SSuprem 4는 다양한 제조 기술의 설계, 분석, 최적화를 위해 반도체 업계에서 폭넓게 이용하는 2D 공정 시뮬레이터입니다. SSuprem 4는 확산, 이온 주입, 산화, 식각, 증착, 실리사이드, 에피택시, 응력 형성에 광범위한 물리 모델을 사용하여, 현대 기술의 모든 주요 공정 단계를 정확하게 시뮬레이션합니다. Athena 프레임워크 내에서, SSuprem 4는 광리소그래피에 쓰이는 Optolith, 식각/증착에 쓰이는 Elite, 고급 몬테 카를로 이온 주입에 쓰이는 MC Implant와 완벽하게 통합됩니다.

• CMOS, 바이폴라, 광전자공학, 파워 소자 기술에서 사용하는 모든 주요 공정 단계를 빠르고 정확하게 시뮬레이션합니다.

• 실리콘과 SiGe/SiGeC, SiC, GaAs, InP, AlGaAs, InGaAs 등의 고급 반도체 기술을 시뮬레이션합니다.

• 소자 구조의 형상, 불순물 분포, 응력 등을 정확하게 예측하여, 값비싼 실험을 대폭 줄이거나 배제합니다.

• 표준 분리 공정 LOCOS, 현대 분리 공정 SWAMI, deep/shallow 트렌치 분리 공정을 분석하여 최적화합니다.

• 저에너지 shallow 접합 주입, 고급 접합 형성에 필요한 고각(high angle) 주입, 깊숙한 역행 우물 형성에 필요한 고에너지 주입 등의 다양한 소자 제조 단계에서 사용하는 이온 주입 공정을 분석하여, 세밀하게 조정합니다.

• 불순물 확산 모델 계층은 벌크 및 물질 표면 근처의 불순물 동작을 정확하게 예측합니다.

• 과도 촉진 확산(enhanced diffusion), 산화/실리사이드 촉진 확산, 과도 활성화, 점 결함(point defect), 클러스터 형성/재조합, 물질 경계에서의 불순물 격리 및 전송 등의 다양한 확산 효과를 설명합니다.

• 다양한 소자 구조에 대해 기하학적인 식각과 등각 증착을 시뮬레이션하고 분석합니다.

• Optolith 리소그래피 시뮬레이터 및 Elite 식각/증착 시뮬레이터와 유연한 인터페이스로, 물리적인 공정의 실제 토폴로지를 분석합니다.

• Atlas와 자동적인 인터페이스로, 후속 소자 시뮬레이션을 수행합니다.

SSuprem 4

2D Core Process Simulator

고급 반도체 공정 시뮬레이션 솔루션

SSuprem 4는 모든 실리콘 IV-IV, III-V 소자 기술에 적용할 수 있습니다. SSuprem 4의 포괄적인 기능은 강력한 산화 모델, 포괄적인 주입 모델, 확산 모델 계층 및 범용 증착/식각 모델을 포함하여, 복잡한 구조를 시뮬레이션할 수 있습니다. 표준 MOS, 바이폴라 트랜지스터 외에, FLASH EEPROM 셀, 고급 구조 CCD, HEMT, HBT, MESFET 및 기타 모든 형태의 파워 소자를 모델링할 수 있습니다. SSuprem 4에서 생성한 모든 구조는 전기적인 분석을 위해, 실바코의 소자 시뮬레이터에 유연하게 전달됩니다.

위 그림은 SSuprem 4에서 생성한 폴리실리콘 에미터 바이폴라 트랜지스터를 나타냅니다. 이러한 소자를 만들 때, 정확한 베이스 폭의 제어가 중요합니다. SSuprem 4의 고급 확산 모델은 에미터 밀침(push) 등의 공동-확산 효과를 시뮬레이션할 수 있습니다.

실리사이드 컨택, halo 주입, shallow 접합을 이용한 90nm CMOS 공정의 Athena 시뮬레이션.

소자 구조는 파워 소자 공정에서 더 크지만, 최종적인 트랜지스터 구조는 사실상 2D입니다. 위 예는 자체 정렬(self-aligned) 소스 컨택 공정을 갖는 파워 DMOS 트랜지스터입니다.

