（微电子学与固体电子学专业论文）应变硅mos器件的应变特性.pdf

摘要 摘要 近年来，应变硅( s t r a i n e ds i ) 技术由于在提高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。因此，通过工艺、材料、结构参数的优化 设计，研究半导体m o s 器件中应力、应变的控制有重要的科学意义和实用价值。 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。本文探索了运用有限元分析工具a n s y s 研究具有典型 s i g e 源漏结构的单轴应变硅m o s 器件和应变s i s i g e 结构的双轴应变硅m o s 器 件的应力应变分布情况和影响因素。首先介绍应力应变的关系，发现它们均只与 材料的杨氏模量和泊松比有关，确定了有限元软件a n s y s 的可行性，再利用会聚 束电子衍射( c b e d ) 测量获得的应变值与a n s y s 对单轴应变硅m o s 器件沟道 应变的计算结果进行了比较，发现能很好吻合，证明了有限元方法的可靠性。 建立单轴s i g e 源漏m o s 器件的二维模型后，根据s i g e 结构的杨氏模量和虚 拟热膨胀系数的不同，再对其均匀升温1 0 0 0 后，以模拟晶格结构的不匹配所带 来的应力应变，所得图形中应变的分布很有层次，能很好的说明器件沟道内应变 的分布。再逐步模拟了不同的g e 组分、源漏间距、源漏刻蚀深度和抬高高度对器 件的影响，分布绘制出它们与应变值的曲线趋势图，发现高的g e 组分、小的源漏 间距、深的刻蚀深度、高的抬高高度均可有效提高沟道内的应变值。 同样的，用有限元方法分析了双轴应变s i s i g e 结构m o s 器件内应变的分布 情况，建立双轴应变硅m o s 器件的二维模型后，采用与单轴器件同样的原理，分 析了锗组分、应变硅层厚度、弛豫s i g e 层厚度和器件宽度对器件的影响，也绘制 出它们与应变值的曲线趋势图，发现高的g e 组分、小的应变s i 层厚度、大的弛 豫s i g e 层厚度、小的器件宽度均可有效提高应变s i 层中的应变值。 关键词：应交硅m o s 器件有限元分析单轴应变双轴应变 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y , s t r a i n e ds it e c h n o l o g yh a sa t t r a c t e dw i d ea t t e n t i o nb e c a u s eo fi m p r o v i n g s i g n i f i c a n t l yt h em o sd e v i c e sp e r f o r m a n c e s f o re x a m p l e ，t h eh o l em o b i l i t yi np m o s a 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 yi n t r o d u c i n g a p p r o p r i a t ec o m p r e s s i v ea 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 u s ，t h r o u g ht h e o p t i m i z a t i o nd e s i g no f t h ep r o c e s s 、m a t e r i a la n ds t r u c t m a lp a r a m e t e r s ，i n v e s t i g a t i n gt h e i n f l u e n c eo fs t r e s sa n ds t r a i ni ns e m i c o n d u c t o rn a n o d e v i c e sh a si m p o r t a n ts c i e n t i f i c s i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e t h ea c c u r a t em e a s u r e m e n t so fl o c a lm i c r o - s t r e s sa n ds t r a i ni nu l t r ad e e p s 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 su s u a l l yr e s o r t t 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 s ，m e a s u r e m e n tm e t h o d s t h e r e f o r e ，t h i sp a p e re x p l o r e dt ou s et h ef i r f i t ee l