（微电子学与固体电子学专业论文）应变硅空穴迁移率与晶向研究.pdf

摘要 摘要 应变硅以其迁移率高、与传统硅工艺兼容等优点成为当前国内外关注的研究 领域和研究发展重点，在高速高性能器件和电路中有极大的应用前景。应变硅迁 移率的研究对应变硅器件研究与电路设计具有极其重要的理论价值和指导意义， 目前，有关应变硅材料晶向的研究鲜有报道，而晶向是影响迁移率的重要因素之 一o 本文主要研究应变硅空穴各机制散射几率及空穴迁移率与晶向、应力的理论 关系。首先分析了应变硅形成机理、能带结构变化、空穴态密度有效质量，进而 分析了空穴迁移率增强机理。然后从量子力学理论出发，基于空穴态密度有效质 量模型，研究建立了空穴各机制散射几率模型，包括电离杂质散射、声学声子散 射、非极性光学声子散射。基于空穴电导有效质量各向异性，进一步获得了应变 硅空穴迁移率与晶向及应力的量化关系，结果表明，应变硅各晶向空穴迁移率随 锗组分增加而显著增加，最后趋于饱和，其中， 0 0 1 晶向迁移率 【0 1 0 】 【- 1 0 1 】 【1 1 0 】 1 1 1 】。 本文所得模型数据量化，为认识应变硅材料的物理属性和在应变硅器件( 尤 其是m o s 、c m o s 器件) 设计中选择合理的晶向与应力强度等提供了理论依据。 关键词：应变硅空穴迁移率散射几率晶向 a b s t r a c t a b s 仃a c t w i t ht h ea d v a n t a g eo fh i 曲一m o b i l i t ya n dc o m p a t i b l ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yw i t h t r a d i t i o n a ls i l i c o n , s t r a i n e ds ih a sb e c o m ec u r r e n tr e s e a r c ha r e aa n dd e v e l o p m e n t p r i o r i t yo f c o n c e r na th o m ea n da b r o a d ，a n dh a sg r e a ta p p l i c a t i o np r o s p e c t si n l l i g h s p e e d h i g h - p e r f o r m a n c ed e v i c e sa n dc i r c u i t s t h es t u d yo fs t r a i n e ds im o b i l i t y h a sv e r yi m p o r t a n tt h e o r e t i c a lv a l u ea n ds i g n i f i c a n tg u i d a n c eo nn e ws t r a i n e ds i l i c o n d e v i c e sa n dc i r c u i td e s i g n a tp r e s e n t , t h es t u d yo nc r y s t a lo r i e n t a t i o no fs t r a i n e ds i l i c o n m a t e r i a lh a sb e e nr e p o r t e dr a r e l y , w h i l et h ec r y s t a lo r i e n t a t i o ni sa ni m p o r t a n tf a c t o r a f f e c t i n gm o b i l i t y t h em a i nw o r ki sf o c u s e do nm o d e l so fh o l es c a t t e r i n gm e c h a n i s m sa n dh o l e m o b i l i t yw h i c hi s r e l a t e dt ot h ec r y s t a lo r i e n t a t i o n sa n ds t r e s so fs t r a i n e ds i t h e f o r m a t i o nm e c h a n i s m ，e n e r g yb a n d ，h o l ed e n s i t y - o f - s t a t ee f f