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《电子科技大学》 2010年
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硅基应变引入方法与MOS器件相关基础研究

杨洪东  
【摘要】:器件特征尺寸逐渐接近其物理极限,给Moore定律的延续带来了巨大的挑战和技术危机。其中,通过改变能带结构的应变Si技术已成为后Si时代提高器件性能而维持Moore定律的一种有效手段。为此,本文针对在Si晶体中引入应变的方法和应变与应力的相关性、应变增强MOS器件迁移率与应变硅材料生长诸相关基础进行了研究与探索。 首先,基于弹性力学知识,推导并给出了Si晶体在单轴和双轴应力作用下的应变与应力的关系与倒空间的相应变化,为应用线性形变势理论计算应变对能带结构的改变奠定了基础,为研究应变引入方法提供了理论参考,为研究引入应变的测试分析提供了理论依据。并据此与X射线衍射运动学相结合,已发展了表征引入到Si中的微应变和在Si局部引入微区应变的两种HRXRD测量方法。 其次,由第一性原理软件计算了Si在单轴、双轴应力作用下的能带结构,并通过曲率法计算了载流子相应的有效质量,分析了载流子有效质量与散射概率在应变作用下的变化,获得了应变Si载流子迁移率增强的机理,为应变Si器件设计提供了理论指导。同时,应用线性形变势理论导出了Si晶体分别在单轴与双轴应力作用下导带与价带的劈裂值,进而建立了电子迁移率μn与应变量ε″的关系模型。 再次,理论分析了氮化硅SiN盖帽层与浅槽隔离STI方法在Si晶体中引入局部应力的机理,应用上述表征方法,其实验测量结果显示,在膜厚较薄时,SiN盖帽层引入的本征应力起主要作用,随膜厚增加到临界特征厚度,本征应力增加变缓,并最终达到饱和;STI引入的应变量与版图几何尺寸有着紧密关系。进而,基于实验结果与上述Si晶体中应变与应力的关系,提出了一种不受尺寸限制的等效应变记忆方法。同时,通过设置Si缓冲层与多晶硅侧壁,已成功制备了表面粗糙度0.45nm、缺陷密度低于103cm-2的优质局部双轴压应变Si0.8Ge0.2材料,从而获得了一种可应用于PMOS的局部双轴压应变引入方法。 最后,根据螺位错形成与滑移机制,建立了低温硅(LT-Si)使赝晶SiGe在特征厚度以下即可发生弛豫与可降低外延材料中位错密度的模型;并据其设计的实验测试结果发现,有机结合LT-Si技术与离子注入,可制备具有超薄弛豫Si1-xGex虚拟衬底的应变Si材料。采用该材料制备的应变Si PMOSFET与同一工艺流程的体Si器件相比,空穴迁移率提高了约30%。 在本文对应变增强Si晶体载流子迁移率的能带理论研究基础上,根据弹性应变-应力转换关系所提出的等效应变记忆方法,可为Si CMOS中不同器件引入不同类型的应变,从而提供了一条不受尺寸限制的应变工程实施途径。 同时,通过有机结合LT-Si技术与离子注入的方式,可生长具有超薄弛豫Si1-xGex虚拟衬底的双轴张应变Si材料,用于制作NMOS;基于本文局部双轴压应变引入方法所生长的Si1-xGex材料,可制备PMOS。从而,为Si CMOS技术提供了又一条应变工程实施途径。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TN386.1

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【参考文献】
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