Подвижность носителей заряда в канале и его деформации

Начиная с поколения полевых МОП-транзисторов, базирующихся на элементах порядка 90 нм, деформирование канала кремния использовалось для улучшения подвижности электронов и дырок. Деформация воздействует на структуру зон, и успешные технологии деформирования используют этот факт для уменьшения эффективной массы для основного направлении проводимости. Деформации производятся путём воздействия на область канала в различных направлениях, что мы и отразим в дальнейшем.

Закон Гука отражает отношение деформации u для одномерного объекта к приложенной силе F через определяемую материалом константу K: Когда же мы делаем обобщение для трёхмерного объекта, такого, например, как полупроводниковый кристалл кубической формы, мы можем наблюдать в нём нормальные и поперечные силы, а также возрастание нижнего индекса т.к. способность длины определённого бокового ребра определённой грани деформироваться является результатом действия всех приложенных к нему нормально и поперечно-действующих сил. Составляющая приложенной силы, приходящаяся на единицу площади называется давлением, а каждый компонент деформации – механическим напряжением. Сила, необходимая для приложения данного механического напряжения определяется, исходя из модуля упругости материала. В кристаллах с кубической решёткой, таких как Si и GaAs есть только три подобные независимые константы. В кремнии их величины колеблются в диапазоне от 64 до 166 ГПа, что отражает насколько огромные давления присутствуют внутри кристаллического твёрдого тела. И наоборот, механическое напряжение, которое является результатом приложенного давления, определяется из модуля податливости материала, связанного с модулем упругости.

В простой одномерной модели, которую мы использовали для иллюстрации того, как зонная структура связана с кристаллической структурой, мы определили вклад межатомного расстояния. Следовательно, если это расстояние изменится под действием механического напряжения, в результате мы можем ожидать изменение зонной структуры. Если мы хотим определить, к примеру, механическое напряжение, при котором улучшается подвижность дырок в кремнии, польза от этого есть лишь в том случае, если энергия зоны тяжёлых дырок будет понижена по отношению к зоне лёгких дырок.³ К сожалению, на практике создать подобные условия не так просто. Обе валентные зоны, под действием механических напряжений настолько деформируются, что ни одна из них не может рассматриваться ни в качестве «тяжелой», ни в качестве «легкой». Вместо этого, по причине расщепления зоны приложенным механическим напряжением, их определяют как 'нижнюю' и 'верхнюю' зоны. Так как дырки занимают преимущественно более высокие зоны, необходимо, чтобы искривление верхней зоны было таким, чтобы эффективная масса в основном направлении проводимости была уменьшена. Один из способов достигнуть этого для канала направления <110> образованного на подложке, полученной на грани {001} кристалла кремния в устройстве с размерами менее 100 нм состоит в приложении на канал p-типа одноосного напряжения сжатия величиной около 1 ГПа. Это огромное давление, если

учесть, что давление уже около 0.8 ГПа ломает высокопрочную сталь! Единственным применимым на практике способом осуществления подобных условий, является вытравливание в кремнии ниш, в которых будут образованы исток и сток, заполненные, путём эпитаксиального наращивания, слоем Si_1−x Ge_x (см. Рис. 13.4). С мольной концентрацией германия x ≈ 30 %, полученный SiGe является стремительно расширяющимся, что и подвергает канал кремния напряжению сжатия, входящему в

Соответствующая операция технологического процесса и поперечное сечение (получено в ПЭМ) полевого МОП – транзистора с каналом p-типа, подвергнутым механическому напряжению, путём внедрения SiGe в области истока и стока.

Kx вектору.

Из предыдущих глав мы помним, что понижение энергии электрона эквивалентно возрастанию энергии дырки.необходимый диапазон значений. На данный момент (2009 г.), подвижность дырок увеличена приблизительно в четыре раза, благодаря использованию этого метода.

Для кремниевого полевого МОП - транзистора с каналом n-типа на {001} подложке, напряжение растяжения с направлением <110> вызывает деформацию сдвига, выгодную для электронной проводимости в этом направлении. В этом случае происходит три порядка минимума зоны проводимости, заставляя две [001] впадины перемещаться, с целью понизить энергии; минимум зоны проводимости сдвигается по направлению к точке X, по мере усиления деформации сдвига; вырождение двух минимумов зоны проводимости, достигнув точки X, прекращается Одно из отражений этого процесса – это то, что изоэнергетические поверхности, имеющие форму вытянутого сфероида Рис. 2.12 становятся несимметричными сфероидами, то есть, две пересекающиеся эффективные массы больше не равны. Другими словами, ссылаясь на зона Бриллюэна становится несимметрична в направлении, перпендикулярном к новому вектору k_x. Происходящие процессы в действительности достаточно сложны для понимания, и обусловлены в большей мере квантовыми ограничениями в узком инверсионном слое. В этой главе, мы проиллюстрируем благоприятные последствия нарушения симметрии шестого порядка зон проводимости, существующей в недеформированном объёме материала.

Рассмотрим на котором приблизительно отражено отношение E-k для кремния около края зоны проводимости E_П, т.е. «впадина» имеет более резкие границы в двух основных направлениях, чем в другом, неосновном, направлении. Эквивалентные изоэнергетические поверхности в трёхмерном пространстве показаны на Четыре сфероида, расположенных в горизонтальной плоскости часто называют ∆₄ впадинами, а два перпендикулярных называют ∆₂ впадинами.

В данном случае, мы полагаем, что кремниевый канал находится в приповерхностном слое. Деформация растяжения нарушает шестикратное вырождение этих впадин, увеличивая энергию совокупности ∆₄ впадин, и понижая энергию совокупности ∆₂ впадин, то есть, дно зоны проводимости поднимется для ∆₄ впадин и понизится для ∆₂ впадин (см. центральную и правую часть Рис. 13.5a). Для данной энергии E относительно дна зоны проводимости в ∆₄ впадинах, энергия E − E_C для ∆₂ впадин становится больше, в следствие чего сфероиды увеличиваются. Электроны, естественно, занимают более низкие энергетические положения, таким образом создаются благоприятные условия для совокупности ∆₂ впадин. Если плоскостная эффективная масса в ∆₂ впадинах остается на уровне , который мы отмечаем в Таблице 2.1, значительно меньше, чем продольная эффективная масса , то электронная подвижность в канале увеличивается. Как упоминалось выше, эффективные массы изменяются под действием механического напряжения, но понять рост величины μ_e, возможно только в том случае, если выразить эффективную массу удельной электропроводности из формулы. Основываясь на равных вероятностях заполнения любой из шести эквивалентных зон проводимости, численное значение можно определить как _{, ПРОВ} = 0.26 m₀.

Контактная зона в исходных областях много больше области канала, таким образом, спад механического напряжения, данный метод приложения нагрузок эффективен, если канал является коротким, но также означает и усложнение процесса масштабирования. Фактически, в технологическом узле 45 нм, зоны истока и стока могут быть недостаточны, чтобы «фиксировать» деформирующую оболочку. В сложившейся обстановке технология нуждалась в альтернативном стрессоре. Создание борозды с последующим заполнением её материалом, способным сжиматься под действием окружающего кремния – это один из возможных путей решения проблемы, исследуемый в настоящее время.

Сложно вообразить, что насколько огромные и разнообразные давления могут быть приложены к таким миниатюрным и настолько плотно упакованным структурам. Например, влияние растягивающего давления в полевом транзисторе с каналом n-типа на сжимающее давление соседнего с ним полевого транзистора с каналом p-типа, может в скором времени стать одним из факторов, которые необходимо будет учитывать при проектировании топологии, если, конечно, он в уже не является таковым.