С6.3 Способы введения напряжений в область канала МДПТ

С6.3.1. Деформация, вводимая подложкой

Одним из наиболее эффективных способов введения значительной растягивающей деформации в канал является эпитаксиальное наращивание тонкого слоя кремния на равновесный слой (подложку) SiGe (рис. С6.5). Из рисунка видно, что из за существующей разницы в постоянных решетки Si и SiGe, решетка кремния растягивается в плоскости границы раздела. Эта деформация нарушает симметрию структуры энергетических зон, приводя в частности к описанному выше расщеплению.

Рис. С6.5.Схема изменения (растягивания) решетки пленки кремния при создании структуры Si-SiGe.

В соответствии с этим происходит уменьшение эффективной массы, снижение внутризонного и междолинного рассеяния электронов. Это приводит к облегчению транспорта в деформируемом кремнии, что и используется в канале МДПТ (рис. С6.6а).

 

 

Рис. С6.6Три варианта введения деформации в канал транзистора: а) эпитаксиальный кремний на “объемной" подложке SiGe б) структура Si/SiGe на изоляторе (SGOI); в) напряженный кремний непосредственно на изоляторе (SSDOI).

 

Характеристики транзистора еще больше улучшаются при совмещении введения деформации с технологией кремний на изоляторе (КНИ). Технологи либо выращивают слой напряженного кремния на структуре SiGe на изоляторе (SGOI) (рис. С6.6б), либо создают более сложную структуру сверхтонкий слой напряженного кремния прямо на изоляторе (рис. С6.6в). В последнем примере слой SiGe удаляется в процессе формирования исходной структуры. После обычной процедуры формирования Si/SiGe на кремнии формируется окисный слой. После этого в SiGe имплантируется слой водорода, и производится соединение с несущей подложкой Si методом прямого сращивания. Полученная структура нагревается и большая часть начальной Si/SiGe “отщелкивается" по слою водорода в SiGe (метод Smart Cut). Затем весь слой SiGe селективно стравливается и транзистор формируется на оставшемся напряжённом слое Si на изоляторе (SSDOI). Описанная технология может привести к увеличению подвижности до 100%, улучшая выходные характеристики транзистора нанометровых размеров на 20-25%.

Необходимо отметить, что наличие в описанной структуре подложки слоя SiGe приводит к возникновению нескольких проблем. Этот слой при установлении равновесных условий (релаксации) индуцирует высокую плотность дефектов в напряженном кремнии. Скорость диффузии легирующей примеси в SiGe значительно отличается от таковой в Si. Диффузия бора замедляется, а мышьяка ускоряется. Это приходится учитывать, как при создании истока и стока, так и при формировании нужного порогового напряжения. Кроме того, при функционировании Si/SiGe приборов наблюдается значительное самонагревание, связанное с низкой теплопроводностью SiGe.

С6.3.2. Деформации, вводимые в область канала транзистора с помощью технологических процессов

Как растягивающие, так и сжимающие напряжения могут быть введены в канал одним из трех ниже описанных процессов:

а) Нанесение на МДПТ напряженных пленок Si3N4 (etch - stop liner - маскирующих пленок), как для N- так и для P-канальных транзисторов.

б) Метод "запоминания" напряжения (Stress Memorization Technique) для N-канальных МДПТ.

в) Введение SiGe в область истока и стока – для р- МДПТ.

а) Использование напряженных нитридных (SiN) пленок

Наличие напряжения в нитридных пленках, нанесенных на поверхность кремния, было обнаружено и изучено в 90-х годах прошлого века. Так, например, было показано, что при плазменном нанесении пленок нитрида кремния на Si, изменяя газовый состав в камере и режим нанесения, можно получить как растянутые, так и сжатые пленки. Именно, эти свойства таких пленок дали возможность использовать их для введения напряжения в канал МДПТ.

