sige半導(dǎo)體在si基集成電路中的重要作用

sige半導(dǎo)體在si基集成電路中的重要作用

1iiing膜的提出30多年后，si一直是發(fā)達國家工業(yè)中唯一的半材料。盡管最早采用的是Ge,并且其他某些半導(dǎo)體材料也許具有較高的載流子遷移率、較大的載流子飽和漂移速度和較寬的禁帶寬度,但由于Si的許多優(yōu)良特性,特別是能方便地形成極其有用的絕緣膜——SiO2膜,而且在Si工藝中也能夠方便地使用另一種很有價值的絕緣膜——Si3N4膜,從而利用Si能夠?qū)崿F(xiàn)最廉價的集成電路工藝,所以在整個微電子技術(shù)中,Si器件的應(yīng)用超過了97%。雖然現(xiàn)在Si在微電子技術(shù)中占據(jù)著主導(dǎo)地位,但是由于其載流子的遷移率和飽和漂移速度較低,而且具有間接躍遷能帶結(jié)構(gòu),限制了它在若干方面的應(yīng)用。因此,在許多模擬電子技術(shù)領(lǐng)域,特別是在高頻、高速方面(例如射頻功率放大器和激光器),往往是GaAs、InP等化合物半導(dǎo)體起主要作用。然而,化合物半導(dǎo)體技術(shù)難以大規(guī)模集成,同時,加工不便、成本較高,所以人們還是希望從Si技術(shù)中尋找出適應(yīng)高頻、高速需要的新技術(shù)。最早由IBM提出的SiGe技術(shù)在很大程度上滿足了這種需求。SiGe技術(shù)由于能夠在Si片上通過能帶工程和應(yīng)變工程改善Si的性能,同時又能夠采用成熟和廉價的Si工藝技術(shù)來加工,所以受到人們的極大關(guān)注。1998年,研制出實用的射頻(RF)SiGe異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(SiGe-HBT),并且在微電子技術(shù)的主流領(lǐng)域——CMOS集成電路中表現(xiàn)出越來越重要的作用。本文介紹SiGe技術(shù)在雙極型、場效應(yīng)器件及其集成電路發(fā)展中的重要作用與概況。2siga-hct2.1發(fā)射結(jié)注入效率降低一般說來,雙極型晶體管(BJT)的功耗較大,然而它具有較高的工作頻率和較低的噪聲,故常常應(yīng)用于要求低噪聲、高線性度和高頻的模擬電路與高速數(shù)字電路中。但是,常規(guī)BJT難以實現(xiàn)超高頻、超高速,這是由于它本身存在若干固有的內(nèi)在矛盾。例如,為了進一步提高頻率和速度,就要求減小基極電阻、減小集電結(jié)勢壘電容、減小發(fā)射結(jié)勢壘電容和減小襯底等的寄生電容。而減小基極電阻所需要采取的措施就是提高基區(qū)摻雜濃度和增寬基區(qū)厚度,但這會相應(yīng)地使得發(fā)射結(jié)注入效率降低和載流子渡越基區(qū)的時間增長,又反過來影響到頻率、速度和放大性能;況且由于發(fā)射區(qū)的最高摻雜濃度受到一定的限制,為了維持足夠的放大性能,基區(qū)摻雜濃度也不可能無限制地提高。減小發(fā)射結(jié)勢壘電容所需要采取的措施就是降低發(fā)射區(qū)摻雜濃度,但這也會使發(fā)射結(jié)注入效率降低,影響放大系數(shù)。而減小集電結(jié)耗盡層電容要求增加集電結(jié)耗盡層厚度和減小集電結(jié)面積,但這會使渡越集電結(jié)耗盡層的時間增加,同時功率容量也將受到影響。此外,減小寄生電容,特別是襯底的寄生電容,就需要改變管芯的結(jié)構(gòu)和工藝(例如采用SOI或SOS結(jié)構(gòu)的襯底),并減小管芯尺寸等?？梢?提高BJT的頻率和速度,與提高其放大性能是互相矛盾的;BJT的優(yōu)化設(shè)計只能在很多相互關(guān)聯(lián)的性能因素之間進行折中考慮,所以其工作頻率和速度也只能達到一定的水平,難以實現(xiàn)超高頻和超高速。另外,BJT在降低噪聲方面也表現(xiàn)出尖銳的內(nèi)在矛盾,因為基區(qū)摻雜濃度的提高和基區(qū)寬度的增大要受到一定的限制,故基極電阻不能做得很低,所以一般的BJT很難實現(xiàn)低噪聲、特別是低噪聲寬帶的放大功能。20世紀50年代提出來的HBT(異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管)是克服了常規(guī)BJT固有矛盾的一種雙極型器件。HBT是由禁帶寬度較大(大于基區(qū)的禁帶寬度)的半導(dǎo)體作為發(fā)射區(qū)的一種BJT,即采用異質(zhì)發(fā)射結(jié)的雙極型晶體管。所用異質(zhì)結(jié)的能帶如圖1所示。為了避免尖峰(電子勢壘)對電子注入的影響,在HBT中一般采用圖1(b)所示的緩變異質(zhì)結(jié)。這種異質(zhì)發(fā)射結(jié)注入電子的效率很高(≈1),因為空穴的反向注入幾乎完全被額外的一個空穴勢壘阻擋,即發(fā)射結(jié)的注入效率主要由結(jié)兩邊禁帶寬度的差異所造成的一個額外的空穴勢壘(高度為ΔEV)決定,而與發(fā)射區(qū)和基區(qū)的摻雜濃度基本上無關(guān)。因此,HBT可以在保持較高的發(fā)射結(jié)注入效率(～電流放大系數(shù)β)的前提下,容許提高基區(qū)的摻雜濃度和降低發(fā)射區(qū)的摻雜濃度,從而使器件的基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)得以減弱(可得到較高的Early電壓VA)、基極電阻減小、大注入效應(yīng)減弱、發(fā)射結(jié)勢壘電容減小、發(fā)射區(qū)禁帶寬度變窄效應(yīng)消失,并可通過減薄基區(qū)寬度大大縮短基區(qū)渡越時間,所以能夠?qū)崿F(xiàn)超高頻、超高速和低噪聲的性能,從而提供最大的βVA值(Early電壓-增益乘積,是模擬電路應(yīng)用中最重要的參數(shù)之一),有利于微波應(yīng)用。