m h 邮犟低使得其迁移 率提高从而提升了半导体器件的性能。如图2 3 所示。轻、重空穴能带在厂点的 能量分裂值 z l e l 肌趼，“表示为【1 2 】 a e l _ m 棚( 跚) = o 3 8 y e v( 2 - 6 ) 式中y 是弛豫s i l v g e v 衬底的g e 组分。 巾- _皿_ 6 p h j 。7p 歹i t 厂 埘ik t 佘；? 埘l 、细 l h 、于 ，。 玉j 一 ， ， ， 叫f ，一 ， ，s o 图2 3 应变s i 价带能带分离示意图 应变s i 的禁带宽度e g 由上移的轻空穴带顶和下移的二度简并导带能谷决 定，其禁带宽度小于体s i 。理论上采用k p 方法计算应变s i 的能带结构【1 3 】【14 1 ， 为了便于模拟，采用数值拟合得到的简化3 0 0 k 应变s i 禁带宽度模型10 1 ，其能 应变c m o s 器件结构模型研究 带结构如图24 所示 图24 应变s l 能带结构示意图 最m = 1 1 1 06 ye v( 2 7 ) 2 1 4 应变硅载流子有效质量 驰豫s i 导带有六个旋转椭球等能面，两个 方向2 能谷等能面用旋转 椭球来近似，而四个 方向t 能谷等能面用扁椭球来近似，用肺，和m f 来 表示横向有效质量和纵向有效质量。其中，4 能谷沿界面方向和垂直于界面方 向的横向有效质量不同。横向有效质量为m r = 0 1 9 m 。，纵向有效质量为 m f 09 1 6 m 。【l ”。应变促使导带底的简并能谷分裂，电子先占据能量较低的能谷 2 ，一能谷中的电子数目减少，等能面的形状发生改变，如图22 ( c ) 所示。对于 2 能谷等能面，仍用旋转椭球近似，乜能谷则用扁平椭球近似，因而4 能谷横 向有效质量分为在( x ，y ) 平面内的有效质量m p 1 和垂直于( x ，y ) 平面的有效质 量叫p 。从置p 理论计算出* g 温( 3 0 0 k ) t - 应变s i 电子有效质量与驰豫s i l y g 勺 村底中g e 组分的关系1 6 1 ，如图25 所示。 g em o k 舟妇n ， ( a ) 图25 应变s l 屯子有效质量与驰豫s i 白m 幻， 彻 州g e 衬底中g e 组分变化的关系” 一 oer口gega#_p# 第二章应变m o s 器件研究 9 2 能谷的横向有效质量和4 能谷的纵向有效质量均随着g e 组分的增加而 有明显的减小。状态密度有效质量可由加。= f ，m l m ，上m 。) 1 3 得出，经计算可 知，2 能谷和4 能谷的状态密度有效质量随着g e 组分的增加会有明显的减小。 在无应变的晶体中，较高的能带乃，h 对应于重空穴带，而较低的能带n ，2 与轻空 穴带相符。在远离r 点，这两个能带互相排斥。但只要引入小量的应变，几，的 简并度就会被消除，进而r 8 v “与r 8 v 1 的有效质量差就会下降。当s i 受到张应力 ( 工g 。不等于0 ) 时，则r 8 v ”能带对应于“轻空穴带”，n ，7 能带对应于“重空穴带”。 在应变水平高时，r 8 v “最大值远离其它能带，呈抛物线型；在应变水平底时， 它可以迅速与其它能带耦合。由图2 6 可见，轻空穴带的状态密度有效质量随 g e 组分的增加而明显的减小。 图2 6 应变s i 空穴态密度有效质量与驰豫s i l y g e y 衬底中g e 组分变化的关系n 8 1 2 1 5 应变硅m o s f e t 迁移率的增强机理 载流子的迁移率与电导率有效质量和散射几率有关，即 ：罢 ( 2 8 ) m 。木为载流子的电导率有效质量( c o n d u c t i v i t ye f f e c t i v em a s s ) ，j 斤为散射几 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。 标准( 0 0 1 ) 晶向的m o s f e t s 器件横截面如图2 7 所示，图中定义了衬底晶 向 ，沿着该方向垂直于沟道方向的平面称为面夕b ( o u to f p l a n e ) 沿着沟道 向平行于界面方向的平面称为面内( i np l a n e ) 。 l 9 8 7 6 5 4 3 2 l o n n o n n n o 口o 遐鲁嚣，甜n美可8日盘逞 应变c m o s 器件结构模墅研究 h m n pf 田27 标准( 0 0 1 ) 晶向的m o s f e t s 器件横截面示意圈 1 应变硅n m o s f e t s 电子迁移率的增强机理 从图2 2 可以看出，对于( 0 0 1 ) 圊片上制作的n m o s f e t s ，取轴应力导致a 2 能谷和a 4 能谷之间简并消失，2 能谷的能级相对于4 能谷的能级下降因此电 子优先占据a 2 能谷。