（微电子学与固体电子学专业论文）应变硅cmos器件的自热效应与热载流子效应.pdf

摘要 摘要 随着集成电路技术的快速发展，等比例缩小技术已经不能满足摩尔定律，应 变硅m o s f e t s 技术成为后硅时代研究的热点。应变硅技术通过拉伸或压缩硅晶 格达到不减小器件尺寸仍可提高器件性能的目的，同时应变硅技术与传统体硅工 艺兼容，减少了改善工艺设施所带来的投资，降低了生产成本。研究应变硅c m o s 器件的性能以及可靠性问题也日益重要。 论文介绍了几种常用的单轴应变以及双轴应变的应变机理、材料性能和工艺 条件。分析了双轴应变中驰豫s i g e 缓冲层的组分、厚度和生长方式。 论文主要研究了双轴应变硅c m o s 器件的自热效应和热载流子效应。由于双 轴应变硅c m o s 器件引入了导热率较硅低的s i g e 固溶体，这阻碍了器件在加电 工作时的散热，所以比较体硅c m o s 器件，自热效应在双轴应变硅器件中对可靠 性的影响要大得多。论文通过对器件的材料和结构的分析，说明了产生自热效应 的原因，介绍了现阶段对自热效应的测量方式和抑制自热效应的方法。应用 i s e t c a d l 0 0 软件对体s i 器件与双轴应变硅器件的转移特性进行了仿真，比较 了两者的差异；对双轴应变硅器件在考虑自热效应前后的输出特性进行了仿真， 证明了自热效应对器件的影响。 由于应变硅技术是通过提高载流子迁移率来使器件的性能得到提高的，所以 热载流子效应也是重要的可靠性问题之一。论文分析了热载流子效应产生的原因， 测量的方法，讨论了热载流子效应对m o s 器件的影响，以及在设计和工艺上抑 制热载流子效应的方法。特别针对双轴应变硅器件，应用i s e t c a d l 0 0 软件对 n m o s 的热载流子效应进行了仿真模拟。 关键字：应变硅c m o s 器件驰豫s i g e 缓冲层双轴应变自热效应热载流子 效应 a b s t r a c t a b s t r a c t a st l l ed e v e l o p m e n to ft h ei c s ，g e o m e t r i cs c a l i n gd o w nh a sn o tb e e nf i tf o rm e m o o r e l a w , s 0t h es t r a i n e d s i l i c o nh a sb e c o m et h eh o t s p o to ft h ep o s t s ia g e t h e s t r a i n e d s it e c h n o l o g yc a l li m p r o v et h ec a p a b i l i t yo ft h ed e v i c eb yc r e a t i n gat e n s i l eo r ac o m p r e s s i o nt ot h ec r y s t a ll a t t i c e a tt h es a l n et i m e ，t h ep r o c e s so fs t r a i n e d - s ia n dt h e b u l k s ia r ec o m p a t i b l e i tr e d u c e st h ei n v e s t m e n tf o ri m p r o v i n gt h ep r o c e s s e s t a b l i s h m e n ta n dt h ec o s t a sar e s u l t ，i ti ss i g n i f i c a n tt or e s e a r c ht h ec a p a b i l i t ya n d t h er e l i a b i l i t yo ft h es t r a i n e d - s ic m o sd e v i c e t 1 1 i sp a p e ri n t r o d u c e sh o wt op r o d u c eu n i a x i a ls t r a i na n db i a x i a ls w a i n , t h e c a p a b i l i t yo ft h em a t e r i a l sa n dt h ep r o c e s s w ea n a l y z et h ei n g r e d i e n t s ，t h i c k n e s sa n d g r o w t hp r o c e s so f t h er e l a x e ds i g eb u f f e r t h em a i nc o n