e c t i v em a s so fs t r a i n e ds i h a v eb e e na n a l y z e df i r s t ，t h e nh o l 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 mi sa n a l y z e d f r o mq u a n t u mm e c h a n i s m st h e o r y , b a s e do nt h em o d e lo fh o l ed e n s i t y o f - s t a t ee f f e c t i v e m a s s ，as e r i e so fs c a t t e r i n gr a t em o d e l so fm e c h a n i s m sa r eb u i l t ，i n c l u d i n g i o n i z e d i m p u r i t ys c a t t e r i n g ，a c o u s t i cp h o n o ns c a t t e r i n g ，a p o l a ro p t i c a lp h o n o ns c a t t e r i n g b a s e d o na n i s o t r o p yo fh o l ec o n d u c t a n c ee f f e c t i v em a s s ，t h eq u a n t i f i c a t i o nr e l a t i o n s h i pa m o n g h o l em o b i l i t y , c r y s t a lo r i e n t a t i o n sa n ds t r e s si sg o t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh o l e m o b i l i t yo fc r y s t a lo r i e n t a t i o n so fs t r a i n e d s ii n c r e a s e so b v i o u s l yw i t hg e r m a n i u m c o n t e n ti n c r e a s i n g t h e nr e a c ht h ef i n a ls a t u r a t i o n ，t h eh o l em o b i l i t yo n 【0 01 【0 1 0 】 - 1 0 1 1 1 1 0 】 111 1 t h em o d e ld a t aq u a n t i f i c a t i o ni nt h i sp a p e rp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o r u n d e r s t a n d i n gt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fs t r a i n e ds i l i c o nm a t e r i a l sa n dc h o o s i n gt h e r i g h tc r y s t a lo r i e n t a t i o na n ds t r e s si n t e n s i t yi ns t r a i n e d s id e v i c ed e s i g n ( e s p e c i a l l y i n m o sa n dc m o s ) k e y w o r d ：s t r a i n e ds i h o l em o b i l i t y s c a t t e r i n gr a t e c r y s t a lo r i e n t a t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新幽声明 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：锺么堑日期勉f 【2 ：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) 本人签名：墨处趟 臀辄测 0 扩慰鹊 日期麴坠三：! 