应变硅技术(原理部分).ppt

应变硅技术为何使用应变硅英特尔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%”。何为应变硅应变硅技术的分类双轴应变和单轴应变双轴应变和单轴应变 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。
异质结能带结构异质结能带结构应变硅MOSFET迁移率的增强机理应变硅中电子的输运特性对于生长在（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）。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（），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。
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。应变硅中空穴的输运特性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⊥。
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。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；
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。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。
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%。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。综述