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应变硅具有载流子迁移率高,能带结构可调,与传统工艺兼容,对器件性能提升明显等特点而备受关注。通过缩短器件特征尺寸以提升器件性能已变得越来越困难,将应变技术小尺寸化以提升小尺寸器件性能,进一步延续摩尔定律具有重要意义。但在纳米尺度器件中,载流子输运模式的改变使得应变技术对器件性能提升机理改变,应变技术是否依然有效有待研究。同时随着器件尺寸的缩小,传统应变技术面临如应力弛豫,应力引入困难,三维效应加剧等诸多挑战。 本文通过理论、实验与仿真针对应变技术小尺寸化所面临的如小尺寸器件应变性能提升机理,沟道应力增强方法等问题展开了如下研究: 1.基于应变技术对硅基材料能带的改变、载流子散射率和有效质量的减小,及小尺寸器件输运模型,即沟道长度进入纳米尺度,速度过冲和弹道输运的出现导致载流子输运模式的改变,对小尺寸应变器件性能提升机理进行研究。得出应变技术依然能有效提升小尺寸器件性能,主要通过减小载流子有效质量方式实现,因此小尺寸应变技术应以减小载流子有效质量为目的。同时针对传统应变技术小尺寸化后存在的问题进行探索,得出小尺寸器件需采用新型应变技术或将多种应变技术综合以提升器件性能。 2.通过解析与有限元迭代求解对平板中央开孔结构应力分布进行求解,得出弹性形变下平板结构应力分布和应力集中因子与孔形状的关系。同时采用Sentaurus仿真分析了栅长从15nm到350nm应力集中应变MOS器件沟道应力分布与沟道应力提升机理和器件结构优化。得出应力随孔内材料杨氏模量的减小和顶层硅厚度的减小而迅速增大,相对于传统 CESL应变技术,二氧化硅和真空孔器件沟道应力分别获得超过50MPa与150MPa的提升。 3.基于Sentaurus有限元求解,针对栅长从15nm到350nm应力集中器件,对比分析了其相对于普通CESL应变器件转移与输出特性的提升,压摆率和DIBL效应及阈值电压的变化,应力增强导致载流子迁移率的提升,孔材料低介电常数引起沟道电场的变化。得出应力集中器件性能的提升主要得益于沟道应力的提升,其次是孔材料低的介电常数。当栅长大于20nm时,驱动电流均获得超过12％的提升,且提升幅度随着栅长的减小先增大后减小,在65nm时达到峰值,提升达18.4％。同时该应力集中器件具有良好的亚阈区特性与DIBL特性。 4.针对优化的应力集中器件结构,提出了基于 SOI工艺与基于锗硅与硅高选择性刻蚀比的锗硅局部外延自对准技术的器件制作方案,并对锗硅与硅的高选择刻蚀比进行理论与实验研究,获得采用HF,H2O2,浓CH3COOH刻蚀液可获得高选择刻蚀比和良好的界面特性。该工艺适合长沟与短沟应力集中器的制作,同时与传统CMOS工艺具有良好的兼容性,为应变技术小尺寸化提供一种良好的实施方案。