（微电子学与固体电子学专业论文）高速高性能应变sisige异质结器件研究.pdf

摘要 摘要 硅基( s i ，s i g e ) 应变技术将“能带工程 和“应变工程同时引入了s i 基 器件和集成电路，分别利用张应变材料s i 电子迁移率和压应变材料s i g e 空穴迁移 率比体材料s i 高，以及易于形成量子阱的优越特性，可以制作出高速高性能的 n m o s f e t 、p m o s f e t 和h b t 。但要在同一层结构的材料上实现b i c m o s 的集成 则比较困难。 针对这一问题，本论文对集成应变s i 和应变s i g e 沟道的s i s i g e 异质结c m o s 和s i s i g eh b t 进行了较深入研究。研究了应变s i 和应变s i g e 沟道m o s f e t 器 件的结构和工作机理，详细分析了s i s i g eh c m o s ( 异质结构c m o s ) 结构和优 缺点，并考虑到b i c m o s 集成的需要，设计了一种s i s i g eh c m o s 结构和一种 s i s i g eh b t 结构，并进行m e d i c i 模拟仿真。 基于上述研究，本文又提出了一种新颖的全平面s i s i g eb i c m o s 结构。该结 构同时包含压应变s i g e 空穴量子沟道和张应变s i 电子量子沟道。h c m o s 和h b t 采用完全一致的层结构设计，不需要腐蚀有源层，并与s i 工艺相兼容。 最后，在建立全平面结构s i s i g eb i c m o s 器件模型基础上，对其结构进行了 有意义的讨论。将反相器作为对该结构的一个应用，采用电路模拟工具s p i c e 模拟 了其传输特性。模拟结果表明所设计的全平面结构s i s i g eb i c m o s 结构合理、器 件性能有所提高。 本文提出的全平面结构s i s i g eb i c m o s 结构具有创新性。 关键词：应变s in m o s f e t应变s i g ep m o s f e th c m o s s f f s i g eh b t 量子阱全平面b i c m o s 结构高速高性能 a b s t r a c t a b s t r a c t s i g es t r a i n e dt e c h n o l o g yh a sb r o u g h t e n e r g y - b a n de n g i n e e r i n g a n d s t r a i n e d e n g i n e e r i n g i n t os id e v i c e sa n dc i r c u i t sa tt h e $ 1 t l i l et i m e t ou s et h ea d v a n t a g eo ft h e c a r r i e rm o b i l i t yo ft e n s i l es io rp r e s s u r es i g e ，w ec 锄m a n u f a c t u r en m o s f e t , p m o s f e ta n dh b t sw i t hh i g hs p e e d h i g hp e r f o r m a n c e b u ti ti sd i f f i c u l tt oi n t e g r a t e t h e m 笛b i c m o st o g e t h e r 祈t l lt h es a m el a y e rs t r u c t u r e a g a i n s ts u c hp r o b l e m ，t h i st h e s i sh a sad e e p e rs t u d yo i lt h ei n t e g r a t i o no fs t r a i n e d s i s i g eh c m o sa n ds i g eh b t , a n da n a l y s e st h ed e v i c es t r u c t u r e sa n dw o r k i n g m e c h a n i s mo fs t r a i n e ds i s i g eh c m o sa n ds i s i g eh b t s ，i l l u m i n a t et h ea d v a n t a g e a n dd i s a d v a n t a g eo ft h e s es t r u c t u r e s i nv i e wo ft h ea b o v e ，e n g i n e e rs i s i g eh c m o s a