（微电子学与固体电子学专业论文）应变硅载流子迁移率增强机理及模型研究.pdf

摘要 摘要 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。 在目前的集成电路产业中，基于应变s i 技术的器件和电路已经得到运用。在应变 s i 技术得到实际运用的同时，相关理论也在不断发展。从理论上研究应变硅迁移 率增强机理，可以明确应变硅材料性能提高原因，以及指导新型应变硅器件和电 路设计。 本论文主要研究应变s i 载流子迁移率增强机理及模型。首先分析了应变硅形 成机制。通过求解薛定谔方程和运用形变势理论，得到了应变硅的能带结构，求 出了禁带宽度的变化量。进而研究了状态密度有效质量、状态密度、本征载流子 浓度等求解迁移率所需的物理参数。运用弛豫时间近似方法求解玻耳兹曼传输方 程，推导得到了迁移率与弛豫时间的表达式。利用求薛定谔方程和泊松方程自洽 解得到的子能带能量及波函数，计算出了声子散射电子迁移率。从点电荷产生的 散射势入手，考虑电离杂质和固定电荷这些散射中心的总体分布对电子的散射作 用，在此基础上导出了散射几率，求出了库仑散射迁移率。得出了总的迁移率表 达式。 最后，通过仿真分析了应变硅迁移率与有效电场、温度、掺杂浓度和应力的 关系，并与经验迁移率模型进行了对比。 关键词：应变硅迁移率增强机理模型研究 a b s t r a c t a b s t r a c t s 仃a i n e ds ih a l st 1 1 ea d v a i l t a g eo fh i 曲一m o b i l i t ya n da 由u s t a b l ee n e 略ys t m c t u r e ， m o r e o v c r i t sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yc a na l s ob ec o m p a t i b l ew i mt h a to ft 瑚【d i t i o n a l s i l i c o n h lt 1 1 ec u r r e n ts e m i c o n d u c t o ri 1 1 d u s t 吼m a n yk i n d so f h e t e r o j u c t i o nd e v i c e sa n d c i r c u i t so fs 仃a i l l e ds i h a v eb e e l li i lp r a c t i c a lu s e s i m u l t a n e o u s l y ，t h e o r e t i c a l l ys t l l d yt h e m e c h a i l i s mo fm o b i l i t ye n h a n c e m e l l t ，h a sb e e i ld e v e l o p e d f r o mt 1 1 et h e o r e t i c a ls t u d yo f s 仃a i l l e ds i l i c o nt oe n h a n c em o b i l i 锣m e c h a n i s mc a nb ec l e a r l ys 仃a i l l e ds i l i c o nm a t e r i a l p e r f o n n 锄c er e a s o n s ，a sw e l la sm eg u i e 【a n c eo fn e ws t r a i n e ds i l i c o nd e v i c e sa i l dc i r c u i t d e s i g n t h em a i l lw o r k w a sf o c u s e do ne i l l l a i l c e m e n tm e c h a 血s ma n dm o d e lo fs 仃a i n e ds i m o b i l i 吼b ys o l v i l l gt 1 1 es c l l r 6 d i i l g e re q u t a t i o n ，w eg o tt h ee n e r g yb 狮d ，s p l i te 1 1 e 唱yo f e n e r g yb a n d 肌dd e n s i 妒o f - s t a t e ，i r 曲n s i c a lc 锄j e rd e n s i t y b a s e do nt h es c a t t 甜n g t 1 1 e o d ，w eg o tt h es c a t t e r i n gm a t r i xe l 锄e n t sa i l dg o tm ee x p r e s s i o no fr e l a x t i o n t h e t 1 1 es u b b a l l d e 唱i e sa n d 1 ee i l v e