陳航宇 宋建軍 張潔 胡輝勇 張鶴鳴

(西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院,寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件重點實驗室,西安 710071)(2017年9月27日收到;2017年12月19日收到修改稿)

1 引 言

單軸應(yīng)力作用下,Si能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,空穴遷移率獲得增強(qiáng).單軸應(yīng)變Si應(yīng)用于小尺寸溝道p型金屬氧化物半導(dǎo)體(PMOS)時,器件性能顯著提升,是延續(xù)摩爾定律的重要技術(shù)手段[1?10].小尺寸單軸應(yīng)變Si PMOS溝道反型層遷移率與晶面/晶向密切相關(guān),優(yōu)化設(shè)計器件時應(yīng)選擇合理的晶面/晶向[11?14].目前,有關(guān)單軸應(yīng)變PMOS溝道反型層遷移率晶面/晶向排序結(jié)論已有相關(guān)文獻(xiàn)[15]報道(見圖1).

圖1(a)—(c)為弛豫情況下Si PMOS反型層載流子遷移率隨晶面/晶向變化圖,當(dāng)未施加應(yīng)力時,Si PMOS反型層的空穴遷移率排序為(110)＞(111)＞(001),最大的空穴遷移率出現(xiàn)在(110)晶面沿[10]晶向的溝道方向. 圖1(d)—(f)為應(yīng)力作用下的情況,由圖可見,1.5 GPa壓應(yīng)力作用下,(001)晶面的[110]晶向遷移率增強(qiáng)倍數(shù)最大,約為弛豫情況下的3倍;(110)晶面與(111)晶面遷移率增強(qiáng)幅度相接近,約為弛豫情況下的兩倍.即應(yīng)力作用下(001)晶面的增強(qiáng)幅度最大;然而,因為弛豫情況下(110)晶面的[10]晶向空穴遷移率最大,即基數(shù)最大,而(001)晶面的遷移率最小,在(110)晶面[10]晶向遷移率增大兩倍的情況下仍然大于(001)晶面的[110]晶向增強(qiáng)3倍的情況.故該研究還表明,最大空穴遷移率出現(xiàn)在(110)晶面的[10]晶向.

圖1 弛豫Si反型層載流子遷移率與單軸應(yīng)變反型層載流子遷移率增強(qiáng)圖Fig.1.Inversion layer mobility for unstrained Si and inversion layer mobility enhancement for uniaxial strain.

值得注意的是:一方面,以上文獻(xiàn)[15]報道僅為理論預(yù)測排序結(jié)果,尚未見涉及全部晶面/晶向排序驗證的實驗結(jié)論;另一方面,溝道受力為1.5 GPa應(yīng)力強(qiáng)度,是以上文獻(xiàn)[15]結(jié)論的前提條件,但在實際制作過程中無法引入1.5 GPa的壓應(yīng)力.這就意味著該理論排序模型還具有局限性.

我們知道,小尺寸應(yīng)變Si PMOS器件溝道應(yīng)力是通過其上方源區(qū)、漏區(qū)及柵覆蓋SiN應(yīng)力膜而引入的.SiN疏松膜具有膨脹的趨勢,疏松的SiN膜使得PMOS源/漏區(qū)域Si材料發(fā)生擴(kuò)張形變,源/漏區(qū)域擴(kuò)張形變進(jìn)一步引起了溝道區(qū)Si材料發(fā)生收縮形變.這樣,雖然疏松結(jié)構(gòu)SiN膜未直接接觸PMOS溝道區(qū)域,仍然對溝道區(qū)施加了壓應(yīng)變[10,16,17].為了便于理解,該應(yīng)力引入機(jī)理示意圖如圖2.

在器件實際制造過程中,由于SiN膜淀積工藝固定,而Si材料彈性勁度系數(shù)又具有各向異性,當(dāng)PMOS器件溝道選用不同晶面/晶向時,不同晶面/晶向應(yīng)變PMOS溝道所受應(yīng)力強(qiáng)度將不同,由于工藝因素間接導(dǎo)致上述文獻(xiàn)[15]溝道反型層遷移率晶面/晶向排序理論模型“失效”.