n dh b ts t r u c t u r e sf o rb i c m o si n t e g r a t i o n a c c o r d i n gt o t h ea b o v es t u d y , t h i st h e s i s a l s oh a sp u tf o r w a r dao r i g i n a l c o m p l e t e - f l a ts i s i g eb i c m o ss t r u c t u r ew h i c hc o n t a i n sb o t ht e n s i l es ia n dp r e s s u r e s i g eq u a n t u mw e l lc h a n n e l s t h el a y e r so fh c m o sa n dh b ta le c o m p l e t e l yc o n s i s t e n t , i ti s n tn e e d e dt oc o r r u p tt h es o u r c el a y e r sa n da l s oc o m p a t i b l e 、i t hs ip o l y t e t h n i c s f i n a l l y , b a s eo nt h ec r e a t i o no fc o m p l e t e f l a ts i s i g eb i c m o ss t r u c t u r e ，w eh a v e s o m en e s s a r yd i s c u s s i o n t h e nw et a k et h ei n v e r t 雒a na p p l i c a t i o no ft h a tb i c m o s s t r u c t u r e ，a tt h e $ a 1 1 1 et i m e ，t os i m u l a t ei t st r a n s i e n tr e s p o n s ew i t ht h es p i c e t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sm a n i f e s tt h a tt h eb i c m o ss t r u c t u r ei sr e a s o n a b l ea n dt h ed e v i c e p e r f o r m a n c eh a sb e e nr a i s n t h ec o m p l e t e - f l a ts i s i g eb i c m o ss t r u c t u r er e f e r r e di nt h i st h e s i sh a s h tb e e n r e p o r t e dp r e v i o u s l y k e y w o r d $ ：s t r a i n e ds in m o s f e t h c m o s s i s i g e h b t h i g h - s p e e d h i g h - p e r f o r m a n c e s t r a i n e ds i g ep m o s f e t c o m p l e t e f l a t s i s i g eb i c m o ss t r u c t u r e 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：日期趟：兰： 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攥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，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期型：垒2 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 微电子技术近些年来取得了飞速的发展，一方面以s i 为衬底材料的v l s i 继 续向深亚微米技术挺进，另一方面新材料s i g e 、g a a s 、i n p 及其新结构器件如 m o s f e t 、m o d f e t ( 调制掺杂场效应管) 、h e m t 、h b t 与电路不断涌现。由于 s i 材料在微电子领域具有无可比拟的优越性，目前有超过9 0 的芯片是s i 芯片， 成为超大规模集成电路技术的支柱。s i 芯片的发展，自2 0 世纪7 0 年代以来，一 直遵循摩尔定律，即每两年集成度增加4 倍，成本降低一半。