应变硅技术(原理部分)ppt课件
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集成电路制造工艺-应变硅技术
应变硅技术
高速化是集成芯片制造的重要技术指标，它可通过减小集成芯片的尺 寸提高工作速度，也可通过其它措施提高工作速度，如：提高沟道载流子 的迁移率，其中应变硅技术是应用广泛的技术手段。据报道，采用应变硅 技术的MOSFET与同尺寸的体Si MOSFET相比，功耗减少三分之一，速度 提高30%，特征频率提高50%以上，器件的封装密度提高50%。
第一模块
应变硅技术简介
干法刻蚀类型及特点
应变硅技术
应变硅技术是指通过应变材料产生应力，并把应力引
1
向器件的沟道，改变沟道中硅材料的导带或价带的能带结构，
从而减小能带谷内、谷间的散射率以及载流子在沟道方向上
2
的有效质量，达到提高载流子迁移率和器件工作速度的目的。
应变硅技术简介 应力的分类
应力可分为张应力和压应力，它们对电子和空穴迁移率的影响不同。
双轴应变
单轴应变
应变-弛豫缓冲层结构应变结构
源漏端嵌入应变材料技术
绝缘层上应变结构
应力记忆技术
1
......
接触刻蚀阻挡层应变技术
浅槽隔离技术
2
......
源漏端嵌入应变材料技术是用应变材料做MOSFET的源漏端，如用SiGe和SiC分别作pMOS 和nMOS的源漏材料。
应变硅技术简介 SiGe应变力的产生
NW
PW
Si-sub
1
NW
PW
2
Si-sub
源漏嵌入SiC和SiGe应变技术
源漏嵌入SiC和SiGe制备CMOS工艺过程
4. 选择性刻蚀Si衬底，在源漏区的位置形成 凹槽。
5. 通过循环多次CVD淀积和多次湿法刻蚀 ，在nMOS的源漏区凹槽位置选择性地外延 生长单晶态的SiC薄膜，同时进行磷掺杂， 形成n型的SiC源漏区。
高速化是集成芯片制造的重要技术指标，它可通过减小集成芯片的尺 寸提高工作速度，也可通过其它措施提高工作速度，如：提高沟道载流子 的迁移率，其中应变硅技术是应用广泛的技术手段。据报道，采用应变硅 技术的MOSFET与同尺寸的体Si MOSFET相比，功耗减少三分之一，速度 提高30%，特征频率提高50%以上，器件的封装密度提高50%。
第一模块
应变硅技术简介
干法刻蚀类型及特点
应变硅技术
应变硅技术是指通过应变材料产生应力，并把应力引
1
向器件的沟道，改变沟道中硅材料的导带或价带的能带结构，
从而减小能带谷内、谷间的散射率以及载流子在沟道方向上
2
的有效质量，达到提高载流子迁移率和器件工作速度的目的。
应变硅技术简介 应力的分类
应力可分为张应力和压应力，它们对电子和空穴迁移率的影响不同。
双轴应变
单轴应变
应变-弛豫缓冲层结构应变结构
源漏端嵌入应变材料技术
绝缘层上应变结构
应力记忆技术
1
......
接触刻蚀阻挡层应变技术
浅槽隔离技术
2
......
源漏端嵌入应变材料技术是用应变材料做MOSFET的源漏端，如用SiGe和SiC分别作pMOS 和nMOS的源漏材料。
应变硅技术简介 SiGe应变力的产生
NW
PW
Si-sub
1
NW
PW
2
Si-sub
源漏嵌入SiC和SiGe应变技术
源漏嵌入SiC和SiGe制备CMOS工艺过程
4. 选择性刻蚀Si衬底，在源漏区的位置形成 凹槽。
5. 通过循环多次CVD淀积和多次湿法刻蚀 ，在nMOS的源漏区凹槽位置选择性地外延 生长单晶态的SiC薄膜，同时进行磷掺杂， 形成n型的SiC源漏区。
硅的性质及有关半导体基础理论PPT课件
性重复排列而成。相邻原子间距上有几个Å的数量级，例如硅单晶的晶格 常数为5.43072Å ，可以算出硅每立方厘米体积内有5×1022个硅原子。原 子间最短距离为2.351Å 。(埃米(Angstrom 或ANG或Å)是晶体学、原子 物理、超显微结构等常用的长度单位，音译为"埃"，10的负10次方米， 纳米的十分之一。)
3、晶体具有一定的溶解度，在某一个严格固定的温度下溶 解而变成液体状态。
9
以上晶体的各种性质，都可以用晶体结构的特点加以解释，晶体内部 结构排列很有秩序，构成晶体的各种粒子：原子、离子、分子，形成规 则的、有规律的、周期性的空间点阵。这类点阵是三组平面相交而成。 其中每一组都是由很多彼此平行等距离的平面组成。
24
• 由于半导体的Eg比较小，所以在一定温度下具有能量较大的电子就越 过禁带进入导带。使原来空着的导带有了电子，而且在价带中也出现 了一些电子的空位，这样导带中的电子和价带中的电子，在外电场的 作用下，都可作定向运动。因此，半导体在一定的温度下具有导电性。
16
*对于绝缘体而言，价电子紧密地局限在其原子轨道，无法导电。 *对于具有金刚石结构的硅，每个原子与邻近四个原子构成键合。
Z
+4
X
金刚石晶格中四面体结构
+4
+4
+4
Y
+4
在金刚石二维空间 结构的键合情况
17
上面已讲述硅原子的最外层轨道具有四个价电子。它可以与四个临近原子 分享其价电子，所以这样的一对分享价电子即成为共价键。 在室温下这些共价电子被局限在共价键上。在较高温度热振动可能打断共 价键。当一个共价键被打断时，就释放出一个自由电子参与导电行为， 因此，本征半导体在室温下的电性就如同绝缘体一样，但在高温下就如 同导体一样具有高导电性。 每当半导体释放出一个价电子时，便会在共价键上留下一个空穴（见图 2），这个空穴可能被邻近的价电子所填补，导致空穴的不断移动。因 此我们可以把空穴看作为类似于电子的一粒子，空穴带着正电，且在施 加电场之下，朝与电子相反的方向运动。
