2D Core Process Simulator

SSuprem 4는 반도체 업계에서 다양한 제조 기술의 설계, 분석, 최적화에 폭넓게 사용하는 2D 공정 시뮬레이터입니다. SSuprem 4는 확산, 이온 주입, 산화, 식각, 증착, 규소화, 에피택시, 스트레스 형성에 광범위한 물리 모델을 사용하여, 현대 기술의 모든 주요 공정 단계를 정확하게 시뮬레이션합니다. Athena 프레임워크 내에서, SSuprem 4는 리소그래피에 쓰이는 Optolith, 물리적인 식각 및 증착에 쓰이는 Elite, 고급 몬테 카를로 이온 주입에 쓰이는 MCImplant와 완벽하게 통합됩니다.

고급 반도체 공정 시뮬레이션 솔루션

  • CMOS, 바이폴라, 광전자, 전력 소자 기술에서 사용하는 모든 주요 공정 단계를 빠르고 정확하게 시뮬레이션합니다.
  • 실리콘 외에 SiGe/SiGeC, SiC, GaAs, InP, AlGaAs, InGaAs 등의 고급 반도체 기술을 시뮬레이션합니다.
  • 소자의 기하학적 구조, 불순물 분포, 스트레스 등을 정확하게 예측하여, 비용이 많이 드는 실험을 대폭 줄이거나 생략할 수 있습니다.
  • 표준 분리 공정 LOCOS, 현대 분리 공정 SWAMI, deep/shallow 트렌치 분리를 분석하여 최적화합니다.
  • 저에너지의 얕은(shallow) 접합 주입, 고급 접합 형성에 필요한 고각(high angle) 주입, 역행 우물을 깊이 형성하는데 필요한 고에너지 주입 등 다양한 소자 제조 단계에서 이온 주입 공정을 분석하여, 세밀하게 조정합니다.
  • 불순물 확산 모델 체계는 벌크 및 물질 표면 근처에서의 불순물 동작을 정확하게 예측합니다.
  • 과도 촉진 확산(transient enhanced diffusion), 산화/규소화 촉진 확산, 과도 활성화, 점 결함(point defect), 클러스터 형성/재결합, 물질 경계에서의 불순물 격리 및 이동 등의 다양한 확산 효과를 고려합니다.
  • 소자의 다양한 구조에 대해 기하학적인 식각과 등각 증착을 시뮬레이션하고 분석합니다.
  • Optolith 리소그래피 시뮬레이터 및 Elite 식각/증착 시뮬레이터와 유연한 인터페이스로, 물리적인 공정에서의 사실적인 토폴로지를 분석할 수 있습니다.
  • Atlas와 자동 연계되어, 후속 소자 시뮬레이션을 수행합니다.

 


 

완벽한 소자 제조

SSuprem 4는 실리콘 IV-IV, III-V 소자 기술에 모두 적용할 수 있습니다. SSuprem 4의 포괄적인 기능은 강력한 산화 모델, 포괄적인 주입 모델, 확산 모델 체계 및 범용 증착/식각 모델을 포함하며, 복잡한 구조를 시뮬레이션할 수 있습니다. 표준적인 MOS, 바이폴라 트랜지스터 외에, FLASH EEPROM 셀, 고급 구조 CCD, HEMT, HBT, MESFET 및 모든 유형의 전력 소자를 모델링할 수 있습니다. SSuprem 4에서 생성한 모든 구조는 전기적인 분석을 위해 실바코의 소자 시뮬레이터로 원활하게 전달됩니다.

 

MOSFET 소자


규소화 컨택, halo 주입, 얕은 접합을 이용한 90nm CMOS 공정의 Athena 시뮬레이션.

 

바이폴라 소자

위 그림은 SSuprem 4에서 생성한 폴리실리콘 에미터 바이폴라 트랜지스터를 나타냅니다. 이러한 소자를 만들 때, 베이스 폭을 정확하게 제어하는 것이 중요합니다. SSuprem 4의 고급 확산 모델은 에미터 밀침(push)같은 공동-확산 효과를 시뮬레이션할 수 있습니다.


 

전력 소자

소자의 기하학적 구조는 전력 소자 공정에서 더 크지만, 최종 트랜지스터 구조는 종종 2D로 표현됩니다. 위 예는 자체 정렬(self-aligned) 소스 컨택 공정을 갖는 전력 DMOS 트랜지스터입니다.


