23

Методические указания

к проведению практических занятий по дисциплине

«Физика наноразмерных полупроводниковых структур»

Семинар 6

С6. Использование напряженного кремния в МДП-транзисторах и КМОП-структурах

План семинара

С6.1 Введение

С6.2 Механические напряжения в полупроводниках

С6.3 Способы введения напряжений в область канала МДПТ

С6.3.1. Деформация, вводимая подложкой

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

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

С6.4 Заключение

Литература

Задание на СРС

С6.1 Введение

С начала 90-х до наших дней, основные усилия разработчиков полупроводниковых логических приборов и приборов памяти были направлены на увеличение их быстродействия. Как известно это увеличение возможно либо за счет увеличения подвижности носителей заряда в канале транзистора − , либо за счет уменьшения длины канала − .

То есть, если принять за критерий быстродействия граничную частоту, то можно записать

. (С6.1)

За указанный период основным методом увеличения быстродействия являлось последовательное уменьшение длины канала с главным условием сохранить при этом необходимое соотношение токов в канале транзистора в выключенном (I_off) и включенном (I_on) состояниях на уровне (I_off)/(I_on) ~ 0,001. Ухудшение этого параметра при уменьшении возникало в основном в результате короткоканальных эффектов [1].

В этом направлении благодаря успешным разработкам оптической бесконтактной (проекционной) литографии, применению новых диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k), новых материалов затвора (металлы), применению КНИ-структур, использованию ретроградного легирования, галлоимплантации и т.д., были достигнуты впечатляющие результаты [2,3,4]. Это позволило успешно реализовать КМОП СБИС с технологическими нормами 90, 65, 45, 32 нм.

В то же время становится ясно, что улучшение характеристик МДП-приборов по сценарию масштабирования подошли к своему фундаментальному теоретическому пределу, а также к пределу возможности выполнения необходимых технологических операций и обеспечению надежности готовых приборов.

Ослабление короткоканальных эффектов достигается в основном путем увеличения дозы легирования области канала, что необходимо для предотвращения смыкания областей стока/истока. Но это приводит к нежелательному изменению порогового напряжения, увеличению подпорогового тока и, главное, к уменьшению подвижности носителей заряда в канале.

Для того чтобы сохранить общую тенденцию улучшению характеристик полупроводниковых приборов в соответствии с ITRS, было предложено несколько способов увеличения подвижности носителей заряда в МДПТ с помощью введения в область канала механических напряжений.

Изменение подвижности в этом случае связано с перестройкой энергетической структуры полупроводника, вызванной указанными механическими напряжениями.

Привлекательность этого нововведения связана еще и с тем, что механическое напряжение зачастую удается ввести с минимальным изменением существующих технологий.

С6.2 Механические напряжения в полупроводниках

Экспериментальные исследования влияния всестороннего (гидростатического) сжатия на сопротивление показало, что полупроводники (кремний, германий) мало чувствительны к этому виду воздействий. Например, для п-кремния с удельным сопротивлением 11,7 Ом см при давлении 1000 атм. изменение сопротивления составляет всего 0,4%.

В 1954 году Ч. Смит установил, что под действием анизотропной деформации, понижающей симметрию кристаллической решетки, важнейшие в электронике полупроводники германий и кремний обнаруживают сильное изменение сопротивления [5]. Причиной такой большой чувствительности к анизотропным деформациям, является радикальная перестройка энергетического спектра валентной зоны и зоны проводимости, связанной с частичным или полным снятием их вырождения.

Значительный объем теоретических и экспериментальных исследований природы эффекта пьезосопротивления (в русскоязычной литературе чаще − тензорезистивного эффекта) был проделан в 60-80 годы прошлого столетия. Исследования показали, прежде всего, принципиальную роль структуры и величин компонент тензора деформации кристаллической решетки в перестройке энергетической структуры полупроводника. Кроме того, были выявлены качественные отличия эффекта пьезосопротивления в полупроводниках п- и р-типа.

Роль деформации в электрофизических процессах в полупроводниках можно оценить отношением:

,(С6.2)

где − деформация, − потенциал деформации, − постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура.

Числитель в (С6.2) характеризует смещение энергетического уровня зоны под действием деформации, знаменатель с точностью до численного множителя характеризует среднюю энергию невырожденных электронов или дырок. В зависимости от величины влияние деформации на кинетические эффекты может быть и большим и малым.

