应变硅技术(原理部分)

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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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）。
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
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工艺中既可做AN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
m
n
空穴迁移率： p
q p
m
p
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，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和 m 。t 设
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
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。
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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。
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。
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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为何使用应变硅
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。
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。
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
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
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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
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。
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， 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
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 Si1xGe合x 金的晶格常数，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。