기가 비트급 소자 제작을 위한 3차원 몬테카를로 극 저 에너지 이온 주입 모델링

반용찬,권오섭,원태영,Ban, Yong-Chan,Kwon, Oh-Seob,Won, Tae-Young 대한전자공학회 2000 電子工學會論文誌-SD (Semiconductor and devices) Vol.37 No.10

소자의 크기가 딥 서브 마이크론 이하로 작아짐에 따라 극 저 에너지 이온 주입의 정확한 모델링은 중요함을 더하게 되었다. 본 논문에서는 이체 충돌 근사(Binary Collision Approximation)에 기반을 둔 3차원 몬테카를로 이온 주입 시뮬레이터를 개발하였다. 이를 위하여, 저 에너지 이온 주입에 있어 이체 충동 근사 방법의 제한 요소인 전자 에너지 정지력에 대한 모델을 개선하였고, 다중 충돌 계산을 위한 모델을 적용하였다. 계산된 이온 주입 도펀트 분포 및 결함 분포는 실제 실험치와 일치함을 확인하였다. 또한, 3차원 이온 주입 시뮬레이션에 있어 계산 시간의 효율을 극대화 하고자, 본 연구에서는 이온 분포 복사법(Ion Distribution Replica Method)을 개발하였고, 복잡한 토폴로지를 갖는 다층 에이어의 이온 주입 공정에 있어 빠른 수행 시간 및 결과의 정확성을 확인하였다. A rigorous modeling of ultra-low energy implantation is becoming increasingly more important as devices shrink to deep submicron dimensions. In this paper, we have developed an efficient three-dimensional Monte Carlo ion implantation model based on a modified Binary Collision Approximation(BCA). To this purpose, the modified electronic stopping model and the multi-body collision model have been taken into account in this simulator. The dopant and damage profiles show very good agreement with SIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy) data and RBS(Rutherford Backscattering Spectroscopy) data, respectively. Moreover, the ion distribution replica method has been implemented into the model to get a computational efficiency in a 3D simulation, and we have calculated the 3D Monte Carlo simulation into the topographically complex structure.

몬테카를로 계산 방식에 의한 RF 플라즈마 에칭 시스템에서의 이온 분포 계산

반용찬,이제희,윤상호,권오섭,김윤태,원태영 대한전자공학회 1998 電子工學會論文誌, D Vol.d35 No.5

In a plasma etching system, ions become an important parameter in determining the wafer topography which depends on both the physical sputtering mechanism and the chemically enhanced reaction. this paper reports the energy and angular distributions of ions across the plasma sheath using a monte carlo method. The ion distribution is mainly affected by the magnitude of the sheath voltage and by the collision in the sheath. Furthemore, the local potential distribution in a plamsa sheath has been determined by solving the poisson's equation. In th is work, ionic collisions were cosidered in terms of both charge exchange and momentum transfer. The three-dimensional distributions of ions were calculated with varying the input process conditions in the plasma reactor.

몬테카를로 방식에 의한 스퍼터율 계산에 관한 연구

반용찬,이제희,원태영 대한전자공학회 1998 電子工學會論文誌, D Vol.d35 No.12

본 논문에서는 몬테카를로 방식을 사용하여 이온의 에너지에 대한 타겟 원자의 스퍼터율(Sputter Yield), 이온의 주입 각도에 대한 스퍼터율, 이온의 주입에 따른 타겟 원자의 발산 분포를 3차원으로 시뮬레이션 하였다. 중(중)이온으로 (Ar/sup +/)을 사용하였고, 경(輕)이온으로 (H/sup +/)을 사용하여 10 eV에서 100 KeV 영역의 에너지에 따른 스퍼터율을 계산하였다. 또한, 스퍼터 타겟 물질로서 Cu, Al을 사용하여 계산하였고, 실험치와 일치함을 확인하였다. 스퍼터율은 입사 이온의 에너지가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보이지만, 임계점 이후에는 점차적으로 감소하는 경향을 보였다. 중이온에 의한 스퍼터에서는 임계점이 10 KeV 영역이었고, 경이온에 의한 스퍼터에서는 1 KeV 이하 영역이었다. 또한, 이온의 주입 각도에 따라서 타겟의 스퍼터율은 점차적으로 증가하였고, 68° 부근에서 최대 스퍼터율을 기록하였다. 이온의 주입 각도에 따른 타겟 원자의 분포도에서는 각도가 커짐에 따라서 타겟 표면 법선 방향으로 방출되는 원자의 수가 많아짐을 확인하였다. 본 연구에서는, CRAY T3E 슈퍼컴퓨터에서 시뮬레이션을 수행하였으며, 구현된 몬테카를로 스퍼터 시뮬레이터의 GUI(Graphic User Interface) 환경을 구축하였다. In this paper, a rigorous three-dimensional Monte Carlo approach to simulate the sputter yield as a function of the incident ion energy and the incident angle as well as the atomic ejection distribution of the target is presented. The sputter yield of the target atom (Cu, Al) has been calculated for the different species of the incident atoms with the incident energy range of 10 eV ~ 100 KeV, which coincides with the previously reported experimental results. According to the simulation results, the calculated sputter yield tends to increase with the amount of the energy of the incident atoms. Our simulation revealed that the maximum sputter yield can be obtained for the incident atom with 10 KeV for the heavy ion, while the maximum sputter yield for the light ion is for the incident atoms with an energy less than 1 KeV. The sputter yield increases with angle of incidence and seems to have the maximum value at 68$^{\circ}$. For angular distributions of the sputtered particle, the atoms in the direction normal to the surface increase with angle of incidence. Furthermore, we has conducted the parallel computation on CRAY T3E supercomputer and built a GUI(Graphic User Interface) system running the sputter simulator.