l 叩缸l c t i o nc a l lb ec a l c u l a t e db ys 0 1 v i n gt h e s 吐- 6 d i n g e re q u t a t i o na n dp o i s s i o ne q u a t i o ns e l 二c o n s i s t e n n y i h e n ，w ec a l c u l a t et h e p h o n o ns c a t t e 血gm o b i l i t y f i r s t ，c a l c u l a t em es c r e e n e ds c a 仕e 血gp o t e n t i a li i l d u c e db ya p o mc h a r g ea i l d t h es c a t t 耐n gr a t e 舀v e nb yt h ee n t i r ed i s t r i b u t i o no fs c a 仕e n g c e n t e r s ，i n c l u d ed o p a m sa i l dp o s s i b l ef i x e dc h a r g e s t h e n ，t h em o m e n t 啪r e l a ) ( t i o nt i m e a 1 1 dm e 豫n o t ec o u l o n ms c a t t e r i n g1 i i i l i t e dm o b i l i t ) ，a r e c a l c u l a t e d ，s i i i l i l a r l yt oo t l l e r s c a t t e r i n gm e c h 砌s m s a t1 a s t ，m ee x p r e s s i o no fm o b i l i t yc a nb eg o t a tl 弱t ，is 妇u l a t e dt h er e l a t i o nb e t w e e ns 把a i n e ds i l i c o nm o b i l i t va i l d e 行e c t i v e e l e c t r i cf i e l d ，t e n l p e r a _ m r e ，d o p i n gc o n c e n 口a t i o na n dt h es t r e s s w ec o n l p a r e dt m s m o b i l i t ym o d e l sa n dt l l es e m i e i i l p i r i c a lm o d e l k e y w o r d ：s t r a i n e ds im o b i i i 够 e n h a c e m e n tm e c h a n i s mm o d e ls t i i d y 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， 本人签名： 本人承担一切的法律责任。 日期塑! l ：翌兰：! 旱 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： 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 硅( s i ) 是当今半导体制造业最重要的原材料。半导体是一种导电性能介于金 属导体和绝缘体之间的物质，其内杂质含量和外界条件的改变( 如温度变化、受光 照射等) 都会使其导电性质发生变化，在一定条件下会体现绝缘体的特性。这些特 性使得半导体在当今的集成电路制造中得到了大量应用。 传统的s ic m o s 技术以其低功耗、低噪声、高集成度、可靠性好等优点在集 成电路领域占据着主导地位。微电子技术的发展一直沿着两个方向在进行，一是 不断扩大晶片尺寸，从1 0 0 _ 1 2 5 1 5 0 一2 0 0 _ 3 0 0 i 衄，并向4 0 0 r 】 1 r i l 过渡，以 提高芯片产量和降低芯片成本；二是不断缩小芯片特征尺寸，从1 岬0 8 岬_ 0 5 岬o 3 5 岬_ 0 2 5 岬_ 0 1 8pm _ 0 1 3pm _ 9 0 衄一6 5 衄，并正向3 0 姗 和2 2 1 1 1 n 迈进，以满足芯片微型化、高密度化、高速化、高可靠化和系统集成化的 要求。从2 0 0 4 年起i c 芯片特征尺寸的加工迈入了纳米尺度。这两个方向的不断 发展，使全球半导体行业一直沿着摩尔定律在进行。 随着器件特征尺寸越来越小，电路的速度越来越快，硅器件内部p n 结之间以 及器件与器件之间通过衬底的相互作用( 如形成寄生m o s 管等) 越来越严重，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，使得o 1 “m 以下硅集成电路的集成度、可靠性以及性价比受到影响。