应变硅/硅锗微细特征单元结构失稳及应变弛豫研究

当微电子晶体管发展到45纳米节点技术，完全依靠传统的材料特征尺寸等比例缩小来提高器件性能的方式已不能满足需求。如何在降低芯片动态功耗的同时极大地提升载流子迁移率成为微电子器件延续摩尔定律发展的关键问题。应变硅基薄膜材料应运而生，并成为物理学界、材料学界和工程界备受关注的研究热点之一。然而，应变硅基薄膜本身就处于热力学非稳定状态，具有向稳定状态转变的趋势。尤其是对于特征尺寸仅为数十纳米的微细功能单元，表/界面效应愈发凸显，其附加能量和应力容易引起结构失稳及伴随的应变弛豫。本项目拟以应变硅/应变硅锗合金为例，结合理论模拟和实验表征探讨微细图案化可能导致的结构失稳行为及特殊的应变弛豫途径，阐明内在的物理机制，明确由此可能造成器件功能特性异化的制约因素，探索可有效调控应变弛豫的方法，为高密度、高速、高可靠性微电子器件的设计制造奠定材料学理论和技术基础。

长期以来，微电子晶体管的集成密度、信息容量和运算速度等性能指标一直按照摩尔定律指数增长，其性能提升的根本途径是等比例缩小晶体管的特征尺寸，目前已进入22 nm技术节点。基于这种晶体管微缩技术进一步延续摩尔定律面临纵多技术挑战。倘若在不改变晶体管特征尺寸的条件下能显著提升载流子迁移率，将有望为微电子器件的发展提供新途径。应变硅基薄膜材料应运而生，其基本原理是通过应变的引入降低晶体对称性，促使简并能级分裂，降低电子散射作用，提升载流子迁移率。不难想象，应变的引入会导致材料偏离平衡态，微细图案化结构单元必然面临应变弛豫的问题。本项目以应变硅/硅锗薄膜为例，结合理论模拟和实验表征，着重探讨微细图案化可能导致的结构失稳及应变弛豫行为，阐明内在物理机制，明确由此可能造成器件功能特性异化的制约因素。经过三年的努力已完成研究计划，实现预期目标。取得的重要研究成果有以下几个方面：1）考虑到通常条件下非晶晶化过程伴随着材料体积的收缩，提出了非晶晶化与智能切割相结合引入应力/应变的新方法；2）发现因界面结晶和晶界结晶的相互竞比，金属诱导SiGe二元非晶薄膜晶化呈双相结构；3）提出结合常规Raman光谱和有限元模拟进行图案化结构各向异性应变分布表征的新思路，明确了根据硅基应变薄膜厚度筛选恰当激光波长以避免基体特征峰干扰的必要性；4）结合电子束曝光和离子束刻蚀技术制备了系列图案化应变硅样品，Raman光谱表征发现图案化样品应变弛豫显著，且有赖于特征尺寸和形状，基于此可实现应变分布状态的有效调整；5）鉴于当前碳基材料存在与硅基材料类似的应变调控问题，我们适当将材料体系从单晶硅向石墨烯拓展，以揭示纳电子器件所面临的共性问题，发现SiC热解制备的石墨烯边界以扶手椅型为主，应力/应变的引入一定程度上能调整石墨烯的电子能带结构和晶格振动声子谱，即可改变石墨烯的电子学和热学特性。项目执行期间在Acta Materialia, Applied Physics Letters, Nanotechnology等国际国内期刊发表学术论文17篇，其中SCI收录15篇，影响因子大于3.0的论文5篇。项目负责人遴选为2010年度教育部新世纪优秀人才支持计划，曾两次应邀参加相关学术会议并做特邀报告。