Одно из первых таких исследований было опубликовано в 2000 году в работе [7]. В этой работе связывают различие в свойствах пленок со способностью менять собственные внутренние напряжения в зависимости от внутренней структуры на молекулярно-атомном уровне. После нанесения силицида при формировании транзисторных структур на всю пластину наносится равномерный слой растянутого или сжатого нитрида. Толщина и состав материала этой пленки подбирается по величине рабочего тока транзистора (Ion). Обычно, более толстые слои увеличивают уровень напряжения. Далее следуют обычные для технологического планарного процесса операции формирования контактов и нанесения межслойной изоляции. Установлено, что введение растягивающего напряжения в n-канал приводит к улучшению характеристики прибора на 11-15%, а сжатие для р-канала на ~20-25%.

Рис. С6.7.Применение селективной Ge имплантации для снятия напряжения в участке сжимающей нитридной пленки над n-МДПТ

 

Более сложную технологию приходится применять в случае КМОП-структур. Нанесение растянутой напряженной пленки одновременно с улучшением характеристики п-МДПТ, будет ухудшать р-МДПТ. Такая же ситуация будет при нанесении на всю КМОП структуры сжимающей пленки. Одним из методов решения этой задачи является применение ионной имплантации Ge в нужную область для снятия напряжения в нитриде (рис. С6.7).

Описанный метод дает, например, возможность "подтянуть" подвижность в р-канале к уровню электронной подвижности, что весьма важно для многих схемных решений с применением КМОП-структур. Для достижения наилучших результатов при нанесении напряженных пленок применяется процесс под названием "напряженная пленка, состоящая из двух частей" (Dual Stress Liner DSL process). По этой технологии сначала наносится растягивающая нитридная пленка, которая затем селективно стравливается с области p-МДПТ. Далее наносится сжимающая пленка, которая также селективно удаляется с области n-МДПТ. При испытании в схеме кольцевого генератора такая технология может привести к улучшению времени задержки на 12-24%. Описание различных способов применения DSL метода для КМОП структур можно найти в работах [8-11].

 

б) Технология запоминания напряжения (Stress Memorization Technique)

Локальное напряжение может быть введено методом запоминания напряжения. Известно, что в обычном производстве МДПТ области стока/истока и затвора при легировании с помощью ионной имплантации аморфизируются. В указанной технологии последующий отжиг для активации примесей проводится после нанесения растягивающей нитридной покрывающей пленки (рис. С6.8). Как и описано ранее, напряжение в нитридной пленке передается в канал, растягивая его. Но во время отжига это напряжение еще и "запоминается" в кристаллизующейся пленке поликремния. После удаления нитридной пленки именно это напряжение в поликремнии поддерживает деформации в кристаллической решетке кремния в канале. Эта деформация растяжения и приводит к увеличению подвижности. Использование этого метода позволяет улучшить выходные характеристики, как и во всех предыдущих случаях, на 15-20% в зависимости от параметров аморфизированного слоя нитридной пленки и условий отжига.

Рис. С6.8.Последовательность операций при применении технологии “запоминания напряжений": а) - аморфизация И/С областей и затвора; б) - нанесения растягивающего нитрида; в) - отжиг и удаление нитрида.

 

в) Внедрение сплава SiGe в области истока/стока р-МДПТ

Кроме использования нитридных пленок для введения напряжения в р-канал используется заполнение областей истока и стока транзистора сплавом SiGe. Для осуществления этой операции после формирования спейсера кремний селективно вытравливается из областей стока и истока, на его место также селективно с одновременным легированием эпитаксиально выращивается SiGe. Область n-МДПТ при этом покрывается защитным слоем, предотвращающим как удаление кремния, так и эпитаксию SiGe. В связи с тем, что постоянная решетки SiGe больше, чем Si, в канале транзистора индуцируется одноосное сжимающее напряжение, что в результате приводит к значительному увеличению подвижности дырок в канале.

Интенсивность вводимых напряжений зависит, как от толщины слоя SiGe, так и от степени его возвышения над поверхностью кремния, а также от процента содержания Ge в сплаве. Слишком большое содержание германия может привести к формированию большого количество дефектов. Важным является и подбор расстояния до границы щелевой изоляции и до границы поликремниевого затвора.