t e n t so ft h ep a p e ra r es e l f - h e a t i n ge f f e c ta n dh o t - c a r r i e re f f e c to ft h e b i a x i a ls t r a i n e d s ic m o sd e v i c e b e c a u s eo ft h ep o o rt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ft h e s i g e ，t h eh e a to ft h ew o r k i n gd e v i c ei sb l o c k e d ，s ot h es e l f - h e a t i n ge f f e c ti sm u c h w o r s ei nt h eb i a x i a ls t r a i n e d - s it h a nt h eb u l k s i t h ep a p e re x p l a i n sh o wt h e s e l f - h e a t i n gw o r k i n ga n di n t r o d u c e st h em e a n so ft h em e a s u r e m e n ta n dr e s t r a i n tb y a n a l y z i n gt h em a t e r i a l sa n ds t r u c t u r eo f t h es t r a i n e d - s id e v i c e t h et r a n s f e rc a p a b i l i t i e s o ft h eb u l k s ia n dt h eb i a x i a ls t r a i n e d s ia r ec o m p a r e db yi s e - t c a d a n dt h eo u t p u t c a p a b i l i t i e s ，w h i c hp r o v e dt h es e l f - h e a t i n ge f f e c to ft h eb i a x i a ls t r a i n e d s iw i t ht h e s e l f - h e a t i n go rn o ta r ec o m p a r e d ，t o o h o t c a r r i e re f f e c ti so n eo ft h ei m p o r t a n tr e l i a b i l i t yp r o b l e m so ns t r a i n e d s i d e v i c e ，b e c a u s et h eo u t s t a n d i n gc a p a b i l i t yo ft h es t r a i n e d s ii sd u et ot h ei m p r o v e d c a r r i e rm o b i l i t y t h ep a p e ra n a l y z e sh o wt h eh o t - c a r r i e re f f e c tt ob ei n d u c e d ，t h e m e a s u r e m e n tm e t h o d sa n dt h ei m p a c t sa n dt h em e a n so fr e s t r a i n to nt h ed e s i g na n d p r o c e s s p a r t i c u l a r l y w es i m u l a t et h eh o t c a r r i e re f f e c t so ft h es t r a i n e d - s in m o sa n d b u l k s ib yi s e - t c a d k e y w o r d s ：s t r a i n e d s ic m o sd e v i c e r e l a x e ds i g eb u f f e rb i a x i a ls t r a i n s e l f - h e a t i n ge f f e c t h o t - c a r r i e re f f e c t 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，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：净日期超巧蛆 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) 本人签名： 导师签名： 日期皇翌里2 ：! ：王 醐中弓 第一章绪论 第一章绪论 1 1 应变硅c m o s 器件的研究历史与发展现状 1 1 1 应变硅技术的研究目的 在过去的三十多年中，等比例缩小技术使硅c m o s 器件在性能和速度方面都 得到了巨大的提高。