（微电子学与固体电子学专业论文）硅基应变cmos研究与设计.pdf

摘要 摘要 从第一个晶体管的发明到超大规模集成电路出现，s i 基半导体工艺取得了一 系列重大突破。s i 材料为主体，以集成密度高、静态功耗低、速度快的c m o s 已 成为集成电路的主流技术。目前，特征尺寸为4 5 n m 的集成电路已经开始批量生产， 而根据i t r s ( i n t e m a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a po fs e m i c o n d u c t o r ) r o a d m a p 的最新预 测，到2 0 1 5 年，2 1 n m 特征尺寸的工艺技术将进入生产阶段。 然而，随着集成电路集成度的不断提高，特征尺寸不断缩小，出现了一系列 材料、器件物理、器件结构和工艺技术等方面的问题，尤其是迁移率退化问题限 制了器件性能的进一步提升。s i 基应变技术因其能显著提高m o s 器件的载流子迁 移率，克服了体s i 材料的不足，且与传统工艺有良好的兼容性，从而可以充分发 挥s i 集成技术的潜力，成为进一步延伸摩尔定律的重要技术手段之一，为s i 基器 件和集成电路的高速、高频化发展开辟了新的技术途径。 本论文重点研究s i 基双轴应变c m o s 关键理论与技术，主要包括s i 基应变 材料基本物理属性，m o s 器件物理模型及其电学特性，s i 基应变c m o s 的参数设 计及工艺实现。主要研究工作和成果如下： 1 应变c m o s 器件结构是高速高性能集成电路的基本单元，本文基于应变 增强迁移率机理和异质结能带理论，提出了三种s i 基应变c m o s 器件结构模型： s i s i g e s i 量子阱沟道c m o s 、应变s i s i g ec m o s 和s i s i g e s i g e 双应变c m o s 。 s i s i g e s i 量子阱沟道c m o s ，以s i g e 量子阱作为p m o s 的导电沟道，以表面s i 帽层作为n m o s 电子导电沟道，该结构通过显著提高p m o s 的性能来提升c m o s 的性能；应变s i s i g ec m o s 以应变s i 层作为n p m o s 的导电沟道，可同时提高 n p m o s 的性能。s i s i g e s i g e 双应变c m o s 以压应变s i g e 作为p m o s 的导电沟 道，以应变s i 帽层作为n m o s 的导电沟道，该结构能同时提高n p m o s 载流子的 迁移率从而提高c m o s 性能。 2 阈值电压是m o s 器件关键参数，因此本文针对所提出的三种c m o s 器件 结构分别建立了其p m o s 和n m o s 阈值电压模型，并在模型中采用了p + 多晶s i g e 栅可实现c m o s 中n p m o s 阈值电压的匹配。对所建模型进行了仿真分析，获得 了阈值电压与器件几何结构参数和材料物理参数的变化规律，并与实验结果达成 一致。同时针对s u s i g e s i 量子阱p m o s 和s i s i g e s i g e 应变p m o s 结构中存在 的寄生沟道，通过仿真结果提出了通过调制表面s i 层厚度和g e 组分实现抑制寄 生沟道开启的有效方法。并针对应变s in p m o s 建立了考虑速度过冲效应的i v 特 性模型。 3 鉴于小尺寸n p m o s 器件漏致势垒降低效应十分显著，本文采用电荷共享 硅基应变c m o s 研究与设计 理论建立了小尺寸应变s in p m o s 阈值电压模型，并研究分析了漏致势垒降低效 应对器件阈值电压的影响，为小尺寸应变c m o s 设计与制造奠定了基础。 4 研制了应变器件结构材料，采用x r d 、t e m 和r a m a ns p e c t r a 等方法对 所制备的材料进行检测，结果表明材料结晶状况良好，缺陷密度低于1 0 5 c m a ，器 件结构材料性能优越，满足器件要求。 5 基于所建器件结构模型和阈值电压模型，结合现有工艺条件，分别设计了 应变s i s i g ec m o s 和s i s i g e s i 量子阱c m o s 的器件参数。在分析关键工艺对 器件性能影响及工艺优化的基础上，研制出了应变s i s i g ec m o s 和s i s i ( 酬s i 量 子阱c m o s 器件。测试结果表明：应变s ip m o s 电流驱动能力有所改善，应变s i n m o s 电流驱动能力提高2 0 5 ；量子阱结构p m o s 电流驱动能力提高1 0 5 。应 变s ic m o s 反相器在5 v 电源电压条件下，高低电平分别大于4 9 v 和小于0 1 v ； s i s i g e s i 量子阱c m o s 反相器测试表明其延时时间为2 - 3 p s 远小于体s ic m o s 反相器的6 p s 。 