（微电子学与固体电子学专业论文）基于应变硅技术的半导体器件的应力分析.pdf

摘要 摘要 随着纳米加工技术的迅速发展，晶体管的特征尺寸已进入纳米级。通过等比例缩小 的方法提高当前主流硅c m o s 器件的性能受到越来越多物理、工艺的限制。为了使集 成电路技术能延续摩尔定律所揭示的发展速度，必须开发与硅工艺兼容的新材料、新结 构和新性质。近年来，应变硅( s t r a i n e ds i ) 技术由于在提高c m o s 器件性能方面的卓 越表现而备受关注。例如，通过在沟道中引入适当的压应力和张应力能分别提高p m o s 的空穴迁移率和n m o s 的电子迁移率。典型的p m o s 应变硅器件可通过外延s i g e 源漏 引入沟道压应力，利用源漏和沟道的晶格常数失配控制应变大小，进而改善空穴迁移率； 而对于n m o s 应变硅器件则可通过淀积s i n 薄膜引入沟道张应力，利用s i n 薄膜的高 本征应力控制应变大小，进而改善电子迁移率。因此，通过工艺、材料、结构参数的优 化设计，研究半导体纳米器件中应力、应变的控制有重要的科学意义和实用价值。 然而，( 超) 深亚微米半导体结构中的局域微应力、应变的精确测量通常必须借助 复杂的微结构分析、测量手段。鉴于对纳米应变硅器件的应变场及其分布的模拟研究在 国内尚无开展，本工作首次探索了运用有限元分析和s e n t a u r u st c a d 工具研究具有典 型s i g e 源漏结构的p m o s 和覆盖s i n 应力层的n m o s 中的应力、应变的可行性。 使用有限元分析软件a n s y s 对p m o s 沟道应变的计算结果与利用会聚束电子衍射 ( c b e d ) 测量获得的应变值能很好吻合，证明了有限元方法的正确性。进一步的模拟 结果表明，p m o s 的结构参数( 如栅极长度、源漏刻蚀深度等) 能在一定范围内控制硅 沟道应变的分布。对覆盖s i n 应力层的n m o s 的有限元模拟研究表明，热应力对沟道 应变的影响很小，沟道应变主要由s i n 薄膜的本征应力诱生。 另外，还采用s e n t a u r u st c a d 工具研究了i n t e l 公司9 0a m 工艺下5 0n m 栅长的 p m o s 和n m o s 单轴应变硅器件，并根据g h a n i 等人报道的实验数据对模拟结果进行 了校正。t c a d 模拟结果表明：p m o s 沟道应力大小和器件性能受到s i g e 源漏尺寸、 g e 摩尔组分等参数的调制；n m o s 沟道应力大小和器件性能则受到s i n 覆盖层的本征 应力、薄膜厚度、栅极高度等参数的调制。这与有限元模拟研究的结论是一致的。 关键词：应变硅；应力；有限元分析；s e n t a u r u s 锗硅；p m o s ；n m o s a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a n o f a b r i c a t i o nt e c h n i q u e s ，t h ef e a t u r es i z eo ft r a n s i s t o r s h a sa d v a n c e dt ot h en a n o s c a l e m o r ea n dm o r ep h y s i c a la n dt e c h n o l o g yr e s t r i c t i o n sh a v e a p p e a r e dw h e nc o n t i n u i n gu s i n gc m o ss c a l i n gr u l e t or a i s et h e i rp r o p e r t i e s i no r d e rt o m a i n t a i nt h eh i s t o r i cd e v e l o p i n gt r e n do fi n t e g r a t e dc i r c u i t sp r e d i c t e db ym o o r e sl a w , n e w m a t e r i a l s ，n e w s t r u c t u r e sa n dn e wp h y s i c a l p r o p e r t i e sc o m p a t i b l e t oc u r r e n tc m o s p r o c e s s i n gt e e h n o l o g i e sh a v et ob ee x p l o r e d r e c e n t l y , s t r a i n e ds it e c h n o l o h yh a sa t t r a c t e d w i d ea t t e n t i o na so n eo ft h em a j o rc m o sp e r f o r m a n c eb o o s t e r f o re x a m p l e ，t h eh o l e m o b i l i t yi np