第三章 应变SiGe模型的仿真验证及Ge组分对应力的影响 17
第三章 应变SiGe模型的仿真验证及Ge组分对应力的影响
3.1应力测定方法
（1）四晶衍射
X射线多晶衍射是一种研究完整的晶体的结构的工具，对衬底双轴应变的应力进行测定时运用该技术比较理想，因此叙述该技术是有必要的。下面通过弛豫硅衬底上生长应变硅锗为例来进行简单的介绍。在完整的晶体中单色X射线的平面波的Bragg衍射角是很窄的，因此对与工作平面相垂直的晶格应变十分敏锐，晶格的应变超过10就能检测出来。X射线多晶衍射的方法已经在外延单晶膜、离子注入、超晶格以及晶格的完整度、晶格的应变等方面的研究中得到广泛的运用。，对于外延硅锗薄膜，因为多晶衍射对晶格常数的细微变化十分敏锐，也就是对硅锗层的应变和组分的变化十分敏锐，并且多晶衍射是无损检测，故可以用X多晶衍射来表征硅锗的一种有效手段。对硅基异质外延硅锗薄膜的表征，事实上，可以对实验曲线的进行拟合，来得到厚度、应变情况、薄膜的组分等信息。因此，在表征硅锗异质结构时，X射线多晶衍射是一种很有效的手段。因为单色性会比一般的X射线双晶衍射仪会有较大提高，X射线四晶衍射仪具有高测量精度和高角分辨率。
a)X射线四晶衍射的基本原理
对于单晶硅衬底的异质外延，因为外延材料和衬底间存在晶格失配，外延 薄膜中肯定存在一定的应变。四晶衍射对这种应变是十分敏感的。图3.1给出 了X射线四晶衍射的简单原理示意图。从x射线管中发射出的X射线，经过两组 (+n,-n)方式排列的单晶Ge[220]单色仪后，得到准直度、单色性比较好的X射线，以Bragg衍射角入射到样品表面，并通过探测器中探测它的衍射信号。
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18 双轴应变材料温度特性研究
图3.1 X射线四晶衍射的基本原理示意图
因为外延薄膜晶向与衬底晶向一样，但是二者的晶格常数不同，所以外延硅锗薄膜与衬底硅的Bragg衍射角也不同。因此，通过测量表面硅锗薄膜的衍射峰和衬底的衍射峰之间的间距，就能算出薄膜中存在的应变的大小，根据Bragg原理，并考虑△θ绝对值十分小，可以得到下面的公式
???ddSi?dSiGe,??dSidSi?????ctg?B
（3.1）
式（3.1）中，e为与样品相垂直的测量时工作平面的应变，dd为工作平面的间距的变化量，d为晶体在测量时工作平面的间距，θ为工作平面的Bragg角，△θ为应变层的Bragg衍射峰与衬底的衍射峰的间距。
b)SiGe薄膜应变状态的判断与应变率、应变释放率的定义
上面定义的e，是相对于衬底硅晶格的应变，但实际上它反映硅锗薄膜的真实应变状态，为此，需要定义e'为
????d?dSi?dSiGe,??dSidSi
将公式(3.1)带入上式可得
（3.2）
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dSiGe,??dSidSidSi?1????ctg?B?dSi?x?dGe?dSi??????1 （3.3）
当e’>0时，薄膜在生长的方向上是张应变(单轴应变)，而在生长平面内是压应变(双轴压应变)；反之，当e’ 另外，由上还能定义实际硅锗薄膜的应变释放率R以及应变率S ? （3.4） S ? ? ??100 % max ? （3.5） ????R?1?S??1???100%??max??式中，??max为最大应变量。 (2)拉曼光谱法 拉曼光谱法(Raman Spectroscopy)是一种利用拉曼散射(Raman Scattering) 现象来测量晶体内部的应变的方法。拉曼散射是光子在晶体晶格的振动受到了非弹性散射下而发射出和原频率不一样的光子的物理现象。由于晶体内部原子与邻近的原子间有很大的结合力的约束，从而使这些原子按照键合特性以某一振动频率进行振动——晶格点阵振动。