3、晶体具有一定的溶解度，在某一个严格固定的温度下溶 解而变成液体状态。
9
以上晶体的各种性质，都可以用晶体结构的特点加以解释，晶体内部 结构排列很有秩序，构成晶体的各种粒子：原子、离子、分子，形成规 则的、有规律的、周期性的空间点阵。这类点阵是三组平面相交而成。 其中每一组都是由很多彼此平行等距离的平面组成。
24
• 由于半导体的Eg比较小，所以在一定温度下具有能量较大的电子就越 过禁带进入导带。使原来空着的导带有了电子，而且在价带中也出现 了一些电子的空位，这样导带中的电子和价带中的电子，在外电场的 作用下，都可作定向运动。因此，半导体在一定的温度下具有导电性。
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*对于绝缘体而言，价电子紧密地局限在其原子轨道，无法导电。 *对于具有金刚石结构的硅，每个原子与邻近四个原子构成键合。
Z
+4
X
金刚石晶格中四面体结构
+4
+4
+4
Y
+4
在金刚石二维空间 结构的键合情况
17
上面已讲述硅原子的最外层轨道具有四个价电子。它可以与四个临近原子 分享其价电子，所以这样的一对分享价电子即成为共价键。 在室温下这些共价电子被局限在共价键上。在较高温度热振动可能打断共 价键。当一个共价键被打断时，就释放出一个自由电子参与导电行为， 因此，本征半导体在室温下的电性就如同绝缘体一样，但在高温下就如 同导体一样具有高导电性。 每当半导体释放出一个价电子时，便会在共价键上留下一个空穴（见图 2），这个空穴可能被邻近的价电子所填补，导致空穴的不断移动。因 此我们可以把空穴看作为类似于电子的一粒子，空穴带着正电，且在施 加电场之下，朝与电子相反的方向运动。
有机硅化学反应PPT课件(2024版)
2.1有机氯硅烷单体
有机氢硅烷：三氯氢硅
工业上三氯氢硅的制备主要采用干燥的氯化氢气体氯 化粗硅粉或者硅合金的方法，其反应方程式如下：
Si + 3HCl = SiHCl3 （83%）+ H2 Si + 4HCl = SiCl4 （17%）+ 2H2 由于该反应是放热反应且需要的反应温度较高，因此 反应时相当复杂的，除了生成三氯氢硅以外，还有四氯 化硅以及各种氯硅烷生成。
28
2.1有机氯硅烷单体
4. 再分配法（歧化法）
再分配法：连接于同一个或不同硅原子上的 基团相互交换，实现基团的再分配。 如：Me3SiCl+MeSiCl3 → 2Me2SiCl2
29
2.1有机氯硅烷单体
5. 直接法
1941年，罗乔（Rochow）首先提出了直接法 合成有机氯硅烷。
直接法：卤代烃与元素硅直接反应制取有机 卤硅烷的方法。
16
我国有机硅的发展
2013国内有机硅单体厂家年产能统计（2013-12-23 ） 【全球有机硅网讯】：
新安化工：30万吨/年（28） 浙江合盛：18万吨/年 山东东岳：20万吨/年 浙江中天：8万吨/年 浙江恒业成：25万吨/年 四川硅峰：3万吨/年 山东鲁西：6万吨/年 合计：221万吨/年
蓝星星火：20万吨/年 唐山三友：10万吨/年 江苏弘博：10万吨/年 张家港基地：40万吨/年 山东金岭：15万吨/年 山西三佳：8万吨/年 湖北兴发：8万吨/年
二甲基二氯硅烷的分子式：
(CH3)2SiCl2 (或Me2SiCl2) 分子量：129.06 沸点：70.2℃
熔点：-76℃
d420： 1.0637 nD20： 1.4055 毒性： LC50. 930ppm/4H
电阻应变式传感器的工作原理PPT课件可编辑全文
图为 应变片敏感栅半
圆弧部分的形状。沿 轴向应变为ε，沿横向 应变为εr 。
θ
dθ
dl
20丝21绕式应变片敏感栅半圆弧形部分
若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴
向应变ε作用下，全部纵栅的变形视为ΔL1
ΔL1= n lε 半圆弧横栅同时受到ε和εr的作用，在任一微小段长度 d l = r dθ上的应变εθ可由材料力学公式求得
1 2r1 2rco 2s
每个圆弧形横栅的变形量Δl为
l 0 rd l0 rd 2 r r
纵栅为n根的应变片共有n-1个半圆弧横栅，全部横栅
的变形量为 L2n20 212 1rr
应变片敏感栅的总变形为
L L 1 L 2 2 n 2 n l 1 r n 2 1 rr
敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则 电阻相对变化为
2021
2.箔式应变片 它是利用照相制版或光刻技术将厚约0.003～0.01mm的金
属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。 优点：①.可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅长l可 做0.2mm，以适应不同的测量要求；②.与被测件粘贴结面积 大； ③.散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏 度； ④.横向效应小。
