12 双轴应变材料温度特性研究
2.4 应力引入方式
应变硅技术面临的主要挑战是将应变技术与传统Si工艺结合的同时生产成本不会大规模提升。现在，在多种应变硅技术中，人们对单轴应变的关注程度最高，由于双轴应变使得衬底缺陷变多，从而增加了生产成本，这已成为单纯双轴应变不能用于大规模生产的原因之一。最近的技术通过综合不同的单轴应变技术，从而同时来提高nMOS和pMOS的性能。从作用面积的大小来看，可将应力划分成局部应变和全局应变，所施加的压力类型（stress.）包含张应变(tensile strain)和压应变(compressive strain)。应变方式主要可以分为两个系统，基于圆片应变及工艺诱生应变。
全局应变（global strain）也叫双轴应变（biaxially strain），是最早的也是本文要重点研究的应变技术。 2.4.1全局应变技术
在硅衬底上外延硅生长锗应变薄层，或在弛豫硅锗缓冲层上外延生长硅应变薄层，是典型的全局应变。利用硅和锗的晶格失配，在硅锗上外延生长的硅层将会受到双轴张应力的作用，而在硅上生长的硅锗层则受到了双轴压应力，如图2.4.1所示。
图2.4.1 Si层应变的产生示意图
由于锗的加入而导致硅锗的晶格常数常常比较大。在晶格常数较大的锗硅上
延一层薄层硅时，由于晶格匹配机制，会迫使在一个平行圆片平面的方向(in-of-plane)和锗硅衬底有相同晶格常数，所以这层硅层具有较大的晶格常数，形成张应变。张应变硅的应力大小主要取决于应变硅层的厚度和衬底锗的含量。
第二章 应变Si/SiGe的物理特性及应力的引入方法 13
由于这种方法在整个圆片都进行了生长，不同沟道位置具有等同的应力方向和 小，因而被称为全局应变或双轴应变。
图2.4.2体硅MOSFET的结构示意图
图2.4.3应用SiGe材料的应变硅MOSFET结构图
这种方法的主要优点是是形成了NMOS和PMOS都能应用的双轴应力，而且可以
改善NMOS和PMOS器件的性能。缺点是只有在高应变和低电场情况下，NMOS和PMOS器件的性能才能改善;不同类型的衬底，所有工艺步骤应调整;随着MOS管栅长的缩短应变产生的性能提高会下降。
2.4.2 局部应变
局部应变又称为工艺致应变，形成应变的原理是利用某些制造步骤，例如应力帽层(Stressed Liner)技术、硅锗源漏工程(SiGe S／D Engineering)、Ge预非
14 双轴应变材料温度特性研究
晶化、应力记忆技术(Stress Memorization Technique，SMT)以及浅槽隔离(Shallow Trench Isolation，STI)、金属栅(MG)等工艺引起的应变)、工艺诱导应变(包括由硅化物(Silicides)等，将其自身存在的应力施加到器件上，从而产生应变沟道，以提高器件的工作性能。在局部应变沟道上的不同位置，由于应变的大小不同，也和元件的结构参数例如沟道长宽密切相关。局部应变是单一的某个方向上的应力改变，所以称为单轴应变。而全局应变硅器件，局部应变硅器件制作与现有的硅工艺相兼容，且有着更简单的工艺和更低的成本。下面简单的介绍几种。
（1）源／漏(S／D)植入致应变技术
在NMOS器件的S／D区分别进行SiC的生长，而在PMOS器件的S／D区分别进行SiGe的生长，由于SiC的晶格常数比Si的小，因而会在沟道中形成张应力，而SiGe的晶格常数大于硅的晶格常数，因而会在沟道的产生压应力。使用这种方发引入的压力是单轴的。
图2.4.4 源/漏植入应变技术
显然，CMOS电路的性能在很大程度上会受到PMOS的制约，所以，只要能够增
强PMOS的性能从而达到NMOS的水平，任何相关技术都是有利的。相对于标准PMOS 器件，使用植入SiGe源漏技术在短沟道器件中所产生的应力达到900MPa，电流可以提高60%-90％。
(2)应力帽层(Stressed Liner)技术
应力帽层技术亦称为双应力线技术，是分别在NMOS和PMOS器件的栅上淀积张应变和压应变的氮化硅层，如图2.4.5所示。经过改善后，单轴应变主要是沿着 沟道方向，因为帽层同时作用在两种MOS管上，同时还被用在接触孔刻蚀的停止层，因而又被称为DESL(双重刻蚀停止衬垫)。在PMOS上沉积一层具有压应力效果的氮
第二章 应变Si/SiGe的物理特性及应力的引入方法 15
化硅帽层，在NMOS上沉积一层具有张应力效果的氮化硅帽层，可以使沟道内的硅层形成不同的应力：PMOS的沟道中形成的是压应力，NMOS的沟道中形成的是张应力，这样就可以分别改变PMOS和NMOS的沟道中的应力，使两种沟道中硅的迁移率都得到改善。但是应力衬垫也存在缺点，其缺点就是会依赖材料的几何结构，比如栅上的间距。
图2.4.5双应力的线结构
（3）应力释放引入应力技术
在CMOS器件中引入应力还有一种新方法就是应力释放，以SiGe上产生张应变Si为例，它的原理是：由于受到它下层Si的应力作用，在Si衬底上生长的一层SiGe后会在上层SiGe中形成压应力，为了使SiGe层上面的Si沟道内可以形成张应力，可以通过先将两侧SiGe层刻蚀掉一部分，这样SiGe层就会在其横向的方向变成弛豫的，然后再在它的上面和两侧的刻蚀槽上长一层Si。这样由于Si层受到下面弛豫的SiGe层的影响，因而会受到张应变，进而可以制作出NMOS器件。这一方法也可用在相同材料结构上，实现同时制作PMOS和NMOS的效果。使用应力释放形成应力的方法有，在工艺上选择合适厚度的SiGe层和Si层，合适的退火温度及小尺寸下的刻蚀方法。 （4）应力记忆技术
应力记忆技术是通过淀积再牺牲SiN薄膜从而在小尺寸CMOS器件上引入应力的方法。这方法的工艺是，先在MOS器件上生长一层无定型Si，然后在这层Si上面淀积压应力或张应力的SiN薄膜。而这层SiN薄膜会对下面的无定型Si产生压应力或张应力。把SiN薄膜刻蚀掉后，由于分子的重新排列，无定型的Si层会使薄膜的压力产生一个记忆的效果，从而继续对它下面的MOS沟道层产生应力。在制作工艺上这种方法需要考虑的是如何淀积无定型Si和如何获取能够产生压应力和张应力的SiN薄膜。
16 双轴应变材料温度特性研究
图2.4.6应力记忆工艺的过程
(5)浅槽隔离技术
硅基衬底器件的横向隔离通常会使用浅槽隔离技术。先在硅衬底上用STI刻蚀工艺刻蚀出浅沟槽，然后再在这些沟槽之中填满绝缘性介质，从而形成隔离墙。在器件中利用STI工艺会引入有用的机械应力。由于Si02、热膨胀系数、沟道的氧化层和在热退火的过程中出现黏弹性效应等的差别，因而能够形成压应力，如下图2.4.7所示。
图2.4.7 STI产生压应力
2.5 本章小结
本章首先从应变Si的晶体结构出发，分析了应力产生的原理及应变材料中的位错，讨论了应变Si的能带结构的变化与应力的关系，并在最后介绍了常见的应力引入方法。