m o sa n dt h ee l e c t r o nm o b i l i t yi nn m o sc a nb es i g n i f i c a n t l ye n h a n c e db y i n t r o d u c i n ga p p r o p r i a t ec o m p r e s s i v e a n dt e n s i l ec h a n n e ls t r e s s e s ， r e s p e c t i v e l y t h e c o m p r e s s i v ec h a n n e ls t r e s s i nt y p i c a ls t r a i n e ds ip m o sd e v i c e si su s u a l l yp r o d u c e db y e p i t a x i a ls i g es o u c e d r a i n t h ea m o u n to fs t r a i nc a nb ec o n t r o l l e db yt h el a t t i c em i s m a t c h b e t w e e ns i g ea n ds i a sar e s u l t t h eh o l em o b i l i t yc a nb ei n c r e a s e d f o rs t r a i n e ds in m o s d e v i c e s ，t h et e n s i l ec h a n n e ls t r e s si su s u a l l yi n t r o d u c e db yd e p o s i t i n gas i nc a pl a y e rw i t h h i g hi n t r i n s i cs t r e s s t h ee l e c t r o nm o b i l i t yi st h e nc o n t r o l l e db yt h et e n s i l es t r a i n t h u s ， i n v e s t i g a t i o n so ft h ed e p e n d e n c eo fs t r e s sa n ds t r a i no nt h em a t e r i a la n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r s i ns e m i c o n d u c t o rn a n o - d e v i c e ss h o wg r e a ti m p o r t a n c eo fs c i e n c ea n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s i nm o s tc a s e s h o w e v e r , t h ea c c u r a t em e a s u r e m e n to f1 0 c a lm i c r o s c o p i cs t r e s sa n ds t r a i n i n ( u l t r a ) d e e ps u b - m i c r o ns e m i c o n d u c t o rs t r u c t u r e sm u s tr e s o r tt oc o m p l i c a t e dm i c r o s t r u c t u r e a n a l y s i sm e t h o d s s i n c et h e r ei sf e ws i m u l a t i o n - b a s e dr e s e a r c ho nt h es t r a i nf i e l dd i s t r i b u t i o n i nn a n o s c a l es t r a i n e ds id e v i c e s w ed e c i d et os t u d yt h ep o s s i b i l i t yo fu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ( f e a ) a n ds e n t a u r u st c a ds o f t w a r et oi n v e s t i g a t et h es t r e s sa n ds t r a i ni np m o s w i t ht y p i c a ls i g es o u r c e d r a i ns t r u c t u r ea n di nn m o sw i t has i nc a pl a y e ro f h i g ht e n s i o n t h es i m u l a t o nr e s u l t so b t a i n e df r o ma n s y si n d i c a t et h