就市场而言，c m o s 及b i c m o s 占7 4 ，双极器件及电路占1 4 【l 】。预计今后1 0 年集成电路的技术进 步，仍将继续遵循摩尔定律，硅仍然是制造集成电路的主要材料。 在微电子技术飞速发展的同时，人们对集成电路和速度等性能都有了更高的 要求，而b i c m o s 器件由于同时具有双极器件的高速、高驱动能力和c m o s 器件 低功耗、高集成度的优点，导致近年来b i c m o sv l s i 也有了迅猛的发展。 但是，现在传统的s ic m o s 器件正在接近它的尺寸极限。为了满足传统性能 提高的需要，采用应变s i 技术来增强器件的性能。采用应变s i 技术可使3 0 0 m m 硅片生产的产品性能提高3 0 - - 一6 0 ，而工艺复杂度和成本却只增加1 3 【2 】。而 应变s i g e 技术的出现对利用成熟的s i 工艺制作超高速、高性能的异质结半导体器 件和集成电路带来了生机。以应变s u s i g e 技术为主的“应变工程 开辟了高速器 件、电路和相关工艺设计的新途径。 另一方面，相对于s i 平面工艺的“掺杂工程 而言，所谓“能带工程 愈来 愈受到人们的重视，因为通过对不同材料能带的裁剪组合，利用异质结的能带突 变和具有纳米尺度低维系统( 二维、一维或零维) 的量子限制效应，可以制作出 性能优异的微波、超高速器件、电路及光电子器件。异质结构材料和器件的研究 也为大幅度提高器件和电路性能开辟了一条新的道路，并已成为“能带工程的 重要内容。 应变s i s i g e 技术将“应变工程 和“能带工程同时引入进了以s i 为基础 的集成电路和器件( 称为s i 基集成电路和器件) 。利用s i s i g e 能带的不连续性， 可以设计量子阱和加速载流子输运的自建电场，制作高速高性能s f f s i g ec m o s 、 h b t 以及b i c m o s 器件和电路。利用s i s i g e 晶格常数的不同或由应变工艺产生 张应变或压应变效应可大大改观材料和器件的性能，提高载流子迁移率，提高s i 基器件的性能。不远的将来，将会出现基于应变s i s i g e 技术的各种光电器件、量 高速高性能应变s i s i g e 异质结器件研究 子器件集成在一起的s i 基高，蚪i - t - - 台h 匕匕系统芯片( 如图1 1 ) 引。 1 2 国内外研究状况 1 2 1s i s i g e 异质结c m o s ( h c m o s ) 的研究 目前s i g e s ih c m o s 的研究工作主要集中在小尺寸( 小于9 0 n m ) 应变s i s i g e m o s f e t ，高速高频、高性能器件的s i s i g e 应变材料结构优化和工艺集成以及用 于制作高速c m o s 器件的衬底的研究等方面，目的是充分发挥和利用s i s i g e 应 变材料的特性，增强m o s f e t 导电沟道的载流子迁移率，以提高器件的频率特性、 跨导和电流驱动能力。 在s i s i g e 异质结生长、能带结构以及应变s i s i g e 沟道载流子迁移率增强机 理等方面国内外众多学者都已经有了比较深入的研究，工艺技术也逐渐成熟。在 本世纪初期，国际上研究开发的多种s i g e 基高迁移率应变m o s f e t ，更侧重于工 艺集成和超短沟道小尺寸器件的研究。 _ _ - _ _ i - _ - _ - - _ _ - - _ - _ - - - _ ，- - _ _ - - _ - _ 一 一t h _ m ”一“”m ；爨掰黜 图1 1 未来的s i 基系统芯片 0 ，o 1 50 2 ，o1 8o 1 5 0 t 3 ll 1 t d m o l 0 0 舛u 口) 图1 2s i g e b i c m o s 工艺的f t 2 0 0 4 年i n t e l 新推出了采用应变s i 技术的9 0 n mp e n t i u m 4 芯片，性能提高了 1 0 - - 2 0 ，频率高达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 采用了应变s i 技术使p o w e r p c 和a m d 公司的a t h l o n 6 4 芯片的工作频率提高了 7 和1 2 。k n t e l 在2 0 0 4 年i e d m 会议上对应变s i 性能作了总结，下一代6 5 n m 应变s i 技术会明显提高c m o s 器件的性能。2 0 0 6 年，a t m e l 公司推出一种型号为 a t r 0 9 8 l 的s i g e 基前端射频c m o si c ，旨在用于宽频段用途，其工作频段为3 0 0 5 0 0m h z 5 。 