JPH0737821A - Thin film manufacturing device and manufacture of semiconductor device - Google Patents

Thin film manufacturing device and manufacture of semiconductor device

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JPH0737821A
JPH0737821A JP17879193A JP17879193A JPH0737821A JP H0737821 A JPH0737821 A JP H0737821A JP 17879193 A JP17879193 A JP 17879193A JP 17879193 A JP17879193 A JP 17879193A JP H0737821 A JPH0737821 A JP H0737821A
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JP
Japan
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thin film
reaction
film
neural network
film forming
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Application number
JP17879193A
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Japanese (ja)
Inventor
Takuya Maruizumi
琢也 丸泉
Ryotaro Irie
亮太郎 入江
Satoshi Ito
智 伊藤
Jiro Ushio
二郎 牛尾
Ken Yamaguchi
憲 山口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To provide a thin film manufacturing device capable of cutting down the fundamental experiments based on the trials and errors by a method wherein nonlinear separation and prediction power of a neural network are used thereby enabling the film forming process operation control amount to be predicted by the whole or a part of film forming specifications. CONSTITUTION:The kinds of reaction gas inputted by a film forming specification inputting means 1 and the kinds of deposited substrate are analyzed by an electronic structural property analyzer neutral network 70 so as to predict chemical reaction formula, reaction rate formula, etc. Next, the film forming process operation control amount corresponding to the film forming specifications is predicted according to these data by a fluid reaction engineering analyzer. Through these procedures, the film forming process operation control amount of not only well known reaction gas group but also new reaction gas group can be predicted thereby enabling the waste of time and resources based on the trials and errors to be notably cut down.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、既知成膜系の製造条件
設定を容易とするとともに、成膜プロセス運転制御量を
予測可能とした薄膜製造装置及び薄膜製造装置の制御方
法並びにそれを用いた半導体装置の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thin film manufacturing apparatus and a method for controlling the thin film manufacturing apparatus, which facilitates setting of manufacturing conditions for a known film forming system, and which makes it possible to predict the operation control amount of the film forming process. The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の薄膜製造装置においては、所望の
成膜仕様(指定反応ガス種による指定基板上への指定薄
膜堆積、成長速度、成長膜厚、選択性、膜質)を満たす
薄膜を得るために基板温度、反応ガス導入圧力、混合比
率をはじめとする反応チャンバ実験条件をマトリックス
的に変え、最適条件を試行錯誤により見出す必要があっ
た。これは成膜仕様の多くが上記反応チャンバ実験条件
の複雑な非線形関数であるため、線形予測により最適実
験条件を見出す事が困難である事による。
2. Description of the Related Art In a conventional thin film manufacturing apparatus, a thin film satisfying desired film forming specifications (designated thin film deposition on a designated substrate by designated reaction gas species, growth rate, growth film thickness, selectivity, film quality) is obtained. Therefore, it was necessary to find the optimum conditions by trial and error by changing the reaction chamber experimental conditions such as the substrate temperature, the reaction gas introduction pressure, and the mixing ratio in a matrix manner. This is because it is difficult to find the optimum experimental condition by linear prediction because most of the film formation specifications are complicated nonlinear functions of the reaction chamber experimental condition.

【0003】また、運転履歴の全く知られていない成膜
プロセス、例えば、新規反応ガスや新規堆積基板を用い
る場合にはその試行錯誤の繰返しは既知成膜系に比べ著
しく増大し、プロセス立ち上げが長期にわたるという問
題点があった。
Further, in the case of a film forming process whose operation history is not known at all, for example, when a new reaction gas or a new deposition substrate is used, the repetition of trial and error is remarkably increased as compared with the known film forming system, and the process is started up. However, there was a problem that it lasted for a long time.

【0004】このため、数値シミュレーションにより、
反応チャンバ内での圧力分布、温度分布、反応ガス濃度
を流体反応工学的手法により解析し、成膜速度と成膜形
状を事前に予測し、試行錯誤の回数を減らし、さらに限
界性能を知る試みがなされるように成ってきた。例えば
ジャーナルオブエレクトロケミカルソサエティ[J. Ele
ctrochem. Soc. ,138,1728(1991)]にはモノシラン還元
によるタングステン金属薄膜形成シミュレーションが報
告されている。これらの成膜シミュレーションではガス
導入部での反応ガス分圧や堆積基板上温度などを境界条
件とする反応、拡散、熱伝達連立微分方程式を解く事に
より堆積面上での成長速度予測と、その位置依存性から
成膜形状分布を予測することを可能としている。
Therefore, by numerical simulation,
An attempt to analyze the pressure distribution, temperature distribution, and reaction gas concentration in the reaction chamber by a fluid reaction engineering method, predict the film formation rate and film formation shape in advance, reduce the number of trials and errors, and learn the limit performance. Has come to be done. For example, Journal of Electrochemical Society [J. Ele
ctrochem. Soc., 138 , 1728 (1991)], a simulation of tungsten metal thin film formation by monosilane reduction has been reported. In these film formation simulations, the reaction rate, diffusion, and heat transfer with the boundary conditions such as the partial pressure of the reaction gas at the gas inlet and the temperature on the deposition substrate are solved to predict the growth rate on the deposition surface and It is possible to predict the film-formation profile distribution from the position dependence.

【0005】また、表面化学反応の詳細を分子軌道法を
はじめとする電子状態解析法により解析し、成長反応素
過程をもとめ、化学反応式や反応速度の手がかりを求め
る試みもなされ、総合的な薄膜形成シミュレーションが
指向されている。例えば、ジクロロシランをソースガス
とするシリコンエピタキシャル成長の分子軌道法による
反応素過程解析が応用物理、57巻、1022頁に報告
されている。これらの反応素過程解析では、ソースガス
より発生可能な反応種の予測や生成反応種同士の反応と
表面付着過程を分子軌道法により解析し、解離エネルギ
や吸着エネルギの予測を試みている。
Further, the details of the surface chemical reaction are analyzed by an electronic state analysis method such as a molecular orbital method, and an attempt is made to obtain a chemical reaction formula and a clue of a reaction rate by finding a growth reaction elementary process. Thin film formation simulation is aimed at. For example, a reaction elementary process analysis by a molecular orbital method of silicon epitaxial growth using dichlorosilane as a source gas is reported in Applied Physics, Vol. 57, page 1022. In these reaction elementary process analysis, prediction of reactive species that can be generated from the source gas, reaction between generated reactive species and surface attachment process are analyzed by the molecular orbital method, and attempts are made to predict dissociation energy and adsorption energy.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】然し、かかる薄膜形成
シミュレーションでは成膜に関与する化学反応の反応式
や成長反応速度式を仮定、若しくは実験的に決定してお
り、これらを決定する為には依然多くの試行錯誤に基づ
く基礎実験が必要であるという課題を有している。この
ため、新規な反応ガスや堆積基板を用いる場合には、再
度、基礎実験を繰り返す必要がある。
However, in such a thin film formation simulation, reaction formulas of chemical reactions involved in film formation and growth reaction rate formulas are assumed or experimentally determined. It still has a problem that basic experiments based on many trials and errors are necessary. Therefore, when a new reaction gas or a deposition substrate is used, it is necessary to repeat the basic experiment.

【0007】また、分子軌道法などの電子状態解析法に
より化学反応に関する反応式や反応速度式の手がかりを
求める計算機シミュレーションにおいては、その計算時
間と計算機メモリ容量の制限によりシリレン等の極めて
原子数の制限された反応種しか解析出来ず、一般の薄膜
形成プロセスで利用される反応ガスから生成すると考え
られる反応中間体同士の反応や、固体表面までふくめた
付着過程を解析出来ないと言う課題がある。
Further, in a computer simulation for obtaining a clue of a reaction equation or a reaction rate equation relating to a chemical reaction by an electronic state analysis method such as a molecular orbital method, the number of atoms such as silylene is extremely limited due to the limitation of the calculation time and the computer memory capacity. There is a problem that only limited reaction species can be analyzed, and it is not possible to analyze the reaction between reaction intermediates that are considered to be generated from the reaction gas used in the general thin film forming process and the adhesion process including solid surface. .

【0008】本発明の目的は、成膜仕様の全部またはそ
の一部より成膜プロセス運転制御量を予測可能とし、試
行錯誤に基づく基礎実験作業量を低減可能とした薄膜製
造装置を提供する事である。
An object of the present invention is to provide a thin film manufacturing apparatus capable of predicting a film formation process operation control amount from all or a part of a film formation specification and reducing a basic experiment work amount based on trial and error. Is.