尤其是当i c 芯片特 征尺寸的加工迈入纳米尺度，单个m o s 管尺寸趋于物理与工艺极限后，难以再按 照以往的速度发展下去，而必须采用新的技术来提高m o s 晶体管的性能。 应变硅技术被认为是实际应用中一项极具吸引力的技术【l 匍。不仅因为它有良 好的性能，而且应变硅工艺不需要额外的步骤和设备，其制造技术与成熟的硅工 艺相兼容，易于在目前的制造工艺中加以应用。一旦应变硅晶片的费用降低，制 造中将不会有其他的问题需要考虑。这样它可以很方便地应用于目前的产品生产 中，提高了器件速度。同时沿用当前的掩膜版和芯片设计规则，使其延长了使用 寿命，降低了开发成本。另外，电路设计者可以用与标准硅工艺类似的设计库和 仿真模型进行应变硅芯片的设计，这非常有利于应变硅的开发与应用。 1 2 国内外研究进展 2 0 世纪8 0 年代，随着外延技术的不断进步，s i s i g e 异质结技术逐步发展， 开始出现了应变硅技术。在1 9 8 4 年，p e o p l e 等人口3 在s i 衬底( 一类型的能带偏移) 上生长的调制掺杂的应变s i 。g e 眦层观测到有二维空穴气。1 9 8 5 年德国慕尼黑 2 应变硅载流子迁移率增强机理及模型研究 t e c h n i s c h eu 血v e r s i t v 的a - b s t r e i t e r 【8 】证明了生长在弛豫或者部分驰豫的s i l x g e ，【合 金上的张应变s i 形成了电子限制t ) ，p e i i 能带偏移。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) 低能量能谷和高能量的4 重( 平行于平面) 能谷。 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 【9 】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 到1 0 6 c m 2 ，把4 k 2 d e g 迁移率从1 9 0 0 0 提高到9 6 0 0 0 c m 2 s 。f i t z g e r a l d 还提出了应变硅的概念。 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【1 0 】 证明了利用s i 0 2 栅的应变s i 表面沟道n f e t 可以展示比体s in m o s f e t 高 7 0 的有效迁移率。 在1 9 9 3 年，在u c l a 和a e r o s p a c e 组织的n a y a k 【1 1 】发表了第一篇论文关于提 高了有效迁移率( 厅) 的应变硅p m o s f e t 。n a y a k 充分论述了应力导致分裂 成的重空穴( 唧) 和轻空穴( u 退化可以被用来制作高有效迁移率的p m o s f e t 。 n a y a l ( 的应变s ip m o s f e t 取得了5 0 的迁移率提高。 在1 9 9 5 年d m 上，来自斯坦福的趾“1 2 】发表了一篇关于应变对空穴迁移率 的影响的论文。趾n 发现与电子相比，空穴迁移率提高不饱和，而是大概按线性 增加在s i l x g e ) 【( x = o 1 o 3 ) 。电子与空穴迁移率增加不同在于由于应变的作用导 致的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硅p m o s f e t 的论文。 此时，达到了室温最高迁移率提高4 0 。 1 9 9 8 年实现应变硅的形势变得非常明朗。来自斯坦福大学小组的黜m 【l3 j 在 d m 上提交了一篇论文，论证了在短沟道应变硅n m o s f e t 中有4 5 的跨导提 高。与先前的报道关于长沟道应变硅器件的不同，趾n 的器件有o 1 “m 栅长，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 工作在很高的有效电场下( e 。f r ) 。鼬m 观测到n 沟道迁移率比一起处理的体硅器 件提高了7 5 ，证明了在应变硅反型层中迁移率提高与垂直方向的电场无关。在 础m 发表论文不久，在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 岬应变硅 n m o s f e t 上很高的跨导的实验结果。 在1 9 9 9 年末的初步实证之后，在2 0 0 0 年v l s i 技术讨论会上，来自t o s l l i b a 的m i z u n o 【1 4 】发表了在绝缘衬底上的应变硅m o s f e t 的n 沟道和p 沟道迁移率分 别提高了6 0 和3 0 。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 蹦o x ) 的结合来形成在隐 埋氧化物上的s i o 9 g e o 1 层。 