有鑒于此,本文選用(001),(110),(111)三個典型高對稱晶面Si襯底,利用器件平面工藝,并覆蓋淀積SiN應(yīng)力膜,制備不同晶面/晶向40 nm溝道小尺寸單軸應(yīng)變Si PMOS.通過測試所制備的PMOS樣品的轉(zhuǎn)移特性曲線,獲取小尺寸單軸應(yīng)變Si PMOS反型層遷移率晶面/晶向排序的實驗結(jié)論,并對本文實驗排序結(jié)果與文獻(xiàn)[15]理論預(yù)測排序結(jié)果予以比對說明.

圖2 SiN膜結(jié)構(gòu)與PMOS溝道應(yīng)力類型對應(yīng)關(guān)系Fig.2.Relationship between SiN film and the type of stress in PMOS channel.

本文有關(guān)小尺寸單軸應(yīng)變Si PMOS溝道反型層遷移率晶面/晶向排序的相關(guān)結(jié)論,由于考慮了工藝實現(xiàn)因素,與文獻(xiàn)[15]理論預(yù)測排序結(jié)果相比,可更適于指導(dǎo)實際工藝制備.同時,本文相關(guān)分析方法也可為其他應(yīng)變材料溝道MOS的設(shè)計與制備提供重要技術(shù)參考.

2 實驗過程

單軸壓應(yīng)變Si PMOS典型的結(jié)構(gòu)示意圖見圖3,在傳統(tǒng)平面工藝制造好PMOS之后,其溝道壓應(yīng)力是通過在源漏區(qū)上方淀積疏松的SiN薄膜而引入的.

為研究不同晶面/晶向載流子遷移率的大小排序,首先進(jìn)行實驗方案的確定.本文采用中國科學(xué)院微電子研究所40 nm單軸應(yīng)變Si PMOS工藝,工藝流程如圖4所示.

依據(jù)晶體極射赤面投影圖進(jìn)一步確定溝道晶面/晶向[18],利用圖5所示晶體極射赤面投影圖各晶向之間的角度關(guān)系,并參考Si晶圓定位邊晶向,通過旋轉(zhuǎn)角度,即可確定出不同晶面溝道的各個晶向.

圖3 單軸壓應(yīng)力Si PMOS結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3.Schematic structure of uniaxial strained Si PMOS device.

圖4 器件制備工藝流程圖Fig.4.Flow chart of device manufacturing.

圖5 不同晶面極射赤面投影圖 (a)(001)晶面;(b)(110)晶面;(c)(111)晶面Fig.5.Stereographic projection for different crystal planes:(a)(001);(b)(110);(c)(111).

Si晶體具有對稱性,0°—90°可作為一個周期單元,即可代表所有的晶向.如圖5(a)(001)晶面上0°對應(yīng)[010]晶向,45°對應(yīng)[110]晶向,90°對應(yīng)[100]晶向;圖5(b)(110)晶面上0°對應(yīng)[001]晶向,90°對應(yīng)[10]晶向;圖5(c)(111)晶面0°對應(yīng)[11]晶向,90°對應(yīng) [10]晶向.

基于以上討論,本文確定應(yīng)變PMOS溝道晶面/晶向方案為:在(001),(110),(111)三個不同晶面晶圓上,分別制作弛豫情況與應(yīng)力作用下溝道角度為0°—90°范圍的晶體管(以15°為一個間隔).其中,(001)晶面相較其他晶面對稱性更高,我們選擇制備了溝道角度為45°—90°范圍的晶體管.圖6為所制備的PMOS的一組顯微照片(以應(yīng)變(110)晶面為例,其他晶面以及弛豫情況顯微照片與之類似).

