Schéma de principe de la technologie de simulation développée.
Les chercheurs de l'Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST) ont mis au point un simulateur d'analyse des contraintes en trois dimensions pour les dispositifs ultra-petits en silicium (Si). La technologie de simulation développée permet l'analyse de la distribution de la contrainte mécanique (ou déformation mécanique) appliquée aux dispositifs Si ultra-petits avec une résolution spatiale au niveau du nanomètre en calculant la modulation de la distribution d'intensité lumineuse causée par la structure du dispositif dans le micro -Mesure par spectroscopie Raman à l'aide d'un microscope optique.
La technologie devrait contribuer à améliorer la vitesse et à réduire la consommation d'énergie des appareils LSI de pointe, en particulier les dispositifs FinFET tridimensionnels qui seront adoptés au nœud technologique 22 nm.
Dans le domaine des dispositifs semi-conducteurs avancés, une vitesse plus élevée et des performances plus élevées ont été obtenues en appliquant intentionnellement une contrainte aux régions de canal, dans lequel circulent des porteurs tels que des électrons et des trous, pour augmenter la mobilité des transporteurs. Si, cependant, il y a une fluctuation du stress, les performances des transistors fluctuent, rendant difficile la réduction suffisante de la tension de fonctionnement et, par conséquent, rendant impossible la réduction de la consommation électrique. C'est pourquoi il est nécessaire de supprimer la fluctuation des contraintes afin de diminuer la consommation électrique de ces appareils. Dans ce contexte, une méthode d'évaluation de la répartition des contraintes dans un dispositif avec une résolution spatiale élevée est nécessaire afin d'évaluer l'influence de la contrainte sur les performances du dispositif, clarifier la relation entre la structure du dispositif et la contrainte et, Donc, pour refléter ces informations dans les conceptions structurelles des dispositifs et les processus de production.
Figure 1 :Organigramme du simulateur d'analyse de contraintes tridimensionnel développé.
Dans le projet MIRAI, L'AIST a mené la recherche et le développement d'une technologie de mesure de la distribution locale des contraintes dans les dispositifs Si à l'aide de la spectroscopie micro-Raman. Il a atteint une résolution spatiale de classe mondiale dans une technologie d'analyse de la distribution des contraintes utilisant la spectroscopie Raman. Par exemple, il a développé une technologie d'évaluation pour la distribution des contraintes locales à une résolution spatiale de 100 nm ou moins, qui est plus courte que la longueur d'onde de la lumière. Au cours de la recherche et du développement, il a été constaté que la distribution de l'intensité lumineuse dans un appareil ultra-petit était fortement modulée à l'échelle nanométrique et que le spectre Raman était donc fortement influencé. Dans la présente recherche, une méthode capable d'évaluer la distribution quantitative des contraintes à l'échelle nanométrique a été développée sur la base d'une analyse par spectroscopie Raman reflétant l'effet de modulation de la lumière, qui est calculé avec une technologie de simulation intégrant l'analyse du champ électromagnétique et l'analyse des contraintes, combiné avec la technologie CAD.
La spectroscopie Micro-Raman permet une mesure de contrainte non destructive utilisant un phénomène par lequel, lorsque la lumière d'excitation incidente sur un échantillon est diffusée, la longueur d'onde de la lumière diffusée se déplace reflétant les niveaux d'énergie des vibrations du réseau, etc. Ainsi, la spectroscopie micro-Raman est considérée comme une méthode prometteuse pour évaluer la distribution des contraintes. Selon l'intensité et la direction de la contrainte appliquée sur un échantillon, le décalage de longueur d'onde de la lumière de diffusion Raman (décalage Raman, qui est normalement exprimé en nombre d'onde) varie. Par conséquent, il est possible d'estimer qualitativement le stress en mesurant la variation du décalage Raman. Cependant, parce qu'un microscope optique est utilisé, la résolution spatiale est limitée à la longueur d'onde de la lumière (de plusieurs centaines de nanomètres à un micromètre). En outre, comme la contrainte est une quantité physique constituée de six composants indépendants, évaluation quantitative du stress, y compris sa direction et son type, n'est difficile qu'avec la mesure Raman. Une solution conventionnelle à ce problème a été d'évaluer la distribution des contraintes en comparant les résultats de simulations de contraintes et de mesures micro-Raman. Dans les mesures d'appareils ultra-petits, cependant, leur structure de dispositif module de manière complexe la propagation de la lumière à l'échelle nanométrique, provoquant une grande influence sur le spectre Raman mesuré, et par conséquent, rendant impossible une analyse précise des contraintes.