摩尔定律断言芯片单位面积上的晶体管数量每1 8 个月就能翻 一番。到现在为止，该定律仍在延续。图1 1 为i n t e l 公司处理器晶体管规模的曲 线图。可以看到，i n t e l 公司基本上遵守了摩尔定律，芯片的集成度保持在1 8 个 月翻一番甚至更快的上升节奏上。集成的晶体管的数量越多，集成电路的电路结 构和功能也越复杂。随着晶体管尺寸的等比例缩小，功耗也在减小，但是，工作 电压并不能达到相同比例的缩小，所以各种可靠性问题也逐渐严重。目前，半导 体发展的趋势是基本上每两年就会进入下一个工艺时代。2 0 0 4 年9 0 n m 工艺开始 用于生产，2 0 0 5 年，4 5 n m 工艺的c p u 面世，a m d 等公司也都计划在2 0 1 0 年左 右进军3 2 r i m 工艺。 ， 。 乒 一 少 一 。 一 ，7 一 一 一 。 一 。 i i i 1 9 7 01 9 8 0 1 9 9 02 0 0 0 2 0 1 0 1 ，0 0 0 ，0 0 0 ，0 0 0 10 0 ，0 0 0 ，0 0 0 10 ，0 0 0 ，0 0 0 i ，0 0 0 ，0 0 0 1 0 0 ，0 0 0 1 0 ，0 0 0 1 ，0 0 0 图1 1i n t e l 公司处理器晶体管规模的曲线图 c m o s 器件的基本i - v 关系【1 1 如下所示： k = 譬( 吃一k ) 2 = 詈 ( 1 - 1 ) ( 1 - 2 ) 2 应变硅c m o s 器件的自热效应与热载流子效应 可以看出可以通过等比例缩小技术来提高硅工艺器件的速度，即减小栅的长度和 厚度。但是，当沟道减小到1 0 0 r i m 一下，体硅迅速地接近物理极限，短沟道效应、 迁移率降低还有栅极电介质厚度不能无限变薄，这些都使等比例缩小技术的优势 开始逐渐削弱。随着栅长的不断减小，传统体硅器件面临的一项挑战是在控制短 沟道效应的同时，在合理的漏电流下保持高驱动电流。然而，对于目前的工艺水 平，氮氧化物、多晶硅和栅氧厚度等已经达到了等比例缩小的极限，由于漏电流、 功耗和薄层栅氧化物的隧穿效应，尺寸的进一步缩小并不能促进性能的提高。在 这种情况下，探索新型器件材料、研究新型器件结构、开发新型器件工艺，从而 不断提高器件与集成电路的性能成为一项必须的选择。 提升载流子迁移率可以在功耗较低的情况下提高器件的速度。应变硅技术通 过拉伸或压缩硅晶格达到不减小器件尺寸仍可提高性能的目的，同时应变硅技术 与传统体硅工艺是兼容，这样就大大减少了改善工艺环境所带来的投资，降低了 生产成本，因此，应变硅m o s f e t s 技术成为后硅时代研究的热点。 锗( c e ，g e r m a n i u m ) 最初是基本的半导体电子学材料，发明双极晶体管以及开 创半导体工业时使用的半导体材料就是锗。但是，在双极晶体管发明之后不久， 硅取代了锗，在半导体电子学领域中成为最基本的材料。在锗单晶逐渐退出半导 体工业的期间，人们也曾对无应变锗硅固溶体发生过很大的兴趣，但是严重的晶 格失配妨碍了这种固溶体材料的应用。8 0 年代中期，利用分子束外延之类的先进 外延技术，实现了在硅衬底上生长高品质锗硅固溶体应变薄层，即应变s i s i g e 结构的愿望，这种新材料的引进从此使应变硅技术成为可能。 1 1 2 应变硅技术的发展历程 产生应变的技术有很多种，有些仍在研究阶段，最早的也是传统的应变硅器 件是将s i 外延生长在驰豫s i g c 上，在生长平面内，s i 原子的晶格被拉伸而形成 双轴张应变层。本文的研究也是针对于这种结构的应变硅c m o s 器件。 1 9 7 5 年首次生长出了s i s i g e 应变层【z 1 。二十世纪八十年代锗硅外延薄膜的发 展使得对于锗硅异质结能带结构的研究上了一个新的台阶。 1 9 8 4 年在调制掺杂的应变锗硅层中发现了二维空穴气( 2 d h g ) 【3 】。斯坦福大学 在i e d m 中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道应变硅 m o s f e t s l 4 j 。1 9 9 3 年u c l a 的n a ) a k 等人首次报道了应变硅p m o s 可以提高空 穴迁移率，他们提出了应变使价带中轻重空穴带分裂导致空穴迁移率提高的理论， 并测出了空穴迁移率的提高与电场有关。