源漏诱生应变Si/Ge沟道MOSFET关键技术研究

摘要

自微电子工艺进入纳米尺寸以来，应变技术就以其对材料迁移率的显著提升成为了业界关注的焦点。目前源漏诱生应变Si沟道n-MOSFET尚处于研究阶段，其原因在于Si:C较高的源漏电阻限制了器件驱动能力的提高。与此同时，由于应变Ge MOSFET的研究才刚刚起步，基于源漏诱生应变技术的GeMOSFET还鲜有报道。为此，本文针对Si:C为源漏的应变Sin-MOSFET与GeSn为源漏的应变Ge pMOSFET，对其关键科学技术问题进行了专项研发与实验分析。研究内容包括C原子浓度分布优化、新型Si:C接触材料设计、GeSn合金生长与应用。
　　论文第一部分采用离子注入与快速热退火形成了一种“倒置分布”的 C浓度结构。该结构中C原子主要分布在距源漏表面15～45nm处，峰值浓度为8×1020cm-3；源漏表面0～15nm内C原子分布较少，平均浓度为3×1020cm-3。当退火温度为800℃，退火时间为40秒时，样品中的替位式C含量为1.2％，方块电阻为380Ω/□。与常规C浓度分布的样品相比，其替位式C含量基本保持不变，方块电阻降低了70%。实验结果表明，该结构可在保证替位式C含量的基础上有效降低Si:C源漏电阻。同时，该结构亦可降低Si:C表面NiSi接触电极的电阻，当NiSi形成温度为400～650℃时，“倒置C分布”样品的NiSi方块电阻与常规样品相比降低了10%。
　　论文随后开发了一种适用于CMOS工艺的Ni1-xAlxSi电子/空穴双向势垒调制技术。该技术利用Si:C源漏中C原子对其表面Al原子扩散的抑制作用，在NiSi形成过程中引入了峰值浓度为2×1021cm-3的Al原子，由此形成的Ni1-xAlxSi接触电极电子势垒为0.44eV，与普通NiSi相比下降了0.25eV。在p-MOSFET中，由于缺少C原子的抑制作用，大量Al原子在NiSi形成过程中扩散至NiSi/Si界面，使该处Al浓度由初始的1×1018cm-3上升至1×1020cm-3，并由此造成了空穴势垒的降低。采用该技术制备的Si:C MOSFET源漏电阻率为684Ω·μm，与常规Si:C器件相比降低了50%。当沟道长度为100nm时，其饱和区电流与峰值跨导分别提高了30%与17%。统计性测试表明，当截止态电流为0.5μA/μm时，其饱和区电流亦有12%的提升。与此同时，该技术不会对器件的短沟道特性造成影响，当沟道长度为100nm时，其亚阈摆幅与DIBL分别为99mV/dec与120mV/V，与常规器件一致。
　　在论文第三部分中，研发了一种适用于应变Ge MOSFET的源漏晶格失配材料GeSn。材料制备过程中采用离子注入在Ge晶体中引入Sn，并通过后续热退火使之成为GeSn合金。为研究工艺条件对材料质量的影响，样品制备时分别采用了2×1015cm-2、4×1015cm-2、8×1015cm-2三种Sn注入剂量，以及快速热退火、准分子激光退火两种退火方式。实验结果表明，快速热退火可将单晶Ge中的Sn原子激发至替位式位置形成GeSn合金。当退火温度为400℃时，Sn原子激活率为100%，其峰值浓度固定为1×1021cm-3，与Sn的初始注入剂量无关。采用准分子激光退火可将材料中的非晶GeSn完全转化为单晶，且材料表面平整，无位错缺陷产生。经功率密度为400mJ/cm2的激光照射5次后，Sn注入剂量为8×1015cm-2的样品中的替位式Sn含量为1.7%，约为快速热退火样品的70%。
　　论文最后对GeSn合金在Ge MOSFET源漏中的实际应用进行了研究。实验结果表明，在Sn离子注入过程中，当Sn浓度超过1×1019cm-3时即会在样品表面产生非晶层，且会对Ge衬底表面造成溅射损伤。当注入能量为35keV时，溅射形成的凹坑深度达到30nm。该凹坑内存在大量缺陷，同时非晶层与衬底界面亦存在离子注入末端缺陷。当以上两类缺陷位于p-n结耗尽区附近时，源漏泄漏电流将急剧增加，因此，Sn离子注入能量不宜过高。当Sn注入能量为25keV时，退火后形成的GeSn合金厚度约为20nm，材料中替位式Sn原子含量为2.6%，方块电阻为25Ω/□，且源漏泄漏电流小于0.1mA/μm2，可达到应变Ge沟道MOSFET的设计要求。
　　本文研发的新技术可有效降低Si:C源漏电阻，提高其源漏诱生应变MOSFET的电流驱动能力。与此同时，本文开发的基于“离子注入＋热退火”方式的GeSn合金生长技术亦具有一定参考价值。该技术与现有CMOS工艺兼容，附加成本低，适用于大规模应变Ge MOSFET生产，但其生长的GeSn合金质量还有待提高。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 引 言

1.1 应变MOSFET技术的发展历史与研究现状

1.2 论文主要工作

1.3 论文结构安排

第二章 Si:C源漏碳原子浓度分布优化设计

2.1 研究背景与研究内容

2.2 样品制备流程

2.3 倒置C分布的Si:C材料分析与表征

2.4 具有倒置C浓度结构的NiSi接触电极特性分析

2.5 本章小结

第三章 新型Si:C源漏接触材料研究

3.1 研究背景与研究内容

3.2 样品制备流程

3.3 掺杂NiSi材料特性研究

3.4 Ni1-xAlxSi在Si:C源漏应变n-MOSFET中的应用

3.5 本章小结

第四章 适用于应变Ge沟道MOSFET的GeSn材料生长技术研究

4.1 研究背景与研究内容

4.2 离子注入参数设计与样品制备

4.3 快速热退火GeSn材料特性分析

4.4 准分子激光退火GeSn材料特性分析

4.5 本章小结

第五章GeSn合金在应变Ge MOSFET源漏结构中的应用研究

5.1 研究背景与研究内容

5.2 源漏结构设计与样品制备

5.3 样品测试与分析

5.4 本章小结

第六章 结 论

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果