a tt h ec a l c a u l t e dp m o sc h a n n e l s t r a i ni si ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t am e a s u r e db yt h ec o n v e r g e n tb e a m e l e t r o nd i f f r a c t i o n ( c b e d ) ，v e r i g y i n gt h ef e a s i b i l i t ya n dc o r r e c t n e s so fo u rs i m u l a t i o nm e t h o d f u r t h e rr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so fp m o s ( f o re x a m p l e ，t h eg a t el e n g t h ， t h es de t c h i n gd e p t h ，e t c ) c a r lb eu s e dt oc o n t r o lt h ec h a n n e ls t r a i nd i s t r i b u t i o ni nac e r t a i n r a n g e o nt h eo t h e rh a n d ，t h es i m i l a rf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o np e r f o r m e do nn m o sw i t ha h i g ht e n s i l es i nc a pl a y e rc o n c l u d e st h a tt h ec h a n n e ls t r a i ni sb a s i c a l l yi n d u c e db yt h e i n t r i n s i cs t r e s si nt h es i nt h i nf i l m w h i l et h et h e r m a ls t r e s ss h o w e sr e l a t i v e l ym i n o re f f e c t m o r e o v e r , s e n t a u r u st c a ds o f t w a r ei su s e dt os t u d yu n i a x i a ls t r a i n e ds ip m o sa n d n m o sd e v i c e so f5 0n n lg a t el e n g t hp r o d u c e db yi n t e l9 0n i 1p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h e f i r s t s t a g es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec a l i b r a t e du s i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t ar e p o r t e db yg h a n ie ta 1 t h ec h a n n e lc o m p r e s s i v es t r e s sa n dt h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fp m o sa r ef o u n dt ob e c o n t r o l l e db yp a r a m e t e r ss u c ha st 1 1 eg a t el e n g t ha n dt h eg ec o n t e n t w h i l et h ec h a n n e lt e n s i l e s t r e s sa n dt h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so f n m o sa r em o d u l a t e db yp a r a m e t e r ss u c ha st h ei n t r i n s i c s t r e s s ，t h es i nt h i c k n e s sa n dt h eg a t eh e i g h t ，w h i c ha r ec o n s i s t e n tw i t ht h ec o n c l u s i o n s o b t a i n e df r o mt h ep r e v i o u sp a r t k e y w o r d s ：s t r a i n e ds i ；s t r e s s ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；s e n t a u r u s ；s i g e ；p m o s ；n m o s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 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作了明确的说明并表示谢意。 