关键词：s i 基应变c m o s 阈值电压i v 模型漏致势垒降低效应 a b s t r a c t f r o mi n v e n t i o no ft h et r a n s i s t o rt ot h ee m e r g e n c eo fu l t r al a r g es c a l ei n t e g r a t e d c i r c u i t s ，s i b a s e ds e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g ym a d eas e r i e so fi m p o r t a n tb r e a k t h r o u g h s ， c m o st e c h n o l o g yb e c a m et h em o s tw i d e l yu s e di n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g yi n m i c r o e l e c t r o n i c sm a n u f a c t u r ef o ri t sh i g hi n t e g r a t i o n ，l o wp o w e rd i s s i p a t i o n ，a n df a s t s p e e d c u r r e n t l y , i n t e g a t e dc i r c u i tw i t hf e a t u r es i z eo f 4 5 n mh a sb e g u nm a s sp r o d u c t i o n ， a c c o r d i n gt oi t r s ( i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a po fs e m i c o n d u c t o r ) r o a d m a p s l a t e s tf o r e c a s t ，c m o sp r o c e s st e c h n o l o g yw i t hf e a t u r es i z eo f21n mw i l lb ea d a p t e df o r m a n u f a c t u r ei n2 015 h o w e v e r , w h e nt h ef e a t u r es i z ee n t e rd e e pm i c r o nr e g i o n , as e r i e so fp r o b l e m a p p e a r e dt or e s t r a i nt h ef u r t h e ri m p r o v e m e n to fd e v i c ep e r f o r m a n c e ，e s p e c i a l l yf o rt h e d e g e n e r a t i o no fc a r r i e r s t r a i n e ds it e c h n o l o g y , w h i c hc o u l ds i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h e m o b i l i t ) ro fc a r r i e r , i sr e g a r d e da sa ni m p o r t a n tm e t h o dt oe x t e n dt h em o o r el a w i nt h i sd i s s e r t a t i o n , r e s e a r c hw o r ki sc a r r i e do u ti nb o t ht h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a l ，w h i c hi n c l u d et h e o r e t i c a la n a l y s i so fs t r a i n e ds i s i g eb a s i cp h y s i c a l p r o p e r t i e s ，p h y s i c a lm o d e l se s t a b l i s h m e n to fs t r a i n e ds i s i g em o s ，a n dt h ep h y s i c a l p a r a m e t e rd e s i g no fs t r a i n e ds i s i g ec m o sf o rf u r t h e rd e v i c em a n u f a c t u r e t h em a i n r e s e a r c hw o r ka n dt h er e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w ： 1 s t r a i n e ds i s i g ec m o si st h ee l e m e n t a r yu n i to fh i g hp e r f