e m e n t a n a l y s i st o o la n s y st or e s e a r c hs t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o n sa n di n f l u e n c i n gf a c t o r s f o rau n i a x i a ls t r a i n e d s im o sd e v i c ew i t l lt 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 da b i a x i a ls t r a i n e ds im o sd e v i c e 、砘t hs t r a i n e ds i s i g eh e t e r o s t r u c t u r e r e s p e c t i v e l y f i r s t l yt h e r ei n t r o d u c e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r e s sa n ds t r a i n , a n df o u n dt h e mo n l y r e l a t e dt ot h em a t e r i a ly o u n g sm o d u l u sa n dp o i s s o n sr a t i o ，v e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yb y u s i n ga n s y s b yc o m p a r e dt h es i m u l a t i o nr e s u l t si nt h eu n i a x i a ls t r a i n e ds im o s d e v i c eo b t a i n e db ya n s y sa n dt 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 t b e a me l e c t r o nd i f f r a c t i o n ( c b e d ) ，t h e r ef o u n dt h e mf i tv e r yw e l l ，a l s ov e r i f i e dt h e r e l i a b i l i t yb yu s i n ga n s y s a c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n c e so fy o u n g sm o d u l u sa n dt h ev i r t u a lt h e r m a le x p a n s i o n c o e f f i c i e n to fs i g es t r u c t u r e ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e dat w o d i m e n s i o n a lm o d e lo fu n i a x i a l s i g es o u r c e d r a i nm o sd e v i c e s ，a n dt h e ni n c r e a s e dau n i f o r mt e m p e r a t u r ei0 0 0 c ，t o s i m u l a t es t r e s sa n ds t r a i nc a u s e db yt h el a t t i c em i s m a t c h t h es t r a i ni nt h es i m u l a t i o n r e s u l t sc h a r t sh i e r a r c h i c a l l yd i s t r i b u t e d ，c a nw e l le x p l a i n e dt h ed i s t r i b u t i o no fs t r a i ni n t h ed e v i c ec h a n n e l s a n dt h e nt h i sp a p e rr e s p e c t i v e l ys i m u l a t e dg ec o m p o s i t i o n , s o u r c e a n dd r a i ns p a c i n g ，s o u r c ea n dd r a i ne t c hd e p t ha n dt h ee l e v a t e dh e i g h to nt h ei m p a c to f t h ed e v i c e ，m a p p i n go u tt h e i rs t r a i nc u r v et r e n d s ，f o u n dt h a