Наноэлектроника лит-ра / dragunov

сти от ориентации поверхности и направления приложенного механического напряжения [32].

Рис. 1.15. Влияние кристаллографической ориентации поверхности подложки на ток канала МДПТ в напряженном кремнии [32]

Для полной реализации зависимости подвижности носителей заряда от ориентации подложки была развита технология гибридной ори-

ентации (Hybrid Orientation Technology–HOT). В этой технологии в со-

ставе 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. 1.16. Две подложки с ориентациями поверхности (100) и (110) соединяются по технологии «прямого сращивания). Затем половина подложки (110) 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

31

с оптимальными характеристиками [28, 29]. Показано, что время релаксации для р-МДПТ с переходом на подложку (110) может быть улучшено на 18…21 % [29, 30].

Дальнейшее улучшение характеристик транзисторов в такой структуре может быть достигнуто введением в технологию напряжения в канале и применения технологии КНИ.

а

в

Рис. 1.16. Последовательность одной из реализаций технологии гибридной ориентации:

а – подготовка двух подложек (110) и (100) ориентации для прямого сращивания; б – сращивание подложек; в – стравливание части подложки с ориентацией (110) и подготовка открытой поверхности подложки (100)

для эпитаксии; г – наращивание эпитаксиального слоя (100)

1.3.Проблема металла при формировании затвора

Вопрос о материале для формирования металлического затвора МДПТ возник по нескольким причинам.

Первой из них является вызванное правилами масштабирования снижение напряжение питания ИС (рис. 1.17).

Обратимся к формуле, описывающей определение порогового напряжения МДП-транзистора:

Рис. 1.18. Пример применения различных металлов для формирования затворов для транзисторов КМОП-структуры

Рис. 1.19. Изменение работы выхода с изменением отношения толщин Ni и Si

В литературе широко обсуждаются методы более тонкой подгонки низких пороговых напряжений. Одним из таких способов более полного управления работой выхода для точной подгонки величины малого порогового напряжения является использование дополнительного легирования границы раздела системы Ni-FUSI/SiO(N) [34]. (Аббревиа-

туру FUSI – Fully Silicided Gate Tecnology можно перевести, как техно-

логия полностью силицидированного затвора.)

34

В цитируемой работе обсуждаются результаты дипольной модели комлексов, возникающих при легировании P, As и Sb, которые вызывают модуляцию работы выхода из металла затвора.

На рис. 1.20 изображена принципиальная схема влияния примесей, высаженных на границу раздела. Видно, что положение примесей различно в случае As и B. Атомы мышьяка, располагаясь под поверхностью NiSix , генерируют положительный заряд в SiO2, понижая в результате величину работы выхода. Атомы В, наоборот, размещаются вне NiSix, увеличивая проникновение электронов в SiO2, тем самым приводя к увеличению работы выхода.

Рис. 1.20. Схема влияния примесей As и B на эффективную работу выхода металла

На рис. 1.21 приведены изменения работы выхода в зависимости от дозы облучения структуры. Видно, что можно достаточно мягко менять величину работы выхода, и, следовательно, достаточно точно подстраивать желаемое пороговое напряжение.

Более сложно оказалось проводить операцию подстройки в случае 45-нанометровой КМОП-структуры, продемонстрированной недавно

35

Рис. 1.21. Изменение работы выхода металла затвора в зависимости от вида и дозы им-

плантируемых ионов

фирмой Intel. Сложности обусловлены тем, что они применили в качестве второго диэлектрика с высоким ε HfO2 либо HfSiO. Как отмечено в работе [34], выбор металла был очень сложен, так как при контактировании металла, подходящего по величине работы выхода, он менял эти величины после контакта с указанными диэлектриками. Начальный поиск авторы данной работы сравнили с рулеткой по непредсказуемости результатов. Так как свои поиски они оформили патентами,

Рис. 1.22. Поперечный разрез затворной структуры 45 нм – МДПТ, полученный на просвечивающем электронном микроскопе с высоким разрешением

36

то, не вдаваясь в подробности, они приводят только довольно широкий спектр используемых материалов для изготовления уникальной КМОП системы с длиной канала 45 нм, обещая ее коммерческий выход.