【0009】また本発明の他の目的は、化学反応に関す
る反応式や反応速度式の手がかりを求める化学反応経路
探索に必要な計算時間と計算機メモリ容量低減を可能と
した薄膜製造装置の制御方法を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a control method of a thin film manufacturing apparatus capable of reducing the calculation time and the computer memory capacity required for searching a chemical reaction route for obtaining a clue of a reaction equation or a reaction rate equation relating to a chemical reaction. To provide.

【0010】さらに本発明の他の目的は均一性、信頼性
の高い薄膜を容易に形成できる薄膜形成工程を有する半
導体装置の製造方法を提供することにある。
Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device having a thin film forming step capable of easily forming a thin film having high uniformity and reliability.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記目的は、成膜仕様の
全部またはその一部を一次の入力として、成膜プロセス
運転制御量を最終出力とする予測手続きにニューラルネ
ットワークを用いる事により、試行錯誤に基づく基礎実
験の低減を可能とし、さらに新規反応ガスに対しても予
測能を持つ薄膜製造装置により達成される。
[Means for Solving the Problems] The above-mentioned object is tried by using a neural network for a prediction procedure in which all or a part of a film formation specification is a primary input and a film formation process operation control amount is a final output. This can be achieved by a thin-film manufacturing system that can reduce the number of basic experiments based on errors and can predict new reaction gases.

【0012】また、上記目的は、上記ニューラルネット
ワークにデータベースへのアクセス機能と、このデータ
ベース情報を教師パターンとする学習機能を持たせ、ニ
ューラルネットワークの連想機能により成膜プロセス運
転制御量予測機能を持つ薄膜製造装置により、より効果
的に達成することができる。
Further, the above object is to provide the neural network with a database access function and a learning function using the database information as a teacher pattern, and have a film formation process operation control amount prediction function by the neural network associative function. This can be achieved more effectively by the thin film manufacturing apparatus.

【0013】上記目的は、成膜仕様の一部である反応ガ
ス種、堆積基板種の双方、或いはそのいずれか一方の分
子構造、結晶構造情報を入力とし、分子の電子軌道構
造、反応性指標、結合次数、成膜反応次数、成膜活性化
エネルギ、表面超格子構造、結晶表面バンド構造からな
る電子構造と物性情報の全部もしくは一部を出力とする
電子構造物性解析装置を設け、該電子構造物性解析装置
よりの出力情報の全部またはその一部、そして他の成膜
仕様の一部、以上のいづれかを入力とし、成膜プロセス
運転制御量を出力とするニューラルネットワークを備え
た事を特徴とする薄膜製造装置により、より効果的に達
成することができる。
The above object is to input the molecular structure and crystal structure information of the reactive gas species and / or the deposition substrate species, which are part of the film formation specifications, and to input the electron orbital structure of the molecule and the reactivity index. , Bond order, film formation reaction order, film formation activation energy, surface superlattice structure, electronic structure consisting of crystal surface band structure, and an electronic structure physical property analyzer for outputting all or part of physical property information are provided. It is equipped with a neural network that inputs all or part of the output information from the structural property analyzer and part of other film formation specifications, and outputs the film formation process operation control amount as input. This can be achieved more effectively by the thin film manufacturing apparatus.

【0014】上記目的は、成膜仕様の一部である反応ガ
ス種、堆積基板種の双方、或いはそのいずれか一方の分
子構造、結晶構造情報を入力とし、分子の電子軌道構
造、反応性指標、結合次数、表面超格子構造、結晶表面
バンド構造からなる電子構造と物性情報の全部もしくは
一部を出力とする電子構造物性解析装置を設け、該電子
構造物性解析装置よりの出力情報の全部またはその一部
を入力とし、薄膜成長化学反応式、薄膜成長反応速度
式、薄膜成長活性化エネルギの全部またはいずれかを出
力とするニューラルネットワークを設け、該ニューラル
ネットワーク出力、反応ガス導入圧力、チャンバ温度、
基板温度の全部或いは任意の組合せを入力とし、チャン
バ内圧力分布、温度分布、基板面上薄膜成長速度の全部
或いは任意の組合せを解析する流体反応工学手段により
成膜プロセス運転制御量を予測する事を特徴とする薄膜
製造装置により、より効果的に達成することができる。
The above object is to input the molecular structure and crystal structure information of the reactive gas species and / or the deposition substrate species, which are part of the film formation specifications, and to input the electron orbital structure of the molecule and the reactivity index. A bond order, a surface superlattice structure, an electronic structure consisting of a crystal surface band structure, and an electronic structure physical property analyzer that outputs all or a part of the physical property information are provided, and all the output information from the electronic structure physical property analyzer or A neural network is provided, which takes as an input a part of the chemical reaction formula for thin film growth, a reaction formula for thin film growth reaction, and / or a thin film growth activation energy, and outputs the neural network, reaction gas introduction pressure, and chamber temperature. ,
Input all or any combination of substrate temperatures, and predict the film formation process operation control amount by fluid reaction engineering means that analyzes all or any combination of pressure distribution in chamber, temperature distribution, and thin film growth rate on substrate surface. Can be more effectively achieved by the thin film manufacturing apparatus characterized by the above.

【0015】また、上記他の目的は成膜プロセス運転制
御量予測手続きに必要となる化学反応式や反応速度式を
ニューラルネットワークを用いて導出する際に、解析体
系の原子配置自由度を制限することにより計算時間と計
算機メモリ容量の低減を可能とした化学反応経路探索ス
テップを備えた薄膜製造装置の制御方法により達成でき
る。
Another object is to limit the degree of freedom of atomic arrangement of the analysis system when deriving a chemical reaction formula or reaction rate formula required for the film formation process operation control amount prediction procedure using a neural network. This can be achieved by a method for controlling a thin film manufacturing apparatus including a chemical reaction route searching step that enables reduction in calculation time and computer memory capacity.

【0016】さらに、上記他の目的は前記化学反応経路
探索方法を備えた分子軌道法をはじめとする電子構造物
性解析装置を上記ニューラルネットワークを利用して求
められる予測成膜プロセス運転制御量を用いて薄膜を形
成する工程を含む半導体装置の製造方法により達成する
ことができる。
Still another object is to use a predicted film forming process operation control amount obtained by using the neural network in an electronic structure physical property analyzing apparatus including a molecular orbital method having the chemical reaction path searching method. This can be achieved by a method for manufacturing a semiconductor device including a step of forming a thin film by using

【0017】[0017]

【作用】本発明によれば、成膜仕様を満たす成膜プロセ
ス運転制御量予測に際し、ニューラルネットワークをそ
の予測手段として用いると、ニューラルネットワークを
構成する各ニューロンの非線形応答関数とニューロン間
の結合重みを調節し任意の非線形応答を再構成できるた
め成膜プロセス運転制御量と成膜仕様との複雑な非線形
関係が解析的に既知でなくとも成膜プロセス運転制御量
を予測できる。
According to the present invention, when a neural network is used as the predicting means in predicting the film formation process operation control amount that satisfies the film forming specifications, the nonlinear response function of each neuron forming the neural network and the connection weight between neurons are used. Can be adjusted to reconstruct an arbitrary nonlinear response, so that the film formation process operation control amount can be predicted even if the complex nonlinear relation between the film formation process operation control amount and the film formation specification is not known analytically.

【0018】また、化学反応経路探索に際して、解析体
系の原子配置自由度を制限することにより計算時間と計
算機メモリ容量の低減が可能と成る。
Further, in searching for a chemical reaction path, the calculation time and the computer memory capacity can be reduced by limiting the degree of freedom of atomic arrangement of the analysis system.

【0019】さらに、この化学反応経路探索法を先のニ
ューラルネットワークを利用する成膜プロセス運転制御
量予測の一部に取り込む事により、新規反応ガスや堆積
基板表面に対しても化学反応式や反応速度式の予測が高
速に行なえ、運転制御量予測の高効率化が行なえる。
Further, by incorporating this chemical reaction path search method into a part of the film formation process operation control amount prediction using the above neural network, the chemical reaction formula and the reaction can be applied to the new reaction gas and the deposition substrate surface. The speed formula can be predicted at high speed, and the operation control amount prediction can be made highly efficient.

