Orientadores: José Alexandre Diniz, Marcos Vinicius Puydinger dos Santos

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação

Resumo: A engenharia de silício tensionado provou ser uma tecnologia de sucesso para manter a lei de Moore e apresenta um grande potencial para o seu uso em nós tecnológicos altamente estressados e ainda menores na microeletrônica do futuro. Essa tarefa demanda o uso de técnicas de caracterização do...

Resumo: A engenharia de silício tensionado provou ser uma tecnologia de sucesso para manter a lei de Moore e apresenta um grande potencial para o seu uso em nós tecnológicos altamente estressados e ainda menores na microeletrônica do futuro. Essa tarefa demanda o uso de técnicas de caracterização do estresse mecânico para o desenvolvimento e pesquisa em semicondutores. Uma potencial ferramenta de caracterização que permite a medição do estresse no silício de forma quantitativa é a espectroscopia Raman. Esse método de caracterização consiste em uma técnica não destrutiva e bem estabelecida que permite a caracterização do estresse com uma resolução espacial abaixo de 1 ?m e não requer procedimentos complexos de preparação da amostra. Contudo, estudos sobre o comportamento do deslocamento Raman em estruturas altamente tensionadas (tensão maior que 2 GPa) com dimensão crítica menor que 100 nm são escassos na literatura, sendo um gargalo para o uso de medidas Raman de forma sistemática em dispositivos tecnológicos futuros. Aqui, foi investigado o comportamento do estresse em função do deslocamento Raman da superfície de silício (001) de nanofios suspensos ultra finos (15 nm de espessura) e altamente tensionados com estresses na faixa de 0 ¿ 6.3 Gpa ao longo da direção cristalográfica [110]. O uso de nanofios ultrafinos como plataforma de estudo , ao longo da direção cristalográfica [110], permitiu a investigação sistemática de um bloco essencial que pode estar presente nos canais de transistores nMOS futuros. Alêm disso, essa plataforma suspensa atingiu valores de tensão ultra altos (até 6.3GPa) sem atuadores externos, permitindo pela primeira vez o estudo sistemático do comportamento da espectrocopia Raman em nanofios altamente tensionados. Os estresses foram medidos por simulações de elementos finitos (FEM) como forma de atingir uma grande precisão na caracterização da tensão. Então, medidas Raman experimentais foram realizadas seguidas de um protocolo de correção térmica para extrair o pico Raman corrigido livre de efeitos térmicos. O coeficiente de deslocamento do estresse (SSC) extraído, para baixa tensão (abaixo de 4.5 GPa), estava em boa concordância com alguns valores de SSC da literatura. Para maiores valores de tensão (maior que 4.5 GPa), demonstrou-se, pela primeira vez, que a relação linear deslocamento Raman - estresse não ocorre, requerendo uma correção empírica do modelo que está sendo proposta neste trabalho. Esses resultados demonstram a viabilidade da técnica Raman para caracterização do estresse de nanofios de silício ultrafinos, no qual deve ser útil para caracterizar nanodispositivos de silício tensionado para nós tecnológicos abaixo dos 100 nm sujeitos a uma faixa ampla de tensão, contribuindo para um tópico importante na indústria de semicondutores

Abstract: Strained silicon engineering has proven to be a successful technology to keep Moore¿s law and presents a great potential for its use in even smaller and highly stressed technological nodes in microelectronics in the future. Such a task demands the use of stress characterization techniques...

Abstract: Strained silicon engineering has proven to be a successful technology to keep Moore¿s law and presents a great potential for its use in even smaller and highly stressed technological nodes in microelectronics in the future. Such a task demands the use of stress characterization techniques for semiconductor research and development. One potential characterization tool which makes possible quantitative stress measurement of silicon is the Raman spectroscopy. This characterization method is a wellestablished non-destructive technique that permits stress characterization with a spatial resolution of below 1 ?m and does not require complex sample preparation procedure. However, studies on Raman shift behavior of highly stressed structures (stress greater than 2 GPa) with the critical dimension smaller than 100 nm are scarce in the literature, being a bottleneck for the systematic use of Raman measurements in future technological devices. Here, it was investigated the Raman shift-stress behavior from the (001) silicon surface of highly strained ultra-thin (15 nm-thick) suspended nanowires with stresses in the range of 0 ¿ 6.3 GPa along the [110] direction. The use of ultrathin nanowires as a platform of study, along the [110] crystallographic direction, allowed the systematic investigation of one essential block that might be present in future nMOS transistors channels. Furthermore, this suspended platform reached ultra-high stress values (up to 6.3 GPa) without external actuators, allowing for the first time the systematic study of the Raman stress behavior of highly stressed nanowires. The stresses were evaluated by finite element method (FEM) simulations to achieve great accuracy in the stress characterization. Then, experimental Raman measurements were performed, followed by a thermal correction protocol to extract the corrected Raman peak free of thermal effects. The extracted stress shift coefficient (SSC), for lower stresses (below 4.5 GPa), was in good agreement with some of the SSC values in literature. For higher stresses (greater than 4.5 GPa), it was demonstrated, for the first time, that the linear shift Raman - stress relation does not hold, thus requiring an empirical model correction proposed in this work. The results demonstrate the feasibility of the Raman technique for the stress characterization of ultra-thin silicon nanowires, which should be useful to characterize strained silicon nanodevices for technological nodes below 100 nm under a wide range of stresses, contributing to such an important topic in the semiconductor industry

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