在2 0 0 0 年h 6 c k 做了一个给人深刻印象的结果【”】，实证了空穴迁移率提高因 子是4 5 的异质结构p m o s f e t 。他们做的这个双异质结构的由生长在5 砌应 第一章绪论 3 变硅帽层的弛豫s 也2 g e o _ 4 8 上的应变s i o 1 7 g e o 8 3 沟道。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 s 的成果。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。 从2 0 0 1 年到2 0 0 3 年，基于s i g em o s f e t 的研究和发展很快。在这个最近的 时期关键的研究领域包括获得相当高的p 沟道载流子有效迁移率和实现几种“绝缘 上的”技术。同时，随着商业化努力的发展，研究者日益把他们的注意力转到工艺 集成和有超短沟道长度的器件。 2 0 0 1 年初，m m 和m i t 的工作者几乎同时发布制作成功s g o i 衬底【1 6 】【1 7 1 。 m i t 小组发布了两种制作s g o i 的方法：一种利用层脱落，另一种利用高选择性刻 蚀阻挡层。m m 的h u a n g 和m i t 的c h e n g 在同一年的晚些时候证明了高迁移率 应变硅n m o s f e t 。来自t 0 s m b a 小组的t e z u l ( a 也作了很大的进步【1 8 】，他们获得 了高锗含量的、没有s 蹦o x 的部分弛豫s g o i 层，化合物渐变或者晶片键合。 他们的方法，叫做“锗浓缩”或者“热混合”技术，代替利用s i g e 混合氧化物的热力 学不稳定性来提高生长在s o i 晶片上的薄富硅s i l _ x g e ，【层的锗含量。 在2 0 0 2 年的v l s i 技术讨论会上，m m 介绍了更进一步的在短沟道应变硅器 件方面的工作1 1 9 】。m 的趾n 提高了硅化物和冠状掺杂模式来获得有极好的短沟 道器件特性的n m o s f e t 和i o n l 5 的提高。p m o s f e t 的i o n 提高为7 一1 0 ， 这个工作表明在s i o 7 2 g e 0 2 8 上的应变硅中的空穴迁移率提高在e e f r = 1 o m v c m 下 减小到0 。在同一个会议上，m m 也介绍了在有h f 0 2 的栅介质的应变硅n m o s f e t 的结果，表明在应变硅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。 2 0 0 2 年的国际电工电子工程师协会( e e ) s o i 会议的标志成果是应变硅直接 键和到绝缘衬底形成应变s o i ( s s o d ，是由a m b e r 、v es y s t e m s 的l a l l g d o 发表的。 这些晶片的显著特征是缺少任何驰豫s i l 。g e 】【层和在硅层中的高应变维持f 2 们。 2 0 0 3 年的d m 上包括了论证短沟道应变硅器件电流的提高，还有一篇关于 集成了高k 栅介质和金属栅的应变硅器件论文。t s m c 的w a n g 报告了迄今为止 最大的应变硅订o s 直流i o n 1 0 f f 的提高，在栅长为6 0 8 0 啪的器件有1 5 的提 高而且没有任何自加热修正。t o s m b a 的s a i l u l 【低的b 扩散率和高的b 在s i g e 中 的激活，增加源漏外延掺杂和减少源漏薄层电阻。这些导致应变硅 p m o s f e t i o n i o 阡提高1 1 一1 9 ，取决于源漏间距。他们也证明环形振荡器在 传输延迟方面有1 8 的提高。最后，h l t e l 的d a t t a 做出了有h 幻2 栅介质和删金 属栅电极的栅长度为1 4 0 m 的应变硅n m o s 器件。这些器件制作在只有1 0 含量 的锗的虚拟衬底上，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( 正d m ) 介绍了一个在p m o s 晶体管沟道中引 入“局部”压缩性应变的新途径。该方法使用所谓的“凹源漏”方法，用选择性的锗 4 应变硅载流子迁移率增强机理及模型研究 硅外延来替代自对准刻蚀步骤中源漏区被刻蚀掉的硅。因为有更大的晶格常数， 锗硅层中有压缩性地应变，并在沟道附近的硅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双轴的。单轴应变据说可以有效地提高载 流子迁移率，含1 7 锗的锗硅层可以把p m o s 的驱动电流提高2 5 【2 l 】。 2 0 0 4 年，h s y 趾g 等人的研究结果表吲2 2 j ，应用d s l ( d s l 是英文d u a ls t r e s s l i n e r 的缩写，意思是双应力衬垫技术) 技术后使得n f e t 和p f e t 的有效驱动电 流分别增加15 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。 