5.4. Повышение подвижности с использованием технологии напряженного кремния

ки германия (~0.56 нм) приблизительно на 4 % больше постоянной решетки кремния (~0.54 нм). Поэтому, если слой кремния поместить на подложку из кремний-германиевого сплава, то кремний оказывается под действием растягивающего механического напряжения, действующего по всем направлениям (т.н. биаксиального или двухосного растяжения). Механическое напряжение может уменьшать эффективное значение эффективной массы носителей, что приводит к увеличению их подвижности. Впервые эта технология была реализована для 90 нм проектной нормы. Сечение n- канального транзистора, изготовленного по технологии напряженного кремния, представлено на рис. 5.4. Толщина слоя напряженного кремния составляет ~ 10 нм, а толщина слоя Si1-xGex – около 30 нм. Существуют другие варианты такой технологии, включающие в себя сжимающие и растягивающие механические напряжения (одноосные и двухосные). Выигрыш в подвижности в подобных технологиях довольно значителен и составляет несколько десятков процентов. Этот выигрыш может достигать максимальных значений ~80 % для электронов (приблизительно от 400 до 700 см2 /В×с) и ~70 % для дырок ( 100 до 170 см2 /В×с) для биак- сиально-(двухосно) растянутого слоя кремния, что достигается при доле германия, равной приблизительно 30 %.

Рис. 5.4. Сечение n-МОП транзистора со слоем напряженного кремния

Существуют другие варианты создания механических напряжений в области канала. В частности, для этого можно использовать боковую STI – изоляцию мелкими канавками (STI, см. п. 5.9).

Проблемы подходов, основанных на напряженном кремнии, состоят в высокой дефектности слоев такого кремния; плохой со-

130

вместимости с технологиями «кремний-на-изоляторе»; низкой технологичности и низком проценте выхода (особенно для больших концентраций германия), а также высокой стоимости. Модели механического напряжения включены в систему параметров BSIM4.

5.5. Зависимость подвижности эффекта поля от спектра поверхностных состояний

Экспериментальное определение подвижности носителей в канале не является однозначной и простой задачей. Сложность состоит в том, что для однозначного определения подвижности необходимо независимое определение плотности носителей в канале, что можно сделать, как правило, только для тестовых структур с большой площадью (например, используя эффект Холла).

Обычно различают подвижность проводимости и подвижность эффекта поля. Подвижности проводимости определяются по наклону крутой области выходной ВАХ ID (VDS )

Подвижность проводимости формально дает значение микроскопической подвижности, но следует помнить, что в этом случае плотность носителей в канале оценивается через эмпирическое значение порогового напряжения, которое, вообще говоря, не определяется строго и однозначно.

Подвижность эффекта поля определяется по крутизне передаточной ВАХ ID (VGS )

Если считать, что ток в надпороговой области точно выражается через пороговое напряжение

ID = ZL μ 0q nSVDS = ZL μ 0CO (VG −VT )VDS ,(5.5.3)

то оба определения подвижности совпадают: μ0 = μFE .

В реальности зависимость плотности носителей в канале от затворного напряжения не является в точности линейной, поскольку поверхностный потенциал продолжает слабо расти даже в надпо-

131

роговой области (ϕ > 2ϕF), что приводит к перезарядке поверхностных состояний, соответствующей деформации зависимости VGS (ϕS ) и появлению зависимости μFE от плотности поверхност-

ных состояний Dit . Действительно, используя известное соотно-

Таким образом, подвижность эффекта поля определяется не только процессами рассеяния носителей в канале, но и процессами перезарядки поверхностных состояний.

При сильной инверсии (когда Cinv очень велико) отличие под-

вижности проводимости от подвижности эффекта поля незначительно. В то же время, в области вблизи порога и/или при высокой плотности поверхностных состояний величина μFE может отли-

чаться от подвижности проводимости μ0 на десятки процентов.

Плотность поверхностных состояний является величиной, чувствительной к внешним и внутренним воздействиям, например радиации и/или горячим носителям в канале. Крутизна при таких воздействиях может деградировать как за счет уменьшения подвижности (усиления рассеяния носителей на заряженных дефектах), так и за счет усиленной перезарядки ПС.

Изменение подвижности эффекта поля при нестабильной величине плотности ПС выражается соотношением

132