p Os pesquisadores do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada (AIST) desenvolveram um simulador de análise de tensão tridimensional para dispositivos ultrapequenos de silício (Si). A tecnologia de simulação desenvolvida permite a análise da distribuição da tensão mecânica (ou deformação mecânica) aplicada a dispositivos ultra-pequenos de Si com resolução espacial no nível nanométrico, calculando a modulação da distribuição da intensidade da luz causada pela estrutura do dispositivo no micro -Medição de espectroscopia de Raman usando um microscópio óptico. p Espera-se que a tecnologia contribua para melhorar a velocidade e reduzir o consumo de energia de dispositivos LSI de ponta, particularmente dispositivos FinFET tridimensionais que serão adotados no nó de tecnologia de 22 nm.

p No campo de dispositivos semicondutores avançados, velocidade e desempenho mais altos foram obtidos aplicando-se intencionalmente estresse às regiões do canal, em que portadores, como elétrons e lacunas fluem, para aumentar a mobilidade da operadora. Se, Contudo, existe alguma flutuação no estresse, o desempenho dos transistores flutua, tornando difícil reduzir suficientemente a tensão de operação e, consequentemente, tornando impossível reduzir o consumo de energia. É por isso que é necessário suprimir a flutuação do estresse para diminuir o consumo de energia desses dispositivos. Neste contexto, um método para avaliar a distribuição de tensão em um dispositivo com uma alta resolução espacial é necessário, a fim de avaliar a influência da tensão no desempenho do dispositivo, para esclarecer a relação entre a estrutura do dispositivo e o estresse e, portanto, para refletir essas informações em projetos estruturais de dispositivos e processos de produção.

p No Projeto MIRAI, A AIST conduziu a pesquisa e o desenvolvimento de uma tecnologia de medição para distribuição local de tensões em dispositivos de Si usando espectroscopia micro-Raman. Ele alcançou resolução espacial de classe mundial em uma tecnologia de análise de distribuição de tensão usando espectroscopia Raman. Por exemplo, desenvolveu uma tecnologia de avaliação para distribuição local de tensões em uma resolução espacial de 100 nm ou menos, que é mais curto do que o comprimento de onda da luz. Durante a pesquisa e desenvolvimento, foi descoberto que a distribuição da intensidade da luz em um dispositivo ultrapequeno foi fortemente modulada na escala nanométrica e, portanto, o espectro Raman foi fortemente influenciado. Na presente pesquisa, um método capaz de avaliar a distribuição quantitativa de tensões na escala nanométrica foi desenvolvido com base na análise por espectroscopia Raman refletindo o efeito da modulação da luz, que é calculado com uma tecnologia de simulação que integra análise de campo eletromagnético e análise de tensão, combinado com a tecnologia CAD.

p A espectroscopia Micro-Raman permite a medição de tensão não destrutiva utilizando um fenômeno pelo qual, quando a luz de excitação incidente em uma amostra é espalhada, o comprimento de onda da luz espalhada muda refletindo os níveis de energia das vibrações da rede, etc. Assim, A espectroscopia micro-Raman é considerada um método promissor para avaliar a distribuição de tensões. Dependendo da intensidade e direção da tensão aplicada em uma amostra, a mudança do comprimento de onda da luz de espalhamento de Raman (mudança de Raman, que normalmente é expresso em número de onda) varia. De acordo, é possível estimar qualitativamente a tensão medindo a variação do deslocamento Raman. Contudo, porque um microscópio óptico é usado, a resolução espacial é limitada ao comprimento de onda da luz (de várias centenas de nanômetros a um micrômetro). Além disso, como o estresse é uma quantidade física que consiste em seis componentes independentes, avaliação quantitativa do estresse, incluindo sua direção e tipo, é difícil apenas com a medição Raman. Uma solução convencional para este problema tem sido avaliar a distribuição de tensões comparando os resultados de simulações de tensões e medições micro-Raman. Em medições de dispositivos ultrapequenos, Contudo, a estrutura do dispositivo modula complexamente a propagação da luz na escala nanométrica, causando uma grande influência sobre o espectro Raman medido, e consequentemente, tornando impossível realizar uma análise de tensão precisa.

p O sistema de simulação desenvolvido combinou o cálculo da propagação da luz de excitação e espalhamento de luz em uma medição Raman por simulação eletromagnética usando o método de diferença finita no domínio do tempo (FDTD) e análise de tensão pelo método de elementos finitos (FEM). Isso permite um cálculo preciso do espectro Raman refletindo o efeito de modulação da escala nanométrica na distribuição da intensidade da luz devido à estrutura do dispositivo, e um cálculo quantitativo da distribuição de tensões no dispositivo.

p A Figura 1 mostra um fluxograma do simulador de análise de tensão tridimensional desenvolvido. A estrutura geral consiste em 1) a estrutura e a unidade de leitura de tensões (calcula a distribuição de tensões com base no método FEM); 2) a unidade de análise FDTD tridimensional (calcula a distribuição da intensidade da luz de excitação); 3) a unidade de análise de deslocamento Raman (calcula o comprimento de onda da luz de espalhamento Raman de diferentes pontos em uma amostra com base na distribuição de tensão); 4) a unidade de análise FDTD tridimensional (calcula a luz de espalhamento Raman da amostra); e 5) a unidade de análise de espectro Raman (calcula espectros Raman em regiões de comprimento de onda realmente medidas). Os resultados da análise são visualizados por um visualizador tridimensional. A Figura 2 (a) mostra a distribuição de tensões do FinFET e a distribuição da intensidade da luz de excitação calculada com o simulador desenvolvido. Um canal de Si formado em uma camada de dióxido de silício (SiO2) está sob tensão de uma liga de silício-germânio (SiGe) em ambas as extremidades. A distribuição da intensidade da luz de excitação é modulada pela estrutura da amostra; a intensidade da luz de excitação perto da borda do canal é especialmente forte, portanto, a dispersão de luz da área próxima à borda contribui significativamente para a dispersão de luz Raman medida. A luz de excitação é difratada e ilumina a parede lateral. A Figura 2 (b) mostra a luz de espalhamento Raman de cada comprimento de onda do canal de Si. Como a intensidade do estresse varia dependendo da localização, a luz de espalhamento Raman é consequentemente emitida em diferentes comprimentos de onda. A Figura 2 (c) mostra o espectro de cada luz de espalhamento Raman obtida a partir da análise e esses espectros foram combinados para formar um espectro Raman. Este espectro combinado corresponde ao espectro Raman realmente medido. A análise de tensão é ajustada até que a diferença do espectro medido desapareça, e assim, o valor final da tensão é determinado com a simulação.

p A resolução espacial da espectroscopia micro-Raman é geralmente limitada ao comprimento de onda da luz de excitação (de várias centenas de nanômetros a um micrômetro). Por outro lado, o sistema desenvolvido, que faz simulações Raman precisas, é capaz de estimar e avaliar a distribuição de tensões com resolução espacial na escala nanométrica.

p Os pesquisadores pretendem fazer mais contribuições para a sociedade, como a comercialização do sistema de medição Raman incorporando a tecnologia de medição e avaliação desenvolvida.