（微电子学与固体电子学专业论文）纳米级mosfet应力与性能分析.pdf

摘要 摘要 川| 1 1 1 i | | f 1 1 1 l l | l l i f f l 1 1 l l | 1 1 1 l | l f l i | 洲 y 2 0 6 7 9 2 9 - - - - - - - - - 随着c m o s 器件尺寸进入纳米级，传统器件所用的材料已经接近它们的物理 极限和工艺极限，所以探索新型器件材料、研究新型器件结构已经成为提高集成 电路性能的必然选择。应变硅( s t r a i n e ds i ) 技术就是在这种环境下产生的新技术， 它可以有效提高载流子的迁移率，从而提高器件的性能。应力是增强载流子迁移 率的关键因素，本文重点研究分析了应变器件沟道内应力及电学性能。 首先，本文采用有限元仿真软件a n s y s 对s i g e 源漏的p m o s 和s i c 源漏的 n m o s 沟道内应力进行分析，并对影响器件沟道应力分布的因素做进一步研究。 结果表明，可以通过调节器件的结构参数来控制应变硅器件沟道内应力的分布， 同时，p m o s 和n m o s 的应力大小和性能受到沟道长度、材料的摩尔组分、源漏 结深等参数的调制。其次，本文还利用s e n t a u r u s 软件对s i g e 源漏的p m o s 和淀 积s i n 薄膜的n m o s 的应力分布和电学性能做了详细的研究，应力分布和有限元 仿真软件所得结果基本吻合。对器件电学性能研究表明，高应力的s i n 薄膜和源 漏s i g e 结构能分别有效的改善n m o s 和p m o s 的性能，对于高应力的s i n 薄膜 结构，在薄膜中施加1 g p a 的应力，其饱和电流提高了2 6 8 ，跨导提高了2 8 6 。 最后，根据应变器件迁移率增强机理，对应变硅沟道应力特性进行了分析。 本文通过应变硅器件应力及性能的研究分析，为实验分析提供依据，为器件 的制作奠定了基础。 关键词：应变硅 应力电学性能有限元s e n t a u r u s 纳米级m o s f e t 应力与性能分析 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ef e a t u r es i z eo fc m o sd e v i c ee n t e r e dt h en a n o s c a l e ，t h et r a d i t i o n a lm a t e r i a l s w i l la p p r o a c ht h e i rp h y s i c a ll i m i t sa n dt e c h n o l o g yl i m i t s t h e r e f o r e ，t oe x p l o r en e w d e v i c em a t e r i a l sa n dn e wd e v i c es t r u c t u r eh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tc h o i c et oi m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo fi n t e g r a t e dc i r c u i t s t r a i n e ds ii san e w t e c h n o l o g yw h i c he m e r g e si n t h i se n v i r o n m e n t i tc a ne f f e c t i v e l yi n c r e a s et h ec a r r i e rm o b i l i t y , t h e r e b yi m p r o v ed e v i c e p e r f o r m a n c e s t r e s si st h ek e yf a c t o rw h i c hc a ni n c r e a s et h em o b i l i t y i nt h i sp a p e rt h e r e s e a r c hf o c u s e so nt h es t r e s sa n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fs t r a i n e ds id e v i c ec h a n n e l f i r s t l y , t h i sa r t i c l eu s e st h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r ea n s y s t oa n a l y z et h e c h a n n e ls t r e s so ft h ep m o sw i t hs i g es da n dt h en m o sw i t hs i cs d ，a n dm a k e sa d e t a i l e dr e s e a r c ho nt h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ec h