采用Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體制作的HBT,就是最早進入毫米波領(lǐng)域應(yīng)用的一種三端有源器件。2.2sige-hbt的性能SiGe-HBT是發(fā)射區(qū)用Si、基區(qū)用SiGe制作的一種異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管,即采用Si/SiGe異質(zhì)結(jié)作為發(fā)射結(jié)的晶體管。因為Si和Ge的電子親和能相差不多(分別為4.00eV和4.05eV),則在Si/SiGe異質(zhì)結(jié)中導(dǎo)帶底的能量突變量ΔEC很小(一般可以忽略不計),主要是產(chǎn)生價帶頂?shù)哪芰颗_階ΔEV(近似為SiGe合金與Si的禁帶寬度之差ΔEg,大約為200meV)。因此,在Si/SiGe異質(zhì)結(jié)中,通過禁帶寬度的差異,造成一個較高的額外的空穴勢壘,使空穴從SiGe區(qū)向Si區(qū)的注入受到抑制,從而極大地提高了Si/SiGe異質(zhì)結(jié)注入電子的效率。將這種異質(zhì)結(jié)用作n-p-n型HBT的發(fā)射結(jié),可大大提高晶體管的電流放大系數(shù),并使電流放大系數(shù)基本上與發(fā)射結(jié)兩邊的摻雜濃度無關(guān)。與化合物半導(dǎo)體HBT相比,SiGe-HBT具有許多特殊的優(yōu)點:可以采用成熟的Si工藝技術(shù),制作成本較低,易于集成;由于采用異質(zhì)發(fā)射結(jié),它可以在不必顧及放大系數(shù)降低的條件下采取各種措施,以提高頻率和速度,同樣能夠?qū)崿F(xiàn)超高頻、超高速和低噪聲的性能;同時,由于在基區(qū)中可通過Ge組分分布不均勻的手段來產(chǎn)生漂移電場,可進一步加快載流子渡越基區(qū)的過程,所以,SiGe-HBT的截止頻率(fT)和最高振蕩頻率(fmax)都能夠達到很高的水平,適合射頻(RF)應(yīng)用。自從1983年IBM首先研制出SiGe-HBT以來,現(xiàn)在采用Si工藝制作的SiGe-HBT的高頻、高速性能已提高到接近III-V族化合物半導(dǎo)體HBT的水平(研究樣品的fT達到360GHz,預(yù)計有可能超過400GHz;產(chǎn)品的fT和fmax超過了100GHz)。SiGe-HBT的低頻噪聲(1/f噪聲)特性與Si-BJT的差不多,優(yōu)于GaAs-MESFET和Si-MOSFET;而且,高頻熱噪聲也因為基極電阻很小而明顯降低。此外,SiGe-HBT的抗輻射性能在一定條件下比所有的Si器件都要優(yōu)越?？傊?通過這種硅基帶隙工程,已經(jīng)取得很好的成效,使SiGe-HBT突破了常規(guī)Si-BJT的許多性能極限。例如,對2GHz的SiGe-HBT低噪聲放大器,在噪聲系數(shù)為1dB時,增益達到5.5dB/mW。在寬帶毫米波電路和高速數(shù)字電路中,SiGe-HBT的主要性能(fT和fmax)已經(jīng)非常接近InP-HBT的水平。由于Si和GaAs的禁帶寬度差別,SiGe-HBT的擊穿電壓(一般小于2V)通常低于GaAs器件,故SiGe-HBT比較適合高頻小功率應(yīng)用。盡管如此,因為異質(zhì)發(fā)射結(jié)的電子勢壘(高度為ΔEC)較低,則在相同集電極電流下的VBE較低,即在較低電壓下可以獲得較大的驅(qū)動電流,這就可以降低功耗,使SiGe-HBT在低直流電壓下的功率附加效率(PAE)較高,適合應(yīng)用于便攜式領(lǐng)域(如PDA、筆記本電腦);并且,SiGe-HBT具有負的電流溫度系數(shù),溫度穩(wěn)定性較好,因此它也能夠較好地適用于功率放大器。與GaAs器件(MESFET、HBT、HEMT)相比,在無線應(yīng)用領(lǐng)域,SiGe-HBT的功耗幾乎降低了50%,并且成本更低;在低噪聲放大電路應(yīng)用中,SiGe-HBT既具有與GaAs器件相當?shù)男阅?又具有與Si器件相同的特征和能力(在較低直流功率時)。由于SiGe-HBT具有這樣一些優(yōu)良的性能,所以它在個人數(shù)字通信、碼分多址驅(qū)動放大器和振蕩器(包括壓控振蕩器)等集成電路中有著廣泛的用途。預(yù)計SiGe雙極技術(shù)將有可能把硅基微電子技術(shù)的高頻性能擴展到50GHz,不過,由于SiGe-HBT的擊穿電壓較低,很容易受到動態(tài)范圍的限制。自從1995年研制出第一只C波段微波功率SiGe-HBT以來,原來一直被化合物半導(dǎo)體HBT占據(jù)的雙極微波功率應(yīng)用領(lǐng)域,也有可能逐漸被成本較低的SiGe-HBT取代。在制作n-p-nSiGe-HBT時,首先值得重視的是異質(zhì)發(fā)射結(jié)的制作問題。因為Si與Ge的晶格常數(shù)相差較大(失配率f≈4.17%),并且Si與Si1-xGex合金的晶格失配率隨著Ge組分x的增加而增大(f≈0.0418x),因此,制作晶格完整的Si/Si1-xGex異質(zhì)結(jié)是不可能的,必將會在異質(zhì)結(jié)界面出現(xiàn)所謂失配位錯,這種位錯對于Si/SiGe異質(zhì)結(jié)的HBT、諧振隧穿二極管(RTD)和超晶格器件(SLD)等是不容許的。