对于没有应变的体硅n m o s f e t s ，沿淘道方向总的电子电 导率有效质量m 为： m = 三( 三+ 二) r 1 ( 2 - 9 ) 6 、m 1 式中第一项为2 能谷的贡献，第二项为4 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埘f = 0 9 1 6 m 口，在平行于异质结界面方向 m ，= 0 1 9 m 。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 尸0 1 9 m o 和面外纵向有效质量埘尸0 9 1 6 m 口的电子，面内电导率有效质量减小，面外电导 率有效质量增加。困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。 2 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【1 9 1 。 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( i n t e r v a l l e ys c a t t e r i n g ) 4 7 以显著地增加空穴迁 一 墨三差壁壅! 堕量壁墅塞 ! ! 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l c , p a 的 应力，能带分裂小于光学声子能量( 6 0 r e e f ) ，此时并不能显著的降低空穴的谷间 散射。因此，为了可观地抑制谷问声子敢射，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【1 研叫。 2 2m o s 器件应力引入技术 硅基c m o s 集成电路以其功耗低，集成度高工艺兼容性强等优点一直以 来都是集成电路发展的主流。但是s i 材料自身比较低的迁移率已经成为了影响 器件性能进一步提升的瓶颈。应变硅技术采用现有的工艺条件，通过应力改变 器件的迁移率，从而提高器件性能是一种经薪而有效的解决方法。 半导体材料所受应力可以分为单轴、双轴和三雏。三维应力使半导体材料 能级移动，单轴和双轴能够使半导体能带发生分裂，引起载流子迁移率增强， 因此，在半导体器件中所采用的是单轴和双轴应力引起的应变。单轴是半导体 材料在一雏方向发生应变，双轴是半导体材料在二维方向发生应变。应变可分 为张应变和压应变，前者是晶格常簸被拉伸的应变，后者是晶格常数被压缩的 应变。一般n m o s 沟道采用张应变，p m 0 s 沟道采用压应变。 合理的应力引入是获得高载流予迁移率应变材料的关健技术。在m o s 器件 的拘道中引入应变可归为两类不同的方法；一类是树底致应变( s u b s t r a t e - i n d u c e d s t r a i n ) ，或称为全局应变，该应变是由外廷层材料与村底材料的晶格常数不同而 引起的。另一类是通过工艺在有源医引入应变，称为工艺致应变( p r o c e s s - i n d u c e d s w a i n ) ，或称为局部应变。本节主要简要介绍m o s 嚣件应力引入方法。 2 2 1 机械力致应变技术 在m o s 器件中引入应力，最简单的方法就是在s i 圆片上直接旌加一个机 械应力，使圆片产生形变。这样，在圆片表面就会受到虚力，这种装置如图2 8 所示雎“。 w i k h 瑚h c 瞳i 。r , v a l e h e l d t r 应变c m o $ 器件结构模型研究 图2 8 ( a ) 在s i ( 1 0 0 ) 圆片上施加外部机械应力装置示意( b ) 在圆片表面不同沟道方向上的 器件分布示意图 圆片表面各点受到的应力的大小和类型都随着该点距离圆片最中心的距离 变化而变化。例如，圆片中，t l , 点在应力作用下产生o9 r a m 的位移时，圆片表面 其他各点产生的应力情况如图2 9 。可以看到，原片表面各点受到的应力可以分 解为切向( 沿着0 的方向) 和径向( 沿着r 的方向) 这两个方向。切向方向的应 力始终是张应力，从中心到边缘逐渐减小；径向方向的应力从中心到边缘由张 应力逐渐变为压应力。根据此图，就可以在圆片上进行合理的器件布局。 2 2 2 全局应变技术 o h 枉n t r a m ：a n t m r ) r m m ， 图29 四片表面各点产生的应力 在弛豫s i g e 缓冲层上外延生长s i 应变薄层，或者在s i 衬底上外延生长s i g e 应变薄层就是典型的全局应变技术。利用s i 和s i g e 的晶格失配，在s i g c 上外 延生长的s i 层就会受到一个双轴张应力的作用，而在s i 上生长的s i g c 层受到 的是双轴压应力，如图2 1 0 所示【2 2 】。 第二章应变m o s 器件研究 f _ 一n r i i n 叫 - 图2 1 0s i g e 层应变的产生示意图 弛豫s i g e 层上生长应变硅层，产生双轴张应变的情况在本章2 1 节已经做 了阐述，晶格结构图见图2 1 。