RF 에칭 시스템에서 이온의 몬테카를로 시뮬레이션 ( Monte Carlo Simulation of Ion in an FR Plasma Etching System )

반용찬,이제희,윤상호,권오섭,김연태,원태영 대한전자공학회 1997 대한전자공학회 학술대회 Vol.1997 No.11

몬테카를로 방식에 의한 스퍼터율 계산에 관한 연구

潘用瓚(Yongchan Ban),李濟熙(Jaehee Lee),元太映(Taeyoung Won) 大韓電子工學會 1998 電子工學會論文誌, D Vol.35 No.12

건식 식각 공정 시뮬레이션을 위한 효율적인 그림자 테스트 알고리즘과 토포그래피 진화에 대한 연구

권오섭,반용찬,원태영,Kwon, Oh-Seop,Ban, Yong-Chan,Won, Tae-Young 대한전자공학회 1999 電子工學會論文誌, D Vol.d36 No.2

In this paper, we report 3D-simulations of a plasma etching process by employing cell-removal algorithm takes into account the mask shadow effect os well as spillover errors. The developed simulator haas an input interface to take not only an analytic form but a Monte Carlo distribution of the ions. The graphic user interface(GUI) was also built into the simulator for UNIX environment. To demonstrate the capability of 3D-SURFILER(SURface proFILER), we have simulated for a typical contact hole structure with 36,000($30{\times}40{\times}30$) cells, which takes about 20 minutes with 10 Mbytes memory on sun ultra sparc 1. as an exemplary case, we calculated the etch profile during the reactive ion etching(RIE) of a contact hole wherein the aspect ratio is 1.57. Furthermore, we also simulated the dependence of a damage parameter and the evolution of topography as a function of the chamber pressure and the incident ion flux. 본 논문에서는 플라즈마 건식 식각 공정을 모의 실험하기 위하여 셀 제거 방법을 적용하여 개발한 시뮬레이터의 성능을 보고한다. 마스크의 기하학적 형상에 의한 그림자 효과(shadow effect)를 고려하기 위한 알고리즘과, 오차의 누적을 막기 위한 알고리즘을 새로이 적용하였다. 입사하는 이온의 분포를 계산하기 위해서 해석적 모델과 몬테 카를로 방법을 모두 적용하였다. 또한 사용자가 유닉스(UNIX) 환경에서 공정 조건을 편리하게 입력할 수 있도록 그래픽 사용자 환경(graphic user interface, GUI)을 개발하였다. 개발된 3D-SURFILER(SURface proFILER)의 성능을 검증하기 위한 콘택 홀(contact hol) 구조의 시뮬레이션에서 셀의 수를 36,000($30{\times}40{\times}30$)으로 설정하여 시뮬레이션하였을 때 SUN ULTRA 1 시스템에서 약 10Mbyte의 메모리가 사용되었으며, 시뮬레이션 시간을 20분이었다. 종횡비(aspect ratio)가 1.57인 콘택 홀 구조에서 반응성 이온 식각(reactive ion etching, RIE)을 시뮬레이션하였으며, 이온의 증속 식각의 정도를 나타내는 손상 계수의 변화와 압력이 600mTorr일 때의 이온의 입사 분포에 의한 토포그래픽(topography) 진화를 시뮬레이션하였다.

