Los investigadores del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST) han desarrollado un simulador de análisis de tensión tridimensional para dispositivos de silicio (Si) ultrapequeños. La tecnología de simulación desarrollada permite el análisis de la distribución de la tensión mecánica (o deformación mecánica) aplicada a dispositivos de Si ultrapequeños con una resolución espacial a nivel nanométrico mediante el cálculo de la modulación de la distribución de la intensidad de la luz provocada por la estructura del dispositivo en el micro -Medida por espectroscopia de Raman mediante microscopio óptico.

Se espera que la tecnología contribuya a mejorar la velocidad y reducir el consumo de energía de los dispositivos LSI de vanguardia. en particular, los dispositivos FinFET tridimensionales que se adoptarán en el nodo de tecnología de 22 nm.

En el campo de los dispositivos semiconductores avanzados, se han logrado una mayor velocidad y un mayor rendimiento aplicando intencionalmente tensión a las regiones del canal, en el que fluyen portadores como electrones y huecos, para aumentar la movilidad del transportista. Si, sin embargo, hay alguna fluctuación en el estrés, el rendimiento de los transistores fluctúa, dificultando la reducción suficiente de la tensión de funcionamiento y, como consecuencia, haciendo imposible reducir el consumo de energía. Por eso es necesario suprimir la fluctuación de la tensión para reducir el consumo de energía de esos dispositivos. Sobre este trasfondo, se necesita un método para evaluar la distribución de la tensión en un dispositivo con una alta resolución espacial a fin de evaluar la influencia de la tensión en el rendimiento del dispositivo, aclarar la relación entre la estructura del dispositivo y la tensión y, por lo tanto, para reflejar dicha información en los diseños estructurales de los dispositivos y los procesos de producción.

En el Proyecto MIRAI, AIST llevó a cabo la investigación y el desarrollo de una tecnología de medición para la distribución de tensión local en dispositivos de Si utilizando espectroscopía micro-Raman. Ha logrado una resolución espacial de clase mundial en una tecnología de análisis de distribución de tensión que utiliza espectroscopía Raman. Por ejemplo, ha desarrollado una tecnología de evaluación para la distribución local de esfuerzos a una resolución espacial de 100 nm o menos, que es más corta que la longitud de onda de la luz. Durante la investigación y el desarrollo, Se encontró que la distribución de la intensidad de la luz en un dispositivo ultrapequeño estaba fuertemente modulada en la escala nanométrica y, por lo tanto, el espectro Raman estaba fuertemente influenciado. En la presente investigación, Se ha desarrollado un método capaz de evaluar la distribución cuantitativa de la tensión en la escala nanométrica basado en el análisis por espectroscopia Raman que refleja el efecto de la modulación de la luz. que se calcula con una tecnología de simulación que integra análisis de campo electromagnético y análisis de tensión, combinado con tecnología CAD.

La espectroscopia Micro-Raman permite la medición de tensión no destructiva utilizando un fenómeno por el cual, cuando la luz de excitación que incide en una muestra se dispersa, la longitud de onda de la luz dispersa se desplaza reflejando los niveles de energía de las vibraciones reticulares, etc. La espectroscopia micro-Raman se considera un método prometedor para evaluar la distribución de la tensión. Dependiendo de la intensidad y dirección de la tensión aplicada a una muestra, el cambio de longitud de onda de la luz de dispersión Raman (cambio Raman, que normalmente se expresa en número de onda) varía. Respectivamente, Es posible estimar cualitativamente el estrés midiendo la variación del cambio Raman. Sin embargo, porque se utiliza un microscopio óptico, la resolución espacial se limita a la longitud de onda de la luz (de varios cientos de nanómetros a un micrómetro). Además, como el estrés es una cantidad física que consta de seis componentes independientes, evaluación cuantitativa del estrés, incluyendo su dirección y tipo, es difícil solo con la medición Raman. Una solución convencional a este problema ha sido evaluar la distribución de tensiones comparando los resultados de las simulaciones de tensiones y las mediciones micro-Raman. En mediciones de dispositivos ultrapequeños, sin embargo, la estructura de su dispositivo modula de manera compleja la propagación de la luz en la escala nanométrica, causando una gran influencia sobre el espectro Raman medido, y consecuentemente, haciendo imposible realizar un análisis de tensión preciso.

El sistema de simulación desarrollado combinó el cálculo de la propagación de la luz de excitación y la luz de dispersión en una medición Raman por simulación electromagnética utilizando el método de dominio de tiempo de diferencias finitas (FDTD) y análisis de tensión por el método de elementos finitos (FEM). Esto permite un cálculo preciso del espectro Raman que refleja el efecto de modulación a escala nanométrica en la distribución de la intensidad de la luz debido a la estructura del dispositivo. y un cálculo cuantitativo de la distribución de esfuerzos en el dispositivo.

La Figura 1 muestra un diagrama de flujo del simulador de análisis de tensión tridimensional desarrollado. La estructura general consta de 1) la unidad de lectura de la estructura y la tensión (calcula la distribución de la tensión según el método FEM); 2) la unidad de análisis FDTD tridimensional (calcula la distribución de intensidad de la luz de excitación); 3) la unidad de análisis de cambio Raman (calcula la longitud de onda de la luz de dispersión Raman desde diferentes puntos en una muestra basándose en la distribución de la tensión); 4) la unidad de análisis FDTD tridimensional (calcula la luz de dispersión Raman de la muestra); y 5) la unidad de análisis de espectro Raman (calcula los espectros Raman en regiones de longitud de onda realmente medidas). Los resultados del análisis se visualizan mediante un visor tridimensional. La Figura 2 (a) muestra la distribución de tensión de FinFET y la distribución de intensidad de la luz de excitación calculada con el simulador desarrollado. Un canal de Si formado en una capa de dióxido de silicio (SiO2) está bajo tensión de una aleación de silicio-germanio (SiGe) en ambos extremos. La distribución de la intensidad de la luz de excitación está modulada por la estructura de la muestra; la intensidad de la luz de excitación cerca del borde del canal es especialmente fuerte, por lo que la luz de dispersión del área cercana al borde contribuye significativamente a la luz de dispersión Raman medida. La luz de excitación se difracta e ilumina la pared lateral. La Figura 2 (b) muestra la luz de dispersión Raman de cada longitud de onda del canal de Si. Como la intensidad del estrés varía según la ubicación, en consecuencia, la luz de dispersión Raman se emite en diferentes longitudes de onda. La Figura 2 (c) muestra el espectro de cada luz de dispersión Raman obtenida del análisis y esos espectros se combinaron para formar un espectro Raman. Este espectro combinado corresponde al espectro Raman realmente medido. El análisis de tensión se ajusta hasta que desaparece la diferencia con el espectro medido, y por lo tanto, el valor final de la tensión se determina con la simulación.

La resolución espacial de la espectroscopía micro-Raman generalmente se limita a la longitud de onda de la luz de excitación (desde varios cientos de nanómetros a un micrómetro). Por otra parte, el sistema desarrollado, que hace simulaciones Raman precisas, es capaz de estimar y evaluar la distribución de tensiones con una resolución espacial en la escala nanométrica.

Los investigadores tienen como objetivo hacer más contribuciones a la sociedad, como la comercialización del sistema de medición Raman incorporando la tecnología de medición y evaluación desarrollada.