Onderzoekers van het National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) hebben een driedimensionale stressanalysesimulator ontwikkeld voor ultrakleine silicium (Si) -apparaten. De ontwikkelde simulatietechnologie maakt de analyse mogelijk van de verdeling van de mechanische spanning (of mechanische spanning) die wordt uitgeoefend op ultrakleine Si-apparaten met een ruimtelijke resolutie op nanometerniveau door de modulatie van de lichtintensiteitsverdeling te berekenen die wordt veroorzaakt door de apparaatstructuur in de micro -Raman-spectroscopiemeting met behulp van een optische microscoop.

De technologie zal naar verwachting bijdragen aan het verbeteren van de snelheid en het verminderen van het stroomverbruik van toonaangevende LSI-apparaten, met name driedimensionale FinFET-apparaten die zullen worden toegepast op het 22 nm-technologieknooppunt.

Op het gebied van geavanceerde halfgeleiderapparaten, hogere snelheid en hogere prestaties zijn gerealiseerd door opzettelijk stress toe te passen op kanaalregio's, waarin dragers zoals elektronen en gaten stromen, om de mobiliteit van de vervoerder te vergroten. Indien, echter, er is enige fluctuatie in de stress, de prestatie van transistors fluctueert, waardoor het moeilijk wordt om de bedrijfsspanning voldoende te verlagen en, bijgevolg, waardoor het onmogelijk is om het stroomverbruik te verminderen. Daarom is het noodzakelijk om fluctuaties in de stress te onderdrukken om het stroomverbruik van die apparaten te verlagen. Tegen deze achtergrond, er is een methode nodig om de spanningsverdeling in een apparaat met een hoge ruimtelijke resolutie te evalueren om de invloed van de stress op de prestaties van het apparaat te beoordelen, om de relatie tussen de structuur van het apparaat en de spanning te verduidelijken en, dus, om dergelijke informatie weer te geven in structurele ontwerpen en productieprocessen van apparaten.

In het MIRAI-project, AIST voerde het onderzoek en de ontwikkeling uit van een meettechnologie voor lokale spanningsverdeling in Si-apparaten met behulp van micro-Raman-spectroscopie. Het heeft ruimtelijke resolutie van wereldklasse bereikt in een spanningsverdelingsanalysetechnologie met behulp van Raman-spectroscopie. Bijvoorbeeld, het heeft een evaluatietechnologie ontwikkeld voor lokale spanningsverdeling met een ruimtelijke resolutie van 100 nm of minder, die korter is dan de golflengte van het licht. Tijdens het onderzoek en de ontwikkeling, het bleek dat de lichtintensiteitsverdeling in een ultraklein apparaat sterk gemoduleerd was in de nanometerschaal en dus het Raman-spectrum sterk werd beïnvloed. In het huidige onderzoek is er is een methode ontwikkeld die de kwantitatieve spanningsverdeling op nanometerschaal kan evalueren op basis van analyse door Raman-spectroscopie die het effect van lichtmodulatie weerspiegelt, die wordt berekend met een simulatietechnologie die elektromagnetische veldanalyse en stressanalyse integreert, gecombineerd met technologie CAD.

Micro-Raman-spectroscopie maakt niet-destructieve spanningsmeting mogelijk met behulp van een fenomeen waarbij, wanneer excitatielicht dat op een monster valt, wordt verstrooid, de golflengte van het verstrooide licht verschuift als gevolg van energieniveaus van roostertrillingen enz. Dus, micro-Raman-spectroscopie wordt beschouwd als een veelbelovende methode voor het evalueren van stressverdeling. Afhankelijk van de intensiteit en richting van de spanning die op een monster wordt uitgeoefend, de golflengteverschuiving van Raman-verstrooiingslicht (Ramanverschuiving, die normaal wordt uitgedrukt in golfgetal) varieert. Overeenkomstig, het is mogelijk om stress kwalitatief te schatten door de variatie van Raman-verschuiving te meten. Echter, omdat een optische microscoop wordt gebruikt, de ruimtelijke resolutie is beperkt tot de golflengte van het licht (van enkele honderden nanometers tot één micrometer). In aanvulling, aangezien stress een fysieke grootheid is die bestaat uit zes onafhankelijke componenten, kwantitatieve evaluatie van stress, inclusief de richting en het type, is alleen moeilijk met de Raman-meting. Een conventionele oplossing voor dit probleem was om de spanningsverdeling te evalueren door de resultaten van stresssimulaties en micro-Raman-metingen te vergelijken. Bij metingen van ultrakleine apparaten, echter, hun apparaatstructuur moduleert op complexe wijze de voortplanting van licht op nanometerschaal, waardoor een grote invloed op het gemeten Raman-spectrum, en bijgevolg, waardoor het onmogelijk is om nauwkeurige stressanalyses uit te voeren.