【0020】[0020]

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0021】図1は本発明による薄膜製造装置の一実施
例の全体構成図である。薄膜製造装置は、直接成膜に関
与する反応チャンバ・制御部1000と制御量予測部2
000の二つの部分に分けられる。まず反応チャンバ・
制御部1000は、反応チャンバ10、反応チャンバ1
0を高真空状態に保持する真空排気手段40、薄膜形成
用反応ガスを反応チャンバ10内に導入するガス導入手
段20、薄膜堆積基板を反応チャンバ10内に導入、保
持する基板導入保持手段30、反応チャンバ10内の温
度分布、ガス圧力分布、反応生成ガス種、堆積基板表面
温度、表面吸着種等を定性的或いは定量的に分析する分
析手段50、そして、反応チャンバ10内の温度、全圧
力、堆積基板温度、導入反応ガス混合比等を制御する制
御手段60よりなる。分析手段50の出力はデータベー
ス80ヘ入力され、実験データ情報として保存される。
次に、制御量予測部2000は、ニューラルネットワー
ク70、ニューラルネットワーク70に堆積基板の種
別、利用反応ガスの種別、目的堆積薄膜の種別、薄膜成
膜速度、残留応力をはじめとする薄膜機械物性、電気伝
導度、絶縁性などの薄膜電気物性等より構成される薄膜
形成仕様をニューラルネットワーク70に入力する成膜
仕様入力手段1、成膜仕様を入力、表示する際に用いる
キーボード2、CRT(Cathode ray tube)3、ニュー
ラルネットワーク70がデータベース80にアクセス
し、そのデータベース情報を利用する際に必要となるデ
ータベースアクセス手段90、そしてニューラルネット
ワーク70により出力される成膜プロセス運転制御量を
表示する成膜プロセス運転制御量表示部300より構成
される。ここで用いる成膜仕様入力手段1は、キーボー
ド2より入力した成膜仕様を直接ニューラルネットワー
ク70に入力する機能とともに入力成膜仕様を他のデー
タに変換し、ニューラルネットワーク70に入力する機
能も有している。例えば、リン元素を添加したポリシリ
コン薄膜をジシラン、フォスフィン混合ガスを用いてC
VD法により形成する時、成膜仕様の電気伝導度を膜中
リン添加量へ変換する機能や流量比の分圧比、モル比へ
の変換機能などを有している。なお、本実施例では、キ
ーボード2を用いてデータを入力したが、入力手段はキ
ーボードに限定されない。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of an embodiment of a thin film manufacturing apparatus according to the present invention. The thin film manufacturing apparatus includes a reaction chamber / control unit 1000 and a control amount prediction unit 2 that are directly involved in film formation.
It is divided into two parts of 000. First, the reaction chamber
The control unit 1000 includes a reaction chamber 10 and a reaction chamber 1.
0 in a high vacuum state, a vacuum evacuation unit 40, a gas introduction unit 20 that introduces a thin film forming reaction gas into the reaction chamber 10, a substrate introduction holding unit 30 that introduces and holds a thin film deposition substrate in the reaction chamber 10, Analytical means 50 for qualitatively or quantitatively analyzing temperature distribution, gas pressure distribution, reaction product gas species, deposition substrate surface temperature, surface adsorption species, etc. in the reaction chamber 10, and temperature and total pressure in the reaction chamber 10. , Control means 60 for controlling the temperature of the deposition substrate, the mixing ratio of the introduced reaction gas and the like. The output of the analysis means 50 is input to the database 80 and stored as experimental data information.
Next, the controlled variable predicting unit 2000 causes the neural network 70, the type of deposited substrate, the type of reaction gas used, the type of target deposited thin film, the thin film deposition rate, the thin film mechanical properties such as residual stress, to the neural network 70, A film formation specification input means 1 for inputting a thin film formation specification composed of thin film electrical properties such as electric conductivity and insulation to the neural network 70, a keyboard 2 used for inputting and displaying the film formation specification, a CRT (Cathode) ray tube) 3, the neural network 70 accesses the database 80, the database access means 90 required when the database information is used, and the film formation process operation control amount output by the neural network 70. The process operation control amount display unit 300 is provided. The film formation specification input means 1 used here has a function of directly inputting the film formation specification input from the keyboard 2 into the neural network 70 and a function of converting the input film formation specification into other data and inputting it into the neural network 70. is doing. For example, a polysilicon thin film to which phosphorus element is added is mixed with disilane and phosphine mixed gas to form C
When it is formed by the VD method, it has a function of converting the electrical conductivity of the film-forming specifications into the amount of phosphorus added in the film, a partial pressure ratio of the flow rate ratio, and a molar ratio. In the present embodiment, the keyboard 2 is used to input data, but the input means is not limited to the keyboard.

【0022】さて、本実施例におけるデータベース80
は過去の薄膜形成プロセスに関する運転履歴と製造薄膜
性能を保持している。そのデータ構成は、成膜仕様の設
定入力、分析手段50により計測された該成膜プロセス
中の反応チャンバ10内の温度分布、ガス圧力分布、反
応生成ガス種、堆積基板表面温度、表面吸着種等の定
性、定量分析結果、反応チャンバ10内の温度、全圧
力、堆積基板温度、導入反応ガス混合比等を設定変化さ
せた制御手段60の運転履歴、そして成膜後解析された
薄膜の機械、電気物性や成膜速度、成膜形状などの解析
結果等から成り、リレーショナルデータベース形式で保
持、保存され、データベースアクセス手段90によりニ
ューラルネットワーク70からのアクセスを可能として
いる。
Now, the database 80 in this embodiment.
Maintains operational history and thin film performance of past thin film formation processes. The data structure is such that the setting input of the film formation specification, the temperature distribution in the reaction chamber 10 during the film formation process measured by the analysis means 50, the gas pressure distribution, the reaction product gas species, the deposition substrate surface temperature, and the surface adsorption species. Etc. qualitative and quantitative analysis result, temperature in reaction chamber 10, total pressure, deposition substrate temperature, operation history of control means 60 with setting and mixing ratio of introduced reaction gas, and thin film machine analyzed after film formation. It is made up of analysis results of electrical properties, film forming speed, film forming shape, etc., and is stored and stored in a relational database format, and the database access means 90 enables access from the neural network 70.

【0023】次に、本実施例による薄膜製造装置の動作
を具体的に説明する。実験者は目的薄膜の成膜仕様、具
体的には堆積基板の種別、利用反応ガスの種別、目的堆
積薄膜の種別、薄膜成膜速度、残留応力をはじめとする
薄膜機械物性、電気伝導度、絶縁性などの薄膜電気物性
等をキーボード2より入力する。これらの入力仕様は成
膜仕様入力手段1によりニューラルネットワーク70の
入力に変換される。ニューラルネットワーク70はこの
入力より成膜仕様を満たす成膜プロセス運転制御量を出
力する。成膜プロセス運転制御量は成膜プロセス運転制
御量表示部300に表示されると供に、制御手段60へ
入力され成膜プロセスが運転開始する。
Next, the operation of the thin film manufacturing apparatus according to this embodiment will be specifically described. The experimenter is required to form the target thin film, specifically, the type of deposition substrate, the type of reaction gas used, the type of target deposition thin film, the thin film deposition rate, the mechanical properties of the thin film such as residual stress, the electrical conductivity, A thin film electrical property such as insulation is input from the keyboard 2. These input specifications are converted into inputs of the neural network 70 by the film formation specification input means 1. The neural network 70 outputs a film formation process operation control amount satisfying the film formation specification from this input. The film formation process operation control amount is displayed on the film formation process operation control amount display unit 300 and is also input to the control means 60 to start the operation of the film formation process.

