CN103400045B - 计算干氧扩散反应参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种计算干氧扩散工艺参数的方法，计算出栅氧化层的模拟厚度，不断完善和修改初始工艺参数，得到目标厚度的栅氧化层，从而能够减少试验次数，节约了生产成本，减少了试验的时间，预算较低，提高了生产效率。

Description

计算干氧扩散反应参数的方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种计算干氧扩散反应参数的方法。

背景技术

通常情况下，半导体器件的栅氧化层在炉管中采用热氧化法形成，即使用干氧（氧气或氧原子）直接在高温下扩散至硅中，从而形成二氧化硅。一般栅氧化层的厚度极为关键，对半导体器件的性能有着至关重要的影响。在实际生产半导体器件之前，需要进行试验，得出所要生产出预定厚度栅氧化层的反应参数，例如反应气体的浓度、反应时间以及反应温度，这样才能够得到合适的制程，生产出预定厚度的栅氧化层。

现有技术中，得出所要生产出预定厚度栅氧化层的反应参数采用正交试验方法，不断进行试验，直至栅氧化层的厚度达到要求。正交试验一般是将反应气体的浓度和反应时间固定，通过不断改变反应温度得到生产出预定厚度栅氧化层所需的反应温度；或者将反应气体的浓度和反应温度固定，通过不断改变反应时间得到生产出预定厚度栅氧化层所需的反应时间；或者将反应时间和反应温度固定，通过不断改变反应气体的浓度得到生产出预定厚度栅氧化层所需的反应气体的浓度。

然而，上述正交试验方法的缺陷在于：由于栅氧化层的生长属于扩散过程，栅氧化层的厚度并不是一直随时间呈线性增长，很难精确地调节扩散时间，所以此方法需要多次试验；另外栅氧化层生长除了氧化步骤，通常还有后续热处理（Annealing）的过程，在热处理过程中栅氧化层的厚度会进一步增长，这就为试验方案设计增加了难度，导致试验效率降低；同时，在炉管中试验包括大量的升降温时间，导致每次试验的周期长，占用设备时间长，预算较高，效率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种计算干氧扩散反应参数的方法，能够快速得出较为精准的反应参数，提高效率。

为了实现上述目的，本发明提出一种计算干氧扩散反应参数的方法，包括步骤：

一、设定栅氧化层的目标厚度；

二、设定干氧扩散的初始工艺参数；

三、计算出形成栅氧化层的模拟厚度；

四、将所述模拟厚度与所述目标厚度作比较，若相差大于0.2埃，则返回至步骤二，修改所述初始工艺参数，并重新计算出模拟厚度；若所述模拟厚度与所述目标厚度相差小于等于0.2埃，则以返回此时的初始工艺参数，作为模拟工艺参数；

五、使用所述模拟工艺参数进行试验，测量生产出栅氧化层的实际厚度，若所述实际厚度与所述目标厚度相差大于0.2埃，则修改所述模拟工艺参数，重新试验，直至相差小于等于0.2埃，得出此时的模拟工艺参数即为生产目标厚度栅氧化层所需的实际工艺参。

进一步的，所述初始工艺参数包括氧气的流量、初始反应时间以及反应温度。

进一步的，使用迭代公式计算出模拟厚度，所述迭代公式为：

$-\frac{D}{h}{C}^{\left(n\right)}(i-1,j+1)+(\frac{2D}{h}+\frac{h}{t})C^{(n+1)}(i,j+1)-\frac{D}{h}{C}^{\left(n\right)}(i+1,j+1)=\frac{h}{t}C(i,j)$