 

CCD 소자

고급 CCD 구조의 경우, 렌즈 모양 구조를 사용하여 해상도를 증가시킵니다. 위 구조에서 시뮬레이션 속도를 증가시키기 위해 대칭을 사용하였습니다. 구조의 일부분만 시뮬레이션한 후, 여러 번 반영하여 소자의 전자적인 분석에 사용되는 반복적인 게이트 구조를 생성합니다.


 

EPROM 소자

위 그림은 매립형 비트-라인 EPROM 셀을 나타냅니다. 폴리실리콘 산화 모델에 의해, 폴리실리콘 플로팅 게이트의 들뜸과 inter-poly ONO 구조의 스트레스처럼 중요한 EPROM 효과를 정확하게 시뮬레이션합니다.


 

UMOS 소자

위 그림은 UMOS 소자를 나타냅니다. 이 소자는 둥근 트렌치 형태의 폴리실리콘 게이트를 갖습니다. 소자 시뮬레이션을 정확하게 하기 위해, 게이트를 따라 아주 세밀한 등각 그리드를 갖는 것이 극히 중요합니다. 확대 그림은 게이트 바닥을 감싸고 있는 도핑과 그리드를 나타냅니다.


 

MESFET 소자

위 그림은 GaAs MESFET 소자 구조의 시뮬레이션을 나타냅니다. Be과 Si을 100keV로 소량 주입하여, 게이트 영역의 도핑을 형성합니다. Si을 50keV로 다량 주입하고, 이후 850°C에서 어닐링하여 소스/드레인 영역을 형성합니다.


 

MaskViews 인터페이스를 이용한 래치 구조 시뮬레이션

SSuprem 4/Athena 인터페이스는 MaskViews 레이아웃 에디터를 접목하여, 일련의 특정 마스크 동작이 필요한 복잡한 공정을 시뮬레이션할 수 있습니다. 이것은 소자 시뮬레이션에 필요한 전극 설정과 그리드 생성을 자동으로 수행합니다.

 

MaskViews 레이아웃

기생 NPNP 구조에 대한 MaskViews 레이아웃. 네 개의 전극 사양 (pwell, vss, vdd, nwell) 외에, N-Well/P-Well 영역, P+/N+ 이온 주입, 금속 컨택 레이어 MET을 포함합니다.


 

래치업 구조

기생 NPNP 구조의 도핑 분포 및 전극. CMOS 래치업의 Atlas 과도 시뮬레이션에 사용합니다.


 

고급 확산 시뮬레이션

낮은 열 처리량 (thermal budget) 공정과 극히 얕은(ultra-shallow) 접합은 90nm 이하 기술 노드에 핵심적인 제조 이슈입니다. SSuprem 4는 점 결함 및 결함 클러스터 생성과 재결합 등의 고급 확산 모델을 이용하여, 후속 급속 열 처리(RTA) 또는 초저온 노 처리(furnace annealing)로 저에너지 주입을 정확하게 시뮬레이션할 수 있습니다.

 

저온 과도 촉진 확산

20keV에서 이온을 1.0x1014cm-2 주입한 후, 800℃에서 35분간 진행한 붕소(B) 확산 시뮬레이션 (S.Solmi 외 실험). 불순물-결함의 혼합 클러스터가 형성되어, 고체 용해도 아래에서도 불순물의 상당 부분이 비활성 상태에 있습니다. Athena는 정교한 BIC(Boron Interstitial Cluster) 모델을 포함하여, 정확하게 이 효과를 예측합니다.

 

RTA 확산

2keV에서 이온을 1.0x1014cm-2 주입한 후, 1000℃에서 10초간 진행한 붕소(B) 확산 시뮬레이션(B. Colombeau의 박사 논문 실험). 표면에서의 강력한 결함 재결합과 다양한 쌍 및 결함 클러스터의 생성/재조합 등의 경합 현상을 고려해야 하므로, 이러한 유형의 시뮬레이션은 대단히 어렵습니다. 하지만, Athena의 고급 확산 모델은 실험 프로파일에 상당한 일치를 보여줍니다.

 

산화 및 규소화 시뮬레이션

다양한 공정 단계는 표면 반응 및 물질 변형을 수반하여, 경계면 이동, 부피 변화, 스트레스 형성을 초래합니다. SSuprem 4는 가장 중요한 두 가지 공정-산화 및 규소화-을 시뮬레이션합니다. 식각/증착과 함께 복합적인 부분 산화를 이용하여, 첨단 분리 구조를 제시합니다. 컨택 및 인터커넥트의 금속화를 위한 선호 물질로 규소 화합물을 고려합니다.