中给出了为1/10和1/20时δ的数值。
误差δ的计算结果
l
δ（%）
1/10
1.62
1/20
0.52
2021
由表可知，应变片栅长与正弦应变波的波长之比愈
小，相对误差δ愈小。当选中的应变片栅长为应变波长
的（1/10~1/20）时，δ将小于2%。
因为
f
式中 υ——应变波在试件中的传播速度； f——应变片的可测频率。
硅ppt课件正式.ppt
Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3 ↓
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
H2SiO3 + 2NaOH == Na2SiO3 + 2H2O (H2SiO3 + 2OH- == SiO3 2-+ 2H2O) 用H2CO3也可制得H2SiO3 ，可证明H2SiO3 的酸 性比H2CO3弱。 Na2SiO3 + H2O + CO2 == Na2CO3 + H2SiO3↓ （SiO32- + H2O + CO2== CO32- + H2SiO3 ↓ ）
（2）在加热或高温下可以与Cl2、 O2、C等反应。
Si + O2 = SiO2
Si+2Cl2 = SiCl4
高温
Si+C = SiC
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
三、化学性质 最外层四个电子， 不易得、也不易失电子， 主要形成 +4 价化合物。
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
(1) 可做光导纤维。 (2) 沙子是基本的建筑材料。 (3) 可做石英坩埚、石英钟、石英表、
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
H2SiO3 + 2NaOH == Na2SiO3 + 2H2O (H2SiO3 + 2OH- == SiO3 2-+ 2H2O) 用H2CO3也可制得H2SiO3 ，可证明H2SiO3 的酸 性比H2CO3弱。 Na2SiO3 + H2O + CO2 == Na2CO3 + H2SiO3↓ （SiO32- + H2O + CO2== CO32- + H2SiO3 ↓ ）
（2）在加热或高温下可以与Cl2、 O2、C等反应。
Si + O2 = SiO2
Si+2Cl2 = SiCl4
高温
Si+C = SiC
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
三、化学性质 最外层四个电子， 不易得、也不易失电子， 主要形成 +4 价化合物。
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
(1) 可做光导纤维。 (2) 沙子是基本的建筑材料。 (3) 可做石英坩埚、石英钟、石英表、
太阳能电池硅工作原理62ppt课件PPT39页
硅原子
+4
空穴
+4
硼原子
+4
电子空穴对
空穴
+4 +4
P型半导体
－ － －－
+3 +4
－ － －－
－ － －－
+4 +4
受主离子
多数载流子—— 空穴 少数载流子——自由电子
杂质半导体的示意图
多子—空穴
多子—电子
P型半导体
N型半导体
－ － －－
++ + +
－ － －－
++ + +
－ － －－
++ + +
一个能级也表示电子的一种运动状态
一种元素的化学性质和物理性质是由其原子结 构决定的，其中外层电子的数目起着最为重要 的作用。
习惯上把外层电子称为价电子，一个原子有几个 外层电子就称它为几价。
硅（Si）是第四族元素，称为４价元素； 硼（B）、铝、镓、铟为３价元素； 氮、磷（P）、砷为５价元素。
自由电子产生的 同时，在其原来的共 价键中就出现了一个 空位，称为空穴。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
+4
+4
空穴
+4
电子空穴对
可见本征激发同时产生
电子空穴对。
+4
+4
外加能量越高（温度
越高），产生的电子空
穴对越多。
与本征激发相反的
+4 +4
现象——复合
自由电子
+4 +4
在一定温度下，本征激 发和复合同时进行，达 到动态平衡。电子空穴 对的浓度一定。
双应力应变硅技术
随着器件特征尺寸越来越小，电路的速度越来越快，硅器件内部pn 结之间以及器件与器件之间通过衬底的相互作用(如形成寄生MOS 管等)越来越严重，出现了一系列涉及材料、器件物理、器件结构和工艺技术等方面的新问题，使得0.1 μ m 以下硅集成电路的集成度、可靠性以及性价比受到影响。尤其是当IC 芯片特征尺寸的加工迈入纳米尺度，单个晶体管尺寸达到物理极限后，晶体管就难以再按照以往的速度发展下去，而必须采用新的技术来提高晶体管的性能。
为此，IBM和AMD联合推出了DSL技术。
三、DSL 技术
