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

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 Физический источник повышения подвижности в п -канальных MOПТ

С6.4 Физическое происхождения повышения подвижности в p -канальных МОПТ

С6.5 Способы введения напряжений в область канала МДПТ

С6.5.1 Глобальные двухосные напряжения (деформации, вводимые подложкой)

С6.5.2 Локальные деформации, вводимые в область канала транзистора с помощью технологических процессов

Одноосные напряжения, индуцированные процессом

а) Внедрение сплава SiGe в области истока/стока р-МОПТ и SiC в области истока/стока п-МОПТ

б) Использование напряженных нитридных (SiN) пленок

в) Технология запоминания напряжения (Stress Memorization Technique – SMT

С6.5.3 Влияние ориентации поверхности подложки и направления тянущего поля в канале относительно направления напряжения

С6.6 Передовые методы создания напряжений

Заключение

Литература

Задание на СРС

 

С6.1 Введение

С начала 90-х до наших дней, основные усилия разработчиков ИС были направлены на увеличение их быстродействия и уменьшения потребляемой мощности. За указанный период основным методом увеличения быстродействия являлось уменьшение длины канала с главным условием сохранить при этом необходимое соотношение токов в канале транзистора в выключенном () и включенном ()состояниях на уровне () / ()~ 0,001. Ухудшение этого параметра при уменьшении   возникало в основном в результате короткоканальных эффектов.

Быстродействие схемы определяется временем перезарядки емкости

,

где  - полная эффективная емкость, включая емкости межсоединений и входные емкости транзисторов, - напряжение питания,     - рабочий ток.

Таким образом, для увеличения быстродействия необходимо увеличивать рабочий ток. В свою очередь максимальный рабочий ток (пологая область ВАХ) определяется выражением (3.6.6) (лекция 3) при :

.     (С6.1)

В начале эры КМОП потребляемая мощность уменьшалась путем масштабирования размеров транзистора и напряжения питания . Одновременно требовалось уменьшать пороговое напряжение для сохранения величины . Однако, с приближением к 100нм размерам канала масштабирование  замедлилось. Одна из причин была связана с увеличением тока транзистора  в закрытом состоянии. Из-за увеличения  оставался один вариант, чтобы сохранить высокое отношение  - увеличить напряжение питания . Этот вариант, однако, недопустим, поскольку приводит к увеличению потребления энергии.

В то же время из формулы (С6.1) следует, что увеличение рабочего тока возможно за счет повышения величины подвижности носителей без масштабирования напряжения.

Существует три метода повышения подвижности: (1) создание механических напряжений в канале транзистора; (2) применение гибридной ориентации подложки; и (3) использование материалов группы III–V или чисто германия в качестве канала.

Заключение

    Необходимо, прежде всего, отметить, что за последние годы техника увеличения величины подвижности получила дальнейшее мощное развитие. Примером может служить работа [13], где, используя аддитивность одновременного воздействия различных методов введения напряжения, удалось получить увеличение подвижности дырок на 200%. О таком же удачном сочетании различной техники введения напряжения можно узнать из работы [14]. В этом исследовании разработчики использовали: растягивающие и сжимающие нитридные пленки, внедрение SiGe в области истока/стока, метод запоминания напряжения. И все это на основе КНИ структур. Удалось не только получить увеличение подвижности электронов и дырок вообще, а еще достичь значительного снижения разницы между подвижностью дырок и электронов в КМОП структуре, что очень важно во всех схемотехнических решениях.

Полученные результаты в части улучшения параметров МДПТ и КМОП с технологическими нормами 90-65 нм с помощью введения механического напряжения в канал привели к интересному последствию общего характера. Имеется в виду отказ авторов ITRS-2005(2006), при описании (предсказании) параметров очередного поколения полупроводниковых приборов ограничиваться просто указанием технологической нормы. Ранее было ясно, что транзистор 65нм должен быть лучше, чем таковой для 90нм. Теперь, 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 ссылаться только на технологическую норму, а приводить специфические свойства прибора данного этапа масштабирования.

Ярким примером такой тенденции является анонсированная в конце 2007 года 45нм структура КМОП фирмы Intel. В ней практически предполагается использование всех перечисленных новых технологических достижений, которые подробно упоминаютcя в качестве характеристики этого прибора [15].

Из изложенного выше ясно, что локальные механические напряжения, вызывающие деформацию кристаллической решетки полупроводника, приводят к изменению подвижности носителей заряда. При правильном выборе величины, знака и направления этого воздействия можно получить значительное увеличение подвижности носителей заряда в области воздействии напряжения.

Это явление в настоящее время широко используется в технологии МДПТ и КМОП-структур [16,17].

Литература

1. Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов, Москва: Техносфера, 2011.

1. Орликовский А.А. Кремниевая транзисторная наноэлектроника. Известия вузов. Электроника. 2006. № 5. C. 35-44.

2. Skotnicki Т., Monfray S. Materials and MOS device architectures for sub - 32 nm CMOS nodes ICMNE-2997 Oct. 1-5, 2007, Moscow-Zvenigorod, Russian. P. Ll-01.

4. Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Использование напряженного кремния в МДП-транзисторах и КМОП-структурах.. Микроэлектроника, 2009, том 38, №2, с.83-98.

5. Smith C.S. Piezoresistance Effect in Germanium and Silicon // Phys. Rev. 1954,V. 94. № 1. P. 4249.

6. 6. Arghani R. et al. Strain Engineering in Non - Volatile Memories. Sem. Intern. April 2006, р.32.

7. Но S. et al. Mechanical stress effect of etch -stop nitride and its impact on deep submicron transistor design. IEDM Tech. Dig. Dec. 2000.

8. Yang Y.S. et al. IEDM Tech. Dig., Dec. 2004. P. 1075-78.

9. Shimitzu A. et al. Local mechanical-stress control (LMC): A new technique for CMOS-performance en­hancement. IEDM Tech. Dig. Dec. 2003.

10. Ota K. et al. Novel Locally Strained Technique for Per-formanxe 55nm CMOS. IEDM Tech. Dig. Dec. 2002. P. 27-30.

11. Chen C.H. et al. VLSI Simpos. June. 2004. P. 56-57.

12.. Victor Chan et al. Strain for CMOS performance Improvement IEEE 2005 Custom Integrated Circuits conference.

13. Washington L. et al. p-MOSFET with 200% Mobility Enhancement Induced by Multiple Stressors // IEEE Electron Dev, Lett. June. 2006. V. 27. №

14. Horstmann M. et al. Integration and Optimization of Embedded – SiGe, Compressive and Tensile Stressed Liner Films, and Stress Memorization in Advanced SOI CMOS Technologies // IEDM Tech. Dig. Dec. 2005. Report 5. Session 10.

15. James D. Strained silicon to high-k and metal gate // Sol. St. Tech. Nov. 2007.

16. Sverdlov V. Strain-Induced Effect in Advanced MOSFETs, Springer-Verlag/Vien, 2011.

17. Scotnicki T., Fenouillet-Beranger C., Gallon C. at al. Innovative Materials, Devices, and CMOS Technologies for Low-Power Mobile Multimedia, IEEE Transaction on Electron Devices, 2008, v.55, №1,pp.96-128.

 

Задание на СРС

1. Ознакомиться с методические указаниями студентам по изучению дисциплины «Физика наноразмерных полупроводниковых структур» (Приложение 2).

2. Для лучшего усвоения материала рекомендуется восстановить в памяти сведения, связанные со строением энергетических зон кремния и понятием эффективной массы электронов и дырок, например, по книгам К.В. Шалимова «Физика полупроводников», (гл.2) или Ю.А. Парменов, «Физика полупроводников», М.: МИЭТ, 2002, с.19-56.

3. Самостоятельно изучить главу IV (стр. 104-111) работы [17] из списка литературы (текст работы взять у преподавателя). Обратить особое внимание на Таблицу 111 (влияние напряжений на подвижность).

 

 

[1]  - греческая буква «хи»

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