其中，h表示空间步长，t表示时间步长，C⁽ⁿ⁾(i,j)为第n次迭代过程中j时刻i位置的氧浓度，n表示迭代次数，i表示空间坐标，j表示当前时刻，D为氧扩散系数。

进一步的，使用迭代公式计算出模拟厚度的步骤包括：

(1)、设置晶圆表面初始时刻氧浓度空间分布值C；

(2)、设置初始时间步长t及最大迭代次数N；

(3)、令j=0；

(4)、将当前时刻j的氧浓度空间分布值C(i，j)设置为初始时刻氧浓度空间分布值C；

(5)、将j+1时刻氧浓度空间分布的第1次迭代值C⁽¹⁾(i，j+1)设为C(i，j)；

(6)、将迭代次数n设置为1；

(7)、若迭代次数n大于等于最大迭代次数N-1时，则返回步骤(2)，缩短初始时间步长t，并重新进行计算；

(8)、由j+1时刻氧浓度空间分布的第n次迭代值C⁽ⁿ⁾(i，j+1)及j时刻的氧浓度空间分布值C(i，j)计算出j+1时刻氧浓度空间分布的第n+1次迭代值C⁽ⁿ⁺¹⁾(i，j+1)；

(9)、如果|C⁽ⁿ⁺¹⁾(i，j+1)-C⁽ⁿ⁾(i，j+1)|<0.01，则以C⁽ⁿ⁺¹⁾(i，j+1)作为j+1时刻的氧浓度空间分布的最终值C(i，j+1)；

(10)、如果j+1小于初始反应时间除以时间步长t，则令j增1，返回步骤(5)；否则，由C(i，j+1)得到在初始工艺条件下的模拟厚度。

进一步的，所述干氧扩散工艺为氧化工艺。

进一步的，将晶圆表面初始时刻氧浓度空间分布值C设为0。

进一步的，所述干氧扩散工艺为退火工艺。

进一步的，测量出晶圆表面初始时刻氧浓度空间分布值C。

进一步的，所述干氧扩散工艺依次包括氧化工艺和退火工艺。

进一步的，所述氧化工艺的氧气的流量恒定，将晶圆表面初始时刻氧浓度空间分布值C设为0；所述退火工艺的氧气的流量为0，初始氧浓度空间分布值C为氧化工艺最终时刻的氧浓度分布值C。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：计算出栅氧化层的模拟厚度，不断完善和修改初始工艺参数，得到目标厚度的栅氧化层，从而能够减少试验次数，节约了生产成本，减少了试验的时间，预算较低，提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明一实施例中计算干氧扩散工艺参数的方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的计算干氧扩散工艺参数的方法

在本实施例中，请参考图1，提出一种计算干氧扩散工艺参数的方法，包括步骤：

S100：设定栅氧化层的目标厚度，所述栅氧化层的目标厚度可以根据工艺要求选择；

S200：设定干氧扩散的初始工艺参数；

在步骤S200中，所述初始工艺参数包括在进行干氧反应时所需氧气的流量、初始反应时间以及反应温度；当所述干氧扩散工艺为氧化工艺时，所述氧化工艺的氧气的流量为恒定值，可以将晶圆表面初始时刻氧浓度空间分布值C设为0；当所述干氧扩散工艺为退火工艺时，所述退火工艺的氧气的流量为0，此时需要测量出晶圆表面初始时刻氧浓度空间分布值C；当所述干氧扩散工艺依次包括氧化工艺和退火工艺时，所述氧化工艺的氧气的流量恒定，可以将晶圆表面初始时刻氧浓度空间分布值C设为0；所述退火工艺的氧气的流量为0，初始氧浓度空间分布值C为所述氧化工艺最终时刻的氧浓度分布值C；初始反应时间以及反应温度可以根据业界的经验值进行设定。

S300：计算出形成栅氧化层的模拟厚度；

在该步骤中，使用迭代公式计算出模拟厚度，所述迭代公式为：

$-\frac{D}{h}{C}^{\left(n\right)}(i-1,j+1)+(\frac{2D}{h}+\frac{h}{t})C^{(n+1)}(i,j+1)-\frac{D}{h}{C}^{\left(n\right)}(i+1,j+1)=\frac{h}{t}C(i,j)$

其中，h表示空间步长，t表示时间步长，C⁽ⁿ⁾(i,j)为第n次迭代过程中j时刻i位置的氧浓度，n表示迭代次数，i表示空间坐标（i=1，2，…，模拟区域深度/h），j表示当前时刻（j=0，1，…，初始反应时间/t），D为氧扩散系数。

即第n+1次迭代后的、第j+1时刻的、第i个空间点的氧浓度C⁽ⁿ⁺¹⁾(i,j+1)应由第n次迭代后的、第j+1时刻的、第i-1个空间点的氧浓度C⁽ⁿ⁾(i-1,j+1)和第n次迭代后的、第j+1时刻的、第i+1个空间点的氧浓度C⁽ⁿ⁾(i+1,j+1)以及第j时刻的、第i个空间点的氧浓度C(i,j)计算得出。其中，计算原理为菲克第二定律公式，即为：

$\frac{\&PartialD;C}{\&PartialD;t}=D{\&dtri;}^{2}C,$

其中所述C为晶圆内的氧浓度空间分布值，其与时刻和深度有关，即反应时间越长，氧浓度会扩散越深；t为时刻；D为扩散系数，D与温度有关，可根据试验值估算；▽为哈密顿算子；

将菲克第二定律公式采用全隐式控制容积法进行离散，即可得到上述迭代公式。

接着，使用迭代公式计算出模拟厚度的步骤包括：

(1)、设置晶圆表面初始时刻氧浓度空间分布值C；

(2)、设置初始时间步长t及最大迭代次数N；

(3)、令j=0；

(4)、将当前时刻j的氧浓度空间分布值C(i，j)设置为初始时刻氧浓度空间分布值C；

(5)、将j+1时刻氧浓度空间分布的第1次迭代值C⁽¹⁾(i，j+1)设为C(i，j)；

(6)、将迭代次数n设置为1；

(7)、若迭代次数n大于等于最大迭代次数N-1时，则返回步骤(2)，缩短初始时间步长t，并重新进行计算；

(8)、由j+1时刻氧浓度空间分布的第n次迭代值C⁽ⁿ⁾(i，j+1)及j时刻的氧浓度空间分布值C(i，j)计算出j+1时刻氧浓度空间分布的第n+1次迭代值C⁽ⁿ⁺¹⁾(i，j+1)；

(9)、如果|C⁽ⁿ⁺¹⁾(i，j+1)-C⁽ⁿ⁾(i，j+1)|<0.01，则以C⁽ⁿ⁺¹⁾(i，j+1)作为j+1时刻的氧浓度空间分布的最终值C(i，j+1)；

(10)、如果j+1小于初始反应时间除以时间步长t，则令j增1，返回步骤(5)；否则，由C(i，j+1)得到在初始工艺条件下的模拟厚度。

S400：所述模拟厚度与所述目标厚度作比较，若相差大于0.2埃，则返回至步骤二，修改所述初始工艺参数，并重新计算出模拟厚度；若所述模拟厚度与所述目标厚度相差小于等于0.2埃，则以返回此时的初始工艺参数，作为模拟工艺参数；

S500：使用所述模拟工艺参数进行试验，测量生产出栅氧化层的实际厚度，若所述实际厚度与所述目标厚度相差大于0.2埃，则修改所述模拟工艺参数，重新试验，直至相差小于等于0.2埃，得出此时的模拟工艺参数即为生产目标厚度栅氧化层所需的实际工艺参。

此时得到的实际工艺参数便能够投入生产，提高了测试效率。

综上，在本发明实施例提供的计算干氧扩散工艺参数的方法中，计算出栅氧化层的模拟厚度，不断完善和修改初始工艺参数，得到目标厚度的栅氧化层，从而能够减少试验次数，节约了生产成本，减少了试验的时间，预算较低，提高了生产效率。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种计算干氧扩散工艺参数的方法，包括步骤：