由于晶体的内部会有应力，从而导致原子间的结合力也会产生变化，最后会使点阵振动频率也产生相应变化。晶体点阵振动频率发生变化，那么散射光频率也发生变化。通过比较无应力的硅的散射光与被测量对象(应变硅)的散射光，可以得到应变硅的内部应力及应变等信息。 图3.1.3体硅和应变硅的拉曼光谱图 20 双轴应变材料温度特性研究 在一般的拉曼光谱中，硅声子的位置大概在520/cm附近，锗声子的位置在300/cm附近， 而硅锗合金分别可以在300/cm、400/cm、500/cm附近找到三个主要的峰值，这是源于Ge-Ge振动、Si-Ge振动以及Si-Si振动。原子振动的声子的信号对于硅锗合金的成分和受到的应变十分敏感。当硅锗合金中锗组分增大时，Ge-Ge原子的振动频率将向频率高的方向移动——蓝移，Si-Si原子的振动频率将向频率低的方向移动——红移，而Si-Ge原子的振动几乎不随锗组分变化而改变。另外，在应力为压应力时，拉曼光谱通常往高波数侧移动；而在应力为张应力时拉曼光谱通常往低波数侧移动。图3．1.3 给出的弛豫Si0．75Ge0．25上的应变硅的拉曼光谱图上可以明显看出这种变化趋势[31]。 3.2 仿真工具 探究应变Si器件中的应变同载流子的迁移率提高之间的关系，对于应变Si器件的制造和设计来说具有十分重要的意义。然而，无论是从成本方面还是从技术上进行考虑，通过实验的方法测量应力的分布都是很困难的。一方面，制作这些器件的工艺要求都比较高，而制成的器件也不太可能进行逐一破坏性测量；而另一方面，纳米级的局部微应力和应变的测量往往都要借助高超的微结构分析和测量的手段。本文借助Silvaco软件对应变器件进行模拟仿真，为后续的器件设计与制造奠定理论与实践基础。 Silvaco 名称是由三部分组成的，即“Sil”“va”和“co”，从字面意思上不难理解到是“硅”，“谷”和“公司”英文单词的前几个字母的组合。Silvaco 的中文名称叫矽谷科技公司。 Silvaco 是现今市场上唯一能够提供给Foundry最完整的解决方案和IC软件厂商。提供TCAD， Modelling以及EDA前端和后端的支持，也能提供完整的Analog Design Flow给IC设计业者。产品SmartSpice是当今公认的模拟软件的黄金标准，因为支持多集成CPU的SmartSpice的仿真速度比起同类型软件更好，它是国外模拟设计师的最爱；SmartSpice的收敛性也被公认为仿真器最好的。Silvaco还有其他整套流程包括版图工具以及验证工具。许多世界知名Foundry包括台积电、联电、Jazz和X-FAB都跟Silvaco有PDA的合作。 第三章 应变SiGe模型的仿真验证及Ge组分对应力的影响 21 3.2.2主要组件 Silvaco TCAD的组件主要包括交互式工具DeckBuild和Tonyplot，工艺仿真工具ATHENA，器件仿真工具ATLAS和器件编辑器DevEdit，还有一些内部的模块。 1、 DeckBuild 各TCAD仿真组建均可在 DeckBuild界面调用，例如先由ATHENA或DevEdit生成器件结构，再由ATLAS对器件特性进行仿真，最后由Tonyplot2D或Tonyplot3D显示输出。 DeckBuild特性功能如下： (1)输入和编辑仿真文件 (2)查看仿真输出并对其进行控制 (3)提供仿真器组件间的自动转换 (4)提供工艺优化以快速而准确地获得仿真参数 (5)内建的抽取功能对仿真得到的特性进行抽取 (6)内建的显示能提供对结构的图像输出 (7)可从器件仿真的结果中提取对应的SPICE模型的参数 各仿真器都是通过集成环境DeckBuild组织的。Silvaco仿真流程如图3.2.1中所示。 图3.2.1：Silvaco仿真流程图 2、 Tonyplot可视化工具 Tonyplot可视化工具对结构进行显示，可显示的结枸包括一维、二维和三维