고급 CCD 구조에서, 렌즈 모양 구조로 해상도를 증가시킵니다. 위 구조에서, 시뮬레이션 속도를 증가시키기 위해 대칭을 사용하였습니다. 구조의 일부만 시뮬레이션한 후, 여러번 반영하여, 전자적인 소자 분석에 사용하는 반복적인 게이트 구조를 생성합니다.

MOSFET 소자 바이폴라 소자

CCD 소자파워 소자

완벽한 소자 제조

MESFET 소자 HEMT 소자

EPROM 소자 UMOS 소자

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

위 그림은 GaAs MESFET 소자 구조의 시뮬레이션을 나타냅니다. 100 keV의 Be과 Si을 소량 주입하여, 게이트 영역의 도핑을 형성합니다. 반면에, 850°C에서 후속 어닐링으로 50keV의 Si을 다량 주입하여 소스/드레인 영역을 형성합니다.

위 그림은 부정형(pseudomorphic) HEMT 소자를 나타냅니다. 이 소자는 GaAs 기판에서 만들어집니다. 두 개의 AlGaAs 영역 사이에 InGaAs 채널이 있습니다. AlGaAs(Al:0.22), InGaAs(In:0.78)의 성분비는 레이어 증착시 설정합니다. 또한, 채널 상하에 2개의 델타 도핑을 포함하여, 문턱 전압의 양호한 제어를 위한 추가적인 캐리어 공급원으로 이용합니다. 소스와 드레인 영역은 GaAs로 만들어지며, 도핑은 Se 확산으로 형성됩니다.

위 그림은 UMOS 소자를 나타냅니다. 이 소자는 바닥이 둥근 트렌치 형태의 폴리실리콘 게이트를 갖습니다. 정확한 소자 시뮬레이션을 수행하기 위해서, 게이트를 따

라 아주 세밀한 등각 그리드를 갖는 것이 매우 중요합니다. 확대 그림은 게이트 바닥을 둘러싸고 있는 도핑과 그리드를 나타냅니다.

20keV에서 1.0x1014cm-2의 이온을 주입한 후, 800°C에서 35분간 수행한 붕소(B) 확산 시뮬레이션(S.Solmi 외 실험). 혼합 불순물-결함 클러스터 때문에 고용도(solid solubility) 레벨 밑에서도 불순물의 상당 부분이 비활성 상태에 있습니다. Athena는 정교한 BIC(Boron Interstitial Cluster) 모델을 포함하여, 정확하게 이 효과를 예측합니다.

저온 과도 촉진 확산

2keV에서 1.0x1014cm-2의 이온을 주입한 후, 1000°C에서 10초간 수행한 붕소(B) 확산 시뮬레이션(B. Colombeau의 박사 논문 실험). 표면의 강력한 결함 재조합과 다양한 쌍 및 결함 클러스터의 고속 생성/재조합 등의 경합 현상을 설명할 필요가 있으므로, 이러한 형태의 시뮬레이션은 대단히 어렵습니다. 하지만, Athena의 고급 확산 모델은 실험 프로파일에 상당히 일치함을 보여줍니다.

RTA 확산

낮은 열 소모 비용(thermal budget) 공정과 극히 얕은(ultra-shallow) 접합의 성공적인 사용은 90nm 이하 테크놀로지 노드에 핵심적인 제조 이슈입니다. SSuprem 4는 점 결함 및 결함 클러스터 생성/재조합 등의 고급 확산 모델을 이용하여, 후속 급속 열 처리(RTA) 또는 초저온 노 처리(furnace annealing)로 저에너지 주입을 정확하게 시뮬레이션할 수 있습니다.

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

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

MaskViews 레이아웃

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

래치업 구조

MaskViews 인터페이스를 이용한 래치 구조 시뮬레이션

고급 확산 시뮬레이션

다양한 공정 단계는 경계면 이동, 부피 변화, 응력 형성을 가져오는 표면 반응 및 물질 변형을 수반합니다. SSuprem 4는 가장 중요한 두가지 공정-산화 및 실리사이드-을 시뮬레이션합니다. 식각/증착과 함께 복합적인 지역 산화를 이용하여, 고급 분리 구조를 제공합니다. 실리사이드를 컨택 및 인터커넥트 금속화를 위한 선호 물질로 간주합니다.

