应变硅技术(原理部分)(特制材料)

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与双轴张应力正好相反,单轴压应力作用下的 LH 具有 较大的 m⊥ ,HH 具有较小的 m⊥ 。
因此,在双轴张应力 PMOSFET中,由于反型层势阱的 作用,LH和HH的能量将产生不同程度的减小,由于LH 的 m⊥小于HH的m⊥,所以LH 的能量减小量∆ELH将大于HH的 能量减小量∆EHH 。
SiGe材料,这样沿着沟道方向引入单轴压应力。
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双轴应变和单轴应变
硅基CMOS电路还受到迁移率不匹配的影响,在Si材料 中,空穴迁移率仅仅是电子迁移率的1/3左右。然而,双 轴应力使得 pMOS器件性能的提高仍然远低于 nMOS器件 性能的提高。这种性能提高上的差异以及双轴应力器件结 构需要采用SiGe衬底的缺陷使得双轴应力工艺在 CMOS集 成电路中的应用受到限制。
p
q p
mp
其中τ是载流子运动的平均自由时间,它是散射几率p的倒 数,m*为运动方向上的有效质量。应力增强载流子迁移 率主要通过两个途径:减小有效质量,降低散射几率。
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应变硅中电子的输运特性
在普通的体硅材料中,导带由六个简并能谷构成
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 ml和 m。t 设
应变硅技术
小组成员: 陈杰 夏淑淳 陈若愚 梅鑫涛 李爽 徐会宾
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为பைடு நூலகம்使用应变硅
目前,以CMOS器件等比例缩小为动力的硅集成电路技 术已迈入纳米尺度,并将继续保持对摩尔定律的追求,进一 步缩小器件尺寸,以满足芯片微型化、高密度化、高速化和 系统集成化的要求。
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1nm,关态漏电、功耗密度增大、迁移率退化等物理 极限使器件性能恶化,等比例缩小技术面临越来越严峻的挑 战。
这种能带称之为Ⅰ型量子阱。SiGe薄膜的价带突变量明
显,与之相比导带突变量非常小,因此这种结构比较适
用于P型MOSFET。
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异质结能带结构
第二类能带调整:体Si0.7Ge 0.3 (弛豫)上的应变Si
应变Si与弛豫SiGe层相比,既有大的导带突变量,又有大
的价带突变量,电子势阱和空穴势阱处在不同的层中,导
要进一步等比例缩小,必须采用新技术来提高晶体管 性能。
为此,IC制造采用了许多新技术,如铜互联、低k绝缘 层、高k栅介质、SOI以及应变硅等。
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其中一个重要方面就是采取措施提高沟道内载流子
迁移率,以弥补沟道高掺杂引起库仑相互作用,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。目前,得到广泛应用的是应变硅(Strained Silicon)技术。
在MOSFET沟道里形成应变的方式很多,可通 过工艺步骤、材料上自然晶格常数的差异以及封 装等方式来实现。
从应变的作用面积可分为全局应变(又称双轴 应变)与局部应变(又称单轴应变)。
根据施加的应力种类可分为张应变与压应变。 在SiGe衬底上生长Si层,形成张应变;在Si衬底上 生长SiGe层,形成压应变。
英特尔Process Architecture and Integration经理
Mark Bohr曾经非常形象地描述:“只需将硅原子拉长1%
就可以将MOS晶体管电流速度提高10%~20%,而应变硅
的生产成本只增加2%”。
据报道,利用现有硅生产线制造出的应变硅
MOSFET与同尺寸体Si MOSFET相比,功耗减小三分之 一,速度提高30%,特征频率提高50%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50%。
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反型层势阱子能带在单轴压应力和双轴张应力作用下的能量分布
对于双轴张应力作用下的应变硅PMOSFET 来说,∆ELH 的减小一方面将导致LH中空穴浓度的降低,使反型层中空 穴的平均电导有效质量增大,另一方面,还会使子带间的 散射几率增加。这些将使迁移率产生一定程度的降低,外 加栅压越大,迁移率的降低幅度越明显;
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双轴应变和单轴应变
双轴应变或称全局应变,是指在整个圆片都进行生长 应变硅层,不同的沟道位置具相同的应力大小和方向。
单轴应变即是局部应变,是指通过一些技术仅在沟道 处引入应力的方法。
下图显示了两种应力器件的结构。 图(a) 是双轴张应力器件的结构示意图,应变 Si层外延生长在弛豫
SiGe衬底上,由于两种材料的晶格失配,在Si层中产生双轴张应力。 图 (b)是单轴压应力器件的结构示意图,器件源漏区是外延生长的
轻、重空穴能带之间的能量差被加大,通过增大各价带子能带之
间的能量差,使得带间和带内散射减小,从而提高了面内的空穴迁
移率。
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与电子不同的是,应变硅中空穴的迁移率不仅与应力大 小有关,并且与应力方式也有极其紧密的联系。
对于电子来说,单轴应力和双轴应力对迁移率影响的差 异并不明显。
对于空穴来说,特别是当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。
MOSFET导电沟道沿[100]方向,其电导有效质量可写成:
1
mc
1
6
2 ml
4 mt
ml 0.98m0 mt 0.19m0
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mc 0.26m0
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对于生长在(001)晶面的应变硅MOSFET来说, 由于张应力的作用,原有的六重简并能谷(Δ6)的 简并被解除,分为两组:两个能量降低的二重简并 能谷(Δ2)沿与沟道垂直的轴向;四个能量升高的 四重简并能谷(Δ4),沿与沟道平行的轴向。低能 谷与高能谷之间能量差的经验值为0.6xeV(x为锗含 量)。
上图为普通的硅晶元架构,右为采用应变硅技术的硅晶元架构,可
以看出通过强迫硅晶格稍作伸展可以提高晶体管的宽度。
