半导体沟道结构工程1

~迁移率增强效应~谢孟贤2006于中科电第24研究所半导体沟道结构工程应变Si技术•什么是应变Si？•应变Si的重要特性？•应变Si的器件应用——发光器件；应变沟道场效应晶体管讨论三个问题•应变增强迁移率问题的重要性•应变增强迁移率的微观机理•应变沟道场效应晶体管提高迁移率的重要性实现高频、高速、高集成度IC的要求•技术途径：（1）缩小尺寸；（2）采用GaAs等化合物半导体；（3）基于Si工艺，如何进一步提高迁移率？特别，如何提高CMOS中的p-MOSFET性能？•FET-IC的主要矛盾：（1）信号传输延迟时间τd∝CL/(μVm)，（CL是门的输出电容，Vm是逻辑电压摆幅，μ是载流子迁移率）；（2）开关能量E=Pdτd≈CLVm2/2。（Pd是门的功耗）。缩短τd要求增大Vm，而减小E要求降低Vm；解决办法：增大μ来缓和这种矛盾→沟道结构工程→调制掺杂异质结（对化合物半导体较合适）应变增强迁移率问题的缘起•异质结技术~引入了“弛豫”、“应变”或“赝晶”概念：（1）Si/Ge异质结：界面上的失配→如何避免？→弛豫Si，应变Si。GeSi（有失配位错）GeSi（无失配位错）弛豫SiGe应变SiGe：0%~x%（赝晶体）[赝晶体][晶格畸变]（2）p-HEMT中的异质结技术~引入了“赝晶”层：InGaAs/GaAs有晶格失配→生长InGaAs赝晶层→p-HEMT栅金属n-AlGaAsi-GaAsEF2-DEG常规HEMT的能带图栅金属n-AlGaAsi-GaAsEFp-HEMT的能带图i-AlGaAsi-InGaAs•GeSi-MOSFET技术~发现了“应变增强迁移率的效应”：空穴迁移率与温度的关系GeSi-MOSFET的结构常规MOSTGeSi-MOSTGeSi决定载流子迁移率的因素•迁移率：在j=σ│E│成立(弱电场)条件下,载流子的迁移率(电导迁移率)为μ=vd/│E│(单位是cm2/s.V).•载流子的散射：载流子在漂移运动过程中要受到散射→漂移速度有一个平均值vd。载流子遭受散射的程度用散射几率P≡1/τ表示(τ为动量弛豫时间，在简单情况下τ=平均自由时间)；则载流子总动量的变化决定于从电场获得的动量和散射失去的动量:d(nmn*vd)/dt=nqE－Pnmn*vd;稳定状态时总动量的变化为0,于是有qE－mn*vd/τ=0,vd=qτE/mn*,则得到μn=qτn/mn*和μp=qτp/mp*.见到：载流子的迁移率决定于有效质量[m*]和散射几率[P]！主要讲以下一些问题•载流子的有效质量与能带结构的关系•沟道中二维电子气的子能带概念•应变对载流子有效质量的影响•沟道中载流子迁移率增强效应•载流子的散射几率与能带结构的关系•应变Si-MOSFET•应变Ge材料和应变Ge-FET•弹道输运情况下的沟道结构工程•应变SOI-MOSFET•超薄体Si-MOSFET半导体的能带自由电子状态（准连续的能级）受到晶格周期性势场的影响→产生禁带而出现能带；紧束缚电子状态（能级）受到原子间相互作用的影响→发生能级分裂而出现能带。•能带的形成：两种观点0kE(k)π/a2π/a3π/a-π/a-2π/a-3π/a2|V3|2|V2|2|V1|1234(能带)0kEπ/a-π/a2|V3|2|V2|2|V1|1234(能带)•能带与Brillouin区：能带宽度？Brillouin区宽度？k0Eπ/a-π/a•超晶格的能带：超晶格周期？微能带？(原子能级)(晶体能带)•原子能级扩展为能带：超晶格周期能级与能带的对应？