 

С6.3.3 Влияние ориентации поверхности подложки и направления тянущего поля в канале относительно направления напряжения

Дальнейшие исследования показали, что с помощью правильного выбора ориентации подложки и направления тока в канале относительно направления введенной деформации, можно получить дополнительное увеличение величины подвижности.

Из изложенного выше ясно, что подвижность носителей заряда из-за наличия анизотропии эффективных масс в кристаллической решетке кремния, должна зависеть от ориентации поверхности и направления потока носителей в канале (рис. С6.9).

Рис. С6.9.Примеры соотношения ориентации поверхности подложки и направления потока носителей в канале

 

Из проведенных исследований известно, что подвижность дырок в 2,5 раза выше на подложке с ориентацией (110), чем на пластине с обычной для кремниевой технологии ориентацией (100). В то же время подвижность электронов на поверхности (110) уменьшается. Точно такое же противоречие обнаруживается в реакции подвижности (тока) на направление введения и знак деформации. На рис. С6.10 приведены изменения тока транзистора в насыщении в зависимости от ориентации поверхности и направления приложенного механического напряжения [12].

 

Рис. С6.10.Влияние кристаллографической ориентации поверхности подложки на ток канала МДПТ в напряженном кремнии [12].

 

Для полной реализации зависимости подвижности носителей заряда от ориентации подложки была развита Технология Гибридной Ориентации (Hybrid Orientation Technology HOT). В этой технологии в составе КМОП - структуры n-МДПТ формируется на поверхности с ориентацией (100), а р-МДПТ на поверхности с ориентацией (110).

Один из маршрутов такой HOT-структуры приведен на рис. С6.11. Две подложки с ориентациями поверхности (100) и (110) соединяются по технологии "прямого сращивания". Затем половина подложки (100) стравливается до открытия поверхности подложки (100). На открывшуюся поверхность эпитаксиально доращивается слой кремния. Таким образом, на поверхности подложки для создания КМОП-структуры имеются ориентационные условия для формирования р- и n-МДПТ с оптимальными характеристиками. Показано, что время релаксации для р-МДПТ с переходом на подложку (110) может быть улучшено на 18-21%. Дальнейшее улучшение характеристик транзисторов в такой структуре может быть достигнуто с введением в технологию напряжения в канале и применения технологии КНИ.

 

Рис.С6.11.Последовательность одной из реализаций технологии Гибридной Ориентации: а) подготовка двух подложек (110) и (100) ориентации для прямого сращивания; б) сращивание подложек; в) стравливание части подложки с ориентацией (110) и подготовка открытой поверхности подложки (100) для эпитаксии; г) наращивание эпитаксиального слоя (100).

 

С6.4 Заключение

Необходимо, прежде всего, отметить, что за последние годы техника увеличения величины подвижности получила дальнейшее мощное развитие. Примером может служить работа [13], где, используя аддитивность одновременного воздействия различных методов введения напряжения, удалось получить увеличение подвижности дырок на 200%. О таком же удачном сочетании различной техники введения напряжения можно узнать из работы [14]. В этом исследовании разработчики использовали: растягивающие и сжимающие нитридные пленки, внедрение SiGe в области истока/стока, метод запоминания напряжения. И все это на основе КНИ структур. Удалось не только получить увеличение подвижности электронов и дырок вообще, а еще достичь значительного снижения разницы между подвижностью дырок и электронов в КМОП структуре, что очень важно во всех схемотехнических решениях.

Полученные результаты в части улучшения параметров МДПТ и КМОП с технологическими нормами 90-65 нм с помощью введения механического напряжения в канал привели к интересному последствию общего характера. Имеется в виду отказ авторов ITRS-2005(2006), при описании (предсказании) параметров очередного поколения полупроводниковых приборов ограничиваться просто указанием технологической нормы. Ранее было ясно, что транзистор 65нм должен быть лучше, чем таковой для 90нм. Теперь, повышение подвижности с применением локальных механических напряжений, использование металлических затворов и диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью, а также применение КНИ структур, позволяют получить более высокие параметры для транзисторов большего размера. ITRS предлагает не ссылаться только на технологическую норму, а приводить специфические свойства прибора данного этапа масштабирования.

