Моделирование технологического процесса термического окисления кремния в пакете программ ISE TCAD Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.7-97

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ КРЕМНИЯ В ПАКЕТЕ ПРОГРАММ ISE TCAD* Кильчицкая Мария Владимировна, аспирант (e-mail: ummasha@gmail.com) Некрасова Марина Юрьевна, доцент Брянский государственный технический университет, г.Брянск, Россия

(e-mail: irisensata@mail.ru)

В данной статье рассматриваются различные способы окисления кремния, а также приводится пример модели процесса термического окисления кремния в пакете программ ISE TCAD.

Ключевые слова: окисление кремния, термическое окисление, моделирование, ISE TCAD.

В настоящее время в связи с импортозамещением на предприятиях электронной промышленности резко возросла нагрузка на оборудование. В связи с этим отрабатывать технологические процессы «вживую», то есть проводить серии экспериментов на имеющихся установках, затруднительно. Поэтому целесообразно подбирать режимы таких технологических процессов, как окисление кремния, в специализированных программных пакетах, предназначенных для моделирования полупроводниковых приборов и производственных процессов. Одним из таких пакетов является САПР ISE TCAD.

Окисление кремния - базовый процесс технологии изготовления интегральных микросхем (ИМС). Пленки оксида кремния (SiO2) применяются в качестве масок для фотолитографии, в качестве подзатворного диэлектрика, для электрической изоляции элементов микросхем и для защиты поверхности ИМС от механических повреждений и воздействия окружающей среды.

На предприятии ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» (Брянск) применяются следующие способы получения пленок оксида кремния:

1. Термическое окисление - образование пленки окисла за счет химического взаимодействия частиц окислителя с атомами кремния. Рост пленки происходит в приповерхностном слое подложки, вследствие чего приблизительно 40% толщины пленки окисла образуется за счет материала кремниевой пластины.

Процесс термического окисления происходит в 5 стадий:

• адсорбция - осаждение частиц окислителя (кислорода или воды) из парогазовой смеси на внешней поверхности оксида;

• диффузия частиц окислителя через оксид к границе раздела Si - SiO2;

• химическое взаимодействие окислителя с кремнием и образование новых слоев оксида;

• диффузия газообразных продуктов реакции сквозь оксид к его внешней поверхности;

• десорбция и удаление продуктов реакции газовым потоком.

Рост окисла происходит на границе раздела Si - SiO2, которая в процессе окисления движется вглубь подложки. Внешняя поверхность оксида движется вверх за счет больших размеров молекул оксида кремния.

Скорость окисления определяется скоростью самой медленной стадии -диффузии окислителя сквозь растущую пленку к границе раздела Si - SiO2.

1.1. Окисление в сухом кислороде: происходит в атмосфере O2.

1.2. Окисление во влажном кислороде: производится в атмосфере O2 и паров воды.

1.3. Окисление при повышенном давлении (5МПа или 10МПа): позволяет получать более толстые пленки оксидов за время, сопоставимое со временем процесса при атмосферном давлении.

1.4. Окисление в галогенсодержащих средах: происходит либо в атмосфере газообразного HCl и сухого O2, либо в атмосфере газообразного HCl, сухого O2 и паров воды. При таком окислении снижается пористость пленки и уменьшается величина заряда в окисле.

2. Пиролитическое осаждение: пленки оксида кремния получают либо путем термического разложения сложных соединений кремния с выделением оксида кремния, либо окислением моносилана.

3. Пирогенное окисление: пары воды, которые будут использоваться для влажного окисления кремния, получают в пирогенной горелке путем сжигания предварительно очищенных газов (водорода и кислорода) при температуре 800-1200°С.

Рассмотрим, как происходит моделирование процессов сухого и влажного окисления кремния в программе DIOS, которая входит в состав пакета ISE TCAD. Для этого необходимо создать текстовый командный файл (файл с расширением *.cmd) в редакторе «Блокнот».

Командный файл DIOS представляет собой компактное описание последовательности технологических операций. Для каждой операции необходимо указать перечень условий и режимов ее реализации, а также используемую при этом модель процесса. В частности, для окисления по умолчанию используется широко известная модель Дила-Гроува.

