硅基應(yīng)變引入方法與MOS器件相關(guān)基礎(chǔ)研究.pdf

1、器件特征尺寸逐漸接近其物理極限，給Moore定律的延續(xù)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)和技術(shù)危機(jī)。其中，通過(guò)改變能帶結(jié)構(gòu)的應(yīng)變Si技術(shù)已成為后Si時(shí)代提高器件性能而維持Moore定律的一種有效手段。為此，本文針對(duì)在Si晶體中引入應(yīng)變的方法和應(yīng)變與應(yīng)力的相關(guān)性、應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)MOS器件遷移率與應(yīng)變硅材料生長(zhǎng)諸相關(guān)基礎(chǔ)進(jìn)行了研究與探索。
　　 首先，基于彈性力學(xué)知識(shí)，推導(dǎo)并給出了Si晶體在單軸和雙軸應(yīng)力作用下的應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系與倒空間的相應(yīng)變化，為應(yīng)用線(xiàn)

2、性形變勢(shì)理論計(jì)算應(yīng)變對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的改變奠定了基礎(chǔ)，為研究應(yīng)變引入方法提供了理論參考，為研究引入應(yīng)變的測(cè)試分析提供了理論依據(jù)。并據(jù)此與X射線(xiàn)衍射運(yùn)動(dòng)學(xué)相結(jié)合，已發(fā)展了表征引入到Si中的微應(yīng)變和在Si局部引入微區(qū)應(yīng)變的兩種HRXRD測(cè)量方法。
　　 其次，由第一性原理軟件計(jì)算了Si在單軸、雙軸應(yīng)力作用下的能帶結(jié)構(gòu)，并通過(guò)曲率法計(jì)算了載流子相應(yīng)的有效質(zhì)量，分析了載流子有效質(zhì)量與散射概率在應(yīng)變作用下的變化，獲得了應(yīng)變Si載流子遷移率增強(qiáng)的

3、機(jī)理，為應(yīng)變Si器件設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。同時(shí)，應(yīng)用線(xiàn)性形變勢(shì)理論導(dǎo)出了Si晶體分別在單軸與雙軸應(yīng)力作用下導(dǎo)帶與價(jià)帶的劈裂值，進(jìn)而建立了電子遷移率μn與應(yīng)變量ε″的關(guān)系模型。
　　 再次，理論分析了氮化硅SiN蓋帽層與淺槽隔離STI方法在Si晶體中引入局部應(yīng)力的機(jī)理，應(yīng)用上述表征方法，其實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果顯示，在膜厚較薄時(shí)，SiN蓋帽層引入的本征應(yīng)力起主要作用，隨膜厚增加到臨界特征厚度，本征應(yīng)力增加變緩，并最終達(dá)到飽和；STI引入的應(yīng)變

4、量與版圖幾何尺寸有著緊密關(guān)系。進(jìn)而，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上述Si晶體中應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系，提出了一種不受尺寸限制的等效應(yīng)變記憶方法。同時(shí)，通過(guò)設(shè)置Si緩沖層與多晶硅側(cè)壁，已成功制備了表面粗糙度0.45nm、缺陷密度低于103cm-2的優(yōu)質(zhì)局部雙軸壓應(yīng)變Si0.8Ge0.2材料，從而獲得了一種可應(yīng)用于PMOS的局部雙軸壓應(yīng)變引入方法。
　　 最后，根據(jù)螺位錯(cuò)形成與滑移機(jī)制，建立了低溫硅(LT-Si)使贗晶SiGe在特征厚度以下即可發(fā)生弛豫

5、與可降低外延材料中位錯(cuò)密度的模型；并據(jù)其設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有機(jī)結(jié)合LT-Si技術(shù)與離子注入，可制備具有超薄弛豫Sii-xGex虛擬襯底的應(yīng)變Si材料。采用該材料制備的應(yīng)變Si PMOSFET與同一工藝流程的體Si器件相比，空穴遷移率提高了約30％。
　　 在本文對(duì)應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)Si晶體載流子遷移率的能帶理論研究基礎(chǔ)上，根據(jù)彈性應(yīng)變-應(yīng)力轉(zhuǎn)換關(guān)系所提出的等效應(yīng)變記憶方法，可為Si CMOS中不同器件引入不同類(lèi)型的應(yīng)變，從而提供了一