摘要
摘要
随着器件尺寸的不断减小，Si基微电子技术面临着物理和工艺极限的挑战，
已经不能满足摩尔定律。而应变Si/SiGe具有能带可调，迁移率高的优点，并且能与传统的Si基工艺兼容，应变技术成为后Si时代研究的热点。众所周知，应变器件的制造工艺和正常工作都不可避免的要考虑温度的影响，而目前国内对于这方面的研究还比较少，基于此目的，本论文主要研究了双轴应变材料的温度特性。
论文分析了应变Si基材料的物理特性和应力的产生机制，讨论了常见的应力引入方式和应力测定的两种方法。
建立双轴应变SiGe模型之后，运用Silvaco软件加以仿真和验证。在此基础上，从理论方面分析了Ge组分对应力的影响，并通过Silvaco进行仿真，证实了应力会随着Ge组分的增大而增大。由于高温下，原子间的共价键会发生断裂，应力会逐渐释放，论文通过Silvaco软件重点对应变SiGe的温度特性进行了仿真研究，仿真结果证实了温度对应力的影响。最后，理论分析了双轴应变材料的迁移率增强机制，通过仿真得到双轴应变材料迁移率随温度的变化趋势。
关键词：双轴应变， SiGe Ge组分，温度，迁移率
ABSTRACT
ABSTRACT
As the size of device decreases, the Si-based micro-electronics technology faces the challenge of physics and process limitations. As the outstanding performance，the Silicon strained technology becomes the research focus of the post-Si era. Research of the paper focuses on temperature characteristic of the biaxial strained material.
In the paper, the crystal structure of the biaxial strain silicon material, the methods of introducing stress, physical and electrical properties are firstly analyzed. Applying the generalized Hooke's law, then extract the 81 elastic stiffness coefficients about Ge component, achieve the conversion of Ge component and stress, established the model of the correspondence between biaxial silicon strain material stress and the Ge component ,and simulate it through Silvaco software, the simulation result is consistent with the theoretical analysis.
On the basis of the above studies, this paper focuses on the analysis of the effect of temperature figure of the stress and mobility of biaxial strain silicon material, then simulate them through crafts software , the simulation results show that stress and mobility of strained SiGe decreases with increasing temperature, consistent with the theoretical analysis..The results of this study can provide a theoretical basis and practical basis for the design and manufacture of biaxial strain silicon devices and circuits.
Keyword : biaxial strain, SiGe, temperature characteristic, mobility
目录 i
目录
第一章
绪论 ................................................................................................................. 1
1.1 引言 .................................................................................................................... 1 1.2 应变技术国内外的研究状况 ............................................................................ 2 1.3 本论文的主要内容 ............................................................................................ 6 第二章 应变Si/SiGe的物理特性及应力的引入方法 ................................................ 7
2.1应变硅材料晶格结构分析 ................................................................................. 7 2.3应变硅材料能带结构分析 ................................................................................. 9
2.3.1应变Si导带结构分析 ............................................................................ 9 2.3.2应变Si价带结构的分析 ...................................................................... 10 2.4 应力引入方式 .................................................................................................. 12
2.4.1全局应变技术 ........................................................................................ 12 2.4.2 局部应变 ............................................................................................... 13 2.5 本章小结 .......................................................................................................... 16 第三章 应变SiGe模型的仿真验证及Ge组分对应力的影响 ................................. 17
3.1应力测定方法 ................................................................................................... 17 3.2 仿真工具 ........................................................................................................ 20 3.3 双轴应变SiGe的物理模型仿真及分析 ........................................................ 25 3.4 Ge组份与应力转化模型 ............................................................................... 27 3.5 (101)面双轴应力与Ge组分的关系 ............................................................ 33 3.6 结果分析与讨论 ............................................................................................ 35 3.7 本章小结 .......................................................................................................... 40 第四章 双轴应变SiGe材料的温度特性 .................................................................. 41
4.1温度对双轴应变SiGe中应力的影响 ............................................................. 41 4.2 双轴应变材料的迁移率增强机理 .................................................................. 50 4.3温度对迁移率的影响 ....................................................................................... 52 4.4本章小结 ........................................................................................................... 53 第五章 总结与展望....................................................................................................... 55 致谢 ................................................................................................................................. 57
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目录
参考文献..........................................................................................................................59
第一章 绪论
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第一章 绪论
硅基技术面临新的工艺极限和物理极限的挑战，想要继续沿着摩尔定律发展，将来的硅基技术毫无疑问还是在传统的硅工艺的技术基础上，与其他的先进技术相结合，而形成新的技术体系，在引入硅基应变后，硅基应变技术成为集成电路和高速/高性能的半导体器件的重要研究领域和发展方向。本章首先简要介绍硅基应变技术，然后简述国内外的研究现状，最后引出本论文的具体工作内容。
1.1 引言
Si CMOS技术，以其低功耗，高输入阻抗，低噪声，高集成度，可靠性等优
点在集成电路领域中占据着主导地位并按照摩尔定律继续向前发展。目前，全球半导体市场的90％是硅基IC。虽然纳米技术研究很火热，似乎有替代硅技术的趋势，但是目前由于工艺技术的限制以及纳米技术自身的限制，在短时间内无法替代很成熟的且规模庞大的硅集成电路产业[1]。可以预言，二十一世纪的微电子技术，仍以硅基技术将继续为主流[2]。
然而，伴随着硅基器件的特征尺寸减小，集成度和复杂性提高，出现一系列
有关材料，工艺技术，器件物理，和器件结构等方面的一些新的问题。尤其在IC芯片的特征尺寸进入纳米量级时，单个MOS晶体管的尺寸达到物理和工艺技术的极限后将难以继续高速发展下去[3]，因此必须采用新技术以提高MOS晶体管的性能。另一方面，通信、超高速电路对器件的频率特性的要求越来越高，传统的硅基器件和集成电路不断显示出它的缺点和不足。
虽然砷化镓化合物器件有优越的频率特性，但其机械强度低，成本高，大直径单晶制备困难，散热性能差等因素限制了它的广泛应用和发展。
应变Si / SiGe技术出现的对利用强大而成熟的硅工艺制作超高速集成电路带来了新的希望，并提供了一个可行的方向来解决上述问题。应变SiGe技术为Si基集成电路和器件提供了应变工程和能带工程。由于SiGe能带的不连续性，可以加速载流子的自建电场变得可以人为设计，来制造高频SiGe HBT。利用Si／SiGe晶