Academia.eduAcademia.edu

Outline

Strain scaling for CMOS

2014, MRS Bulletin

https://doi.org/10.1557/MRS.2014.5

Abstract

Brief history of strain engineering in planar CMOS technology Over the past few decades, a great deal of theoretical and experimental work has been carried out in the fi eld of carrier transport in strained semiconductors; 1 however, it was not until the late 1990s that strained channels were viewed as requisite elements in complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. Since then, a variety of innovative techniques have been devised and integrated as strain-inducing elements into existing CMOS technology. For example, compressive and tensile stressed silicon nitride liners, 2 wafer-scale biaxial strain, 3 local epitaxial stressors for uniaxial strain, 4 and even the strain fi elds surrounding defects 5 have been used to improve the current drive of modern fi eld-effect transistors (FETs). Here, we explore the most successful of these strain-inducing approaches in planar FET technology, namely lattice-engineering by epitaxial growth. We begin by presenting some of the early work on biaxial strain engineering for FET applications that showed a promising path for drive current enhancement by improving the electron and hole mobility in Si. We then describe the introduction of process-induced uniaxial strain and its advantages compared to biaxial strain with respect to drive current in scaled FETs. Finally, the limitations of strain scaling and possible future strategies are explored.

References (38)

  1. H.M. Manasevit , I.S. Gergis , A.B. Jones , Appl. Phys. Lett. 41 , 464 ( 1982 ).
  2. S. Ito , H. Namba , K. Yamaguchi , T. Hirata , K. Ando , S. Koyama , S. Kuroki , N. Ikezawa , T. Suzuki , T. Saitoh , T. Horiuchi , IEDM Tech. Dig. 247 ( 2000 ).
  3. J. Welser , J.L. Hoyt , J.F. Gibbons , IEDM Tech. Dig. 1000 ( 1992 ).
  4. S. Gannavaram , N. Pesovic , C. Ozturk , IEDM Tech. Dig. 437 ( 2000 ).
  5. K.-Y. Lim , H. Lee , C. Ryu , K.-I. Seo U. Kwon , S. Kim , J. Choi , K. Oh , H.K. Jeon , C. Song , T.-O. Kwon , J. Cho , S. Lee , Y. Sohn , H.S. Yoon , J. Park , K. Lee , W. Kim , E. Lee , S.-P. Sim , C.G. Koh , S.B. Kang , S. Choi , C. Chung , IEDM Tech. Dig. 229 ( 2010 ).
  6. E.A. Fitzgerald , Y.-H. Xie , M.L. Green , D. Brasen , A.R. Kortan , J. Michel , Y.-J. Mii , B.E. Weir , Appl. Phys. Lett. 59 , 811 ( 1991 ).
  7. K. Rim , J. Welser , J.L. Hoyt , J.F. Gibbons , IEDM Tech. Dig. 517 ( 1995 ).
  8. B.H. Lee , A. Mocuta , S. Bedell , H. Chen , D. Sadana , K. Rim , P. O'Neil , R. Mo , K. Chan , C. Cabral , C. Lavoie , D. Mocuta , A. Chakravarti , R.M. Mitchell , J. Mezzapelle , F. Jamin , M. Sendelbach , H. Kermel , M. Gribelyuk , A. Domenicucci , K.A. Jenkins , S. Narasimha , S.H. Ku , M. Ieong , I.Y. Yang , E. Leobandung , P. Agnello , W. Haensch , J. Welser , IEDM Tech. Dig. 946 ( 2002 ).
  9. S.W. Bedell , K. Fogel , D.K. Sadana , H. Chen , Appl. Phys. Lett. 85 , 5869 ( 2004 ).
  10. T. Ghani , M. Armstrong , C. Auth , C.M. Bost , P. Charvat , G. Glass , T. Hoffmann , K. Johnson , C. Kenyon , J. Klaus , B. McIntyre , K. Mistry , A. Murthy , J. Sandford , M. Silberstein , S. Sivakumar , P. Smith , K. Zawadzki , S. Thompson , M. Bohr , IEDM Tech. Dig. 978 ( 2003 ).
  11. Y. Sun , S.E. Thompson , T. Nishida , J. Appl. Phys. 101 , 104503 ( 2007 ).