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异质结能带结构
第一类能带调整:体Si (弛豫)上的应变 Si0.7Ge 0.3
Si1-xGex,薄膜淀积在Si衬底上,薄膜在平行于衬底方向 受到压应力。此时电子势阱和空穴势阱都处在SiGe层中,
此外,由于能谷的分裂,减小了Δ2和Δ4谷间声子散射 几率,电子散射几率下降,这也会造成电子迁移率的 增加。
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在普通硅MOSFET中,Δ2和Δ4之间存在一定的能量差, 但在栅压比较小时,这个能量差并不是很显著。在应变硅 MOSFET中,即使栅压很小,由于应力的作用,Δ2和Δ4 之间也存在较大的能量差。所以,谷间散射减小,提高了 电子的迁移率。
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何为应变硅
所谓的应变硅简单来说就是指一层仅有几纳米厚度的超 薄应变层,利用应变硅代替原来的高纯硅制造晶体管内部 的通道,如此一来,可以让晶体管内的原子距离拉长,从 而实现单位长度上原子数目减少的目的。当电子通过这些 区域时所遇到的阻力就会减少,从而提高了晶体管性能。
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应变硅技术的分类
与之相反,单轴压应力作用下的应变硅 PMOSFET 则不 会受到能量量子化分布的影响。能量的量子化分布还会增 强单轴压应力的作用,使LH与HH能量差进一步增大,在 一定程度上使迁移率得到提高。
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不同的应变类型和方向对迁移率的影响是不一样的。 对电子而言,通过能谷分裂,增加△2 谷的电子分布,许多压 力类型都可以增强电子迁移率:如沟道平面内双轴和单轴张应 力、平面外单轴压应力。 对空穴而言,沿沟道方向的单轴压应力对空穴迁移率的提升 效果最好。下表总结了各个方向上能增强迁移率的应力类型, 如果采用相反的应力类型,则会使迁移率退化。不同方向的应 变增强迁移率效果差异也较大。
因此,双轴应力已越来越不能适应集成电路发展的需要 ,单轴应力逐渐成为应变硅技术的主流。
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价带中的子能带的能量与垂直于沟道的有效质量m⊥直 接相关: m⊥越大,能级间的能量差越明显。
对于应变硅 MOSFET 中的空穴而言,有效质量 m⊥由应 力的作用方式决定。
在双轴张应力的作用下,轻空穴带(LH)具有较小的 m⊥,重空穴带(HH)具有较大的 m⊥ 。
对PMOS而言,为了提高载流子的迁移率需要在沟道中 引入压应力而对NMOS而言,需要引入张应力。采用“局 部”应力方法可以采用不同的技术在P管和N管分别引入它 们所需要的应力,同时提高NMOS管和PMOS管的载流子的 迁移率。
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双轴应变硅晶格结构
在弛豫的 Si1xGex衬底上淀积硅薄膜时,由于Si的晶格常 数小于 Si1合xGe金x 的晶格常数,Si/SiGe薄膜中存在晶格失配, Si薄膜在平行衬底的方向受到张应力,晶格被拉伸从而形 成应变Si层。
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应变硅中空穴的输运特性
体硅材料中只有一个价带顶,轻、重空穴带都在此发生简并,空
穴的电导迁移率主要受重空穴的影响;当施加应变时,使得价带Γ
点简并发生分裂。
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,平均电导有效质量降低,其迁移率将得到较大提高。同时能
带分裂降低了自旋-轨道带的能量。
应变硅MOSFET反型层中的导带等能面与能量分裂示意图
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由于Δ2的能量较低,被电子占据的几率较大,且其等 能面的轴向垂直于导电沟道,电子的电导的面内有效
质量为 m(t mt 0.19m)0 ,所以应变硅MOSFET沟道中
电子的平均电导有效质量比体硅MOSFET的要小,并 且Δ2与Δ4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 率降低。
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综述
通过以上分析,应变 Si COMS器件中应变硅层的电子和空 穴迁移率明显高于普通的无应变硅材料,其中以电子迁移 率提高尤为显著,这对高速高频器件来说是至关重要的。
通过应变硅技术,可以更多地提升空穴迁移率,电子和空 穴的迁移率更加匹配,CMOS电路中 NMOS和 PMOS器件的 尺寸比将得到改善。
另外,如果采用应变硅材料则不但可以在基本不增加投资 的情况下使生产出来的Si COMS IC 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 Si生产线的使用年 限。
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但是,迁移率不能无限增大,当应力增大到某个值时,
迁移率增强将达到饱和。如图所示分别为应变硅基
MOSFET的电子迁移率和空穴迁移率变化曲线。
图中可以发现载流子迁移率的提高于硅锗衬底的锗含
量有强烈的依赖关系。电子迁移率在锗含量达到15%左右
时基本达到饱和值,迁移率提高70%。空穴迁移率在锗含
量达到30%左右时基本达到饱和,迁移率提高150%。
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电子迁移率达到饱和,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。
而且,当弛豫衬底中Ge含量大于40%时,迁移率反而可 能降低,这是由于随着SiGe中Ge含量的增高,晶格失配将 会越来越严重,在SiGe/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。
带突变量处于应变硅中,价带突变量集中于锗硅层,形成
Ⅱ型量子阱。Ⅱ型量子阱由于导带和价带的能带的突变量
都比较大,电子和空穴的迁移率都有所增强,因而应变
Si/SiGe在CMOS工艺中既可课做程知N识型也可做P型器件。
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应变硅MOSFET迁移率的增强机理
迁移率增强的物理解释:
电子迁移率:
n
q n
mn
空穴迁移率:
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