a n n e ls t r e s sd i s t r i b u t i o n t h e r e s e a r c hs h o w st h a tt h ec h a n n e ls t r e s sd i s t r i b u t i o no fs t r a i n e ds i l i c o nd e v i c ec a nb e c o n t r o l l e db ya d j u s t i n gt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，m e a n w h i l e ，i ti sf o u n dt h a tt h en m o s a n dp m o sc h a n n e ls t r e s sc a nb ec o n t r o l l e db yt h em a t e r i a lc o n t e n tt h el e n g t ho f c h a n n e la n dt h ej u n c t i o nd e p t ho fs d s e c o n d l y , t h er e s e a r c ho nt h es t r e s sd i s t r i b u t i o n a n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e so ft h ep m o s 、i t hs i g es da n dt h en m o sw i t ht h es i n c a p p i n gl a y e ri sd o n eb yu s i n gs e n t a u r u si nt h i sp a p e r t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no b t a i n e d b ys e n t a u r u si si na c c o r d 、i t ht h es t r e s sd i s t r i b u t i o no b t a i n e db ya n s y s t h er e s e a r c h o fe l e c t r i c a lp r o p e r t i e si l l u s t r a t e st h a th i 曲t e n s i l es t r e s ss i nc a pl a y e ra n ds i g es d s t r u c t u r ec a nb eu s e dt oe n h a n c ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fn m o sa n dp m o s r e s p e c t i v e l y f o re x a m p l e ，a p p l y i n g1 g p as t r e s st oan m o s f e t w i t ht h es i nc a p p i n gl a y e r , t h e s a t u r a t i o nc u r r e n to fi tr i s e s2 6 8 ，a n dt h eg mo fi tr i s e s2 8 6 f i n a l l y , a c c o r d i n gt o t h em o b i l i t ye n h a n c e m e n tm e c h a n i s mo ft h es t r a i nd e v i c e ，t h es t r e s sp r o p e r t yo fs t r a i n e d s ic h a n n e li sa n a l y z e d t h r o u g ht h er e s e a r c ho nt h es t r e s sa n dp e r f o r m a n c eo fs t r a i n e ds i ，t h i sp a p e r p r o v i d e st h ef o u n d a t i o nf o r t h ee x p e r i m e n t sa n a l y s i s ，a n dt h e b a s ef o rd e v i c e m a n u f a c t u r e k e y w o r d s ：s t r a i n e ds i s t r e s se l e c t r i c a lp r o p e r t yf i n i t ee l e m e n ts e n t a n r u s 纳米级m o s f e t 应力与性能分析 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 众所周知，m o s 集成电路是微电子产业的核心，而作为m o s 集成电路代表 的两大产品存储器和处理器，他们的发展趋势和水平通常标志着整个微电子技术 的发展趋势和水平。从2 0 世纪6 0 年代开始，集成电路的发展规律一直遵循着摩 尔定律。