日期垫5 2 ：；：2 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 四十年来，人们通过对m o s f e t 尺寸的等比例缩小来不断提高器件的性能并 降低器件的成本，不仅遵循摩尔定律保持单位面积上晶体管数量随时间指数增长 i l 】，而且晶体管的性能也因等比例缩小而不断提升。目前，以c m o s 器件等比例 缩小为动力的硅集成电路技术已迈入纳米尺度，并将继续保持对摩尔定律的追求， 进一步缩小器件尺寸，以满足芯片微型化、高密度化、高速化和系统集成化的要 求。根据国际半导体产业技术发展蓝图( i t r s ) 2 0 0 6 版的预n t 2 1 ，2 0 0 7 年，集成电 路加工工艺达到6 5 n m 水平，2 0 1 0 年达到4 5 n m ，2 0 1 3 年达到3 2 n m 。 特征尺寸缩d , n 纳米尺度后，栅介质厚度也逐渐减d , n 接近l n m ，关态漏电、 功耗密度增大、迁移率退化等物理极限使器件性能恶化，等比例缩小技术面临越 来越严峻的挑战，要进一步等比例缩小，必须采用新技术来提高晶体管性能。其 中一个重要方面就是采取措施提高沟道内载流子迁移率，以弥补沟道高掺杂引起 库仑相互作用更显著，以及栅介质变薄引起有效电场强度提高和界面散射增强等 因素带来的迁移率退化。目前，得到广泛应用的是应变硅( s t r a i n e ds i l i c o n ) 技术。 现在，半导体业界已经开始强烈建议用应变硅技术来改善迁移率。i m e l 公司 于2 0 0 2 年底在业界发布了将应变硅技术应用于9 0 n m c m o s 技术生产微处理器， 正式宣告应变硅技术进入量产。从6 5 r i m 技术节点开始，半导体业界在逻辑电路产 品中大量应用应变硅技术。在目前的晶体管沟道区域中，迁移率增强所带来的性 能上的收益十分显著，已成为进一步延伸摩尔定律的重要技术手段【3 】。 应变硅的电子和空穴迁移率明显高于普通的无应变硅材料，其中以电子迁移 率提高尤为明显。以s i o 8 g e o 2 层上的应变硅为例，其电子迁移率可以提高5 0 以 上，这大大提高了n m o s 器件的性能，对高速高频器件来说有至关重要的作用。 对现有的许多集成电路生产线而言，如果采用应变硅材料，则可以在基本不增加 投资的情况下使生产的i c 性能明显改善，还可以大大延长花费巨额投资建成的i c 生产线的使用年限。 对应变硅技术来说，决定其能否在工业中应用有两个重要因素：一方面是应 变硅技术对器件性能的改善效果，另一方面是应变硅技术的工艺整合性能，即将 应变硅工艺整合到集成电路的制造工序后，是否会严重影响电路的成品率、可靠 性和成本。全局应变硅技术，包括弛豫s i g e 虚衬底技术、s s d o i 、双沟道技术等， 它们对迁移率具有较好的改善作用，但工艺整合较为困难；而局部应变技术引入 应变硅空穴迁移率与晶向研究 的缺陷少，工艺整合性能好。因此，目前主要应用的是局部应变技术。同时，为 了保证性能增强效果，一般针对n m o s 和p m o s 器件，分别采用不同的应变方法。 目前，得到工业应用的应变硅技术有：适合p m o s 器件的s i g e 源漏工程和压应 力氮化硅帽层，以及适合n m o s 器件的张应力氮化硅帽层等，如图l1 。 u n i a x i a lt e n s i l es t r a i n u n i a x i a lc o m p r e s s i v es t r a i n 圈11耳前主要的o ( 0 s 应变技术 1 2 应变硅国内外研究进展 在半导体中应变是由声于导致的晶格振动、晶格失配和外部应力等因素引起 的。为了计算由于应变引起的能带改变b a r d e e n a n ds h o c l d e y 【4 j 口j 发展了形变势 理论来模拟声学波和电子在固体中的耦合。接着h e r r i n g m a d v o g t 附在1 9 5 5 年利用这 个形变势理论模拟了应变半导体中的传输现象。 s m i t h 在1 9 5 4 年第一次通过实验数据证明了应变引起的1 1 和p - t y p e 体s i 和g e 迁 移率的提升m 。利用形变势理论，h e r r i n ga n dv o g t 【8 i 把迁移率提升归因于能带改变 引起的“电子传输”( “e l e c t r o n t r a n s f e r ) 和带问散射率( i n t e r v a l l e ys c a t t e r i n gr a t e ) 的改 变。