在低场下空穴迁移率在s i o n s g e o 2 5 的虚 拟衬底上生长的应变硅p m o s 中提高了5 0 【5 1 。 2 0 0 0 年c u r r i e 等人提出了双异质结应变硅结构，在弛豫s i o 彤, g e o 4 8 上生长应 第一章绪论 3 变s i o 1 7 g c o 8 3 并覆盖5 r i m 厚的应变硅层，p m o s 沟道在应变锗硅层中形成，性能 提升了4 5 倍，证实了埋沟和表面沟道应变硅m o s 器件均能有效提升载流子的 迁移率【6 1 。 2 0 0 1 年，i b m 和m i t 的研究人员用s i m o x 技术制备出了s g o i ，并首次提 出了锗浓缩技术【刀。 1 2 应变硅c m o s 器件的自热效应的研究意义 集成电路工作时产生的热功耗及其相关的散热方式逐渐成为当今提高时钟频 率和减小器件尺寸的障碍。当c m o s 器件的特征尺寸按比例因子f 缩小，那么相 同单位的功耗就要提高f 2 。特别是当c m o s 器件的特征尺寸减小到纳米级，漏极 的声子活动区域并不随之减小，器件的性能分析也变得越来越复杂。现在采用新 材料或新结构的器件，其自热效应更加明显，应用s i g e 材料的双轴应变硅器件就 是其中的一种。 s i g e 比s i 的导热系数要低得多，s i g e 层的存在就犹如是热通往s i 衬底的障 碍物，加电工作后，器件产生的热得不到及时释放，堆积在沟道，即发生自热效 应。沟道温度的提高直接导致散射几率提高，迁移率减低。特别是给器件加直流 激励时，s i g e 器件的自热效应可与s o i 器件相比拟。所以，自热效应越来越引起 广泛的关注，成为研究双轴应变硅c m o s 器件可靠性的一个主要问题。 1 3 应变硅c m o s 器件热载流子效应的重要性 c m o s 器件在减小沟道和栅极尺寸的同时，电压却没有得到相应比例的缩小， 这使得沟道电场增加，热载流子注入栅氧，在s i 与s i 0 2 界面形成界面陷阱电荷， 导致热载流子效应成为日益严重的可靠性问题。当载流子在大于1 0 g i n 。的高电 场下运动时，它从电场获得的能量会大于散射过程中与晶格原子碰撞损失的能量， 从而使载流子的温度超过晶格温度。这样的载流子就称为热载流子。热载流子的 行为与平衡状态或低电场中的载流子很不同，突出地表象是平均漂移速度与场强 之间不再具有简单的线性关系。 热电子和热空穴通过热载流子注入到达s i 0 2 ，产生一个界面态，这个界面态 会造成阈值电压的漂移。随着亚微米和深亚微米工艺的日趋成熟，热载流子效应 也日益成为m o s 器件主要的可靠性问题之一。特别是对于应变硅器件，沟道电 子空穴的高迁移率更容易产生高能量的电子空穴，同时禁带带宽减小使离子碰 撞更容易发生。这两个因素都会加剧热载流子注入。但是从另一方面讲，应变硅 较s i 0 2 有更大导带偏移，这会抑制热载流子注入。所以，研究应变硅c m o s 器 4 应变硅c m o s 器件的自热效应与热载流子效应 件的热载流子效应有很大的意义。 1 4 本文的主要工作及内容安排 应变硅材料、结构和器件是探索后硅时代新型超高速低功耗集成电路最有发 展前景的技术之一，随着应变硅技术的发展，近些年相关的可靠性研究已有较多 报道，但不如体s i 器件研究深入、广泛。鉴于其材料微观结构和载流子运输特性， 它又有其独特的可靠性问题。针对于此，论文主要研究了采用s i g e 材料的双轴应 变硅c m o s 器件的自热效应以及热载流子效应。 基于上述工作，本论文各章内容具体安排如下： 第一章绪论综述应变硅c m o s 器件的研究发展状况，简要介绍了自热效应 以及热载流子效应，概述了本文主要工作的目的、意义以及内容。 第二章双轴应变硅c m o s 器件的结构及工艺介绍应变硅c m o s 器件的结 构分类、应变机理和工艺实现方式，为后面的自热效应及热载流子效应研究提供 理论基础。 第三章应变硅c m o s 器件的自热效应通过对双轴应变硅器件的结构和材 料性能的分析来说明自热效应的产生机理、热模型和测量方法，对现阶段抑制自 热效应的方法做了分析。本章通过i s e t c a d l 0 0 对体硅和双轴应变硅器件的转 移特性和输出特性进行了仿真和分析；对双轴应变硅器件在考虑自热效应前后的 输出特性进行了比较和分析。 第四章应变硅c m o s 器件的热载流子效应对热载流子效应产生的原因、测 试技术和抑制热载流子效应的技术方法进行了论述。特别针对双轴应变硅n m o s 器件，应用i s e t c a d l 0 0 对其热载流子效应进行了分析仿真，说明相对于传统 体硅器件，应变硅n m o s 的热载流子效应减小了。 