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源漏诱生应变Si/Ge沟道MOSFET关键技术研究

周谦  
【摘要】:自微电子工艺进入纳米尺寸以来,应变技术就以其对材料迁移率的显著提升成为了业界关注的焦点。目前源漏诱生应变Si沟道n-MOSFET尚处于研究阶段,其原因在于Si:C较高的源漏电阻限制了器件驱动能力的提高。与此同时,由于应变Ge MOSFET的研究才刚刚起步,基于源漏诱生应变技术的Ge MOSFET还鲜有报道。为此,本文针对Si:C为源漏的应变Si n-MOSFET与GeSn为源漏的应变GepMOSFET,对其关键科学技术问题进行了专项研发与实验分析。研究内容包括C原子浓度分布优化、新型Si:C接触材料设计、GeSn合金生长与应用。 论文第一部分采用离子注入与快速热退火形成了一种“倒置分布”的C浓度结构。该结构中C原子主要分布在距源漏表面15~45nm处,峰值浓度为8×1020cm~(-3);源漏表面0~15nm内C原子分布较少,平均浓度为3×1020cm~(-3)。当退火温度为800C,退火时间为40秒时,样品中的替位式C含量为1.2%,方块电阻为380/□。与常规C浓度分布的样品相比,其替位式C含量基本保持不变,方块电阻降低了70%。实验结果表明,该结构可在保证替位式C含量的基础上有效降低Si:C源漏电阻。同时,该结构亦可降低Si:C表面NiSi接触电极的电阻,当NiSi形成温度为400~650C时,“倒置C分布”样品的NiSi方块电阻与常规样品相比降低了10%。 论文随后开发了一种适用于CMOS工艺的Ni1-xAlxSi电子/空穴双向势垒调制技术。该技术利用Si:C源漏中C原子对其表面Al原子扩散的抑制作用,在NiSi形成过程中引入了峰值浓度为2×1021cm~(-3)的Al原子,由此形成的Ni1-xAlxSi接触电极电子势垒为0.44eV,与普通NiSi相比下降了0.25eV。在p-MOSFET中,由于缺少C原子的抑制作用,大量Al原子在NiSi形成过程中扩散至NiSi/Si界面,使该处Al浓度由初始的1×1018cm~(-3)上升至1×1020cm~(-3),并由此造成了空穴势垒的降低。采用该技术制备的Si:C MOSFET源漏电阻率为684·μm,与常规Si:C器件相比降低了50%。当沟道长度为100nm时,其饱和区电流与峰值跨导分别提高了30%与17%。统计性测试表明,当截止态电流为0.5μA/μm时,其饱和区电流亦有12%的提升。与此同时,该技术不会对器件的短沟道特性造成影响,当沟道长度为100nm时,其亚阈摆幅与DIBL分别为99mV/dec与120mV/V,与常规器件一致。 在论文第三部分中,研发了一种适用于应变Ge MOSFET的源漏晶格失配材料GeSn。材料制备过程中采用离子注入在Ge晶体中引入Sn,并通过后续热退火使之成为GeSn合金。为研究工艺条件对材料质量的影响,样品制备时分别采用了2×1015cm-2、4×1015cm-2、8×1015cm-2三种Sn注入剂量,以及快速热退火、准分子激光退火两种退火方式。实验结果表明,快速热退火可将单晶Ge中的Sn原子激发至替位式位置形成GeSn合金。当退火温度为400C时,Sn原子激活率为100%,其峰值浓度固定为1×1021cm~(-3),与Sn的初始注入剂量无关。采用准分子激光退火可将材料中的非晶GeSn完全转化为单晶,且材料表面平整,无位错缺陷产生。经功率密度为400mJ/cm2的激光照射5次后,Sn注入剂量为8×1015cm-2的样品中的替位式Sn含量为1.7%,约为快速热退火样品的70%。 论文最后对GeSn合金在Ge MOSFET源漏中的实际应用进行了研究。实验结果表明,在Sn离子注入过程中,当Sn浓度超过1×1019cm~(-3)时即会在样品表面产生非晶层,且会对Ge衬底表面造成溅射损伤。当注入能量为35keV时,溅射形成的凹坑深度达到30nm。该凹坑内存在大量缺陷,同时非晶层与衬底界面亦存在离子注入末端缺陷。当以上两类缺陷位于p-n结耗尽区附近时,源漏泄漏电流将急剧增加,因此,Sn离子注入能量不宜过高。当Sn注入能量为25keV时,退火后形成的GeSn合金厚度约为20nm,材料中替位式Sn原子含量为2.6%,方块电阻为25/□,且源漏泄漏电流小于0.1mA/μm2,可达到应变Ge沟道MOSFET的设计要求。 本文研发的新技术可有效降低Si:C源漏电阻,提高其源漏诱生应变MOSFET的电流驱动能力。与此同时,本文开发的基于“离子注入+热退火”方式的GeSn合金生长技术亦具有一定参考价值。该技术与现有CMOS工艺兼容,附加成本低,适用于大规模应变Ge MOSFET生产,但其生长的GeSn合金质量还有待提高。


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