这个和目前解释s in - c h a n n e lm o s f e t s 的物理本质是一样的。目前，这些因素 的影响至今仍然还是存在争议的，主要因为在散射参数上还没有大家都能认可的 数据。 h a s e g a w a 发现在 方向的压应力下，轻空穴( 1 i g h t - h o l o 有效质量变得更大 并且它的倒数由于自旋轨道耦台能带( s p l i t - o f f - h o l eb a n d ) 的影响与应力成线性关 系。重空穴有效质量在一级近似下并没有改变。h e n s e l 和f e h e r 证明，在 或者 压应变下，l h 能带上升r 变为最高价带) ，删能带下降。尽管没有揭示应变 对空穴传输的影响，但揭示了半导体中影响空穴传输的关键因素：能带分裂( b a n d s p l i i n g ) 和扭i 拍( w a r p i n g ) ，空穴有效质量( h o l ee f f e c t i v em a s s ) 及影响能带占据率 ( b a n do c c u p a t i o n ) 和声子散射率 h o n o ns c a t t e r i n g ) 的态密度( d o s d e n 蓟廿o fs t a t e ) 的改变。 w c s l e r c t a l 在1 9 9 2 年证明了一个应变硅n - m o s f e t s 性能能够提高22 倍。n a y a k 第一章绪论 3 e ta 1 【9 】报道了在双轴应力- v ( b i a x i a ls t r e s s ) 的p m o s f e t s 迁移率提高到1 5 倍。单轴 应力提高迁移率的思想来自i t oe ta 1 和s h i m i z ue ta 1 。g a n n a v a r a me ta 1 通过向源 漏注入s i g e 得到了沿沟道方向的单轴压应力，能得到更高的迁移率，并且非常小 的阈值电压漂移( t h r e s h o l dv o l t a g es h i f t s ) 。 2 0 0 5 年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。预计到2 0 1 0 2 0 1 3 年，s i g e 层中g e 的摩尔含量可以做到 1 0 0 - 2 0 ，应变硅的电子迁移率可以比无应变硅提高约3 0 - 7 0 。 2 0 0 6 年9 月，a t i 宣布旗下新一代移动图形芯片- - m o b i l i t yr a d e o nx 1 7 0 0 采用 台积电的s t r a i n e ds i l i c o n ( 应变硅) 技术。m o b i l i t yr a d e o nx 1 7 0 0 也是业界第一款采用 应变硅技术生产的图形芯片。目前，i n t e l 已经将应变s i 的应用目标锁定在3 2 n m 技 术层次。 目前，通过改变晶向提高迁移率已得到越来越多的关注。 n - 水m 图1 21 0 0 m p 张应力下( 1 1 0 ) 沟道方向p m o s 、n m o s 在不同晶面下随反型层载流子浓度 变化关系 2 7 0 柙p 一 ： 知嘲l 蛳k q l i t x 嚏i “f 舶h ，t t m s _ 锄 舯1 蛩卷咖 卵b 懿l 卜b 嗽i l il j g 嘲 图1 3 单轴及双轴应力下空穴迁移率提高对比 墨一滋一 滋、一 懈， ；、j。，撼黟，。，、承 噶 嗍 ，o。：。、，建 尽一 氆7；：、。、，猫 4 应变硅空穴迁移率与晶向研究 p m o s 在( 1 l o ) 晶面迁移率要高于( 1 0 0 ) 晶面，而n m o s 迁移率则是( 1 0 0 ) 晶面高 于( 11 0 ) 晶面，如图1 2 所示。空穴迁移率在单轴压应力下要高于双轴压应力的，而 两种压应力情况下迁移率都高于两种张应力情况下的，如图1 3 所示。 国内开展应变硅与s i g e 技术研究的单位较多，主要有：西安电子科技大学、 中电科技集团第2 4 研究所、北京大学、清华大学、电子科技大学、中科院物理究 所、中科院半导体研究所等，国内的研究课题基本上都局限于应变硅的机理、材 料生长、集成应变硅单项工艺等方面，对于新型应力引入技术的研究还比较少见， 尤其是应变硅m o s f e t 的应用研究与国外差距较大。 