【0024】次に、ニューラルネットワーク70の構成
とその動作について説明する。ニューラルネットワーク
70は図2に示すニューロンモデルを用い、これを図3
に示すように階層型に配置した多層型ニューラルネット
ワークで構成されている。基本単位となるニューロンモ
デルは多数入力{xj}より単一出力{Y}を出力す
る。その出力{Y}は入力{xj}に夫々の重み{w
j}を掛けた積和X(X=Σxj・wj)を非線形関数
fにより変換したものである。通常、入力{xj}と出
力{Y}はその値域が[0、1]範囲に制限されてい
る。関数fの非線形動作がニューラルネットワーク全体
の非線形性を決めている。本実施例では積和Xを入力と
する応答関数fにシグモイド関数(f=1/(1+ex
p(−X))を用いている。非線形応答関数としてはシ
グモイド関数モデル以外に、マカロック・ピッツモデ
ル、ボルツマン・マシンモデル、カオスモデル等を用い
てもその基本動作には何らの支障も無い。図3に示した
階層型ニューラルネットワークでは入力層ニューロンと
中間層ニューロン、中間層ニューロンと出力層ニューロ
ン等の連続2層間がニューロン間の重み{wj}で連結
された構成と成っている。各段の出力は入力側にフィー
ドバックされることはない。さてこのような入出力機能
を持つニューロンモデルを用い、図3に示すように構成
した階層型ニューラルネットワークは学習、連想機能を
持つことが良く知られている。この点に関しては、例え
ば、中野馨監修、“ニューロコンピュータ”、技術評論
社、平成元年9月発行等の文献に詳しく説明されてい
る。本発明では、この学習、連想機能を成膜プロセス運
転制御量予測に積極的に利用している。また本発明で
は、入力層、中間層、出力層の三層よりなるニューラル
ネットワークを利用しているが、さらに中間層の層数を
増やしてもその学習、連想機能には何ら問題は無い。但
し、非線形性を表現するためには、入力に対して、正出
力、負出力の双方の応答を再現する必要があるため、中
間層中に含まれるニューロン数は、入力層中に含まれる
ニューロン数の最低2倍必要である。次に、学習、連想
機能を本発明に即して幾分詳しく説明する。先ず、過去
の薄膜形成プロセスに関する製造薄膜仕様を入力{x
j}とする時、ニューラルネットワーク70がその薄膜
製造プロセスの運転履歴を出力するように学習させる。
この入出力データはデータベース80に保存されてお
り、データベースアクセス手段90によりニューラルネ
ットワーク70の入出力データとすることが可能であ
る。また、先に述べたようにニューロンの入出力値範囲
は通常[0、1]範囲に制限して取り扱うため、成膜速
度、残留応力をはじめとする薄膜機械物性、電気伝導
度、絶縁性等の製造薄膜仕様と温度、全圧力、堆積基板
温度、導入反応ガス混合比等の薄膜製造プロセス運転履
歴データを事前に上記範囲内に規格化しておく必要があ
る。これは成膜仕様入力手段1及び分析手段50に規格
化機能を持たせる事により解決している。具体的には、
これら諸量の最大値を事前に設定しておき、各入力仕様
をこれら最大値で除算するようしている。さて、学習機
能は、製造薄膜仕様入力{xj}(図3ではXa,X
b,Xcに対応する)に対するニューラルネットワーク
70の出力{Yi}(図3ではY1、Y2、Y3に対応す
る)が薄膜製造プロセス運転履歴データ{Ti}(図3
ではT1、T2、T3に対応する)に一致するまで層間ニ
ューロンを結ぶ結合係数{wj}を変化させることによ
り達成している。{Ti}は対象としている薄膜製造プ
ロセスに関する成膜仕様でありデータベース80よりデ
ータベースアクセス手段90を介して選択、設定でき
る。図3では目標値となる運転履歴データ{Ti}の事
を教師信号と記載している。具体的な結合係数{wj}
の初期設定法と変化方法に関して、本実施例ではラメル
ハートらによるバックプロパゲーション法を用い結合係
数{wj}の最適解を得るようにした。その基本は{T
i}と{Yi}の二乗誤差和を評価関数として定義し、
同評価関数が減少するよう結合係数{wj}を修正する
ものである。これについてはラメルハート等、ネイチャ
ー、323巻(Rumelhart. D. E., et al, Nature, vo
l.323)に記載されている。本実施例では教師パターン
の1%を誤差限界として学習させた。学習済のニューラ
ルネットワークの連想機能は新規入力に対する出力計算
であり、その意味は明解である。以上説明したニューラ
ルネットワークの学習機能と連想機能により、薄膜仕様
入力から薄膜製造プロセス運転制御量を予測出来る。運
転履歴のある薄膜製造プロセスに対してはこのようなニ
ューラルネットワークの学習、連想機能を用いずとも、
薄膜仕様入力から薄膜製造プロセス運転制御量を過去の
運転履歴より容易に予測出来ると考えがちであるが、薄
膜堆積プロセスは温度、全圧力、堆積基板温度、導入反
応ガス混合比をはじめとする各種反応制御量の複雑な非
線形関数となり、その解析表現式も不明であり、比例計
算式などによる簡易推定が不可能な場合が殆どである。
このため、ニューラルネットワークによる非線形予測が
有効に活用できる。次に、図1に示した薄膜製造装置を
用いて、(モノシラン−WF6)系によるタングステン
薄膜成長プロセスの運転量制御を行った例について説明
する。反応チャンバ10にはコールドウォール枚葉式の
反応容器を使用した。本薄膜成長系はモノシラン流量と
WF6流量の比により成長反応様式が2種存在する非線
形系である。モノシラン/WF6分圧比が1.5以下の
時は気相反応はほとんど起こらず、W薄膜成長はW膜上
でのみ選択的に起こり、成長に伴いH2、SiHF3が生
成ガスとして発生する。一方、モノシラン/WF6分圧
比が1.5以上となると気相反応も起こり、W薄膜成長
はW膜上以外でも起こり、成長に伴いH2、SiF4が生
成ガスとして発生する。成長薄膜の物性は成長反応様式
に応じて著しく変化する。例えば、成長膜の結晶性も成
長条件によりアルファー相、ベータ相、両者の混晶、さ
らにWSi2と変化する。このため、成膜仕様を満た
す、薄膜成長条件を的確に設定するには多数の予備実験
を踏まえた経験と勘を持つ熟練者が必要であった。そこ
で、電気抵抗値、段差被覆率、残留応力値、膜中Si含
有量を入力とし、成長温度、反応ガス流量比、キャリヤ
ガス流量を出力とするようにニューラルネットワーク7
0を構成した。過去の成膜実験データ(ニューラルネッ
トワーク70の入力並びに出力となる項目データ)はリ
レーショナルデータベースとしてデータベース80に保
存されており、成膜仕様と運転制御量の関係をバックプ
ロパゲーション法によりニューラルネットワーク70に
学習させた。この結果、例えば電気抵抗値を200マイ
クロオームセンチメータ、膜中Si含有量を2.0原子
%、残留応力を2x1010dyn/cm2とするには、モノシ
ラン、WF6、そしてキャリヤガスとしてN2、Arのガ
ス分圧を80、40、400、150ミリトールとし、
成膜温度236度で成膜すれば良いことがニューラルネ
ットワーク70により予測された。これらの条件数値は
成膜プロセス運転制御量表示部300に表示された後、
制御手段60に転送されガス分圧、温度が制御された。
この結果得られたW薄膜を分析手段50により分析した
ところほぼ完全に仕様を満足している事が判明し、非熟
練者でも成膜仕様を満足する成膜条件を容易に設定出来
るように成った。さらに、実験条件により反応様式が変
化する非線形な反応系にたいしては補間、外挿といった
線形予測が不可能となる臨界的な成膜仕様が存在するた
め、本薄膜製造装置を有効に活用出来る。以上より成膜
条件の設定能が非常に高く、広範な薄膜成長系に対して
も有効である為、薄膜製造プロセスの作業効率を大幅に
向上出来ることが分かった。
Next, the structure and operation of the neural network 70 will be described. The neural network 70 uses the neuron model shown in FIG.
It is composed of a multi-layered neural network arranged hierarchically as shown in FIG. The neuron model, which is the basic unit, outputs a single output {Y} from multiple inputs {xj}. Its output {Y} is input {xj} to each weight {w}.
The product sum X (X = Σxj · wj) multiplied by j} is converted by the non-linear function f. Normally, the range of the input {xj} and the output {Y} is limited to the [0,1] range. The non-linear operation of the function f determines the non-linearity of the entire neural network. In the present embodiment, the sigmoid function (f = 1 / (1 + ex
p (-X)) is used. As the non-linear response function, even if a Macarock-Pitts model, a Boltzmann machine model, a chaos model, or the like is used in addition to the sigmoid function model, there is no problem in the basic operation. In the hierarchical neural network shown in FIG. 3, continuous two layers such as an input layer neuron and an intermediate layer neuron and an intermediate layer neuron and an output layer neuron are connected by a weight {wj} between neurons. The output of each stage is not fed back to the input side. It is well known that a hierarchical neural network configured as shown in FIG. 3 using a neuron model having such an input / output function has learning and associative functions. This point is described in detail in, for example, documents such as Kaoru Nakano's supervision, "Neurocomputer", Technical Review Co., Ltd., published in September 1989. In the present invention, this learning and associative function is positively used for predicting the film formation process operation control amount. Further, in the present invention, the neural network including three layers of the input layer, the intermediate layer and the output layer is used, but even if the number of layers of the intermediate layer is further increased, there is no problem in the learning and the association function. However, in order to express non-linearity, it is necessary to reproduce both positive output and negative output responses to the input, so the number of neurons included in the intermediate layer is the number of neurons included in the input layer. You need at least twice the number. Next, the learning and association functions will be described in some detail in accordance with the present invention. First, enter the manufacturing thin film specifications related to the past thin film forming process {x
j}, the neural network 70 is trained to output the operation history of the thin film manufacturing process.
This input / output data is stored in the database 80 and can be used as the input / output data of the neural network 70 by the database access means 90. Further, as described above, since the input / output value range of the neuron is usually limited to the [0,1] range, the film forming rate, residual stress and other thin film mechanical properties, electrical conductivity, insulation, etc. It is necessary to standardize the thin film manufacturing process operation history data such as the manufacturing thin film specification and temperature, total pressure, deposition substrate temperature, and introduced reaction gas mixture ratio within the above range in advance. This is solved by giving the film formation specification input means 1 and the analysis means 50 a standardization function. In particular,