利用4200-SCS半導(dǎo)體特性分析系統(tǒng)對上述所制備的不同角度晶體管進(jìn)行轉(zhuǎn)移特性曲線測試,獲得實驗數(shù)據(jù),并繪制不同晶面/晶向弛豫情況與壓應(yīng)力作用下的轉(zhuǎn)移特性曲線.

3 結(jié)果與討論

利用飽和區(qū)漏電流公式(1),可以間接得出載流子遷移率的大小:

在同一工藝下,不同晶向柵氧化層電容Cox與寬長比W/L相同,忽略應(yīng)力對于閾值電壓VT的影響,則在同一柵極電壓情況下,電流大小僅與反型層空穴遷移率μ相關(guān).因此通過器件轉(zhuǎn)移特性曲線,比較不同角度的電流大小即可得出不同角度即不同晶向的遷移率大小.

圖7所示為(001)晶面弛豫情況與壓應(yīng)力作用下不同角度的PMOS轉(zhuǎn)移特性曲線.通過對轉(zhuǎn)移特性曲線的提取分析,獲得柵壓為?1 V時的不同溝道角度的漏極電流大小如圖8,進(jìn)而可得到(001)晶面不同晶向反型層載流子遷移率的排序如表1.

圖7 (001)晶面轉(zhuǎn)移特性曲線 (a)弛豫情況;(b)單軸應(yīng)力作用Fig.7.Transfer characteristic curve of(001)crystal plane:(a)Relaxation;(b)uniaxial strained.

表1 不同晶面/晶向反型層載流子遷移率排序表Table 1.Sort table of inversion layer mobility on different crystal planes/orientation.

結(jié)合圖7(a)與圖8可以得出:弛豫情況下PMOS溝道角度從45°至90°的轉(zhuǎn)向過程中,漏極電流逐漸增大,即對應(yīng)載流子遷移率逐漸增大.弛豫情況下(001)晶面反型層等能圖如圖9(a),[110]晶向?qū)?yīng)溝道角度為45°的PMOS空穴有效質(zhì)量最大,其載流子遷移率最小;[100]晶向?qū)?yīng)溝道角度為90°的PMOS空穴有效質(zhì)量最小,其載流子遷移率最大.但由于考慮等能圖為雙橢球模型[19],故[110]晶向與[010]晶向載流子有效質(zhì)量雖有差距,但差距不大,因而弛豫情況下載流子遷移率排序與理論報道差距不大.

圖8 ?1 V柵壓下(001)晶面弛豫與應(yīng)力作用下漏極電流與溝道角度的關(guān)系Fig.8.Relationship between drain current and channel angel under the in fl uence of relaxation or stress on(001)crystal plane at?1 V gate voltage.

圖9 弛豫情況下不同晶面反型層等能圖 (a)(001);(b)(110);(c)(111)Fig.9. Equal-energy surfaces of different crystal planes of inversion layer under the in fl uence of relaxation:(a)(001);(b)(110);(c)(111).

結(jié)合圖7(b)與圖8可以得出:壓應(yīng)力作用下,(001)晶面載流子遷移率排序與弛豫情況下的排序相同,仍為90°最高,45°最低;但是不同角度載流子遷移率較弛豫情況下有很大提升,增強(qiáng)倍數(shù)各不相同,90°時增強(qiáng)倍數(shù)最高,45°增強(qiáng)倍數(shù)最小,這是由于Si材料彈性勁度系數(shù)具有各向異性,在同種工藝淀積SiN應(yīng)力膜時,不同晶向溝道上所反映出的應(yīng)力大小各不相同.

圖10為弛豫情況與壓應(yīng)力作用下(110)晶面不同角度的PMOS轉(zhuǎn)移特性曲線,通過對轉(zhuǎn)移特性曲線的提取分析可知:弛豫情況與應(yīng)力作用下(110)晶面隨著角度的遞增,其漏電流逐漸增大,柵壓為?1 V時的不同溝道角度的漏極電流大小如圖11,進(jìn)而可得到(110)晶面不同晶向反型層載流子遷移率的排序如表1.