国内在s i g ec m o s 器件结构、工艺以及电路研究方面，开展研究的主要有西 安电子科技大学、电子科技大学、电子科技集团2 4 所。西安交通大学、天津大学 和北京工业大学对s i g e 器件也有一定的研究。 第一章绪论 1 2 2s i g eh b t 的研究 h b t 是目前s i g e 器件的研究重点之一。s i g eh b t 性能最优化有赖于在器件 设计和制造中，充分发挥“掺杂工程 和“能带工程的优点。目前世界上主要 有三个研究团体在这方面成绩显著，它们是美国斯坦福大学的g i b b o n s 研究小组， 德国的k a s p e r 小组及i b m 公司p a t o n 研究小组。德国u l m 研究中心a g r l l h l e 等 人用m b e 工艺成功地研制出了f t 为9 1 g h z 的s i g e h b t 6 1 。 2 0 0 4 年，m m 公司报道了最新研制出的f t 为3 0 0 g h z ，为3 5 0 g h z 的 s i g e h b t 器件，这是到目前为止，国际上报道的最高的晶体管【7 1 。 据n i l l m v e m 时，应变s i 的有效载流子迁移率 要高于体s i 同类器件迁移率的7 0 以上。 2 2 应变s i g e 的基本性质 2 2 1 应变s i g e 的材料特性 1 8 】 当晶格较大的薄膜生长在晶格常数较小的衬底( 如s i g e 层生在在s i 衬底) 上 时，则外延薄膜在平面方向上为了保持与衬底一致的晶格常数，薄膜必然会受到 双轴压缩应力的作用，成为压应变的薄膜。 g e 的晶格常数a g e _ 5 6 5 7a ，s i 的晶格常数a s i = 5 4 3 1a ，两者合金s i l x g e x 的 晶格常数和组分的关系符合v e g a r d 定律，具有线性关系，室温下为： 口两。魄= a n + ( 口国一a s l ) x = 5 4 3 0 7 + 0 2 2 6 8 x ( 2 _ 1 3 ) 与g e 分量基本成线性关系。s i 和s i g e 合金是失配体系，s i l 嘱g e x 和s i 的晶 格失配率为 ：a s i , _ , g , , - a s y ：( 4 1 7 l o 。2 x ) 巳 ( 2 1 4 ) 口 对于整个x 值c m 在0 卜1 之间。当s i g e 合金外延生长在s i 衬底上，其生长 平面上的晶格常数必须减小以适应s i 衬底的晶格常数，形成赝晶生长，如图2 1 0 所示。 s i g e 层在生长平面上受到压应力，而在垂直生长平面的方向上由于泊松效应 受到使晶格常数增大的张应力。随着外延层厚度的增长，弹性应变能不断积聚当 厚度达到一定程度，应变能将通过在与衬底的界面产生大量的失配位错释放出来。 应变s i g e 层则部分或全部驰豫，恢复到非应变的状态。所以应变外延层的共度生 兰 高速高性能应变s i s i g e 异质结器件研究 长也有一临界厚度。超过此厚度，对于生长在( 1 0 0 ) 衬底上，g e 组分较低的情况， 实验上观察到6 0 。的位错。当g e 组分较高时，应力则以引入9 0 。的位错形式释 放。 u m l t r a d n e d 剑，q g ， _ 墩；i l u l a l t t l l t 瞻 p e u d o m 钟p h km i nd i m l l t l o n 图2 1 0s i g e 合金外延生长在s i 衬底示意图 利用稳定外延层的平衡理论可得到具有均匀组分的外延层的临界厚度表 达式： ：幽二! 竺! 尘一i n f 玉1 ( 2 - 1 5 i n ) ，z = 一 l 二- i， 8 万厶( 1 + v ) b s i n ac o s l 1 + q b 为b u r g e r s 矢量，v 为泊松比，对6 0 。位错，a = t a r l l ( 1 2 2 ) ，1 3 = 6 0 。，对 9 0 。的位错，a = 1 3 = 9 0 。图2 1 1 是s i g e 应变层的临界厚度的一些理论值和实 验结果。可见实验值比平衡理论曲线值要大，这是由于应变s i g e 外延层的生 长温度较低，速率较高，不处于热平衡状态，处于亚稳态位错的产生需要克服 较大的能量，因此能生长得较厚。正是因为这一特点，加上应变引入的s i g e 合金电子特性的变化，使得应变s i g e 外延层有了实际的用途。然而这也给器 o m _ l n 孵_ - h p 图2 1 1 临界厚度的理论和实测值图2 1 2s i 衬底上的应变s i l 。