几十年来，为了在降低成本的同时不断的提高电子集成系统的性能，人 们不断的减小器件的特征尺寸，不断的提高制作工艺的加工精度，不断的增大硅 片的面积，从而使得集成电路的性价比也在迅速的提高。同时，i c 芯片的特征尺 寸已经从1 9 7 8 年的1 0 u m 缩减到2 0 0 5 年前后的3 0 n m 。根据2 0 0 9 年国际半导体技 术发展路线图( i t r s ) 预测，若遵循摩尔定律并以d r a m 技术做参考，预计到2 0 1 4 年，技术节点可到2 8 n m 1 l 2 l 。图1 1 为d r a m 及其特征尺寸实际发展趋势与摩尔 定律预测对比图。 1 9 7 01 9 7 51 9 鞠l 翳51 9 9 0l 譬9 s 渤02 吣 糟 一精哮私2 带冲锋净增 l 蝴车燕矗避土袁中 图1 1d r a m 及其特征尺寸实际发展趋势与摩尔定律预测对比图 但是随着c m o s 器件尺寸进入纳米级。传统器件所用的材料和结构将接近他 们的极限，并且等比例缩小可以提高产品性能，但在目前的行业内，氮氧化物多 晶硅栅已经达到等比例缩小的极限，尺寸的进一步减小也并不能提高器件性能。 所以，探索新型器件材料，研究新型器件结构已经成为提高集成电路性能的必然 选择。 一 应变硅技术就是在这种环境下产生的新技术，它可以有效的提高m o s 晶体管 的迁移率，从而提高器件的性能。采用应变硅技术可以使3 0 0 n m 硅片的生产性能 提高3 0 到6 0 ，而工艺的复杂度和生产成本只增加1 到3 嘣3 1 。但是，纳米级 半导体器件制造的工艺要求苛刻，成本高，在纳米尺寸下对应力与应变的精确测 量也是非常复杂的，所以，通过仿真模拟对器件的应力分布及其电学性能进行分 析，不但可以降低制造和测量上的成本，还可以有效的对器件的参数在一定范围 一一一獬徽m纷 纳米级m o s f e t 应力与性能分析 内预测，优化器件的结构，为实际的纳米级器件的制作提供理论依据。 本论文主要是利用有限元分析软件a n s y s 与s e n t a u r u s 软件对应变硅器件( 主 要是源漏为s i g e 的p m o s 器件、覆盖s i n 薄膜的n m o s 器件和源漏为s i c 的 n m o s 器件) 的应力分布、电学性能进行研究以及对应变硅应力性能进行分析。 1 2 国内外研究动态 由于s ic m o s 技术具有以下优点：功耗低、集成度高、噪声低、可靠性高， 所以s ic m o s 技术在微电子领域占据了非常重要的地位。不过载流子迁移率低是 s i 材料最主要的缺点，人们尝试了很多方法去提高载流子的迁移率，然而效果甚 微，这迫使人们去寻找新材料和新结构。应变硅技术就是在这种环境下产生的， 应变硅是一种能在未来保持s ic m o s 技术的发展继续遵循摩尔定律的新材料，是 提高m o s 晶体管速度的有效途径，它可改善n m o s 晶体管电子迁移率和p m o s 晶体管的空穴迁移率。最早在应变s i 领域进行研究的是b e l l 实验室的g e n e f i t z g e r a l d 博士。他和他的学生m a y a n kb u l s a r a 博士一起创建了a m b e rw a v e s y s t e m s 公司并把应变硅技术商业化【4 】i 5 。 在1 9 9 3 年的国际电子器件会议( i e d m ) 上，斯坦福大学首先报道了锗组分 渐变弛豫结构的应变硅材料生长的长沟应变硅m o s f e t ，并且u c l a 的n a y a k 等 人首次报道了应变硅p m o s f e t 的空穴迁移率提高2 倍到3 倍，电流驱动能力也 相应提高两倍以上1 6 j 1 7 j 。 在1 9 9 8 年，i b m 公司也研制成功s o l 技术，并于2 0 0 0 年正式应用于其p o w e r p c r s 6 4 i v 芯片上。目前的p d ( p a r t i a l l y d e p l e t e d ) s o l 工艺已经相当成熟，有s i m o x 、 b o n d i n g 、s i m b o n d 等多种技术，包括i b m 、a m d 、台积电、联电等公司都在生产 或准备投产包含s 0 1 技术的产品。预计a m d 在其6 5 n m2 1 2 艺c p u 中可能会使用 改进的p d s o l 甚至更先进的f d ( f u l l y d e p l e t e d ) s o l 工艺以进一步降低功耗。 而且仍然将采用应变硅技术f 8 1 1 9 1 。 在2 0 0 2 年的i e d m 会议上，英特尔在9 0 n m 工艺中引入了单轴应变硅技术。 其基本的思想就是减小源极与漏极之间的电阻，使得工作电流( i o n ) 更大，以提 高晶体管的响应能力。随后的6 5 n m 工艺也采用了9 0 n m 的原理，晶体管的电流大 幅提升，漏电流大幅降低【l 。 2 0 0 4 年，i b m 与a m d 发布了新型应变硅技术“d s l ( d u a ls t r e s sl i n e r ) 在微 处理器中的实际应用结果，据称已经证实，基于p o w e r p c 架构的m m “位微处理 器和a m d “a t h l o n 6 4 ”的工作频率分别提高了7 和1 2 ，从技术内容上来讲， 就是在栅电极的上部形成s i a n 4 材料的氮化膜。