d s l 技术已经应用于纳米工艺，在m mp o w e 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 i 技术) 。正在研究将d s l 与s o i 同时应 用于亚4 5 m 高性能c m o s 制备中。 2 0 0 5 年1 2 月的国际电子器件会议( i e d m ) 聚焦第二代应变硅技术，将其视为 提高晶体管速度的主要途径。在d m 上，来自a m d 、m 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硅沟道的工艺【2 3 1 。这些人目前共同在纽 约州m m 半导体研究和开发中心工作。m m 及其合作伙伴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 f e t 源漏极区域生长 的外延硅锗，它类似于英特尔的应变硅方法。该团队开发了n f e t 中的应力记忆 技术，即在源漏极区域退火处理之前将一个氮层放在栅极上。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硅形式的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硅锗( s i g e ) 相结合。使用应 变硅技术可以使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 。i 蝴o s 使用了产生拉伸应力的膜和应力记忆技术，p m o s 晶体管使用了产 生压缩应力的膜和s i g e 。 2 0 0 7 年的正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 薄膜沟道应变不能充分加载这一问题的解决方法【2 4 l 一使用虽 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1 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 衄的p m o s 场效应管，与d l c 膜厚度为1 9 岫及2 7 衄的 产品相比，1 0 n i o 行特性( i o 辟1 0 删岬) 分别提高了3 5 及6 9 ，作为2 2 姗工 艺的应变加载材料前景可观。 第一章绪论 新加坡国立大学在应变硅技术方面取得了很多成果，此外德国、台湾、香港 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硅技术的6 0 n m 工 艺计划，台联电也和a m b e r w a v e rs y s t e m s 公司合作进入应变硅领域。国内的清华 大学、北京大学、中科院、西安电子科技大学等也在进行这方面的研究，清华已 经研制成功了s i g e g e 结构的皿t ，北京大学在应变s o i 方面取得了不错的成绩。 上海微系统与信息技术研究所在s o i 领域取得了多项研究成果和专利，对s s o i 、 s g o i 有一定研究。西安电子科技大学微电子所张鹤鸣课题组对应变硅技术的理论 进行了详细研究【2 孓3 1 】，掌握了应变s i s i g e 的能带结构、状态密度、状态密度有效 质量和迁移率增强机理，对应变硅m o s f e t 的阈值电压、跨导、频率特性进行了研 究，对应变硅工艺流程和应变硅器件制作方面有深入研究。 1 3 论文研究内容以及章节安排 本论文内容结构大致如下：第一章主要叙述应变s i 技术的国内外研究状况， 概述本论文主要工作内容。第二章首先阐述了应变s i 形成机理，通过求解薛定谔 方程和引入形变势理论，研究了应变硅的能带结构、状态密度、状态密度有效质 量和电导有效质量：第三章研究了应变硅中的散射机制，先引入描述载流子输运 的玻耳兹曼方程，然后运用驰豫时间近似方法求解，得出了迁移率的表达式；详 细研究了谷内声子和谷间声子散射以及库仑散射。第四章研究了应变硅的迁移率 模型，并研究了它与有效电场、温度、掺杂浓度和应力的关系。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。 第二章应变硅的物理特性 7 第二章应变硅的物理特性 应变硅材料的物理特性参数在对载流子迁移率增强机理研究中起着重要的作 用。本章基于非应变硅的物理特性参数，由形变势理论分析应变对能带结构的作 用，得出了能带结构的变化量，并求出了状态密度有效质量和状态密度，本征载 流子浓度等计算迁移率所需的参数。 2 1 应变硅形成 通过在弛豫s i g e 衬底上外延生长s i ，可以得到应变硅。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。