1 3 本论文主要研究工作及具体章节安排 应变硅以其迁移率高在高速高性能器件和电路中有极大的应用前景，迁移率 是器件与电路性能提高的本质因素。目前缺乏有关应变硅迁移率与晶向的关系研 究，本文的研究目的旨在弥此空缺，建立应变硅空穴迁移率与晶向及应力的量化 关系。 本论文基于量子力学理论，采用微扰理论，根据费米黄金法则，建立应变硅 材料空穴的散射几率模型，即散射几率与态密度有效质量m ( 所= z m o ) 和电子 能量e 之间的关系。然后代入具体模型参数得到散射几率与a 和e 的关系，利用 s i ( 0 0 1 ) s i g e 的空穴态密度有效质量模型，得到各机制散射几率在不同锗组分下与 e 的关系。然后对e 积分，得到平均弛豫时间，进一步得到总的散射几率，根据 迁移率公式p 。= 旷，利用各晶向的电导有效质量模型，得至u ( 0 0 1 ) 晶面各晶向 空穴迁移率与锗组分的关系。最后运用m a t l a b 模拟迁移率曲线，对所得结果进 行分析。 具体章节安排如下： 第一章介绍国内外发展历程与进展：第二章阐述应变硅形成机理、能带结构 和迁移率增强机理，分析应变硅工艺制备方法；第三章根据量子力学理论建立应 变硅载流子散射几率模型，代入具体模型参数，得到散射几率与锗组分和电子能 量e 的关系，根据所得结果分析各机制散射几率；第四章利用各晶向电导有效质 量得出应变硅各晶向空穴迁移率与锗组分的关系，对比分析结果；第五章总结全 文，同时对未来工作进行展望。 第二章应变硅基本物理特性 第二章应变硅基本物理特性 硅基应变材料的物理特性在对载流子迁移率增强机理研究中起着重要的作 用。本章研究了硅基应变材料的形成机理，应变硅能带结构，态密度有效质量， 引起应变硅空穴迁移率增强的因素，最后分析了实现应变硅的工艺方法，主要分 单轴应变和双轴应变，而混杂晶向衬底制备技术成为利用晶向提高c m o s 载流子 迁移率的新方法。 2 1 硅及硅锗应变机理 s i 和g e 之间具有4 2 的晶格失配，当大尺寸的g e 原子掺入s i 晶体中时， 晶格间距将加大【1 1 ，因此s i l x g e x 的晶格常数大于s i 的晶格常数。如图2 1 所示【2 】： s i k g 龟晶格 双品格 图2 1 s i g e 与s i 晶格的对比 因此，当两种材料接触形成异质结时，外延生长其上的材料将被迫去适应衬 底材料的晶格常数，这种压力将迫使外延层的晶格结构发生变形，材料产生应变。 晶格常数较衬底小的形成张应变，晶格常数较衬底大的形成压应变，这个过程也 叫做“赝形生长”。 赝形生长一般要求外延层小于临界厚度，这样才能达到所需的应变要求。当 外延层超过临界厚度时，应变所产生的能量将被消耗在使多余层与衬底相匹配中。 这时大量的缺陷就会出现，由于晶格不匹配所产生的层错也会进一步降低应变的 程度，外延层将会变得松弛。迁移率由于大量的缺陷而降低。所以临界厚度是晶 格失配的一个函数【3 j 。 图2 2 应变s i 的形成 s t r a i n e ds i l a y e r s 1 1 x g e x 6 应变硅空穴迁移率与晶向研究 当s i 薄膜赝晶生长在弛豫s i g e ( 1 0 0 ) 衬底上时，会受到双轴张应变力的作用， 沿平面方向的晶格受到拉伸，形成张应变s i ，如图2 2 。 图2 3 应变s i g e 的形成 s i g e 层生长在s i 衬底上时，s i g e 合金将发生压应变，晶格对称性从立方型变 为四方形，形成应变s i g e ，如图2 3 。 2 2 1 导带 2 2 应变硅能带结构 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。当受到应力作用时，导带底附近的六度简并能谷a 6 分裂成两组分立的能 谷：一组为二重简并能谷a 2 ，另一个是四重简并能谷4 。其中a 2 能谷仍近似为 旋转椭球面，能量极小值降低；4 能谷近似为扁椭球面，能量极小值升高。 两能谷的分裂值为： a e 2 4 = 0 6 7 x c v ( 2 一1 ) 式中x 是弛豫s i g e 缓冲层顶部g e 的组分。 图2 4 应变s i 与体硅导带结构对比 第二章应变硅基本物理特性 7 s t r m n e ds i j 札- 6 7 嘏 上u f f 2 m t 吼 图2 5 应变s i 导带底能谷分裂 与张应变相反，在压应变中，4 能谷将比2 能谷低。 