由于在p m o s 和n m o s 中应当施 加的应力方向不同，因此s i 3 n 4 膜的形成要采用不同的工艺来完成。利用此次的技 第一章绪论 3 术，p m o s 的载流子迁移度提高了6 0 ，n m o s 和p m o s 的有效驱动电流分别提 高了1 5 和3 1 t j 。 2 0 0 5 年i e d m 会上，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。2 0 0 6 年a m d 、i b m 和东芝开发的第三代应变硅技术，他们n m o s 晶体管 中整合了双应力衬垫和应力记忆技术，在p m o s 晶体管中嵌入s i g e 层。这种技术 可使p m o s 和n m o s 晶体管能使驱动电流分别提高5 3 和3 2 ，最终晶体管速度 提高4 0 1 1 2 j 。 在2 0 1 0 年，东芝证实，通过在纳米线晶体管中使用应变硅( s i ) 技术，可将 纳米线晶体管的驱动力提高5 8 。该成果己在“2 0 1 0i e e ei n t e r n a t i o n a le l e c t r o n d e v i c e sm e e t i n g ( i e d m2 0 1 0 ) ( 2 0 1 0 年1 2 月6 - - 一8 日，美国旧金山) 上发布。 近年来，国内在应变s i 技术方面开展研究的主要是一些高等院校和科研院所， 如西安电子科技大学、清华大学等，在应变硅理论的基础上，研究新的应力引入 技术和方法，在应变硅领域取得了重要进展【1 3 1 。 总体而言，国内在应变硅技术方面的研究基本上局限于应变硅器件的机理、 应变硅材料的生长和集成应变硅单项工艺等方面。对于新型的应力引入技术、应 力分布等研究欠缺，尤其在应变硅m o s f e t 的应用研究方面，与国外的差距还比 较大。 1 3 本论文主要研究工作 本论文的内容主要分为三部分，第一部分为理论基础的研究，主要从应变硅 技术的历史与现状、应变硅应力引入技术、以及应力和应变的关系三个方面进行 详细的说明，为后续应变硅m o s f e t 的应力分布和电学性能的研究奠定基础。主 要涵盖论文的第一章和第二章。 第二部分为通过软件对m o s f e t 应力和电学性能的研究。一方面利用有限元 软件a n s y s 建立合适的器件模型，对源漏为s i g e 的p m o s 和源漏为s i c 的n m o s 沟道应力的大小及应力的分布进行研究，以及探讨器件几何参数对应力大小分布 的影响。另一方面利用s e n t a u r u s 软件对s i g e 源漏的p m o s 和淀积s i n 薄膜的 n m o s 进行工艺仿真，建立合适的器件模型，模拟器件沟道内应力分布，并和有 限元软件的分析结果做对比得出正确结论。同时通过s e n t a u r u s 软件提取电学参数， 研究应变器件对器件电学性能的影响，主要从输出特性、转移特性、跨导三个方 面进行对比研究。通过软件从结构和工艺两方面进行研究，为实验和实际器件的 制作提供依据。主要涵盖论文的第三章和第四章。 第三部分主要是对应变硅m o s f e t 应力性能进行理论的分析。首先，对应变 硅器件载流子迁移率增强机理进行分析研究；其次，根据常规m o s f e t 的工作机 纳米级m o s f e t 应力与性能分析 理，对应变硅m o s f e t 沟道内载流子的分布进行研究。主要在论文的第五章进行 详细说明。 第二章应变硅技术物理机制及相关理论 第二章应变硅技术物理机制及相关理论 随着半导体工艺的发展，集成电路载流子迁移率的要求也不断提高，而应变 硅作为一种能够提高载流子迁移率和增强器件性能的技术，得到了较快的发展。 同时在理论方面给出应变硅迁移率的增强机理也是很重要的。在深入进行迁移率 分析之前，本章从基本理论出发，主要分析应变硅技术和应变硅器件应力引入的 方式，以及在应力和应变的关系。 2 1 应变硅技术 硅基m o s 集成电路以其功耗低、集成度高等优势在集成电路发展中占据主流 地位，但是由于s i 材料本身的迁移率比较低，进而影响到器件的性能。应变硅技 术则是采用一定的工艺条件，通过应力来改变器件载流子的迁移率，从而弥补材 料本身缺陷对器件性能的影响。 在深亚微米半导体器件中产生应变的技术有很多种，一般可以通过工艺步骤、 采用晶格常数有差异的材料等。同样，应变也可分为很多种，从作用面积的大小， 可以将应变分为局部应变和全局应变；按应力的作用方式，可将应变分为单轴应 变和双轴应变；从集成电路的制造工艺上讲，应变可分为衬底诱生应变和工艺诱 生应变。一般情况下在n m o s 沟道内引入张应变，而p m o s 的沟道内引入压应变 【1 4 】 o 总而言之，采用合理的方法在器件的沟道内引入应力是提高载流子迁移率的 关键技术。通常在m o s 器件中引入应变有两种方法：( 1 ) 衬底致应变( 全局应变) ， 这种应变引入技术是指采用外延技术，在s i 衬底材料上外延生长一层与衬底材料 晶格常数不同的材料，从而在器件中引入应变；( 2 ) 工艺致应变( 局部应变) 这 种应变方法是通过一定的工艺在有源区，利用晶格常数或热膨胀系数等差异在器 件中引入应变。 