4.4. Повышение подвижности с использованием технологии напряженного кремния

Подвижность является важнейшей характеристикой МОПТ, непосредственно определяющей быстродействие всей системы и максимальный ток насыщения. Величина подвижности в полупроводнике зависит от эффективной массы носителей в нём, которая, в свою очередь, определяется фундаментальными свойствами кристаллической решетки. Эти свойства можно изменять, подвергая решетку воздействию механического напряжения. В частности, таким образом можно изменять эффективную массу носителей тока. Самый распространенный вариант создания механических напряжений состоит в использовании кремний – германиевых сплавов.

Кремний и германий являются химически совместимыми элементами и могут образовывать сплав Ge_xSi_1-x. При этом постоянная решетки германия (~0,56 нм) приблизительно на 4,2 % больше постоянной решетки кремния (~0,54 нм). Если слой Ge_xSi_1-x выращивать на подложке из кремния, то до некоторой критической толщины пленки Ge_xSi_1-x её рост происходит псевдоморфно – в плоскости роста сохраняется параметр решетки кремния. При этом кубическая алмазоподобная структура Ge_xSi_1-x переходит в тетрагональную, и в слое Ge_xSi_1-x возникают сжимающие напряжения.

Наоборот, если слой кремния выращивать на релаксированной подложке из кремний-германиевого сплава, то уже кремний оказывается под действием растягивающего механического напряжения, действующего по всем направлениям (так называемого биаксиального или двухосного растяжения).

Механические напряжения изменяют структуру энергетических зон кремния, и подвижность электронов растет. В инверсных слоях п-МОПТ при биаксиальных напряжениях подвижность увеличивается на 70%. Впервые эта технология была реализована для 90 нм проектной нормы. Толщина слоя напряженного кремния составляет ~ 10 нм, а толщина слоя Si_1-xGe_x – около 30 нм.

Напряжения увеличивают также и подвижность дырок. Оказывается, что наибольшее увеличение подвижности для электронов и дырок происходит для разных направлений движения. Для электронов наиболее выгодно направление в плоскости (100), а для дырок подвижность может быть увеличена вдвое в направлениив плоскости (110). Следовательнодля наилучшего эффекта необходимо создавать п- и р- МОПТ в областях с разной кристаллографической ориентацией на одной и той же подложке, то есть использовать так называемые гибридно-ориентированные (HOT) подложки (технология КНИ).

Существуют и другие варианты 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 /Вс) и ~70% для дырок (от 100 до

170см² /Вс) для биаксиально-растянутого слоя кремния, что достигается при доле германия, равной приблизительно 30 %.

Механические напряжения в области канала можно создавать и другими методами. В частности, для этого можно использовать боковую диэлектрическую изоляцию (STI) – изоляцию мелкими канавками, локальную эпитаксию слоев Si_1-xGe_x для создания областей стока и истока, нанесение напряженных пленок, например, Si₃N₄.