应变使硅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 ) 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1 4 而构成的【1 1 。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 = 0 5 4 3 0 8 9 m ，而g e 的晶格常数a g 。= o 5 6 5 7 5 4 姗。 则s i 和g e 的晶格失配度为4 2 。它们可以任意比例互熔，形成s i l x g e x 固溶体， 称为弛豫s i l x g e ) 或体s i l x g e ) 【，即组分x 可以在肚l 之间任意取值。 口i上 8 应变硅载流子迁移率增强机理及模型研究 2 1 2 应变硅形成 ( 一) 全局应变： 假设衬底材料的晶格常数为钆。b ，外延层材料的晶格常数为a e p i 。 当a s 。b a e p i 时，外延层受到张应力的作用。如图2 2 所示。 a e i 嗍a 专瑟硼 懈圆a 镬螽 ( a ) 张应变 压应变( c ) 应变驰豫 图2 2应变示意图 对于s i s i g e 材料系统，由于s i g e 合金的晶格常数大于体s i 材料，s i g e 外延 生长在体s i 材料衬底上，可获得压应变的s i g e 材料；s i 外延生长在弛豫s i g e 材 料衬底上，获得张应变的s i 材料。如果外延材料的厚度超过临界厚度，则会形成 位错，释放弹性应力，得到弛豫的s i 或s i g e 材料。 张应变s i 层生长在s i g e 上的最大厚度称为临界厚度，它取决于生长速率和 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。图2 3 显示了驰豫 s i g e 层上应变s i 临界厚度与g e 含量的关系曲线。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【2 j 。 第二章应变硅的物理特性 、 j ( ，r h a c lx ! jj ( i 图23s i g e 层上应变s l l 晦界厚度与g e 含量的关系 ( 二) 局部应变( 凹源漏法) ： 局部应变技术包括在源膈区外延锗硅的“凹源漏法”( 如图24 所示) 和采用在 栅上层叠氮化硅薄膜的双应力技术等。 图24 凹源漏法示意图 用选择性的锗硅外延来替代自对准刻蚀步骤中源漏区被刻蚀掉的硅。因为有 更大的晶格常数，锗硅层中有压缩性的应变，并在沟道附近的硅中产生同样类型 的应变。在这种情况下，应变是单轴的而不是全局方法中双轴的。单轴应变可以 有效提高载流子迁移率。相对于覆盖性的外延，选择性外延的要求高很多，因为 它需要控制额外的重要参数，例如选择性本身，以及能够改变局部生长速率和掺 杂物结合的不同负载效应。两者都取决于暴露硅区域的尺寸大小，“负载因子”对于 生长速率可阻高达2 到3 ，对于掺杂物浓度为3 到1 0 。不过，通过仔细地调节关 键工艺参数和气流动力，模式敏感度可以在很大程度上被控制。 相反，通过在主要气体混合物中加入适量的氯化氢( h c l ) 可以控制选择性， 在降低的压强下选择性可以进一步增强。另外，不必要的小面和侧向过生长可能 发生，不过它们可以通过精密地调节外延工艺的温度和压强来减少到最小。和覆 _ ，一 ， 一弼i 一 1 0应变硅载流子迁移率增强机理及模型研究 盖性外延一样，外延前的清洁步骤在于去除自生氧化层，这对于获得高质量的晶 体也是非常关键的。 2 1 3 应变硅技术优点 应变硅的导带和价带结构发生变化，能带的变化减弱了电子、空穴与声子间 的散射。因而应变硅中载流子在传输中受到的散射减小，其漂移速度就会加快； 从而提高了迁移率，晶体管的电流特性得到提高，频率特性也提高。因为应变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，在目前的集 成电路产业中，采用应变硅技术的器件和电路性能可以得到较大的提高。 2 2 应变硅能带结构 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 导带和价带能带结构变化， 以及应变s i 弛豫s i g e 异质结的能带结构。 s i h g e 。衬底上赝晶生长的应变s i 层，s i 受到双轴张应变，双轴应变可以分为 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，单轴应变使价 带和导带发生分裂【3 1 。 2 2 1 应变s i 导带结构 体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( 能 谷) 位于布里渊区中心到其边界的o 8 5 倍处。 晶格应变使s i 导带结构发生变化。当s i 赝晶生长在弛豫s i g e ( 1 0 0 ) 面上时， 会使生长的s i 层产生双轴张应变，六重简并6 能谷分裂成两组分立的能谷：一组 为二重简并能谷2 ，其纵向有效质量聊；垂直于s i s i g e 异质结界面；另一个是四 重简并能谷，其纵向有效质量聊? 