o r m a n c ei n t e g r a t e d c i r c u i t t h r e es t r u c t u r e so fs t r a i n e ds ic m o s ( s i s i g e s iq u a n t u mw e i i ( q w ) c h a n n e l c m o s ，s t r a i n e ds i s i g ec m o sa n ds i s i g e s i g ed u a ls t r a i nc m o s ) a r ep r o p o s e d b a s e do nt h em e c h a n i s mo fs t r a i ne n h a n c em o b i l i t ya n dh e t e r o j u n c t i o nb a n dt h e o r y f o r s “s i g e s ic m o s ，q u a n t u mw e l ls i g ei sr e g a r d e da sc h a n n e lo fp m o sa n ds ic a p l a y e ri sr e g a r d e d 硒c h a n n e lo fn m o s ；f o rs t r a i n e ds i s i g ec m o s ，b o t l ln m o sa n d p m o s t r e a ts t r a i n e ds ia st h e i rc h a n n e l ；f o rs i s i g e s i g ed u a ls t r a i nc m o s ，s t r a i n e d s i g ei sm a d ea st h ec h a n n e lo fp m o s ，a n ds t r a i n e ds il a y e ro nt h es u r f a c et r e a ta s c h a n n e lo fn m o s 2 i nt h ed e v i c em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，t h r e s h o l dv o l t a g ei sav e r yi m p o r t a n t p a r a m e t e r i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h et h r e s h o l dv o l t a g em o d e l so f t h r e ek i n d so fn m o sa n d p m o si nc m o sw i t hp + p o l ys i g ea l ee s t a b l i s h e d , a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h r e s h o l dv o l t a g ea n dp h y s i c a lp a r a m e t e r si so b t a i n e db ys i m u l a t i o n t h ev a l i d i t yo ft h e m o d e l si sp r o v e db ye x p e r i m e n t sa n dd e v i c es i m u l a t i o ns o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ew a yt or e s t r a i nt h ep a r a s i t i cc h a n n e le x i s t e di ns i s i g e s iq w 硅基应变c m o s 研究与设计 c h a n n e lp m o sa n ds i s i g e s i g ed u a ls t r a i np m o sa r ea c q u i r e d a n di - vm o d e lf o r b o t hs t r a i n e ds in m o sa n dt h a to fp m o sa l eb u i l tw h i c hc o n s i d e r e dt h ev e l o c i t y o v e r s h o o te f f e c t 3 t h ei m p a c to fd r a i ni n d u c e db a r r i e rl o w e r i n g ( d i b l ) e f f e c to nt h r e s h o l d v o l t a g eo fs t r a i n e ds i s i g en m o si sa n a l y z e db yt h ec h a r g es h a r et h e o r yt ob er e v i s e d t h