DSL是英文Dual Stress Liner 的缩写，意思是双应力衬底技术。
DSL技术的典型工艺流程为：生长硅化物→沉积张应力Si3N4→反应离子刻蚀PFET 中Si3N4→沉积压应力Si3N4→反应离子刻蚀NFET中Si3N4→制备ILD和接触。也可以先沉积压应力的Si3N4，后沉积张应力的Si3N4，并分别进行刻蚀而形成。
因此，在不断提高数字电路速度的道路上，由于单个晶体管尺寸物理极限的限制，仅仅依靠芯片的不断微型化是不够的，必须寻找新的方法来提高晶体管的性能，其中一个重要方面就是采取措施提高MOS器件的开关速度。微处理器芯片的开关速度( 响应频率) 与载流子迁移率有关，而载流子迁移的快慢与栅极的宽度和材料的密度有关。为此，人们将研究重点放在两个方面：一是降低栅极的宽度，目前Intel 已经将栅极宽度压缩到接近原子量级的水平，在90nm 微处理器工艺中，MOS 管的栅极宽度低于2nm；二是在栅极材料方面采用应变硅技术。那么，什么是应变硅技术？ 它有何特点？应用情况怎样？为此，本文对这些问题进行简要介绍与分析。
微电子技术的发展一直沿着两个方向在进行，一是不断扩大晶圆尺寸，从100 → 125 → 150 → 200→ 300mm，并向400mm 过渡, 以提高芯片产量和降低芯片成本；二是不断缩小芯片特征尺寸，从1 μm→ 0.8μm→ 0.5μm→ 0.35 μm→ 0.25μm→ 0.18 μ m→ 0.13 μ m→ 90nm → 65nm，并正向30nm 和22nm迈进，以满足芯片微型化、高密度化、高速化、高可靠化和系统集成化的要求。从2004 年起IC 芯片特征尺寸的加工迈入了纳米尺度。这两个方向的不断发展，使全球半导体行业一直沿着摩尔定律在进行。
应变硅技术(原理部分)ppt课件
14
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。
15
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。
应变硅MOSFET反型层中的导带等能面与能量分裂示意图
13
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。 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。
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mhh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lhm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
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。
8
异质结能带结构
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。
15
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。
应变硅MOSFET反型层中的导带等能面与能量分裂示意图
13
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。 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。
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mhh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lhm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
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。
8
异质结能带结构
《集成电路制造工艺与工程应用》第一章课件
d) 功耗和散热成为限制芯片性能的瓶颈， 限制了NMOS工艺技术在超大规模集成电路的应用。（集成
度不断提高，每颗芯片可能含有上万门器件） 。
VDD
(a)NMOS反相器 (b)NMOS或非门 (c)NMOS与非门
VDD
VDD
输入
输出
A
B
VSS （a）
VSS
VSS
（b）
A 输出
B
输出
VSS
（c）
6
多晶硅栅工艺技术
NMOS和PMOS阈值电压的调节问题。
15
《集成电路制造工艺与工程应用》讲义 2018/09/28
栅极金属硅化物和漏端轻掺杂结构工艺技术
随着MOS器件的特征尺寸缩小到亚微米阶段： 1. 多晶硅栅的缺点： 电阻率高，严重影响了MOS器件的高频特性。（厚度3KÅ的多晶硅的方块电阻高达
36ohm/sq。 ） 2. 金属硅化物（polycide）：
输出 PNP
p+
n+
Rp
n+
p+
p+
Rn P-sub
(a)
n+ NW Rp
输出 NPN
VSS (b)
输入
输出
Hale Waihona Puke VSS8SOS CMOS集成电路和硅CMOS集成电路