平行于s i s i g e 异质结界面【4 】o 在双轴张应变 中，二重简并能谷2 能量极小值降低，四重简并能谷4 能量极小值升高。如图 2 5 所示。 第二章应变硅的物理特性 帕们 、孝 ，一 i ； o 出；j l ；i 0 k 1 也，1 ； 怖 2 d 删 l。 j 矿。 一 ，： i 1 0 每： ； ， - - l l ；| ? 77 越变s i驰蕾s i g c 上的应变s i 图2 5 体s i 和应变s i 导带结构 应变使得四度简并能谷4 与二度简并能谷2 所产生的导带能量偏移之差约 为【5 】： 噬一4 = o 6 7 x e v 式中x 是弛豫s i g e 缓冲层项部g e 的组分，如图2 6 所示。 厶- j 、 呶。6 7 嚣 ， ( 2 1 ) 2 m t m l 图2 6 应变s i 导带能级分裂示意图 因此，在s i g e 缓冲层上生长张应变s i 层，能够在s i s i g e 异质结界面处形成 足够大的导带偏移量，有利于形成二维电子量子阱。根据能量最低原理，电子倾 向于占据能量较低的二重简并导带能2 谷。理论研究表明：2 能谷里的电子分 布随着s i g e 衬底的g e 组分而增加，当g e 组分达到2 0 时，电子几乎全部集中在 2 能谷【6 】。更多的电子占据2 能谷，使得平行于异质结界面的传导有效质量减小， 导带电子有效质量变轻。聊一聊，z ：o 1 9 6 m 。，聊口为自由电子质量。 2 2 2 应变s i 价带结构 类似的，晶格应变也会使s i 价带结构发生改变。在弛豫s i g e 上生长s i ，张应 变使r 点简并的轻空穴带l h 和重空穴带删分裂，自旋一轨道能带s o 的能量降 低，如图2 7 所示【7 1 。 1 2应变硅载流子迁移率增强机理及模型研究 jl - p i n n o翻口t _ o f j p b 。一7 、一 ：l 、7l h j o u 细 堪_、于。 岫t，。 刊7 ， l t 缱一 瞄j 厂 。、 fs o， c | ) 咖s t 舟i n c d 彻h 懈n e 图2 7 应变s i 价带能带分裂示意图 轻、重空穴能带在r 点的能量分裂值哑讯神表示为8 1 ： 峨一，神o 加觑甜一) = 0 3 8 z c v( 2 2 ) 由于张应变使价带轻空穴带比重空穴带高，空穴将趋向于分布在能量较高的 轻空穴带，降低了空穴电导有效质量。可近似的认为，应变s i 空穴有效质量与s i 轻空穴带有效质量朋p f o 1 6 垅d 接近：肌：o 1 6 m 。 s i 赝晶生长在弛豫s i g e 层上形成应变s i ，引起了s i 能带的变化，而且变化 量与s i g e 中g e 的组分有很大的关系，如图2 8 所示，表示在弛豫s i g e 衬底上生 长的应变s i 层的相关带边变化。其中，实线表示应变层的变化。l h 表示轻空穴、 删表示重空穴、s o 表示 图2 8 应变s i 能带变化与弛豫s i g e 中g e 组分的关系 2 2 3 应变s i 弛豫s i g e 能带结构 应变弛豫s i s i g e 的能带结构对研究器件性能有着重要的意义，为此在本节中 对它进行详细地讨论。 第二章应变硅的物理特性 1 3 1 r i 垒匹 r e l a x e d c o i _ p r e s s i v s i e s t r a i n e d s i g e e v e v 1 f i e c e c i e c r e l a x e d g e s i t e n s il e s t r a i n e d s i i _ ! e ve v 全兰! ( b ) 图2 9s i s i g e 隔离( 无空间电荷区) 的能带图( a ) 压应变s i l x g e 。赝形生长在 驰豫s i 衬底上( b ) 张应变s i 赝形生长在驰豫s i l v g e ，衬底上 当s i l x g e 】【薄层生长在s i 衬底上时，由于它的晶格常数大于s i 。因此，薄层 要保持与衬底一致的面内晶格常数，就会发生双轴压应变。图2 9 ( a ) 为生长在s i 衬底上的应变s 幻g e o 3 的能带图。在图中可以看出其能带的不连续主要体现在价 带上，而导带差是很小的。这种能带结构容易形成二维空穴阱，对空穴产生约束。 相似地，具有较小晶格常数的s i 外延层生长在弛豫s i l x g e ) 【衬底上时，就会 发生双轴张应变。如图2 9 ( b ) 所示为生长在弛豫s i o 7 g e o 3 上的应变s i 的能带结构 图，这种能带结构要优于前一种。因为，应变s i 导带和价带相对于弛豫s i l x 魄 都存在大的能量差，这样在应变s i 层中对电子和空穴都容易产生约束。因此，对 制作n 型和p 型的m o s f e t 都是十分有用的。因为应变s i 可以提供大的导带和 价带能量差，并且不会存在合金散射的问题，载流子的迁移率可以得到大大的提 高。 