签名： 胥 老金 日期：如譬f 口 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签 名。盈兰兰坌 导师签名： 日 期： 第一章引言 第一章引言 1 1 课题的背景和意义 自从j a c kk i l b y 于1 9 5 8 年发明了第一块集成电路以来，集成电路一直遵循着摩尔 定律( m o o r e sl a w ) 所预言的速度快速发展，即集成电路的集成度每1 8 个月增加一倍， 性能提高一倍，而价格降低一半。晶体管特征尺寸的不断缩小一直是集成电路集成度增 加、性能提高的主要方法。然而，随着半导体微纳加工技术的发展，当器件特征尺寸逐 步进入纳米量级，进一步缩小晶体管的尺寸面临着越来越多的问题和挑战。摆在我们面 前的一个日益紧迫的问题是，传统的s ic m o s 正在接近它的尺寸极限；目前却还没有 新的器件能在与主流硅工艺兼容的情况下完全替代s ic m o s 或者显示出完全替代s i c m o s 的潜力。碳纳米管( c n t ) 和硅纳米线( s i l i c o nn a n o w i r e s ) 是主要的竞争者， 但是它们还没有令人信服地在商业上取得一小块市场。可以预计，它们要想成为主流技 术，至少还要在今后的1 0 - - - 2 0 年时间里在物理性质、工艺加工等诸多方面取得突破性 进展。因此，为了满足器件、电路性能提高的需要，采用各种新方法( 包括新材料、新 结构、新性质等的开发) 来提高器件性能已经引起国内外研究者的广泛重视【l 5 】，其中 最典型的一个例子就是应变硅( s t r a i n e ds i ) 技术。应变硅技术由于能显著提高载流子 迁移率和器件驱动电流，并与当前微电子的主流c m o s - i - _ 艺兼容，近年来获得了世界 范围内的广泛研究，特别是单轴应变硅技术已成为近期9 0n l l 节点c m o s 工艺中首选 的迁移率增强方法【3 。5 】。采用应变硅技术可使基于3 0 0m m 晶圆的芯片性能提高3 0 6 0 ，而工艺复杂度和成本却只增加1 , - - - 3 16 。对现有的许多集成电路生产线而言， 如果采用应变硅材料不但可以在基本不增加投资的情况下使生产出来的s ic m o s 集成 电路芯片性能明显改善，而且还可以大大延长花费巨额投资建成的生产线的使用年限。 由此可见，应变硅及其技术是一种能在未来相当长一段时间内，保持s ic m o s 技术优 势，并使集成电路继续遵循摩尔定律发展的新材料和新技术。 目前，大量前沿研究主要集中在探索应变提高器件性能的内在物理机制，以及通过 实验手段来测量应变硅器件的沟道应变场分布等方面。然而，以应变分布的测量为例， 对于纳米半导体器件，无论是从技术上还是从成本方面考虑，通过实验测量都是非常困 难的。一方面，制作该类器件的工艺要求很高，投入不菲，而器件成品也不太可能逐一 去进行破坏性测量；另一方面，纳米尺度上的局域微应力、应变测量往往必须借助复杂 高超的微结构分析、测量手段( 如会聚束电子衍射，c b e d ) t q 0 】。因此，开发新的建 模、计算方法，利用适当的软件，通过模拟研究获得这些器件中的应力、应变分布情况， 并探索其对结构、材料、工艺参数的依赖关系，具有十分重大的科学意义和实用价值。 本工作的一个重点即为立足于已在机械结构、电磁场、流体力学等领域取得广泛应用的 有限元方法( f e m ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) ，来对一些典型的半导体应变硅器件进行应 力、应变的模拟分析【l 卜”】。 此外，当今具有超高集成度的集成电路芯片的制造工艺已经进入纳米级。随着微加 工工艺的日益复杂、精细，工艺流程中的掺杂浓度、温度、洁净度等都会对应变硅器件 江南大学硕士学位论文 沟道的应力场分布产生影响。因此，借助于内含各种先进的小尺寸器件模型的t c a d 工 具来对应变硅器件进行全面的应力分布模拟分析和研究也是十分必要的。这一方法也有 助于更好地为器件设计提供依据，并能更直接地揭示器件的电学性能。 本工作分别运用了通用的有限元分析软件a n s y s 和专业s e n t a u r u st c a d 软件，对 采用锗硅( s i g e ) 源漏应变硅技术的p m o s 晶体管和覆盖s i n 应力层的n m o s 晶体管 硅沟道中的应变分布情况进行了系统研究，揭示了各种器件参数对这两类m o s 管沟道 应变的影响，其结果可为实际应变硅器件的设计和制作提供有益的参考。 1 2 国内外研究动态 近年来，随着微电子技术的飞速发展，传统s i 基m o s 场效应管由于固有的迁移率 劣势，已经越来越不能适应超深亚微米器件集成的需要。