第五章结论与展望总结了本文所做的工作和所取得的结论以及需进一步深 入研究和改善的工作。 第二章双轴应变硅c m o s 器件的结构及工艺 第二章双轴应变硅c m o s 器件的结构及工艺 2 1s i l x g e x 固溶体 s i l x g e x 属于固溶体半导体材料。所谓固溶体半导体材料就是某些元素半导体 或化合物半导体相互溶解而形成的一类具有半导体性质的固态“溶液 ( s o l i d s o l u t i o n ) 材料，也称为混晶半导体或合金半导体。它是由两种或两种以上同一类 型的半导体材料组成的合金，且一般都是组分连续( 无限) 固溶体。通常所指，包 括锗硅合金、各种v 族化合物固溶体和各种i i 族化合物固溶体。这类半导 体材料的研究可追溯到1 9 3 9 年，赫伯特斯图尔等人制备出s i g e 固溶体，并发 现其晶格常数可随组分而改变【3 】。连续固溶体指的是x 值可在o x l 范围内连 续变化而仍能得到同一种晶体结构的单相晶体。 硅与锗之间存在大约4 2 的晶格失配，但在一定厚度内，弹性应变可使硅锗 合金在硅衬底上进行赝晶生长。s i g e 合金在不同的组分下具有不同程度的弹性应 变，因而可通过组分比的调整来实现对其能带结构和光电特性的“剪裁”。应变 s i g e 合金层的禁带比硅窄，当其生长在硅衬底上时，其禁带就完全被包含在硅的 禁带中。但是，应变s i s i g e 系统在界面上的导带底之差不超过0 0 2 e v ，并随着 g e 组分的增加而逐渐趋于零，其禁带宽度之差主要表现在价带上。 用分子束外延( m b e ) 等先进的薄膜生长技术可以生长出无位错、无层错的晶 格失配异质结构。当g e 的摩尔比率x 方向。当所有的位错在异质结界面成核之后，两个位错网络之间就会产 生丈量的相互作用，从而阻碍线位错片断滑移到圆片的边缘。除极少的线位错片 断两两回合形成一个环形位错外，大多数失配片断的末端必须通过线位错才能连 接到自由的表面，因此，失配片断越短，产生的线位错密度越高。 在高质量的应变硅材料生长中，减小表面粗糙度和位错密度是器件制各面临 的主要挑战。减少高位错密度的途径是延伸失配片断的长度，理想的结果是线位 错向着圆片的边缘滑移，以避免与生长在缓冲层上面的有缘层相互作用。引入g e 组分渐变的s i g e 缓冲层可以延伸失配片断长度的目的【l ”，如图2 2 所示。因界面 处的失配应变显著减弱，位错成核的密度得到降低。在外延生长过程中，随着g e 组分的加大和s i g e 缓冲层厚度的增加，失配应变逐渐得到释放，从而位错网络的 形成减少，位错线得到延伸。当应变能量完全释放后，位错停止运动，通过工艺 控制可以使位错网络主要局限在一定厚度的渐变g e 组分的s i g e 层内，s i g e 缓冲 层超过这一厚度后，位错密度就大大降低，相应的表面粗糙度也降低。 2 13 电学特性 圈2 2s i g e 层中位错形成示意图 ( 日m e 组分突变的s i g e 缓冲层m ) o c 纽分渐变的s i g e 缓冲层 固溶体的能带结构也是其组分比的函数。值得注意的是，半导体材料通常有 多个导带能谷，每个能谷与价带顶构成一个能隙。其中，最窄的能隙才是材料的 禁带宽度。 42 k 时，带隙与组分x 的关系为【9 】= 巨( x ) = 1 1 1 5 04 3 x + 0 0 2 0 6 x 2 q ( 曲2 2 0 1 12 7 x 应变硅c m o s 器件的自热效应与热载流子效应 应变的s i l 。g e ，【固溶体带隙e 暑与温度t 、组分x 有如下关系9 1 ： t ( 工，d = e 矗( 丁) 一0 9 6 x + 0 4 3 x 2 0 1 7 x 3 疋，口( d = 1 1 7 + 1 0 5 9 x 1 0 弓t - 6 0 5 x 1 0 7 t 2 ( 2 - 6 ) ( r 1 5 0 k ) ( 2 - 8 ) 式中，为s i 的带隙。 在s i ( 1 0 0 ) 衬底上共度生长的s i l 嚎g e x 固溶体在室温时，e 。x 关系为： e 譬( z ) = 1 1 2 0 7 4 x ( 2 - 9 ) 由于x 值增加所引起的带隙变窄量e 。( 工) 【l o 】为： 吲功_ 搿嚣 陋埘 s i l x g e ，【固溶体的导带有效密度n c 和价带有效态密度m 【9 1 可分别表示为： 耻三硭h - 训0 6 x p ( 塑等产) 陋 m = 畦嘲一+ l m 胁 ( - - 0 1 6 6 x ) i 亿均 式中，酵，孵分别为s i 导带和价带的有效态密度，为s i 的态密度的有效质 量，m h k 、，分别为固溶体的重空穴和清空穴的有效质量【扪。 