Одноосные напряжения, индуцированные процессом

Одноосные напряжения превосходят двухосные напряжения в следующих аспектах:

(1) Одноосное напряжение может обеспечить повышение подвижности дырок при меньшей величине напряжения (деформации);

(2) Повышенная подвижность электронов и дырок при одноосном напряжении в основном возникает из-за уменьшения эффективной массы проводимости в отличие от снижения рассеяния для двухосного напряженного состояния. Таким образом, одноосное напряжение обеспечивает большее увеличение рабочего тока с минимальным увеличением сложности производства;

 (3) Одноосные напряжения вызывают сдвиги порогового напряженияпМОПТ, которые примерно в пять раз меньше, чем при двухосном и, таким образом, не требуют регулировки легированием подложки;

 (4) Индуцированные процессом одноосные напряжения увеличиваются с уменьшением длины канала;

 (5) Одноосно напряженные приборы показывает гораздо большую надежность;

 (6) Значительно меньшие напряжения (в 5 раз) требуются для повышения подвижности дырок при применении одноосного продольного сжатия по сравнению с двухосным растяжением в плоскости с помощью обычного метода с SiGe подложкой.

Поэтому индуцированные процессом одноосные напряжения перспективны для масштабирования КМОП-технологии в соответствии с целями, предлагаемыми "Дорожной картой" ITRS.

Как растягивающие, так и сжимающие локальные напряжения могут быть введены в канал одним из трех ниже описанных процессов:

а) Введение SiGe в область истока и стока для р -МОПТ и SiC в области истока/стока п-МОПТ;

б) Нанесение на МОПТ напряженных пленок нитрида кремния Si₃N₄ (Etch-Stop Liner − маскирующих пленок), как для n - так и для p -канальных транзисторов;

в) Метод "запоминания" напряжения (Stress Memorization Technique) для n -канальных МДПТ.

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

eSiGe (эпитаксиальный SiGe) был первым стрессором, введенным Intel в расширенное КМОП производство с 90-нм технологическими нормами, и он, как сообщается, улучшил подвижность дырок более чем на 50%. Желательное одноосное напряжения сжатия может быть вызвано в канале рМОПТ, когда SiGe является заполнителем областей истока/стока (S/D). На рис. С6.9 показаны сечения ТЭМ изображения рМОПТ Intel с 90-нм технологическими нормами с eSiGe в областях S/D.

Один из способов изготовления встроенного или приподнятого SiGe/SiC истока/стока заключается в следующем. Во-первых, после формирования спейсера области истока/стока вытравливаются по форме углубленных областей. Затем, производится эпитаксиально рост SiGe с одновременным легированием (рМОПТ) или SiС (пМОПТ) в вытравленных областях.

 

 

Рис. С6.9 Поперечное сечение ТЭМ изображения рМОПТ Intel с 90-нм технологическими нормами с SiGe, встроенным в S/D области

 

Уникальным свойством материала системы SiGe является полная совместимость Si и Gе по полному диапазону состава Gе. Постоянная решетки Si_1−xGe_x сплавов дается формулой

,                           (4)

где x -доля Gе, а _Si = 0,543нм и a _Ge = 0,566нм, соответственно. Из-за 4,2% несоответствия решеток между Si и Gе значительные напряжения могут быть переданы в S/D рМОПТ при увеличении процента Gе в eSiGe до тех пор, пока толщина результирующей эпитаксиальной пленки остается ниже критической толщины, исключающей релаксацию напряжений и образование дислокаций. Например, процент Gе был увеличен с 17% в первом поколении Intel eSiGe при 90-нм технологических нормах, до 23% при 65-нм технологических нормах, и до 30% при 45-нм нормах. Эффективность передачи напряжения может быть улучшена путем размещения eSiGe ближе к каналу рМОПТ, что подтверждается 1,4- кратным увеличением напряжения в канале, когда близость eSiGe к каналу уменьшается с 25нм до 5нм на 45-нм рМОПТ. Профиль углубления eSiGe стал использоваться в качестве эффективного регулятора, который может быть оптимизирован для дальнейшего повышения эффективности напряжения.

