应变硅技术原理部分VIP免费

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。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。英特尔ProcessArchitectureandIntegration经理MarkBohr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%”。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(StrainedSilicon)技术。据报道，利用现有硅生产线制造出的应变硅MOSFET与同尺寸体SiMOSFET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%。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。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。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。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SiGe材料，这样沿着沟道方向引入单轴压应力。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。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。在弛豫的衬底上淀积硅薄膜时，由于Si的晶格常数小于合金的晶格常数，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。双轴应变硅晶格结构1xxSiGe1xxSiGe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。异质结能带结构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。第一类能带调整：体Si(弛豫)上的应变Si0.7Ge0.3异质结能带结构应变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...