Gerinim mühendisliği - Strain engineering

Gerinim mühendisliği , cihaz performansını artırmak için yarı iletken üretiminde kullanılan genel bir stratejiyi ifade eder . Performans avantajları düzenlenmesiyle elde edilmektedir suş içinde transistör artırır kanal, elektron hareketliliği (veya delik hareketlilik) ve böylece iletkenliği kanalı içinden.

CMOS üretiminde gerilim mühendisliği

Çeşitli suş mühendisliği tekniklerinin kullanımı , başta 130 nm altı teknolojilerle ilgili olmak üzere AMD , IBM ve Intel dahil olmak üzere birçok önde gelen mikroişlemci üreticisi tarafından rapor edilmiştir . CMOS teknolojilerinde gerinim mühendisliğini kullanırken önemli bir husus, PMOS ve NMOS'un farklı gerilim türlerine farklı yanıt vermesidir. Spesifik olarak, PMOS performansı en iyi şekilde kanala sıkıştırma gerinimi uygulayarak sunulur, NMOS ise çekme geriniminden yararlanır. Gerinim mühendisliğine yönelik birçok yaklaşım, hem n-kanal hem de p-kanal suşunun bağımsız olarak modüle edilmesine izin vererek yerel olarak gerilimi indükler.

Öne çıkan yaklaşımlardan biri, gerinime neden olan bir kapak katmanının kullanılmasını içerir. CVD silisyum nitrür, gerilimin büyüklüğü ve türünün (örneğin gerilme-sıkıştırıcı) biriktirme koşullarının, özellikle sıcaklığın modüle edilmesiyle ayarlanabildiğinden, gerilmiş bir kapak katmanı için ortak bir seçimdir. Standart litografi desenleme teknikleri, örneğin sadece PMOS üzerinde bir sıkıştırıcı film biriktirmek için gerilim indükleyen kapak katmanlarını seçici olarak biriktirmek için kullanılabilir.

Kapak katmanları, IBM-AMD tarafından bildirilen Dual Stress Liner (DSL) yaklaşımının anahtarıdır . DSL işleminde, NMOS üzerine bir çekme silisyum nitrür filmi ve PMOS üzerinde sıkıştırıcı bir silikon nitrür filmi seçici olarak biriktirmek için standart desenleme ve litografi teknikleri kullanılır.

İkinci bir önemli yaklaşım, kanal gerilimini modüle etmek için silikon açısından zengin bir katı çözeltinin, özellikle silikon- germanyumun kullanılmasını içerir . Bir üretim yöntemi, gevşetilmiş bir silikon-germanyum alt tabakası üzerinde epitaksiyel silikon büyümesini içerir. Silisyum tabakasının örgüsü , alttaki silikon-germanyumun daha büyük kafes sabitini taklit etmek için gerilirken, silikonda gerilme gerilimi indüklenir . Tersine, sıkıştırma gerinimi, silikon-karbon gibi daha küçük bir kafes sabiti olan katı bir çözelti kullanılarak indüklenebilir. Bkz., Ör., ABD Patent No. 7,023,018. Bir diğer yakından ilişkili yöntem, bir MOSFET'in kaynak ve boşaltma bölgesinin silikon-germanyum ile değiştirilmesini içerir .

İnce filmlerde gerilim mühendisliği

İnce filmlerdeki epitaksiyel gerilim, genellikle film ve substratı arasındaki kafes uyumsuzluğundan kaynaklanır ve film büyümesi sırasında veya termal genleşme uyumsuzluğundan kaynaklanabilir. Bu epitaksiyel gerginliğin ayarlanması, ince filmlerin özelliklerini düzenlemek ve faz geçişlerini indüklemek için kullanılabilir. Uyumsuzluk parametresi ( ) aşağıdaki denklemde verilmiştir: ${\ displaystyle f}$

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

epitaksiyel filmin kafes parametresi nerede ve substratın kafes parametresidir. Bir miktar kritik film kalınlığından sonra, uyumsuz dislokasyonların veya mikrotwinlerin oluşumu yoluyla bazı uyumsuzluk gerilimlerini hafifletmek enerji açısından elverişli hale gelir. Uyumsuz dislokasyonlar, farklı kafes sabitlerine sahip katmanlar arasındaki bir arayüzde sarkan bir bağ olarak yorumlanabilir. Bu kritik kalınlık ( ), Mathews ve Blakeslee tarafından şu şekilde hesaplanmıştır: ${\ displaystyle a_ {e}}$${\ displaystyle a_ {s}}$${\ displaystyle h_ {c}}$