蓝宝石（Silicon-on-Sapphire SOS）是通过 外延生长技术把硅生长在蓝宝石上，SOS CMOS工艺集成电路被应用在人造卫星和导 弹等军事电子领域。
3. 20世纪60年代之前集成电路基本是双极型工艺集成电路，20世纪70年代NMOS和CMOS工艺集成电路 开始在逻辑运算领域逐步取代双极型工艺集成电路的统治地位。
应变计知识简介入厂培训ppt课件
GB GB-A GB-B GB-C FG FG-A FG-B FG-C
FB FB-A FD GD HA HA-A HA-B HA-C KA 可用 于点 焊点 KA-B KA-C KB KA
应变计知识介绍
4.2应用
敏感栅结构形状包括敏感栅的形状、数 目和方向，横栅尺寸，焊端的形状及分布， 敏感栅的横向宽度等，可分为单轴应变计， 多轴应变计和复式应变计。
应变计知识介绍
应变计基础知识
1.1 应变计的工作原理、典型结构、术语及分类 1.1.1 应变计的工作原理 应变效应——导体或半导体材料在外界力的作用下产生机 械变形时，其电阻值相应发生变化。
应变计知识介绍
L R S L L
求R的 全微分
R L S R L S
应变计知识介绍
复式应变计
复式应变计是在同一基底上将多个敏感栅排列 成所需形状，且连接电路回路，它主要用于传感器
制造。如圆膜片（KA）、FG、EB等，其中KA主
要用于压力、压强的测量。
应变计知识介绍
多轴应变计
多轴应变计又称应变花，在同一基底上有两个
或两个以上敏感栅排列成不同方向，用于测定测点
主应力和主应力方向。另有排列在同一方向的多个
应变计知识介绍
三栅应变花
主要是测量主应力方向未知的面应力或点应力。 一般情况下，在需要确定应力的材料上，粘贴应变 片来测量三个方向的应力或应变，通过特定的计算 公式来计算其应力大小和应力方向，三轴互相夹角 有45º ，60º 或120º 等。主要结构型式有“BA” ﹑“CA” ﹑“CC” ﹑“CA—K” ﹑“CD—K” ﹑“BC” “CB”四种，其中“BA”、“CA”、“CC”用于测量 平面应力，“BC”“CB”用于测量点应力，“CA— K”“CD—K”用于测量残余应力。
硅基应变与SOI技术-21世纪的硅集成电路技术(1)
SOI技术
1、SIMOX（注氧隔离）技术
• SIMOX：Separation by Implanted Oxygen • 1978年，日本人Izumi等人首先报道了将“O+” 注入硅 中，在硅薄膜下380nm处形成了210nm 厚的SiO2层。 • 优点：表面硅层和埋层 二氧化硅厚度可精细控 制；与现行集成电路工 艺匹配较好。 • 缺点：缺陷密度较高。
SOI的应用
• （1）高端产品0.25至0.18mm及以下的微外理器 等高端产品； • （2）抗辐照、高温、高压器件等高性能电路； • （3）光电子，微机械等应用。
SOI技术
发展历史
• 1963年，Joyce等人报道了在石英单晶上 外延淀积硅膜。 • 1964年，Manasevit和Simpson首先报道了 在蓝宝石上外延生长单晶硅--SOS。 • 1965年，Manasevit和Forbest报道了尖晶 石上外延硅膜。
SOI技术
SIMOX技术的重要工艺参数
• • • 氧离子注入剂量：2X1018 cm-2； 注入温度：600-650℃； 退火参数：1300-1350 ℃，6h。
SIMOX技术的不足
• 注入及退火时间太长： 注入30 min；退火6 h。 • 超高温退火：超过1300℃
SOI技术
2、SDB/BSOI/BESOI—硅片直接键合
硅基应变与SOI技术 -21世纪的硅集成电路技术
西安电子科技大学 微电子学院· 14081 戴显英 2011.4.2
集成电路的应用
摩尔定律（Moore’s Law） -微电子发展的规律
• 1964年Intel合作创始人Gorden Moore首次提出；
摩尔定律
• 价格保持不变的情况下晶体管数每12月翻一番， 1980s后 下降为每18月翻一番； • 最小特征尺寸每3年减小70%；
电阻应变计的原理及使用ppt课件优选全文
应变花
基底材料分：
纸基应变计 胶基应变计 金属基（高温应变片类型之一） 临时基底（高温应变片类型之一）
Hale Waihona Puke 安装方式：粘贴式， 焊接式， 喷涂式， 埋入式
电阻值：
市售金属电阻应变片的电阻值已趋于标准化， 主要规格有60Ω、120Ω、350Ω、600Ω和 1000Ω等，其中120Ω用得最多。
2.3 应变片的工作特性
（一）电阻丝的应变效应
定 义：
（W.Thomas）金属丝（大部分）受到 拉伸（或缩短）时，电阻值会增大（或 减小），这种电阻值随变形发生变化的 物理现象------电阻应变效应
规律
：在一定的变形范围内电阻值的相对变化（电阻变
化率）与其长度的相对变化（应变）之间保持线性
半导体应变片
半导体应变片的敏感栅为半导 体，灵敏系数高，用数字欧姆 表就能测出它的电阻变化，可 作为高灵敏度传感器的敏感元 件。
几何尺寸变化引起的电阻变化远小于由材
料电阻率变化引起的电阻变化，前者可忽
略不计，可得
△R R
L E
从而可得半导体应变片灵敏度系数为
KS=πＬE
最突出优点
