摘要:随着金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)特征尺寸不断减小，应变技术、新沟道材料和新器件结构等技术被学术界及产业界认为是继续提升器件性能的有效方法。本文从应变技术、新沟道材料和新结构器件三个方面研究载流子在输运中的散射机制：(1)应变技术：双轴拉伸应变能够改变载流子在不同能级之间的分布以及沟道的表面粗糙度，从而影响库伦散射和表面粗糙度散射；(2)新沟道材料：在不同晶面的锗(Germanium, Ge)晶体管中，电子在高场条件下的散射存在差异，声子散射在Ge(100)晶体管中占主导，而表面粗糙度散射在Ge(110)、(111)晶体管中占主导。在SiGe晶体管中，合金散射主要作用于有效电场强度比较小的区域；(3)新结构器件：载流子超薄绝缘层上锗(Germanium-on-Insulator, GeOI)晶体管输运时，会同时受到上下界面的影响，库伦散射和表面粗糙度散射随着Ge层厚度降低而增加。Ge层厚度的降低会改变电子在不同能谷间的分布，进而影响电子的散射。
关键词: 载流子散射/
应变技术/
新沟道材料/
新结构器件

English Abstract

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近几十年来, 硅(Si)基集成电路技术一直遵循着摩尔定律在高速发展(图1). 目前量产级的硅金属-氧化物-半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET)等效沟道长度已经接近10 nm, 进一步减小沟道长度将导致晶体管出现短沟道效应、速度饱和效应、介电击穿等一系列负面现象, 通过缩小器件尺寸来延续半导体技术进步的传统发展模式正面临硅材料物理极限的挑战. 因此, 学术界和产业界提出了一些新的晶体管技术来继续推动摩尔定律的发展, 包括应变技术、新沟道材料和新结构器件 ^[1—5]等.
图 1 集成电路技术节点随时间的演进, 图中提取了90 nm到10 nm技术节点
Figure1. Evolution of integrated circuit technology nodes: from 90 nm to 10 nm.

决定场效应晶体管性能的一个重要参数是沟道反型层载流子的有效迁移率(effective mobility)^[6]. 即使在短沟道, 甚至弹道传输器件中, 迁移率仍然可以很大程度上影响器件性能^[7]. 应变技术和采用新沟道材料都是提高沟道载流子迁移率的有效手段. 应变技术在90 nm以及更先进的集成电路技术中已被广泛采用^[8,9], 关于应变对载流子迁移率影响的深入理解至关重要. 其次, 高迁移率新沟道材料器件技术也逐渐被提上日程, 半导体材料Ge因同时具有较高的电子和空穴迁移率而备受青睐^[10,11]. 目前, 国际上对Ge器件的研究大都都集中在工艺优化上^[12—14], 对Ge晶体管中载流子的散射机理的研究还不够深入. 此外, 绝缘层上半导体器件具有两个界面, 需要考虑更复杂的散射机制^[15,16]. 本文将从应变技术、新沟道材料和新结构器件三个方面分析载流子的散射机制.

应变技术能够通过改变沟道材料的能带结构, 从而有效地提高场效应晶体管的沟道载流子迁移率. 本文讨论的双轴拉伸应变技术, 主要通过改变库仑散射和表面粗糙度散射来影响晶体管的载流子迁移率.
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2.1.应变技术对空穴库仑散射的影响

我们研究了双轴拉伸应变对Si pMOSFET中衬底掺杂浓度和界面态限制的库仑散射迁移率(μ_sub和μ_it)^[17]. 研究发现, 对于双轴拉伸应变Si pMOSFET来说, 随着衬底浓度的增大, 重空穴能级和轻空穴能级互相靠近, 加剧了谷间散射, 导致沟道空穴迁移率降低(图2(a)). 此外, 还有一个重要的库仑散射来自于界面态(D_it), 研究结果表明, 双轴拉伸应变提高了载流子在轻空穴能级的占据概率. 由于轻空穴能级上的载流子垂直于界面的有效质量比重空穴能级要小, 其在沟道中的分布也更远离界面, 因此拉伸应变能够降低由界面态引起的库仑散射(图2(b)). 而对于双轴拉伸应变的Si nMOSFET来说, O. Weber 等人证明情况刚好相反，应变降低了 μ_it且提升了 μ_sub^[18]。
图 2 (a) 拉伸应变和衬底浓度对空穴子能带结构的影响; (b) 双轴拉伸应变对电子空穴μ_it影响的示意图^[17]
Figure2. (a) Effects of tensile biaxial strain and N_sub on the hole subband structure; (b) schematic diagram of the interpretation for the effect of biaxial tensile strain on μ_it of electrons and holes^[17].