Интенсивность вводимых напряжений зависит, как от толщины слоя SiGe, так и от степени его возвышения над поверхностью кремния, а также от процента содержания Ge в сплаве. Слишком большое содержание германия может привести к формированию большого количество дефектов. Важным является и подбор расстояния до границы щелевой изоляции и до границы поликремниевого затвора.

При использовании стрессоров напряжения Si_1-xGe_x необходимо тщательно учитывать компромисс между характеристиками и утечками как функцией глубины Si_1-xGe_x, концентрации Gе, последовательности процесса, геометрии и топологии. Хотя более глубокие S i_1-xGe_x слои, более высокие концентрации Gе и более высокие исток/стоки приводят к увеличению напряжений, одновременно увеличиваются утечки из-за металлургического перехода SiGe-кремний.

С помощью тщательной настройки всех аспектов процесса eSiGe было достигнуто более чем 2-кратное повышение подвижности в рМОПТ и 20%-30% улучшение рабочего тока на 45-нм рМОПТ.

По аналогии с SiGe карбид кремния SiC может вызывать полезные напряжения в канале, когда он встроен в S/D пМОПТ. Однако в отличие от технологии eSiGe, которая была реализована в КМОП производстве с 90-нм технологическими нормами, интеграция SiC в технологию КМОП оказалась чрезвычайно сложной из-за метастабильной природы системы SiC. Атомы углерода могут быть введены в решетку Si и как атомы внедрения, и как атомы замещения для формирования SiC, однако, в стабильном состоянии внедренный углерод не создает разницу в параметрах решетки между SiС и Si.    и, таким образом, генерируют желательное напряжение растяжения в канале МОПТ. Ключевым моментом является требование доставить атомы углерода в узлы решетки (атомы замещения) и держать их там на протяжении всего процесса изготовления прибора, в противном случае углерод осаждается в кластеры карбида, которые релаксируют напряжения и ухудшают электрические свойства пленки.

Включение SiС стрессора в исток/сток области создает боковые растягивающие напряжения в канале, которые являются полезными для nMOПТ. Простой подход заключается в углублении истоковой и стоковой областей путем вытравливания и потом осаждения SiС с помощью процесса селективной эпитаксии. Были продемонстрированы высоко производительные nMOПТ с эпитаксиально выращенными легированными фосфором SiC исток/сток стрессорами. Напряжения SiC полностью сохраняются после последующих эпитаксиальных процессов, и достигаются низкие паразитные сопротивления после легирования фосфором (3∙10²⁰см^-3 до 4,8∙10²⁰см^-3) и тесной близости стрессора к каналу (10нм до 20нм).

Недостатки технологии еSiС стрессора также очевидны. Трудно вырастить еSiС стрессор с концентрацией углерода замещения >1% из-за крайне низкой растворимости C в Si; кроме того, трудно держать атомы C в узлах замещения при термической обработке, что приводит к потере напряжений.

Следует отметить, что хотя эффективность эпитаксиально выращенного еSiС стрессора была продемонстрирована в современных МДП-транзисторах, по-прежнему существуют значительные проблемы, прежде чем использовать еSiС в производственном процессе. Основные вопросы, такие как относительно низкая пропускная способность пластин (еSiС∼3 пластины/час, в то время как. eSiGe >6 пластин/час), эффект загрузки (толщина неоднородности вследствие разницы шагов и плотности рисунка), и стоимость являются одними из ключевых барьеров. Дополнительные технические проблемы также должны быть решены для дальнейшего повышения эффективности еSiC, такие как увеличенное сопротивление контакта силицид-еSiС, а также сравнительно низкие концентрации углерода замещения (в настоящее время ограничивается ∼ 2% из-за высокой плотности дефектов). Видимо, необходимо больше технических усилий для того, чтобы сделать еSiС технологичным стрессором для современных МОП транзисторов.

б) Использование напряженных нитридных (SiN) пленок

    Наличие напряжения в нитридных пленках, нанесенных на поверхность кремния, было обнаружено и изучено в 90-х годах прошлого века. Так, например, было показано, что приплазменном нанесении пленок нитрида кремния на Si, изменяя газовый состав в камере и режим нанесения, можно получить как растянутые, так и сжатые пленки. Именно, эти свойства таких пленок дали возможность использовать их для введения напряжения в канал МДПТ.