th i g h e rg ec o m p o s i t i o n , s m a l l e rs o u r c ea n dd r a i ns p a c i n g ，d e e p e re t c hd e p t ha n dh i g h e re l e v a t i o nh e i g h tc a n e f f e c t i v e l yr a i s e dt h ec h a n n e ls t r a i n s i m i l a r l y , u s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ed i s t r i b u t i o n so f s t r a i ni nab i a x i a ls t r a i n e dm o sd e v i c ew i t ht h es i s i g es t r u c t u r e ，e s t a b l i s h e da 应变硅m o s 器件的应变特性 t w o d i m e n s i o n a lm o d e l ，u s e dt h es a m ep r i n c i p l eo ft h eu n i a x i a ld e v i c e ，a n a l y z e dg e c o m p o s i t i o n , t h i c k n e s so fs t r a i n e ds il a y e r , t h i c k n e s so fr e l a x e ds i g el a y e ra n dd e v i c e w i d t ho nt h ei m p a c to ft h ed e v i c e ，m a p p i n go u tt h e i rs t r a i nc u r v et r e n d s ，f o u n dt h a t h i g h e rg ec o m p o s i t i o n ，s m a l l e rt h i c k n e s so fs t r a i n e ds il a y e r , l a r g e rt h i c k n e s so fr e l a x e d s i g el a y e r , s m a l l e rd e v i c ew i d t hc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v e dt h es t r a i ni ns t r a i n e ds il a y e r k e y w o r d s ：s t r a i n e ds i m o s f e tf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i su n i a x i a ls t r a i n b i a x i a ls t r a i n 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 导师的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作了明确的 说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切法律责任。 本人签名： 弛：场日期：卫：! ：! 西安电子科技大学 关于使用授权的声明 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。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。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： 导师签名： 日期：翌! ! ：! ：11 日期：? 纠t # 培 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 从第一个晶体管的发明到超大规模集成电路的出现，硅基半导体工艺取得了 一系列的重大突破，传统的s ic m o s 技术以其低功耗、低噪声、高输入阻抗、高 集成度、可靠性好等优点在集成电路领域占据着主导地位并按照摩尔定律不断的 向前发展【l j 。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 或者是显示出 完全替代s ic m o s 的潜力。 此外，硅基c m o s 电路还受到迁移率不匹配的影响，在s i 材料中，空穴迁 移率仅仅是电子迁移率的1 3 左右。为了使n m o s 和p m o s 的驱动电流基本一致， 必须增大p m o s 器件的宽长比，这样会使电路的速度和集成度都受到一定影响， 降低了电路的整体性能。为了解决这个问题，最有效的办法就是改善沟道材料的 导电性，提高其空穴迁移率。