应变硅技术（原理部分）.pptVIP

应 变 硅 技 术 小组成员： 陈杰 夏淑淳 陈若愚 梅鑫涛 李爽 徐会宾 英特尔Process Architecture and Integration经理Mark Bohr曾经非常形象地描述：“只需将硅原子拉长1%就可以将MOS晶体管电流速度提高10%~20%，而应变硅的生产成本只增加2%”。 何为应变硅 所谓的应变硅简单来说就是指一层仅有几纳米厚度的超薄应变层，利用应变硅代替原来的高纯硅制造晶体管内部的通道，如此一来，可以让晶体管内的原子距离拉长，从而实现单位长度上原子数目减少的目的。当电子通过这些区域时所遇到的阻力就会减少，从而提高了晶体管性能。 应变硅技术的分类 在MOSFET沟道里形成应变的方式很多，可通过工艺步骤、材料上自然晶格常数的差异以及封装等方式来实现。 从应变的作用面积可分为全局应变(又称双轴应变)与局部应变(又称单轴应变)。 根据施加的应力种类可分为张应变与压应变。 在SiGe衬底上生长Si层，形成张应变；在Si衬底上生长SiGe层，形成压应变。 双轴应变和单轴应变 双轴应变或称全局应变，是指在整个圆片都进行生长应变硅层，不同的沟道位置具相同的应力大小和方向。 单轴应变即是局部应变，是指通过一些技术仅在沟道处引入应力的方法。 双轴应变和单轴应变 双轴应变硅晶格结构 异质结能带结构 异质结能带结构 应变硅MOSFET迁移率的增强机理 应变硅中电子的输运特性 应变硅中空穴的输运特性 与电子不同的是，应变硅中空穴的迁移率不仅与应力大小有关，并且与应力方式也有极其紧密的联系。 对于电子来说，单轴应力和双轴应力对迁移率影响的差异并不明显。 对于空穴来说，特别是当沟道中横向电场较大的情况下，单轴应力相对于双轴应力有较大的优势。 因此，双轴应力已越来越不能适应集成电路发展的需要，单轴应力逐渐成为应变硅技术的主流。 价带中的子能带的能量与垂直于沟道的有效质量m⊥直接相关： m⊥越大，能级间的能量差越明显。 对于应变硅 MOSFET 中的空穴而言，有效质量 m⊥由应力的作用方式决定。 在双轴张应力的作用下，轻空穴带（LH）具有较小的m⊥，重空穴带（HH）具有较大的 m⊥ 。 与双轴张应力正好相反，单轴压应力作用下的 LH 具有较大的 m⊥ ，HH 具有较小的 m⊥ 。 因此，在双轴张应力 PMOSFET中，由于反型层势阱的作用，LH和HH的能量将产生不同程度的减小，由于LH 的 m⊥小于HH的m⊥，所以LH 的能量减小量?ELH将大于HH的能量减小量?EHH 。 对于双轴张应力作用下的应变硅PMOSFET 来说，?ELH的减小一方面将导致LH中空穴浓度的降低，使反型层中空穴的平均电导有效质量增大，另一方面，还会使子带间的散射几率增加。这些将使迁移率产生一定程度的降低，外加栅压越大，迁移率的降低幅度越明显； 与之相反，单轴压应力作用下的应变硅 PMOSFET 则不会受到能量量子化分布的影响。能量的量子化分布还会增强单轴压应力的作用，使LH与HH能量差进一步增大，在一定程度上使迁移率得到提高。 电子迁移率达到饱和，主要是因为此时几乎全部的导带电子都在能量较低的△2能谷，再增加应力也不能对电子分布产生多大影响，有效质量降到极限，并且能谷分裂已经足够大，使谷间散射几乎被完全抑制，因此迁移率将达到饱和。 而且，当弛豫衬底中Ge含量大于40%时，迁移率反而可能降低，这是由于随着SiGe中Ge含量的增高，晶格失配将会越来越严重，在SiGe/应变硅界面将会产生大量的位错缺陷，这些缺陷将俘获电子成为带电中心，对电子的运动造成库仑散射，从而降低迁移率，使器件性能恶化。 综述 通过以上分析，应变 Si COMS器件中应变硅层的电子和空穴迁移率明显高于普通的无应变硅材料，其中以电子迁移率提高尤为显著，这对高速高频器件来说是至关重要的。 通过应变硅技术，可以更多地提升空穴迁移率，电子和空穴的迁移率更加匹配，CMOS电路中 NMOS和 PMOS器件的尺寸比将得到改善。 另外，如果采用应变硅材料则不但可以在基本不增加投资的情况下使生产出来的Si COMS IC 芯片性能明显改善，而且还可以大大延长花费巨额投资建成的 Si生产线的使用年限。 为何使用应变硅 目前，以CMOS器件等比例缩小为动力的硅集成电路技术已迈入纳米尺度，并将继续保持对摩尔定律的追求，进一步缩小器件尺寸，以满足芯片微型化、高密度化、高速化和系统集成化的要求。 特征尺寸缩小到纳米尺度后，栅介质厚度也逐渐减小到接近1nm，关态漏电、功