在此背景下，各种采用新结构、 新材料的新型器件不断涌现。基于应变硅技术的m o s 器件凭借其先天的材料、工艺优 势，经过多年的研究积累，已在亚0 1p m 器件领域中崭露头角，受到世界各国研究、 生产机构的广泛重视。目前应变硅m o s 器件的研究方向主要集中在小尺寸效应方面， 纳米级器件中迁移率增强机理，新型应力引入技术及器件结构等构成了众多研究热点。 不仅国际上许多著名大学和实验室正在从事这方面的研究工作，而且包括i n t e l 、i b m 、 a m d 在内的许多国际大公司也开始投入大量人力、物力进行研发。从他们的研究成果 中，我们可以领略到国际上应变硅技术发展的最新动态。 在1 9 9 3 年的国际电子器件会议( i e d m ) 上，斯坦福大学的研究人员指出表面沟道 应变硅n m o s 的电子迁移率比体硅( b u l ks i ) n m o s 提高了7 0 【l6 j 。 同年，n a y a k 等人通过在s i g e 衬底上生长应变硅，成功制备了世界上第一个应变 硅沟道p m o s 1 7 】。他们的实验结果表明，该器件在同等条件下的空穴迁移率比普通硅 p m o s f e t 高2 到3 倍，电流驱动能力也相应提高了2 倍以上。 2 0 0 0 年，东芝公司的m i z u n o 等人首次报道研制出了基于应变s is o i ( s s o i ，即应变 硅绝缘体上硅) 的n m o s 与p m o s 博j 。 2 0 0 2 年，i b m 的r i m 等人报道其所研制的短沟道应变硅n m o s 器件的驱动电流提高 了1 5 ，p m o s 器件的驱动电流提高了7 1 0 f j9 j 。 在2 0 0 2 年的i e d m 会议上，i n t e l 公司宣布研制成功9 0 衄工艺节点的应变硅 m o s f e t 2 0 1 。该器件有效沟道长度为5 0n l t l ，栅氧厚度仅为1 2n i i l ，栅电极与源漏接触 均为n i s i 材料，布线采用7 层c u 互连和低介电常数( 1 0 wk ) 绝缘层。器件整体特性十分 优异，饱和驱动电流较同尺寸s i 器件提高l o 2 0 ，迁移率增强5 0 以上。同时，i n t e l 公司还采用最新的1 9 3n l n 浸入式光刻工艺成功试制了1 0p m 26 ts r a m ，充分证明了亚 0 1p m 应变硅器件的实用价值。 2 0 0 4 年，i b m 与a m d 在i e d m 会议上报道了在m o s f e t 表面淀积s i n 薄膜形成应变硅 的d s l ( d u a ls t r e s sl i n e r ) 新技术【2 1 1 。采用该技术研制的n m o s f e t 和p m o s f e t 的驱动 电流分别增加了1 5 和3 1 ，在此基础上制造的i b mp o w e rp c 架构的6 4 位微处理器和 a m d “a t h l o n6 4 的工作频率分别提高了7 和1 2 。 在2 0 0 5 年的i e d m 会议上，i n t e l 报道了运用n i s i 栅与单轴应变s i 技术研制的c m o s 器 2 第一章引言 件，其中n m o s 和p m o s 分别有高达1 7 5m a l a m 和1 0 6m a l m a 的驱动电流【2 2 1 。与先前报 道的应变硅器件相比，电流驱动能力改善了约2 0 。 在2 0 0 7 年的i e 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 薄膜不能充分加载沟道应变这一问题的解决方法，即使用虽为薄膜却具 有高压缩应变的类金刚石碳( d i a m o n d 1 i k ec a r b o n ，d l c ) 薄膜。d l c 薄膜能够保持l 1 0g p a 的高压缩应变，介电系数也比s i n 材料低。在运用于8 0n l t l 栅长的p m o s 后发 现，器件的饱和电流获得显著改善，提高达5 8 t 2 3 1 。 鉴于应变和应力对显著改善载流子迁移率和器件性能的重要性，各种理论分析、软 件模拟和实验测量手段开始用于研究应变硅器件。 2 0 0 2 年，为分析s i g e s i 异质结构的应变，德州大学e 1p a s o 分校的z u b i a 和他新墨 西哥大学的合作者【1 4 】分别将s i 和s i g e 的应变与晶格常数建立联系，即假设s i s i g e 结 构置于柔性衬底上且其每一层内的晶格常数均相等，再使用力平衡的概念取得了应变的 关系方程式。次年，普林斯顿大学的y i n 等人【l5 】分别探讨了s i g e s i 结构和s i 0 2 s i g e 结构的应变，将总应变设成s i 和s i g e 的晶格常数的差异量，在总应变固定情况下进而 分别求得其他应变方程式，其结果与实验数据相当接近。 近年来，国外部分学者开始使用有限元法分析因材料晶格常数失配而产生应变的半 导体结构。