Deep 트렌치 분리 Poly-Buffered 분리

위 그림은 poly-buffered LOCOS 분리의 예를 나타냅니다. 응력에 의한 폴리실리콘 레이어의 들뜸이 명확하게 표현됩니다.

위 구조는 산화 주입 부분을 갖는 트렌치 산화를 나타냅니다. 산화 경계에서 주입된 부분은 트렌치에 “갇혀 있는” 반면, 실리콘에 넣어진 부분은 트렌치 하단 주변에 흩어져, 트렌치 왼쪽 영역에서 확산에 영향을 미칩니다.

Shallow 트렌치 구조의 응력

응력에 관련된 신뢰성 및 오작동의 문제는 현대 반도체 기술에서 대단히 중요합니다. 위 그림은 산화 중에 shallow 트렌치의 코너 근처에서 생성된 응력을 나타냅니다.

자체 정렬 실리사이드

SSuprem 4는 실리사이드 공정 시뮬레이션에 대해 독특한 기능을 제공합니다. 실리사이드 레이어에서 실리사이드, 불순물 재분포 및 확산을 2D 구조로 모델링합니다. 위 그림은 자체 정렬 실리사이드(salicide) 공정의 최종 구조를 나타냅니다.

산화 및 실리사이드 시뮬레이션

현대 CMOS 기술에서는 각을 크게 한 이온 주입을 폭넓게 사용합니다. 그리하면, 이온 광선의 방향을 간단하게 바꾸어 2D 접합을 최적화할 수 있습니다. 여러가지 중요한 효과를 고려해야 하므로, 이에 대한 예측 시뮬레이션은 대단히 어렵습니다. 여기에는 채널에 뿌려지는 이온의 확률에 대한 표면 산화막 두께의 non-trivial 효과 외에, 비평면 구조에서의 ion shadowing/backscattering, 수직이 아닌 결정 채널을 통과하는 상당한 채널링이 포함됩니다. 이러한 효과의 대부분은 shallow 접합 구조에 사용하는 낮은 에너지(수 keV) 주입에서 보다 확실합니다. 몬테 카를로 주입 모듈은 채널링 및 토폴로지 효과를 모두 정확하게 고려합니다. 위 예는 45°에서 2keV로 1013cm-2의 인(P)을 주입한 것입니다.

위 그림은 MC Implant를 이용한 시뮬레이션 결과로서, 측정 데이터와 비교합니다. 그림에서 선은 MC Implant 시뮬레이션 프로파일을, 사각형은 SIMS 프로파일을 나타냅니다. 100KeV, 경사도=0o에서, 1013cm-2-~1015cm-2범위로 주입한 인(P)의 깊이 프로파일을 실험적으로 계산하였습니다. 실험은 다음을 참조하였습니다: R.J. Schreutelkamp et al., “Channeling Implantation of B and P in Silicon”, Nuclear Instruments and Methods, B55, pp. 615–619, 1991.

여러가지 해석적인 몬테 카를로 주입 모델은 모든 현대 반도체 제조 기술에서 사용되는 이온 주입을 정확하게 시뮬레이션합니다.

6H-SiC에 대한 알루미늄 주입

30, 90, 195, 500, 1000 keV에서 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.

산화막 두께가 붕소(B) 주입 프로파일에 미치는 영향

위 그림은 상이한 두께의 성장 산화막을 통한 35keV, 1.0x1013ions/cm2 축상 붕소 주입을 비교합니다. 오스틴의 텍사스 주립대학에서 제공한 표에 기초하여, SVDP(SIMS-Verified Dual Pearson) 분석 모델을 사용합니다.

이온 주입 시뮬레이션

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

불순물 공동 확산 효과 SiGe에서의 붕소(B) 확산

위 그림은 InP에서 n-타입 도핑이 아연(Zn) 확산에 미치는 영향을 나타냅니다. III-V 화합물에서 아연에 대한 주요 확산 메커니즘은 이중 충전된 내부 쌍에 의한다는 것이 밝혀졌습니다. 그러므로, 높은 Se (n-타입) 도핑 농도는 아연의 확산을 대폭 지연시킵니다. 또한, n-타입/p-타입 분포가 pn-접합 근처에서 서로 가까울 때 아연의 확산 프로파일은 크게 감소합니다.