但是,采用外延技術(shù)(MBE或MOCVD)制備Si/Si1-xGex異質(zhì)結(jié)時,可以通過控制生長膜的厚度,使Si1-xGex層與Si層之間通過彈性調(diào)節(jié)(價鍵彎曲)來保證不出現(xiàn)失配位錯。當然,這時在異質(zhì)結(jié)界面處存在應(yīng)力(處于能量較高的不穩(wěn)定狀態(tài));生長膜的厚度越大,積累的應(yīng)力也越大,生長膜的厚度一旦達到某個厚度,積累的應(yīng)力能夠打斷價鍵時,就會產(chǎn)生位錯、釋放應(yīng)力。這種存在應(yīng)力的薄膜稱為贗晶膜(不具有嚴格的晶格周期性),贗晶膜的最大生長厚度稱為臨界厚度(厚度大小與材料的組分有關(guān)),贗晶膜的生長稱為贗形生長或者共度生長。所以,在制作Si/Si1-xGex發(fā)射結(jié)時,應(yīng)該限制生長膜的厚度,不要超過臨界厚度,以免產(chǎn)生晶格弛豫(釋放應(yīng)力而出現(xiàn)位錯)。例如,在Ge組分x為0.2時,臨界厚度大約為20nm。對于Si/SiGe-HBT,當SiGe基區(qū)厚度超過臨界厚度時,基極電流增加,這就是由于出現(xiàn)了失配位錯的緣故。其次,在制作n-p-nSiGe-HBT時,需要重視的是SiGe基區(qū)中的問題:一是基區(qū)中Ge組分的分布形式,二是基區(qū)中雜質(zhì)硼(B)的外擴散現(xiàn)象。通過仔細優(yōu)化SiGe基區(qū)中Ge組分的分布,可以做到器件在大注入條件下也不會產(chǎn)生基區(qū)擴展效應(yīng)(Kirk效應(yīng)),能夠維持其最高的fT和fmax,同時,NFmin也較低。雖然雜質(zhì)B在SiGe中的擴散系數(shù)比在Si中小得多(約為Si中擴散系數(shù)的1/4),但是,在較高溫下,也將有相當嚴重的外擴散現(xiàn)象,導(dǎo)致p-n結(jié)(特別是集電結(jié))的位置發(fā)生變化,從而影響到器件的性能;這可以通過優(yōu)化基區(qū)結(jié)構(gòu)來加以減弱,即適當增加集電結(jié)處本征SiGe的厚度和適當減小摻B基區(qū)的厚度,讓集電結(jié)落在Ge組分較高的區(qū)域內(nèi),就能夠得到很高的βVA值。2.3sige-bicmos工藝在SiGe技術(shù)中,一個重要的發(fā)展方向就是把應(yīng)用于RF電路的SiGe-HBT和應(yīng)用于數(shù)字電路的Si-CMOS結(jié)合起來,即把模擬和數(shù)字功能集成到一個芯片上,實現(xiàn)所謂SiGe-BiCMOS技術(shù)。與標準的Si-BiCMOS技術(shù)相比,SiGe-BiCMOS技術(shù)在低噪聲放大電路中不僅可以提供優(yōu)良的性能,而且還較容易集成?，F(xiàn)在,SiGe-BiCMOS已經(jīng)進入批量生產(chǎn)階段。IBM的每一代SiGe-BiCMOS工藝,在器件、金屬化(互連)、ASIC系統(tǒng)方面均與該公司相關(guān)的CMOS工藝兼容。2005年,RF-MICRODEVICE公司提供的一種適合藍牙、手機、1.5GHzGPS應(yīng)用的低噪聲放大器產(chǎn)品(RF2472)就是采用SiGe-BiCMOS技術(shù)生產(chǎn)的,其主要參數(shù)為:增益14dB(2.4GHz時),噪聲系數(shù)1.5dB(2.4GHz時),工作頻率范圍為0.5～6GHz。SiGe產(chǎn)品的性能能夠很好地應(yīng)用于RF-CMOS,則成本和市場因素也將激化SiGe在RF-CMOS工藝中的運用。若采用0.13μmSiGe-BiCMOS工藝,即可綜合n-MOSFET的優(yōu)點和SiGe-HBT的速度特點,實現(xiàn)30～80GHz低電壓小功率毫米波IC。在毫米波應(yīng)用領(lǐng)域,未來一段時間里,化合物半導(dǎo)體仍將占據(jù)主導(dǎo)地位。但是,SiGe將在高達40GHz的應(yīng)用中挑戰(zhàn)InP-HBT。利用SiGe技術(shù)也能夠制作出性能優(yōu)異的高速A/D轉(zhuǎn)換器。2005年,TI公司提供的13位、210MSPS的SiGeA/D轉(zhuǎn)換器(ADS5440)產(chǎn)品,就是采用SiGe-BiCMOS技術(shù)生產(chǎn)的?，F(xiàn)在,SiGe-HBT主要應(yīng)用于無線和有線通信領(lǐng)域,并且又以無線通信中的應(yīng)用最為廣泛。這里包括七大應(yīng)用市場:移動通信系統(tǒng)、高速有線(熱點是光纖通信)網(wǎng)絡(luò)、硬盤驅(qū)動、藍牙、WLAN、GPS和數(shù)字機頂盒?，F(xiàn)在的移動通信正在由第二代數(shù)字手機和數(shù)字無繩系統(tǒng)向第三代過渡,而第四代移動通信將要求更高的頻率和速度(在高移動速度時的信息速率>2Mbit/s)。由于SiGe-HBT能夠為無線系統(tǒng)提供其所需的高速、高頻性能,同時也可以在同一個芯片上以較低的成本集成多種功能(模擬、RF、數(shù)字等)的電路,所以,SiGe-HBT比較適合RF通信系統(tǒng)的高端區(qū)(如PCS、GSM等)應(yīng)用(CMOS將占據(jù)尋呼機、無繩電話等低端區(qū)的應(yīng)用領(lǐng)域)。SiGe半導(dǎo)體公司稱,2006年,RF-SiGe產(chǎn)品在WLAN、GPS和GSM等應(yīng)用市場上已經(jīng)全面開花,非常喜人,并且在標準產(chǎn)品中差不多都集成了SiGe的WiMAX收發(fā)器。