I ricercatori del National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) hanno sviluppato un simulatore di analisi dello stress tridimensionale per dispositivi ultra-piccoli in silicio (Si). La tecnologia di simulazione sviluppata consente l'analisi della distribuzione dello stress meccanico (o deformazione meccanica) applicata a dispositivi in ​​Si ultra-piccoli con una risoluzione spaziale a livello nanometrico calcolando la modulazione della distribuzione dell'intensità luminosa causata dalla struttura del dispositivo nel micro -Misurazione spettroscopica Raman mediante microscopio ottico.

Si prevede che la tecnologia contribuirà a migliorare la velocità e ridurre il consumo energetico dei dispositivi LSI all'avanguardia, in particolare dispositivi FinFET tridimensionali che verranno adottati al nodo tecnologico a 22 nm.

Nel campo dei dispositivi avanzati a semiconduttore, maggiore velocità e prestazioni più elevate sono state realizzate applicando intenzionalmente stress alle regioni del canale, in cui scorrono portatori come elettroni e lacune, per aumentare la mobilità dei vettori. Se, però, c'è qualche fluttuazione nello stress, le prestazioni dei transistor oscillano, rendendo difficile ridurre sufficientemente la tensione di esercizio e, di conseguenza, rendendo impossibile ridurre il consumo di energia. Questo è il motivo per cui è necessario sopprimere la fluttuazione dello stress al fine di ridurre il consumo energetico di tali dispositivi. Contro questo sfondo, è necessario un metodo per valutare la distribuzione dello stress in un dispositivo con un'elevata risoluzione spaziale al fine di valutare l'influenza dello stress sulle prestazioni del dispositivo, chiarire la relazione tra la struttura del dispositivo e lo stress e, così, per riflettere tali informazioni nei progetti strutturali dei dispositivi e nei processi di produzione.

Nel Progetto MIRAI, L'AIST ha condotto la ricerca e lo sviluppo di una tecnologia di misurazione per la distribuzione delle sollecitazioni locali nei dispositivi Si utilizzando la spettroscopia micro-Raman. Ha raggiunto una risoluzione spaziale di prim'ordine in una tecnologia di analisi della distribuzione delle sollecitazioni utilizzando la spettroscopia Raman. Per esempio, ha sviluppato una tecnologia di valutazione per la distribuzione delle sollecitazioni locali con una risoluzione spaziale di 100 nm o meno, che è più corta della lunghezza d'onda della luce. Durante la ricerca e lo sviluppo, si è scoperto che la distribuzione dell'intensità della luce in un dispositivo ultra-piccolo era fortemente modulata su scala nanometrica e quindi lo spettro Raman era fortemente influenzato. Nella presente ricerca, è stato sviluppato un metodo in grado di valutare la distribuzione quantitativa delle sollecitazioni su scala nanometrica basata sull'analisi mediante spettroscopia Raman che riflette l'effetto della modulazione della luce, che viene calcolato con una tecnologia di simulazione che integra l'analisi del campo elettromagnetico e l'analisi delle sollecitazioni, abbinato alla tecnologia CAD.

La spettroscopia Micro-Raman consente la misurazione dello stress non distruttivo utilizzando un fenomeno per cui, quando la luce di eccitazione incidente su un campione viene dispersa, la lunghezza d'onda della luce diffusa si sposta riflettendo i livelli di energia delle vibrazioni del reticolo ecc. Pertanto, La spettroscopia micro-Raman è considerata un metodo promettente per valutare la distribuzione dello stress. A seconda dell'intensità e della direzione della sollecitazione applicata su un campione, lo spostamento della lunghezza d'onda della luce di dispersione Raman (spostamento Raman, che normalmente è espresso in numero d'onda) varia. Di conseguenza, è possibile stimare qualitativamente lo stress misurando la variazione di Raman shift. Però, perché si usa un microscopio ottico, la risoluzione spaziale è limitata alla lunghezza d'onda della luce (da alcune centinaia di nanometri a un micrometro). Inoltre, poiché lo stress è una grandezza fisica costituita da sei componenti indipendenti, valutazione quantitativa dello stress, compresa la sua direzione e tipo, è difficile solo con la misurazione Raman. Una soluzione convenzionale a questo problema è stata quella di valutare la distribuzione delle sollecitazioni confrontando i risultati delle simulazioni delle sollecitazioni e delle misurazioni micro-Raman. Nelle misurazioni di dispositivi ultra-piccoli, però, la loro struttura del dispositivo modula in modo complesso la propagazione della luce su scala nanometrica, causando una grande influenza sullo spettro Raman misurato, E conseguentemente, rendendo impossibile eseguire un'accurata analisi delle sollecitazioni.