2 2 应变硅器件应力引入方法 2 2 1 全局应变技术 全局应变技术可分为两种，一种为弛豫缓冲层上应变结构，这种结构又可分 为渐变层( g r a d e dc o m p o s i t i o n ) 结构和顺应层( c o m p l i a n ts u b s t r a t e ) 结构，另一种为绝 缘层上应变结构，此结构也可分为绝缘层上锗硅结构( s i g e o ni n s u l a t o r , s g o i ) 和绝 缘层上应变硅( s t r a i n e ds io ni n s u l a t o r , s s o i ) 结构【1 6 】【2 3 1 1 2 羽。具体每种全局应变技术 的特点和原理下面将详细介绍。 6 纳米级m o s f e t 应力与性能分析 1 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 r b ) 【1 7 1 1 8 l 【1 9 】 s t r a i ns i r e l a x e ds i1 - x o g e x o g r a d e ds il - x g e x s is u b s t r a i ns i r e l a x e ds i l 一x o g e x 0 l ts ib u f f e r s is u b 渐变层结构缓冲层结构 图2 1 应变弛豫缓冲层结构 渐变层结构工艺过程为：( a ) 在s i 衬底上生长一层g c 组分渐变的s i i x g e ) 【 ( x _ 0 o 3 ) 缓冲层；( b ) 再生长一层g e 组分一定的s i l x g e x 层；( c ) 最后生长一 层应变s i 层。但是采用这种方法制备应变硅时，要特别注意应变硅的厚度不能太 厚，避免应力的释放导致器件应力减弱和产生位错。 顺应层结构工艺就是把渐变层结构中的渐变的s i l - x g e x 缓冲层替换为低温 ( l o wt e m p e r a t u r e ，l t ) 硅缓冲层( s ib u f f e rl a y e r ) ，但是低温下生长的硅缓冲层会在 膜内产生大量的点缺陷，当晶格不匹配产生的位错想要传输至硅锗层表面时，这 些位错会被缓冲层内的点缺陷所阻挡。 2 绝缘层上应变结构( s t r a i n e do ni n s u l a t o r , s o i ) 1 6 】【1 8 l 【2 0 】 s o i ( s i l i c o n o n - i n s u l a t o r ，绝缘衬底上的硅) 技术是在顶层硅和衬底之间引入 了一层埋氧化层。通过在绝缘体上形成半导体薄膜，s o i 材料具有体硅所无法比拟 的优点：a ) s o l 可以消除c m o s 器件的闩锁效应，提高器件工作效率；b ) 结面积 减小，s o i 器件的漏电流减小了2 3 个数量级，可以在高温下正常工作；c ) s o i 器件抗辐射能力强，少子数量减少；d ) s o l 制造的晶体管其短沟道效应、热载流 子效应减弱，可靠性高；e ) 采用s o i 材料有利于提高集成度；f ) s o l 材料可以简 化电路和器件的加工过程；曲s 0 1 器件功耗小，适合低压、低功率场合应用。基 于以上优点，s o i 将有可能成为深亚微米的低压、低功耗集成电路的主流技术。制 备s o i 材料的方法也有很多种，如蓝宝石上外延硅( s o s ) 、注氧隔离技术( s i m o x ) 、 键合与背腐蚀技术( s i m o x ) 等，每一种技术的特点和优势也不同。同时，应变 硅与s o i 技术相结合，发展出多种材料结构，如绝缘层上锗硅( s i g eo ni n s u l a t o r ， s g o i ) 、绝缘层上应变硅( s t r a i n e ds io ni n s u l a t o r ，s s o i ) 等。具体结构如图2 2 所 示： 第二章应变硅技术物理机制及相关理论 s t r a i ns i r e l a x e ds i l x o g e x 0 b u r i e do x i d e s is u b 绝缘层上锗硅结构( s g o i ) 绝缘层上应变硅结构 ( s s o i ) 图2 2 绝缘层上应变结构 绝缘层上硅锗结构先通过s i m o x 和s m a r t c u t 技术或氧化扩散等制备s g o i ( s i g eo ni n s u l a t o r ) 材料，再在弛豫的硅锗上生长应变硅。为实现s i 结构所需的 衬底材料一直是应变硅技术发展的瓶颈，s g o i 材料被认为是满足这一需要的良好 衬底材料。这种结构中由于硅锗层的存在，项层的s i 薄膜由于和下面的晶格不匹 配而存在张应力。 绝缘层上应变硅结构的制备方式与s g o i 基片接合方式相似，这种技术是在绝 缘层上直接生长应变硅( s s o i ) ，没有弛豫的硅锗中间层。