Обычно в физических экспериментах и технике оперируют с макроскопическими образцами, для которых в нормальных условиях реализуется случай "малых" деформаций, когда <<1. Это следует из того, что ~ 10 эВ, и типичные деформации не превышают , так что ~ 0,3, полагая .

При деформациях кристаллической решетки, когда > 1 ("большая" деформация) энергетический спектр полупроводника перестраивается столь значительно, что, по существу, возникает новый полупроводник с иными кинетическими свойствами. Возможности увеличения деформаций на макроскопических образцах ограничены тем обстоятельством, что механическому воздействию подвергается весь объем кристалла, и вероятность его разрушения начинает резко возрастать при . На возможность разрушения кристалла влияет способ создания деформации и ее знак.

Однако в последние несколько лет в связи с развитием интегральной технологии для наноструктур было обнаружено, что можно создавать локальные деформации кристаллической решетки до величин . Существенно, что при этом весьостальной кристалл может иметь значительно меньшие деформации. Характеристические размеры зон локальной деформации составляют 180-200нм, что превышает размеры канала для приборов с технологической нормой 90нм и менее. Именно это обстоятельство позволило рассматривать конкретные конструкции МДПТ с улучшением их характеристик за счет введения деформации в область канала с наноразмерами.

Для описания изменений характеристик таких приборов рассмотрим вначале кратко энергетический спектр и электропроводность кремния п-типа при анизотропной деформации. При этом необходимо иметь в виду, что для теоретического описания энергетического спектра и физических эффектов обычно используют деформации, а при описании экспериментальных результатов − механические напряжения. Поскольку деформации и напряжения связаны линейным соотношением, законом Гука, их применение для описания эффектов не приводит к недоразумениям.

Рис. С6.1. Изоэнергетические поверхности дна зоны проводимости кремния (а). Изменение энергии края зоны проводимости (б) при нагрузке вдоль направления [100] [6].

Остановимся сначала на изменениях проводимости в электронном кремнии.

Дно зоны проводимости кремния шестикратно вырождено (точки в зоне Бриллюэна), а изоэнергетические поверхности каждого минимума представляют собой эллипсоиды вращения, вытянутые вдоль соответствующих осей семейства направлений [100] (рис.С6.1а). Полуоси эллипсоидов определяют величины эффективных масс электронов: − продольная эффективная масса вдоль длинной оси эллипсоида и− поперечная эффективная масса вдоль поперечной оси эллипсоида.

В недеформированном состоянии все шесть минимумов зоны проводимости одинаково заполнены электронами , гдеп – общее число электронов в зоне проводимости.

Поскольку подвижность связана с эффективной массой соотношением

, (С6.3)

где − время релаксации (рассеяния), подвижность и электропроводность определяемые отдельным минимумом, сильно анизотропны.

Однако общая электропроводность кремния вследствие кубической симметрии решетки изотропна и равна

. (С6.4)

Величина

(С6.5)

представляет подвижность электронов в недеформированном кремнии. Отношение К характеризует анизотропию подвижности в отдельном минимуме

(С6.6)

где и− времена релаксации электронов при рассеянии вдоль и поперек эллипсоида. В первом приближении можно считать, что анизотропия времен релаксации невелика ,а вся анизотропия подвижности в кремнии определяется анизотропией эффективных масс. В п-кремнии К ≈ 5, в п-германии К = 19.

При одноосной механической нагрузке вдоль одной из осей семейства [100] зона проводимости перестраивается наиболее радикальным образом. Шестикратное вырождение снимается и распадается на четырехкратное () и двукратное () (рис. С6.2).

Сжатие вдоль направления [100] приводит к понижению энергии минимумов на этой оси (минимумы 1 и 2) и повышению энергии остальных минимумов на ортогональных осях (рис.С6.2). Между минимумами () и () возникает энергетический зазор . Это приводит к перетеканию электронов в минимумы с более низкой энергией (при сжатии в рассматриваемом случае − в минимумы 1 и 2). Если ,то такой напряженный кремний может рассматриваться как полупроводник с зоной проводимости, имеющей только два минимума, поскольку остальные минимумы будут пусты. Существенно, что при деформации общая концентрация электронов в зоне проводимости может считаться постоянной, поскольку изменение ширины запрещенной зоны не сказывается на общей концентрации электронов.