因此当器件尺寸缩小达到极限时，研究新的器件结 构与材料就成为继续提高m o s f e t 性能的新途径。 应变硅技术通过利用材料s i 和g e 之间4 2 的晶格差异来发挥作用的，能大 幅提高空穴和电子迁移率，并增强跨导和驱动电流，同时应变硅技术与传统体硅 工艺是兼容的，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， 此外，应变硅m o s 器件还具有抗辐射能力强、低温下性能优良等特点。 据报道，利用现有硅生产线制造出的应变硅m o s f e t 与同尺寸体s im o s f e t 相比，功耗减小三分之一，速度提高3 0 ，特征频率提高5 0 以上，功耗延迟积 仅为后者的1 5 到1 6 ，器件的封装密度提高5 0 。i b m 微电子研究部门长期研 究结果表明，应变硅、s i g e 与广泛使用的传统s im o s f e t 技术兼容，和其他化 合物材料相比，应变硅m o s 器件更容易实现与s i 基电路的集成，使设备更为小 巧，生产成本相对比较低廉，生产过程更为简化。而且，应变硅技术比g a a s 可 靠性更高，不会因发热过多导致设备不稳定。 正是由于上述的优点，自九十年代以来，应变硅技术一直受到国际上的广泛 重视，应变硅m o s 器件及电路已成为目前最活跃的热门研究领域之一。 2应变硅m o s 器件的应变特性 1 2 国内外研究发展状况 早在上世纪八十年代，由于外延生长技术的发展，科学家们就发现了许多 s i g e s i 异质结构的特性。1 9 8 4 年，p e o p l e 等a t 2 发现了调制掺杂应变研。蚰g ，。中 的二维空穴气( 2 d h g ) ，而在1 9 8 5 年，慕尼黑工业大学的a b s t r e i t e r 等人【3 j 证实了 弛豫硅锗层上生长的伸张应变硅层能导致能带分裂( t y p e i i 型) ，从而形成电子势 阱，形成二维电子气( 2 d e g ) ，随后又证实了导带六重简并分裂为低能量的二重 简并( a 2 ) 和高能量的四重简并( 4 ) 。 1 9 9 2 年，f i t z g e r a l d 发现了用锗组分渐变弛豫生长的方式生长弛豫硅锗层，表 面缺陷密度减小到1 0 8 c m - 2 至0 1 0 l o c m 2 之间，使得4 k2 d e g 迁移率提高到了1 7 0 0 0 0 c m 2 n s 【4 】。在1 9 9 2 年的i e d m 上，斯坦福大学的一个科研组发表了关于长沟道应变 s in m o s f e t 的论文，他们研制的表面沟应变s in m o s f e t 的电子迁移率比体s i 的可 以高出7 0 左右【5 1 。1 9 9 3 年u c l a 的n a y a k 等人首次报道了应变硅p m o s f e t s 的空 穴迁移率提高，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s i 0 7 5 g e o - 2 5 虚拟衬底上生 长的应变硅p m o s f e t s 的空穴迁移率提高t 5 0 t 6 。1 9 9 8 年c u r r i e 等人使锗组分渐 变到了纯锗含量并首次利用化学机械抛光( c ) 技术降低了表面粗糙度来减少 弛豫缓冲s i g e 的位错密度 7 1 。 进入2 1 世纪以后，应变s i 器件的新结构新技术和理论研究工作都有了大幅度的 进步。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 ， 即绝缘体上应变硅) 的n m o s 与p m o s t 引。同年h o c k 等人提出了双异质结应变硅结 构，在弛豫s 垴2 g e o 4 8 上生长应变s i o 1 7 g e 0 8 3 并覆盖5 n m 厚的应变硅层，p m o s f e t s 沟道在应变硅锗层中形成，使p m o s f e t s 性能提升了4 5 倍例，证实了埋沟和表面 沟应变硅m o s f e t s 均能有效提升载流子迁移率。2 0 0 1 年，i b m 、m i t 和t o s h i b a 三家公司的研究人员用s i m o x 技术制备出了s g o i ( s i g eo ni n s u l a t o r ，绝缘层上硅 锗) b 0 l ，并首次提出了锗浓缩技术。2 0 0 2 年8 月，i n t e l 宣布将9 0 n m 与应变s i 技术结 合用于新的产品中【l l 】，同年的s y m p o s i mo nv l s it e c h n o l o g y 上，来自i b m 的r i m 【1 2 j 运用s a l i c i d e ( s e l f - a l i g n e ds i l i c i d et e c h n o l o g y ，自对准硅化技术) 以及h a l o 技术使n m o s 的漏电流大约能提高1 5 ，而p m o s 也能提高7 - 1 0 左右。