全局应变技术的优点在于应变是在衬底制备时引 入，不影响后续制作器件和电路，工艺较为简单，成本较低。 2 2 3 局部应变技术 1 源漏( s d ) 植入致应变技术 在p m o s 器件的s d 区分别进行s i g e 生长【2 3 1 ，而在n m o s 器件的s d 区 分别进行s i c 生长，由于s i g e 的晶格常数大于s i 的晶格常数，就会在沟道中引 入压应力；而s i c 的晶格常数比s i 的小，就会在沟道中产生张应力。用这种方 法引入的应力都是单轴的。 众所周知，c m o s 电路的性能在很大程度上受p m o s 的制约，因此，任何 技术如果能够把p m o s 的性能提高到n m o s 的水平都被认为是有利的。相对于 标准p m o s 器件，采用植入s i g e 源漏技术( 见图2 1 1 ) ，在短沟道器件中产生 的应力可达9 0 0 m p a ，电流可提高6 0 9 0 。 图2 1 1 源，漏注入s i g e 的p m o s 结构 2 d s l 技术： d s l ( d o u b l es t r e s sl i n e r ) 技术的典型工艺是：生长硅化物_ 沉积张应力 她4 叶反应离子刻蚀p f e t 中甄4 一沉积压应力s i , 4 _ 反应离子刻蚀n f e t 中观4 _ 制备i l d 和接触。也可以先沉积压应力的她4 ，后沉积张应力的甄4 ， 应变c m o s 器件结构模型研究 并分别进行刻蚀而形成。如图2i 3 所示 抽蚺h i 哪e c o m 州t h m d 4 e ”? j 旺4 压玲 一田笔 ：口冬 圈212s i n 应力引入技术及工艺流程不惹圈 h s y a n g 等人的研究结果表明，应用d s l 技术后使得n m o s f e t 和 p m o s f e t 的有效驱动电流分剐增加1 5 和3 2 ，饱和驱动电流分别增加1 1 和 2 0 。同时，空穴的迁移率增加了6 0 ( 此时使用的应变层为s i 3 n 4 ，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，生产的微处理器的产量相当。这说明，d s l 技术能使用标准工具 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。 目前，d s l 已经应用于9 0 h m t - 艺，在m m p o w c r p c 和a m d a t h l o n6 4 微 处理器中已有相当大的使用量( 没有同时使用s o l 技术) 。目前，正在研究将d s l 与s o i 同时应用于亚4 5 n r a 高性能c m o s 制各中。 3 应力释放引入应力技术 应力释放引入应力【2 4 j 的方法是一种在c m o s 器件中引入应力的新方法，以 s i g e 上形成张应变s i 为例，其原理是：在s i 衬底上生长的s i g e 层由于受其下 层s i 的应力作用，会在s i g c 层中产生一个压应力，为了使在s i g e 层上方的s i 沟道中能够产生张应力，可以先把两边的s i g e 层刻蚀掉一部分，这样s i g e 层 在横向方向就会变成弛豫的，然后再在其上边和两边的捌蚀槽中生长一层s i 。 这样s i 层由于受其下方弛豫s i g e 层的作用就会受到张应变，从而可以用来制作 n m o s 器件。这种方法也可以实现在相同的材料结构上同时制作n m o s 和p m o s 的效果。通过应力释放产生应力的方法需要工艺上选择合适的s i 层和s i g e 层的 厚度，另外小尺寸下的刻蚀方法和选择合适的退火温度也是需要考虑的。 4 应力记忆技术 应力记忆技术2 5 1 是一种在小尺寸c m o s 器件上引入应力的方法，通过淀积 再牺牲s i n 薄膜来引入应力。该方法的主要工艺过程是在m o s 器件上先生长一 层无定型s i ，然后在这层s i 上面淀积张应力或压应力的s i n 薄膜。这层s i n 薄 膜会对下面的无定型s i 产生张应力或者压应力。当刻蚀掉s i n 薄膜后- 无定型 的s i 层由于分子的重新排列会对薄膜的压力产生一个记忆的效果，从而继续对 其下的m o s 沟道层产生应力。这种方法在制作工艺上需要考虑如何淀积无定型 s i ，另外，如何获取能够产生张应力和压应力的s i n 薄膜也是一个需要考虑的方 面。 第二章应变m o s 器件研究 5 g e 预非晶化应力引入技术 利用g e 预非晶化p m o s 源漏延伸区对s i 沟道诱生一个大的压应力2 6 1 ，从 而显著提高m o s 管的空穴迁移率。这是一种与c m o s 非常兼容的技术，而且不 需要增加光刻掩膜，对n m o s 电子迁移率没有负面影响。图2 1 4 给出集成了 g e 预非晶化s d 延伸区对沟道诱生单轴压应力p m o s 器件结构剖面示意图。 