Таким образом, все изменения электропроводности могут быть связаны только с изменением подвижности. В случае большой деформации, когда >> 1, электропроводность вдоль и поперек заполненных минимумов будет равна: и.

Для электронов, двигающихся в направлении [100] подвижность увеличивается:

. (С6.7)

Рис. С6.2. Смещение минимумов для энергии дна зоны проводимости кремния при одноосной нагрузке и схема перетека­ния электронов.

Если для оценки принять значение анизотропии подвижности для макроскопических образцов К~ 5, то увеличение подвижности при одноосном сжатии составит около 40%. Переход к наноразмерным структурам и учет эффектов масштабирования, может изменить значение К, однако, зависимость изменения подвижности от абсолютного значения К довольно слабая.

Из изложенного видно, что при правильном выборе величины, знака и направления механических воздействий можно получить в деформированном кремнии заметное возрастание подвижности.

Особенно существенное возрастание подвижности можно получить в дырочном кремнии. Валентная зона кремния двукратно вырождена в точке k = 0 (зоны тяжелых и легких дырок). Кроме того, имеется третья отщепленная зона, максимум которой находится на 0,044 эВ ниже (рис.С6.3).

Из-за наличия вырождения изоэнергетические поверхности носят сложный характер и имеют вид гофрированных поверхностей (рис.С6.3). Симметрия кристаллической решетки недеформированного кремния обусловливает изотропию электропроводности и подвижности. Так, в стандартном двухзон-ном приближении в общую подвижность вносят вклад тяжелые и легкие дырки:

(С6.8)

Рис. С6.3. Валентные зоны кремния вблизи k = 0. Схематически показано искривление поверхностей постоянной энергии для зоны тяжелых и легких дырок.

Из-за сильного межзонного рассеяния обычно принимается, что времена релаксации тяжелых и легких дырок одинаковы , что еще более упрощает (С6.8):

. (С6.9)

Анизотропная деформация снимает вырождение спектра в точке k = 0 и радикально изменяет эффективные массы отщепившихся зон. Вблизи k = 0 в каждой из этих зон формируются эллипсоидальные изоэнергетические поверхности, параметры которых определяются кристаллографической ориентацией приложенной нагрузки и ее знаком.

Область энергетического спектра, охватываемая такими поверхностями, растет по мере увеличения деформации. В качестве примера рассмотрим случай анизотропной деформации, возникающей при одноосном напряжении кремния вдоль кристаллографического направления [100]. Именно такая нагрузка обеспечивает наиболее эффективное изменение подвижности для макроскопических образцов. В результате нагружения происходит расщепление подзон в точке k = 0 (рис.С6.4).

Рис. С6.4. Расщепление валентной зоны при одноосном сжатии вдоль направления [100]. Поверхности постоянной энергии вблизи k = 0 являются эллипсоидами вращения.

В области энергетического спектра порядка величины расщепления изоэнергетическиеповерхности будут иметь вид эллипсоидов вращения с эффективными массами - продольная и- поперечная.

Поскольку направление отсчета энергии дырок направлено внутрь валентной зоны (вниз на энергетической диаграмме), при больших деформациях, > 1, все дырки соберутся в нижней зоне. Отличительной особенностью спектра дырок является зависимость эффективных масс эллипсоидов от знака деформации. При растяжении и сжатии эффективные массы оказываются различными.

Перестройке энергетического спектра соответствует изменение подвижности, которое можно определить из отношений:

при растяжении

при сжатии

Таким образом, изменение подвижности в кремнии р-типа оказывается существенно больше, чем для п-кремния.

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. С6.6 Три 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 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, были обнаружены и изучены 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 шайбу наносился равномерный слой растянутого или сжатого нитрида. Толщина и состав материала этой пленки подбирается по величине тока транзистора в рабочем режиме (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].

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.

б) Технология запоминания напряжения (Stress Memorization Technique)

Локальное напряжение может быть введено методом запоминания напряжения. Известно, что в обычном производстве МДПТ области сток/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.

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.

С6.3.3Влияние 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 материала введения 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 ранее 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 (ПО) и (100) ориентации для прямого сращивания; б) − сращивание подложек; в) − стравливание части подложки с ориентацией (ПО) и подготовка открытой поверхности подложки (100) для эпитаксии; г) − наращивание эпитаксиального слоя (100).