對于很多無線應(yīng)用的模擬電路而言,采用0.5μm和0.25μm的SiGe-BiCMOS工藝是比較合適的。因為對于這種集成度較高的模擬-數(shù)字混合信號電路,在實現(xiàn)了半導(dǎo)體器件的高頻、高速性能之后,重要的是制作出精度較高的無源元件。例如,電路中的電阻,一般的單晶硅和多晶硅電阻均不能滿足要求(誤差均為10%),往往需要采用薄膜電阻(在金屬互連和內(nèi)部介質(zhì)鈍化之后再來制作)。又如,螺旋電感,需要通過加厚金屬和采用多層厚金屬,以及在電感器下做深槽、多晶硅屏蔽接地等措施來改進性能。采用這些技術(shù)得到的無源元件都遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)CMOS工藝的結(jié)果,與GaAs-IC相當。近10多年來,SiGe-HBT單片集成電路(MMIC)和SiGe-BiCMOS電路都得到了很大的發(fā)展,水平也不斷提高,為混合信號系統(tǒng)的集成奠定了基礎(chǔ)。SiGe-HBT技術(shù)由于其優(yōu)異的頻率特性、溫度特性和抗輻照特性,以及與傳統(tǒng)硅工藝的兼容性,尤其是與CMOS工藝兼容等優(yōu)點,在短短的20年間,在微電子技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)取得了最為迅速的發(fā)展。隨著技術(shù)的不斷完善和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展,SiGe技術(shù)正在成為實現(xiàn)混合信號通訊系統(tǒng)集成(SoC)的優(yōu)選技術(shù)平臺。SiGe-BiCMOS的優(yōu)勢在于它可以集成高功率SiGe-HBT于最新技術(shù)水平的CMOS器件。另外,SiGe-HBT還可以降低功耗以滿足用戶的需求。SiGe-BiCMOS工藝在單片低功耗、低成本、高集成的激烈競爭中已經(jīng)脫穎而出,成為一個有力的競爭者。3SiGe-FET3.1提高載流子遷移率為實現(xiàn)場效應(yīng)集成電路的超高頻和超高速性能,就需要提高其中場效應(yīng)晶體管(FET)的載流子遷移率。實際上,從某種意義上來說,增強載流子遷移率的措施是一種必不可少的手段。因為信號在集成電路中傳輸?shù)难舆t時間τd與信號的邏輯電壓擺幅Vm和載流子遷移率μ成反比,即:τd∝CL/(μVm)式中,CL是負載門扇出的輸入電容與寄生電容之和。邏輯門開關(guān)工作所耗散的能量(為Pdτd)必須大于使電容CL的狀態(tài)能夠發(fā)生轉(zhuǎn)換的能量(即等于CL所存儲的能量),即有:Pdτd=CLVm2/2可見,信號傳輸?shù)难舆t時間與邏輯電壓擺幅成反比,而開關(guān)能量卻與邏輯電壓擺幅的平方成正比。這表明,縮短信號傳輸?shù)难舆t時間和降低開關(guān)能量,在對邏輯電壓擺幅的要求上是矛盾的。因此,為了保證集成電路能夠穩(wěn)定地工作,不致因發(fā)熱而受到影響,應(yīng)當適當?shù)亟档瓦壿嬰妷簲[幅(以減小開關(guān)能量);但與此同時,為了保證集成電路具有較高的工作速度,只有提高載流子的遷移率來縮短信號傳輸?shù)难舆t時間。所以,超高速場效應(yīng)邏輯集成電路必須采用具有較高載流子遷移率的器件。實際上,對于以溝道長度縮小到65nm數(shù)量級的MOSFET為基礎(chǔ)的ULSI而言,電路的功耗已經(jīng)成為一個限制其性能的重要因素。為此所采取的各種新型器件結(jié)構(gòu)、新型材料和新型工藝技術(shù),多數(shù)情況下也是為了增強載流子的遷移率,降低邏輯電壓擺幅,以達到避免功耗限制的目的。特別是對于ULSI的基本器件——CMOS而言,提高其中空穴的遷移率更加具有重要的意義。由于Si中電子的遷移率是空穴的2.5倍,p-MOSFET的典型電流值大約是n-MOSFET的一半,所以造成在Si-CMOS技術(shù)中產(chǎn)生兩大問題:一是在設(shè)計CMOS時,為了保證通過PMOSFET和NMOSFET電流的一致性,必須將PMOSFET的柵極寬度增大2.5倍,這就導(dǎo)致芯片面積增大,寄生電容增加,影響速度、集成度和成本;二是Si-CMOS器件及其電路的最高工作頻率和速度將受其中PMOSFET性能的限制。因此,在發(fā)展射頻CMOS集成電路和特大規(guī)模CMOS集成電路中,設(shè)法提高半導(dǎo)體中空穴的遷移率是微電子研究領(lǐng)域中的一項前沿性重要課題。盡管多年來為了縮短信號傳輸?shù)难舆t時間,人們都在不斷地致力于縮短溝道長度(現(xiàn)在MOSFET的溝道長度已縮短到深亞微米、納米尺寸),但是,若要再繼續(xù)縮小下去,將會受到若干因素的制約。這一方面是加工工藝能力的限制,另一方面是器件物理效應(yīng)(例如短溝道效應(yīng)、DIBL效應(yīng)、熱電子效應(yīng)等)的限制。雖然現(xiàn)在也提出了許多新技術(shù)來突破這種限制,例如高介電常數(shù)(高k)柵技術(shù)和Cu互連技術(shù)。但是,這些新技術(shù)只能在一定程度上緩解尺寸縮小所帶來的不良影響,都是不得已而為之,并不能從根本上改善半導(dǎo)體材料本身的性能。所以,著眼于增大半導(dǎo)體材料本身的載流子遷移率才是一項從根本上解決問題的重要措施?？傊?增強載流子遷移率對于進一步提高場效應(yīng)器件和電路的性能是非常重要,甚至是必須的?？