К таким материалам относятся:

–диэлектрики с высоким ε–HfO2( ε~12), HfSiO. ( ε~25-30)

–металлы для n-МДПТ Zr,W,Ta,Hf,Al, Ti3Al,ZrAl

–металлы для р-МДПТ Ru,Pa,Pt,Co, Ni, TiAlN, WCN, окислы ме-

таллов.

–проводящие слои с низким сопротивлением – TiN, W, Ti, Al, Ta, TaN, Co, Ni.

На рис. 1.22 приведен результат исследования поперечного сечения послойного состава затворной структуры с указанием размеров слоев.

Слой SiO2, находящийся между гафниевым диэлектриком и кремнием (толщиной порядка нанометра), определяющим параметры границы раздела, на рисунке не обозначен.

Заключение

За последние несколько лет выработался определенный набор средств для обеспечения увеличения быстродействия МДПТ без потери его энергетических характеристик (Ion/Ioff) при переходе к длинам канала 90–45 нм (рис. 1.23).

В основном эти технологические приемы направлены на уменьшение длины канала методами масштабирования (нанолитография!) и разработкой технологических приемов, сохраняющих подвижность

Рис. 1.23. Изменение Ioff (Idsat) (насыщение) и Ioff (Idlin) (линейная часть) для МДПТ без напряжения в канале и с напряжением [35]

37

и токи утечки для нанотранзисторов на уровне транзисторов с каналами длиной в микрон и более. Эти усилия включают не только изменение конструкции элементов транзистора, но и использование новых материалов.

Необходимо отметить, что за последние год-два получила дальнейшее мощное развитие и техника увеличения подвижности. Примером тому может служить работа [36], где, используя аддитивность одновременного воздействия различных методов введения напряжений, удалось получить увеличение подвижности дырок на 200 %. Такого же удачного сочетания различной техники введения напряжения добились и авторы работы [35]. В этом исследовании разработчики использовали: растягивающие и сжимающие нитридные пленки, внедрение SiGe в области истока/стока, метод запоминания напряжения. При этом удалось не только получить увеличение подвижности электронов и дырок вообще, но еще и достичь значительного снижения разницы между подвижностью дырок и электронов в КМОПструктуре, что очень важно во всех схемотехнических решениях. И все это на основе КНИ-структур.

В перечень практически обязательных новых приемов в современной планарной технологии МДПТ входят:

1)диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью в качестве составляющей подзатворного диэлектрика (high-k Dielectrics);

2)затворы из различных металлов, обеспечивающих необходимую величину работы выхода, и химически нейтральные к материалам по п. 1;

3)сверхмелкие электронно-дырочные переходы в истоке и стоке;

4)подложки в виде КНИ-структуры;

5)медь и диэлектрики с низкой диэлектрической проницаемостью (low – k) при многоуровневой подложке;

6)механическое напряжение в области канала для увеличения подвижности носителей заряда.

Полученные фирмой Intel с использованием этих технологий результаты в части улучшения параметров МДПТ и КМОМ с технологическими нормами 90–65 нм особенно с помощью введения механического напряжения в канал привели также к интересному последствию общего характера. Имеется в виду отказ авторов ITRS (International

Technology Road map for Semiconductor) (2005, 2006 гг.) при описании параметров очередного поколения полупроводниковых приборов огра-

38

ничиваться просто указанием технологической нормы. Ранее было ясно, что транзистор 65 нм должен быть лучше, чем таковой с нормой 90 нм. Теперь же повышение подвижности с применением локальных механических напряжений, использование металлических затворов и диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью, а также применение КНИ-структур позволяют получить более высокие параметры для транзисторов большего размера. ITRS предлагает не ограничиваться только указанием на технологическую норму, а приводить специфические свойства прибора данного этапа масштабирования [37, 38].