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2.2.应变技术对表面粗糙度散射的影响

对于工作在高场下的Si MOSFET来说, 沟道表面粗糙度散射是影响器件迁移率的主要因素^[19]. 衬底掺杂浓度的提高会引起晶体管工作电场的增大，使得表面粗糙度散射对晶体管载流子输运的影响也越来越显著。我们系统地研究了双轴拉伸应变对表面粗糙度的影响，以及由此导致的电子和空穴迁移率的变化^[20]. 根据电子和空穴表面粗糙度散射限制迁移率在不同应变下的实验结果, 发现双轴拉伸应变能降低电子的表面粗糙度散射, 但是并没有降低空穴的表面粗糙度散射, 如图3所示. 进一步地, 我们利用超高分辨率的透射电镜(TEM)技术表征了无应变硅和应变硅晶体管的沟道/氧化物界面, 结果发现, 由于硅衬底中存在应力, 应变硅晶体管的表面粗糙度显著比无应变硅的小(图3(b)), 从而减弱了电子的表面粗糙度散射. 在此基础上, 提出了一种新的利用TEM图像计算MOSFET表面粗糙度散射影响迁移率的方法^[21], 利用该方法计算得到的表面粗糙度限制迁移率与实际在低温下的测试结果基本吻合.
图 3 (a) 应变对电子和空穴表面粗糙度散射的影响; (b) 无应变硅和应变硅沟道表面粗糙度^[20]
Figure3. (a) Low-temperature electron and hole mobility versus N_s for Si and s-Si with different amounts of strain; (b) TEM photographs of Si and s-Si (10% Ge and 35% Ge) Si/SiO₂ interfaces^[20].

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3.1.Ge nMOSFET中电子的散射机制

不同于Si, Ge nMOSFET由于高场下载流子在Δ能谷中的占据率提高, 会引入L能谷与Δ能谷的谷间散射, 导致了高场散射机制的复杂化. 我们研究了Ge(100), (110), (111) nMOSFET中电子的库仑散射和表面粗糙度散射^[22]. 通过自洽求解薛定谔-泊松方程, 并结合实验测试结果, 计算分析了电子的声子散射限制迁移率(μ_ph)和表面粗糙度散射限制迁移率(μ_sr), 提出了Ge沟道中电子的散射机制的统一模型(图4). 对于Ge(100) nMOSFET, 高场下声子散射仍然是影响晶体管迁移率的主要散射机制, 而非表面粗糙度散射. 因此, 仅仅改善界面的粗糙度很难有效地提升Ge(100) nMOSFET的高场迁移率. 而对于Ge(111)和(110) nMOSFET, 在高场下, 谷间散射减小, 同时载流子重新分布进入具有较高μ_ph的L_//能谷, 因而可以通过改善表面粗糙度来提升电子的高场迁移率.
图 4 不同晶面的Si及Ge nMOSFET中的电子输运模型^[20]
Figure4. Electron transport models in Si and Ge nMOSFETs with different crystal faces^[20].

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3.2.SiGe量子阱pMOSFET中的合金散射

由于SiGe衬底具有很高的空穴迁移率, 并且与Si基金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容性较高, 因而采用SiGe沟道的pMOSFET是目前新材料器件研究领域的热点之一^[23]. 我们研究了sSi/Si_0.5Ge_0.5/sSOI量子阱pMOSFET输运特性, 分析了SiGe量子阱pMOSFET中空穴的分布, 提取了在室温和低温下的空穴迁移率(图5(a)), 并利用以下公式来研究合金散射对空穴迁移率的影响:
图 5 (a) SiGe量子阱pMOSFET在300 K和15 K下的迁移率; (b) 根据实验结果计算出的SiGe量子阱pMOSFET中空穴μ_alloy+phonon随N_inv的变化^[23]
Figure5. (a) Extracted effective hole mobilities of the QW p-MOSFET at 15 and 300 K; (b) μ_phonon+alloy obtained from the extracted hole mobility at 300 and 15 K^[23].

${{\mu _{\rm{phonon} + {\rm{alloy}}} = \left( {\dfrac{1}{{{\mu _{300\;{\rm{K}}}}}} - \dfrac{1}{{{\mu _{15\;{\rm{K}}}}}}} \right).}}$

图5(b)的计算结果表明, 合金散射主要作用于有效电场强度(E_eff)比较小的区域, μ_alloy对E_eff的依赖关系要弱于μ_ph的E_eff^－0.3. 因而, 合金散射对于正常工作于高场条件的SiGe量子阱pMOSFET影响不大. 另外, 减小SiGe层厚度可以降低合金散射的影响.

