La ingeniería de deformación se refiere a una estrategia general empleada en la fabricación de semiconductores para mejorar el rendimiento del dispositivo. Los beneficios de rendimiento se logran modulando la tensión en el canal del transistor , lo que mejora la movilidad de los electrones (o la movilidad del agujero) y, por lo tanto, la conductividad a través del canal.
Ingeniería de deformación en la fabricación de CMOS
Muchos fabricantes prominentes de microprocesadores , incluidos AMD , IBM e Intel , han informado del uso de diversas técnicas de ingeniería de deformaciones , principalmente en lo que respecta a las tecnologías de menos de 130 nm. Una consideración clave en el uso de la ingeniería de deformaciones en tecnologías CMOS es que PMOS y NMOS responden de manera diferente a diferentes tipos de deformaciones. Específicamente, el rendimiento de PMOS se obtiene mejor aplicando tensión compresiva al canal, mientras que NMOS se beneficia de la tensión de tracción. [1] Muchos enfoques de la ingeniería de deformaciones inducen deformaciones localmente, lo que permite modular la deformación de canal ny de canal p de forma independiente.
Un enfoque destacado implica el uso de una capa de cobertura inductora de tensión. El nitruro de silicio CVD es una opción común para una capa de remate deformada, ya que la magnitud y el tipo de deformación (p. Ej. Tracción frente a compresión) se pueden ajustar modulando las condiciones de deposición, especialmente la temperatura. [2] Se pueden usar técnicas de modelado de litografía estándar para depositar selectivamente capas de remate inductoras de deformación, para depositar una película compresiva solo sobre el PMOS, por ejemplo.
Las capas de limitación son clave para el enfoque de Dual Stress Liner (DSL) informado por IBM-AMD. En el proceso DSL, se utilizan técnicas estándar de modelado y litografía para depositar selectivamente una película de nitruro de silicio extensible sobre el NMOS y una película de nitruro de silicio compresiva sobre el PMOS. [ cita requerida ]
Un segundo enfoque destacado implica el uso de una solución sólida rica en silicio, especialmente silicio- germanio , para modular la deformación del canal. Un método de fabricación implica el crecimiento epitaxial de silicio sobre una capa inferior relajada de silicio-germanio. La deformación por tracción se induce en el silicio a medida que la red de la capa de silicio se estira para imitar la constante de red más grande del silicio-germanio subyacente. Por el contrario, la deformación por compresión podría inducirse mediante el uso de una solución sólida con una constante de red más pequeña, como el silicio-carbono. Véase, por ejemplo, la Patente de Estados Unidos Nº 7.023.018. Otro método estrechamente relacionado implica reemplazar la fuente y la región de drenaje de un MOSFET con silicio-germanio. [3]
Ingeniería de deformaciones en películas delgadas
La deformación epitaxial en películas delgadas generalmente surge debido al desajuste de la red entre la película y su sustrato, y puede surgir durante el crecimiento de la película o debido al desajuste de la expansión térmica. El ajuste de esta tensión epitaxial se puede utilizar para moderar las propiedades de películas delgadas e inducir transiciones de fase. El parámetro de desajuste () viene dada por la siguiente ecuación: [4]
dónde es el parámetro de celosía de la película epitaxial y es el parámetro de celosía del sustrato. Después de un espesor de película crítico, se vuelve energéticamente favorable aliviar cierta tensión de desajuste a través de la formación de dislocaciones de desajuste o microtinelas. Las dislocaciones inadaptadas se pueden interpretar como un enlace colgante en una interfaz entre capas con diferentes constantes de celosía. Este espesor crítico () fue calculado por Mathews y Blakeslee como:
dónde es la longitud del vector Burgers, es la razón de Poisson, es el ángulo entre el vector de Burgers y la línea de dislocación inadaptada, y es el ángulo entre el vector de Burgers y el vector normal al plano de deslizamiento de la dislocación. La deformación en el plano de equilibrio para una película delgada con un espesor () que excede entonces viene dada por la expresión:
La relajación de la deformación en las interfaces de la película delgada a través de la nucleación y la multiplicación de la dislocación se produce en tres etapas que se distinguen en función de la tasa de relajación. La primera etapa está dominada por el deslizamiento de las luxaciones preexistentes y se caracteriza por una tasa de relajación lenta. La segunda etapa tiene una tasa de relajación más rápida, que depende de los mecanismos de nucleación de la dislocación en el material. Finalmente, la última etapa representa una saturación en la relajación de la deformación debido al endurecimiento por deformación. [5]
La ingeniería de deformación ha sido bien estudiada en sistemas de óxidos complejos, en los que la deformación epitaxial puede influir fuertemente en el acoplamiento entre el giro, la carga y los grados de libertad orbital y, por lo tanto, afectar las propiedades eléctricas y magnéticas. Se ha demostrado que la deformación epitaxial induce transiciones de aislante metálico y cambia la temperatura de Curie para la transición antiferromagnética a ferromagnética en. [6] En películas delgadas de aleación, se ha observado que la deformación epitaxial impacta la inestabilidad espinodal y, por lo tanto, impacta la fuerza impulsora para la separación de fases. Esto se explica como un acoplamiento entre la deformación epitaxial impuesta y las propiedades elásticas dependientes de la composición del sistema. [7] Los investigadores lograron recientemente una gran tensión en películas de óxido gruesas mediante la incorporación de nanocables / nanopilares en la matriz de la película. [8] Además, en materiales bidimensionales como WSe
2Se ha demostrado que la tensión induce la conversión de un semiconductor indirecto a un semiconductor directo, lo que permite un aumento de cien veces en la tasa de emisión de luz. [9]
Ingeniería de deformación en la memoria de cambio de fase
La deformación biaxial se ha utilizado para reducir la energía de conmutación en materiales de memoria de cambio de fase interfacial (iPCM). Los materiales de memoria de cambio de fase se han utilizado comercialmente en celdas de memoria no volátiles. [10] Los materiales de cambio de fase interfacial son una superrejilla de Sb2Te3 y GeTe. [11] La composición media de la superrejilla puede ser Ge2Sb2Te5, que es una aleación de cambio de fase bien estudiada. Hay un gran cambio en la resistencia eléctrica de los materiales cuando los átomos en la interfaz se desordenan de manera difusa. [12] En contraste con la aleación Ge2Sb2Te5, que necesita amorfizarse para cambiar, los materiales iPCM tensos se desordenan parcialmente en la interfaz. [12] Cuando las capas de GeTe se tensan biaxialmente, hay más espacio para las transiciones atómicas y se reduce la energía de activación para la conmutación. Y cuando estos materiales se incluyen en dispositivos de memoria de cambio de fase, se reduce la energía de conmutación, se reduce la tensión de conmutación y se acorta el tiempo de conmutación. [13] En resumen, la tensión mejora considerablemente el rendimiento de la celda de memoria.
Ver también
Referencias
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