Forskare från National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) har utvecklat en tredimensionell spänningsanalyssimulator för ultrasmå kiselenheter (Si). Den utvecklade simuleringstekniken möjliggör analys av fördelningen av den mekaniska spänningen (eller mekanisk belastning) som appliceras på ultrasmå Si-enheter med en rumslig upplösning på nanometernivå genom att beräkna moduleringen av ljusintensitetsfördelningen som orsakas av enhetens struktur i mikron. -Raman-spektroskopimätning med ett optiskt mikroskop.

Tekniken förväntas bidra till att förbättra hastigheten och minska strömförbrukningen för avancerade LSI-enheter, särskilt tredimensionella FinFET-enheter som kommer att användas vid 22 nm teknologinoden.

Inom området avancerade halvledarenheter, högre hastighet och högre prestanda har uppnåtts genom att avsiktligt applicera stress på kanalregioner, i vilka bärare som elektroner och hål flyter, för att öka transportörernas rörlighet. Om, dock, det finns några fluktuationer i stressen, prestandan hos transistorer fluktuerar, gör det svårt att tillräckligt sänka driftspänningen och, följaktligen, vilket gör det omöjligt att minska strömförbrukningen. Det är därför det är nödvändigt att undertrycka fluktuationer i stressen för att sänka strömförbrukningen för dessa enheter. Mot denna bakgrund, en metod för att utvärdera spänningsfördelningen i en enhet med hög rumslig upplösning behövs för att bedöma påverkan av spänningen på enhetens prestanda, för att klargöra förhållandet mellan enhetens struktur och spänningen och, Således, att återspegla sådan information i enhetskonstruktioner och produktionsprocesser.

I MIRAI-projektet, AIST genomförde forskning och utveckling av en mätteknik för lokal spänningsfördelning i Si-enheter med hjälp av mikro-Raman-spektroskopi. Den har uppnått rumslig upplösning i världsklass i en spänningsfördelningsanalysteknik med Raman-spektroskopi. Till exempel, den har utvecklat en utvärderingsteknik för lokal spänningsfördelning vid en rumslig upplösning på 100 nm eller mindre, som är kortare än ljusets våglängd. Under forskning och utveckling, det visade sig att ljusintensitetsfördelningen i en ultraliten enhet var starkt modulerad i nanometerskalan och därmed påverkades Ramanspektrumet kraftigt. I den aktuella forskningen, en metod som kan utvärdera kvantitativ spänningsfördelning i nanometerskalan har utvecklats baserat på analys av Raman-spektroskopi som reflekterar effekten av ljusmodulering, som beräknas med en simuleringsteknik som integrerar elektromagnetisk fältanalys och spänningsanalys, kombinerat med teknologi CAD.

Mikro-Raman-spektroskopi möjliggör oförstörande spänningsmätning med användning av ett fenomen där, när excitationsljus som infaller på ett prov sprids, våglängden för det spridda ljuset skiftar och reflekterar energinivåer av gittervibrationer etc. Alltså, mikro-Raman-spektroskopi anses vara en lovande metod för att utvärdera spänningsfördelning. Beroende på intensiteten och riktningen av den påkänning som appliceras på ett prov, våglängdsförskjutningen av Raman-spridande ljus (Ramanskifte, som normalt uttrycks i vågnummer) varierar. Följaktligen, det är möjligt att kvalitativt uppskatta stress genom att mäta variationen av Ramanskifte. Dock, eftersom ett optiskt mikroskop används, den rumsliga upplösningen är begränsad till ljusets våglängd (från flera hundra nanometer till en mikrometer). Dessutom, eftersom stress är en fysisk storhet som består av sex oberoende komponenter, kvantitativ utvärdering av stress, inklusive dess riktning och typ, är svårt bara med Raman-mätningen. En konventionell lösning på detta problem har varit att utvärdera spänningsfördelningen genom att jämföra resultaten av spänningssimuleringar och mikro-Raman-mätningar. Vid mätningar av ultrasmå enheter, dock, deras enhetsstruktur modulerar komplext ljusutbredning i nanometerskalan, orsakar ett stort inflytande över det uppmätta Raman-spektrumet, och följaktligen, gör det omöjligt att utföra exakt stressanalys.

Det utvecklade simuleringssystemet kombinerade beräkningen av utbredningen av excitationsljus och spridningsljus i en Raman-mätning genom elektromagnetisk simulering med användning av finita-differens-tidsdomänmetoden (FDTD) och spänningsanalys med finita elementmetoden (FEM). Detta möjliggör en noggrann beräkning av Raman-spektrumet som reflekterar nanometerskalamoduleringseffekten i ljusintensitetsfördelning på grund av enhetens struktur, och en kvantitativ beräkning av spänningsfördelningen i anordningen.

Figur 1 visar ett flödesschema över den utvecklade tredimensionella spänningsanalyssimulatorn. Den övergripande strukturen består av 1) strukturen och spänningsavläsningsenheten (beräknar spänningsfördelningen baserat på FEM-metoden); 2) den tredimensionella FDTD-analysenheten (beräknar intensitetsfördelningen av excitationsljus); 3) Raman-skiftanalysenheten (beräknar våglängden för Raman-spridningsljus från olika punkter på ett prov baserat på spänningsfördelning); 4) den tredimensionella FDTD-analysenheten (beräknar Raman-spridningsljus från provet); och 5) Ramanspektrumanalysenheten (beräknar Ramanspektra i våglängdsområden som faktiskt uppmäts). Analysresultaten visualiseras av en tredimensionell betraktare. Figur 2(a) visar spänningsfördelningen för FinFET och intensitetsfördelningen av excitationsljus beräknad med den utvecklade simulatorn. En Si-kanal bildad på ett kiseldioxidskikt (SiO2) är under påfrestning av en kisel-germaniumlegering (SiGe) i båda ändar. Intensitetsfördelningen av excitationsljus moduleras av provstrukturen; intensiteten av excitationsljus nära kanalkanten är särskilt stark, så spridningsljuset från området nära kanten bidrar väsentligt till det uppmätta Raman-spridningsljuset. Excitationsljuset diffrakteras och lyser upp sidoväggen. Figur 2(b) visar Raman-spridningsljuset för varje våglängd från Si-kanalen. Eftersom stressintensiteten varierar beroende på platsen, Raman-spridningsljuset emitteras följaktligen vid olika våglängder. Figur 2(c) visar spektrumet för varje Raman-spridningsljus som erhållits från analysen och dessa spektra kombinerades för att bilda ett Raman-spektrum. Detta kombinerade spektrum motsvarar det faktiskt uppmätta Raman-spektrumet. Spänningsanalysen justeras tills skillnaden från det uppmätta spektrumet försvinner, och sålunda, det slutliga värdet på spänningen bestäms med simuleringen.

Den rumsliga upplösningen av mikro-Raman-spektroskopi är i allmänhet begränsad till våglängden för excitationsljus (från flera hundra nanometer till en mikrometer). Å andra sidan, det utvecklade systemet, som gör exakta Raman-simuleringar, är kapabel att uppskatta och utvärdera spänningsfördelning med en rumslig upplösning i nanometerskalan.

Forskarna vill ge ytterligare bidrag till samhället, som kommersialisering av Raman-mätsystemet med den utvecklade mät- och utvärderingstekniken.