金刚石的电子能量与原子间距的关系导带价带原子间距(平衡位置)(电子能带)能量E2p2s2N6NEg导带价带EVECEg=7eV面心立方晶格(Si,Ge,GaAs等)的第一Brilouin区XLKΓWUΔΛΣQSXX[100][010][001][110][111]Si晶体的能带图01.17eV禁带自由电子能级XLΓkE100111导带价带XLΓ25’Γ15ΓΔ5Δ2’Λ3Λ1Λ1Λ3Δ1Δ2Γ2’5eVX1L1L3’(导带底等能面)kxkykzSi的6个导带底（6度简并）[100]kxkzky(价带顶的能带)重空穴带轻空穴带分裂带kE(价带顶等能面)kxky重空穴带轻空穴带Si的导带底和价带顶0.74eV禁带自由电子能级XLΓkE导带价带5eV1001110Γ25’Γ2’ΓXLΛ3Λ1Λ1Γ15Δ1Δ2’Δ2’Δ5X1L1L3’Ge晶体的能带图有8个导带底（能谷是4度简便并的！）在Ge（111）晶面上2-DEG的导带底和价带顶？•导带共有8个能谷，但完整的能谷只有4个→能谷是4度简并的！每个能谷都是一度简并的！•价带结构基本上与Si的相同（？）！价带中也有轻空穴和重空穴！半导体载流子的有效质量•有效质量与能带的关系？•半导体中载流子运动的描述：准经典近似？波包？加速度:a=(1/ħ2)(2E(k)/kikj)F=F/mn*.axayaz=(1/ħ2)2E(k)kxky2E(k)kxkz2E(k)kykz2E(k)kz22E(k)kzky2E(k)kzkx2E(k)kx22E(k)ky22E(k)kykxFxFyFz倒有效质量张量:(mn*)-1=(1/ħ2)k(kE).kkk000Evmn*+-π/a-π/a①mn*不同于惯性质量(含有晶格周期性势场的作用)。②mn*只在能带极值附近才有意义。③mn*可正可负,带底为正,带顶为负。④mn*大小与能带结构和宽窄有关：能带越宽，mn*越小；能带曲率半径越小，mn*越小。⑤mn*大小与晶向和简并等有关：电子有纵向和横向两个量；空穴有轻、重空穴之分。•有效质量的物理意义：•应变对导带电子有效质量的影响？张应变：压应变：•张应变使Brillouin区收缩→能带曲率半径变小→m*减小→μ增大。•在弛豫SiGe上的应变Si，μn可提高70%。压应变使Brillouin区增宽→能带曲率半径变大→m*增大→μ减小。张应变使导带电子能带的曲率半径变小π/a-π/a0kE能带•如何减小价带空穴的有效质量？(价带顶的能带)重空穴带轻空穴带分裂带kE(价带顶等能面)kxky重空穴带轻空穴带①采用应变来消除简并→近自由电子(压应变可以提高空穴迁移率[张应变可以提高电子迁移率])；②使能带曲率半径变小。例如：*在弛豫SiGe上的应变Si，μn可提高70%，μp可增大2倍；应变沟道中的μp可增大50%。*在应变Ge中的μp将增大40%（结果比Si中的μp大8倍）。射频CMOS-IC的开发？应变Ge-MOSFET及其IC的开发？•在半导体器件中产生应变的方法:选择适当的器件尺寸(长和宽)及有源Si层的晶向，可放大应变量。(1)采用应变衬底来生长应变层~如弛豫SiGe上的应变Si层(张应力).(2)通过器件中的(某个)元件产生应变~如浅沟槽隔离（STI）、硅化物接触、阻挡层、迭层和栅电极材料等(采用Si3N4作接触腐蚀阻挡层，可选择性地做在张力应变小的NMOS上和压缩应变的PMOS上，以便分别在它们各自沟道中引入张力及压缩应变).•能态密度函数：能带宽度？Brillouin区宽度？0Eg(E)ΔZ=g(E)ΔE(自由电子的能态密度函数)kykzkx(k空间中电子状态的分布)2πL*自由电子的状态用k空间中的点来代表：均匀分布;密度为V/4π3.*自由电子的能态密度:g(E)=4πV(2m/h2)3/2E1/2∝E1/2.半导体中载流子的散射几率晶格散射谷内散射谷间散射光学波声子散射声学波声子散射极性光学声子散射非极性光学声子散射光学波声子散射声学波声子散射缺陷散射晶体缺陷散射杂质散射合金散射电离杂质散射中性杂质散射载流子之间的散射•散射机理：注：半导体中主要的散射机构是晶格振动散射和电离杂质散射.温度(T)迁移率室温0电离杂质散射晶格振动散射低掺杂高掺杂•半导体载流子迁移率与温度的关系：（1）对于Si和Ge,在室温下迁移率随着温度的上升而降低[声学波散射时是T-3/2规律];并且掺杂浓度越高,迁移率就越低。