梢哉f,增強載流子遷移率是新一代微電子器件和電路技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。3.2調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)雖然GaAs等化合物半導(dǎo)體的電子遷移率高于Si(GaAs比Si約高6倍),由它們制作的n型場效應(yīng)晶體管也具有相當好的微波性能(例如,GaAs-MESFET可以工作到毫米、乃至亞毫米波段),但是,它們的集成電路卻最高只能達到Ku波段;這主要還是由于它們的載流子遷移率仍然不夠高的緣故。對于p型場效應(yīng)晶體管,化合物半導(dǎo)體與Si差不多(因為它們的空穴遷移率差別不大)。所以,為了實現(xiàn)超高頻和超高速集成電路,就連化合物半導(dǎo)體,特別是p型半導(dǎo)體,也必須進一步提高載流子遷移率。為此發(fā)展出來的所謂調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié),就是一種能夠獲得高載流子遷移率的結(jié)構(gòu)。它所采用的異質(zhì)結(jié)形式是突變異質(zhì)結(jié)(圖1(a))。由于其中的勢阱(溝道)層是不摻雜的本征層,即消除了電離雜質(zhì)散射中心的影響,因此,其中的載流子遷移率遠高于體材料的遷移率?，F(xiàn)在已經(jīng)廣泛使用的HEMT(高電子遷移率晶體管)或PHEMT(贗晶高電子遷移率晶體管),就是一種使用調(diào)制摻雜的化合物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)(例如n-AlGaAs/i-GaAs異質(zhì)結(jié))來制作的場效應(yīng)器件(類似于結(jié)型柵FET),稱為調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管(MODFET)。由于這種異質(zhì)結(jié)的MODFET具有微波、低噪聲、高線性度等優(yōu)良性能,已制成微波功率放大器和微波低噪聲放大器等模擬電路,在模擬微電子技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。像HBT一樣,由HEMT也可以構(gòu)成毫米波集成電路(由頻率較高的GaAs-MESFET構(gòu)成的集成電路只能達到Ku波段)。在MODFET中采用調(diào)制摻雜的SiGe/Si異質(zhì)結(jié)來代替化合物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié),也同樣可以獲得超高頻、超高速性能,并且還可利用成熟的Si工藝,使制作成本降低,同時還便于大規(guī)模的集成?，F(xiàn)在,SiGe-MODFET技術(shù)已經(jīng)成為SiGe/Si異質(zhì)結(jié)FET中開發(fā)的熱點,受到人們極大的關(guān)注。3.3應(yīng)變si/sige-mosf在SiGe場效應(yīng)器件和電路的技術(shù)中,要提高載流子的遷移率,除了可以采用調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)技術(shù)來實現(xiàn)以外,還可以采用特殊的所謂應(yīng)變工程技術(shù)來實現(xiàn)。眾所周知,現(xiàn)在Si-CMOSIC隨著特征尺寸的不斷縮小,性能和集成度也相應(yīng)地不斷提高。預(yù)計到2024年,最小特征尺寸將達到10nm;到2010,DRAM的集成規(guī)模將達到64Gbit。這是由于在縮小尺寸時所產(chǎn)生的許多器件物理的和工藝技術(shù)的問題都將有可能陸續(xù)地通過引入若干新技術(shù)而得到適當解決的緣故。除了高介電常數(shù)(高k)柵技術(shù)和Cu互連技術(shù)以外,另外一項極其重要的新技術(shù)就是應(yīng)變工程技術(shù),即在晶體中通過引入應(yīng)變來大大提高載流子遷移率的技術(shù)。它是Si1-xGex能帶工程中一個重要的內(nèi)容。實際上,無論是SiGe-HBT,還是SiGe-MODFET,在所采用的Si/Si1-xGex異質(zhì)結(jié)中也必須引入晶體應(yīng)變,以避免出現(xiàn)失配位錯。因此,應(yīng)變工程技術(shù)也伴隨著Si/Si1-xGex異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用而發(fā)展起來。1992年就已經(jīng)證實了,在Si-MOSFET的n型溝道中引入適當形式的應(yīng)變之后,可以使溝道電子的遷移率提高70%。一般來說,壓應(yīng)變可以提高空穴的遷移率,張應(yīng)變可以提高電子的遷移率。常用的應(yīng)變半導(dǎo)體材料是應(yīng)變Si(SS)薄膜或者應(yīng)變SiGe(SSG)薄膜。由于應(yīng)變半導(dǎo)體材料的載流子遷移率較高,所以能夠直接在應(yīng)變Si或應(yīng)變SiGe半導(dǎo)體上制作出性能優(yōu)異的MOSFET。當然,對于SiGe-MODFET,其中合適的應(yīng)變也能夠進一步增強本征溝道中載流子的遷移率。SiGe應(yīng)變工程技術(shù)不僅在改善載流子遷移率上具有很好的效果,而且在工藝技術(shù)上也與常規(guī)的VLSI工藝基本相容,同時,在應(yīng)變的引入方式上也較為方便。