当然每一家公司制作 s s o i 的流程是不同的，以a m b e rw a v e 公司制备的绝缘层上应变硅来说，主要制 作流程如图2 3 所示： 第一步：在普通的s i 片上外延渐变的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 i 层，利用c m p 技术将应变硅表面抛光； 第二步：利用智能剥离技术( s m a r t c u t ) ，在该外延层中注入氢，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：通过湿法腐蚀去除应变s i 表面残留的s i g e 层。 外延及键台剥爵s i 6 e 腐蚀 图2 3s s o i , o 作流程 同时，绝缘层上应变硅结构在制作的时候，在应变s i 层上没有硅锗层的存在， 这样不但防止了硅锗层中锗原子的扩散，而且应变硅层可以做得很薄，可以有效 的抑制短沟道效应，实现全耗尽的s o lm o s f e t 。 所以从实际应用来看，采用全局应变技术在器件内引入的应力大多为双轴应 力，在分析时比较复杂。但是针对两种全局应变的结构，通常采用渐变层结构或 者绝缘层上应变硅结构。 8 纳米级m o s f e t 应力与性能分析 2 2 2 局部应变技术 全局应变工艺比较复杂，并且加上缺陷问题和高的成本，所以采用全局应变 的方法在c m o s 器件引入应力存在一定的难度，而局部应变相对于全局应变成本 低，工艺步骤简单，是当今应力引入技术研究的重点。 工艺诱生应变也就是局部应变的原理采用特定的工艺，例如源漏( s d ) 植入致 应变技术( s i g es d ) 、接触孔刻蚀阻挡层致应变技术、g e 预非晶化、金属硅化反应 ( s i l i c i d a t i o n ) 和浅槽隔离( s h a l l o wt r e n c hi s o l a t i o n ，s t i ) 等工艺相关的结构，通过不 同的原理，在沟道内引入所需的应力，从而提高载流子的迁移率和器件性能。下 面详细介绍几种常用的局部应变技术1 2 引。 1 i 原漏( s d ) 植入致应变技术【1 8 1 2 1 】 选择性的在源漏生长外延层，由于晶格常数的差异，在沟道内引入相应的应 力。在实际的器件制作中，可以通过特定的工艺在p m o s 器件的源漏区分别生长 s i g e 材料，由于s i 的晶格常数小于s i g e 的晶格常数，在p m o s 器件的沟道内引 入压应力，而在n m o s 器件恰恰相反，在其源漏区分别生长s i c 材料，由于s i c 的晶格常数比s i 的小，所以在n m o s 器件的沟道内引入张应力。 众所周知，c m o s 电路的各种性能在很大程度上受p m o s 的影响，所以，如 果采用任何技术能够把p m o s 的性能提高到n m o s 的水平，那么c m o s 电路的 性能将有大幅的提高。相对于常规p m o s 器件，采用源漏s i g e 的致应变技术，在 纳米级器件中产生的应力最大可达1 g p a ( 甚至以上，与具体的制作工艺和g e 组 分有关) ，器件的电学性能也有大幅提高。图2 4 为s d 生长s i g e 的p m o s 图。 图2 4 源漏( s d ) 植入致应变技术 2 接触孔刻蚀阻挡层致应变技术1 s 1 2 2 1 众所周知，通过在器件上覆盖氮化物可以在器件的沟道内产生很高的应力。 氮化硅薄膜即可以在沟道内引入张应力也可以在沟道内引入压应力，引入应力的 类型取决与工艺条件。同时n m o s 和p m o s 可以通过控制氮化硅薄膜中的应力来 第二章应变硅技术物理机制及相关理论 9 提高驱动电流。在工艺上，薄膜的淀积方法主要有化学汽相淀积( c h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ) 和物理气相淀积( p h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 两种。通过化学汽相淀积的 方法在器件上淀积张应变s i n 薄膜能有效的提高n m o s 的性能，主要是由于淀积 的薄膜能在n m o s 器件的沟道内引入张应变，然而通过物理汽相淀积的方法在器 件上淀积压应变s i n 薄膜能有效的提高p m o s 的性能，主要是由于淀积压应变的 s i n 薄膜能在p m o s 的沟道内引入压应变。据报道，张应变的s i n 薄膜能有效的 提高n m o s 的性能却使p m o s 的性能退化，淀积张应力的s i n 薄膜能使n m o s 的饱和漏电流提高2 5 1 2 9 1 。图2 5 为接触孔刻蚀阻挡层应变技术的示意图。 图2 5 接触孔刻蚀阻挡层应变技术 3 浅槽隔离( s h a l l o wt r e n c hi s o l a t i o n ，s t i ) 1 1 8 】【2 3 】 浅槽隔离一般用在硅基衬底器件的横向隔离技术中。随着晶体管尺寸的减小， m o s 器件对器件的布局模式变得越来越敏感。浅沟槽隔离技术可以通过减小s t i 边缘和晶体管区域的距离在沟道内引入压应力，并且s t i 边缘和晶体管区域的距 离越短，引入的应力越大。据报道，对于栅长为4 0 n m ，源漏距离为2 4 0 n m 的p m o s 器件，通过浅沟槽隔离技术可以将电流提高1 1 f 3 0 】。 对于栅长较小的器件，载流子的迁移率随着应力的变化也是非常敏感的。具 体m o s 结构如图2 6 所示。 