i sm o d e li sh e l p f u lf o rt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fc m o s 4 t h es t r a i n e dm a t e r i a li sp r o d u c e db ye p i t a x y t h et e s ti sc a r r i e do u tb yt h ew a y o fx r d 、t e ma n dr a m a ns p e c t r a t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a t e r i a lh a dg o o d c r y s t a l l i z a t i o na n dt h e i rd e n s i t yo fd e f e c ti sl e s st h a n10 5 c m 2w h i c hi sg o o df o rd e v i c e f a b r i c a t i o n 5 t h ep a r a m t e r so fs t r a i n e ds i s i g ec m o sa n ds i s i g e s iq ww e l lc m o sa t e d e s i g n e db a s e du p o np r e v i o u sm o d e la n dc u r r e n tp r o c e s st e c h n o l o g y f u r t h e r m o r e ，t h e i m p a c to fk e yp r o c e s so nd e v i c ep e r f o r m a n c ei sa l s oa n a l y z e d 1 1 1 ep r o c e s sf o rs t r a i n e d s ic m o sa n dq ww e l lc m o sa r ec a r d e do u t t h et e s t so ft h ed e v i c e ss h o wt h a tt h e p e r f o r m a n c eo fs t r a i n e ds ip m o si si m p r o v e da n dt h a to fs t r a i n e ds in m o si m p r o v e d b y2 0 5 ；t h et e s to fs t r a i n e ds ic m o s i n v e r t e rs h o w st h a ti t sh i g hl e v e li sg r e a t e rt h a n 4 9 va n di t sl o wl e v e li sl e s st h a n0 1vf o rt h e5 vs u p p l yp o w e r k e yw o r d s ：s t r a i n e ds i c m o st h r e s h o l d v o l t a g e i - vm o d e ld r a i ni n d u c e d b a r r i e rl o w e r i n g 第一章绪论 l 第一章绪论 1 1 引言 1 9 4 8 年，b a r d e e n 等人成功地观察到了世界上第一个点接触式晶体管的 放大特性【1 ，2 1 ，而早在1 9 3 0 年，l i l i e n f i e l d 在他的专利中就提到了金属氧化物 半导体场效应晶体管m o s f e t 的概念1 3 j 。不过，这一概念在相当长一段时间 内没有得到实际应用，直到1 9 6 0 年，k a h n y 和a t t a l a 才把这一概念成功地应 用到s i s i 0 2 系统，导致了m o s f e t 的发明【4 】。1 9 6 0 年以后，集成电路的出 现【5 6 】以及s n o w 、g r o v e 等人解决了m o s 栅氧化层可靠性的问题【7 j ，从此 m o s 晶体管进入集成电路制造业，开始了微电子工业蓬勃发展的历程。m o s 集成电路很快从小规模发展到中规模、大规模及至超大规模集成电路。1 9 7 0 年1 k bm o s 存储器芯片的问世，标志着m o s 集成电路从此进入大规模集成 电路时代，到1 9 9 5 年已经研制出1 g bd r a m ，短短2 5 年集成度提高了6 个 数量级，这种迅猛发展的速度是任何其他产业无法与之相比的。1 9 6 5 年4 月 1 9 日，g o r d e ne m o o r e 总结了集成电路发展的规律，在e l e c t r o n i c sm a g a z i n e 上提出了著名的“摩尔定律”【引，即集成电路的集成度每1 8 个月增加一倍，特 征尺寸缩小3 0 ，而性能也将提升一倍。 亩嚼蝴 - _ r _ _ 聊。 