GeOI MOSFET是一种很有潜力的新结构晶体管, 能够很好地抑制晶体管的短沟道效应, 同时具有较高的载流子迁移率. 但是由于其器件结构的特殊性, GeOI MOSFET具有上下两个MOS界面, 载流子受散射作用的影响更加明显, 且作用机理十分复杂.
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4.1.绝缘层上锗(germanium-on-insulator, GeOI) pMOSFET中空穴的散射机制

X. Yu 等人研究了 GeOI p-MOSFET 迁移率对 Ge 薄膜厚度的依赖关系，沟道最薄仅为 2 nm^[24]. 研究发现, 空穴迁移率受到 Ge 膜厚度影响，当 Ge 薄膜变薄时, 空穴受到上下界面的影响更加严重, 空穴受到的库仑散射及声子散射增强, 使空穴的迁移率降低. 尤其是在Ge膜厚度小于5 nm时, Ge薄膜厚度的不均匀直接限制了载流子在其中的输运特性. 进一步对传统晶体管的载流子散射模型进行了修正, 以适用于超薄GeOI晶体管, 新的模型凸显了Ge沟道厚度对迁移率的影响(图6).
图 6 超薄GeOI 晶体管中的载流子输运模型^[24]
Figure6. Carrier transport model in ultra-thin GeOI MOSFETs^[24].

由于GeOI晶体管的特殊结构(gate/gate oxide/Ge/BOX/Si), 我们对GeOI pMOSFET中背面电压(V_BG)对空穴迁移率调控作用进行了研究^[25]. 研究发现, V_BG对GeOI晶体管迁移率有着明显的调控作用. 图7提取了不同N_s数值下空穴有效迁移率. 可以发现, 当施加一个正向的V_BG时, 沟道中的空穴分布更加靠近栅氧/Ge界面. 因此, 由D_it引起的库仑散射以及表面粗糙度散射会更加严重, 结果表现为空穴迁移率降低. 当V_BG为负时, 情况则刚好相反.
图 7 GeOI pMOSFET空穴有效迁移率随V_BG的变化情况^[23]
Figure7. Hole mobility of UTB GeOI pMOSFETs with applying different V_BG^[23].

上述分析可以再次证明, Ge/BOX、 Ge/栅氧界面是影响GeOI晶体管迁移率的重要因素, 尤其是当Ge膜很薄时, 受到由D_it引起的库仑散射及表面粗糙度散射会大大增强.
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4.2.GeOI nMOSFET中电子的散射机制

W. H. Chang 等人研究了 GeOI nMOSFET 电子迁移率随沟道厚度的变化情况^[26]。研究发现，当沟道厚度大于 10 nm 时，随着厚度的变薄，电子受到的库伦散射和表面粗糙度散射愈加明显，因此电子迁移率随 Ge 膜厚度减小而降低(图8(a)); 而当Ge膜低于10 nm时, 由于量子效应, 电子在能级中的占据率会重新分配, L能谷中的一部分电子会跃迁至Γ能谷, 引起了电子有效质量的减小, 从而提升迁移率(图8(b)).
图 8 (a) 电子迁移率与Ge厚度关系; (b) 不同Ge厚度下电子在能级中的分布情况^[26]
Figure8. (a) T_body dependence of effective electron mobility characteristics; (b) band structure of UTB GeOI nMOSFET under different channel thickness^[26].

本文从应变技术、新沟道材料和新器件结构三个角度研究了载流子输运中的散射机制。应变技术可以有效提高载流子迁移率，但是对于电子和空穴的作用不同。在低场时，双轴拉伸应力减弱了衬底掺杂对电子的库仑散射，但增强了对空穴的库仑散射，同时，双轴拉伸应力提高了界面态对电子的散射，降低了界面态对空穴的散射；在高场时，双轴张应力降低了电子的表面粗糙度散射，但是并没有降低空穴的表面粗糙度散射，该结果通过一种新的利用 TEM 图像计算 MOS器件粗糙度散射影响的迁移率的方法得到验证。对于Ge nMOSFET，电子在不同晶面的 Ge 沟道中受到的散射机制不同，Ge (100) nMOSFET 在高场条件下声子散射仍然是影响迁移率的主要散射机制，而在 Ge (111)、 (110) nMOSFET 中，表面粗糙度散射占主导地位。在 SiGe 量子阱 pMOSFET 中，合金散射主要作用于有效电场强度比较小的区域，而对高场迁移率影响不大。对于GeOI MOSFET，由于存在上下两个界面，载流子输运会受到上下两个 MOS 界面的散射，其作用机理更加复杂，界面质量及 Ge 膜厚度均影响载流子的散射过程。