半导体应变片的最突出优点是灵敏度大，Ｓ 可达60～150，
场,核辐射等。 5 自动化程度高,可以实现遥控测量
将应变仪与计算机结合,可以实现图 形显示,磁带记录,多点测量,自动打印。 6 制造多种传感器（载荷、扭距、压 力、加速度）
（六）、缺点
1 单点测量
一片电阻应变片只能测定构件表面上一点的 某个方向的应变 ; 并且只代表栅长范围内的平均应变。 2 应变片一般只能测量构件表面的应力应变, 3对结构三维应力测量很难进行。 4 尽管应变片很小,但对应力集中的测量,仍无 法精确。
人教版化学必修一《无机非金属材料的主角——硅》教学教学课件
1、 二氧化硅（SiO2)
SiO2是最重要的化合物。地球 上存在的天然二氧化硅约占地 壳含量的12%，其存在形式有 结晶形和无定形两大类，通称 为硅石。
人教版化学必修一《无机非金属材料 的主角— — 硅》教学 课件p p t
人教版化学必修一《无机非金属材料 的主角— — 硅》教学 课件p p 的主角— — 硅》教学 课件p p t
（5）用途
物质的性质决定用途，SiO2有哪些用途呢？
人教版化学必修一《无机非金属材料 的主角— — 硅》教学 课件p p t
人教版化学必修一《无机非金属材料 的主角— — 硅》教学 课件p p t
SiO2的用途
人教版化学必修一《无机非金属材料 的主角— — 硅》教学 课件p p t
现象：溶液变红，加入盐酸后生成 胶状沉淀。
人教版化学必修一《无机非金属材料 的主角— — 硅》教学 课件p p t
人教版化学必修一《无机非金属材料 的主角— — 硅》教学 课件p p t
（2）性质：
①白色胶状，难溶。 ②弱酸性（酸性 H2SiO3 < H2CO3） 不能使指示剂变色。 ③ 脱水形成硅胶。硅胶多孔，吸附 水分能力强，常用作实验室和袋装食 品等的干燥剂，也可用作催化剂的载 体。
因为硅和碳一样,其原子既不易失去又不易 得到电子,主要形成四价的化合物。所以常 温下，碳、硅单质的化学性质不活泼。
人教版化学必修一《无机非金属材料 的主角— — 硅》教学 课件p p t
人教版化学必修一《无机非金属材料 的主角— — 硅》教学 课件p p t
思考2: 自然界有无游离态的碳？
自然界有无游离态的硅？
人教版化学必修一《无机非金属材料 的主角— — 硅》教学 课件p p t
本节总结 一、二氧化硅和硅酸
SiO2是最重要的化合物。地球 上存在的天然二氧化硅约占地 壳含量的12%，其存在形式有 结晶形和无定形两大类，通称 为硅石。
人教版化学必修一《无机非金属材料 的主角— — 硅》教学 课件p p t
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（5）用途
物质的性质决定用途，SiO2有哪些用途呢？
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SiO2的用途
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现象：溶液变红，加入盐酸后生成 胶状沉淀。
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（2）性质：
①白色胶状，难溶。 ②弱酸性（酸性 H2SiO3 < H2CO3） 不能使指示剂变色。 ③ 脱水形成硅胶。硅胶多孔，吸附 水分能力强，常用作实验室和袋装食 品等的干燥剂，也可用作催化剂的载 体。
因为硅和碳一样,其原子既不易失去又不易 得到电子,主要形成四价的化合物。所以常 温下，碳、硅单质的化学性质不活泼。
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思考2: 自然界有无游离态的碳？
自然界有无游离态的硅？
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本节总结 一、二氧化硅和硅酸
有机硅知识讲座 ppt课件
4
ppt课件
有机硅聚合物示意式
R2 R4 R6
R8
R1-Si-O-(Si-O)n(Si-O)m-Si-R10
R3 R5 R7
R9
Rn是-CH3、-C6H5 、 -Vi 、-Et 、 -H、-OH、
-OR、-C6H4-Cl、-OSi-O~、-R”等有机基
R可以相同可以不同;R”是改性基团
5
ppt课件
13
ppt课件
中国三大有机硅单体厂
序 建设厂 现有能力 新建 合计
号
万t/a
万t/a 万t/a
备注
1 星新材料 7→10
10
20 2006年完成
2 新安股份 6.5→9 10
19 预计2年完成
3 吉化公司
5
10 15 计划项目
4 梅兰公司
2.5 2.5
5 镇江宏达
6
6 联合几家下游厂
6 浙江嘉兴
6
6
社会游资
合计
14
24
44.5 68.5
ppt课件
四.有机硅聚合物的物理性能
耐热性好: 250℃轻微裂解,硅氧键350℃开始断裂 电性能好: 介电常数和介质损耗低.体积电阻和击穿强度高.燃烧
后仍然形成绝缘层
憎水性和耐潮湿性好
θ
>90º 憎水性好,< 90º 憎水性差
硅油400℃ 硅油100℃
鼎立局面,聚合物品种有1000个(市场流通500个).