另外,令人更感興趣的是,容易通過引入應(yīng)變來增強空穴的遷移率(可以提高約50%),這對于CMOS技術(shù)的發(fā)展顯然具有重大的實用價值(因為應(yīng)變增大了p-MOSFET的驅(qū)動性能,并使其能夠與n-MOSFET在性能上匹配得更好)。由于這種遷移率增強效應(yīng),Si/Si1-xGex-MOSFET和應(yīng)變Si-MOSFET的性能要優(yōu)于通常的Si-MOSFET。即使在深亞微米領(lǐng)域,數(shù)值模擬顯示,Si/SiGe-MOSFET也可提供優(yōu)良的性能,并且在SiGe溝道異質(zhì)結(jié)構(gòu)MOSFET(SiGe-HFET)的源端觀察到速度過沖現(xiàn)象。因此,SiGe器件可以對極小尺寸的Si-CMOS起替代或者補充的作用。從大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展上來看,可以說,SiGe半導(dǎo)體(包括應(yīng)變Si)是一種能延續(xù)摩爾定律有效性的新型半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體中之所以在引入應(yīng)變后能夠提高載流子的遷移率,就是因為應(yīng)變使晶格發(fā)生了畸變,從而改變了半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu),導(dǎo)致有效質(zhì)量減小和帶間散射幾率降低,所以提高了載流子的遷移率。這實際上就是一種能帶結(jié)構(gòu)工程。對于n型Si-MOSFET溝道中的載流子——二維電子氣(2-DEG)來說,它們一般是處在能量差(ΔE)不大的兩組能谷之中,即2度簡并能谷Δ2(其中的載流子沿溝道方向的有效質(zhì)量較小)和4度簡并能谷Δ4(沿溝道方向的有效質(zhì)量較大)中,總的有效質(zhì)量由這兩組能谷中的電子數(shù)量決定(參見圖2)。如果沿溝道表面方向存在應(yīng)力作用,則Δ2將會下降、Δ4上升,即ΔE增大。ΔE與應(yīng)力大小有關(guān),對于在弛豫Si1-yGey上生長的應(yīng)變Si溝道而言,經(jīng)驗關(guān)系為ΔE≈0.6y(eV),y為Ge組分。由于應(yīng)力使2度簡并能谷變得很低,故溝道中的大多數(shù)電子都將處于該能谷內(nèi),從而使總的電子有效質(zhì)量相應(yīng)變得較小;同時,由于應(yīng)力使2度與4度簡并能谷之間的能級差ΔE增大,造成散射的始態(tài)與末態(tài)之間的能量差變大,降低了不等價能谷之間的散射幾率,所以,溝道中應(yīng)力的作用可以提高2-DEG的遷移率。這就是所謂的二維子能帶結(jié)構(gòu)工程。此外,應(yīng)變導(dǎo)致n型Si-MOSFET溝道2-DEG遷移率增強的另一個原因,就是應(yīng)變Si溝道中電子遭受的Coulomb散射作用減小。因為隨著Ge組分x(即應(yīng)變)的增加,能谷分裂(即ΔE)增大,則在2度簡并能谷中的電子數(shù)量增多,這就增強了電子對處于MOS界面上的陷阱電荷的屏蔽作用,從而降低了Coulomb散射作用,使遷移率得以提高。對于p型Si-MOSFET溝道中的載流子——二維空穴氣(2-DHG)而言,應(yīng)變增強Si溝道中空穴遷移率的機理,可從應(yīng)變對價帶結(jié)構(gòu)的影響來加以簡單的解釋。因為當晶體受到雙軸應(yīng)力(可分解為均勻的流體靜應(yīng)力和有方向性的單軸應(yīng)力兩個分量)作用時,其中的單軸應(yīng)力分量將使晶體的對稱性遭受破壞,使能帶的簡并得以解除(即價帶頂處的重空穴帶和輕空穴帶發(fā)生分裂),導(dǎo)致帶間散射幾率降低;而流體靜應(yīng)力將會引起價帶中各個能帶(主要是重空穴帶和輕空穴帶,自旋-軌道帶只有在大應(yīng)力時才參與)之間的耦合,使價帶的結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變,導(dǎo)致空穴的有效質(zhì)量減小。這兩個因素導(dǎo)致了空穴遷移率的增大。分析表明,在p型Si-MOSFET中,室溫下,空穴遷移率可增加50%,90K低溫下可增加100%。并且,由于有效質(zhì)量受應(yīng)力的影響,應(yīng)力層中的載流子遷移率呈現(xiàn)出各向異性的特點。圖2示出應(yīng)變對導(dǎo)帶能谷和價帶結(jié)構(gòu)影響的一般情況?，F(xiàn)在,有人認為,對于溝道長度≤45nm的器件,可以不使用高k介質(zhì)柵和金屬柵等技術(shù),也許不一定使用SOI襯底,但應(yīng)變工程卻是一項必不可少的技術(shù)。因此,應(yīng)變工程對于微電子技術(shù)的進一步發(fā)展具有重要的意義。在Si基微電子技術(shù)中,對溝長為0.1μm的應(yīng)變P型SiGe-MOSFET的研制表明,其中空穴的遷移率在室溫下達到1300cm2/V·s,是體硅P型MOSFET中的6倍,相應(yīng)器件的峰值跨導(dǎo)為237mS/mm,fT及fmax分別為10GHz和18GHz?？梢?應(yīng)變增強遷移率帶來的器件性能改善是十分顯著的。一般來說,與相同特征尺寸的無應(yīng)力器件相比,應(yīng)變能使芯片的整體速度提高40%。在〈100〉晶面CMOS器件上,應(yīng)變可使n-MOSFET和p-MOSFET的輸出漏極電流分別提高20%和10%。與此同時,Si基應(yīng)變技術(shù)的采用,可以大大增強n-MOSFET和p-MOSFET在結(jié)構(gòu)和性能上的對稱性,使CMOS的總體性能獲得很大的提高。