Возьмем за основу стандартный технологический процесс окисления кремния в сухом-влажном-сухом кислороде (Рисунок 1). Опытным путем установлено, что в результате проведения данного процесса на пластинах кремния вырастает окисел толщиной 0,5±0,05мкм.

1

1 1

3 ¿i 5

/ \

и / , 5

/ \

/ / 1 \

1 / \

\ 7

0 E 10 IE 20 2E 30 3E Ml И 5(1 ЕЕ SE 105 II 110 115 120 125 130 13Е 140 1« 15(1

Рисунок 1 - Циклограмма процесса окисления кремния. Здесь:

1. загрузка в печь партии пластин, подогретых до Т = 800ОС;

2. нагрев до рабочей температуры, составляющей 1060ОС, со скоростью 5ОС/мин;

3. окисление в сухом кислороде при Т = 1060ОС в течение 30 минут;

4. окисление во влажном кислороде при Т = 1060ОС в течение 50 минут;

5. окисление в сухом кислороде при Т = 1060ОС в течение 10 минут;

6. охлаждение до Т = 800ОС со скоростью 4ОС/мин;

7. выгрузка пластин.

Такой процесс применяется в производстве интегральных схем достаточно часто, так как окисел, выращенный в сухом кислороде, имеет высокое качество, но низкую скорость роста, а окисел, выращенный во влажном кислороде, отличается высокой скоростью роста, но он более пористый и дефектный.

Именно поэтому применяют комбинированный метод окисления: вначале в сухом кислороде выращивают тонкий (около 0,1 мкм) слой окисла, затем во влажном кислороде доращивают его до толщины 0,2...0,8 мкм и завершают процесс окислением в сухом кислороде.

Создадим для программы DIOS текстовый командный файл, который состоит из следующих частей:

1. Заголовок файла, в котором обязательно указывается имя файла:

Title ("OXIDE")

2. Параметры сетки: координаты области, в которой далее будет проводиться моделирование, расстояние между узлами сетки:

Grid (x(0,10) y(0, -10) Dx = 1)

3. Параметры подложки (материалом подложки по умолчанию является кремний): координаты подложки, кристаллографическая ориентация кремния, легирующая примесь и ее концентрация:

Substrate (XLeft = 0, XRight = 10, YSubs = 0, YBottom = -50, Orientation = 100, Element = P, Concentration = 1e+016)

4. Собственно процесс окисления.

Моделирование процесса окисления состоит из следующих этапов:

4.1. Загрузка пластин в печь:

Diffusion (Models (Oxidation (OriDependent = on)) Atmosphere = O2, Pressure = 1atm, Temperature = 800, Time = 15min)

Здесь:

• Atmosphere - атмосфера, в которой производится окисление или диффузия примеси, здесь возможны следующие варианты: азот N2, сухой кислород O2, пары воды H2O, смесь сухого кислорода и паров соляной кислоты O2+HCl, смесь водорода и кислорода H2:O2, смесь водорода, кислорода и азота H2:O2:N2);

• Pressure - давление в атмосферах;

• Temperature - температура процесса в градусах Цельсия;

• Time - длительность процесса в минутах.

4.2. Нагрев печи до рабочей температуры:

Diffusion (Models (Oxidation (OriDependent = on)) Atmosphere = O2, Pressure = 1atm, Temperature = (800, 1060), TempRate = 5)

Здесь: TempRate - скорость изменения температуры, т.е. нагрева печи от 800 до 1060оС, градусов в минуту.

4.3. Сухое окисление:

Diffusion (Models (Oxidation (OriDependent = on)) Atmosphere = O2, PO2 = 1atm, Temperature = 1060, Time = 30min)

4.4. Влажное окисление:

Diffusion (Models (Oxidation (OriDependent = on)) Atmosphere = H2O, PH2O = 1atm, Temperature = 1060, Time = 50min)

4.5. Сухое окисление:

Diffusion (Models (Oxidation (OriDependent = on)) Atmosphere = O2, PO2=1atm, Temperature = 1060, Time = 10min)

4.6. Охлаждение печи:

Diffusion (Models (Oxidation (OriDependent = on)) Atmosphere = O2, Pressure = 1atm, Temperature = (1060, 800), TempRate = 4)

4.7. Выгрузка пластин:

Diffusion (Models (Oxidation (OriDependent = on)) Atmosphere = O2, Pressure = 1atm, Temperature = 800, Time = 15min)

5. Сохранение результатов моделирования:

Save (File = OXIDE, Type = mdraw)

В процессе моделирования на экране можно увидеть, как происходит рост окисла на поверхности пластины (Рисунок 2).