（2）实际上，在较高温度下，Si和Ge迁移率下降的规律往往偏离T－3/2。这是由于Si和Ge是多能谷半导体，光学波-谷间散射的影响起着很大作用的缘故。•等价能谷[能量相同的导带底]之间散射的特点：（1）载流子在等价能谷之间散射时,动量的变化大→有较大的能量交换(≈ħω0=0.036eV),是非弹性散射。→谷间散射可大大降低迁移率。（2）在低温下,声子数量少→谷间散射的几率很小。→等价能谷之间的散射在较高温度时很重要。（3）不等价能谷之间的散射几率很小。→若把多个相同能量的能谷分裂为不同能量的能谷,即可降低散射几率,提高迁移率。→应变可消除能谷简并,提高迁移率。•价带空穴的带间散射:价带空穴在轻空穴带和重空穴带之间的散射，类似于电子在等价能谷之间的散射。→若把轻、重空穴带分裂开,即可降低带间散射几率,提高迁移率。→应变可消除轻、重空穴带的简并,提高迁移率。小结:提高载流子迁移率的措施•提高电子迁移率的主要措施：（1）减小非简并能带曲线的曲率半径→降低有效质量→提高迁移率；（2）使各个等价能谷分裂开来→降低谷间散射几率→提高迁移率。•提高空穴迁移率的主要措施：（1）使轻空穴带与重空穴带的简并消除~分开轻空穴带与重空穴带→降低带间散射几率→提高迁移率；（2）消除能带简并和减小能带曲率半径→降低有效质量m*→提高迁移率。为了提高迁移率,则要改造能带~能带结构工程:（1）降低有效质量;（2）降低带间散射几率.可采用应变技术来实现。半导体势阱中二维电子气的子能带•方势阱中的电子状态：是量子自由电子，总能量E=p2/2m=ħ2k2/2m∝k2，k=(2mE)1/2/ħ。定态Schrödinger方程：d2ψ(x)/dx2+(2m/ħ2)Eψ(x)=0，0xL；边界条件：x=0和x=L时，ψ(x)=0解：ψ(x)=Asinkx（驻波）。由x=L时ψ(x)=Asinkx=0，得知k=nπ/L，n=1，2，3，……；由波函数的归一化条件得到A=(2/L)1/2。∴ψn(x)=(2/L)1/2sinnπx/L；En=n2π2ħ2/(2mL2)（图示？）ψ3ψ1ψ2ψ(2/L)1/20xL|ψ2|(2/L)1/20xL0xLV(x)=∞ψ1,E1ψ2,E2ψ3,E3kE0（形成驻波）（1）电子是所谓二维电子气(2-DEG);（2）电子处在晶体中→电子的质量m用有效质量m*来代替；（3）势阱中的量子能级Ei分别用能带来代替→二维子能带Ei；（4）二维子能带的能态密度？——常数（与能量无关）。•晶体中三角形势阱（沟道）中的电子状态：特点能态密度能量E1E2E3z总能量E=(ħ2/2)(kx2/mx*+ky2/my*)+(ħ2/2mz*)1/3(3πqE/2)2/3(i+3/4)2/3,i=0,1,2,…•势阱(沟道)厚度对载流子迁移率的影响：薄的[量子]势阱(沟道)可使迁移率提高：量子能级En=n2π2ħ2/(2mL2)量子势阱厚度减小→能级分裂增大、基态能量升高[量子限域效应]→谷间散射几率减小→迁移率μ增大！(势阱较宽)(势阱较窄)提高2度能谷中2-DEG的浓度，即可增大μn！•Si沟道二维子能带的导带底状态：6度简并能谷的分裂4度简并的能谷2度简并的能谷[在（100）晶面上]2度简并能谷的特点：4度简并能谷的特点：①在（100）晶面上的2-DEG：电导有效质量较低（mt*=0.19m0）；能谷分裂→不等价能谷间的散射[谷间声子散射]几率↓μn↑；②在⊥（100）晶面方向上2-DEG的电导有效质量较大（ml*=0.91m0）→μn较低→较薄的反型层厚度，→较低的子带能量。①在（100）晶面上2-DEG的电导有效质量较高（=0.315m0）→μn较低；②在⊥（100）晶面方向上2-DEG的电导有效质量较低（=0.19m0）→μn较高→较厚的反型层厚度，→较高的子带能量。*为了提高2-DEG的迁移率，就要求增大2度能谷中的电子浓度。*如何实现