Ярким примером такой тенденции является анонсированная в конце 2007 года 45нм структура КМОП фирмы Intel. В ней практически предполагается использование всех перечисленных новых технологических достижений, которые подробно упоминаютcя в качестве характеристики этого прибора [15].

Из изложенного выше ясно, что локальные механические напряжения, вызывающие деформацию кристаллической решетки полупроводника, приводят к изменению подвижности носителей заряда. При правильном выборе величины, знака и направления этого воздействия можно получить значительное увеличение подвижности носителей заряда в области воздействии напряжения.

Это явление в настоящее время широко используется в технологии МДПТ и КМОП-структур [16,17].

 

Литература

1. Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов. 4.1. М.: Техносфера, 2002. Ч. 2. 2004. 535 с.

2. Орликовский А.А. Кремниевая транзисторная наноэлектроника. Известия вузов. Электроника. 2006. № 5. C. 35-44.

3. Skotnicki Т., Monfray S. Materials and MOS device architectures for sub - 32 nm CMOS nodes ICMNE-2997 Oct. 1-5, 2007, Moscow-Zvenigorod, Russian. P. Ll-01.

4. Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Использование напряженного кремния в МДП-транзисторах и КМОП-структурах.. Микроэлектроника, 2009, том 38, №2, с.83-98.

5. Smith C.S. Piezoresistance Effect in Germanium and Silicon // Phys. Rev. 1954,V. 94. № 1. P. 4249.

6. 6.Arghani R. et al. Strain Engineering in Non - Volatile Memories. Sem. Intern. April 2006, р.32.

7. Но S. et al. Mechanical stress effect of etch -stop nitride and its impact on deep submicron transistor design. IEDM Tech. Dig. Dec. 2000.

8. Yang Y.S. et al. IEDM Tech. Dig., Dec. 2004. P. 1075-78.

9. Shimitzu A. et al. Local mechanical-stress control (LMC): A new technique for CMOS-performance en­hancement. IEDM Tech. Dig. Dec. 2003.

10.Ota K. et al. Novel Locally Strained Technique for Per-formanxe 55nm CMOS. IEDM Tech. Dig. Dec. 2002. P. 27-30.

11.Chen C.H. et al. VLSI Simpos. June. 2004. P. 56-57.

12.. Victor Chan et al. Strain for CMOS performance Improvement IEEE 2005 Custom Integrated Circuits conference.

13.Washington L. et al. p-MOSFET with 200% Mobility Enhancement Induced by Multiple Stressors // IEEE Electron Dev, Lett. June. 2006. V. 27. №

14.Horstmann M. et al. Integration and Optimization of Embedded – SiGe, Compressive and Tensile Stressed Liner Films, and Stress Memorization in Advanced SOI CMOS Technologies // IEDM Tech. Dig. Dec. 2005. Report 5. Session 10.

15.James D. Strained silicon to high-k and metal gate // Sol. St. Tech. Nov. 2007.

16.Sverdlov V. Strain-Induced Effect in Advanced MOSFETs, Springer-Verlag/Vien, 2011.

17.Scotnicki T., Fenouillet-Beranger C., Gallon C. at al. Innovative Materials, Devices, and CMOS Technologies for Low-Power Mobile Multimedia, IEEE Transaction on Electron Devices, 2008, v.55, №1,pp.96-128.

 

Задание на СРС

 

1. Ознакомиться с методические указаниями студентам по изучению дисциплины «Физика наноразмерных полупроводниковых структур» (Приложение 2).

2. Для лучшего усвоения материала рекомендуется восстановить в памяти сведения, связанные со строением энергетических зон кремния и понятием эффективной массы электронов и дырок, например, по книгам К.В Шалимова «Физика полупроводников», (гл.2) или Ю.А.Парменов, «Физика полупроводников», М.:МИЭТ, 2002, с.19-56.

3. Самостоятельно изучить главу IV (стр. 104-111) работы [17] из списка литературы (текст работы взять у преподавателя). Обратить особое внимание на Таблицу 111 (влияние напряжений на подвижность).

 

Смотри Приложение на следующей странице.


[1] - греческая буква «хи»