图2 13 6 0 预非晶化应力引入示意图 2 3 应变c m o s 器件结构 上述应力引入技术用于c m o s 器件，如利用源漏( s d ) 植入致应变技术在源 漏区植入s i g e 产生压应力，或者利用d s l 技术生长带有张应力或者压应力的 s i n 薄膜对n m o s 和p m o s 产生应力等，这些都是属于局部应变应力引入技术。 但是由于这些单轴的应力引入技术需要非常先进的工艺设备，而目前国内的工 艺线水平和国外相比普遍偏低，引进国外先进设备耗资巨大，不符合我国国情。 采用在硅片上外延生长应变s i 弛豫s i l x g e x 层的全局应力引入方法，在衬底片 的制备过程中引入应变，不影响后续器件的制作过程，而且工艺较为简单，可 以提升国内现有工艺设备的使用价值，是研究应变c m o s 器件的一条可行之路。 国内外报道的采用全局应变制造的应变c m o s 器件主要有两种结构，一种是应 变s g o ic m o s 结构，另一种是埋层双应变沟道c m o s 结构。 2 3 1 应变s g o ic m o s 结构2 7 1 通过刻槽和g e 浓缩的工艺技术使s o i 衬底上的压应变s i g e 层局部驰豫， 在驰豫的s i g e 层上选择性外延应变s i 层，实现全局的张应变和全局压应变的集 成。器件结构和工艺流程如图2 1 4 所示。 首先选用r l 型( 1 0 0 ) 晶面的s o i 衬底片，利用热氧化和湿氧刻蚀将s i 层减 薄至3 0 n t o ，然后利用u h v c v d 技术淀积一层13 0 n m 厚的s i o 8 5 g e o _ 1 5 层，由于 应变c m o s 器件结构模型研究 淀积温度约为5 8 0 摄氏度，失配位错减少，所以s i g e 的厚度可以保持在临界厚 度以下。利用刻蚀阻挡层将在晶圆上刻蚀出如图台面结构，然后经过选择性掩 膜部分的保留1 3 0 n m 的s i g e 层，其他部分减薄至9 0 h m 。形成$ i g e 台面结构并 且局部减薄至9 0 h m 后，整个晶圆进行g e 浓缩步骤，开始在1 0 5 0 ( 3 n 2 气中退火， 之后经过同样温度下周期氧化和遇火步骤，将g c 浓缩到下层的s i 层中，形成 富g e 的s i g e 层。经退火最终形成7 4 8 n m 弛豫的s i 0 8 0 0 e o2 0 层和1 2 8 n m 厚压 应变的s i 0 5 5 g o o 拈层。然后在弛豫的s i os o g e o2 0 层上选择性淀积张应变的s i 层， 用于制作n - m o s f e t ，p - m o s f e t 则做在压应变的s 沁5 g o o ”层上。 g r o w l3 0n ms b * g ” 裟黑学“。a 圈21 4 ：应变s g o ic m o s 结构和工艺流程图 这种方法在硅片上同时实现了全局张应变s i 和全局压应变s i g o ，分别用于 制造n m o s 和p m o s 。但其工艺步骤较为复杂，压应变s i g e 层的局部驰豫和 g e 浓缩工艺难以控制，使得器件制造困难，可靠性不高。 2 3 2 埋层双应变沟道c m o s 结构。” m a r ka a r m s t r o n g 等人提出了一种由应变s i 埋沟电子沟道和应变s i l 。g e 。埋 沟空穴沟道组合形成的平面h c m o s 结构，采用层叠衬底结构实现集合张应变和 压应变的双应变沟道，提高了c m o s 器件的性能。结构如图2 1 5 所示。 这种结构实现了应变n i v i o s 和应变p m o s 的集成，并且都是平面结构，与平面 s i t 艺兼容性较好。但其层叠村底结构比较复杂，材料生长困难，并且会引入过 多的缺陷，其次采用了阱工艺，p m o s 的材料层结构是生长在n 阱之上的，这会降 低材料层的质量，降低器件的性能。 羹 第二章应变m o s 器件研究 e v e f p p m o sn m o s 錾兰! 鲎 s d 2 s i n p 3 p w n 删iip _ 瓢n f h o j i ( 阳b 舶d 1 认， 、 e f ne c 图2 15 应变s 1 埋沟电子沟道和应变s i l - x g e ，埋沟空穴沟道h c m o s 器件结构和能带原理 图 2 4 新型应变c m o s 器件 结合上述应变c m o s 器件结构的优缺点，本文提出了一种新型应变c m o s 器件结构，如图2 1 6 所示。该结构采用较为简单的衬底结构，在s i 衬底上生长 应变s i 驰豫s i g e 层，引入全局应变。n m o s 为应变硅表面沟道结构，p m o s 为应变硅垂直掏道结构，实现了应变n m o s 和应变p m o s 的集成。驰豫s i g e 上生长的应变s i 层，在平行界面产生双轴张应力，提升了n m o s 导电沟道的电 子迁移率口 。应变s i 层在垂直方向上产生