Наноэлектроника лит-ра / dragunov

Рис. 1.6. Валентные зоны кремния вблизи k 0 (схематически показано искривление поверхностей постоянной энергии для зоны тяжелых

и легких дырок)

Анизотропная деформация снимает вырождение спектра в точке k 0 и радикально изменяет эффективные массы расщепившихся 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 [111]. Именно такая нагрузка обеспечивает наиболее эффективное изменение подвижности для макроскопических образцов.

В области энергетического спектра порядка величины расщепления (1.2.4) изоэнергетические поверхности будут иметь вид эллипсоидов вращения (1.2.2), рис. 1.7, с эффективными массами:

где i 1,2 – номера подзон валентной зоны; m|| и m – параллельная и поперечная эффективные массы; A, D – зонные параметры.

E(k)

k

Рис. 1.7. Расщепление валентной зоны при одноосном сжатии вдоль направления [100] (поверхности постоянной энергии вблизи k 0 являются эллипсоидами вращения)

Положительное направление отсчета энергии выбрано внутрь валентной зоны, поэтому при больших деформациях, 1 , все дырки соберутся в нижней зоне i 1. Отличительной особенностью спектра дырок является зависимость эффективных масс эллипсоидов от знака деформации. При растяжении и сжатии эффективные массы оказываются различными.

22

Рис. 1.8. Схема изменения (растягивания) решетки пленки кремния при создании структуры Si-SiGe

Рис. 1.9. Три варианта введения деформации в канал транзистора:

а – эпитаксиальный кремний на «объемной» подложке SiGe [15]; б – структура Si/SiGe на изоляторе (SGOI) [16]; в – напряженный кремний непосредственно на изоляторе (SSDOI) [17]

Характеристики транзистора еще больше улучшаются при совмещении введения деформации с технологией кремний на изоляторе (КНИ). Пример такой комбинации приведен в работе [16]. Технологи либо выращивают слой напряженного кремния на структуре SiGe на изоляторе (SGOI), рис. 1.9, б, либо создают более сложную структуру – сверхтонкий слой напряженного кремния прямо на изоляторе, рис. 1.9, в [17]. 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

24

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 напряженном 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 напряженный кремний. 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.

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

Как растягивающие, так и сжимающие напряжения могут быть введены в канал одним из трех 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 p-канальных МДПТ.

а) Использование напряженных нитридных (SiN) пленок

Напряжение в нитридных пленках, нанесенных на поверхность кремния, было обнаружено и изучено в 90-х годах прошлого века. Так, например, в 1992 году в работе О. Семеновой с соавторами [18] было показано, что при плазменном нанесении пленок нитрида кремния на Si, изменяя газовый состав в камере и режим нанесения, можно изменять напряженное состояние пленки (рис. 1.10). В то время эта работа

25

проводилась в основном для устранения нежелательных при процессе синтеза нитридных пленок дефектов в виде трещин. В этой работе было показано, что в зависимости от режима плазменного нанесения можно получать как сжатые, так и растянутые пленки (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Зависимость механических напряжений в пленках нитрида кремния от плотности ВЧ-разряда

Именно такие свойства этих пленок дали возможность использовать их для введения напряжения в канал МДПТ.

Одно из первых таких исследований было опубликовано в 2000 году в [19]. В этой работе, а также в [20] различие в свойствах пленок связывают 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. Обычно более толстые слои увеличивают уровень механического напряжения. Далее следуют обычные для технологического планарного процесса операции формирования контактов и нанесения межслойной изоляции.

Из рис. 1.11 можно видеть, что введение растягивающего напряжения в n-канал приводит к улучшению характеристики прибора на 11…15 %, а сжатие для р-канала на ~20…25 %.

26

Рис. 1.11. Увеличение рабочего тока при создании напряжения в канале транзистора с помощью нанесения нитридной пленки:

а – для n-МДПТ; б – для р-МДПТ [20]

Более сложную технологию приходится применять в случае КМОП-структур. Нанесение растянутой напряженной пленки одновременно с улучшением характеристики n-МДПТ будет ухудшать характеристику р-МДПТ. То же самое будет происходить при нанесении на всю КМОП-структуру сжимающей пленки. Одним из методов решения этой задачи является применение ионной имплантации Ge в нужную область для снятия напряжения в нитриде (рис. 1.12).

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 уменьшению времени задержки на 12…24 %. Описание различных способов применения DSL метода при изготовлении КМОП-структур можно найти в работах [20–23].

27

Рис. 1.12. Применение селективной Ge имплантации для снятия напряжения в участке сжимающей нитридной пленки над n-МДПТ

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 ионной имплантацией аморфизируется. В указанной технологии последующий отжиг для активации примесей проводится после нанесения растягивающей нитридной покрывающей пленки (рис. 1.13). Как было 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 наличие деформации в кристаллической решетке кремния в канале. Эта деформация растяжения и приводит к увеличению подвижности. Использование такого метода позволяет улучшить выходные характеристики, как и в предыдущих случаях, на 15…20 % в зависимости от параметров аморфизированного слоя нитридной пленки и условий отжига [24–27].

28

в

Рис. 1.13. 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 применения нитридных пленок для введения напряжения в р-канал используется заполнение областей истока и стока транзистора сплавом SiGe. Для осуществления этой операции после формирования спейссера 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 канал транзистора индуцируется одноосное сжимающее напряжение, что в результате приводит к значительному увеличению подвижности дырок в канале [28–30].

В указанных работах подчеркивается, что интенсивность вводимых напряжений зависит как от толщины слоя SiGe, так и от степени его возвышения над поверхностью кремния, а также от процента содержа-

29

ния Ge в сплаве. Слишком большое содержание германия может привести к формированию большого количество дефектов. Важным оказался и подбор расстояния до границы тренчевой изоляции и границы поликремниевого затвора.

1.2.3.Влияние относительной ориентации поверхности подложки, направления тянущего поля в канале и 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 раздела «Введение» понятно, 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 [31].

Рис. 1.14. 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 шайбе 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. 1.14 приведены схемы соотношения ориентации подложки и направления тока, а на рис. 1.15 – изменение тока транзистора в насыщении в зависимо-

30