圖10 (110)晶面轉(zhuǎn)移特性曲線 (a)弛豫情況;(b)單軸應(yīng)力作用Fig.10.Transfer characteristic curve of(110)crystal plane:(a)Relaxation;(b)uniaxial strained.

圖11 ?1 V柵壓下(110)晶面弛豫與應(yīng)力作用下漏極電流與溝道角度的關(guān)系Fig.11.Relationship between drain current and channel angel under the in fl uence of relaxation or stress on(110)crystal plane at?1 V gate voltage.

圖12為弛豫情況與壓應(yīng)力作用下(111)晶面不同角度的PMOS轉(zhuǎn)移特性曲線,通過對轉(zhuǎn)移曲線提取分析,獲得柵壓為?1 V時的不同溝道角度的漏極電流大小如圖13,進(jìn)而可得到(111)晶面不同晶向反型層載流子遷移率的排序如表1.

結(jié)合圖12(a)與圖13可以得出:弛豫情況下,(111)晶面90°與30°晶向其漏電流大小接近,15°與75°晶向漏電流大小接近,0°與60°晶向漏電流大小接近,進(jìn)而得出90°與30°晶向反型層載流子遷移率大小接近,15°與75°次之,45°較小,0°與60°最小.通過對比(111)晶面弛豫情況下的反型層等能圖,如圖9(c),可以得出0°與60°晶向、15°與75°晶向、30°與90°晶向為對稱晶向,其載流子有效質(zhì)量相同,則理論上其載流子遷移率相同,與本文實驗中得到的結(jié)論相符,亦與理論報道相接近.從(111)晶面弛豫情況下的反型層等能圖還可以發(fā)現(xiàn)各個晶向載流子有效質(zhì)量相差不大,所以各個晶向載流子遷移率不會有大的差距.進(jìn)而得到弛豫情況下(111)晶面 [10]晶向載流子遷移率稍大于 [11]晶向載流子遷移率.

圖12 (111)晶面轉(zhuǎn)移特性曲線 (a)弛豫情況;(b)單軸應(yīng)力作用Fig.12.Transfer characteristic curve of(111)crystal plane:(a)Relaxation;(b)uniaxial strained.

圖13 ?1 V柵壓下(110)晶面弛豫與應(yīng)力作用下漏極電流與溝道角度的關(guān)系Fig.13.Relationship between drain current and channel angel under the in fl uence of relaxation or stress on(111)crystal plane at?1 V gate voltage.

結(jié)合圖12(b)與圖13可以得出:壓應(yīng)力作用下,從0°到90°晶向的轉(zhuǎn)動過程中,漏電流逐漸增加,即相應(yīng)載流子的遷移率逐漸增加,90°對應(yīng)的[10]晶向載流子遷移率最大,0°對應(yīng)的 [11]晶向載流子遷移率最小.與理論上的排序結(jié)果不符,主要原因在于應(yīng)力作用下,由于其彈性勁度系數(shù)具有各向異性,所以在(111)晶面上不同晶向所對應(yīng)的溝道上所受的應(yīng)力并不相同,[10]晶向溝道所受的壓應(yīng)力相對其他晶向的大,而[11]晶向溝道所受的壓應(yīng)力最小.但是在理論分析過程中默認(rèn)在(111)晶面上不同晶向所對應(yīng)的溝道所受應(yīng)力大小相等.

圖14 90°溝道下不同晶面轉(zhuǎn)移特性曲線 (a)弛豫情況;(b)單軸應(yīng)力作用Fig.14.Transfer characteristic curve of 90°channel on different crystal planes:(a)Relaxation;(b)uniaxial strained.