m h h = 7 0 5 6 m o ( 1 2 6 x + 2 1 ) ( 2 - 1 3 ) = 3 2 9 9 4 m o ( 9 3 x + 1 4 1 )( 2 1 4 ) 式中，m o 为电子质量。 于是，根据 砰= c me 冲皓) ( 2 - 1 5 ) 可以算出固溶体的本征载流子浓度惕。 在非应变情况下，s i l 。g e x 固溶体的电子迁移率随x 值增加而下降，这是由于 g e 含量增加，增强了对载流子的散射。图2 3 为非应变s i l x g e x s i 电子迁移率与 g e 含量的关系。 第二章双轴应变硅c m o s 器件的结构及工艺 9 突 ￥ g o 槲 潞 蝌 脚 图2 3 非应变s i s i l x g c x 电子迁移率与g e 含量的关系【l o 】 在应变情况下，电子和空穴迁移率在横向( 平行于薄层平面方向) 和纵向( 沿薄 层生长方向) 不同，是各向异性的。因为应变导致导带的分裂。以电子为例，应变 s i g e 薄层的6 个导带能谷中有4 个能量稍低，电子在这6 个能谷中的分布不再是 均匀的。这样，对于以 硅为衬底的应变s i g e 薄层，电子在薄层生长方向( 纵 向) 和平行于薄层平面方向( 横向) 上的迁移率就具有很强的各向异性特征。 室温下，p 型应变s i g e 中电子的纵向迁移率随杂质浓度及锗组分变化的情况 如图2 4 所示。由图可见，重掺杂下电子迁移率对组分不敏尉9 1 。室温下，p 型应 变s i g e 中空穴的纵向迁移率和横向迁移率随杂质浓度及锗组分比变化的情况如 图2 5 所示。在这里，其各向异性特征得到了充分反映。横向迁移率和纵向迁移 率不仅在大小上有所不同，对杂质和组分比的依赖关系也有所不同。在重掺杂情 况下，空穴的横向迁移率远不如纵向迁移率对组分比的敏感程度古【圳。 公 驴 享 g 3 得 漤 划 m 御 匡 舔 图2 4 温室下p 型s i g e 中电子的纵向迁移率随g e 组分及杂质浓度的变化情况 l o 应变硅c m o s 器件的自热效应与热载流子效应 爷 喜 g v 龉 漤 坦 制 足 鼙 图2 5 温室下p 型应变s i g e 中空穴的横向迁移率和纵向迁移率随g e 的组分及杂质浓度 的变化情况 2 2 产生应变的机理 m o s 晶体管的工作原理( 以n m o s 为例) 可以简单作如下解释，如图2 6 所示。 当漏极相对于源极加一个正电压且栅极相对于源极也加一个足够高的正电压时， 这一正的栅电压将会产生从栅到硅表面的电场，排斥栅下的p - s i 层的空穴，吸引 电子。当电子在表面达到一定浓度时，漏和源之间将出现导电通路，即导电的沟 道。当等比例缩小技术不能持续发展时，提高载流子迁移率可以在不缩小器件尺 寸的前提下提高器件速度。可以认为载流子迁移率描述了载流子通过沟道的难易 程度。 - 卜一- 卜一 上 心、7 y a 图2 61 1 m o s 的工作原理图 第二章双轴应变硅c m o s 器件的结构及工艺 i1 从分子结构的角度来看，沟道可以被认为是一种晶格，晶格结构影响电荷在 沟道的移动速度。应变硅技术就是通过改变沟道的晶格结构而提高载流子的迁移 率的。应变可分为双轴应变和单轴应变两大类。应变的类型对n m o s 与p m o s 的 作用是不同的，如表2 1 所裂1 1 。 表2 1 增强载流子迁移率的应力类型 方向n m o sp m o s 纵向( 沿沟道长度方向)拉伸压缩 横向( 沿沟道宽度方向)拉伸拉伸 2 2 i 应变硅技术分类 应变硅技术面临的主要挑战是将应变技术与传统s i t 艺结合的同时生产成本 不会大规模提升。现在，在多种应变硅技术中，人们对单轴应变的关注程度最高， 因为产生双轴应变的衬底的品格缺陷较多，从而提高了生产成本，这也成为了单 纯的双轴应变不能得到大规模量产的原因之一。最近的工艺技术通过将不同的单 轴应变技术综合，从而同时提高n m o s 与p m o s 的性能。 从应变的作用面积大小可区分为局部应变( 1 0 c a ls t r a i n ) 和全局应变( g j o b a l s t r a i n ) ，其中施加的应力( s t r e s s ) 种类可包含伸张应变( t e n s i l es t r a i n ) 与压缩应变 ( c o m p r e s s i v es t r a i n ) 。若只考虑i c 带l j 造的前段工艺，应变方式主要可分为基于圆片 应变( w a f e r - s t r a i nb a s e d ) 与工艺诱生应变( p r o c e s s i n d u c e ds t r a i n ) 两个系统。 