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

burada Burgers vektörünün boyudur, Poisson oranıdır Burgers vektörü ve uyumsuz dislokasyon hattı arasındaki açıdır ve Burger vektör ve yerinden en kayma düzlemine normal vektörü arasındaki açıdır. Kalınlığı ( ) aşan ince bir film için düzlem içi denge gerinimi aşağıdaki ifade ile verilir: ${\ displaystyle b}$${\ displaystyle \ nu}$${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ lambda}$${\ displaystyle h}$${\ displaystyle h_ {c}}$

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

Uygun olmayan dislokasyon çekirdeklenmesi ve çoğalması yoluyla ince film arayüzlerinde gerinim gevşemesi, gevşeme oranına göre ayırt edilebilen üç aşamada gerçekleşir. İlk aşamaya önceden var olan çıkıkların kayması hakimdir ve yavaş bir gevşeme hızı ile karakterize edilir. İkinci aşama, malzemede yerinden çıkma çekirdeklenme mekanizmalarına bağlı olan daha hızlı bir gevşeme oranına sahiptir. Son olarak, son aşama, zorlamayla sertleşmeden dolayı gerilim gevşemesinde bir doygunluğu temsil eder.

Gerinim mühendisliği, epitaksiyel gerilmenin spin, yük ve yörünge serbestlik dereceleri arasındaki eşleşmeyi güçlü bir şekilde etkileyebildiği ve böylece elektrik ve manyetik özellikleri etkileyebileceği karmaşık oksit sistemlerinde iyi çalışılmıştır. Epitaksiyel gerilimin metal yalıtkan geçişlerini tetiklediği ve antiferromanyetikten ferromanyetik geçiş için Curie sıcaklığını değiştirdiği gösterilmiştir . Alaşım ince filmlerde, epitaksiyel gerilmenin spinodal dengesizliği etkilediği ve bu nedenle faz ayrılması için itici gücü etkilediği gözlemlenmiştir. Bu, uygulanan epitaksiyel gerilim ile sistemin bileşime bağlı elastik özellikleri arasında bir bağlantı olarak açıklanır. Araştırmacılar son zamanlarda film matrisine nanotelleri / nanopilleri dahil ederek kalın oksit filmlerde çok büyük bir gerilim elde ettiler. Ek olarak, WSe gibi iki boyutlu malzemelerde ${\ displaystyle {\ ce {La_ {1-x} Sr_ {x} MnO_ {3}}}}$
₂ suşunun dolaylı bir yarı iletkenden doğrudan bir yarı iletkene dönüşümü indüklediği ve ışık yayma oranında yüz kat artışa izin verdiği gösterilmiştir.

Faz değişim belleğinde gerinim mühendisliği

Arayüzey faz değiştirme belleği (iPCM) malzemelerindeki anahtarlama enerjisini azaltmak için çift eksenli gerinim kullanılmıştır . Faz değişim belleği malzemeleri ticari olarak geçici olmayan bellek hücrelerinde kullanılmıştır. Arayüzey faz değişim malzemeleri, Sb2Te3 ve GeTe'nin bir süper örgüsüdür. Ortalama süper örgü bileşimi, iyi çalışılmış bir faz değişim alaşımı olan Ge2Sb2Te5 olabilir. Arayüzdeki atomlar yaygın olarak düzensiz olduğunda, malzemelerin elektrik direncinde büyük bir değişiklik olur. Geçiş yapmak için amorfize edilmesi gereken Ge2Sb2Te5 alaşımının aksine, gergin iPCM malzemeleri arayüzde kısmen düzensizdir. GeTe katmanları iki eksenli olarak gerildiğinde, atomik geçişler için daha fazla yer olur ve anahtarlama için aktivasyon enerjisi düşer. Ve bu malzemeler faz değiştirme bellek cihazlarına dahil edildiğinde, anahtarlama enerjisi düşürülür, anahtarlama gerilimi düşürülür ve anahtarlama süresi kısalır. Kısacası zorlanma, bellek hücresi performansını önemli ölçüde geliştirir.

Ayrıca bakınız

• Gerilmiş silikon

Referanslar