在之前的討論中可以得到,弛豫與壓應(yīng)力情況下,溝道角度為90°時對應(yīng)不同晶面的最大遷移率.通過比較不同晶面90°溝道下的轉(zhuǎn)移特性曲線,如圖14,可以得出:弛豫情況下載流子遷移率排序為(110)＞(111)＞(001),載流子遷移率最大值出現(xiàn)在(110)晶面的90°溝道下;應(yīng)力作用下,載流子遷移率排序為(110)＞(111)＞(001),載流子遷移率最大值同樣出現(xiàn)在(110)晶面的90°溝道下,即在壓應(yīng)力條件下最大遷移率為(110)晶面的[10]晶向上.

通過在同一工藝下對實驗所制備的小尺寸壓應(yīng)力下Si PMOS進(jìn)行測試,得到實驗與理論情況下,壓應(yīng)力作用時不同晶面反型層載流子遷移率排序?qū)Ρ缺砣绫?,可以看出,實驗情況與理論分析有些許出入,這主要是由于晶體的彈性勁度系數(shù)具有各向異性,在同一實驗環(huán)境下,淀積相同的SiN應(yīng)力膜時,不同晶向溝道上所反映出的壓應(yīng)力大小不同.

為進(jìn)一步說明實驗結(jié)果,采用(001)晶面不同晶向的器件進(jìn)行反型層載流子遷移率的驗證,通過計算得到弛豫情況下,(001)晶面90°方向,即[100]晶向,載流子遷移率約為82 cm2/(V·s);而(001)晶面45°方向,即[110]晶向,載流子遷移率約為80 cm2/(V·s).這與理論情況相接近,文獻(xiàn)[15]理論報道中弛豫情況下(001)晶面不同晶向反型層載流子遷移率大小一致,約為87 cm2/(V·s).

表2 應(yīng)力作用下PMOS反型層載流子遷移率對比Table 2.Comparative table of inversion layer mobility of Si PMOS under stress.

應(yīng)力作用下,實際測得(001)晶面90°方向,即[100]晶向,載流子遷移率約為136 cm2/(V·s);而(001)晶面45°方向,即[110]晶向,載流子遷移率約為115 cm2/(V·s).[100]晶向反型層載流子遷移率增強(qiáng)幅度約為1.66倍,[110]晶向反型層載流子遷移率增強(qiáng)幅度約為1.44倍,這與文獻(xiàn)[15]結(jié)果相差較大,其原因在于文獻(xiàn)[15]中采用了1.5 GPa單軸應(yīng)力,而在實際工藝中利用氮化硅膜無法引入這么大的應(yīng)力,并且晶體彈性勁度系數(shù)具有各向異性,使得文獻(xiàn)[15]結(jié)果與實驗結(jié)果具有不統(tǒng)一之處,因此結(jié)果合理.

4 結(jié) 論

本文通過實驗系統(tǒng)驗證了小尺寸單軸應(yīng)變Si PMOS不同晶面/晶向載流子的遷移率變化,并與理論相對比,得出了在工業(yè)制造中的具體情況下不同晶面/晶向載流子的遷移率排序.

在本實驗工藝條件下,小尺寸單軸應(yīng)變Si PMOS反型層載流子遷移率排序表面上與理論計算看似不統(tǒng)一.一方面是由于理論計算時設(shè)定不同晶面、不同晶向所受到的壓應(yīng)力大小相同,均為1.5 GPa,而在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)變PMOS器件中引入的壓應(yīng)力大小為1.0 GPa,無法引入1.5 GPa的壓應(yīng)力;另一方面是由于晶體存在彈性勁度系數(shù)矩陣,因此對于Si晶體而言其彈性勁度系數(shù)具有各向異性,當(dāng)使用同一工藝淀積SiN應(yīng)力膜時,不同晶向溝道上所反映出的應(yīng)力大小將會有所不同,而這將會導(dǎo)致不同晶向上載流子遷移率的增強(qiáng)倍數(shù)各不相同,因此產(chǎn)生了實驗結(jié)果與理論分析不統(tǒng)一的情況.

本文實驗情況由于考慮到實際工藝的影響,給出了所有晶面/晶向的反型層載流子遷移率排序,所得出的反型層載流子遷移率新排序可為實際器件的制造提供具有指導(dǎo)性的參考,同時為其他應(yīng)變材料的分析提供了一種新的思路.