全局应变( 西o b a ls t r a i n ) 或称双轴应变( b i a x i a l l ys t r a i n ) 是最早的，也是本文要研 究的应变硅技术。从上世纪9 0 年代开始，a m b c r w a v es y s t e m s 开始率先生产这种应 变硅器件【1 1 。基于圆片应变方式系由材料上自然晶格常数( 1 a t t i c e ) f f j 差异来产生应 变。图2 7 为双轴应变的示意图。 s - 一f 应变s i 图2 7 利用驰豫s i g e 虚拟衬底引入双轴应变硅的示意图 1 2 应变硅c m o s 器件的自热效应与热载流子效应 比较硅与锗硅的自然晶格常数，锗硅因有较大晶格常数锗的加入而较大。因 此当在晶格常数大的锗硅上面外延一薄层硅时，晶格匹配机制强迫硅层在平行圆 片平面的方i 句( i n o f - p l a n e ) 与锗硅衬底具有相同的晶格常数，因此这层硅层的晶格 常数大于原来值，形成伸张应变。伸张应变硅的应力大小主要由应变硅层厚度和 虚拟衬底锗的含量所决定。由于应用这种方法时在整个圆片都进行生长，不同的 沟道位置具有相同的应力大小和方向，故称为全局应变或称双轴应变。从图2 8 和 图2 9 可以看到传统体s i 器件与双轴应变硅器件结构的不同。 l 卜 图2 8 体硅m o s f e t 的结构示意图 图2 9 应用s i g e 材料的应变硅m o s f e t 结构图 工艺诱生应变的原理是利用某些特定的工艺步骤，例如浅槽隔离( s h a l l o w t r e n c hi s o l a t i o n ，s t i ) 、硅化反应( s i l i c i d a t i o n ) 、接触孔刻蚀停止层( c o n t a c te t c hs t o p l a y e r ，c e s l ) 以及锗硅嵌入式源漏( s i g es d ) 等工艺相关的结构，运用其存在的应 力，将其施加于器件上以形成应变沟道【1 2 】。 当作为器件隔离手段的浅槽刻蚀后，首先在浅槽表面热氧化一层衬垫氧化层， 然后填入氧化绝缘介质之类的材料来隔离器件。从m o s 沟道中心来看，两旁氧化 层区域因较大的体积会对沟道区域的硅材料形成挤压，即浅槽隔离对沟道产生局 部压缩应变，压缩应变将会对p m o s 的空穴迁移率产生提高作用【1 3 】，如图2 1 0 所 示。 第二章双轴应变硅c m o s 器件的结构及工艺 1 3 图2 1 0 浅槽隔离形成应变 金属硅化反应造成沟道应变一方面是因为金属硅化物与硅热膨胀系数的差 异，另一方面为晶格不匹配所产生的内部应力( i 枷n s i cs t r e s s ) t 1 4 1 。器件结构如图 2 1 1 所示。 图2 11 应用金属硅化层产生应变 接触孔刻蚀停止层以p e c v d ( p l a s m ae n h a n c e dc v d ) 淀积氮化硅为例，s i l l 、 n 2 b 与h e 的混合气体在5 5 0 - 6 0 0 。c 下反应，调整气体流量比、淀积压力与功率等相 关参数可以得到张应力或压缩应力的氮化硅膜，从而在沟道中产生应变【1 5 】，如图 2 1 2 所示。 i 彭勿杉黝 一一y 1 一 二享二 沟道 图2 1 2 应用氮化硅产生应变 锗硅嵌入式源漏是目前较受瞩目的局部应变的制作方式。其制作过程是在侧 壁( s i d e w a l ls p a e e r ) 形成后，刻蚀源漏区域的硅接着重新淀积锗硅，即器件源漏区 嵌入锗硅，利用锗硅较大的品格常数来压缩沟道区域而产生应变，如图2 1 3 所示。 1 4 应变硅c m o s 器件的自热效应与热载流子效应 沟道应变大小受到锗含量、锗硅外延层厚度、侧壁宽度以及源漏区与沟道距离等 因素的影响。这种方法产生的单轴压缩应变主要改善p m o s 特性【l6 1 。相关研究显 示使用锗硅嵌入式源漏后，因锗硅与沟道硅价带的不连续，使得沟道区域的能带 弯曲( e n e r g y b e n d i n g ) 较缓( 与硅源漏硅沟道情形比较) ，即源漏区影响沟道区域的 电场减小，所占栅极底下的耗尽区宽度较小，可有效地改善短沟道效应，抑制漏 致势垒降低( d 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 ) 效应。 图2 1 3 锗硅嵌入式漏源结构实现应变 2 2 2 双轴应变硅技术的原理分析 2 2 2 1 双轴应变硅的能带结构分析 对于没有应变的硅，其导带在能谷处于六重简并状态。如图2 1 4 所示。在双 轴应变硅中，应变对电子传输的主要影响源自导带的分裂。当应变硅生长在s i l x g e 上时，室温下，拉伸应变使得硅的六重简并能谷6 分裂成2 和4 两组。