m o o r 瞄l w 嚣嚣翳掣 湍涮 一一： ， r 咐i 一一 黼哆 肄 ；- 少 嚣髯 ， 图1 11 9 7 0 年至2 0 0 5 年电路集成度按照摩尔定律发展状况 从图1 1 中可以看到，在过去的4 0 里，单位面积芯片上的晶体管数量呈爆炸 性增长。1 9 7 0 年单位面积芯片可集成1 0 0 0 个晶体管，而到2 0 0 5 年，可集成 1 0 0 亿个晶体管。集成度的飞速增长主要归因于微电子工艺技术的不断发展： 离子注入、自对准、低温退火【9 】等新技术的采用，使这些成为了可能。 早期的m o s 采用铝栅工艺，6 0 年代后期，多晶s i 栅技术【lo j 以及局部氧 化隔离技术l o c o s t l l 】的问世是m o s 工艺发展史上的里程碑，但直到7 0 年 2硅基应变c m o s 研究与设计 代中期，这两项新技术才真正广泛应用于n m o s 的商业生产。由于新技术的 应用，n m o s 的可靠性以及成本大幅下降，因此成为了7 0 年代推动集成电路 行业发展的重要力量。与此同时，为了提高电路的集成度、加速m o s 的开关 特性，1 9 7 4 年，d e n n a r d 提出m o s 器件的“等比例缩小原则”【l2 1 ，理论指出 m o s 器件在保持原有电流电压特性的同时，其几何尺寸可按照一定比例缩 小。这之后，另外一些关于器件尺寸缩小的原则被提出【l3 1 。在设计m o s 器 件时，“等比例缩小原则”成为指导器件尺寸缩小的经典理论，为电路集成度 的提高提供了理论依据。但由于二氧化硅本身的物理特性，器件特征尺寸在 缩小到l g m 时，l o c o s 不再适用，尽管对l o c o s 技术进行优化i l 引，可以使 其适用于3 5 0 n m 工艺，但却增加了工艺成本。康奈尔大学的一些学者提出了 浅槽隔离技术s t i 1 5 哪l ，能很好的兼容3 5 0 n m 工艺【1 引，因此很快代替了 l o c o s 技术，成为了c m o s 的主流工艺。 此后四十多年的进程中，我们可以发现，集成电路的发展较完美地体现 了摩尔定律。根据国际半导体产业技术发展蓝图( i t r s ) 今年版的预测i l 引， 2 0 1 3 年，集成电路加工工艺达到3 2 n m 水平，2 0 1 5 年将达到2 1 n m 的水平。 事实上，随着器件特征尺寸进入深亚微米以来，集成电路的发展速度已经减 缓，物理问题变得十分突出【1 9 ，2 们。一是器件内部电场增强引起的一系列问题， 如薄栅氧化层的可靠性、量子效应的影响以及迁移率退化等问题；二是由于 一些参数不能随器件尺寸一起等比例缩小，从而对器件和电路性能带来影响， 如沟道区杂质的随机涨落、源漏区串联电阻的影响以及阈值电压的设计问 题。集成电路如果继续沿着摩尔定律的预测发展下去，那么这些物理限制必 须得到克服。图1 2 总结了c m o s 器件特征尺寸达到2 1 n m 节点所需解决的 问题，表1 1 为i t r s 预测2 0 1 5 年器件特征尺寸达到2 1 n m 水平下的器件参数。 图1 2c m o s 在2 1 n m 节点下所面对的挑战 第一章绪论 3 表1 12 i n m 下器件参数及性能 m p u 物理橱 迁移率增强因子 等效栅氧化 最大栅漏电流密度 长( n m )层厚度( n m )( k a c m ) 1 7 1 8 ( n m o s ) 2 3 ( p m o s ) 0 8 2 1 3 平均v d d ( v ) 最大i o n l o f t ( p a p m ) 闷值电压( v ) 内在延迟( p s ) 16 8 0 0 i ( n m o s ) 0 8 l i o 3 0 2 io 4 5 ( n m o s ) o 5 5 ( p m o s ) 13 7 7 0 1 ( p m o s ) m p u ：微处理器 为了解决这些问题，人们改进工艺以及设计出新的器件结构，来克服这 些物理限制，如：超薄栅m o s t 2 1 25 1 、双栅m o s f e t t 2 6 - 3 0 1 、异质栅m o s f e t t 2 7 ， 3 1 - 3 4 1 、环形栅m o s f e t t 3 5 - 3 9 1 、f i n f e t t 4 0 4 5 1 、肖特基源漏m o s f e t t 4 6 - 5 0 1 、高源 漏m o s f e t t 5 1 - 5 5 1 以及s o i t 5 6 。6 1 1 等结构，同时人们开始探索一些新的材料，如 应变硅技术( s t r a i ns i l i c o n ) 1 6 2 6 7 1 ，g e l 6 8 - 7 3 】，i n g a a s l 7 4 - 7 5 】，i n p 7 9 8 5 】以及s i c t 8 锄1 1 ， s i n t 9 2 - 9 7 1 等。 1 2 应变技术国内外发展状况 器件特征尺寸的减小既能提高集成电路的性能，又能降低芯片成本。可是， 随着器件特征尺寸的不断缩小，所面临的技术挑战越来越多。m o s f e t 的电流特 性【9 8 】如下式所示： o 警( 圪吲2 = 毪竽( 圪训2 ( 1 ) 式中，w 和l 分别为栅宽和栅长，z a r 为沟道载流子有效迁移率，c 帆为栅氧 化层电容，v g 为栅压，v t 为m o s 器件的阈值电压。