3 d 2 d 2 2 2 价带 e 3 岛 e l e o 2 - b a n d& - b a n d 图2 6 压应变s i 导带结构 类似的，张应变s i 的价带结构发生改变。张应变使r 点简并的轻、重空穴带 分离，轻空穴带能量升高，重空穴带能量下降，并且还降低自旋一轨道能带的能 量。 a e l 一日= 0 3 8 x e v ( 2 - 2 ) l p l 呻摹 q _ l i - o c p k 一7 。弋一 l 、j l 厂 i - h l& o j 谌厂弋手? k 罅 ，。 ；jf 一 ， f ， 味j 厂 、，趵 0 bo , t _ t m t m n t c ”h 狮k 图2 7 应变s i 价带结构 应变s i 的禁带宽度e g 由上移的轻空穴带项和下移的二度简并导带能谷所决 定，其禁带宽度小于体s i 。 8 应变硅空穴迁移率与晶向研究 最，艘= 1 1 1 0 6 x e v r e l a x e d e 。0 6 xe v t e t 、s i l e ( 2 3 ) 图2 8 应变s i 禁带结构 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 9 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、 h h 表示重空穴、s o 表示 图2 9 应变s i 能带变化与弛豫s i g e 中g e 组分的关系 与双轴张应变相反，在双轴压应变当中，重空穴带上升，轻空穴带下降。 双轴压应变 _ 、 ， f 、 ，、 面内 r 面外l 。f 一州， s 0 图2 1 0 压应变s i 价带结构 2 3 应变硅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。 第二章应变硅基本物理特性 9 弛豫s i 能量较高的能带f s v u 对应于重空穴带，较低的能带1 1 8 ，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。 图2 11应变s i 空穴状态密度有效质量与衬底弛豫s i g e 中g e 组分的关系示意图 当s i 受到张应力( ) 【g c 不等于0 ) 时，则r 8 v ”能带对应于“轻空穴带”，r 8 v i 能带对 应于“重空穴带”。在应变水平高时，r 8 v o 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 1 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弛豫s i g e 中g e 组分的关系。 2 4 空穴迁移率增强机理 应变硅概念的提出已有5 0 余年，但直到2 0 世纪9 0 年代，才对其中载流子的 输运特性有了较好的理解或解释。载流子迁移率u 可表示为： p：芝(2-4) 加 式中，q 为电子电量，1 t 为散射几率，聊为电导有效质量。应变硅中，电子 迁移率的提高与有效质量和散射几率的降低均有关系；而应力引起的有效质量降 低是导致空穴迁移率提高的主要因素。 空穴价带比较复杂，如图2 1 2 所示，在应力的作用下，原来价带中简并的轻 空穴( l h ) 、重空穴( h h ) 带分裂开来，轻空穴带能量升高( 成为最高价带) ，重空穴带 能量降低( 成为第二价带) 。除了形成价带分裂，应力还会改变价带等能面的形状， 形成扭曲的价带，使得空穴在k 空间中重新分布，且空穴沿不同方向的有效质量 呈现高度各向异性。对于某个有效质量较小的晶向，由应变造成的带内空穴再分 布有可能使沿该方向运动的空穴增多，从而提升迁移率。图2 1 2 ( b ) 、( c ) 、( d ) 分别 表示三种应力状态下( ( 1 0 0 ) 硅片上的纵向单轴压应力，( 1 1 0 ) 硅片上的纵向单轴压应 力，双轴张应力) 空穴价带等能面的形状【4 】。要获得高空穴迁移率，轻空穴带中空 穴的面内有效质量就要低，即沿沟道方向( 1 1 0 ) 价带等能面的宽度要窄。如图 l 9 3 7 6 5 4 3 2 l 口 o o o o o o o o o ，1lo毽r皇m每llual。oq i o 应变硅空穴迁移率与晶向研究 2 1 2 ( b ) 、( c ) 所示，在两种单轴压应力下，可以获得较低的面内有效质量( 比双轴张 应力低4 0 以上1 。 w b 。 