2 双轴应变材料温度特性研究
格的不同产生应变效应，可以改变材料的性能并且限制电子(或空穴)量子阱，以此提高载流子的迁移率，使Si基CMOS性能得以提高。
众所周知，PMOSFET是制约CMOS电路的性能主要因素，主要的原因是硅的空穴迁移率比电子的迁移率低很多，从而使PMOSFET对电流的驱动能力和速度性能都比NMOSFET差。为使nMOSFET的性能与pMOSFET相匹配，在同样的沟道长度下，pMOSFET版图上设计的沟道宽度比nMOSFET大2-3倍，这将使芯片速度和集成度降低，能耗增大。使用压应变SiGe材料制作的PMOSFET可以提高空穴迁移率，从而提高器件的性能。由于SiGe价带的不连续性会形成势阱，其中的空穴由于Si帽层的隔离作用，而减小了SiO2／Si界面散射对空穴迁移率的减弱效果，并且压应变会引起SiGe空穴的有效质量下降、能带结构变化，从而提高其迁移率。同样，采用较高的电子迁移率的张应变Si材料来制作沟道，同样能增强nMOSFET的性能。因此，通过引入应变技术可以大幅度提高硅基CMOS集成电路集成度和速度，来满足高性能，高速的电路要求。
应变Si／SiGe技术的主要优点： （1）更高的开关速度和低功耗；
（2）射频器件具有高截止频率和低噪声系数;
（3）应变Si/ SiGe技术与传统的体硅技术兼容，能导致新的设计; （4）应变Si/ SiGe半导体集成技术，维持了硅工艺巨大的经济效益，制造 本只比Si高10％，比GaAs要低30％。
1.2 应变技术国内外的研究状况
在过去的十年中，硅基应变材料和器件的研究发展十分迅速，研究成果、材料和器件潜在的优良性能，引起各国的极大兴趣和更多的关注。
早在上世纪80年代，随着外延技术的发展，科学家发现了许多硅锗、硅异质结构的特点。在1984，People等人发现调制掺杂的应变
Si0.8Ge0.2中的二维空穴气
(2DHG)[4]，1985年，Abstreiter发现应变硅生长于弛豫硅锗后形成的二维电子气
[5]
第一章 绪论 3
(2DEG)。然而，由于渐变SiGe外延生长技术还很落后，生长的薄膜质量还很差，
810位错密度大概是10~10，因此，测得的应变硅材料的电子迁移率的数值要小于
体硅的迁移率数值。
90年代初，由于缓冲SiGe层的质量得到改善，应变硅的电子迁移率也得到明显的增大。AT＆T的一个研究小组报告了在低温下达到1.7×105cm2/Vs的电子迁移率
[6]
。在1992年IEDM上，斯坦福大学的研究小组发表了有关长沟道应变si nMOSFET
的论文，他们研制出的Si nMOSFET的电子迁移率比体硅大约高70%[7]。到1993年，有更多的关于应变硅pMOSFET的文献报道。
90年代中后期，应变Si的研制工作随着工艺技术的提高而得到快速发展。1998年，CtLrric等人第一次运用化学机械抛光（CMP），以降低弛豫缓冲SiGe的位错密度[8]。2000年，在Symposium 011 VLSI Technology上，东芝公司的Mizuno等人第一次运用SOI技术来制作应变硅 nMOS和pMOS[9]。在同一时期，许多有关应变硅 MOS器件结构的论文被发表，性能也比以前都有了大幅度提高。
进入21世纪以后，应变硅的理论研究和器件研制等工作都有了很大的提高。2001年，IBM，麻省理工学院和东芝三家公司均发表了运用SGOI(SiGe on Ininflator)技术来制作应变Si的论文[10][11]。2002年，在VLSI技术研讨会，来自IBM的Rim报道了他们制作的短沟道应变硅MOS结构的一些情况。通过使用自对准技术和HALO技术，他们获得了性能很好的pMOS和nMOS，nMOS的泄漏电流是可以增加15％左右，而PMOS也增加了大约7％~10％[12]。
在同年的IEEEInternational SOI conference上，Langdo第一次提出了将应变硅直接键合到氧化衬底上的SSOI(Strained Si On Insulator)技术。由于在制备过程中没有氧化层上硅较高的应变特性和弛豫SiGe层，制备的晶片的性能得到明显改善[13] [14]。2003年，麻省理工学院的科学家们也报告自己的SSOI技术和生产工艺[15]。
2003年VLSI技术论文研讨会，大家对AMD的一篇关于应变Si的实际运用的论文产生了极大的兴趣。AMD公司的科学家使用Ni--silicidcd栅用以制备应变硅 nMOS器件。该器件栅长为35nm，饱和漏电流能提高大约45％
[16]
。，同一年，在IEDM
上，有许多有关金属栅电极材料和高K栅介质的文献报道。来自英特尔的Datta等人报道了利用二氧化氟栅介质和氮化钛栅电极制备了栅长为140nm的应变Si
4 双轴应变材料温度特性研究
nMOS。该器件SiGe虚衬底的锗组分为10％，但迁移率比常见的二氧化硅栅介质要高，而泄漏电流小大约三个数量级。
在2004年，AMD公司发表了关于应变si技术“DSL(Dual Stress Liner)”在微处理器上的实际应用的结构。已证实基于PowerPC架构的AMD“Athlon 64”和IBM的64位微处理器工作频率增加了12％和7％[17]。
