高性能应变SiGe PMOSFET器件结构设计与关键工艺研究

摘要

SiGe技术利用SiGe/Si之间的带隙差和晶格失配率，将能带工程与应变工程引入Si基器件与集成电路的制造当中，提高了器件载流子迁移率和器件结构设计的灵活性，从而增强了Si基器件电学性能，为Si集成电路的持续发展提供了一条有效的途径。
　　 本文从弛豫Si与SiGe材料的基本物理特性与应变SiGe材料的制备工艺入手，分析了应变SiGe材料的应力引入机制，基于弛豫Si与SiGe材料的能带结构，重点研究了应变SiGe材料空穴迁移率增强机制，建立应变SiGe材料的迁移率、介电常数、价带带隙差等主要物理参数的解析模型；基于器件物理，结合应变SiGe PMOS结构与制造工艺特点，采用耗尽层近似建立了量子阱沟道应变SiGe PMOS的阈值电压模型，该模型反映了衬底与沟道掺杂浓度，沟道锗组分，硅帽厚度等物理与几何结构参数对阈值电压的影响；在以上研究的基础上，研究分析了应变SiGe材料制备温度与生长速度、离子注入能量与剂量、快速热退火时间与温度等关键工艺参数对量子阱沟道应变SiGePMOS器件物理、电学特性的影响；最后利用工艺仿真Silvaco软件对器件性能与制备工艺进行仿真、优化，获得了优化的量子阱沟道应变SiGe PMOS器件制备工艺步骤与工艺条件，以及性能增强的器件结构模型，为应变SiGe器件的制造与应用奠定了技术基础。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外SiGe/Si技术的发展动态

1.3 本论文主要工作

第二章 应变SiGe器件基本物理特性

2.1 SiGe材料的形成及其特点

2.1.1 SiGe晶格结构的分析

2.1.2 SiGe合金禁带宽度

2.2 应变SiGe本征载流子浓度和有效态密度

2.2.1 应变SiGe载流子有效质量

2.2.2 应变SiGe载流子迁移率模型

2.3 本章小结

第三章 应变SiGe PMOSFET电学特性研究

3.1 SiGe PMOSFET的基本结构和工作原理

3.2 应变对能带的影响

3.3 应变SiGe PMOSFET的电学模型

3.3.1 阈值电压

3.3.2 I-V特性及跨导

3.3.3 频率特性

3.3.4 模型仿真

3.4 器件结构参数优化设计

3.4.1 Si帽层

3.4.2 栅氧层

3.4.3 Ge组分

3.4.4 SiGe层厚度

3.5 本章小结

第四章 SiGe PMOSFET器件制备关键工艺技术研究

4.1 离子注入

4.1.1 核碰撞和电子碰撞

4.1.2 注入射程估计

4.1.3 杂质分布

4.1.4 沟道注入

4.2 退火

4.2.1 离子注入造成的损伤

4.2.2 退火温度的影响

4.2.3 热退火过程中的扩散效应

4.2.4 退火对器件性能的影响

4.2.5 快速退火

4.3 SiGe外延生长

4.3.1 温度对外延层质量的影响

4.3.2 外延层生长速率

4.4 LDD结构

4.5 本章小结

第五章 SiGe PMOSFET工艺优化及器件仿真

5.1 工艺优化

5.2 SiGe器件与Si器件器件性能仿真比较

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献