(Figure 2 : (a) Distribution des contraintes de la structure FinFET et distribution de l'intensité de la lumière d'excitation calculée par le système développé ; (b) Lumière de diffusion Raman de chaque longueur d'onde de la paroi latérale ; et (c) Spectre de chaque lumière de diffusion obtenu à partir du l'analyse et le spectre Raman combiné.
Le système de simulation développé combinait le calcul de la propagation de la lumière d'excitation et de la lumière diffusée dans une mesure Raman par simulation électromagnétique en utilisant la méthode du domaine temporel des différences finies (FDTD) et l'analyse des contraintes par la méthode des éléments finis (FEM). Cela permet un calcul précis du spectre Raman reflétant l'effet de modulation à l'échelle nanométrique dans la distribution d'intensité lumineuse en raison de la structure du dispositif, et un calcul quantitatif de la distribution des contraintes dans le dispositif.
La figure 1 montre un organigramme du simulateur d'analyse des contraintes tridimensionnel développé. La structure globale comprend 1) la structure et l'unité de lecture des contraintes (calcule la distribution des contraintes sur la base de la méthode FEM) ; 2) l'unité d'analyse FDTD tridimensionnelle (calcule la distribution d'intensité de la lumière d'excitation); 3) l'unité d'analyse de décalage Raman (calcule la longueur d'onde de la lumière de diffusion Raman à partir de différents points sur un échantillon en fonction de la distribution des contraintes) ; 4) l'unité d'analyse FDTD tridimensionnelle (calcule la lumière de diffusion Raman à partir de l'échantillon); et 5) l'unité d'analyse du spectre Raman (calcule les spectres Raman dans les régions de longueur d'onde réellement mesurées). Les résultats de l'analyse sont visualisés par un visualiseur tridimensionnel. La figure 2 (a) montre la distribution des contraintes du FinFET et la distribution de l'intensité de la lumière d'excitation calculée avec le simulateur développé. Un canal de Si formé sur une couche de dioxyde de silicium (SiO2) est sous contrainte d'un alliage silicium-germanium (SiGe) aux deux extrémités. La distribution d'intensité de la lumière d'excitation est modulée par la structure de l'échantillon; l'intensité de la lumière d'excitation à proximité du bord du canal est particulièrement forte, ainsi, la lumière de diffusion de la zone proche du bord contribue de manière significative à la lumière de diffusion Raman mesurée. La lumière d'excitation est diffractée et illumine la paroi latérale. La figure 2(b) montre la lumière de diffusion Raman de chaque longueur d'onde du canal Si. Comme l'intensité du stress varie en fonction de l'emplacement, la lumière de diffusion Raman est donc émise à différentes longueurs d'onde. La figure 2(c) montre le spectre de chaque lumière de diffusion Raman obtenu à partir de l'analyse et ces spectres ont été combinés pour former un spectre Raman. Ce spectre combiné correspond au spectre Raman réellement mesuré. L'analyse des contraintes est ajustée jusqu'à ce que la différence avec le spectre mesuré disparaisse, Et ainsi, la valeur finale de la contrainte est déterminée avec la simulation.
La résolution spatiale de la spectroscopie micro-Raman est généralement limitée à la longueur d'onde de la lumière d'excitation (de plusieurs centaines de nanomètres à un micromètre). D'autre part, le système développé, qui fait des simulations Raman précises, est capable d'estimer et d'évaluer la distribution des contraintes avec une résolution spatiale à l'échelle nanométrique.
Les chercheurs visent à apporter de nouvelles contributions à la société, comme la commercialisation du système de mesure Raman incorporant la technologie de mesure et d'évaluation développée.