The maximum values of these various quantities are set in advance, and each input specification is divided by these maximum values. Now, the learning function is to input the manufacturing thin film specifications {xj} (Xa, X in FIG. 3).
The output {Yi} of the neural network 70 (corresponding to b, Xc) (corresponding to Y 1 , Y 2 , Y 3 in FIG. 3) is the thin film manufacturing process operation history data {Ti} (FIG. 3).
Is achieved by changing the coupling coefficient {wj} connecting the inter-layer neurons until they match (corresponding to T 1 , T 2 , and T 3 ). {Ti} is a film forming specification relating to the target thin film manufacturing process, and can be selected and set from the database 80 via the database access means 90. In FIG. 3, the driving history data {Ti} that is the target value is described as a teacher signal. Specific coupling coefficient {wj}
With regard to the initial setting method and the changing method of, in this embodiment, the optimal solution of the coupling coefficient {wj} is obtained by using the backpropagation method by Ramelhart et al. The basis is {T
i} and {Yi} squared error sum is defined as an evaluation function,
The coupling coefficient {wj} is modified so that the evaluation function decreases. About this, Ramelhart et al., Nature, Volume 323 (Rumelhart. DE, et al, Nature, vo
l.323). In this embodiment, 1% of the teacher pattern is used as an error limit for learning. The associative function of the learned neural network is output calculation for new input, and its meaning is clear. With the learning function and the association function of the neural network described above, the operation control amount of the thin film manufacturing process can be predicted from the thin film specification input. For thin film manufacturing processes with operating history, without using such learning and associative functions of neural networks,
It is easy to think that the operation control amount of the thin film manufacturing process can be easily predicted from the past operation history based on the input of thin film specifications.However, the thin film deposition process includes various factors such as temperature, total pressure, deposition substrate temperature, and introduced reaction gas mixture ratio. It becomes a complicated non-linear function of the reaction control amount, and its analytical expression is unknown, and it is almost impossible in some cases to perform simple estimation by a proportional calculation formula or the like.
Therefore, the nonlinear prediction by the neural network can be effectively used. Next, an example in which the operating amount of the tungsten thin film growth process using the (monosilane-WF 6 ) system is controlled using the thin film manufacturing apparatus shown in FIG. 1 will be described. As the reaction chamber 10, a cold wall single wafer type reaction vessel was used. This thin film growth system is a non-linear system in which two types of growth reaction modes exist depending on the ratio of the monosilane flow rate to the WF 6 flow rate. When the monosilane / WF 6 partial pressure ratio is 1.5 or less, the gas phase reaction hardly occurs, the W thin film growth selectively occurs only on the W film, and H 2 and SiHF 3 are generated as a product gas with the growth. . On the other hand, when the monosilane / WF 6 partial pressure ratio is 1.5 or more, a vapor phase reaction also occurs, W thin film growth occurs not only on the W film, and H 2 and SiF 4 are generated as a product gas along with the growth. The physical properties of the grown thin film change significantly depending on the growth reaction mode. For example, the crystallinity of the grown film also changes to alpha phase, beta phase, mixed crystal of both, and WSi 2 depending on the growth conditions. For this reason, a skilled person having experience and intuition based on a large number of preliminary experiments is required to accurately set the thin film growth conditions that satisfy the film forming specifications. Therefore, the neural network 7 is configured so that the electrical resistance value, the step coverage, the residual stress value, and the Si content in the film are input, and the growth temperature, the reaction gas flow rate ratio, and the carrier gas flow rate are output.
Configured 0. Past film forming experiment data (item data that becomes input and output of the neural network 70) is stored in the database 80 as a relational database, and the relationship between the film forming specifications and the operation control amount is stored in the neural network 70 by the back propagation method. I learned it. As a result, for example, to obtain an electric resistance value of 200 micro ohm centimeters, a Si content of the film of 2.0 atomic%, and a residual stress of 2 × 10 10 dyn / cm 2 , monosilane, WF 6 , and N as a carrier gas are used. 2 , Ar partial gas pressure of 80, 40, 400, 150 mTorr,
It was predicted by the neural network 70 that the film should be formed at the film forming temperature of 236 degrees. After these condition values are displayed on the film formation process operation control amount display unit 300,
The gas was transferred to the control means 60 and the gas partial pressure and temperature were controlled.
When the W thin film obtained as a result was analyzed by the analysis means 50, it was found that the specifications were almost completely satisfied, and even a non-skilled person could easily set the film formation conditions that satisfied the film formation specifications. It was Furthermore, since there is a critical film forming specification that makes linear prediction such as interpolation and extrapolation impossible for a non-linear reaction system whose reaction mode changes depending on experimental conditions, the thin film manufacturing apparatus can be effectively used. From the above, it was found that the workability of the thin film manufacturing process can be greatly improved because the ability to set the film forming conditions is extremely high and it is effective for a wide range of thin film growth systems.