應(yīng)變工程的采用還可以降低源/漏串聯(lián)電阻。這就使得在維持電路性能的同時,可以降低動態(tài)功耗。例如,在保持頻率性能的前提下,通過提高遷移率,可將漏極電壓VDD從1.2V降到1V。在不考慮寄生電阻和載流子速度限制時,通過SiGe技術(shù)增強遷移率的措施,有可能將CMOS的性能提高25%～50%。今后,SiGe-MOSFET應(yīng)變技術(shù)的發(fā)展方向之一是進一步提高SiGe合金中的Ge含量,以更好地發(fā)揮應(yīng)變的作用。當然,如果能夠?qū)崿F(xiàn)Ge溝道MOSFET,那將是非常理想的事情(因為Ge的載流子遷移率比Si高得多)。不過,在現(xiàn)階段,此種設(shè)想還面臨許多工藝技術(shù)上的難題。3.4應(yīng)變sisi溝道直接應(yīng)變主動應(yīng)力p-mosf在Si中引入應(yīng)變的方法可有許多種。利用Si與Ge晶格常數(shù)的失配,通過贗晶生長,即可在異質(zhì)結(jié)中直接引入應(yīng)變。也可利用其他材料與Si晶格的失配,通過覆蓋薄膜(如在柵極上覆蓋Si3N4介質(zhì)薄膜)來引入應(yīng)變。例如,在n-MOS晶體管中,覆蓋能產(chǎn)生拉伸應(yīng)變的介質(zhì)層;在p-MOS晶體管中,覆蓋能產(chǎn)生壓縮應(yīng)變的介質(zhì)層,都可達到提高載流子遷移率的目的。另外,采用溝槽隔離、金屬硅化物和選取適當?shù)脑?漏電極材料等方法,也可以產(chǎn)生應(yīng)變。在MOSFET溝道中引入應(yīng)變的工藝技術(shù)大體上可分為兩類:a)襯底致雙軸應(yīng)變:利用外延層與襯底晶格常數(shù)的差異,在弛豫SiGe緩沖層上生長應(yīng)變Si膜。其優(yōu)點是所產(chǎn)生的雙軸應(yīng)變在n-MOSFET和p-MOSFET中都可應(yīng)用,而且能同時提高它們的性能;缺點是只有在低電場和高應(yīng)變情況下才有效,并且其功效隨柵長的縮短而降低。b)工藝致單軸應(yīng)變,即通過晶體管周圍的薄膜和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)變;例如生長壓應(yīng)變Si3N4膜、植入SiGe、張應(yīng)變淺溝槽隔離等。一般來說,工藝致單軸應(yīng)變技術(shù)優(yōu)于襯底致雙軸應(yīng)變,因為對于p-MOSFET,在較低應(yīng)變和高垂直電場下,即可顯著提高空穴的遷移率(價帶的扭曲變形對單軸應(yīng)變較敏感),這可避免因大應(yīng)變而發(fā)生應(yīng)變弛豫的不良影響。另外,還可采用所謂全面應(yīng)變的技術(shù),即采用多種方法使整個半導(dǎo)體晶片都產(chǎn)生應(yīng)變。但由于這種技術(shù)會產(chǎn)生缺陷和較難集成,故一時還難以用于生產(chǎn),不過在某些方面可能是對單軸應(yīng)變技術(shù)的一種補充。目前,應(yīng)變工程研究的重點在p-MOSFET上,因為通過提高空穴遷移率改善CMOS器件的性能是當務(wù)之急。已證實采用應(yīng)變工程技術(shù)最具有可生產(chǎn)性和較好的性價比,并已經(jīng)首先應(yīng)用于90nm節(jié)點的電路生產(chǎn)中。中國學(xué)者在最近以較低的制作成本和易于實現(xiàn)的工藝,研制出柵長35nm、應(yīng)變Si溝道的SiGe-p型MOSFET,其空穴遷移率提高了43%?，F(xiàn)在,不僅在若干器件和電路中采用了應(yīng)變Si(SiGe)溝道工程技術(shù),并且也已取得了很好的效果。通過工藝技術(shù),將現(xiàn)有各種應(yīng)變材料的優(yōu)勢結(jié)合起來并加以發(fā)揮,自然會進一步提高器件的性能。直接制作在絕緣體上的應(yīng)變硅(襯底應(yīng)變)與嵌入式SiGe源-漏及襯底應(yīng)力材料的結(jié)合,可以實現(xiàn)混合應(yīng)變p-MOSFET。已經(jīng)證明,通過使用埋層SiGe溝道和應(yīng)變SOI襯底等應(yīng)變技術(shù),即使不采用金屬柵,也可以獲得性能良好和可靠的p-MOSFET。最近已有報道,采用Ge濃縮技術(shù),在SOI的應(yīng)變超薄體上制作的p-MOSFET,其飽和驅(qū)動電流由于應(yīng)變而提高38%以上。2004年,Intel采用90nm工藝制作出應(yīng)變Si-CMOS奔4處理器,最高工作頻率達3.4GHz。同年,AMD公司采用應(yīng)變Si技術(shù)制作的64位微處理器,工作頻率提高7%,對Athlon64,工作頻率可提高12%。2005年,Intel公布了運用全硅化NiSi柵與單軸應(yīng)變Si技術(shù)的CMOS器件(柵長35nm,柵絕緣膜厚度1.2nm),電流驅(qū)動能力改善了約20%。2007年,Intel在45nm技術(shù)中同時采用應(yīng)變Si技術(shù)、高K柵、金屬柵和三柵晶體管技術(shù)來提高器件性能。采用應(yīng)變Si技術(shù),可使300mmSi片生產(chǎn)的產(chǎn)品性能提高30%～60%,而工藝復(fù)雜度和成本卻只增加1%～3%。包括應(yīng)變Si在內(nèi)的SiGe技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)被應(yīng)用于90nm、65nm、45nm的高性能邏輯電路生產(chǎn)。