Наноэлектроника лит-ра / dragunov

4.Увеличение вероятности прокола между истоком и стоком.

5.Рост последовательного сопротивления между истоком и стоком.

6.Уменьшение подвижности в канале.

Исследованию этих явлений и методам борьбы с ними посвящены несколько обстоятельных обзоров, поэтому здесь ограничимся только кратким перечнем технологических решений, направленных на устранение перечисленных неприятностей.

Проследить за ними проще всего по рис. 1.2. Введение мелких слаболегированных областей (Lightly Doped Drain–LDD), удлиняющих области стока-истока в сторону канала, снижает напряженность электрического поля на границе со стоком (истоком) и уменьшает таким образом энергию горячих электронов. Наличие этих LDD-областей приводит также к увеличению напряжения лавинного и инжекционного пробоя транзистора, напряжения прокола и уменьшению эффекта модуляции длины канала.

Рис. 1.2. Разрез МДП-транзистора со сформированными дополнительными областями в подзатворном пространстве для борьбы с короткоканальными эффектами

Для предотвращения проникновения области обеднения стока в канал вокруг истока, стока и LDD-областей формируется дополнительное легирование – так называемый «ореол».

В вертикальном направлении формируют неоднородное («ретроградное») легирование для предотвращения смыкания истока и стока, но с тенденцией сохранения низкой концентрации примесей вблизи границы раздела для обеспечения высокой подвижности. Все эти области с различной степенью и знаком легирования создаются с помощью ионной имплантации, меняя энергию ускорения ионов примесей,

11

температуру подложки и направление пучка ионов (имплантация под различными углами к поверхности прибора). Кроме того, конечно, требуются отжиги после каждой имплантации.

По законам масштабирования толщина окисла под затвором уменьшается до единиц нанометров. Для предотвращения пробоя или сильных утечек из-за туннелирования между затвором и SiO2 вводят второй диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью.

Необходимо также помнить, что все эти технологические приемы усложняются при переходе к КМОП системе, а именно она является в настоящее время основой элементной базы большинства из используемых ИС, особенно в вычислительной технике. Эта сложность связана с наличием в этом случае N- и P-канального транзистора на одной подложке.

Более подробно об этих и других технологических приемах борьбы с короткоканальными эффектами можно познакомиться в обзорах [Тауэра (Y.Taur), CMOS XXI века, Валиев К.А., Орликовский А.А.].

В то же время разработчикам стало сложнее проводить в жизнь дальнейшее уменьшение размеров из-за все более усложняющейся (и, следовательно, удорожающейся) технологии.

Кроме того, было показано, что при достижении размеров канала менее 20–30 нм паразитные сопротивления и емкость МДПТ нач-

нут превышать емкость и сопротивление канала (рис. 1.3).

Рис. 1.3 а. Паразитные сопротивления и емкости в планарном МДП-транзисторе (пример для 32 нм технологической нормы) [8]

12

Рис. 1.3 б. Соотношение емкости канала с паразитной емкостью МДПТ, в зависимости от технологической нормы

Рис. 1.3 в. Соотношение сопротивления канала с паразитным сопротивлением в зависимости от технологической

нормы

13

Иначе говоря, возможности улучшения характеристик МДПТ практически вплотную приблизились к своему технологическому пределу. Все это заставляло искать новые способы улучшения характеристик МДПТ.

1.2.Использование напряженного кремния

вМДП-транзисторах и КМОП структурах

Как было сказано ранее, в определенный период основным методом увеличения быстродействия был выбран метод последовательного уменьшения длины канала, главное условие которого – сохранить при этом характерное для приборов микроэлектроники соотношение

токов в канале транзистора в выключенном Ioff и включенном Ion состоянии на уровне Ioff / Ion ~ 0, 001 . Ухудшение этого параметра при уменьшении Lk возникало в основном от так называемых «корот-

коканальных эффектов», причины возникновения которых и методы их уменьшения (ослабления) подробно описаны в книгах Г.Я. Красникова [1].

Еще раз подчеркнем, что 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 (ореол) и других, были достигнуты впечатляющие результаты. Эти данные были неоднократно опубликованы в статьях, презентациях и в обзорных выступлениях на конференциях по полупроводниковым приборам [2, 3]. Они относятся к технологическим нормам 90, 65 нм и ускоренно внедряемому в настоящее время несколькими ведущими фирмами размеру 45 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.

Для того чтобы сохранить общую тенденцию к улучшению характеристик полупроводниковых приборов в соответствии с ITRS, без

14

дальнейшего уменьшения размеров менее 90–65 нм, 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 энергетического спектра полупроводника, вызванной указанными механическими напряжениями.

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

1.2.1.Механические напряжения

вполупроводниках

Экспериментальные исследования влияния всестороннего (гидростатического) сжатия на сопротивление показали, что полупроводники (кремний, германий) мало чувствительны к этому виду воздействий. Изменение сопротивления пропорционально давлению

ρ/ 0 K р P ,

где K р – объемный коэффициент пьезосопротивления. Например,

для n -кремния с удельным сопротивлением 11,7 Ом см K р

4,6 10 11 Па 1 . Таким образом, при давлении 1000 ат изменение со-

противления составляет 0,4 % [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 радикальное перестроение энергетического спектра валентной зоны и зоны проводимости, связанное с частичным или полным снятием их вырождения. Открытие Смита привело, во-первых, к тому, что применение механических воздействий для исследования энергетического спектра полупроводников стало стандартным приемом исследований. А, во-вторых, в области техники появился новый класс полупроводни-

ковых приборов – дискретные кремниевые тензорезисторы. Приме-

нение технологии ИС к производству тензорезисторов привело к воз-

15

никновению нового технического направления – микросистемной технике, которое объединило сенсоры, интегральную микроэлектронику и исполнительные устройства [6, 7].