2 0 0 3 年 的s y m p o s i u mo nv l s it e c h n o l o g y _ l a m d 的科学家们运用n i - - s i l i c i d e d 栅来制备应 变s in m o s 器件，该结构的器件具有3 5 n m 栅长，其饱和漏电流大约能提高4 5 b 3 】。 2 0 0 4 年，h s y a n g 等人【1 4 】在m o s f e t 表面淀积s i n 薄膜并采用d s l ( d u a ls t r e s s l i n e r ，双应力衬垫技术) 技术制各应变硅器件，使得n m o s f e t 和p m o s f e t 的有 效驱动电流分别增加1 5 和3 2 ，饱和驱动电流分别增加l l 和2 0 。2 0 0 5 年i e d m 第一章绪论 上i n t e l 公开了运用全硅化n i s i 栅( n i s i - - f u s i ) 与单轴应变s i 技术的c m o s 器件1 1 5 】。 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 薄膜应变不能充分加载这一问题的解决方法【1 6 1 ，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 膜的特点是虽 为薄膜却能够保持l 1 0 g p a 的高压缩应变特性，介电常数也比s i n 低，为2 7 3 8 。 应用于8 0 n m 栅长的p m o s 场效应管，器件饱和电流显著改善。2 0 0 9 年w e n k u a n y e h 【l7 j 等人对采用c e s l ( c o n t a c te t c hs t o pl a y e r ，接触刻蚀停止层) 结构的f u s i 栅 s o im o s 器件进行了较为细致的研究。 鉴于应力和应变对载流子迁移率和器件性能显著改善的重要性，各种理论分 析、实验测量和软件模拟手段都用于研究应变硅器件。2 0 0 2 年z u b i a 等人【l8 】为分析 应变s i s i g e 异质结构的应变，分别将s i 和s i g e 层的应变与其晶格常数建立联系， 即假设应变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。2 0 0 3 年，y i n 等人【l9 】分别探讨7 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【2 0 】使用m a r c 有限元软件建立s i o 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 l j 使用有限元软件a n s y s 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的不同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，发现模拟和实验的结果差异不大。类似地，“u 等人瞄l 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。y e e c h i ay e o 等人【2 3 】 也采用有限元方法对s i g e 源漏的应变硅器件进行了研究。 国内在应变s “s i g e 技术研究方面相对比较落后，开展研究的主要是一些高 等院校和科研院所，如清华大学、复旦大学、中科院半导体所、上海微系统所等。 清华大学微电子所主要做s i g e 材料生长以及s i g eh b t 、探测器和s i g em o s f e t 器件特性的研究，自行研制u h v c v ds i g e 外延设备s g e 4 0 0 ，试制成功0 5 r t m 工艺s i g ep m o s f e t 和n m o s f e t ，其跨导分别为l1 0 m s m m 和2 9 0 m s m m 。西 安电子科技大学、成都电子科技大学、中电集团二十四所合作对s i g e 材料生长， s i g eh b t 、s i g em o s f e t 器件和电路进行研究。上海微系统所主要研究s g o i 新材料的制备，发展拥有自主知识产权的s i g e 和应变s i 技术，也取得了重要进 展。复旦大学主要进行材料和器件结构的理论分析，并且已经做了很多基础理论 方面的研究。其它学校或单位对s i g e 器件也有一定的研究，如北京大学、北京工 业大学和北京理工大学等。浙江大学硅材料国家重点实验室在用于应变s i 的s i g e 4应变硅m o s 器件的应变特性 缓冲层的u h v c v d 制备方面也有相关的文献报道。清华大学也有u h v c v d 制 备s i g e 缓冲层方面的报道。 总体而言，国内的研究课题基本上都局限于应变硅的机理、材料生长、s i g e h b t 、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 论文的主要研究工作和内容 应变硅材料、结构和器件是探索后s i 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，本文首先介绍了应变硅技术的优点和在工业上的应用，并简 要回顾了应变硅技术的发展历程；其次研究了应变硅技术的物理特性，探讨了 s i g e 晶格结构，并研究了载流子迁移率增强的主要物理机制，并对各种应力引入 方法进行了介绍。重点研究了有限元软件a n s y s 对单轴和双轴应变硅器件应变 分布的研究，发现一些结构参数对应变应力的影响。 基于上述分析，本论文各章内容具体安排如下： 第一章简要介绍了应变硅研究背景，综述应变硅m o s 器件的研究发展状况， 概述了本文主要工作的目的、意义以及内容。 第二章分析了应变s i 材料的晶格常数、能带结构，分析载流子增强的机理、 应力引入方法。 第三章分析了单轴应变硅m o s 器件的有限元法的模拟研究，应用有限元分 析软件a n s y s 对其沟道内应变分布进行了分析仿真，发现s i g e 源漏区的g e 摩 尔组分、源漏间距、刻蚀深度、抬高高度均会对沟道应变产生影响。 第四章分析了双轴应变硅m o s 器件的有限元法的模拟研究，应用有限元分 析软件a n s y s 分析应变s i 层和弛豫s i g e 层中应变的分布，发现双轴m o s 器件 中g e 组分、应变s i 层厚度、弛豫s i g e 层厚度、器件宽度均会对对应变s i 层和 s i g e 层中应变分布的影响。 第五章总结了本文的工作和结论以及需进一步深入研究和改善的工作。 第二章应变硅器件的物理特性 第二章应变硅器件的物理特性 在近代半导体技术领域中最早开发和广泛使用的半导体材料是锗( g e ) ，因 为相对来说它比较容易提纯和制备出完整的单晶体，后来随着材料制备技术和器 件工艺技术的进步，半导体硅( s i ) 越来越受到人们的重视，特别是硅平面工艺 发展起来以后，在微电子领域内几乎有完全取代锗材料的趋势。现在广泛应用的 大、中、小规模集成电路，绝大多数都是采用硅材料来制造的。然而锗材料也具 有它固有的特点和优势，例如其载流子迁移率要比硅高，因此，把锗和硅熔合形 成s i g e 合金来使用时，就既可提高载流子的迁移率( s i g e 合金中存在有应变的 情况) ，又可发挥s i 工艺的长处。 而应变硅则是在s i g e 技术上发展起来的一种新的半导体材料，它具有一些 s i g e 所不具备的优良物理特性，例如与s i o ，界面的缺陷比较少，不会产生合金散 射等。因此，当集成电路进入9 0 r i m 领域之后，为了解决器件尺寸不断缩小带来 的种种问题，应变硅材料越来越受到各国研究机构的广泛重视，针对应变硅基本 物理特性的研究也随之不断深入。 2 1 应变硅材料晶格结构分析 应变硅一般通过硅中掺入一部分锗来引入应力，由于锗原子比硅原子大，即 锗的晶格常数比硅的晶格常数大，在硅中掺入一部分锗后形成硅锗结构，原子之 间距离比单纯硅原子之间距离大，在上面外延生长一层很薄的硅帽层后，利用原 子相互间总是趋于成行排列的性质，扩展硅材料原子间的距离，使之在平行面上 被拉伸，上面的硅原子直接和衬底相匹配，因此硅外延层中的原子之间存在张应 力。整个过程如图2 1 所示。 9 譬o ；o ：訾oo u uuu u ：； s i g e 蜘，：； s ic r 声t a l圈圈 2 1 应变硅的应变示意图 t e 盥i l e 6应变硅m o s 器件的应变特性 首先从s i 、g e 材料的晶格结构分析，s i 和g e 的单晶均为金刚石型立方晶体 结构，其中s i 的晶格常数为0 5 4 3 1 n m ，而g e 的晶格常数为0 5 6 5 8a m ， 所以g e 的晶格常数比s i 大4 2 。而且s i 和g e 能以任意比例形成甄一，g e x 固溶 体，其称为弛豫踊一，呶或体配一，g e x ，x 可在0 1 之间任意取值，这种固溶体类 似合金，而非化合物。均匀参杂时，合金的晶格常数可采用线性插值的方法近似 为： 一，嗷= ( 1 一x ) 。+ x 。p ( 2 1 ) 其理论上遵从v e g a r d 定贝t j t 2 4 j ，即 口两。嚷- - 0 5 4 31 + 0 2 0 0 3 2 6 x + 0 0 2 3 2 7 x 2 ( r i m ) ( 2 - 2 ) 然其实测值如下所示【2 5 】： q a = 0 5 4 3 1 + 0 0 1 9 9 2 x + 0 0 0 0 2 7 3 3 x 2 ( r n n ) ( 2 3 ) 两种不同材料形成异质结时可用“晶格失配 来描述其晶格常数的差别，其 定义为： 厶删= 旦凸( 2 4 ) “ a l 和a 2 分别为两种材料的晶格常数，a 为两种材料的晶格常数平均值。g e s i 的失配 率为4 1 8 ，则m 一，g e x s i 的常温下失配率为： 厶删= 亟正鱼= 4 1 8 x ( 2 5 ) 咯 其中x 为s i g e 中g e 的组分。 由于材料的热膨胀系数不同，失配率在不同温度也不同。对于常温失配小而 高温失配大的晶格，如果冷却过快，高温下形成的许多错位会冻结下来。