图2 6 浅槽隔离应变技术 4 硅化物应变引入技术( s i l i c i d es t r a i n ) t 1 8 1 1 2 4 1 纳米级m o s f e t 应力与性能分析 采用硅化物结构可以获得超过4 0 0 m p a 的机械应力，这主要是由于硅化物和 s i 材料的热膨胀系数不同，同时晶格不匹配也会在器件内部产生应力。由于普通 的硅化物( t i s i 2 、c o s i 2 、n i s i ) 的热膨胀系数比s i 的大得多，可以在s i 材料下方 引入压应变。但是，当应力值超过临界值时，将会给器件中引入大量的位错。据 报道，可以将几种结构结合起来提高n m o s 和p m o s 器件的性能，如s t i 、硅帽 层和硅化物。采用最优化的应力引入技术，可以将n m o s 和p m o s 的漏电流提高 1 5 ，并且可以将环形振荡器的速度提高5 1 0 1 3 。典型的硅化物结构如图2 7 所示。 图2 7 金属硅化反应应交技术 5 g e 预非晶化应变引入技术f l s l l 2 5 】 利用g e 非晶化可以在p m o s 的s d 延伸区诱生一个大的压应力，从 而提高p m o s 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，并且对n m o s 电子迁移率没有负面影响。g e 的注入， 使s i 非晶化，减小了硅化物的形成能量，与传统的硅化物相比，g e 预非晶 化工艺有两个明显的特点：一是硅化物形成温度低；二是硅化物厚度容易 控制。锗预非晶化注入对器件的电学特性有重要的影响，如结泄漏电流、 薄层电阻等，在n i s i 或c o s h 中掺入g e 杂质，这样会使金属的功函数变得 更高，从而提高器件的性能。g e 预非晶化可以在器件沟道中引入压应力， 这个压应力是平行于电流方向。典型的6 e 预非晶化应变结构如图2 8 所示。 图2 86 e 预非晶化应变技术 第二章应变硅技术物理机制及相关理论 1 1 2 3 应力与应变 应力和应变的概念是来自于弹性理论，固体材料在外力的作用下改变形状， 在撤销外力之后恢复原状的能力称之为弹性，施加在特定区域的外力称之为应力， 此时产生的一定程度的形变称之为应变。这一节中主要讨论应力和应变理论，以 及它们之间相互依存的关系。 如下图所示，考虑一个点p 的应力状态，可以将p 看成一个无限小的立方单 元，有三个应力分量( 一个正应力和两个切应力) 作用于立方单元每一个平面。 由于固体中每一个点都是处于静态平衡中的，所以每一个点都会受到来自3 个方 向的9 个应力分量，具体定义如图2 9 所示。但是对应的两个分量是等价的， t s x y = 6 i x 一一 图2 9 三维应力张量的定义 y 一个弹性物体在负载的作用下产生一定的形变，也就是说弹性物体中每一点 之间的相对位移发生了变化。当这一物体在某一点受到负载作用后在x ，y ，z 三 个方向相对产生三个位移量u ，v ，w ，通常情况下，这三个位移量为x ，y ，z 的函 数，如( 2 1 ) 所示： fu ( x , y , g ) 1 u = v ( x ，弘z ) ( 2 - 1 ) 【w ( x ，y ，z ) j 则弹性物体上某点应变和位移量之间关系如表达式( 2 2 ) 所示： 纳米级m o s f e t 应力与性能分析 j s y ： ，秽 y1 7 z y 盟 o 0 a a z o a 反 a 砂 ( 2 2 ) 其中，六、六、z 为正应变，y 秒、y 弦、y a 为切应变。 所以，对于各向同性、线性且弹性的物体，由胡克定律( h o o k e sl a w ) 可得 出六个应力分量和两个应变分量的关系，如表达式( 2 3 ) 所示。由关系式可以清 楚的看出，两组变量之间主要由两个参数来联系，即杨氏模量( e ) 和泊松比( v ) 。 当然不同物体和材料杨氏模量和泊松比也是不同的，所以在某些软件中可以通过 这两个参数量直接定义材料。同时，这一点在后续的软件仿真中可以体现【2 5 1 。 一 层 ( 1 + v ) 0 2 v ) 1 一v，1，000 1 ，1 1 ，v000 vvl 一，000 o0o 上垒oo 2 0000 1 - 2 vo 2 00o00 1 - 2 v 2 4 本章小结 ( 2 3 ) 本章首先概括了应变硅技术的定义，应变硅技术是通过一定的工艺技术，在 器件内引入应力，改变器件的性能。其次对应变硅器件应力引入方法进行了总结， 通常在m o s 器件中引入应力的方法有两种，分别为衬底致应变和工艺致应变。衬 底致应变是采用外延技术，在s i 衬底材料上外延生长一层与衬底材料晶格常数不 同的材料，从而在器件中引入应变，主要有缓冲层上应变和绝缘层上应变两种； 工艺致应变是采用特定的工艺，如源漏( s d ) 植入致应变、接触孔刻蚀阻挡层、g e 预非晶化、金属硅化反应、浅槽隔离等，通过晶格常数差异或热膨胀系数等原理 在m o s 器件沟道内引入应力。同时，工艺致应变相对于衬底致应变而言，工艺步 骤简单、成本低，已成为当今应力引入技术的关键。最后，根据弹性理论，建立 o a一砂o a一锄a一如o a一绌o o a一砂0 a 一勿 j y = y 2 z办西以锄印砀 第二章应变硅技术物理机制及相关理论 1 3 应力和应变模型，根据虎克定律，得到应力和应变的关系，应力和应变主要由杨 氏模量( e ) 和泊松比( v ) 两个参数来联系。