先进半导体制造中硅锗（SiGe）的物理特性、集成与演进

简介

硅锗（SiGe）是一种由结晶硅和锗混合而成的多功能半导体合金。由于其能带隙可调，且具有将机械应力引入硅晶格的独特能力，它已成为现代集成电路中的基础材料系统。在互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺流程中引入 SiGe，极大地改变了器件微缩的发展轨迹。通过在特定器件区域替换纯硅，工程师可以利用 SiGe 的物理特性来增强载流子传输，而无需完全依赖传统的几何尺寸微缩。由于其高载流子迁移率，锗被用作即将推出的 MOSFET 器件的新沟道材料来替代硅 [P2]。在当代半导体制造中，SiGe 发挥着多种关键作用：它主要用作源/漏极应力材料，以提高 p 型金属氧化物半导体场效应晶体管（p-MOSFET）的驱动电流；作为先进逻辑架构中的高迁移率沟道材料；并构成高速异质结双极晶体管（HBT）中的关键基极层。

物理与机制

晶格失配与应力工程

使 SiGe 在微电子领域具有重要作用的核心物理机制在于晶格动力学和能带理论。锗的天然晶格常数比硅大。当 SiGe 外延层生长在块体硅模板上时，两者原子间距的不匹配使得 SiGe 层无法呈现其自然的块体尺寸。相反，为了在界面处保持有序的原子排布，SiGe 晶格必须横向压缩以与底层的硅模板对齐。在平面异质结构中，在晶体硅上生长的薄 SiGe 层将附着在较小的硅晶格上并表现出双轴压缩 [P3]。根据生长平面的取向和周围结构的边界条件，这种晶格失配会引入单轴或双轴压应力。根据半导体能带理论，通过施加压应力操纵周期性晶体势场，会使简并的重空穴和轻空穴价带发生分裂。这种能带分裂减少了带间散射并降低了空穴的有效质量，从而直接提高了空穴迁移率并增加了 p-MOSFET 器件的驱动电流。

异质结双极晶体管动力学

除了场效应晶体管，SiGe 从根本上改变了双极结型晶体管的性能。在异质结双极晶体管（HBT）中，SiGe 被集成到基极区域以设计内置电场。通过在超薄基极区域内对锗浓度进行空间渐变（通常从靠近发射极的低浓度开始，向集电极方向增加），可以建立起连续的能带隙梯度。这种能带隙梯度充当准电场，主要通过漂移传输加速注入的少子穿过基极，而不是完全依赖传统同质结 BJT 中占主导地位的较慢扩散机制。这显著缩短了基极渡越时间，提高了电流增益和高频截止特性。

工艺原理

选择性外延生长与空腔工程

将 SiGe 集成到逻辑器件中的主要方法是，在有源沟道邻近的凹陷源极和漏极区域进行选择性外延生长（SEG）。选择性沉积意味着硅沉积在硅的暴露区域上，而不沉积在诸如二氧化硅或氮化硅的其他薄膜上 [T1]。在嵌入式 SiGe 工艺中，刻蚀凹陷过程中暴露出的特定晶体面决定了外延生长动力学以及耦合到沟道中的应力大小。通过在外延过程中仔细调节锗含量，工艺工程师必须在施加压应力的大小与热力学稳定性之间取得平衡。较高的锗浓度会产生更大的晶格失配和更高的应力，但同时也缩小了无缺陷晶体生长的工艺窗口。

挑战与失效模式

界面缺陷态与氧化物不稳定性

SiGe 沟道集成中最深刻的挑战之一出现在半导体沟道与栅极电介质之间的界面。与形成稳定二氧化物的硅不同，锗氧化后会形成高度不稳定的次氧化物（GeOx）。由于 Ge-O 键在热力学上比 Si-O 键弱，这些次氧化物在随后的热处理步骤中极易分解。不稳定的次氧化物会引入悬挂键，并在禁带内产生高密度的电子界面陷阱态。这些陷阱态会捕获并释放载流子，导致库仑散射、沟道迁移率下降以及阈值电压漂移。抑制次氧化物的形成并控制界面陷阱密度（Dit）是功能性 SiGe 沟道器件的必备要求。

应力弛豫与失配位错

保持晶体晶格的弹性形变对于迁移率增强至关重要。如果 SiGe 层的物理体积或锗浓度超过了被称为临界厚度的热力学极限，累积的应力会强制自发产生失配位错。这些扩展的晶体缺陷穿过有源器件区域，充当非辐射复合中心，并造成电学漏电路径。一旦位错形成，内置应力就会发生不可逆的弛豫，从而完全抵消预期的迁移率增强效果。防止应力弛豫需要对外延体积、热预算以及底层的空腔几何形状进行严格的工艺控制。

热预算与过扩散

在涉及锗扩散或高温步骤的工艺流程中，热预算管理是一项严苛的限制。过高的退火温度或过长的热暴露可能会触发锗的失控过扩散。这种过扩散不仅会抹平精心设计的浓度梯度，还可能因表面原子迁移导致纳米级特征发生形态退化或结构坍塌。

技术节点演进

SiGe 的实施随着摩尔定律的发展发生了巨大变化。在 28nm 节点平面架构中，SiGe 主要用作 p-MOSFET 器件的嵌入式源/漏极应力材料，依赖于优化凹陷刻蚀以最大限度地增加沟道应力。随着工业界转向 14nm 节点及以后的 3D 架构并采用鳍式场效应晶体管，物理限制改变了应力耦合效率。关于嵌入式应力源的具体集成步骤，详见 14nm FinFET 嵌入式 SiGe 工艺流程。因此，先进节点开始将 SiGe 直接引入有源沟道区域本身，利用 SiGe 合金固有的低有效质量作为块体特性与应力工程相结合。

相关工艺

将 SiGe 集成到先进节点与多个相邻工艺模块紧密相连：

• 原子层沉积 (ALD)： ALD 对于 SiGe 上的界面工程至关重要。在高-K 电介质沉积初期引入受控氧化剂有助于管理界面化学计量比并抑制缺陷形成。
• 高-K 金属栅极 (HKMG)： 必须精心调节金属栅极的有效功函数，以与应变 SiGe 沟道改变后的能带边缘对齐，需要专门的热处理以防止锗向栅极电介质外扩散。

未来展望

除了逻辑微缩之外，SiGe 的独特性能还为全新的器件范式铺平了道路。该材料正被用于量子计算架构的研究，其中工程化 SiGe 异质结构中的低自旋轨道耦合为自旋量子比特提供了合适的宿主环境。此外，人们还在探索受控位错动力学和能带隙调节在专用存储器和神经形态器件中的应用。