  12. J. Wang , Y. Tateshita , S. Yamakawa , K. Nagano , T. Hirano , Y. Kikuchi , Y. Miyanami , S. Yamaguchi , K. Tai , R. Yamamoto , S. Kanda , T. Kimura , K. Kugimiya , M. Tsukamoto , H. Wakabayashi , Y. Tagawa , H. Iwamoto , T. Ohno , M. Saito , S. Kadomura , N. Nagashima , Symp. VLSI tech. 46 ( 2007 ).
  13. P. Packan , S. Akbar , M. Armstrong , D. Bergstrom , M. Brazier , H. Deshpande , K. Dev , G. Ding , T. Ghani , O. Golonzka , W. Han , J. He , R. Heussner , R. James , J. Jopling , C. Kenyon , S.-H. Lee , M. Liu , S. Lodha , B. Mattis , A. Murthy , L. Neiberg , J. Neirynck , S. Pae , C. Parker , L. Pipes , J. Sebastian , J. Seiple , B. Sell , A. Sharma , S. Sivakumar , B. Song , A. St. Amour , K. Tone , T. Troeger , C. Weber , K. Zhang , Y. Luo , S. Natarajan , IEDM Tech. Dig. 659 ( 2009 ).
  14. S. Narasimha , P. Chang , C. Ortolland , D. Fried , E. Engbrecht , K. Nummy , P. Parries , T. Ando , M. Aquilino , N. Arnold , R. Bolam , J. Cai , M. Chudzik , B. Cipriany , G. Costrini , M. Dai , J. Dechene , C. DeWan , B. Engel , M. Gribelyuk , D. Guo , G. Han , N. Habib , J. Holt , D. Ioannou , B. Jagannathan , D. Jaeger , J. Johnson , W. Kong , J. Koshy , R. Krishnan , A. Kumar , M. Kumar , J. Lee , X. Li , C. Lin , B. Linder , S. Lucarini , N. Lustig , P. McLaughlin , K. Onishi , V. Ontalus , R. Robison , C. Sheraw , M. Stoker , A. Thomas , G. Wang , R. Wise , L. Zhuang , G. Freeman , J. Gill , E. Maciejewski , R. Malik , J. Norum , P. Agnello , IEDM Tech. Dig. 52 ( 2012 ).
  15. C. Auth , C. Allen , A. Blattner , D. Bergstrom , M. Brazier , M. Bost , M. Buehler , V. Chikarmane , T. Ghani , T. Glassman , R. Grover , W. Han , D. Hanken , M. Hattendorf , P. Hentges , R. Heussner , J. Hicks , D. Ingerly , P. Jain , S. Jaloviar , R. James , D. Jones , J. Jopling , S. Joshi , C. Kenyon , H. Liu , R. McFadden , B. McIntyre , J. Neirynck , C. Parker , L. Pipes , I. Post , S. Pradhan , M. Prince , S. Ramey , T. Reynolds , J. Roesler , J. Sandford , J. Seiple , P. Smith , C. Thomas , D. Towner , T. Troeger , C. Weber , P. Yashar , K. Zawadzki , K. Mistry , Symp. VLSI Tech. 131 -132 ( 2012 ).
  16. H. Yin , R. Huang , K.D. Hobart , Z. Suo , T.S. Kuan , C.K. Inoki , S.R. Shieh , T.S. Duffy , F.J. Kub , J.C. Sturm , J. Appl. Phys. 91 , 9716 ( 2002 ).
  17. H. Yin , K.D. Hobart , F.J. Kub , S.R. Shieh , T.S. Duffy , J.C. Sturm , Appl. Phys. Lett. 84 , 3624 ( 2004 ).
  18. A. Domenicucci , S. Bedell , R. Roy , D.K. Sadana , A. Mocuta , in Proceedings of the 14th Conference of Microscopy of Semiconducting Materials , A.G. Cullis , J.L. Hutchinson , Eds. (Oxford, UK, 2005 ), vol. 107 , p. 89 .
  19. T. Irisawa , T. Numata , T. Tezuka , K. Usuda , N. Hiroshita , N. Sugiyama , VLSI Symp. Tech. Dig. 178 ( 2005 ).
  20. S.W. Bedell , N. Daval , A. Khakifi rooz , P. Kulkarni , K. Fogel , A. Domenicucci , D.K. Sadana , Microelectron. Eng. 88 , 324 ( 2011 ).
  21. W. Xiong , C.R. Cleavelin , P. Kohli , C. Huffman , T. Schulz , K. Schruefer , G. Gebara , K. Mathews , P. Patruno , Y.-M. Le Vaillant , I. Cayrefourcq , M. Kennard , C. Mazure , K. Shin , T.-J.K. Liu , IEEE Electron Device Lett. 27 ( 7 ), 612 ( 2006 ).