Het ontwikkelde simulatiesysteem combineerde de berekening van de voortplanting van excitatielicht en verstrooid licht in een Raman-meting door elektromagnetische simulatie met behulp van de eindige-verschil-tijddomeinmethode (FDTD) en stressanalyse door de eindige-elementenmethode (FEM). Dit maakt een nauwkeurige berekening mogelijk van het Raman-spectrum dat het modulatie-effect op nanometerschaal weerspiegelt in de lichtintensiteitsverdeling als gevolg van de structuur van het apparaat, en een kwantitatieve berekening van de spanningsverdeling in het apparaat.

Figuur 1 toont een stroomschema van de ontwikkelde driedimensionale stressanalysesimulator. De algehele structuur bestaat uit 1) de structuur en spanningsafleeseenheid (berekent spanningsverdeling op basis van de FEM-methode); 2) de driedimensionale FDTD-analyse-eenheid (berekent de intensiteitsverdeling van excitatielicht); 3) de Raman-verschuivingsanalyse-eenheid (berekent de golflengte van Raman-verstrooiingslicht vanuit verschillende punten op een monster op basis van spanningsverdeling); 4) de driedimensionale FDTD-analyse-eenheid (berekent Raman-verstrooiingslicht van het monster); en 5) de Raman-spectrumanalyse-eenheid (berekent Raman-spectra in werkelijk gemeten golflengtegebieden). De analyseresultaten worden gevisualiseerd door een driedimensionale viewer. Figuur 2(a) toont de spanningsverdeling van FinFET en de intensiteitsverdeling van excitatielicht berekend met de ontwikkelde simulator. Een Si-kanaal gevormd op een laag siliciumdioxide (SiO2) staat aan beide uiteinden onder spanning van een silicium-germaniumlegering (SiGe). De intensiteitsverdeling van excitatielicht wordt gemoduleerd door de monsterstructuur; de intensiteit van het excitatielicht dichtbij de kanaalrand is bijzonder sterk, dus het verstrooide licht van het gebied dicht bij de rand draagt ​​aanzienlijk bij aan het gemeten Raman-verstrooiingslicht. Het excitatielicht wordt afgebogen en verlicht de zijwand. Figuur 2 (b) toont het Raman-verstrooiingslicht van elke golflengte van het Si-kanaal. Omdat de stressintensiteit varieert afhankelijk van de locatie, het Raman-verstrooiingslicht wordt dienovereenkomstig uitgezonden op verschillende golflengten. Figuur 2(c) toont het spectrum van elk Raman-verstrooiingslicht verkregen uit de analyse en die spectra werden gecombineerd om een ​​Raman-spectrum te vormen. Dit gecombineerde spectrum komt overeen met het werkelijk gemeten Raman-spectrum. De stressanalyse wordt aangepast totdat het verschil met het gemeten spectrum verdwijnt, en daarom, de uiteindelijke waarde van stress wordt bepaald met de simulatie.

De ruimtelijke resolutie van micro-Raman-spectroscopie is over het algemeen beperkt tot de golflengte van excitatielicht (van enkele honderden nanometers tot één micrometer). Anderzijds, het ontwikkelde systeem, die nauwkeurige Raman-simulaties maakt, kan de spanningsverdeling schatten en evalueren met een ruimtelijke resolutie op nanometerschaal.

De onderzoekers willen een verdere bijdrage leveren aan de samenleving, zoals commercialisering van het Raman-meetsysteem met de ontwikkelde meet- en evaluatietechnologie.