Stamteknik

Strain engineering hänvisar till en allmän strategi som används i halvledartillverkning för att förbättra enhetens prestanda. Prestandafördelar uppnås genom att modulera töjningen , som ett exempel, i transistorkanalen , vilket förbättrar elektronmobilitet (eller hålrörlighet) och därmed konduktivitet genom kanalen. Ett annat exempel är halvledarfotokatalysatorer stamkonstruerade för effektivare användning av solljus.

Stamteknik i CMOS-tillverkning

Användningen av olika töjningstekniker har rapporterats av många framstående mikroprocessortillverkare , inklusive AMD , IBM och Intel , främst när det gäller sub-130 nm-teknologier. En viktig faktor vid användning av strain engineering i CMOS-tekniker är att PMOS och NMOS reagerar olika på olika typer av belastning. Specifikt tjänas PMOS-prestanda bäst genom att applicera trycktöjning på kanalen, medan NMOS drar nytta av dragpåkänning. Många tillvägagångssätt för töjningsteknik inducerar töjning lokalt, vilket gör att både n-kanal- och p-kanalstamning kan moduleras oberoende av varandra.

Ett framträdande tillvägagångssätt involverar användningen av ett töjningsinducerande täckskikt. CVD-kiselnitrid är ett vanligt val för ett ansträngt täckskikt, eftersom storleken och typen av töjning (t.ex. dragstyrka kontra kompression) kan justeras genom att modulera avsättningsförhållandena, särskilt temperaturen. Standardtekniker för litografimönster kan användas för att selektivt avsätta töjningsinducerande täckskikt, för att till exempel avsätta en komprimerande film över endast PMOS.

Täckskikt är nyckeln till Dual Stress Liner (DSL) tillvägagångssätt som rapporterats av IBM-AMD. I DSL-processen används standardmönster- och litografitekniker för att selektivt avsätta en draghållfast kiselnitridfilm över NMOS och en kompressiv kiselnitridfilm över PMOS.

Ett andra framträdande tillvägagångssätt involverar användningen av en kiselrik fast lösning, särskilt kiselgermanium, för att modulera kanalpåkänning. En tillverkningsmetod involverar epitaxiell tillväxt av kisel ovanpå ett avslappnat kisel-germaniumunderlag. Dragpåkänning induceras i kislet när kiselskiktets gitter sträcks för att efterlikna den större gitterkonstanten för det underliggande kisel-germaniumet. Omvänt kan trycktöjning induceras genom att använda en fast lösning med en mindre gitterkonstant, såsom kisel-kol. Se t.ex. US patent nr. 7,023,018. En annan närbesläktad metod innefattar att ersätta source- och dräneringsområdet för en MOSFET med kisel-germanium.

Ansträngningsteknik i tunna filmer

Stam kan induceras i tunna filmer med antingen epitaxiell tillväxt eller på senare tid topologisk tillväxt.

Epitaxiell spänning i tunna filmer uppstår i allmänhet på grund av gallerfelpassning mellan filmen och dess substrat, och kan uppstå antingen under filmtillväxt eller på grund av termisk expansionsfelanpassning. Tuning av denna epitaxiella stam kan användas för att moderera egenskaperna hos tunna filmer och inducera fasövergångar. Felanpassningsparametern ( $f$ ) ges av ekvationen nedan:

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

där $a_{e}$ är gitterparametern för den epitaxiella filmen och $a_{s}$ är gitterparametern för substratet. Efter en viss kritisk filmtjocklek blir det energetiskt gynnsamt att avlasta en viss missanpassningspåfrestning genom bildandet av misspassade dislokationer eller mikrotvillingar. Felanpassade dislokationer kan tolkas som en dinglande bindning vid ett gränssnitt mellan lager med olika gitterkonstanter. Denna kritiska tjocklek ( $h_{c}$ ) beräknades av Mathews och Blakeslee till:

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

där $b$ är längden på Burgers-vektorn, $\nu$ är Poisson-förhållandet, $\alpha$ är vinkeln mellan Burgers-vektorn och felanpassad dislokationslinje och ${\ displaystyle \lambda }$ är vinkeln mellan Burgers-vektorn och vektorn vinkelrät mot dislokationens glidplan. Jämviktstöjningen i planet för en tunn film med en tjocklek ( $h$ ) som överstiger $h_{c}$ ges sedan av uttrycket:

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

Töjningsrelaxation vid tunna filmgränssnitt via misspassande dislokationskärnbildning och multiplikation sker i tre steg som är särskiljbara baserat på relaxationshastigheten. Det första steget domineras av glidning av redan existerande dislokationer och kännetecknas av en långsam avslappningshastighet. Det andra steget har en snabbare relaxationshastighet, vilket beror på mekanismerna för dislokationskärnbildning i materialet. Slutligen representerar det sista steget en mättnad i spänningsavslappning på grund av töjningshärdning.

Töjningsteknik har studerats väl i komplexa oxidsystem, där epitaxiell töjning starkt kan påverka kopplingen mellan spinn-, laddnings- och omloppsfrihetsgraderna och därigenom påverka de elektriska och magnetiska egenskaperna. Epitaxiell töjning har visat sig inducera metallisolatorövergångar och skifta Curie-temperaturen för den antiferromagnetiska till ferromagnetiska övergången i ${\ce {La_{1-x}Sr_{x} MnO_{3}}}$ . I legerade tunna filmer har epitaxiell töjning observerats påverka den spinodala instabiliteten och därför påverka drivkraften för fasseparation. Detta förklaras som en koppling mellan den pålagda epitaxiella töjningen och systemets sammansättningsberoende elastiska egenskaper.

Forskare har på senare tid uppnått spänningar i tjocka oxidfilmer större än vad som uppnås i epitaxiell tillväxt genom att införliva nanostrukturerade topologier (Guerra och Vezenov, 2002) och nanorods/nanopelare i en oxidfilmmatris. Efter detta arbete har forskare över hela världen skapat sådana självorganiserade, fasseparerade, nanorod/nanopelarstrukturer i många oxidfilmer som beskrivs här. 2008 publicerade Thulin och Guerra beräkningar av stammodifierade anatas titanoxidbandstrukturer, som inkluderade en indikerad högre hålrörlighet med ökande belastning. Dessutom, i tvådimensionella material, såsom WSe
₂ , har töjning visat sig inducera omvandling från en indirekt halvledare till en direkt halvledare, vilket tillåter en hundrafaldig ökning av ljusemissionshastigheten.

Se även

• Silikon