Введение к работе
Актуальность проблемы. Повышение степени интеграции и быстродействия МОП - СБИС, уменьшение до субмикронных размеров их элементов и усложнение топологии приводят к усложнению технологического процесса в целом за счет введения дополнительных операций и увеличения количества слоев в изготовляемых СБИС. Соответственно растет число факторов, определяющих качество и надежность полупроводниковых приборов. Прогресс в области совершенствования операций процесса изготовления полупроводниковых приборов в значительной мере определяется применением математического моделирования физических процессов в полупроводниках. Гаким процессом, относящимся к важнейшим технологическим этапам изготовления полупроводниковых приборов, является термическое окисление.
Защитные диэлектрические пленки играют важную роль в изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Они дают возможность проводить локальную диффузию примеси, формировать изолированные друг от друга активные и пассивные элементы, микросхем, а также защищать р-n- переходы от внешних воздействий. В настоящее время для формирования оксидных слоев разработано несколько методов, которые включают в себя термическое окисление, анодирование в растворах электролитов, пиролитическое осаждение и плазменное окисление.
Наиболее распространенным является метод термического окисления, при котором защитные диэлектрические пленки получают при нагревании исходных кремниевых пластин в среде окислителя. Этот метод позволяет получать высококачественные изолирующие пленки, равномерные по толщине и структуре.
Проведенное изучение состояния .вопроса моделирования процесса термического, окисления полупроводников, показало, что, несмотря на многообразие моделей, те из них, которые являются универсальными, имеют чрезмерно усложненный алгоритм решения поставленной задачи моделирования. Требуя большого количества вычислений, такие модели накладывают жесткие ограничения на выбор ЭВМ. Другие модели описывают лишь частные случаи, причем наиболее изученным является процесс локального окисления. Кроме того, уменьшение размеров приборов
требует учета многомерных эффектов, что также значительно увеличивает время счета. В связи с этим важной задачей является разработка такой двумерной модели, которая предельно приближена к операциям реального технологического процесса, легко может быть распространена и на другие случаи, не требует значительных временных затрат.
Таким образом, актуальность темы исследования продиктована необходимостью создания средств моделирования термического окисления кремния, обеспечивающих выбор оптимальных режимов проведения этого процесса.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка алгоритмических и программных средств моделирования процесса термического окисления кремния, которые могут использоваться как основа обеспечения требуемого уровня качества формируемых структур.
Исходя из данной цели, в работе определены следующие задачи исследования:
-
разработка математической модели и метода расчета процесса термического окисления кремниевых структур;
-
экспериментальное исследование процесса термического окисления поликремниевой шины, обеспечивающее верификацию разработанной модели.
Научная новизна. Разработаны алгоритмические и программные средства моделирования процесса термического окисления кремния.
-
Методом конечных разностей решена двумерная задача о распределении концентрации окислителя в кремниевой пластине. Впервые предложенная замена уравнения движения границы оксид-кремний набором более простых условий позволила повысить эффективность программ.
-
Разработаны математическая модель и методика исследования процессов локального окисления и формирования оксидной изоляции на поверхности поликремниевой шины, позволяющие оценить близость полученных геометрических профилей оксида к оптимальным.
-
Разработан подход к оптимизации геометрических параметров формируемой на поверхности поликремниевой шины оксидной изоляции с использованием в качестве критерия величины выступов оксидной изоляции.
- з -На зашиту выносятся следующие основные положения:
1) Решение двумерной задачи распределения концентрации
в кремниевой пластине методом конечных разностей с заменой
уравнения движения границы оксид-кремний набором более прос
тых условий позволяет сократить количество вычислений, и со
ответственно, время счета, на величину, пропорциональную ко
личеству узлов сетки на границе раздела оксид - кремний.
Благодаря использованию специального приема отсутствует не
обходимость использования неравномерной разностной сетки и
ее изменения в процессе счета, что сокращает количество вы
числений и объем занимаемой программой памяти пропорциональ-
0,56 Кі
но величине , где Ki и Кг - количество узлов сет-
0,44(Ка+К2) ки, лежащих над и под границей раздела оксид - кремний соответственно, Ki+K'z - общее количество узлов сетки.
-
Разработанные математическая модель и методика исследования процессов локального окисления кремниевой пластины и формирования оксидной изоляции на поверхности поликремниевой позволяют получать геометрические профили оксида для различных условий окисления, а также температурные зависимости толщины оксидной изоляции, величины сужения активной области МОП-транзистора и их отношения для различных ориентации поверхности пластины кремния при локальном окислении кремния и времени полного окисления поликремниевой шины.
-
Результаты экспериментального исследования процесса формирования оксидной изоляции на поверхности поликремниевой шины подтверждают адекватность выбранной математической модели описываемому процессу и позволяют определить условия появления выступов оксидной изоляций. Установлено, что среднее значение отношения величины выступов оксидной изоляции к ее толщине соответствует выведенному теоретически значению
Практическая ценность работы заключается в следующем.
1) Разработка математической модели процесса термического окисления кремния проводилось с целью ее промышленного использования при изготовлении полупроводниковых интегральных схем. Результаты теоретического расчета сравнивались с данными, соответствующими реальному технологическому процессу.
-
Проведено моделирование процессов локального окисления и формирования оксидной изоляции на поверхности поликремниевой шины и получены геометрические профили оксида для случаев локального окисления и формирования оксидной изоляции на поверхности поликремниевой шины. Результаты дают возможность выбирать оптимальные режимы проведения технологических операций, связанных с термическим окислением, и оценивать значения параметров в тех случаях, когда их экспериментальное определение затруднено.
-
Впервые проведено экспериментальное исследование условий появления выступов оксидной изоляции при окислении поликремниевой шины и определено значение отношения величины выступов оксидной изоляции на поверхности поликремниевой шины к ее толщине.
Результаты практической реализации и внедрения состоят в использовании математической модели процесса термического окисления кремния для расчета параметров структур, формируемых путем термического окисления в процессе технологического цикла МОП - СБИС в практике НПО "Электроника", г.Воронеж.
Материалы диссертационной работы используются в курсе "Математическое моделирование" Воронежского государственного педагогического университета при организации лабораторных работ студентов специальности "Учитель физики и математики".
Апробация работы. Материалы и результаты выполненных по теме диссертации исследований докладывались и обсуждались на конференциях "Информационные технологии и системы. Технологические задачи механики сплошных сред" (г.Воронеж, 1992 г.), "Проблемы и прикладные вопросы физики" (г.Саранск, 1993), "Физические аспекты надежности. Методы и средства диагностирования интегральных схем" (НПО "Электроника", г. Воронеж, 1993), на региональном семинаре по процессам тепломассообмена в Воронежском государственном политехническом институте (г. Воронеж, 1992-1994 г.г.), в московском энергетическом институте (г.Москва, 1993,1994 г.г.), на VIII и IX научно-технических отраслевых конференциях "Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов" (г.Воронеж, 1994,1995 г.г,), на II международной конференции "Обратные задачи и методы идентификации динамических систем" (г. Санкт-Петербург, 1994), в Воронежском высшем военном училище
радиоэлектроники (1994).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений, включает 38 рисунков, 12 фотографий, 3 таблицы и список литературы из 59 наименований. Общий объем диссертации 140 страниц.