英特尔公司已经把应变技术运用到了拥有1.25×106晶体管数目的桌面处理器Prescott以及拥有1.44×10晶体管数目的移动处理器Dothan中。2002年8月，英特尔宣布将应变Si技术与90nm结合用于新产品中[18]。Intel的工程师将90nm的pMOS的源和漏刻蚀掉， 再重新沉积的SiGe层，使源区和漏区的沟道上会产生压缩的应力，来提高pMOS的性能，试验表明，PMOS的泄漏电流能提升25%左右。同时，在上面覆盖一层SiN，能在够到处产生一个张应力，以实现更大的目的提高NMOS的漏电流特性，如图1所示的NMOS，实验结果表明，泄漏电流能提高10%左右。而使用这两种技术的生产成本带来大约只有2％的增长，因此非常有利于工业应用。
英特尔已经放眼于2007年的45纳米技术上，将同时采用金属栅电极材料以及应变Si和相应的high-k栅介质与三栅极晶体管技术，进一步提高设备的性能[19]。
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Selective SiGe S-D Tensile Si3N4 Cap UniaxiaI UniaxiaI
Cornpressive Strain for PMOS Tensile Strain for NMOS
图1．1Intel公司90纳米应变Si技术
第一章 绪论
图1.2 Intel公司NiSi栅应变Si技术
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随着工艺技术的不断发展，理论界的科学家也在不断的前进。最早有关对半导体工业发展与应变理论的研究基本同步的文献报道发表于上世纪50年代。许多理论研究的相关数据受实验条件所限都不是很准确，开展的范围也很有限。早期研究主要关于应变对硅和锗材料的能带的影响，美国贝尔实验室的Hensel等人曾经发表过一些比较经典的论文
[20][21]
。在当时，各种计算方法也在不断发展，从k.p
微扰法[22]到赝势法[23]，理论研究都在渐渐发展和完善。在1974年，两位苏联科学家发表了著名的《Symmetry and Strain Induced Effects in Semiconductors》
[24]
，该书论述了有关材料形变势，一直到现在还是一种计算的标准。迁移率的研
究随着计算机的发展和科学处理数据能力的增强越来越受关注和重视。
通过相关文献可知目前研究主要有两类：一类研究主要集中于包括能带迁移率计算、结构分析等的空穴和电子传输的物理机制上；另一类研究则主要关于应变Si器件尺寸如何缩小及所带来的问题，而且同时包括一些制备的过程中的工艺实现的问题。随着科研机构关于应变机制提高迁移率特性的文献报道的增多，大量的理论研究将渐渐转移到小尺寸应变si器件的研究、工艺制备技术提高和应变与“on一insulator”技术集成上面。这也许是将来应变si技术发展的目标和趋势． 总的来说，应变技术的发展可以分为以下四个阶段：
第一阶段，上世纪80年代，主要是关于能带结构和硅锗异质结的研究。 第二阶段，在上世纪90年代初期，弛豫硅锗缓冲层技术得到发展，硅锗异质外延的缺陷密度大幅度下降，对应变硅和硅锗以及锗沟道FET进行了探索。 第三阶段，上世纪90年代后期，主要关于不同应变硅、硅锗以及锗沟道MOSFET的研究，提升MOSFET的性能。表面应变硅 n-MOSFET的性能比体硅 n-MOSFET的性能提高了大约46％。
第四阶段，本世纪初期，研究硅锗较高的迁移率应变层的MOSFET，主要有获得了较高P沟空穴的迁移率以及硅锗与SOI相结合的技术。同时，更加注重于超短沟道器件的研究与工艺的集成。
目前国内在应变SiGe技术研究方面相对来说还比较落后，开展研究的主要是西安电子科技大学、清华大学、西安交大、中科院半导体所、上海微系统所等科研院所和某些大专院校。西安电子科技大学、中电集团二十四所和成都电子科技大学合作对硅锗材料生长，SiGe HBT、SiGe MOSFET器件和电路进行研究。清华大
6 双轴应变材料温度特性研究
学微电子所主要做硅锗材料生长以及SiGe HBT、探测器和SiGe MOSFET器件特性的研究[25][26],自行研制UHV／CVD SiGe外延设备SGE400，试制成功了0．5μm工艺的SiGe pMOSFET和nMOSFET，其跨导分别为290ms／mm和110ms／mm。微系统所主要对SiGe.On-Insulator(SGOI)新型材料的制备进行研究。其它还有些学校或者单位也有对SiGe进行研究的，比如北京大学、北京理工大学和北京工业大学等。虽然浙江大学硅材料国家重点实验室在用于应变si的SiGe缓冲层的UHVCVD制备方面有一些相关文献报道，但是根据文献报道，其制备的材料特性还有改进的余地。清华大学也有关于UHVCVD制备SiGe缓冲层方面的报道。
[27]
1.3 本论文的主要内容
应变Si／SiGe由于具有较高的迁移率和与现行微电子工艺技术良好的兼容性，是一项很有发展前景的技术，目前受到多方面的关注。
本文主要内容包括应变Si、应变SiGe材料研究背景和国内外研究进展的阐述与分析、应变SiGe模型的仿真和验证、Ge组分对SiGe中的应力的影响以及温度对SiGe中的应力的影响。由于精确的模型构建十分复杂，本文只讨论相关变化趋势，精确的模型构建及仿真留待今后继续研究。
基于上述内容，本论文的各章节具体安排如下
第一章主要阐述了应变Si基材料的研究背景及国内外研究发展状况 第二章主要分析了应变Si/SiGe的物理特性及应力引入方法
第三章主要讨论了应力的测量方式、应变SiGe模型的仿真验证重点研究Ge组分对应力的影响
第四章研究温度对应变SiGe中的应力的影响，分析双轴应变器件的迁移率增强机制，并探究温度对应变器件的影响趋势。
第五章结论与展望 总结了本文所做的工作和所取得的结论以及需进一步深入研究和改善的工作。