【0025】次に、図4は本発明による薄膜製造装置の
別の一実施例の全体構成図を示す。これは、先の実施例
と比べ、新たに電子構造物性解析装置100をつけ加え
た構成とし、新規ガス、新規堆積基板に対しても、成膜
プロセス運転制御量の予測を可能としている。このため
成膜仕様入力手段1、ニューラルネットワーク70、デ
ータベース80等の作用も図1に示した実施例とは異な
っている。以下、新規ガス、新規堆積基板に対する本薄
膜製造装置の動作を順次説明する。まず、成膜仕様入力
手段1により反応ガス種、堆積基板の双方、或いは、そ
のいずれか一方の分子構造、結晶構造を入力する。例え
ばモノシラン分子を入力するには化学式SiH4をキー
ボード2より入力すれば良い。また、結晶構造に関して
は、結晶名と結晶面を入力する。例えばW−bcc結
晶、(110)面と入力する。ここではモノシラン分
子、W結晶の例について説明したが、他の分子、結晶構
造にたいしても同様に入力できる事はいうまでもない。
電子構造物性解析装置100は分子力場法、分子軌道
法、電子密度汎関数法、分子動力学法等より構成され、
材料ガスに関して、分子の電子軌道構造、反応性指標、
結合次数、安定構造などの情報を、堆積結晶基板に対し
ては表面超格子構造、結晶表面バンド構造などの情報
を、そして成膜反応そのものに対する成膜反応の次数や
活性化エネルギの全部或いは任意の組合せをニューラル
ネットワーク70の入力として出力する。例えば先に入
力例として示したモノシラン分子の場合、占有電子軌道
エネルギ準位(−68.7、−6.1、−4.2、−
0.73:単位は原子単位)とその縮重度、マリケン電
荷(シリコン13.43、水素1.14:単位は電荷素
量)などを出力する。また堆積基板として入力したW−
bcc結晶(110)面入力に対してはこれをモデル化
したW9クラスタの原子上電荷密度分布(−0.37〜
+0.19:単位は電荷素量)や−25eVより真空状
態までの状態密度分布(DOS)、フェルミエネルギ、
(1x2)、(2x2)超構造格子などの諸量を出力す
る。また、成膜反応に関しては、W9面上でのモノシラ
ン解離吸着反応(SiH4+W9→SiH3+H+W9)の
反応熱1.08eVやW9面上でのSiH4とWF6によ
るW生成の反応中間体形成エネルギ(活性化エネルギ相
当量)1.4eVなどを出力する。そしてデータベース
80にはこれまでの薄膜製造プロセス実験や文献などか
ら蓄積、収集された薄膜成長プロセスに関して、反応ガ
ス種と堆積基板の双方、或いはいずれか一方の電子構造
や物性情報とプロセス運転制御量、成長薄膜物性等が反
応ガス種名、堆積基板種名も含めてリレーショナルデー
タベースの形で記録、保存されている。ニューラルネッ
トワーク70はデータベースアクセス手段90を通し
て、反応ガスと堆積基板の電子構造、物性情報入力に対
するプロセス運転制御量出力機能を学習しており、電子
構造物性解析装置100よりの入力を受ければただちに
成膜プロセス運転制御量を出力出来、成膜プロセスが運
転を開始する。本実施例で利用したニューラルネットワ
ークは図1に示した薄膜製造装置の場合と同様に、階層
型ニューラルネットワークを用い、学習に関してもバッ
クプロパゲーション手法による学習を行なった。現状利
用できる電子構造物性解析装置では、成膜反応そのもの
に対する成膜反応の次数や活性化エネルギを直接計算す
る事は計算時間、計算機メモリ容量の観点から困難な場
合が多く、データベース80にはこれにらに関するデー
はが多くは保存されていない。然し、成膜プロセスその
ものは反応ガスと堆積基板の夫々に関する電子構造、物
性、そして温度、圧力等の組合せで決定されているた
め、ニューラルネットワーク70の入力にこれらをマト
リックス的に配置する事により、問題無く運転プロセス
制御量を予測することが出来る。
Next, FIG. 4 shows an overall configuration diagram of another embodiment of the thin film manufacturing apparatus according to the present invention. This has a configuration in which an electronic structure property analyzer 100 is newly added as compared with the previous embodiment, and it is possible to predict the film formation process operation control amount even for a new gas and a new deposition substrate. Therefore, the operations of the film formation specification input means 1, the neural network 70, the database 80, etc. are also different from those of the embodiment shown in FIG. Hereinafter, the operation of the thin film manufacturing apparatus for a new gas and a new deposition substrate will be sequentially described. First, the film formation specification input means 1 inputs both the reactive gas species, the deposition substrate, and / or the molecular structure and crystal structure of either one of them. For example, to input a monosilane molecule, the chemical formula SiH 4 may be input from the keyboard 2. For the crystal structure, enter the crystal name and crystal plane. For example, enter W-bcc crystal, (110) plane. Although the example of the monosilane molecule and the W crystal has been described here, it goes without saying that the same can be applied to other molecules and crystal structures.
The electronic structure physical property analyzer 100 is composed of a molecular force field method, a molecular orbital method, an electron density functional method, a molecular dynamics method, etc.,
Regarding material gas, electron orbital structure of molecule, reactivity index,
Information such as bond order and stable structure, information such as surface superlattice structure and crystal surface band structure for the deposited crystal substrate, and the order of the film formation reaction or the activation energy for the film formation reaction itself Is output as an input to the neural network 70. For example, in the case of the monosilane molecule shown above as an input example, the occupied electron orbital energy levels (-68.7, -6.1, -4.2,-)
0.73: the unit is an atomic unit) and its degeneracy, Mulliken charge (silicon 13.43, hydrogen 1.14: the unit is an elementary charge), etc. are output. In addition, W- input as a deposition substrate
For the input of the bcc crystal (110) plane, the charge density distribution on the atom of the W 9 cluster modeling this (−0.37 to
+0.19: unit is electric charge), state density distribution (DOS) from -25 eV to vacuum state, Fermi energy,
It outputs various quantities such as (1x2) and (2x2) superstructured lattices. As for the film-forming reaction, W generated by SiH 4 and WF 6 in on reaction heat 1.08eV and W 9 side of monosilane dissociative adsorption reaction on W 9 surface (SiH 4 + W 9 → SiH 3 + H + W 9) The reaction intermediate formation energy (equivalent to activation energy) of 1.4 eV or the like is output. Then, in the database 80, regarding the thin film growth process accumulated and collected from the thin film manufacturing process experiments and literatures so far, both the reactive gas species and / or the deposition substrate, or the electronic structure and physical property information and the process operation control amount. The physical properties of the grown thin film are recorded and stored in the form of a relational database including the names of reactive gas species and the names of deposited substrate species. The neural network 70 learns, through the database access means 90, an electronic structure of the reaction gas and the deposition substrate, and a process operation control amount output function for inputting physical property information, and immediately receives an input from the electronic structure physical property analyzer 100 to form a film. The process operation control amount can be output, and the film formation process starts operation. As the neural network used in this example, a hierarchical neural network was used as in the case of the thin film manufacturing apparatus shown in FIG. 1, and learning was also performed by the back propagation method. In the currently available electronic structural property analyzers, it is often difficult to directly calculate the order of the film formation reaction and the activation energy with respect to the film formation reaction itself from the viewpoint of calculation time and computer memory capacity. Many days on leek are not preserved. However, since the film forming process itself is determined by the combination of the electronic structure, the physical properties, the temperature, the pressure, etc. of each of the reaction gas and the deposition substrate, by arranging these in a matrix form at the input of the neural network 70, It is possible to predict the operating process control amount without any problem.