根据“等比例缩小原则”他们 有相同的缩小系数k ，由于沟道长度不断地缩短，为抑制源漏穿通效应，适当提高 了沟道的掺杂浓度，从而导致迁移率研的衰退和阈值电压提高。为了保持易 恒定，则需要更薄的栅氧化层，但这将引起栅极漏电流的增大。因此仅剩下提高 迁移率这一途径。对于数字电路，以c m o s 反相器为例，其延迟时间如下式所1 9 9 1 ： 乙2 卺2 面瓦l 而c 面 n 2 )4 2 厶形p 够c 名( 1 一) 、7 从式中可见，提高迁移率则延时时间更短。 特征尺寸缩小到纳米尺度后，栅介质厚度也逐渐减小到接近l n m ，关态漏电 流、功耗密度增大、迁移率退化等物理限制使器件性能恶化，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。 4硅基应变c m o s 研究与设计 其中一个重要的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 所引起的库伦散射作用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等问题。目前，得到广泛应用的是应变硅技术【1 触1 0 4 1 。 1 2 1 应变技术主要发展历程 微电子行业发展早期，g e 材料比s i 材料更早的受到关注，第一个对半导体材 料g e 进行研究的是b e l l 实验室。1 9 5 8 年，有关弛豫s i g e 合金的研究首次被报道 1 0 5 】。到了1 9 6 0 年，半导体外延技术趋于成熟，能外延出稳定的、可控制的半导 体外延层，从而被引入器件制造工艺【1 0 6 。1 9 6 3 年，首次系统报道了s i 外延技术【1 0 7 】， 早期的s i 外延层是在高温环境下生长的，1 1 0 0 左右的高温能保证s i 衬底片良好 的表面状态，可生长出高质量的s i 外延。但在制造s i 基器件时，首要前提是在 s i 片上外延生长出一层s i 薄膜，但无论是是p 型掺杂还是n 型掺杂，必须精确地 控制在一个动态范围，由于反应时间很短，所以这就要求s i 外延工艺需要在大约 5 0 0 到6 0 0 的低温环境，而这种低温环境却适合s i 和g e 的合成。低温s i 外延 技术能够使s i 和g e 有效地结合起来，且s i 和g e 能带不同，但是化学兼容性良 好，使得高精度掺杂控制成为可能，而这正是器件实现中需要的，显然s i 基能带 工程即s i 异质结的实现，其核心技术在于低温s i 外延( s i g e 外延) ：s i 衬底上的 赝晶生长，而实现这个技术工艺被证明是非常耗时困难。 相比较其他族元素，i i i v 族元素更适合低温工艺，因此，多种半导体异质结 的工艺被证明可行，例如i n p 上生长g a a s 。同时根据需要，对各种材料带隙工程 进行了深入研究，研究表明各种材料的复合生长，其晶格常数将发生变化。为了 保持这种结晶生长，则材料内部产生了应力。1 9 6 3 年，m e r w e 提出了临界厚度这 个概念【1 0 阳以及计算临界厚度的方法【1 咧。1 9 7 4 年“力平衡技术( f o r c e b a l a n c e t e c h n i q u e s ) 被提出用来计算i i i v 族元素外延层稳定性问题，1 9 8 5 年该技术被用来 计算应变s i g e 外延层【1 1 0 1 ，但直到2 0 0 0 年，完整的理论体系才被建立并且与实验 完全吻合f l l l 】。 德国旱在1 9 7 5 年就报道了应变s i g e 外延层的生长【1 1 2 1 ，但直到8 0 年代，在 s i 上采用分子束外延技术m b e 生长应变s i g e 3 1 ，才使其成为热门领域。进一步 对应变s i g e 薄膜的带隙理论研究【l l4 ，5 】成为应变器件的设计的有力保障。同时还 有一些其他的c v d 外延技术也得到了应用，例如限制反应c v d 分别于1 9 8 5 年应 用于s i 外延【1 1 6 1 和1 9 8 9 年应用于s i g e 外延【1 1 7 】；超高真空c v d 分别于1 9 8 6 年应 用于s i 外型1 1 砌和1 9 8 8 年应用于s i g e 外延【1 1 9 】；常压c v d 分别于1 9 8 9 年应用于 s i 外延【1 2 0 】和1 9 9 1 年应用于s i g e 外延【1 2 1 1 ，其中后两项技术直到今天仍然应用于 s i g e 异质结双极晶体管h b t 的制造。 第一章绪论 5 在研究高质量的s i g e s i 薄膜过程中，有很多重要发现，其中包括二维电子空 穴气【1 2 2 ，1 2 3 】的发现，以及g e 浓度梯度生长的s i g e 合金，因为其导带差的连续性， 可在其上生长高质量的应变s i 【1 1 9 1 。其中后一个发现对于s i g e s i 异质结晶体管的 发展非常重要。电子和空穴迁移率的测量直到9 0 年代早期才实现【1 2 4 ，1 2 5 l ，但早期 关于少子迁移率的文献相对较少。