2.521.5"

Оксид кремния о-

Кремний

-0,5 -1-1.5-Ü -2" -2.5-3-3.5" -4" -4.5" -5" -5.5"

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 G 6.5 7 7.5

.5 9 9.5 10

Рисунок 2 - Результат моделирования процесса окисления кремния в программе DIOS.

Когда моделирование будет полностью завершено, можно измерить толщину получившегося окисла (Рисунок 3). В данном случае она составляет 0,54 мкм.

0.250.20,150.1-O.ffi" 0" -0,05" -0.1-0.15-0,2" -0.25-0.3-0,35-0.4-0.45"

Рисунок 3 - Определение толщины оксида кремния в DIOS.

Данные для моделирования были взяты из маршрута реального технологического процесса. Согласно маршруту, толщина окисла должна составлять 0,50±0,05мкм. Таким образом, имеем хорошее совпадение результатов моделирования с опытными данными.

Именно поэтому в ситуации, когда требуется освоить новый технологический процесс в достаточно сжатые сроки, его можно «отработать» на модели, то есть подобрать нужные параметры процесса, не тратя при этом время и материалы. Таким образом, если на пластине необходимо вырастить окисел с заданными параметрами, при помощи моделирования можно подобрать оптимальную температуру и время проведения процесса.

*ISE TCAD - Integrated Systems Engineering Technology Computer Aided Design.

Список литературы

1. Никифорова-Денисова С.Н. Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. В 10 кн. Кн. 5. Термические процессы./ Никифорова-Денисова С.Н., Любушкин Е.Н. - М.: Высш. шк., 1989. - 96 с.

2. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. Учебное пособие для вузов./ Степа-ненко И.П. - Изд. 2-е перераб. и доп. - М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. - 488с., ил.

3. Информационные технологии/ Мельников В.П.// учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям "Автоматизированные системы обработки информации и управления", "Информационные системы и технологии" / В. П. Мельников. Москва, 2008. Сер. Высшее профессиональное образование. Информатика и вычислительная техника

4. Управление системами и процессами/ Смоленцев В.П.// учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки "Конструктор-ско-технологическое обеспечение машиностроительных производств" / В. П. Смолен-цев, В. П. Мельников, А. Г. Схиртладзе ; под ред. В. П. Мельникова. Москва, 2010. Сер. Учебник

5. Kirichek A.V., Barinov S.V., "Development of Parameters Describing Heterogeneous Hardened Structure", Applied Mechanics and Materials, Vol 756, pp. 75-78, May. 2015. (DOI 10.4028/ www.scientific.net/ AMM.756.75).

6. Kirichek A.V., Silantev S.A. Determination of the Energy Parameters of the Shock Mechanism Used to Harden the Surface by Plastic Deformation // Applied Mechanics and Materials Vol. 756 (2015) pp 85-91 (doi:10.4028).

7. A.V. Kirichek, D.L. Soloviev, S.A. Silant'ev Effect of structure heterogeneously hardened by impact deformation waves upon impact strength of the material // IOP: Conference Series. Materials Science and Engineering, 2016, pp. 1-4. 124 011001

Kilchitskaya Mariya Vladimirovna, aspirant (e-mail: ummasha@gmail.com) Bryansk state technical university, Bryansk, Russia Nekrasova Marina Yurievna, associate professor (e-mail: irisensata@mail.ru) Bryansk state technical university, Bryansk, Russia SIMULATION OF SILICON THERMAL OXIDATION PROCESS IN ISE

TCAD

Abstract. This article describes the different ways of silicon thermal oxidation and the example of model of silicon thermal oxidation process in ISE TCAD. Keywords: oxidation of silicon, thermal oxidation, modeling, ISE TCAD.