Значительный объем теоретических и экспериментальных исследований природы эффекта пьезосопротивления (в русскоязычной литературе чаще – тензорезистивного эффекта) был проделан в 60–-80 годы прошлого столетия, о чем свидетельствует, например, обширная библиография в справочнике П. И. Баранского и др. [9].

Исследования показали, прежде всего, принципиальную роль структуры и величин компонентов тензора деформации кристаллической решетки в перестройке энергетического спектра полупроводника. Кроме того, были выявлены качественные отличия эффекта пьезосопротивления в полупроводниках n - и p -типа.

Роль деформации в электрофизических процессах в полупроводниках можно оценить отношением

где – деформация, – потенциал деформации, kТ – Больцмановский множитель, δ – смещение края зоны под действием деформации в единицах kТ.

Числитель в (1.2.1) 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 реа-

kT ~ 0.03 эВ, так что ~ 0.3 . Интегральные тензопреобразователи, реализующие этот случай, широко применяются для измерения давления, скорости и других параметров внешней среды [6].

При деформациях кристаллической решетки, когда 1 («большая» деформация), энергетический спектр полупроводника перестраивается столь значительно, что, по существу, возникает новый полупроводник с иными кинетическими свойствами. Для реализации условия 1 в образцах макроскопических размеров необходимы криоген-

16

ные температуры. Возможности увеличения деформаций на макроскопических образцах ограничены тем обстоятельством, что механическому воздействию подвергается весь объем кристалла, и вероятность

можность 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 с

(1...2) 10 3 . Существенно, что при этом весь остальной кристалл

может иметь значительно меньшие деформации. Характеристические размеры зон локальной деформации составляют 180...200 нм, что превышает размеры канала для приборов с технологической нормой 90 нм и менее.

Именно это обстоятельство позволило рассматривать конкретные конструкции МДПТ с улучшением их характеристик за счет введения деформации в область канала с наноэлектронными характеристическими размерами.

Для описания изменений характеристик таких приборов рассмотрим вначале кратко энергетический спектр и электропроводность кремния n -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.

Остановимся сначала на изменениях проводимости в электронном кремнии.

Дно зоны проводимости кремния шестикратно вырождено (точки в зоне Бриллюэна), а изоэнергетические поверхности каждого мини-

мума представляют эллипсоиды вращения, вытянутые вдоль соответствующих осей семейства [100], рис. 1.4, а. Например, для минимума 1 изоэнергетическая поверхность описывается выражением

1

а б

Рис. 1.4. а – Изоэнергетические поверхности дна зоны проводимости кремния [10]; б – изменение энергии края зоны проводимости при нагрузке

вдоль направления [100]

где kx0 – волновой вектор, соответствующий центру эллипсоида на оси kx ; m|| и m – эффективные массы вдоль длинной оси эллипсоида

ив поперечном направлении.

Внедеформированном состоянии все шесть минимумов для зоны

проводимости одинаково заполнены электронами ni n / 6 , где n –

общее число электронов в зоне проводимости.

Электропроводность, связанная с отдельным минимумом, сильно анизотропна, что связано с анизотропией подвижности. Так, в направлении [100] электропроводность отдельных минимумов будет равна:

представляет подвижность электронов в недеформированном кремнии. Анизотропию подвижности в отдельном минимуме характеризует

отношение K :

K m|| ,

|||| m

где || , – время релаксации электронов при рассеянии вдоль и поперек эллипсоида.

18

В первом приближении можно считать, что анизотропия времен

определяется анизотропией эффективных масс. В n -кремнии K 5 , в n -германии K 19 .

При одноосной механической нагрузке вдоль одной из осей семейства [100] зона проводимости Si перестраивается наиболее радикаль-

4 m||*

ЕС 6

ﺍ

Рис. 1.5. Смещение минимумов для энергии дна зоны проводимости кремния при одноосной нагрузке и схема перетекания электронов

Сжатие вдоль направления [001] приводит к понижению энергии минимумов на этой оси, рис. 1.5 (минимумы 1 и 2), и повышению энергии остальных минимумов на ортогональных осях. Между мини-

постоянные кремния; T11 – компонента тензора механических напря-

жений при одноосной нагрузке.

Возникновение энергетического зазора приводит к перетеканию электронов в минимумы с более низкой энергией (при сжатии в рассматриваемом случае – в минимумы 1 и 2). Если E / kT 1 , 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.

19

Таким образом, все изменения электропроводности могут быть связаны только с изменением подвижности. В случае большой дефор-

одноосном сжатии составит около 40 %. Переход к наноразмерным структурам и учет эффектов масштабирования может изменить значение K , однако зависимость изменения подвижности от абсолютного значения K 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 зона, максимум которой находится на 0.044 эВ ниже.

Из-за наличия вырождения изоэнергетические поверхности носят сложный характер и имеют вид гофрированных поверхностей (рис. 1.6). Симметрия кристаллической решетки недеформированного кремния обусловливает изотропию электропроводности и подвижности. Так, в стандартном двухзонном приближении в общую подвижность вносят вклад тяжелые и легкие дырки: