Штамм-инженерия

Инженерия деформаций относится к общей стратегии, применяемой в производстве полупроводников для повышения производительности устройства. Преимущества в производительности достигаются за счет модуляции деформации в канале транзистора , что увеличивает подвижность электронов (или подвижность дырок) и, следовательно, проводимость через канал.

Инженерия деформаций в производстве КМОП [ править ]

Об использовании различных методов инженерии деформации сообщили многие известные производители микропроцессоров , включая AMD , IBM и Intel , в первую очередь в отношении технологий с длиной волны менее 130 нм. Одним из ключевых соображений при использовании инженерии деформации в технологиях CMOS является то, что PMOS и NMOS по-разному реагируют на разные типы деформации. В частности, производительность PMOS лучше всего достигается за счет приложения к каналу сжимающей деформации, тогда как NMOS получает преимущество от деформации растяжения. ^[1] Многие подходы к инженерии деформации вызывают деформацию локально, позволяя независимо модулировать деформацию как n-канала, так и p-канала.

Один из известных подходов включает использование покрывающего слоя, вызывающего деформацию. CVD-нитрид кремния является обычным выбором для напряженного защитного слоя, поскольку величину и тип деформации (например, растяжение или сжатие) можно регулировать, изменяя условия осаждения, особенно температуру. ^[2] Стандартные методы литографии можно использовать для выборочного нанесения покрывающих слоев, вызывающих деформацию, например, для нанесения сжимаемой пленки только на PMOS.

Покрывающие слои являются ключом к подходу Dual Stress Liner (DSL), о котором сообщает IBM-AMD. В процессе DSL используются стандартные методы формирования рисунка и литографии для выборочного осаждения растяжимой пленки нитрида кремния поверх NMOS и сжатой пленки нитрида кремния поверх PMOS. ^{[ необходима цитата ]}

Второй важный подход включает использование твердого раствора с высоким содержанием кремния, особенно кремний- германий , для модуляции деформации канала. Один из методов производства включает эпитаксиальный рост кремния поверх ослабленного кремний-германиевого подслоя. Деформация растяжения индуцируется в кремнии, поскольку решетка кремниевого слоя растягивается, чтобы имитировать большую постоянную решетки нижележащего кремний-германий. Напротив, деформация сжатия может быть вызвана использованием твердого раствора с меньшей постоянной решетки, такого как кремний-углерод. См., Например, патент США № 7023018. Другой тесно связанный метод включает замену области истока и стока полевого МОП-транзистора кремнием-германием. ^[3]

Деформационная инженерия в тонких пленках [ править ]

Эпитаксиальная деформация в тонких пленках обычно возникает из-за несоответствия решеток между пленкой и ее подложкой и может возникать либо во время роста пленки, либо из-за несоответствия теплового расширения. Регулировка этой эпитаксиальной деформации может использоваться для смягчения свойств тонких пленок и индуцирования фазовых переходов. Параметр несоответствия ( ) определяется следующим уравнением: ^[4]${\ displaystyle f}$

${\ displaystyle f = (a_ {s} -a_ {e}) / a_ {e}}$

где - параметр решетки эпитаксиальной пленки, - параметр решетки подложки. После некоторой критической толщины пленки становится энергетически выгодным снять некоторую деформацию несоответствия за счет образования дислокаций несоответствия или микродвойников. Дислокации несоответствия можно интерпретировать как оборванную связь на границе раздела между слоями с разными постоянными решетки. Эта критическая толщина ( ) была вычислена Мэтьюзом и Блейксли и составила:${\ displaystyle a_ {e}}$${\ displaystyle a_ {s}}$${\ displaystyle h_ {c}}$

${\ displaystyle h_ {c} = {\ frac {b (2- \ nu cos ^ {2} \ alpha) [ln (h_ {c} / b) +1]} {8 \ pi | f | (1+ \ nu) cos \ lambda}}}$

где - длина вектора Бюргерса, - коэффициент Пуассона, - угол между вектором Бюргерса и линией дислокации несоответствия, и - угол между вектором Бюргерса и вектором, нормальным к плоскости скольжения дислокации. Равновесная деформация в плоскости для тонкой пленки с толщиной ( ), которая превышает , тогда определяется выражением:${\ displaystyle b}$${\ displaystyle \ nu}$${\ displaystyle \ alpha}$${\displaystyle \lambda }$${\displaystyle h}$${\displaystyle h_{c}}$

${\displaystyle \epsilon _{||}={\frac {f}{|f|}}{\frac {b(1-\nu cos^{2}(\alpha )[ln(h/b)+1]}{8\pi |f|(1+\nu )cos\lambda }}}$

Релаксация деформации на границе раздела тонких пленок посредством зарождения и размножения дислокаций несоответствия происходит в три стадии, которые можно различить в зависимости от скорости релаксации. На первой стадии преобладает скольжение уже существующих дислокаций, и она характеризуется медленной скоростью релаксации. Вторая стадия имеет более высокую скорость релаксации, которая зависит от механизмов зарождения дислокаций в материале. Наконец, последняя стадия представляет собой насыщение релаксации деформации из-за деформационного упрочнения. ^[5]

Инженерия деформаций хорошо изучена в сложных оксидных системах, в которых эпитаксиальная деформация может сильно влиять на связь между спиновой, зарядовой и орбитальной степенями свободы и тем самым влиять на электрические и магнитные свойства. Было показано, что эпитаксиальная деформация вызывает переходы металл-изолятор и сдвигает температуру Кюри для перехода из антиферромагнетика в ферромагнитный . ^[6] В тонких пленках сплавов эпитаксиальная деформация влияет на спинодальную нестабильность и, следовательно, влияет на движущую силу разделения фаз. Это объясняется связью между наложенной эпитаксиальной деформацией и упругими свойствами системы, зависящими от ее состава. ^[7]${\displaystyle {\ce {La_{1-x}Sr_{x}MnO_{3}}}}$Исследователи недавно достигли очень большой деформации толстых оксидных пленок за счет включения нанопроволок / наностолбиков в матрицу пленки. ^[8] Кроме того, в двухмерных материалах, таких как WSe
₂Было показано, что деформация вызывает преобразование непрямого полупроводника в прямой полупроводник, что позволяет в сотни раз увеличить скорость излучения света. ^[9]

Инженерия деформации в памяти с фазовым переходом [ править ]

Биаксиальная деформация использовалась для уменьшения энергии переключения в материалах с межфазной памятью фазового перехода (iPCM). Материалы с фазовой памятью коммерчески используются в энергонезависимых ячейках памяти. ^[10] Материалы с межфазным фазовым переходом представляют собой сверхрешетку из Sb2Te3 и GeTe. ^[11] Средним составом сверхрешетки может быть Ge2Sb2Te5, который является хорошо изученным сплавом с фазовым переходом. Когда атомы на границе раздела диффузно неупорядочиваются, происходит большое изменение электрического сопротивления материалов. ^[12] В отличие от сплава Ge2Sb2Te5, который должен аморфизироваться для переключения, деформированные материалы iPCM частично разупорядочиваются на границе раздела. ^[12]Когда слои GeTe растянуты в двух направлениях, появляется больше места для атомных переходов, и энергия активации для переключения снижается. И когда эти материалы включаются в устройства памяти с изменением фазы, энергия переключения снижается, напряжение переключения уменьшается, а время переключения сокращается. ^[13] Короче говоря, деформация значительно улучшает производительность ячейки памяти.

См. Также [ править ]

• Напряженный кремний

Ссылки [ править ]