3. 应力与能带结构：应力对半导体能带结构的影响

在先进CMOS工艺中，应力工程的核心物理机制在于通过机械形变改变半导体的能带结构，从而降低载流子的有效质量或减少散射几率，最终实现迁移率的增强。本章节将深入解析应力如何影响硅（Si）及锗硅（SiGe）等材料的能带结构，并区分单轴与双轴两种应力类型的作用差异。

3.1 应力对能带结构的基本影响

当半导体晶体受到外部机械应力时，其晶格常数会发生形变，进而改变原子间的势场周期。这种形变直接作用于电子的能带结构，主要体现在以下两个方面：

• 能带分裂（Band Splitting）：原本简并的能带（如硅的价带顶重空穴带与轻空穴带）在应力作用下发生分裂，导致不同能带之间的能量差增大，载流子优先占据有效质量更小的能带。
• 有效质量变化（Effective Mass Modification）：应力改变了能带在k空间（波矢空间）的曲率（E-k关系），从而改变了载流子的有效质量。通常，拉伸应力会降低电子有效质量，而压应力会降低空穴有效质量。

3.2 应力类型：单轴应力与双轴应力

根据应力施加的方向和维度，CMOS工艺中主要采用两种应力类型：单轴应力（Uniaxial Stress）和双轴应力（Biaxial Stress）。它们在工艺实现、能带调制效果以及对器件性能的影响上存在显著差异。

3.3 单轴应力下的能带分裂机制

以PMOS为例，单轴压应力沿沟道方向（<110>晶向）施加时，对价带结构的影响如下：

• 重空穴带（HH）与轻空穴带（LH）分裂：压应力使HH带能量上升，LH带能量下降，导致HH与LH之间的能隙增大。
• 有效质量降低：由于空穴主要占据能量更高的HH带，但单轴压应力会显著降低HH带沿沟道方向的有效质量（m*_{HH, channel}），从而大幅提升空穴迁移率。
• 自旋轨道分裂带（SO）影响：SO带进一步下移，减少了价带间的带间散射，有利于迁移率提升。

3.4 双轴应力下的能带分裂机制

双轴应力通常通过外延生长晶格失配的SiGe层来实现。例如，在SiGe虚拟衬底上外延生长Si沟道层，由于Si的晶格常数小于SiGe，Si沟道层会受到双轴拉伸应力。

• 导带谷分裂：对于NMOS，双轴拉伸应力使导带的四重简并谷（Δ₄）能量上升，二重简并谷（Δ₂）能量下降。电子优先占据能量更低的Δ₂谷，其面内有效质量更小，从而增强电子迁移率。
• 价带影响：双轴应力对价带的影响相对复杂，通常也会引起HH与LH的分裂，但面内有效质量的降低效果不如单轴压应力显著，因此双轴应力主要用于NMOS的迁移率增强。

3.5 应力对能带结构影响的内联SVG示意图

下图展示了单轴压应力与双轴拉伸应力对硅能带结构（导带底和价带顶）的典型调制效果，重点突出了能带分裂与有效质量变化。