반도체 공정 시뮬레이션을 위한 초고속 병렬 연산 알고리즘

이제희,반용찬,원태영 대한전자공학회 1999 電子工學會論文誌, D Vol.d36 No.3

본 연구에서는 3차원 반도체 공정 시뮬레이션의 효율성과 성능을 향상시키기 위하여, 병렬 유한요소법 수치해석에 사용이 적합한 디라우니 병렬 메쉬 생성기 및 표면 전진 메쉬 생성기를 개발하였고, 이를 위하여 개선된 성능을 보이는 수정된 하부구조법 병렬 유한요소법 수치해석기를 개발하였다. 또한, 행렬 계산 알고리즘의 병렬화를 확산 및 산화 시뮬레이터에 적용하여, 직렬 계산 시 3시간이 소요되는 확산 시뮬레이션과 비평탄 구조를 지니는 R-LOCOS 등의 연산을 8개의 프로세서를 병렬로 사용하여 15분만에 계산하였다. 과다한 계산 시간을 요하는 몬테카를로 수치해석 방법의 효율성을 높이고자, 병렬 연산 알고리즘을 몬테카를로 연산에 적용하였다. 또한, 스퍼터링 증착장치 시스템의 타켓 입자 분포 특성을 병렬 연산 몬테카를로 방식으로 계산하였다. 3000개의 이온을 주입하였을 겨우 단일 프로세서에서 13,000초의 계산시간이 소요되었으나, 30개의 프로세서를 병렬로 사용하였을 때 520초의 시간을 소비하여,25 이상의 스피드업 특성을 얻었다. 또한, 몬테카를로 계산의 최적화 연구를 통해서 3차원 스퍼터링 증착장치에서 연쇄 충돌 계산 수행시의 최적이온의 개수는 30,000임을 확인하였다. In this paper, a new parallel computation method, which fully utilize the parallel processors both in mesh generation and FEM calculation for 2D/3D process simulation, is presented. High performance parallel FEM and parallel linear algebra solving technique was showed that excessive computational requirement of memory size and CPU time for the three-dimensional simulation could be treated successively. Our parallelized numerical solver successfully interpreted the transient enhanced diffusion (TED) phenomena of dopant diffusion and irregular shape of R-LOCOS within 15 minutes. Monte Carlo technique requires excessive computational requirement of CPU time. Therefore high performance parallel solving technique were employed to our cascade sputter simulation. The simulation results of Our sputter simulator allowed the calculation time of 520 sec and speedup of 25 using 30 processors. We found the optimized number of ion injection of our MC sputter simulation is 30,000.

건식 식각 공정을 위한 초고속 병렬 연산 시뮬레이터 개발

이제희,권오섭,반용찬,원태영,Lee, Jae-Hee,Kwon, Oh-Seob,Ban, Yong-Chan,Won, Tae-Young 대한전자공학회 1999 電子工學會論文誌, D Vol.d36 No.10

This paper report the implementation results of Monte Carlo numerical calculation for ion distributions in plasma dry etching chamber and of the surface evolution simulator using cell removal method for topographical evolution of the surface exposed to etching ion. The energy and angular distributions of ion across the plasma sheath were calculated by MC(Monte Carlo) algorithm. High performance MPP(Massively Parallel Processing) algorithm developed in this paper enables efficient parallel and distributed simulation with an efficiency of more than 95% and speedup of 16 with 16 processors. Parallelization of surface evolution simulator based on cell removal method reduces simulation time dramatically to 15 minutes and increases capability of simulation required enormous memory size of 600Mb. 건식 식각 공정을 시뮬레이션하기 위하여, 플라즈마 챔버 내의 식각 이온 거동 메카니즘을 몬테카를로 수치해석 방식으로 구현하였고, 식각 이온의 거동에 의한 기판의 식각 형상을 확인하기 위하여 셀 방식의 표면 전진기를 개발하였다. 몬테카를로 수치 계산의 단점인 과다한 계산 시간을 효과적으로 감소시키기 위하여, CRAY T3E 병렬 컴퓨터와 여러대의 워크스테이션을 연결한 MPI 환경에서 몬테카를로 병렬 계산 알고리즘을 개발하였다. 본 연구에서 개발한 몬테카를로 병렬 계산 알고리즘은 95% 이상의 효율성을 보이며, 16개의 프로세서를 사용하였을 때 16의 스피드업(Speedup) 값을 얻었다. 또한 셀 방식의 병렬 연산 표면 전진기를 이용하여 토포그래피 시뮬레이션을 수행한 결과에서, 셀의 개수가 2갭만 개 일 때, 약 600Mb 이상의 메모리가 소요되므로 단일 워크스테이션 환경에서는 불가능한 계산이 본 연구에서 개발한 병렬 계산 알고리즘을 이용하였을 때 32개의 프로세서에서 15분의 계산시간이 소요되었다.

플라즈마 식각 공정을 위한 3차원 식각 시뮬레이터 개발 ( Development of Three-Dimensional Etching Simulator for a Plasma Etching Process )

권오섭,이제희,윤상호,김연태,반용찬,원태영 대한전자공학회 1997 대한전자공학회 학술대회 Vol.1997 No.11

등방성 언더컷 식각에 의한 에어-브리지 소자 격리 구조를 갖는 AaGaAs/GaAs HBT의 제작에 관한 연구

김연태,이제희,윤상호,권오섭,반용찬,원태영 대한전자공학회 1998 電子工學會論文誌, D Vol.d35 No.5

This paper report sthe design, fabrication and characterization of an AlGaAs/GaAs HBT (heterojunction bipolar transistor) with an air-bridge isolation structure which is made to improve high frequency characteristics for the application to the mobile communication system in the next genration. We found that the size, shape and structure of HBT have an effect on the high frequency operation. The measured dc and ac characteristics of the four type HBTs were compared and analyzed. An E-type HBT with an air-bridge structure by undercut etching exhibited .beta.=56, $V_{off-set}$ = 0.3 V, B $V_{CEO}$=7.0V with $f_{T}$=40 GHz and $f_{max}$=45GHz at a collector current density of 7.1*10$^{4}$ A/c $m^{2}$.>.