8
ppt课件
著名有机硅生产厂
美国 DC、GE、UCC、斯托夫瓦克尔 德国 拜耳、瓦克尔 法国 罗地亚 英国 帝国化学 日本 信越、东芝、东丽 俄国 顿高夫 中国 星火化工厂(大)、上海树脂厂(老)、吉化、晨光
无机非金属材料的主角-硅PPT课件
2、硅酸盐组成表示
活泼金属氧化物·较活泼金属氧化物·SiO2·H2O
硅酸钠（Na2SiO3)
Na2O ·SiO2
镁橄榄石（Mg2SiO4） 2MgO ·SiO2
钙沸石Ca(Al2Si3O10) ·3H2O
CaO ·Al2O3 ·3SiO2·3H2O
K(Al3Si3O10)(OH)2 K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O
四、硅酸盐
是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。
结构复杂，一般不溶于水，化学性质很 稳定。
硅酸钠（Na2SiO3), 其水溶液俗称水 玻璃，是制备硅胶和木材防火剂等的原 料。
实验4-2
放入蒸馏水
放入Na2SiO3饱和溶液
现象
当水分蒸 发后燃烧
当水分蒸发后 不易燃烧
结论 用水玻璃浸泡过的木材或织物制可备防火木材防 火剂的原料
1、与氟气反应：
Si+2F2==SiF4 2、与氢氟酸反应：
Si+4HF==SiF4↑+2H2 ↑
3、与强碱溶液反应：
Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2 ↑ 4、与氯气反应：
Si+2Cl2=△=SiCl4 5、与氧气反应
Si+O2高=温=SiO2
晶5.体用硅途的导电性介于导体和半导体之间,
生产设备：水泥回转窑 主要成分：3CaO·SiO2
2CaO·SiO2 3CaO·Al2O3
具有特殊功能的含硅物质
1、碳化硅（SiC俗称金刚砂），具有金 刚石的结构。硬度很大，用作砂纸、砂 轮的磨料。
2、硅 钢
（铁合金）
导磁性良 好，用作 变压器铁 芯
3、硅橡胶
4、分子筛
硅外延生长PPT课件
3
第3页/共75页
4
第4页/共75页
5.2硅的气相外延
5－2－1硅外延生长用的原料
➢对外延片的质量要求：电阻率及其均匀性、厚 度及其均匀性、位错和层错密度等。
➢按照反应类型可分为氢气还原法和直接热分解 法。 氢还原法，利用氢气还原产生的硅在基片上进行 外延生长。
直接热分解法，利用热分解得到Si。
19
第19页/共75页
5－3－1外延层中的杂质及掺杂
• 1.外延层中的杂质
外延层中杂质来源很多，总的载流子浓度N总可以表示为： N总＝N衬底N气N邻片N扩散N基座N系统
N衬底：衬底中挥发出来的杂质掺入外延层中的杂质浓度分量 N气：外延层中来自混合气体的杂质浓度分量 N邻片：外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量 N扩散：衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量 N基座：来自基座的杂质浓度分量 N系统：除上述因素外整个生长系统引入的杂质浓度分量
24
第24页/共75页
4.采用低温外延技术和不含有卤原子的硅源。 5.采用二段外延生长技术 即先生长一段很短时间的外延层，然后停止供源， 只通氢气驱除贮存在停滞层中的杂质，再开始生长 第二段外延层，直到达到预定厚度
二：采用减压生长技术
• 使已蒸发到气相中的杂质尽量不再进入外延层 • 一般在1.3103～2104Pa的压力下进行。
28
第28页/共75页
5－4－1外延片的表面缺陷
• 云雾状表面 外延片表面呈乳白色条纹，在光亮处肉眼可以
看到。 一般由于氢气纯度低，含水过多，或气相抛 光浓度过大，生长温度太低等引起的。 • 角锥体：又称三角锥或乳突。形状像沙丘， 用肉眼可以看到。
29
第29页/共75页
雾状表面缺陷 ①雾圈
第3页/共75页
4
第4页/共75页
5.2硅的气相外延
5－2－1硅外延生长用的原料
➢对外延片的质量要求：电阻率及其均匀性、厚 度及其均匀性、位错和层错密度等。
➢按照反应类型可分为氢气还原法和直接热分解 法。 氢还原法，利用氢气还原产生的硅在基片上进行 外延生长。
直接热分解法，利用热分解得到Si。
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5－3－1外延层中的杂质及掺杂
• 1.外延层中的杂质
外延层中杂质来源很多，总的载流子浓度N总可以表示为： N总＝N衬底N气N邻片N扩散N基座N系统
N衬底：衬底中挥发出来的杂质掺入外延层中的杂质浓度分量 N气：外延层中来自混合气体的杂质浓度分量 N邻片：外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量 N扩散：衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量 N基座：来自基座的杂质浓度分量 N系统：除上述因素外整个生长系统引入的杂质浓度分量
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4.采用低温外延技术和不含有卤原子的硅源。 5.采用二段外延生长技术 即先生长一段很短时间的外延层，然后停止供源， 只通氢气驱除贮存在停滞层中的杂质，再开始生长 第二段外延层，直到达到预定厚度
二：采用减压生长技术
• 使已蒸发到气相中的杂质尽量不再进入外延层 • 一般在1.3103～2104Pa的压力下进行。
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5－4－1外延片的表面缺陷
• 云雾状表面 外延片表面呈乳白色条纹，在光亮处肉眼可以
看到。 一般由于氢气纯度低，含水过多，或气相抛 光浓度过大，生长温度太低等引起的。 • 角锥体：又称三角锥或乳突。形状像沙丘， 用肉眼可以看到。
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雾状表面缺陷 ①雾圈
应变电测技术PPT课件
优点
①非线性小，电阻的变化同应变成线性关系； ②应变片尺寸小（我国的应变片栅长最小达 0.178mm），重量轻（一般为0.1~0.2g），惯性小， 频率响应好，可测0-500kHz的动态应变。 ③测量范围广，一般测量范围为2×105~10-4量级的
微应变。 ④误差小，整个测量系统的误差可控制在1%以内。 ⑤可在各种复杂或恶劣的环境中进行测量。
第232页/共133页
（2）压力均匀作用于平膜片。
径向应力：
r
3p 8h 2
[R2(1
)
r2(3
)]
切向应力：
t
3p 8h 2
[R2(1
) r2(1 3)]
径向应变：
r
1 E
(
t )
3p(1 2)
8Eh2
( R 2 3r 2 )
切向应变：
t
1 E
( t
r )
3
p(1
8Eh2
2)
f
0
0.162h l2
E
式中，ρ—材料密度。
h↓→εx↑→f0↓
第187页/共133页
（2）变截面梁（等强度梁） ★突出优点：当作用力F正好作用于自由端三角
形顶角上时，梁上各处产生的应变大小相等，即实 现等强度 。
第198页/共133页
等强度梁各处的应变值：
6l Eb0 h3
F
自由端挠度：
y
6l 3 Eb0 h3
第第190页页//共共113333页页
基本要求有： 1）弹性滞后要小； 2）弹性模量的温度系数要小； 3）线膨胀系数要小且稳定； 4）弹性极限和强度极限要高； 5）具有良好的稳定性和耐腐蚀性； 6）具有良好的机械加工和热处理性能。