  22. A. Khakifi rooz , K. Cheng , T. Nagumo , N. Loubet , T. Adam , A. Reznicek , J. Kuss , D. Shahrjerdi , R. Sreenivasan , S. Ponoth , H. He , P. Kulkarni , Q. Liu , P. Hashemi , P. Khare , S. Luning , S. Mehta , J. Gimbert , Y. Zhu , Z. Zhu , J. Li , A. Madan , T. Levin , F. Monsieur , T. Yamamoto , S. Naczas , S. Schmitz , S. Holmes , C. Aulnette , N. Daval , W. Schwarzenbach , B.-Y. Nguyen , V. Paruchuri , M. Khare , G. Shahidi , B. Doris , Symp. VLSI Tech . 117 ( 2012 ).
  23. A. Khakifi rooz , R. Sreenivasan , B.N. Taber , F. Allibert , P. Hashemi , W. Chern , N. Xu , E.C. Wall , S. Mochizuki , J. Li , Y. Yin , N. Loubet , A. Reznicek , S.M. Mignot , D. Lu , H. He , T. Yamashita , P. Morin , G. Tsutsui , C.-Y. Chen , V.S. Basker , T.E. Standaert , K. Cheng , T. Levin , B.Y. Nguyen , T.-J. King Liu , D. Guo , H. Bu , K. Rim , B. Doris , paper presented at IEEE S3S Conference, Monterey, CA, 7-10 October , 2013 .
  24. K. Cheng , A. Khakifi rooz , N. Loubet , S. Luning , T. Nagumo , M. Vinet , Q. Liu , A. Reznicek , T. Adam , S. Naczas , P. Hashemi , J. Kuss , J. Li , H. He , L. Edge , J. Gimbert , P. Khare , Y. Zhu , Z. Zhu , A. Madan , N. Klymko , S. Holmes , T.M. Levin , A. Hubbard , R. Johnson , M. Terrizzi , S. Teehan , A. Upham , G. Pfeiffer , T. Wu , A. Inada , F. Allibert , B. Nguyen , L. Grenouillet , Y. Le Tiec , R. Wacquez , W. Kleemeier , R. Sampson , R.H. Dennard , T.H. Ning , M. Khare , G. Shahidi , B. Doris , IEDM Tech. Dig. 420 ( 2012 ).
  25. L. Chang , D.J. Frank , R.K. Montoye , S.J. Koester , B.L. Ji , P.W. Coteus , R.H. Dennard , W. Haensch , Proc. IEEE 98 ( 2 ), 215 ( 2010 ).
  26. S. Suthram , M.M Hussain , H.R Harris , C. Smith , H.-H. Tseng , R. Jammy , S.E. Thompson , IEEE Electron Device Lett. 29 ( 5 ), 480 ( 2008 ).
  27. N. Xu , B. Ho , M. Choi , V. Moroz , T.-J. King Liu , IEEE Trans. Electron Devices 59 ( 6 ), 1592 ( 2012 ).
  28. M. Saitoh , A. Kaneko , K. Okano , T. Kinoshita , S. Inaba , Y. Toyoshima , K. Uchida , Symp. VLSI Tech. 18 ( 2008 ).
  29. S. Mujumdar , K. Maitra , S. Datta , IEEE Trans. Electron Devices 59 ( 1 ), 72 ( 2012 ).
  30. A. Nainani , S. Gupta , V. Moroz , C. Munkang , K. Yihwan , Y. Cho , J. Gelatos , T. Mandekar , A. Brand , P. Er-Xuan , M.C. Abraham , K. Schuegraf , IEDM Tech. Dig. 427 ( 2012 ).
  31. M. Choi , V. Moroz , L. Smith , O. Penzin , in 6th International Silicon-Germanium Technology and Device Meeting ( 2012 ISTDM ).
  32. C.Y. Kang , R. Choi , S.C. Song , K. Choi , B.S. Ju , M.M. Hussain , B.H. Lee , G. Bersuker , C. Young , D. Heh , P. Kirsch , J. Barnet , J.-W. Yang , W. Xiong , H. Tseng , R. Jammy , IEDM Tech. Dig. 885 ( 2006 ).
  33. I. Ok , K. Akarvardar , S. Lin , M. Baykan , C.D. Young , P.Y. Hung , M.P. Rodgers , S. Bennett , H.O. Stamper , D.L. Franca , J. Yum , J.P. Nadeau , C. Hobbs , P. Kirsch , P. Majhi , R. Jammy , IEDM Tech. Dig. 776 ( 2010 ).
  34. R. Droopad , K. Rajagopalan , J. Abrokwah , M. Canonico , M. Passlack , Solid State Electron. 50 , 1175 ( 2006 ).
  35. D. Kim , PhD thesis, Stanford University ( 2009 ).
  36. A. Nainani , R. Shyam , D. Witte , M. Kobayashi , T. Irisawa , T. Krishnamohan , K. Saraswat , B.R. Bennett , M.G. Ancona , J.B. Boos , IEDM Tech. Dig. 857 ( 2009 ).
  37. T. Kaneko , H. Asahi , Y. Okuno , S.-I. Gonda , J. Cryst. Growth 95 , 158 ( 1989 ).
  38. S.H. Kim , M. Yokoyama , R. Nakane , O. Ichikawa , T. Osada , M. Hata , M. Takenaka , S. Takagi , Symp. VLSI Tech. T51 ( 2013 ).