g c x 层的带边 2 2 2 应变s i g e 的能带结构和载流子浓度 1 9 生长在体s i 衬底上的s i g e 赝晶层，受到压应变使其类s i 型能带结构发生 第二章应变s i 、s i g e 及s i s i g e 异质结的基本物理特性 笪 变化，将导带底附近六度简并6 能谷分裂成一组能量降低的四度简并能谷缸和一 组能量增高的二度简并能谷2 ，同时使价带项r 点的简并的轻、重空穴带分裂， 重空穴带能量升高，轻空穴带能量降低，并且自旋一耦合分裂能带( s o ) 的能量 也降低。外延生长的s i g e 层的e 。既与g e 的组分x 有关，也与应变的大小有关， 可以通过改变x 或者应变的大小来自由调节e g ，这在“能带工程”中具有重要的意 义。图2 1 2 是v a nd ew a l l e 计算得到的s i l 呵g e x 共度生长在s i ( 1 0 0 ) 上的价带和 导带边，可以看出价带的带边偏移比导带偏移明显得多，应变s i g e 层的带隙变窄 主要发生在价带的带边偏移。应变s i g e 的禁带宽度以及带隙的变化和价带边偏移 可用经验公式表示为： e ，( x ) = 1 1 7 0 8 9 6 x + 0 3 9 6 x 2 ( 2 1 6 ) 衄。( z ) = 0 9 6 x - 0 4 3 x 2 + 0 1 7 x 3 ( 2 - 1 7 ) a e v ( x ) = 0 7 4 x ( 2 - 1 8 ) 而对于生长在驰豫s i l - y g e y 衬底上应变s i l x g e x 赝晶层，若g e 组分x y ，则应 变s i l x g e x 的能带变化与上述应变s i l x g e x 生长在s i 衬底的情形相似；若g e 组分 x y ，由于张应变的作用，能带变化与之相反，此时张应变s i l - x g f , x 的禁带宽度由 轻空穴带和二度简并的导带能谷所决定。图2 1 3 给出了理论计算的应变s i l x g e x 禁带宽度，还给出了应变s i l x g e ，【与驰豫s i l v g c v 之间的带边偏移，二者价带边偏 移为： a e v = ( 0 7 4 0 0 6 y ) ( x - y ) ( 2 - 1 9 ) 以应变s i l 嘱g e x 生长在驰豫s i o 7 g e o 3 衬底为例，二者导带边偏移为： = z ( s i i 。g e x ) 一z ( s i o 7 g e 0 3 ) = o 1 2 0 4 5 x + 0 2 x 2 ( 0 3 x 0 8 5 ) ( 2 - 2 0 ) 需要指出的是，由于应变的存在将使禁带宽度减小，因此，我们也可通过控 制应变的程度来调节材料的禁带宽度。对外延生长的s i g e 合金薄膜，衬底不同， 应变情况也不相同，从而e g ( x ) 的关系也不一样。 因为应力使s i g e 的导带能谷分裂成2 、4 简并能谷，考虑到类s i 结构压应变 s i l x g e x 的情况，采用2 1 2 节的推导方法，得到导带中电子浓度为： 脚( 字h 簪 哪砷( 一百e c - e ，) 协2 ， 式中，应变s i g e 导带底电子状态密度有效质量m n 为： 以砒 4 + 2 唧( 一剀j - - 0 3 2 4 + 2 唧( 一铆 协2 2 ， 高速高性能应变s i s i g e 异质结器件研究 其中，x 为应变s i l 嘱g e x 中g e 组分x ，导带能带分裂值a e 。为： e c = o 6 x ( 2 - 2 3 ) 应变s i g e 价带中空穴浓度为： p = m e 印( 学) = 22 x m ；k t ) i 唧( 墨亭) 亿2 4 ， m 小赢彬丸冲( 一鲁) - a e l n = 0 16 6 x 应变s i g e 本征载流子浓度写为： = 厕唧( 一簪 把以上各式以及相关值代入，就得到应变s i g e 本征载流子浓度值。 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( b ) ( c ) 图2 1 3 ( a ) 应变s i l 。g e x 禁带宽度 ( b ) 应变s i l x g e x 与驰豫s i l y g e y 的导带偏移( c ) 应变s i l 。g e x 与驰豫s i i y g e y 的价带偏移 第二章应变s i 、s i g e 及s i s i g e 异质结的基本物理特性 卫 2 2 3 应变s i g e 的输运特性 2 2 3 1 应变s i g e 中载流子的有效质量 应变对s i g e 导带和l 能谷的电子有效质量几乎没有影响。当g e 组分x 0 8 5 时，电子有效质量接近体s i 的值，横向有效质量r o t = 0 1 9 m o ，纵向有效质量 m l - o 9 2 m o 当o 8 5 x 0 3 后，有应变时的迁移率 几乎随g e 含量的增加而指数式增大，所以主要应用压应变s i g e 层空穴迁移率高 的特性，来制作p m o s f e t 的沟道，而且应变s i g