①非线性小，电阻的变化同应变成线性关系； ②应变片尺寸小（我国的应变片栅长最小达 0.178mm），重量轻（一般为0.1~0.2g），惯性小， 频率响应好，可测0-500kHz的动态应变。 ③测量范围广，一般测量范围为2×105~10-4量级的
微应变。 ④误差小，整个测量系统的误差可控制在1%以内。 ⑤可在各种复杂或恶劣的环境中进行测量。
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（2）压力均匀作用于平膜片。
径向应力：
r
3p 8h 2
[R2(1
)
r2(3
)]
切向应力：
t
3p 8h 2
[R2(1
) r2(1 3)]
径向应变：
r
1 E
(
t )
3p(1 2)
8Eh2
( R 2 3r 2 )
切向应变：
t
1 E
( t
r )
3
p(1
8Eh2
2)
f
0
0.162h l2
E
式中，ρ—材料密度。
h↓→εx↑→f0↓
第187页/共133页
（2）变截面梁（等强度梁） ★突出优点：当作用力F正好作用于自由端三角
形顶角上时，梁上各处产生的应变大小相等，即实 现等强度 。
第198页/共133页
等强度梁各处的应变值：
6l Eb0 h3
F
自由端挠度：
y
6l 3 Eb0 h3
第第190页页//共共113333页页
基本要求有： 1）弹性滞后要小； 2）弹性模量的温度系数要小； 3）线膨胀系数要小且稳定； 4）弹性极限和强度极限要高； 5）具有良好的稳定性和耐腐蚀性； 6）具有良好的机械加工和热处理性能。
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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
1
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。
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
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。
5
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。
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%。
11
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
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
mc 0.26m0
12
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）。
3
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。
4
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。
应变硅MOSFET反型层中的导带等能面与能量分裂示意图
13
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
要进一步等比例缩小，必须采用新技术来高晶体管 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。
2
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。
Si/SiGe在CMOS工艺中既可做N型也可做P型器件。
10
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：
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。
SiGe材料，这样沿着沟道方向引入单轴压应力。
6
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。
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。
8
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 用于P型MOSFET。
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。
7
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。
9
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
小组成员： 陈杰 夏淑淳 陈若愚 梅鑫涛 李爽 徐会宾
1
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。
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
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。
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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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
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
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）。
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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。
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
要进一步等比例缩小，必须采用新技术来高晶体管 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。
Si/SiGe在CMOS工艺中既可做N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：
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。
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。
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 用于P型MOSFET。
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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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