l b i s t r e s s ( c ) i ( 1 0 0 ) u r , a x h o ll “h b “ 祷髻l 尜钟 k 责 , f - - 鹾- j u o s f e t p l 。， 图2 1 2 空穴价带等能面( 2 5 m e v ) 形状：( 的无应力：( 1 0 0 ) 硅片上纵向单轴压应力；0 ) ( 1 1 0 ) 硅片上纵向单轴压应力；( d ) 双轴张应力 除面内有效质量外，态密度也是重要因素。纵向单轴压应力作用下，与图21 2 ( c ) 的( 1 l o ) 硅片相比，图21 2 ( b ) 中( 1 0 0 ) 硅片在沟道平面内有更高的二维态密度使轻 空穴带内保持高空穴浓度。因此，0 0 0 ) 硅片上纵向单轴压应力对空穴迁移率的增 强效果好。在职轴张应力下，轻重空穴带的能级分裂会使迁移率增强。然而，随 着有效电场增加，轻重空穴带之间的分裂度明显减小，空穴迁移率增加幅度显著 降低。这是由反型层中量子力学限制引起的1 5 】。量子力学限制对轻重空穴带分裂的 影响取决于面外有效质量的大小。双轴张应力下，如图21 2 ( d ) 所示，重空穴带中 空穴的面外有效质量比轻空穴带要大( 单轴压应力时正好相反) ，轻空穴带的面外有 效质量比面内小，使高场下轻重空穴带分裂受到量子力学限制作用而明显减小。 而对于单轴压应力，空穴迁移率在高场下仍能保持较大的提升州i 7 l 。这也是目前单 轴应变在工业中被广泛采用的重要原因。 由于在可制造的应力范围( 晶片需要更高的分离温度。晟后，将表面s o l 层抛光后削薄到所需厚度卜5 0 r i m ) 。 一 融一_ 图2 1 5 混台晶向衬底上s o i 和应力s o i h o t 工艺还需要通过额外的一步光刻和刻蚀工艺吃穿部分区域的s o l 氧化 层露出下面那片 晶向的晶片表面。在交界区形成s p a c e r 之后，通过r t c v d 技术对晶片进行外延处理。外延形成的单晶硅具有和村底( 底层晶片) 一样的晶向排 列。为了避免选择性外延可能形成的一些缺陷，还要对外延单晶硅进行c m p 和刻 蚀处理，使其表面与s o l 表面持平( 如图21 5 所示) 。s o i ( 上) 和应力s o i c 5 ) 结构是 通过层转换技术在混合晶向衬底上形成的。 2 6 本章小结 本章介绍了应变硅形成机理，应变硅能带结构，空穴态密度有效质量及空穴 迁移宰提高机制。散射几率和有效质量是影响迁移率的两大关键因素，对其深八 分析是研究应变硅迁移率的理论基础。在应变硅材科的工艺制备方法中，新的混 杂晶向排列技术是利用晶向提高c m o s 迁移率的有效方法。 第三章应变硅空穴散射机制研究 1 5 第三章应变硅空穴散射机制研究 应变硅的散射机制在对载流子迁移率增强机理研究中起着重要的作用。由载 流子的散射理论可知，载流子散射前后的能量具有确定的数量关系，被散射后的 载流子的状态具有随机性。本章基于量子力学散射理论，研究空穴的主要散射机 制及其散射几率模型，包括离化杂质散射、声学声子散射、非极性光学声子散射。 3 1 载流子散射概念 在一定温度下，半导体内部的大量载流子，即使没有电场作用，它们也不是 静止不动的，而是永不停止地作着无规则的、杂乱无章的运动，简称热运动。同 时晶格上的原子也在不停地围绕格点作热振动。半导体还掺有一定的杂质，它们 一般是电离了的，也带有电荷。载流子在半导体中运动时，便会不断地与热振动 着的晶格原子或电离子的杂质离子发生作用，或者说发生碰撞，碰撞后载流子速 度的大小及方向就发生改变。用波的概念，就是说电子波在半导体中传播时遭到 了散射。所以，载流子在运动中，由于晶格热振动或电离杂质以及其它因素的影 响，不断地遭到散射，载流子速度的大小及方向不断地在改变着。载流子无规则 的热运动也正是由于它们不断地遭到散射的结果。 当有外电场作用时，载流子存在着相互矛盾的两种运动。一方面，载流子受 到电场力的作用，沿电场方向( 空穴) 或反电场方向( 电子) 定向运动；另一方面，载 流子仍不断地遭到散射，使载流子的运动方向不断改变。这样，由于电场作用获 得的漂移速度，便不断地散射到各个方向上去，使漂移速度不能无限地积累起来， 载流子在电场力作用下的加速运动，也只有在两次散射之间才存在，经过散射后， 它们又失去了获得的附加速度。从而，在外力和散射的双重影响下，使得载流子 以一定的平均速度沿力的方向漂移。所以，电子反电场方向有一定的漂移速度， 形成了电流，而且在恒定电场作用下，电流密度是恒定的。 3 2 半导体的主要散射机构 半导体中载流子在运动过程中遭到散射的根本原因是周期性势场的被破