而对于 高温失配小而常温失配大的异质结，快速冷却会使位错数目减小，但在室温下将 产生很大的应力。s i g e s i 的失配率随温度的升高只有微弱的增加，故上述问题在 工艺中的影响不大。 另应变硅外延层中应力。的计算由下列公式得到： 仃：- 2 矾删岩 ( 2 6 ) u l 其中e 、v 分别为材料的弹性模量和泊松比。对于应变s i 弛豫品。g e x 结构，g e 的 组分x 越大，失配应变就越大，在应变硅层中引入的应力也就越大。 第二章应变硅器件的物理特性 2 2 应变硅材料能带结构分析 2 2 1 应变硅导带结构分析 u n s t r a i n e ds is t r a j n e d &( ： ( a )瞄 图2 2 应变硅的六重简并能谷分裂示意图 7 一 对于没有应变的硅，其导带在能谷处于六重简并状态。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。当应变硅生长在弛豫的蹦一。g e x 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，如图2 2 所示。能量 更低的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= 0 9 8 m o ， 在平行于异质结界面方向具有横向质量m t = 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佩。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丝。衲为： = 0 6 7 x ( e v ) ( 2 - 7 ) 式中x 为弛豫龋一，g e x 衬底的g e 组分，如图2 3 所示。从能量的角度来说，电子 优先占据能量更低的二重简并能谷。 应变硅 吣 、 、 匕= 6 7 书 ， m l m i 图2 3 应变s i 导带能级分裂示意图 庸变硅m o s 器件的应变特性 2 22 应变硅价带结构分析 对于没有应变的硅，在常温状态下，普通的硅材料价带顶附近有三个能带 分别为轻空穴带，重空穴带和自旋轨道能带。价带顶位于 = 0 ，即在布里渊区的 中心，若计入自旋，价带为六度简并。计算指出，如果考虑自旋一轨道耦台，可 以取锅部分简并，分为两支得到一组四度简并的状态和另一组二度简并的状态。 两个最高的带在女：0 处简并即四度简并的，能量表达式为【2 6 】： 耻) = 一尝j b t 2 扫2 女2 + c2 0 ：女；+ t ；砖+ 女；砖” c - 8 ) o 下面的第三支带为自旋轨道耦台分裂出来的，能量表示式为： l ) - 一一a k 2 ( 2 9 ) z 肌n 式中是自旋一轨道耦合的分裂能量常数a 、b 、c 不能通过理论准确计算求出， 需要借助于回旋麸振实验铡出。 式( 2 8 ) 所代表的等能面具有扭曲的形状，称为扭曲面。由式( 2 8 ) 看到， 对于同一个渡矢k ，e ( k ) 可以有两个值，在k = o 处，能量重合，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，即为重空穴，有效质 量通常用洄。) 表示：反之，如果取正号，则得到有效质量较的空穴，为轻空穴， 有效质量通常用( 肼。) ，表示，如m 24 。 重烹赶 轻空穴 图24 硅的价带结构和轻、重空穴等能面 式( 2 9 ) 表示的第三个能带，由于自旋一轨道耦合作用，使能量降低了 与以上两个能带分开，等能面接近于球面。对于硅，约为00 4 e v ，给出第三种空 穴有效质量( 珊。) ，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。 第二章应变硅器件的物理特性 当引入应力之后，价带的简并被解除，分裂为三个不同的子能带，此时原有 轻、重空穴带的e 船建系也将发生变化，重空穴带的曲率半径减小基本和轻空穴 带相一致。子能带间的能量间隔由应力的大小决定，在不同的应力作用下，价带 产生的形变也有所不同。此时，各子能带中的空穴有效质量普遍降低，并呈现各 向异性，而空穴在价带中的浓度分布由子能带间的能量差所决定。通过计算各子 能带的空穴有效质量和浓度，即可得到平均空穴有效质量，但这个过程通常十分 复杂，需要运用k p 微扰法，详细的计算过程在m vf i 乳h e t t i 和s e l a u x 的论文【2 7 1 中有具体介绍。图2 5 给出了在几种常见的应力作用下( 双轴应变，( 1 0 0 ) 晶面和 ( 1 1 0 ) 晶面的单轴压应变) 的价带结构和空穴等能面。 0 0 ，单轴应力( ”0 ) 单轴l 力职轴应力 霹t ，二p 尜_ ，1 芗口 i 、 重王冗 谚 图25 应变硅价带结构和轻、重空穴等能面 由前述可见，不考虑自旋一轨道耦合 据顶部的两个能带；重空穴带和轻空穴带 生分裂，能量分裂值可用下式表示： 室温下，在没有应变的硅中，空穴占 当施加应变时，使得价带r 点简并发 a 巨l - h 蝴= o3 8 x 扣叼 其中x 是弛豫两一，。