 

깊은 트렌치의 분리

위 구조는 산화로 주입된 부분이 있는 트렌치 산화를 나타냅니다. 산화 경계면에서 주입된 부분은 트렌치에 "갇혀 있는" 반면, 실리콘에 있는 부분은 트렌치 하단 주변에 흩어져서, 트렌치 왼쪽으로 확산에 영향을 미칩니다.


 

Poly-Buffered 분리

이 그림은 poly-buffered LOCOS 분리를 나타냅니다. 스트레스에 의한 폴리실리콘 층의 들뜸이 명확하게 표현됩니다.


 

얕은 트렌치 구조의 스트레스

스트레스와 관련된 신뢰성 및 오작동의 문제는 현대 반도체 기술에서 대단히 중요합니다. 위 그림은 산화하는 동안 얕은 트렌치의 모서리에서 발생한 스트레스를 나타냅니다.


 

자체 정렬 규소화

SSuprem 4는 규소 화합물 공정 시뮬레이션에 특별한 기능을 제공합니다. 규소 화합물 층에서 규소 화합물의 형성, 불순물의 재분포 및 확산을 2D로 모델링합니다. 위 그림은 자체 정렬 규소 화합물 (salicide) 공정의 최종 구조를 나타냅니다.


 

이온 주입 시뮬레이션

다양한 분석적 몬테 카를로 주입 모델을 통해 모든 현대 반도체 제조 기술에서 사용되는 이온 주입을 정확하게 시뮬레이션합니다.

 

이온 주입 각도를 크게 할 경우, 단순히 이온 빔의 방향을 바꾸어 2D 접합을 최적화할 수 있으므로 현대 CMOS 기술에서 많이 적용합니다. 하지만 다양한 영향을 고려해야 하므로, 이러한 주입을 예측하는 시뮬레이션은 대단히 어렵습니다. 여기에는 비평면 구조에서의 이온 음영 및 후방 산란, 비수직 결정 채널을 통과하는 상당한 채널링, 이러한 채널로 이온이 분산될 확률에 미치는 표면 산화물 두께의 특별한 효과가 포함됩니다. 이러한 영향의 대부분은 얕은 접합 형성에 사용하는 낮은 에너지(수 keV) 주입에서 확연히 나타납니다. 몬테 카를로 주입 모듈은 모든 채널링 및 토폴로지 효과를 정확하게 고려합니다. 위 예에서 2keV, 1013cm-2의 인(P)을 45°로 주입하였습니다.


 

6H-SiC에 대한 알루미늄 주입

30, 90, 195, 500, 1000 keV로 6H-SiC에 3.0x1013, 7.9x1013, 3.8x1014, 3.0 x1013 ions/cm2의 알루미늄을 주입한 몬테 카를로 시뮬레이션입니다. 채널링을 방지하기 위해 축에서 9° 벗어나 있습니다. SIMS 데이터는 다음을 참조하였습니다; Hernandez-Mangas, et.al. Journal of Applied Physics, v.91, pp.658--667, 2002.


 

산화물 두께가 붕소(B) 주입 프로파일에 미치는 영향

위 그림은 상이한 두께의 산화물에서 축을 중심으로 수행한 35keV, 1.0x1013ions/cm2 붕소 주입을 비교합니다. 오스틴의 텍사스 주립대학에서 제공한 표를 토대로, SVDP(SIMS-Verified Dual Pearson) 분석 모델을 사용합니다.


 

우물-근접 효과(WPE) 시뮬레이션

우물 근접 효과(Well Proximity Effect, 이하 WPE)는 우물 내의 트랜지스터 위치에 대한 문턱 전압의 강한 의존성을 나타냅니다. 포토레지스트 내에 흩어진 고에너지 이온에 의해 표면에 불균일한 도핑이 추가적으로 일어나서, 서로 다른 각도로 마스크 가장자리에서 보여집니다.

 

이 그림에서 MC Implant 모듈로 시뮬레이션한 2000개의 붕소 탄도 중 상당수가 포토레지스트가 아닌 PWELL의 여러 지점에 도달합니다. 이러한 탄도를 분석하여, 마스크의 두께와 기울기를 최적화할 수 있습니다.


 

마스크 가장자리가 경사진 경우, PWELL에서 붕소 주입 분포를 2D로 나타냅니다. 병렬 MC Implant 모듈을 이용하여, 300keV로 천만개의 붕소 탄도를 시뮬레이션하였습니다. 작은 그림은 PWELL 표면의 붕소 농도가 경사진 마스크에서 훨씬 낮음을 나타냅니다.