c h r i s t i a n s e n 等人【1 1 】使用m a r c 有限元软件建立s i 0 1 5 g e o 8 5 岛型结构的三维有 限元模型，利用材料不同的热膨胀系数，以及给予虚拟的均匀升温环境以模拟晶格常数 的不匹配，其模拟结果与实验数据有部分差异，但其总体趋势是相近的。 b e n a b b a s 等人【1 2 】使用a n s y s 有限元软件模拟了i n a s g a a s 高应变结构，同样也是根 据晶格常数给予不同的热膨胀系数，并且针对不同形状的截角进行分析；实验上则根据 透射电子显微镜( t e m ) 所得的图象求得结构的应变，发现模拟和实验的结果差异不大。 类似地，l i u 等人【1 3 】则利用a n s y s 软件模拟分析了嵌入在砷化镓中的i n a s 量子点的应力 和应变场。 为验证模拟所得数据的j 下确性，对应变量的精确实验测量也是十分重要的。由于这 些半导体结构的尺寸很小，很难用常规普通的方法测量应变，而往往必须借助于先进的 微结构分析测量手段。 i b m 公司t h o m a sj w a t s o n 研究中心 拘t s a n g 等人【2 4 】应用微拉曼散射( m i c r o r a m a n s c a t t e r i n g ) 技术分析了锗硅异质结构的应变及其与锗组分之间的关系。对于锗组分x o ) ，因此品格失配会使s i 薄膜在生长平 面内存在张应变，而在垂直生长平面的方向上存在压应变，具体情况如图2 1 ( b ) 所示。 张应变s i 层 弛豫s i g e 层 g e 含量为0 3 s i g e 缓冲层，g e 含量从。蚕j j x 变化 s i 衬底 张应变 s i g e ( a )( b ) 图2 - i 典型的双轴应变工艺( a ) 典型器件结构，( b ) 双轴应变的形成 f i g 2 ls c h e m a t i cd i a g r a mo ft y p i c a lb i a x i a l s t r a i np r o c e s s ( a ) t y p i c a ld e v i c es t r u c t u r e ， ( b ) f o r m a t i o no f b i a x i a ls t r a i n 简单介绍一下图2 1 ( a ) 所示的典型双轴应变m o s f e t 的制作过程。第一步是衬底材 料的生长。一般采用的方法是在s i 衬底上先生长一层g e 含量x 逐渐增加的s i l x g e x 缓冲层 ( x 般在o 2 o 5 之间) ；然后在其上外延生长一层g e 含量固定的弛豫s i i 。g e ，【层；最后 6 第二章应变硅技术及其物理机制 再外延生长一层薄的应变s i 层，该层厚度须小于一个临界厚度，以避免产生大量位错。 采用缓冲层的目的是抑止位错向上延伸，保证获得高质量的应变s i 层。然后，可以利用 应变s i 薄膜作为沟道材料，采用标准的c m o s 工艺制作m o s 管。由于应力( 应变) 在高温 下会以位错的形式弛豫释放，而且g e 也可能扩散到应变s i 层中，甚至进一步扩散到应变 s i 和栅氧的界面处，产生新的界面态【3 2 】，因此，在实际器件的设计和制作工艺过程中， 对热预算( t h e r m a lb u d g e t ) 的控制是非常重要的。 实验和理论计算都表明，对于n m o s ，当g e 的含量大于2 0 时，电子的迁移率将 达到饱和( 约为无应变时的1 6 0 ) ，其后就不再随g e 含量的继续增加而变化【3 3 1 。电子 迁移率的增大主要由两个因素造成：双轴张应力导致六重简并的导带分裂，从而使电子 沿沟道方向的有效质量变小；而且导带的分裂还会使载流子能谷问的散射降低，这两者 都能导致电子迁移率的提高。对于空穴，随着g e 含量的增加，其迁移率不断增加。空 穴迁移率的增大主要由于在双轴张应力下价带顶简并的重空穴和轻空穴能带发生分裂， 使空穴受到的散射降低；同时，价带的扭曲会导致空穴的有效质量降低。随着纵向有效 电场的增大，量子限制效应( q u a n t u mc o n f i n e m e n te f f e c t ) 补偿了应力的效果，导致空 穴迁移率的增强程度逐渐变小。一般当有效电场达到lm v c m 时，空穴迁移率的增强 就几乎可以忽略了。 2 1 2 单轴应变工艺 在源漏端采用s i g e 或s i c 合金对沟道施加应力，也是一种常见的应力产生方法。i n t e l 公司在9 0i l m 的逻辑工艺中【5 】，采用s i g e 源漏对沟道产生压应力的方法来提高p m o s 的空 穴迁移率，工艺流程如图2 2 所示。在栅侧墙形成后，在源漏区刻蚀出s i 凹槽，如图2 2 ( a ) 所示。然后外延生长s i g e 合金，合金中g e 的含量为1 7 ，二者的品格失配约为1 。最 后淀积一层金属n i ，经快速热退火( r 1 r a ) 形成金属硅化物。s i g e 源漏对沟道产生压应 力，从而提高空穴的迁移率。从图2 2 ( b ) 可以看出，采用如上工艺流程后，s i g e 源漏被 抬高了。 ( a )( b ) 图2 - 2i n t e l9 0n mp m o s 应变硅工艺流程( a ) 刻蚀s i 凹槽，( b ) 外延s i g e 源漏 f i g 2 2i n t e l9 0n mp m o ss t r a i n e ds ip r o c e s sf l o w ( a ) s ir e c e s se t c h i n g ，( b ) s i g es de p i t a x y d h 上述工艺中需要控制的参数主要有：g e 的摩尔组分x ，源漏凹槽深度h 和源漏抬高 高度d ( 分别示于图2 - 2 ( b ) q b ) 。x 值越大，源漏对沟道的应力越大，但界面处的位错也越 7 江南大学硕士学位论文 多，因此x 一般取在0 1 o 3 之间。h 越大，沟道中的应力也越大，但是h 的最大值受 源漏结深的限制。h 增大时，源漏p h i 结的漏电流会相应增大，因此需要对凹槽深度h 进行折中考虑。采用抬高的源漏，可以补偿硅化物应力的不利影响。d 值越大，沟道中 的应力也越大，一般d 值取为h 的0 5 l 倍。另外，应力的大小与源漏距沟道中心的距 离有关，随着距离的增大应力单调变小。因此，这种方法对于长沟道器件性能的改善很 小，而对于沟道长度小于1 0 0n n l 的器件，则可有明显的改掣”】。改进的刻蚀方法p 6 j 、 侧墙工艺方法【3 7 】和g e 预非晶化源漏延伸区技术【3 0 】，都可以明显地增大应力。 另一种重要的单轴应变硅技术则是利用s i n 应力层。近年来许多研究显示利用s i n 应 力层产生的单轴应变可提高器件的驱动电流【3 8 3 9 1 。工艺简单是通过覆盖s i n 应力薄膜引 入应变最显著的优点。当硅化物形成以后，在硅片表面均匀淀积一层高应力的s i n 薄膜， 即可对器件性能产生显著影响；同时，s i n 薄膜又可以作为引线孔的刻蚀阻止层【4 0 】。 一般来说，淀积s i n 主要有两种方式。一是使用高温热化学气相淀积( t h e r m a lc v d ) 方法制备s i n 薄膜，这种方式淀积的s i n 层具有张应力。另一种方式是利用等离子增强 化学气相淀积( p e c v d ) 法生长s i n 薄膜，这种方式淀积的s i n 薄膜具有压应力。实 验研究表明，采用热化学气相淀积方法淀积的张应力s i n 薄膜可以改善n m o s 的性能， 而采用p e c v d 淀积的压应力s i n 薄膜可以改善p m o s 的性能。 由于在c m o s 中希望能同时改善n m o s 和p m o s 的性能，因此可如下操作：首先 淀积一层高张应力的s i n 薄膜来改善n m o s 的性能：同时，通过g e 离子选择注入的方 法来释放p m o s 中不需要的应力【4 ，或者采用刻蚀的方法直接除去p m o s 顶部覆盖的 不需要的s i n 薄膜【4 2 】：然后再淀积高压应力的s i n 薄膜来改善p m o s 的性能，并采用 类似于前的方法去除压应力s i n 薄膜对n m o s 的不利影响。图2 3 给出了采用刻蚀方法 去除不需要的s i n 薄膜后的应力层形成示意图，最终n m o s 表面覆盖的是张应力s i n 薄膜，而p m o s 表面覆盖的是压应力s i n 薄膜( 应力的方向以箭头示于图中) 。实验表 明，对于7 0n n lc m o s 器件，采用这种方法可以使开态驱动电流增加2 0 以上一。 t e n s i l en i t r i d e c o m p r e s s i v en i t r i d e 圻m h 地 图2 - 3 覆盖s i n 薄膜应力层的c m o s 示意图 f i g 2 3s c h e m a t i cc m o sd i a g r a mw i t hs i nt e n s i l ea n dc o m p r e s s i v ec a pl a y e r s 2 2 应力增强载流子迁移率的机理 由半导体物理知，普通体硅材料的导带由六个简并能谷构成，如图2 4 所示。这六 个简并能谷分别有六个导带极值，等能面为旋转椭球面，沿椭球长、短轴方向的有效质 量分别为m l ( o 9 1 6 m o ) 和m t ( o 1 9 m o ) 。对多能谷半导体，电子迁移率仍具有t = q r m 8 第二章应变硅技术及其物理机制 的形式，但实际计算时应代以电导有效质量m 。，对应的迁移率称为电导迁移率，可如下 表述： = q r ， ( 2 - 1 ) 其中电导有效质量m 。为： b 3 m + t 2 m i 鸭。 ( 2 2 ) 卜一 一 f x k + 虬 图2 - 4 硅导帝等能面示嚣图 f i 9 2 4s c h 唧a t i e d i a g r a m o f c o 皿t a n te n e r g ys u r f a c e s i ns ic o n d u c t i o n b a n d 对于生长在( 0 0 1 ) 晶面上的弛豫s i g e 双轴应变硅n m o s 来说，由于应力的作用， 原有的六重简并能谷a 。的简并被解除后分为两组：两个能量降低的二重简并能谷：， 沿与沟道垂直的轴向；四个能量升高的四重简并能谷a 。