[1]Guan H,Guo H 2017Chin.Phys.B26 058501

[2]Theerani J T 2017IEEE Trans.Electron Dev.64 3316

[3]Bai M,Xuan R X,Song J J,Zhang H M,Hu H Y,Shu B 2015Comput.Theor.Nanos12 1610

[4]Hao M R,Hu H Y,Liao C G,Wang B,Zhao X H,Kang H Y,Su H,Zhang H M 2017Acta Phys.Sin.66 076101(in Chinese)[郝敏如,胡輝勇,廖晨光,王斌,趙小紅,康海燕,蘇漢,張鶴鳴2017物理學(xué)報66 076101]

[5]Song J J,Yang C,Zhu H,Zhang H M,Xuan R X,Hu H Y,Shu B 2014Acta Phys.Sin.63 118501(in Chinese)[宋建軍,楊超,朱賀,張鶴鳴,宣榮喜,胡輝勇,舒斌2014物理學(xué)報63 118501]

[6]Liu W F,Song J J 2014Acta Phys.Sin.63 238501(in Chinese)[劉偉峰,宋建軍 2014物理學(xué)報 63 238501]

[7]Lee C H,Southwick R G,Bao R,Mochizuki S,Paruchuri V,Jagannathan H 2017Symposia on VLSI TechnologyKyoto,Japan,June 5–8,2017 p126

[8]Li L,Liu H X,Yang Z N 2012Acta Phys.Sin.61 166101(in Chinese)[李立,劉紅俠,楊兆年 2012物理學(xué)報 61 166101]

[9]Kasim J,Reichel C,Dilliway G,Bai B,Zakowsky N 2015Solid-State Electronics110 19

[10]Huang H L,Chen J K,Houng M P 2013Solid-State Electron.79 31

[11]Wang X Y 2012Ph.D.Dissertation(Xi’an:Xidian University)(in Chinese)[王曉艷 2012博士學(xué)位論文 (西安:西安電子科技大學(xué))]

[12]Dai X Y,Yang C,Song J J,Zhang H M,Hao Y,Zheng R C 2012Acta Phys.Sin.61 137104(in Chinese)[戴顯英,楊程,宋建軍,張鶴鳴,郝躍,鄭若川2012物理學(xué)報61 137104]

[13]Wang G Y,Song J J,Zhang H M,Hu H Y,Ma J L,Wang X Y 2012Acta Phys.Sin.61 097103(in Chinese)[王冠宇,宋建軍,張鶴鳴,胡輝勇,馬建立,王曉艷2012物理學(xué)報61 097103]

[14]Zhang W H,Li Z C,Guan Y H,Zhang Y F 2017Chin.Phys.B26 078502

[15]Krishnamohan T,Kim D,Dinh T V,Pham A,Meinerzhagen B,Jungemann C,Saraswat K 2008Electron Devices MeetingSan Francisco,CA,USA,December 15–17,2008 p1

[16]Cai W L,Takenaka M,Takagi S 2014J.Appl.Phys.115 094509

[17]Yang M Y,Song J J,Zhang J,Tang Z H,Zhang H M,Hu H Y 2015Acta Phys.Sin.64 238502(in Chinese)[楊旻昱,宋建軍,張靜,唐召喚,張鶴鳴,胡輝勇 2015物理學(xué)報64 238502]

[18]Song J J 2008Ph.D.Dissertation(Xi’an:Xidian University)(in Chinese)[宋建軍 2008博士學(xué)位論文 (西安:西安電子科技大學(xué))]

[19]Song J J,Bao W T,Zhang J,Tang Z H,Tan K Z,Cui W,Hu H Y,Zhang H M 2016Acta Phys.Sin.65 018501(in Chinese)[宋建軍,包文濤,張靜,唐昭煥,譚開洲,崔偉,胡輝勇,張鶴鳴2016物理學(xué)報65 018501]