同时，9 0 年代早期，开展了用高c 组分来释放 s i g e 合金应力的实验，以及利用s i g e ：c 与s i 的晶格失配，进一步拓宽了能带工 程领域。还有一些学者开始对s i g e 进行c 掺杂后的性质进行了研究，逐渐形成了 新的器件类型s i g e ：ch b t 1 2 6 ，1 2 7 1 。 如今应变s i g e s i 工艺已经成为常规工艺，能很好的和传统c m o s 工艺兼容。 世界各大半导体公司为了抢占市场先机，纷纷开发出了针对不同的引入应力方法 的器件制造工艺，并进行了商业化生产。i n t 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 微处理器，正式宣告应变硅技术进入量产。从6 5 n 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。应变硅技术 能显著提高载流子的迁移率，已成为进一步延伸摩尔定律的重要技术手段。表1 2 譬 为全球主要半导体制造公司在s i 基应变领域的成果。 表1 2 全球主要半导体制造公司在s i 基应变领域的成剽1 2 8 1 ：已经量产，o ：研发中 s i 沟 材料道方s i ns i g e 源倩浅槽隔离s t is i g e 沟道 应变方式 向 公司 局部应变 全局应变 b u ks o l p m o s n m o s p m o s n m o s p m o sn m o sp m o s n m o s i b m s o n y t o s h i b a a m d 、，、， i b m c h a r , e r e d s a t m t m g r i n f i n 咖 、f i n t e l t e x a si n s t r u m e n t s t o s h i b a s o n y f u j i t s u 、， t o s h i b a 、，oo t s m c、oo n 伍c m f f _ d i 塔a m s u n g o s a m s u n g 、， o f r c e s c a l e 厂r s m c 、，o f r c e s c a l e s t p h i l i p s 一 、， 6硅基应变c m o s 研究与设计 1 2 2 应力引入方法 对m o s f e t 引入应力的方式也是不断地完善和创新。从应力的性质上来分类， 可将应力分为两种【1 2 9 】：双轴应力和单轴应力。然而，在过去的4 0 年里，人们将 更多的关注度放在如何引入双轴应力来增强器件性能【1 3 0 。1 3 2 】，而对单轴应力的研究 甚少【1 3 3 】。但是，无论对m o s f e t 器件引入的是单轴应力还是双轴应力，都能使其 载流子迁移率得到提高。由于双轴张应变能同时提高p m o s 和n m o s 的器件性能， 所以在应变c m o s 工艺中处于主导地位。 1 双轴应力引入 双轴应力是最早开始研究的一项s i 基应变技术，其中贝尔实验室首先对其进行 了最深入的研究【1 3 4 1 3 8 1 。在双轴应变中，较早开发出来的是图1 3 ( a ) 所示的应变弛 豫s i g e 虚拟衬底( s t r a i n e dr e l a x e db u f f e r ，s r b ) 工掣1 3 9 州5 1 。在s i 衬底上，首先 外延生长g e 组分渐变的过渡层，然后生长固定组分的弛豫s i g e 层，最后生长应变 s i 层，可以在过渡层外延完成后增加一次化学机械抛光，以改善表面粗糙度【1 3 9 】。 用这种方法得到的表面s i 由于平面四个方向都受到张应力，所以称为双轴张应变， 其载流子迁移率随弛豫s i g e 层中g e 含量的不同而有很大差异。 l 乳f l k s t l a m c dso s l r a m e ds 。l ，o c ， s t r a l 心ls r e l a x e ds i t 6 气 a r 瓤l 神s i l 羽咳 s is i t b s l l a t 亡 b d u a l - c h a t t e l( c ) h a e r o 村r c n u r eo nb i t 墩 l s “a l 刳ls l s i t a m e ds l ，如 s “a m c ds t b o x s is l t b 甜l 甜c 0 1 ) s t r a m e ds s a 掰 ( c s s d o ih o i o n - h m t l a t m 图1 3 多种应变材料异质结构示意图：( a ) 弛豫s i g e 虚拟衬底上应变s i ；( b ) 双沟道结 构；( c ) 体硅异质结构；( d ) s g o i 上应变s i ；( e ) s s d o i ； ( f ) h o i 第一章绪论 7 实验表明【】，随着s i g e 缓冲层中g e 含量的提高，电子迁移率得到增强，当g e 组分达到2 8 时，电子迁移率提升l1 0 ；空穴迁移率的情况比较复杂，当g e 含量 为1 3 时，空穴迁移率没有改善；当g c 含量提高到2 8 和3 5 时，空穴迁移率得到 提高，最高提升4 5 ；但随着有效场强的提高，空穴迁移率的改善程度迅速下降。 