，沿与沟道平行的轴向，如图 2 - 5 所示。低能谷与高能谷之间能量差的经验值为0 6 7 x e v t 4 ”，其中x 为g e 含量。 遵 - 毒 k ( ： 图2 - 5 应变硅的导带等能面与能量分裂示意图 f i g2 - 5s c h m a t i cd i a g r a mo f c o n s t a m ”目s u r f a c e s de n e r g ys p l i t i n c o n d u c t i o n b a n d o f s t r a i n e ds 1 由于：的能量较低，被电子占据的几率较大，并且：等能面的轴向垂直于导电沟 道，其电子的电导有效质量为m ( m 。= o1 9 o ) ，所以由式2 - 2 可知，应变硅n m o s 沟 江南大学硕士学位论文 道中电子的平均电导有效质量比体硅n m o s 的要小。并且：与。的能量差越大，载流 子在这两组能谷上的浓度差就越显著，平均电导有效质量也就越小。 电子有效质量的减小仅仅是电子迁移率提高的原因之一。除此之外，电子散射几率 的降低也是一个十分重要的因素。由于导带简并的解除，和。之间产生了能量分裂。 由于能量分裂，导致，和。的谷间声子散射几率减小，从而使迁移率得到了提高。实 验研究已表明，应力越大，能谷间能量分裂越显著，电子迁移率提高的幅度就越大。 与电子类似，应变硅的空穴迁移率也由有效质量和散射几率两方面决定。体硅材料 中只有一个价带顶，轻、重空穴带在此发生简并，而空穴的电导迁移率主要受重空穴的 影响。如图2 6 所示，引入应力之后，晶格常数的变化会使原有的晶格对称性遭到破坏， 轻、重空穴能带的简并被解除，在这两者之间将产生能量分裂。另外，能带的形状也将 发生改变，即原来重空穴能带的曲率半径会有一定程度的减小，并且其能量会降低。应 变硅中空穴主要分布在轻空穴带上，平均电导有效质量降低，其迁移率将得到较大提高。 e 7r 睾督气 、 ，r 弋劣 ， 无应力空穴 有皮力 图2 - 6 体硅材料和应变硅材料中的价带结构 f i g 2 - 6v a l e n c eb a n ds t r u c t u r e i nb u l ks ia n ds t r a i n e ds i 从散射几率方面考虑，价带的变化可以有效减小轻、重空穴能带问的散射。对空穴 来说，轻、重空穴带之间的散射类似于电子在等价能谷之间的散射，轻、重空穴带的分 离可有效抑制带间散射几率，提高迁移率。因此，如果引入的应力足够大，便可以使空 穴迁移率的增加幅度大大提高。 值得注意的是，应变硅中空穴的迁移率不仅与应力大小有关，而且与应力作用方式 有极其紧密的联系，这是与提高电子迁移率有明显不同的地方。对电子来说，单轴应力 还是双轴应力对迁移率影响的差异并不明显。但对空穴来说，特别是在沟道中横向电场 较大的情况下，单轴应力相对于双轴应力有较大的优势。由于在小尺寸器件( 如沟道长 度小于1 0 0n m ) 中，横向电场强度普遍大于1 0 6 v m ，所以单轴应变工艺逐渐成为当今 应变硅技术的主流。 1 0 第三章应变硅器件的有限元模拟研究 第三章应变硅器件的有限元模拟研究 一弹性物体在负载的作用下产生形变，意味着该物体各点间的相对位置产生了变 化。当物体内某一点受负载后在x ，y ，z 方向产生u ，v ，w 三个位移量，这些位移分量 ”= 臌 o - ， 此单元在受到负载后可具有二种变形形态：长度的变化和角度的变化。其应变与位 s 。 y s z y 掣 yy ： y 8 阶 ( 3 2 ) 其中，、占y 、s z 为正应变，7 秽、肚、7 矗为切应变。 对于线性弹性及各向同性的物体，可简化到六个应力分量与六个应变分量，由虎克 定律( h o o k e sl a w ) 可得应力与应变的关系为： o x o y o z t x y t y z r 口 e = 一 ( 1 + y ) ( 1 - 2 v ) 1 一yyl ，0 0 0 l ， 1 一yv000 y v1 一yo0o 00o 1 - 2 v oo 2 0 000 1 - 2 vo 2 0000o 1 - 2 v 2 ( 3 - 3 ) 由上式可知各向同性材料只有两个独立弹性系数，即杨氏模量e 和泊松比y 。 3 2 应变的物理测量方法 随着应变硅技术研究的不断深入，在半导体纳米结构中引入恰当的应力，通过控制 应变来提高半导体器件的性能越来越受到学界和业界的重视。相应地，x , j - 在, j 、尺度上可 o o a一瑟o a一缸a一砂 o a 一砂 o a一缸a一如 o a一缸o o a 一砂 o a 一& 凸 彩如 胁肛肛 江南大学硕十学位论文 靠测量应力、应变的技术的期待和需求也越来越高。本节主要介绍目前在半导体芯片领 域里广泛使用的两种应变测量技术拉曼光谱方法和会聚束电子衍射方法的基本原理。 3 2 1 拉曼光谱法 拉曼光谱( r a m a ns p e c t r o s c o p y ) 法是一种利用拉曼散射( r a m a ns c a t t e r i n g ) 现象测 量晶体内部应变的方法。 晶体内部的原子和邻近原子之间具有强的结合力约束，它们按键合特性以某一振动 频率