应变s i 驰豫s i g e 异质结平衡态能带图： 图2 1 0 和2 1 1 分别表示出了平衡状态下( 无外加偏压) 应变s i 驰豫s i g e 的 同型异质结和反型异质结的能带图。 兰= 二司二hh 叫lh a h ( a ) p p 型( b ) n n 型 图2 1 0 平衡态同型应变s i 驰豫s i g e 异质结的能带图 1 4 应变硅载流子迁移率增强机理及模型研究 毋飞 ab ( a ) n p 型( b ) p n 型 图2 1 1 平衡态反型应变s 坍电豫s i g e 异质结的能带图 2 3 应变硅物理特性研究 生长在驰豫s i g e 上的应变s i 的能带结构发生改变，从而禁带宽度、状态密 度有效质量、本征载流子浓度、迁移率等都发生了变化，改变了它的物理特性。 本节将对这些参数进行详细研究。 2 3 1 应变s i 禁带宽度e g 研究 表面s i 层应变的程度与衬底s i g e 层表面g e 组分x 相关，g e 组分越大，应变 程度也越大，禁带宽度变窄。其禁带宽度e g 由上移的轻空穴带项和下移的二度简 并导带能谷决定。 当一层晶格常数小的薄膜( s i ) 淀积在晶格常数大的衬底( 驰豫s i l x g e x ) 上， 薄膜在平行衬底方向的平面受到双轴张应力。导带和价带的差值都比较大，有利 于禁带宽度的调整，这种能带结构称之为i i 型能带。此外，这种结构具有比较高的 电子和空穴迁移率，利于c m o s 工艺实现。此时应变s i 导带和价带与驰豫s i g e 的差 值【l o 】： e c = o 6 3 石脉o 4( 2 3 ) 卧= ( o 7 4 一o 5 3 x b 脉o 4( 2 4 ) 应变硅的禁带宽度( t = 3 0 0 k ) 与g e 组分的关系【1 l 】： 互g ，妇加甜一g = 1 1 2 一o 4 z 0 ) 一 第二章应变硅的物理特性 1 9 3 耋薹 毒 是 董 o o 2 工d o 4 ( a ) 童 l l 董 图2 1 6 应变s i 电子有效质量随衬底s i g e 中g e 组分变化的关系 导带一个能谷的态密度有效质量 聊。= ，肌，上聊，) 1 7 3 ( 2 2 4 ) 根据图2 1 6 中应变s i 电子有效质量，由上式可计算出应变s i 导带一个2 、4 能谷的电子态密度有效质量聊 2 和m 4 。表3 1 给出了计算结果。 表2 1应变s i 中导带、价带单个能谷的载流子态密度有效质量 g e 组分y 0o 10 20 30 4 r n c 2 i i l o 0 3 2 1 8o 3 1 9 7o 3 1 8 80 3 1 6 70 3 1 5 0 矾“慨 0 3 2 1 8o 3 2 2 3o 3 2 2 00 3 2 3 0o 3 2 2 9 m v “砒 0 9 1 5 9o 5 1 4 00 3 3 6 5o 2 8 9 7o 2 7 4 8 m v l 蛳 o 2 5 6 1o 3 5 5 10 4 3 9 30 4 9 5 30 5 2 3 4 ( 2 ) 应变s i 空穴状态密度有效质量 由于s i 材料中引入应变，其价带顶的空穴状态密度有效质量将有很大的改动。 驰豫s i 能量较高的能带r 8 v ”对应于重空穴带，较低的能带r 8 v 1 与轻空穴带相对应， 两个能带在r 点简并。只要引入较小应力，r 点的简并度就会被消除，轻、重空穴 带的有效质量差减小。当s i 受到张应力( x g c 不等于o ) 时，则r 8 v “能带对应于“轻 空穴带”，r 8 ，1 能带对应于“重空穴带”。在应变水平高时，r 8 。“最大值远离其它能带， 呈抛物线型；在应变水平低时，它可以迅速与其它能带耦合。 图2 1 7 表示了3 0 0 k 时，应变s i 空穴状态密度有效质量与衬底驰豫s i g e 中 g e 组分的关系。 2 0 应变硅载流子迁移率增强机理及模型研究 o o 10 20 3o 4 x 拥，e 奴d s 曲肼口幻 图2 1 7 应变s i 空穴状态密度有效质量与衬底驰豫s i g e 中g e 组分的关系 2 3 3 应变s i 状态密度研究 应变s i 导带状态密度： 根据2 能谷和4 能谷的分布，可以得出应变s i 导带状态密度与非应变s i 导 带状态密度之间的一个解析关系式： g 抛加甜一g ( e ) = 4 9 ：刍( e ) + 2 9 宝岛( e ) ( 2 2 5 ) 根据公式： “驴4 万y 学c e 删 仁2 6 ， 因为应变s i 导带分裂的四度简并能谷4 与二度简并能谷2 所产生的导带能 量偏移之差大概是： 崛，神= o 6 7 z e v g c 咖加d 一所仁) = 等 2 ( 2 ，z ? 4 严仁一e 一业唧胁彤+ ( 2 m ? 2 严仁一e ) ( 2 2 7 ) 式中，髓是2 能谷的导带极小值。 板= 阻严e 冲( _ 鲁卜 z 吖 陋2 8 ， 应变s i 价带状态密度： 根据价带重空穴和轻空穴的分裂，忽略自旋一轨道耦合分