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

우물 근접 효과(Well Proximity Effect, 이하 WPE)는 우물 속에서 트랜지스터 위치에 대한 문턱 전압의 강력한 종속성을 말합니다. 이는 포토레지스트에 뿌려진 높은 에너지의 이온이 표면에 추가적으로 비균일 도핑을 만들 때 발생하며, 상이한 각도의 마스크 가장자리에서 나타납니다.

위 그림은 MC Implant 모듈로 시뮬레이션한 2000개의 붕소 탄도 중 상당수가 포토레지스트가 아닌 PWELL의 여러 지점에 도달함을 나타냅니다. 이러한 탄도를 분석하여, 마스크의 두께와 경사를 최적화하는데 도움을 줄 수 있습니다.

마스크의 가장자리가 경사진 경우, PWELL의 붕소 주입 분포를 2D로 표현하였습니다. MC Implant 모듈의 병렬 버전을 이용하여, 300keV로 천만개의 붕소 탄도를 시뮬레이션하였습니다. 작은 그림은 PWELL 표면의 붕소 농도가 경사진 마스크에서 상당히 낮음을 나타냅니다.

화합물 반도체 시뮬레이션

우물-근접 효과(WPE) 시뮬레이션

확산

• 불순물 확산은 점 결함 확산과 완벽하게 연결

• 산화 촉진/지연 확산

• 급속 열 처리 및 과도 촉진 확산(TED)

• 고농도 효과

• 주입으로 유도된 점 결함, 불순물-결함 클러스터, {311} 내부 클러스터에 의한 TED 효과

• 결정립에 기초한 폴리실리콘 확산 모델

• 과도 불순물 활성화 모델

• SiGe/SiGeC에서 붕소 확산에 대한 Ge, C 성분을 설명하는 모델

• 도너/액셉터 공동-확산 효과

• 실리콘/산화막 경계에서의 불순물 손실에 대한 모델

주입

• 실험적으로 검증한 피어슨, 듀얼 피어슨 주입 모델

• 가우시안 형태가 아닌 깊이-의존형 측면 주입 분포 함수

• 에너지, 주입량, 회전 및 산화막 두께의 변화 등으로 확장된 주입 모멘트 표

• 사용자-정의 또는 몬테 카를로 추출된 주입 모멘트

• MC Implant 모듈과 유연한 인터페이스로, 에너지, 주입량, 계/회전의 변화에 대해 2D 주입 프로파일을 정확하게 시뮬레이션

실리사이드

• 티타늄, 텅스텐, 코발트, 백금 실리사이드에 대한 모델

• 실험적으로 검증된 성장율

• 실리사이드/금속, 실리사이드/실리콘(폴리실리콘) 경계에 대한 반응 및 경계면의 움직임

• 정확한 물질 소비 모델

• 실리콘 및 폴리실리콘 물질에 대한 독자적인 비율

산화 및 응력

• 압축성, 점성/탄성 응력-종속 모델

• 실리콘/폴리실리콘 물질에 대한 분리율 계수

• HCL, 압력 촉진 산화 모델

• 불순물 농도 종속 효과

• 플로팅 폴리실리콘 영역의 동시적인 산화 및 들뜸에 대한 정확한 모델

• 산화 동안 생성되거나 박막 고유 응력 또는 열적 부정합에 따른 응력을 계산하기 위한 모델

증착, 식각, 에피택시

• 마스크 하부의 언더컷과 식각 경사각 설정 등의 폭넓은 구조적 식각 성능

• MaskViews 레이아웃 에디터를 통한 증착 및 식각 설정

• 증착 및 에피택시를 위해 사용자가 정의한 자동적인 비균일 그리드 설정

• 증착 레이어에서 균일하게 등급화된 다중 불순물 도핑

• 결정질 실리콘과 폴리실리콘에 대해 선택적인 증착과 에피택시

구조 및 그리드 조작 기능

• MaskViews 인터페이스를 통한 그리드 설정

• 구조의 미러링

• 구조의 수직적 플리핑(flipping)

• 구조 확장

• 그리드 밀도의 완화

• 대화형 또는 자동적으로 구조와 그리드를 채택하기 위해 DevEdit와 유연한 인터페이스

• Atlas 소자 시뮬레이터와 직접적인 자동 인터페이스

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물리적인 모델과 특징

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