在本论文中，主要采用的应力引入 技术为局部应变技术中的源漏生长s i g e s i c 和在器件上淀积氮化硅薄膜，从而给 沟道中引入应力，提高载流子的迁移率，改善器件的电学性能。 1 4 纳米级m o s f e t 应力与性能分析 第三章应变硅m o s f e t 应力分布研究 1 5 第三章应变硅m o s f e t 应力分布研究 通过对应变硅基础理论的研究，本章首先对有限元仿真技术、有限元软件所 采用的分析方法、使用的仿真范围、仿真步骤做了总体的描述。接着主要利用有 限元仿真软件a n s y s 对源漏生长s i g e 的p m o s f e t 和源漏生长s i c 的n m o s f e t 沟道内应力的分布做详细的分析和说明；最后分别对两种结构中影响沟道内应力 分布的因素进行分析研究，并将仿真结果与已有实验和理论数据作对比，证明仿 真结果的正确性。 3 1 有限元分析方法 有限元方法是用于求解各种实际工程问题的通用方法，分析涉及热力学、结 构学、静力学、动力学等，下面主要对有限元分析方法的基本概念及分析步骤做 详细的讲解。有限元分析方法的基本概念是用比较简单的问题代替复杂的问题后 再求解，它将求解域看成许多称为有限元的小的互连子域组成，对每个单元假定 一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。 有限元分析方法的基本步骤主要有以下几步：( 1 ) 问题求解域的定义：主要 是根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几个区域；( 2 ) 求解域离散化：将 求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域； ( 3 ) 建立单元的刚度矩阵或能量泛函；( 4 ) 建立整体方程：推导有限单元的行列 式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元函数，以某种方法给出单元各状 态变量的离散关系，从而形成单位矩阵；( 5 ) 解方程求位置节点的位移，由节点 位移，求整个变形体的应变场、应力场等。 有限元分析软件a n s y s 是利用有限元的分析方法，软件分析方法主要包括 三个部分：前处理模块、求解模块和后处理模块。下面主要对各个部分做简要的 说明，前处理是建立一个强大的平台，用户可以方便地构造有限元模型，并且对 有限元模型进行合理的网格划分；求解模块包括结构分析( 可进行线性分析、非 线性分析和高度非线性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分 析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析 及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量 显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等 图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出【3 2 】。图3 1 有 限元分析软件a n s y s 的分析框图。 1 6 纳米级m o s f e t 应力与性能分析 图3 1 有限元软件a n s y s 分析方法框图 本文使用的是a n s y s1 0 0 版本软件，a n s y s1 0 0 秉承w o r k b e n c h 主旋律， 提供给用户可供选择的全自动或个人控制的强大分析软件，使用户可以直接建立 应力分析、电磁分析、计算流体动力学分析或多场耦合分析模型。与以前版本的 软件相比，其网格处理技术上有很大的增强，双向参数互动的c a d 接口的稳健性 也得到了提高。a n s y s 软件功能十分强大而本文中对其的使用仅限于其功能的一 小部分，本文主要是对纳米级器件应力的仿真。 3 2s i g es d 应变硅p m o s f e t 应力分布研究 3 2 1 有限元模型建立 通过前一章应变硅应力引入技术的分析研究，本文根据局部应变技术的原理， 采用有限元软件a n s y s 对源漏为s i g e 的p m o s f e t 的沟道内应力进行仿真和分 析，同时研究各种几何参数对沟道内应力分布的影响口5 1 1 3 8 】【4 0 1 。 a n s y s 软件主要是结构级仿真。软件可以根据实际器件的相关参数和几何结 构进行建模，并通过相应的参数、边界条件等设置来模拟沟道内应力分布的情况。 图3 2 ( a ) 给出了p m o s 的结构示意图。为了模拟此结构，a n s y s 软件中建立 的三维模型如图3 2 ( b ) 所示。主要结构参数为：沟道表面下的s i g e 的源漏结 深为5 0 n m ，沟道表面上的源漏抬高高度为2 0 n m ，沟道长度( s i g e 源漏间距) 为 9 0 n m 。由于主要研究源漏s i g e 对s i 沟道应变的影响以及沟道内应力的分析，因 此在a n s y s 软件的仿真模拟中，栅氧、多晶硅栅、侧墙等结构对沟道的影响主 要用一个无应力的覆盖层来代替。 第三章应变硅m o s f e t 应力分布研究 ( a ) ( b