3.5應(yīng)變si與ubt工藝集成的必要性對于Si基場效應(yīng)器件及其電路,為了增強載流子遷移率,除了采用應(yīng)變工程技術(shù)以外,也從其他許多方面進行了研究。已經(jīng)證實,超薄體(UTB)器件結(jié)構(gòu)和混合晶向技術(shù)(HOT)是很有價值的技術(shù)。實際上,從增強載流子遷移率來看,UTB與應(yīng)變工程技術(shù)都屬于所謂二維子能帶結(jié)構(gòu)工程;而HOT則屬于襯底材料結(jié)構(gòu)的工程技術(shù)。a)超薄體(UTB)技術(shù):UTB-Si場效應(yīng)器件的特點就是其溝道厚度小于表面反型層的厚度。溝道中的載流子由于量子限域效應(yīng),使二維導(dǎo)帶的2度簡并能谷和4度簡并能谷之間的能級差增大,造成2度簡并能谷中的電子數(shù)量增多,同時也使能谷間散射的幾率減小,從而提高了電子的遷移率。但這只是理想情況,實際上,由于超薄體的表面散射等工藝技術(shù)原因,較難達到提高載流子遷移率的目的;況且,實際上,現(xiàn)在采用UTB技術(shù)的主要目的并不是著眼于增強載流子遷移率,而是為了從器件結(jié)構(gòu)上抑制短溝道效應(yīng)和DIBL效應(yīng)等,以改善微小尺寸器件的性能。對于UTB-SOI器件,例如鰭形場效應(yīng)晶體管(FinFET),因為受超薄硅溝道的限制,源/漏結(jié)的深度自然變淺,則可以抑制源漏耦合和短溝道效應(yīng),同時也可以改善其他電氣性能。所以,UTB技術(shù)主要是一種器件結(jié)構(gòu)的改進技術(shù),一般并不著意提高半導(dǎo)體材料本身的性能。當然,如果把UTB技術(shù)與增強載流子遷移率的應(yīng)變Si技術(shù)結(jié)合起來,也可以有效地提高載流子遷移率。UTB技術(shù)對于發(fā)展常規(guī)納米器件及其集成電路具有重要的意義。b)混合晶向技術(shù)(HOT):HOT是通過襯底和溝道的取向最佳化來提高載流子遷移率的一種方法。因為在(110)晶面的〈110〉方向上的空穴遷移率最高,其峰值超過(100)晶面上的兩倍(這是由于價帶具有高度各向異性而使空穴遷移率也具有很大各向異性的緣故)。常規(guī)的CMOS都是制作在(100)晶面襯底上的,因為該晶面的Si/SiO2界面電荷密度較低,而且電子的遷移率最高,但是,空穴的遷移率則不然;雖然在(100)襯底上適當改變p-MOSFET的溝道取向,可以改善p-MOSFET的性能,然而,更好的應(yīng)該是改變襯底晶面本身的取向——采用(110)晶面。但是,(110)晶面的襯底對于n-MOSFET完全不合適(不管在什么晶向上)。所以,就發(fā)展出HOT技術(shù)——同一襯底上有兩種取向的晶面,將n-MOSFET制作在(100)晶面上,而將p-MOSFET制作在(110)晶面上。現(xiàn)在,因為HOT的制造工藝與常規(guī)VLSI工藝的兼容性好,故受到人們的重視;但是,仍然存在許多器件設(shè)計和工藝集成方面的問題,例如:器件隔離、外延的質(zhì)量和失配、SOI和體器件的混合、邏輯電路和SRAM的性能沖突(因β變化所致)等;另外,值得注意的是,(110)晶面取向所帶來的問題,例如HOT襯底的制備、柵極氧化物的穩(wěn)定性、離子注入摻雜、(110)襯底上的工藝誘生應(yīng)變效應(yīng)等。此外,也可以將應(yīng)變Si(SiGe)技術(shù)與UTB技術(shù)、HOT技術(shù)結(jié)合起來,充分發(fā)揮其各自的優(yōu)勢以及它們增強載流子遷移率的共同作用。不過,總的來看,與各種增強載流子遷移率的技術(shù)相比,應(yīng)變Si(SiGe)工程也許是最有實用價值的一種重要技術(shù)。3.6si/sige-fet器件的特性SiGe-異質(zhì)結(jié)FET(SiGe-HFET)是第二代SiGe-MOS器件。它也是利用SiGe能帶工程來調(diào)整帶隙和晶格常數(shù)的差別以產(chǎn)生應(yīng)變,這充分地發(fā)揮了調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)和應(yīng)變工程的長處。它是一種二維電子氣(2-DEG)和二維空穴氣(2-DHG)的應(yīng)變溝道FET,其中的載流子遷移率大大超過體Si。對于n型SiGe-HFET(應(yīng)變n型溝道MODFET),要求是張應(yīng)變的溝道,則必須采用Si1-xGex虛擬襯底(即弛豫Si1-xGex緩沖層)來生長應(yīng)變溝道層;器件的量子阱(溝道)深度將隨著虛擬襯底中Ge組分的增加而增大,并且可在溝道中適當?shù)剡M行n型或p型摻雜,以調(diào)整其閾值電壓;該MODFET的電子遷移率可比n-MOSFET提高80%左右。2001年,IBM、STM、Hitachi、Motorola等公司宣布,該器件將是市場開辟的下一個目標。對于p型SiGe-HFET(應(yīng)變p型溝道MODFET),要求是壓應(yīng)變的Si1-xGex溝道(量子阱),這種量子阱可在弛豫Si襯底或在Si1-yGey(x>y)虛擬襯底上生長得到。由于SiGe-HFET具有很高的載流子遷移率,典型值已經(jīng)超過2000cm2/V·s,這比90nmCMOS中的遷移率(不到200cm2/V·s)要大得多,因此,這種器件具有高速、高跨導(dǎo)、低噪聲和高線性度等優(yōu)良特性。對于生長在弛豫SiGe緩沖層上的應(yīng)變硅層,可同時獲得較高的電子遷移率和空穴遷移率,有利