中的g e 组分摩尔百分数 。- 、一6 7 l h 石 图26 应变s i 价带能带分离示意图 ( 2 - 1 0 ) 0应蹙硅m o s 器件的席变特性 同时能带发生扭曲，导致空穴有效质量变成高度的各向异性，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，空穴占据最硕部的能带越多。一般可以 近似认为，双轴张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，如图2 6 。同时能带分裂降低了自旋一轨道带的能量，使得带间和带内散射减 小，从而提高了面内( i n p l a s l e ) 的空穴迁移率。 2 23 双轴应变硅m o s 器件迁移率的增强机理 载流子的迁移率u 与电导率有效质量和散射几率有关，即： p ；罢( 2 1 1 ) 戚为载流子的电导率有效质量，咖为散射几率。由此可见，降低电导率有教质 量或者降低散射几率都可以提高载瀛子迁移率。 标准( 0 0 1 ) 晶向的m o s 器件横截面如图27 所示，图中定义了衬底晶向 ，沿着该方向垂直于沟道方向的平面称为面外( o u to f p l a n e ) ；沿着沟道向 平行于界面方向的平面称为面内( i np l a n e ) 。 图27 标准( o o d 晶向的m o s f e t s 器件横截面示意图 曲双轴应变硅n m o s 器件电子迁移率的增强机理 对于( 0 0 1 ) 圆片上制作的n m o s 器件，双轴应力导致& ( 面外) 能谷和4 ( 面 内) 能谷之间的简井消失，2 能谷的能级相对于4 能谷的能级下移因此电子优 先占据2 能谷。对没有应变的体硅n m o s 器件，沿沟道方向总的电子电导率有效质 量卅为： m = b ( 音伽。 第二章应变硅器件的物理特性 式中第一项为面外2 能谷的贡献；第二项为面内乱能谷的贡献。2 能谷在垂直于异 质结界面方向具有纵向质量= 0 9 8 m o ，在平行于异质结界面方向具有横向质量 巩= 0 1 9 m o 。可以看出，相对于没有应变的情况，双轴应变硅n m o s 器件中，更 多的电子占据2 能谷，意味着有更多的具有面内横向有效质量( 巩= 0 1 9 m o ) 和 面外纵向有效质量( 巩= 0 9 8 m o ) 的电子，面内电导率有效质量减小，面外电导 率有效质量增加。因此沿沟道方向电导率有效质量减小，迁移率增加，并且2 与4 的能量差越大，载流子在这两组能谷上的浓度之差就越显著，平均电导有效质量 也就越小，迁移率增加也越明显。 电子有效质量的减小仅仅是迁移率提高的原因之一，除此之外，电子散射几 率的降低也是十分重要的因素。对于反型层迁移率来说，在室温下，声子散射是 主要的本征的散射机制。由于导带简并的解除，2 和纽之间产生了能量分裂， 导致2 和厶的谷间声子散射几率减小了，从而使迁移率得到提高。虽然这其中 的关系很难用定量的解析式来加以描述，但很多实验都表明，应力越大，能谷间 能量分裂越显著，迁移率提高的幅度就越大。如图2 8 ，显示了当k - - 0 时能带分 裂与应力的关系，随着应力的加强，能级分裂明显增加，特别是在1 g p a 之后1 2 引。 图2 8 能带分裂与应力的关系 所以仅考虑受声子散射限制的反型层2 d e g 迁移率，相对于体硅m o s 器件，双 轴应变硅m o s 器件的电子迁移率增强可以归结于两个因素：一个因素是由于应变 引起能带分裂，谷间声子散射受到抑制，尤其是声子吸收过程的抑制；另一个因 素是四重简并能谷的占据率降低，导致平均传导质量减小。 当然，电子迁移率并不能随着所加应变的增大而一直增加，实际上，当应力 应变增大到某个值时，电子迁移率增强将达到饱和，电子迁移率的最大增强因子 大约为2 。这主要是因为此时几乎全部的导带电子都在能量较低的2 能谷，再增加 应力应变值也不能对电子分布产生多大影响，有效质量降到极限，并且能谷分裂 9，囊u!善矗客藿m 1 2应变硅m o s 器件的应变特性 已经足够大，使谷间散射几乎被完全抑制，因此迁移率将达到饱和。对于生长在 弛豫s i g e 衬底上的应变硅来说，当衬底中的g e 含量为2 0 ，即两组能谷间的能量 差达n o 1 5 e v 时，迁移率增加的幅度就趋于饱和，此时即使再增加衬底的g e 含量， 迁移率也不会得到明显的改善。不但如此，当弛豫衬底中g e 含量大于4 0 时，迁 移率反而可能降低，这是由于随着s i g e 中g e 含量的增高，晶格失配将会越来越严 重，在s i g e 应变硅界面将会产生大量的位错缺陷，这些缺陷将俘获电子成为带电 中心，对电子的运动造成库仑散射，从而降低迁移率，使器件性能恶化。 b ) 双轴应变硅p m o s 器件空穴迁移率的增强机理 通过前面对应变硅价带结构的分析知道，在应变硅中原来简并的轻空穴带和 重空穴带发生分裂，轻空穴带能量变低，空穴优先占据轻空穴带，引起空穴的电 导率有效质量降低，空穴的迁移率增大。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