在s i g es r b i 艺基础上，可以开发出双沟道的应变s i 技术1 4 7 郴1 1 。如图1 3 ( b ) 所示， 在弛豫s i g e 层上，首先生长压应s i g e 层，再生长张应变s i 层，由于压应变s i g e 层的 作用，与常规双轴张应变s i 沟道相比，可以得到更好地空穴迁移率，空穴迁移率增 强因子可以达到2 5 以上【1 47 1 。 通过与绝缘体上s i ( s i l i c o n o i li n s u l a t o r ，s o d t _ 艺结合，可以开发出绝缘体上应 变材料。其中研究较多的包括绝缘体上s i g e ( s i l i c o ng e r m a n i u ma l l o y0 1 1i n s u l a t o r , s g o i ) 、绝缘体上应变s i ( s t r a i n e ds i l i c o nd i r e c t l yo ni n s u l a t o r , s s d o i ) 和绝缘体上异 质结构材料( h e t e r o s t r u c t u r eo ni n s l a t o r , h o i ) ，分别如图1 3 ( d ) 、1 3 ( c ) 和1 3 ( 0 所示。 绝缘体上应变材料的制备工艺与s o i 类似：在s o i 键合工艺之前，通过外延生 长好所需的应变层，然后淀积s i 0 2 层，与另- - s i 片键合，再通过智能剥离( s m a r t - c u t ) 或者背面研磨和腐蚀减薄的方式制备出绝缘体上的应变材料。在s s d o i 结构中，无 弛豫s i g e 缓冲层，可以避免弛豫s i g e 层的影响，更容易整合到集成电路工艺中【1 3 0 ， h 2 1 。h o i 结构利用压应变s i g e 埋层具有高空穴迁移率的特点，可制作高性能p m o s 器件。实验表明，s s d o i 比h o i 有更高的电子迁移率，而h o i l i , s s d o i 的空穴迁移 率更高【2 0 】。常见双轴应变器件结构如图1 4 所示 一叠盈盈 霉 蠢蔷毒芋箫精降釜坠尘睁 要f 可蕊季飞i r 可瓦叵蕊p 卜一 一f i 磊磊磊l 璺竺亟坠塑 图i 4 双轴应变器件结构示意图 其他常见绝缘层上s i g e ( s g o i ) 的制作工艺有：g e 浓缩( g ec o n d e n s a t i o n ) 、 熔融固化( m e l ts o l i d i f i c a t i o n ) 、硅片键合( w a f e rb o n d i n g ) 和注氧隔离( s e p a r a t i o n b yi m p l a n t a t i o no fo x y g e n ，s i m o x ) 等几种方式限1 5 3 彤引，如图1 5 所示。绝缘体上 应变s i ( s s d o i ) 的制作工艺如图1 6 所示【1 5 9 1 ；h o l t _ 艺如图1 7 所示【1 删 8硅基应变c m o s 研究与设计 i i i i i i i i i ii - ! e ! ! 兰! 垒竺璺皇! ! 鲤三! 曼 璺签基璺璺翌i 堂苎翌璺竺堕竺! 一苎! 翌1 8 i l 。抵：j 。；气： s je 喇l j 嗤 i e h r 如, do t j d e ! ；is i 小 l 赫融：譬： 1s i 姨； ；：。j ： i 8 - 捌驰m ， ls ；i 曲 o ；d ， 辎l 。，e 缸1 l r b 期r 鲥o x i d e s is u b i i i i i i i l ll l l l i i i i l l l li l l i i i i i i i i i i i i l i 坠2 墅! 塑磐墅垒! 融璺磐 曼险喳墨i 虹恐熊随璺! ! 塑!竺望! ! 罂竖! 竺竺竺2 竺! 蛳孵“量童v 翱藤_ + 札i 鬣d 哺秆 b _ l 自娜o g i d e 翳$ 岫 - _ _ tlu i t u i- 薹! ! 苎! ! 坐坚! ! 堡生鲢! 壁堕墨 一一1 1 一 勘孰i b 毹$ d 褒赫日 n ，i 矗鸯哦；_ ；、 母 g 哪矗晒g e ：! 。 ： ：r 一鼻髓ds i ( k r d 曩x d ! ；g c g n - _ l e ds j g e ；融量l 研霸e e ；j ；： r e l 们e d 善i 【冲 s i 算b b l i do l j d ei d 町c q - u 研曲 隋t h l 棚计。l i & ( h a n d k l j 霉d 瓤硝一s 摹6 一j j d l t ；魏。：访喇警礁| 鞠m b 图1 5 几种制作绝缘体上s i g e 基板的方法：( a ) g e 浓缩；( b ) 熔融固化；( c ) s m a r t c u t 键 合；( d ) 注氧隔离 ”工ll c 毒i 囊- i 图1 6 绝缘体上应变s i (