 

화합물 반도체 시뮬레이션

실리콘 기술 시뮬레이션에 사용되는 주입/확산 모델은 모두 화합물 반도체에 이용할 수 있습니다. 이는 분석적인 몬테 카를로 주입, 전기장 및 점 결함 효과, 물질 경계에서의 격리 및 이동 등을 포함합니다. Ge, C 성분이 붕소(B)에 미치는 영향, 격자 사이의 확산율, 진성 캐리어 농도 등 SiGe/SiGeC에서의 확산에 대해 다양한 특정 모델을 구현합니다.

불순물 공동 확산 효과

위 그림은 n-타입 도핑이 InP에서의 아연(Zn) 확산에 미치는 영향을 나타냅니다. III-V 화합물에서의 아연에 대한 주요 확산 메커니즘은 이중으로 전하를 띄게 된 격자간 쌍이라는 것이 밝혀졌습니다. 그러므로, Se (n-타입) 도핑 농도가 높으면 아연의 확산이 크게 느려집니다. 또한, n-타입/p-타입 분포가 pn접합 근처에서 서로 가까우면, 아연의 확산 프로파일은 급격히 떨어집니다.


 

SiGe에서의 붕소 확산

초기 도핑 농도 변화에 따른 붕소 프로파일의 비교; 850°C에서 12시간 동안 어닐링한 구조로서, Ge의 분포는 10%로 균일합니다. 시뮬레이션 결과에서 가장 두드러진 특징은 Si/SiGe 경계에서 붕소의 연쇄 충돌입니다. 이는 붕소가 SiGe보다 Si에서 보다 높은 활성화 에너지를 발생합니다.


 

물리적인 모델과 특징

확산

  • 불순물 확산은 점 결함 확산과 완벽하게 연결
  • 산화 촉진/지연 확산
  • 급속 열 처리 및 과도 촉진 확산(TED)
  • 고농도 효과
  • 주입으로 유발된 점 결함, 불순물-결함 클러스터, {311} 격자 클러스터에 의한 TED 효과
  • 결정립에 기초한 폴리실리콘 확산 모델
  • 과도 불순물 활성화 모델
  • SiGe/SiGeC에서 붕소 확산에 대해 Ge, C 성분을 설명하는 모델
  • 도너/액셉터 공동-확산 효과
  • 실리콘/산화물 경계에서의 불순물 손실에 대한 모델

 

주입

  • 실험적으로 검증한 피어슨, 듀얼 피어슨 주입 모델
  • 가우시안 분포가 아닌 깊이-의존형 측면 주입 분포 함수
  • 에너지, 주입량, 회전 및 산화물 두께의 변화로 확장된 주입 모멘트 표
  • 사용자-정의 또는 몬테 카를로 추출 주입 모멘트
  • MC Implant 모듈과 원활한 인터페이스로, 에너지, 주입량, 필드/회전의 변화에 대해 2D 주입 프로파일을 정확하게 시뮬레이션

규소화

  • 티타늄, 텅스텐, 코발트, 백금 규산물에 대한 모델
  • 실험적으로 검증된 성장율
  • 규화물/금속, 규화물/실리콘(폴리실리콘) 경계에 대한 반응 및 경계면의 움직임
  • 정확한 물질 소모 모델
  • 실리콘 및 폴리실리콘 물질에 독립적인 비율

산화 및 스트레스

  • 압축성, 점성/탄성 스트레스 의존성 모델
  • 실리콘/폴리실리콘 물질에 대한 분리율 계수
  • HCL, 압력 강화 산화 모델
  • 불순물 농도 종속 효과
  • 플로팅 폴리실리콘 영역의 동시적인 산화 및 들뜸에 대한 정확한 모델
  • 산화, 박막 내부 스트레스 또는 열의 부정합에 따른 스트레스 계산 모델

증착, 식각, 에피택시

  • 마스크 하부의 언더컷과 식각 경사각 설정 등의 폭넓은 기하학적 식각 기능
  • MaskViews 레이아웃 에디터를 통해 증착 및 식각 설정
  • 증착과 에피택시에 사용자 정의 및 자동으로 비균일 그리드 설정
  • 증착층에 균일 및 등급화하여 다수 불순물을 도핑
  • 결정질 실리콘과 폴리실리콘에 대해 선택적인 증착과 에피택시

구조 및 그리드 조작 기능

  • MaskViews 인터페이스를 통한 그리드 설정
  • 구조의 미러링
  • 구조의 수직적 반전
  • 구조 확장
  • 그리드 밀도의 완화
  • 대화형 또는 자동적으로 구조와 그리드를 적용하기 위해 DevEdit와 원활한 인터페이스
  • Atlas 소자 시뮬레이터와 직접적으로 자동 인터페이스

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