Одно из первых таких исследований было опубликовано в 2000 году. В этой работе связывают различие в свойствах пленок со способностью менять собственные внутренние напряжения в зависимости от внутренней структуры на молекулярно-атомном уровне. После нанесения силицида при формировании транзисторных структур на всю пластину наносится равномерный слой растянутого или сжатого нитрида. Толщина и состав материала этой пленки подбирается по величине рабочего тока транзистора (I _on). Обычно, более толстые слои увеличивают уровень напряжения. Далее следуют обычные для технологического планарного процесса операции формирования контактов и нанесения межслойной изоляции. Установлено, что введение растягивающего напряжения в n -канал приводит к улучшению характеристики прибора на 11-15%, а сжатие для р -канала на ~20-25%.

Более сложную технологию приходится применять в случае КМОП-структур. Нанесение растянутой напряженной пленки одновременно с улучшением характеристики п-МДПТ, будет ухудшать характеристики р-МДПТ. Такая же ситуация будет при нанесении на всю КМОП структуры сжимающей пленки. Одним из методов решения этой задачи является применение ионной имплантации Ge в нужную область для снятия напряжения в нитриде (рис. С6.10).

 

Рис. С6.10.Применение селективной Ge имплантации для снятия напряжения в участке сжимающей нитридной пленки над n -МДПТ

 

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). Метод DSL был разработан для того, чтобы вызывать растягивающие напряжение для пМОПТ и сжимающие напряжения для рМОПТ одновременно. Обычно интеграция маршрута SiN начинается с нанесения высоко напряженной равномерно растянутой пленки SiN на всю подложку после салицизации (salicidation). Растянутая пленка SiN в области рМОПТ полностью вытравливается по шаблону до осаждения сильно сжатой пленки SiN. Эта сжатая пленка SiN по шаблону травится и полностью удаляется с области пМОПТ до окончания процесса DSL. Метод DSL был продемонстрирован, чтобы улучшить рабочие токи пМОПТ и рМОПТ на 11% и 20%, соответственно, для суб 45-нм длины затвора КМОПТ.

Эффективность DSL может быть улучшена за счет увеличения толщины напряженной пленки, уменьшения высоты поликремниевого затвора, или уменьшения толщины боковых спейсеров. Новые методы, такие как многослойные SiN пленки или воздействия на SiN пленки ультрафиолетовым излучением также показаны для усиления напряжений в пленке. Хотя обычно используется напряженные пленки SiN, показано, что алмазоподобные углеродные пленки могут быть использованы для достижения внутренних сжимающих напряжений (> 6 ГПа), которые является наивысшими напряженными пленками, применимыми к МДП-транзисторам до сих пор.

в) Технология запоминания напряжения (Stress Memorization Technique - SMT)

Локальное напряжение может быть введено методом запоминания напряжения. Известно, что в обычном производстве МДПТ области стока/истока и затвора при легировании с помощью ионной имплантации аморфизируются.   В технологии запоминания напряжения последующий отжиг для активации примесей проводится после нанесения растягивающей нитридной покрывающей пленки (рис. С6.11). Как и 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 деформации в кристаллической решетке кремния в канале. Эта деформация растяжения и приводит к увеличению подвижности. Использование этого метода позволяет улучшить выходные характеристики, как и во всех предыдущих случаях, на 15-20% в зависимости от параметров аморфизированного слоя нитридной пленки и условий отжига.

Существует несколько теорий о физических механизмах SMT. Самая популярная теория заключается в том, что запоминание напряжения происходят от сжимающего напряжения поли-Si затвора п-типа в вертикальном направлении, обусловленного рекристаллизацией поли-Si и расширением его объема под покрывающим сковывающим слоем в процессе высокотемпературного отжига. Это сжимающее напряжение поли-Si затвора п-типа затем индуцирует растягивающее напряжение в канале МОПТ в продольном направлении, как показано на рисунке С6.12.

 

Рис. С6.11.Последовательность операций при применении технологии “запоминания напряжений": а) − аморфизация исток/стоковых областей и затвора; б) − нанесения растягивающего нитрида; в) − отжиг и удаление нитрида.

Рис. С6.12. Иллюстрация механизма запоминания напряжений в МОПТ с напряженным покрывающим слоем.