Штамм-инженерия - Strain engineering

Штамм-инженерия относится к общей стратегии, применяемой в полупроводник производство для повышения производительности устройства. Повышение производительности достигается за счет модуляции напряжение в транзистор канал, который усиливает подвижность электронов (или подвижность дырок) и тем самым проводимость через канал.

Штамм-инженерия в производстве КМОП

Об использовании различных методов инженерии деформации сообщили многие известные микропроцессор производителей, в том числе AMD, IBM, и Intel, в первую очередь, что касается технологий суб-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. Нитрид кремния CVD является обычным выбором для напряженного защитного слоя, поскольку величина и тип деформации (например, растяжение или сжатие) можно регулировать путем изменения условий осаждения, особенно температуры.^[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 Лайнер Dual Stress (DSL) подход, сообщенный IBM-AMD. В процессе DSL стандартные паттерны и литография Методы используются для выборочного осаждения растягивающейся пленки нитрида кремния поверх NMOS и сжатой пленки нитрида кремния поверх PMOS.^{[нужна цитата ]}

Второй важный подход включает использование твердого раствора с высоким содержанием кремния, особенно кремния.германий, чтобы модулировать деформацию канала. Один из методов производства включает эпитаксиальный рост кремния поверх ослабленного кремний-германиевого подслоя. В кремнии возникает деформация растяжения, поскольку решетка кремниевого слоя растягивается, чтобы имитировать большую постоянная 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 заключается в замене области истока и стока МОП-транзистор с кремний-германием.^[3]

Деформационная инженерия в тонких пленках

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 (${\displaystyle f}$) определяется следующим уравнением:^[4]

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

куда ${\displaystyle a_{e}}$ - параметр решетки эпитаксиальной пленки, ${\displaystyle a_{s}}$ - параметр решетки подложки. После некоторой критической толщины пленки становится энергетически выгодным ослабить 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 (${\displaystyle h_{c}}$) был вычислен Мэтьюзом и Блейксли как:

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

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

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

Релаксация деформации на границах 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 низкой 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. ${\displaystyle {\ce {La_{1-x}Sr_{x}MnO_{3}}}}$.^[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 состава.^[7] 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
₂ Было показано, что деформация вызывает преобразование непрямого полупроводника в прямой полупроводник, что позволяет в сотни раз увеличить скорость излучения света.^[9]

Деформационная инженерия в памяти с фазовым переходом

Биаксиальная деформация использовалась для уменьшения энергии переключения на межфазной границе. память с фазовым переходом (iPCM) материалы. Материалы памяти с фазовым переходом 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 представляет собой хорошо изученный сплав с фазовым переходом. Когда атомы на границе раздела диффузно неупорядочиваются, электрическое сопротивление материалов сильно изменяется.^[12] В отличие от сплава Ge2Sb2Te5, которому для переключения требуется аморфизация, 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 включены 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.

Смотрите также

• Напряженный кремний

Рекомендации

1. Ван, Дэвид (30 декабря 2005 г.). «IEDM 2005: избранное покрытие». Технологии реального мира.
2. Мартынюк, M, Антошевский, J. Musca, C.A., Dell, J.M., Faraone, L. Smart Mater. Struct. 15 (2006) S29-S38)
3. Вайс, Питер (28 февраля 2004 г.). "Стремление к скорости". Новости науки онлайн. Архивировано из оригинал 12 сентября 2005 г.
4. Bertoli, B .; Sidoti, D .; Xhurxhi, S .; Kujofsa, T .; Cheruku, S .; Correa, J. P .; Rago, P. B .; Suarez, E.N .; Джайн, Ф. К. (2010). «Равновесная деформация и плотность дислокаций в экспоненциально градиентном Si (1-x) Gex / Si (001)». Журнал прикладной физики. 108: 113525. Дои:10.1063/1.3514565.
5. Жмакин, А.И. (2011). «Модели релаксации деформации». arXiv:1102.5000 [cond-mat.mtrl-sci ].
6. Разави, Ф. С .; Gross, G .; Хабермейер, Х. (2000). «Эпитаксиальная деформация, вызванная переходом металлического изолятора в тонких пленках La0.9Sr0.1MnO3 и La0.88Sr0.1MnO3». Журнал прикладной физики. 76 (2): 155–157. Дои:10.1063/1.125687.
7. Lahiri, A .; Abinandanan, T. A .; Gururajan, M. P .; Бхаттачарья, С. (2014). «Влияние эпитаксиальной деформации на фазовое разделение в тонких пленках». Письма в философский журнал. 94 (11): 702–707. arXiv:1310.5899. Дои:10.1080/09500839.2014.968652. S2CID  118565360.
8. Чен, Айпин; Ху, Цзя-Мянь; Лу, Пинг; Ян, Тяньнань; Чжан, Венжуй; Ли, Лейган; Ахмед, Тофик; Энрикес, Эрик; Вейганд, Маркус; Су, Цин; Ван, Хайянь; Чжу, Цзянь-Синь; MacManus-Driscoll, Judith L .; Чен, Лун-Цин; Яроцкий Дмитрий; Цзя, Цюаньси (10 июня 2016 г.). «Роль каркасной сети в контроле деформации и функциональности нанокомпозитных пленок». Достижения науки. 2 (6): e1600245. Bibcode:2016SciA .... 2E0245C. Дои:10.1126 / sciadv.1600245. ISSN  2375-2548. ЧВК  4928986. PMID  27386578.
9. Ву, Вэй; Ван, Джин; Эрциус, Питер; Райт, Никомарио; Лепперт-Сименауэр, Даниэль; Берк, Роберт; Дубей, Мадан; Донгаре, Авинаш; Петтес, Майкл (2018). «Гигантский механо-оптоэлектронный эффект в атомно тонком полупроводнике» (PDF). Нано буквы. 18 (4): 2351–2357. Bibcode:2018NanoL..18.2351W. Дои:10.1021 / acs.nanolett.7b05229. PMID  29558623.
10. Микрон. «Micron объявляет о доступности памяти с фазовым переходом для мобильных устройств». Микрон. Получено 26 февраля 2018.
11. Симпсон, Роберт; Fons, P .; Колобов, А. В .; Фукая, Т .; Яги, Т .; Томинага, Дж. (3 июля 2011 г.). «Межфазная память с фазовым переходом». Природа Нанотехнологии. 6 (8): 501–5. Bibcode:2011НатНа ... 6..501С. Дои:10.1038 / nnano.2011.96. PMID  21725305.
12. Каликка, Янне; Чжоу, Силинь; Дилчер, Эрик; Стена, Саймон; Ли, Джу; Симпсон, Роберт Э. (22 июня 2016 г.). "Штамм инженерного диффузионного переключения атомов в двумерных кристаллах". Nature Communications. 7: 11983. Bibcode:2016НатКо ... 711983K. Дои:10.1038 / ncomms11983. ЧВК  4917972. PMID  27329563.
13. Чжоу, Силинь; Каликка, Янне; Цзи, Синлун; Ву, Лянцай; Песня, Чжитанг; Симпсон, Роберт Э. (8 февраля 2016 г.). «Материалы с фазовой памятью по конструкции: подход инженерии деформации». Современные материалы. 28 (15): 3007–16. Дои:10.1002 / adma.201505865. PMID  26854333.