能量更低 的a 2 是二重简并，该能谷在垂直于异质结界面方向具有纵向质量( 1 0 n g i t u d i n a lm a s s ) 朋，= 0 9 8 m o ，在平行于异质结界面方向具有横向质量( t r a n s v e r s e m a s s ) = 0 1 9 m o 另一组能量更高的能谷4 为四重简并，并拥有垂直于界面的横向质量删。 非应变 应变 & 二： 图2 1 4 拉伸应变使得没有应变的硅的六重简并能谷6 分裂成2 和4 两组 第二章双轴应变硅c m o s 器件的结构及工艺 1 5 能量降低的二重简并能谷和能量升高的四重简并能谷之间的能量分裂值【1 7 】 为： 啦咖= 0 6 7 x ( e v ) ( 2 1 6 ) 对于没有应变的硅，价带顶位于k = o ，即在布里渊区的中心，能带是简并的。 价带顶附近有三个带，两个最高的带在k = o 处简并，能量表示式为： 础) = _ 芸2 k 2 + c 2 ( 砖+ 砖+ 哟一 ( 2 - 1 7 ) 下面的第三支带为自旋轨道耦合分裂出来的，能量表示式为： e ( k ) = 一一! 一a k 2 ( 2 - 1 8 ) m o 式中是自旋轨道耦合的分裂能量，常数a ，b ，c 由计算不能准确求出，需 要借助于回旋共振实验定出。 由式( 2 1 7 ) 看到，对于同一个k ，e ( 1 ( ) 可以有两个值，在k - - 0 处，能量表明硅有 两种不同有效质量的空穴。根式前取负号，得到有效质量较大的空穴，称为重空 穴，有效质量通常用( m 。) 表示；反之，如果取正号，则得到有效质量较小的空穴， 称为轻空穴，有效质量通常用( m 。) ，表示。式( 2 - 1 8 ) 表示的第三个能带，由于自旋一 轨作用，伎能量降低了，与以上两个能带分开，等能面接近于球面。对于硅， 约为o 0 4 e v ，给出第三种空穴有效质量( m 。) ，。由于这个能带离开价带顶，所以一 般只对前述两个能带感兴趣。 由前述可见，不考虑自旋轨道耦合，室温下，在没有应变的硅中，空穴占据 顶部的两个能带：重空穴带和轻空穴带，这两个带的等能面如图2 1 5 所示。 k 厂，、 fi 1 厂。、| 一。弋八l 、 重生穴 厂。 、 无应变双轴应变 图2 1 5 双轴应变引起的应变s i s i i x g e x 中的价带结构的变化 当施加应变时，使得价带r 点简并发生分裂： 娩s h 嘲h - ? = o 3 8 x ( e v ) ( 2 - 1 9 ) 1 6 应变硅c m o s 器件的自热效应与热载流子效应 同时能带发生扭曲，导致空穴有效质量具有高度的各向异性，而且原来单纯的轻、 重空穴带的能级发生混合，轻、重空穴带失去它们原有的意义。由于轻、重空穴 带发生分裂，故施加的应变越大，空穴占据最顶部的能带越多。一般可以近似认 为，双轴应变使得轻空穴带上升，重空穴带下降，空穴首先占据轻空穴带【l 引。同 时能带分裂降低了自旋轨道带的能量，使得带f s q ( i n t e r b a n d ) 和带i 为( i n t r a b a n d ) 散射 减小，从而提高了面内( i n p l a i l e ) 的空穴迁移率【1 8 】【1 9 1 。 2 2 2 2 双轴应变硅c m o s 器件迁移率增强机理 载流子的迁移率与电导率有效质量和散射几率有关，即 = 垩( 2 2 0 ) 他 谚为载流子的电导率有效质量( c o n d u c t i v i t ye f f e c t i v em a s s ) ，l 为散射率。由此可 见，降低电导率有效质量或者降低散射率都可以提高载流子迁移率。 标准( 0 0 1 ) 晶向的m o s 器件横截面如图2 1 6 所示，图中定义的衬底晶向为 ，沿着该方向垂直于沟道方向的平面称为面# l ( o u to fp l a n e ) ；沿着沟道方向 平行于界面方向的平面称为面i 勾( i n p l a n e ) 。 图2 1 6 标准 晶向的m o s f e t s 器件横截面示意图 从图2 1 4 可以看出，对于( o o d 圆片上制作的nm o s ，双轴应力导致，( 面外) 能谷和。( 面内) 能谷之间的简并消失，：能谷的能级相对于能谷的能级下移， 因此电子优先占据，能谷。对于没有应变的体硅n m o s ，沿沟道方向总的电子电导 率有效质量m 为： 班= 般+ 刮 p 2 ， 式中第一项为面外：能谷的贡献，第二项为。( 面内) 能谷的贡献。：能谷在 垂直于异质结界面方向具有纵向质量码= 0 9 8 m o ，在平行于异质结界面方向具有 横向质量朋= o 1 9 m o 。可以看出，相对于没有应变的情况，双