Il sistema di simulazione sviluppato ha combinato il calcolo della propagazione della luce di eccitazione e della luce di dispersione in una misurazione Raman mediante simulazione elettromagnetica utilizzando il metodo delle differenze finite nel dominio del tempo (FDTD) e l'analisi delle sollecitazioni mediante il metodo degli elementi finiti (FEM). Ciò consente un calcolo accurato dello spettro Raman che riflette l'effetto di modulazione su scala nanometrica nella distribuzione dell'intensità della luce a causa della struttura del dispositivo, e un calcolo quantitativo della distribuzione delle sollecitazioni nel dispositivo.

La Figura 1 mostra un diagramma di flusso del simulatore di analisi delle sollecitazioni tridimensionale sviluppato. La struttura complessiva è composta da 1) la struttura e l'unità di lettura delle sollecitazioni (calcola la distribuzione delle sollecitazioni in base al metodo FEM); 2) l'unità di analisi tridimensionale FDTD (calcola la distribuzione dell'intensità della luce di eccitazione); 3) l'unità di analisi Raman shift (calcola la lunghezza d'onda della luce Raman diffusa da diversi punti su un campione in base alla distribuzione delle sollecitazioni); 4) l'unità di analisi tridimensionale FDTD (calcola la diffusione della luce Raman dal campione); e 5) l'unità di analisi dello spettro Raman (calcola gli spettri Raman nelle regioni di lunghezza d'onda effettivamente misurate). I risultati dell'analisi sono visualizzati da un visualizzatore tridimensionale. La Figura 2 (a) mostra la distribuzione delle sollecitazioni di FinFET e la distribuzione dell'intensità della luce di eccitazione calcolata con il simulatore sviluppato. Un canale Si formato su uno strato di biossido di silicio (SiO2) è sottoposto a sollecitazione di una lega silicio-germanio (SiGe) ad entrambe le estremità. La distribuzione dell'intensità della luce di eccitazione è modulata dalla struttura del campione; l'intensità della luce di eccitazione vicino al bordo del canale è particolarmente forte, quindi la luce di dispersione dall'area vicino al bordo contribuisce in modo significativo alla luce di dispersione Raman misurata. La luce di eccitazione viene diffratta e illumina la parete laterale. La Figura 2 (b) mostra la luce di dispersione Raman di ciascuna lunghezza d'onda dal canale Si. Poiché l'intensità dello stress varia a seconda della posizione, la luce di diffusione Raman viene di conseguenza emessa a diverse lunghezze d'onda. La Figura 2(c) mostra lo spettro di ciascuna luce di dispersione Raman ottenuta dall'analisi e quegli spettri sono stati combinati per formare uno spettro Raman. Questo spettro combinato corrisponde allo spettro Raman effettivamente misurato. L'analisi delle sollecitazioni viene regolata fino a quando la differenza dallo spettro misurato scompare, e quindi, il valore finale della sollecitazione viene determinato con la simulazione.

La risoluzione spaziale della spettroscopia micro-Raman è generalmente limitata alla lunghezza d'onda della luce di eccitazione (da diverse centinaia di nanometri a un micrometro). D'altra parte, il sistema sviluppato, che effettua accurate simulazioni Raman, è in grado di stimare e valutare la distribuzione delle sollecitazioni con una risoluzione spaziale su scala nanometrica.

I ricercatori mirano a dare ulteriori contributi alla società, come la commercializzazione del sistema di misurazione Raman che incorpora la tecnologia di misurazione e valutazione sviluppata.