2. 基础知识

在GAA（Gate-All-Around，全环绕栅极）器件中，沟道释放的核心工艺之一，就是利用SiGe与Si之间在材料性质上的差异，实现“选择性去除SiGe、保留Si沟道”。要做到高选择比，必须先理解两种材料在晶体结构、晶格常数、能带与载流子行为上的本质区别，以及应变工程如何改变这些性质。本节从材料物理出发，为后续刻蚀化学与工艺窗口的建立打基础。

一、晶体结构与晶格常数：同构但不等价

Si与SiGe都属于金刚石立方结构（diamond cubic），空间群为Fd-3m，每个原子与最近邻4个原子形成sp³杂化共价键。Ge的加入并不改变晶体骨架，而是以替位方式占据Si原子位置，形成Si₁₋ₓGeₓ合金。因此，SiGe可以看作“被拉伸或压缩的Si骨架”，其晶格常数随Ge组分x近似线性增大，符合Vegard定律：

a(Si₁₋ₓGeₓ) ≈ (1 − x)·a(Si) + x·a(Ge)

a(Si)  = 0.5431 nm
a(Ge)  = 0.5658 nm
Δa/a ≈ 0.0418·x   （相对Si的晶格失配）

当x=0.2时，SiGe相对Si的晶格失配约为0.84%；x=0.3时约为1.25%。这一失配量看似很小，却足以在超晶格或纳米片中产生显著的应变，并直接影响刻蚀速率、氧化速率和缺陷行为。例如，在Si/SiGe叠层中，若SiGe层厚度超过临界厚度，会通过位错释放应变，形成穿晶缺陷，这是GAA沟道释放中必须避免的。

二、能带与载流子特性：Ge带来的窄带隙与高迁移率

Si的室温禁带宽度约为1.12 eV（间接带隙），Ge约为0.66 eV（间接带隙，但Γ点直接带隙仅0.80 eV）。SiGe合金的带隙随Ge组分增加而减小，近似关系为：

Eg(Si₁₋ₓGeₓ) ≈ 1.12 − 0.41x + 0.008x²  (eV, 室温, 未应变)

带隙变窄意味着SiGe在相同掺杂下本征载流子浓度更高、电阻率更低，这也是SiGe常用于源漏抬升和接触层的原因。同时，Ge的引入显著提升空穴迁移率：在应变SiGe中，价带顶发生分裂，重空穴带与轻空穴带退简并，减少散射，使空穴迁移率可提升30%～80%。对于GAA中的Si沟道，若在其下方或两侧引入SiGe作为牺牲层，释放后留下的Si纳米片会继承部分应变，从而获得更高的电子/空穴迁移率。

三、应变工程基本概念：从双轴到单轴

应变工程的核心，是通过晶格失配、热膨胀差异或外部应力，改变材料的能带结构和载流子有效质量。在Si/SiGe体系中，常见应变类型包括：

• 双轴压应变：SiGe层在Si衬底上外延生长时，面内受压缩，垂直方向被拉伸。这种应变使价带分裂，提升空穴迁移率。
• 双轴张应变：Si在SiGe虚拟衬底上生长时，面内被拉伸，电子迁移率提升，常用于NMOS。
• 单轴应变：通过SiN应力帽层或嵌入式SiGe源漏，沿沟道方向施加单轴应力，效果更直接，但均匀性控制更难。

在GAA沟道释放中，SiGe牺牲层的应变状态会直接影响其刻蚀速率。例如，压应变SiGe的化学活性略高于松弛SiGe，在气相HCl或CF₄/Cl₂等离子体中的刻蚀速率可能提高10%～20%。因此，工艺窗口必须考虑应变梯度带来的选择比漂移。

四、案例与场景：Si/SiGe叠层释放中的材料学问题

假设一个典型GAA叠层：Si衬底上交替生长5 nm Si / 10 nm Si₀.₈Ge₀.₂，共3个Si沟道。释放时用各向同性干法刻蚀去除SiGe。若SiGe层厚度超过临界厚度（约15 nm），会形成失配位错，导致：

1. 位错处优先刻蚀，形成局部凹坑，Si沟道被侧向钻蚀；
2. 应变释放后SiGe带隙回升，刻蚀速率下降，选择比变差；
3. Ge原子在Si沟道中扩散，形成界面态，降低器件迁移率。

五、关键参数速查清单