一、设定栅氧化层的目标厚度；

二、设定干氧扩散的初始工艺参数；

三、计算出形成栅氧化层的模拟厚度,使用迭代公式计算出模拟厚度，所述迭代公式为：

其中，h表示空间步长，t表示时间步长，C⁽ⁿ⁾(i,j)为第n次迭代过程中j时刻i位置的氧浓度，n表示迭代次数，C(i,j)表示j时刻i点的氧浓度空间分布值，i表示空间坐标，j表示当前时刻，D为氧扩散系数；

四、将所述模拟厚度与所述目标厚度作比较，若相差大于0.2埃，则返回至步骤二，修改所述初始工艺参数，并重新计算出模拟厚度；若所述模拟厚度与所述目标厚度相差小于等于0.2埃，则以返回此时的初始工艺参数，作为模拟工艺参数；

五、使用所述模拟工艺参数进行试验，测量生产出栅氧化层的实际厚度，若所述实际厚度与所述目标厚度相差大于0.2埃，则修改所述模拟工艺参数，重新试验，直至相差小于等于0.2埃，得出此时的模拟工艺参数即为生产目标厚度栅氧化层所需的实际工艺参数。

2.如权利要求1所述的计算干氧扩散工艺参数的方法，其特征在于，所述初始工艺参数包括氧气的流量、初始反应时间以及反应温度。

3.如权利要求1所述的计算干氧扩散工艺参数的方法，其特征在于，使用迭代公式计算出模拟厚度的步骤包括：

(1)、设置晶圆表面初始时刻氧浓度空间分布值C；

(2)、设置初始时间步长t及最大迭代次数N；

(3)、令j＝0；

(4)、将当前时刻j的氧浓度空间分布值C(i，j)设置为初始时刻氧浓度空间分布值C；

(5)、将j+1时刻氧浓度空间分布的第1次迭代值C⁽¹⁾(i，j+1)设为C(i，j)；

(6)、将迭代次数n设置为1；

(7)、若迭代次数n大于等于最大迭代次数N-1时，则返回步骤(2)，缩短初始时间步长t，并重新进行计算；

(8)、由j+1时刻氧浓度空间分布的第n次迭代值C⁽ⁿ⁾(i，j+1)及j时刻的氧浓度空间分布值C(i，j)计算出j+1时刻氧浓度空间分布的第n+1次迭代值C⁽ⁿ⁺¹⁾(i，j+1)；

(9)、如果|C⁽ⁿ⁺¹⁾(i，j+1)-C⁽ⁿ⁾(i，j+1)|<0.01，则以C⁽ⁿ⁺¹⁾(i，j+1)作为j+1时刻的氧浓度空间分布的最终值C(i，j+1)；

(10)、如果j+1小于初始反应时间除以时间步长t，则令j增1，返回步骤(5)；否则，由C(i，j+1)得到在初始工艺条件下的模拟厚度。

4.如权利要求3所述的计算干氧扩散工艺参数的方法，其特征在于，所述干氧扩散工艺为氧化工艺。

5.如权利要求4所述的计算干氧扩散工艺参数的方法，其特征在于，将晶圆表面初始时刻氧浓度空间分布值C设为0。

6.如权利要求3所述的计算干氧扩散工艺参数的方法，其特征在于，所述干氧扩散工艺为退火工艺。

7.如权利要求6所述的计算干氧扩散工艺参数的方法，其特征在于，测量出晶圆表面初始时刻氧浓度空间分布值C。

8.如权利要求3所述的计算干氧扩散工艺参数的方法，其特征在于，所述干氧扩散工艺依次包括氧化工艺和退火工艺。

9.如权利要求8所述的计算干氧扩散工艺参数的方法，其特征在于，所述氧化工艺的氧气的流量恒定，将晶圆表面初始时刻氧浓度空间分布值C设为0；所述退火工艺的氧气的流量为0，初始氧浓度空间分布值C为氧化工艺最终时刻的氧浓度分布值C。