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 (I _on). 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»