Внедавно опубликованном очередном прогнозе развития полупроводниковой электроники ITRS 2007 заглавие вводной статьи звучит еще более жестко и определенно: «Конец традиционного масштабирования – начало новых материалов и новых структур».

Взавершение приведем великолепно выполненные снимки поперечных разрезов 65 нм приборов (рис. 1.24) из уже цитируемой ранее работы Intel. В этих приборах используется практически все перечисленные новые технологические достижения, которые, наряду с другими [39], подробно рассмотрены в настоящей главе.

Из рис. 1.24 видно, что для n-МДПТ в качестве источника механи-

ческих напряжений использована пленка SixN1–x, а для р-МДПТ – та же пленка плюс внедрение сплава GeSi в области истока/стока для сжатия канала. Для контактов используется силицид никеля.

Врезультате для КМОП ячейки, изготовленной с использованием перечисленных технологий, было получено следующее:

– мощность на одно переключение уменьшилась на 30 %;

– скорость переключения увеличилась на > 20 %;

–в 5 раз снизились токи утечки в P/N переходах истока и стока;

–в 10 раз снизились токи утечки затвора.

Рис. 1.24. Электронно-микроскопические фотографии разрезов 65 нм n- и p-МДПТ [39]

39

Для более подробного ознакомления с упомянутыми в заключении новыми технологиями и конструкциями КМОП-приборов рекомендуем познакомиться с обзорами [40, 41].

Список литературы

1.Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов. Ч.1. – М.: Техносфера, 2002; Ч. 2, 2004.

2.Орликовский А.А. Кремниевая транзисторная наноэлектроника // Известия вузов. Электроника. – 2006. – № 5.– С. 35–44.

3.Skotnicki T., Monfray S. Materials and MOS device archetectures for sub – 32 nm CMOS nodes // ICMNE – 2997 Oct. 1–5. – 2007. – Moscow-Zvenigorod, Russian. – P. L1-01.

4.Гридчин В.А., Драгунов В.П. Физика микросистем. Ч. 1. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004.

5.Smith C.S. Piezoresistancе Effect in Germanium and Silicon // Phys. Rev.

–V. 94. – № 1. – P. 4249.

6.Алейников А.Ф., Гридчин В.А., Цапенко М.П. Датчики. – Новосибирск:

Изд-во НГТУ, 2003.

7.Таскин А.А., Гридчин В.А., Черепов Е.И. и др. Датчики давления мем-

бранного типа для исследования аэродинамических потоков // Наука– производству. – 2001. – № 12(50). – С. 26–30.

8.Thompson S.E., Pathasarathy S. Moore’slow: the future of Si microelectronics // Materials Today. – 2006. – V. 9. – N 6. – P. 20–25.

9.Баранский П.И., Клочков В.П., Потыкевич И.В. Полупроводниковая электроника. Справочник. – Киев: Наукова думка, 1975.

10. Arghani R. et al. Strain Engineering in Non – Volatile Memories // Sem.Intern. – April 2006. – P. 32.

11. Hensel J.C., Feher G. Cyclotron resonance experiments in uniaxially stressed silicon: Valence band inverse mass parameters and deformation potential // Phys. Rev. – V. 129. – № 3. – 1963. – P. 1041–1062.

12. Manasevit H.M., Segis I.S., Jones A.B. Electron mobility enhancemen in ep-

itaxial multilayer Si-Si1-xGex alloy films on (100) Si // Appl. Phys. Lett, 1982. – Vol. 41, no. 5. – P. 464–466.

13. People R. et al. Modification doping in GexSi1-x/Si strained layer heterostructures // Appl. Phys. Lett. – Vol. 45. – № 11. – P. 1231–1233, 1984.

14. Chan V., Rengarajan R., Rovedo N. et al. High speed 45 nm gate length CMOSFETs integrated into a 90 nm bulk technology incorporating strain Engineering // IEDM Tech. Dig. – Dec. 2003. – P. 77–80.

15. Rim K., J. Chu, Chen H et al. Characteristics and device design of sub100 nm strained Si N- and PMOSFETs. // VLSI Simpos. Tech. Dig. – June 2002. – P. 98–99.

40