【0026】次に、図5は本発明による薄膜製造装置の
また別の一実施例の全体図を示す。これは、図1に示し
た実施例と比べ、新たに流体反応工学解析装置200を
つけ加えた構成とし、反応チャンバ10内での成膜プロ
セスの均一性向上まで考慮した成膜プロセス運転制御量
予測を可能としている。このため成膜仕様入力手段1、
ニューラルネットワーク70、データベース80等の作
用も図1、図4に示した実施例とは異なっている。以
下、本薄膜製造装置の動作を説明する。成膜仕様入力手
段1により反応ガス種、堆積基板の双方、或いはそのい
ずれか一方の分子構造、結晶構造をニューラルネットワ
ーク70の入力として入力する。入力方法は先の実施例
で示した成膜仕様入力手段1には入力分子構造、結晶構
造からの分子対称性、結晶対称性等の抽出機能もあり、
これらもまたニューラルネットワーク70の入力とする
ことが出来る。ニューラルネットワーク70は反応ガス
と堆積基板の組合せに応じた薄膜成長化学反応式、薄膜
成長反応速度式の双方、或いは一方を出力する。例えば
W結晶(110)面上でのモノシラン、WF6によるW
薄膜成長では成膜化学反応式、WF6+2SiH4=W+
2SiHF3+3H2を出力する。また反応速度式R∝C
を出力する。ここでCはモノシラン濃度を表しており、
成膜反応が一次で進行することがわかる。ここで言う薄
膜成長化学反応式はオーバオールな化学反応式であり、
実際に堆積表面、或いは反応チャンバ内で起こっている
個々の素過程を示す反応式ではない。また、同様に、こ
こで言う薄膜成長反応速度式は先の薄膜成長化学反応式
に対応する速度式、具体的には濃度依存性を示す式であ
る。データベース80には、これまでの実験や、文献か
ら蓄積、収集された薄膜成長プロセスに関して、反応ガ
ス種、堆積基板の分子構造、結晶構造と薄膜成長化学反
応式や薄膜成長反応速度式が対応づけられ記録、保存さ
れている。例えば、モノシランの熱分解によるポリシリ
コン成長反応に関しては、成長温度620度、圧力0.
3トール、ガス流量範囲70〜100sccm、堆積速度1
0〜12nm/min、薄膜成長化学反応式SiH4
Si+2H2、薄膜成長反応速度式R∝Cなどの情報が
保存されている。ここでCはモノシラン濃度である。ポ
リシリコンの成長は下地堆積基板の影響をほとんど受け
ないため、下地基板の情報は記載されていない。ニュー
ラルネットワーク70はデータベースアクセス手段90
を通して、反応ガスと堆積基板の分子構造、結晶構造両
入力に対して薄膜成長化学反応式と薄膜成長反応速度式
の双方あるいはそのいずれか一方を出力するよう既に学
習済みであり、これら出力を流体反応工学解析装置20
0の入力として出力する。ニューラルネットワーク70
の学習機能は先の実施例と同様にバツクプロパゲーショ
ン法により行なった。さて、流体反応工学解析装置20
0は、3次元拡散方程式と化学反応速度式を連立させた
物質輸送方程式解法系より構成されている。化学反応式
または化学反応速度式が与えられる為、反応進行に伴う
反応ガス消費量と成膜速度を反応チャンバ10内各位置
で解析出来る。反応チャンバ10の形状、寸法、そして
対称性をキーボード2、CRT3を用いCRT画面上の
線画として入力すれば、先の輸送方程式の境界条件位置
が決まり、また、ガス導入手段20により与えれれる反
応ガス導入圧力や制御手段10により設定されるチャン
バ温度により、境界条件位置での境界値が決まり、基板
上での薄膜形成シミュレーションが可能と成る。本実施
例では反応チャンバ10の形状をキーボード2、CRT
3により入力したが、この他にマウス、ライトペンなど
を用い入力出来ることはいうまでもない。これよりチャ
ンバ内での成膜プロセス均一性を評価出来る事と成る。
具体的には堆積基板上での成膜速度の均一性を成膜プロ
セス均一性とすれば良い。逆に、この成膜プロセス均一
性を評価関数とし、これを最小とするような反応ガス導
入圧力、基板温度、真空排気速度等の成膜プロセス運転
制御量を求めることは困難な問題ではない。各制御量に
対する感度解析により得られる一次微分係数を用い、最
急降下法により最適制御量を設定出来る。具体的には、
ガスヘッド静止形枚葉式CVD装置の窒素キャリヤガス
流量最適化に利用した結果を説明する。ガスヘッド静止
形枚葉式CVD装置は幅15cm、奥行き18cm、高
さ15cmの反応チャンバ構造をもっており、チャンバ
中央部に水平面内に5インチウエハをロードするかたち
になっている。また鉛直方向から反応性ガスをウエハ面
垂直方向から吹き付ける構造と成っている。これとは別
に反応チャンバ側壁部に設けた窒素ガス供給ヘッドより
ウエハ面に平行して水平方向から窒素キャリヤガスを導
入する構造としている。また、窒素ガス供給ヘッドの反
対側に設けた排気口より反応チャンバを排気する構造と
成っている。本実施例ではモノシラン、酸素、ポスフィ
ンを供給ガスとするドープトポリシリコン成膜反応を実
施した。ここではウエハ上面にわたり高さ4ミリの領域
を反応チャンバ領域として流体反応工学解析装置200
に入力した。また、導入反応ガスと窒素キャリヤガス流
量を境界値として流体反応工学解析装置200に入力し
た。境界値としてはモノシラン0.52 l/min(20%
窒素希釈)、酸素2.45l/min、ポスフィン1.83
l/min(1%窒素希釈)の値を入力、窒素ガス流量に関
してはゼロから40 l/minの範囲の値を入力し、流体反
応工学解析装置200によりウエハ面上での反応ガス流
れと成膜速度分布を解析し、キャリヤガス量の最適化を
行った。流体反応工学解析装置200により解析された
結果は以下の通りである。まず窒素ガス流量がゼロの場
合、5インチウエハ全面にわたり500nm/minから70
0nm/min範囲の成膜速度分布となるが、窒素キャリヤガ
ス流量がゼロのため、ウエハ面内のガス流れに大きな淀
み点が多数みられた。窒素キャリヤガス流量を順次40
l/minまで増加させて行くと、成膜速度分布は順次10
0nm/minまで低下したが、ガス流れに関する淀みは改善
され、40 l/min流量時ではほぼ層流状態まで改善され
た。ガス流れの点からは、キャリヤガス流量として40
l/minの状態が最適といえるが、成膜速度の低下から、
スループットが低下しており、装置全体の最適化として
は、キャリヤガス流量10 l/min程度の値が最適である
と結論出来た。
Next, FIG. 5 shows an overall view of another embodiment of the thin film manufacturing apparatus according to the present invention. Compared with the embodiment shown in FIG. 1, this has a configuration in which a fluid reaction engineering analyzer 200 is newly added, and the film formation process operation control amount prediction in consideration of the improvement of the uniformity of the film formation process in the reaction chamber 10 is also made. Is possible. Therefore, the film formation specification input means 1,
The operations of the neural network 70, the database 80, etc. are also different from those of the embodiment shown in FIGS. The operation of the thin film manufacturing apparatus will be described below. The film formation specification input means 1 inputs the molecular structure and / or crystal structure of the reactive gas species and / or the deposition substrate as one of inputs to the neural network 70. Regarding the input method, the film formation specification input means 1 shown in the previous embodiment also has a function of extracting the input molecular structure, molecular symmetry from the crystal structure, crystal symmetry, etc.
These can also be inputs to the neural network 70. The neural network 70 outputs a thin film growth chemical reaction formula, a thin film growth reaction formula, or both depending on the combination of the reaction gas and the deposition substrate. For example, monosilane on W crystal (110) plane, W by WF 6
For thin film growth, the film formation chemical reaction formula, WF 6 + 2SiH 4 = W +
Output 2SiHF 3 + 3H 2 . Also, the reaction rate formula R∝C
Is output. Where C represents the monosilane concentration,
It can be seen that the film formation reaction proceeds in the first order. The thin film growth chemical reaction formula here is an overall chemical reaction formula,
It is not a reaction equation showing the individual elementary processes actually occurring on the deposition surface or in the reaction chamber. Similarly, the thin-film growth reaction rate equation mentioned here is a rate equation corresponding to the above-described thin-film growth chemical reaction equation, specifically, an equation showing concentration dependence. The database 80 associates the reaction gas species, the molecular structure of the deposition substrate, the crystal structure with the thin film growth chemical reaction formula and the thin film growth reaction rate formula with respect to the experiments and the thin film growth processes accumulated and collected from the literature. Recorded and saved. For example, regarding the polysilicon growth reaction by thermal decomposition of monosilane, the growth temperature is 620 ° C. and the pressure is 0.
3 Torr, gas flow rate range 70-100sccm, deposition rate 1
0 to 12 nm / min, thin film growth chemical reaction formula SiH 4 =
Information such as Si + 2H 2 and thin film growth reaction rate equation R∝C is stored. Here, C is the monosilane concentration. Since the growth of polysilicon is hardly affected by the underlying substrate, no information about the underlying substrate is given. The neural network 70 is a database access means 90.
Through the reaction gas and the molecular structure and the crystal structure of the deposition substrate, and has already learned to output the thin film growth chemical reaction equation and / or the thin film growth reaction rate equation. Reaction engineering analyzer 20
Output as 0 input. Neural network 70
The learning function of was carried out by the back propagation method as in the previous embodiment. Now, the fluid reaction engineering analysis device 20
0 is composed of a mass transport equation solving system in which a three-dimensional diffusion equation and a chemical reaction rate equation are combined. Since the chemical reaction formula or the chemical reaction rate formula is given, the reaction gas consumption amount and the film forming rate accompanying the reaction progress can be analyzed at each position in the reaction chamber 10. By inputting the shape, size, and symmetry of the reaction chamber 10 as a line drawing on the CRT screen using the keyboard 2 and the CRT 3, the boundary condition position of the above transport equation is determined, and the reaction gas supplied by the gas introduction means 20 is determined. The boundary value at the boundary condition position is determined by the introduction pressure and the chamber temperature set by the control means 10, and the thin film formation simulation on the substrate becomes possible. In this embodiment, the shape of the reaction chamber 10 is the keyboard 2 and the CRT.
Although the input was made by 3, it is needless to say that the input can be made by using a mouse, a light pen or the like. From this, the uniformity of the film forming process in the chamber can be evaluated.
Specifically, the uniformity of the film forming rate on the deposition substrate may be the film forming process uniformity. On the contrary, it is not a difficult problem to use this film formation process uniformity as an evaluation function and obtain the film formation process operation control amount such as the reaction gas introduction pressure, the substrate temperature, and the vacuum exhaust speed that minimizes the evaluation function. The optimum controlled variable can be set by the steepest descent method using the first derivative obtained by the sensitivity analysis for each controlled variable. In particular,
The results used for optimizing the nitrogen carrier gas flow rate of the gas head static single-wafer CVD apparatus will be described. The gas head static single-wafer CVD apparatus has a reaction chamber structure having a width of 15 cm, a depth of 18 cm, and a height of 15 cm, and a 5-inch wafer is loaded in the horizontal plane at the center of the chamber. Further, the structure is such that the reactive gas is blown from the vertical direction from the direction perpendicular to the wafer surface. Separately from this, a nitrogen gas supply head provided on the side wall of the reaction chamber introduces a nitrogen carrier gas in a horizontal direction parallel to the wafer surface. Further, the reaction chamber is exhausted from an exhaust port provided on the opposite side of the nitrogen gas supply head. In this example, a doped polysilicon film forming reaction was performed using monosilane, oxygen, and phosphine as supply gases. Here, a fluid reaction engineering analysis device 200 is used as a reaction chamber region having a height of 4 mm over the upper surface of the wafer.
Typed in. Further, the flow rates of the introduced reaction gas and the nitrogen carrier gas were input to the fluid reaction engineering analysis device 200 as boundary values. The boundary value is monosilane 0.52 l / min (20%
Nitrogen dilution), oxygen 2.45 l / min, phosphine 1.83
Enter the value of l / min (1% nitrogen dilution), enter the value of nitrogen gas flow rate in the range of 0 to 40 l / min, and use the fluid reaction engineering analyzer 200 to determine the reaction gas flow on the wafer surface. The film velocity distribution was analyzed and the carrier gas amount was optimized. The results analyzed by the fluid reaction engineering analyzer 200 are as follows. First, if the nitrogen gas flow rate is zero, 500 nm / min.
Although the film formation rate distribution was in the range of 0 nm / min, since the nitrogen carrier gas flow rate was zero, a large number of stagnation points were observed in the gas flow within the wafer surface. Nitrogen carrier gas flow rate is sequentially 40
When increasing to l / min, the deposition rate distribution becomes 10 in sequence.
Although it decreased to 0 nm / min, the stagnation related to the gas flow was improved, and at a flow rate of 40 l / min, it was improved to almost a laminar flow state. From the point of gas flow, the carrier gas flow rate is 40
It can be said that the l / min state is optimal, but due to the decrease in film formation rate,
Since the throughput was reduced, it was concluded that a carrier gas flow rate of about 10 l / min was optimal for optimizing the entire apparatus.

【0027】次に、図6は本発明による薄膜製造装置の
また別の一実施例の全体図を示す。ニューラルネットワ
ーク70は電子構造物性解析装置100の出力を入力と
し、その出力を流体反応工学解析装置200に入力して
いる。最終的な成膜プロセス運転制御量は流体反応工学
解析装置200により設定している。電子構造物性解析
装置100と流体反応工学解析装置200は夫々図4、
図5に示したものと同様な動作をする。以下、本薄膜製
造装置全体の動作を説明する。成膜仕様の一部である反
応ガス種、堆積基板種の双方、或いはそのいずれか一方
の分子構造、結晶構造を成膜仕様入力手段1により先ず
入力する。電子構造物性解析装置100は分子力場法、
分子軌道法、電子密度汎関数法、分子動力学法等より構
成され、材料ガスに関して、分子の電子軌道構造、反応
性指標、結合次数などの情報を、堆積結晶基板に対して
は表面超格子構造、結晶表面バンド構造などの情報を、
ニューラルネットワーク70の入力として出力する。デ
ータベース80にはこれまでの薄膜製造プロセス実験や
文献などから蓄積、収集された薄膜成長プロセスに関し
て、反応ガス種に関する分子の電子軌道構造、反応性指
標、結合次数などの情報、堆積基板に関する表面超格子
構造、結晶表面バンド構造等の情報と薄膜成長化学反応
式、薄膜成長化学反応速度式、薄膜成長活性化エネルギ
等が対応づけられ記録、保存されている。ニューラルネ
ットワーク70はデータベースアクセス手段90を通し
て、反応ガスと堆積基板に関するこれら電子構造、物性
情報入力に対する化学反応式、化学反応速度式、活性化
エネルギの全部、或いは任意の組合せの出力機能を学習
しており、電子構造物性解析装置100よりの入力をお
受ければただちにこれらの化学反応情報を出力出来る。
本実施例で利用したニューラルネットワークは図1に示
した薄膜製造装置の場合と同様に、階層型ニューラルネ
ットワークを用い、バックプロパゲーション手法により
学習を行なっている。ニューラルネットワーク70によ
り出力された化学反応式、化学反応速度式、活性化エネ
ルギの全部或いは任意の組合せは流体反応工学装置20
0の入力と成る。流体反応工学装置200は先の実施例
と同様に3次元拡散方程式と化学反応速度式を連立させ
た物質輸送方程式解法系より構成されている。化学反応
式や化学反応速度式が与えられる為、反応進行に伴う反
応ガス消費量と成膜速度を反応チャンバ10内の各位置
で解析出来る。さらに活性化エネルギが与えられている
ためチャンバ10内各位置での温度変化に伴う局所的な
反応速度変化まで予測出来る。反応チャンバ10の形状
が与えられれば、先の輸送方程式の境界条件位置が、ま
た、ガス導入手段20により与えれれる反応ガス導入圧
力や制御手段10により設定されるチャンバ温度によ
り、境界条件の値が決まり、基板上での薄膜形成シミュ
レーションが可能と成り、チャンバ内での成膜プロセス
均一性を評価出来る事は先に図5で述べた実施例の場合
と同様である。また、最終的な成膜プロセス運転制御量
の設定に関しても同様に行なえる。一方、本実施例によ
る薄膜製造装置を用いれば、新規な反応ガス、堆積基板
に対し電子構造物性解析装置100により解析出力され
る分子の電子軌道構造、反応性指標、結合次数、表面超
格子構造、結晶表面バンド構造などより化学反応式や化
学反応速度式をニューラルネットワーク70により予測
出来るため、図5に示した薄膜製造装置に比べて、より
精度良く成膜プロセス運転量を予測出来ることとなり、
プロセス立ち上げ時間の短縮が可能と成る。
Next, FIG. 6 shows an overall view of another embodiment of the thin film manufacturing apparatus according to the present invention. The neural network 70 receives the output of the electronic structure physical property analyzer 100 as an input, and inputs the output to the fluid reaction engineering analyzer 200. The final film-forming process operation control amount is set by the fluid reaction engineering analysis device 200. The electronic structure physical property analysis device 100 and the fluid reaction engineering analysis device 200 are respectively shown in FIG.
The same operation as that shown in FIG. 5 is performed. The operation of the entire thin film manufacturing apparatus will be described below. First, the film formation specification input means 1 inputs the molecular structure and / or crystal structure of both the reactive gas species and the deposition substrate species, which are part of the film formation specifications. The electronic structure physical property analyzer 100 is a molecular force field method,
It is composed of molecular orbital method, electron density functional method, molecular dynamics method, etc., and information about the electron orbital structure of molecules, reactivity index, bond order, etc. about the material gas, and surface superlattice for the deposited crystal substrate. Information such as structure and crystal surface band structure
It is output as an input to the neural network 70. The database 80 contains information on the molecular orbital structure of the reactive gas species, the reactivity index, the bond order, etc. regarding the thin film growth process accumulated and collected from the thin film manufacturing process experiments and literatures so far, and the surface superposition related to the deposited substrate. Information such as a lattice structure and a crystal surface band structure, a thin film growth chemical reaction formula, a thin film growth chemical reaction rate formula, and a thin film growth activation energy are associated and recorded and stored. The neural network 70 learns, through the database access means 90, output functions of these electronic structures relating to the reaction gas and the deposition substrate, chemical reaction formulas for inputting physical property information, chemical reaction rate formulas, activation energy, or any combination thereof. Therefore, upon receiving an input from the electronic structure physical property analyzer 100, these chemical reaction information can be output immediately.
The neural network used in this embodiment uses a hierarchical neural network as in the case of the thin film manufacturing apparatus shown in FIG. 1, and performs learning by the back propagation method. All or any combination of chemical reaction formulas, chemical reaction velocity formulas, and activation energies output by the neural network 70 is the fluid reaction engineering device 20.
It becomes 0 input. The fluid reaction engineering device 200 is composed of a mass transport equation solving system in which a three-dimensional diffusion equation and a chemical reaction rate equation are combined, as in the previous embodiment. Since the chemical reaction formula and the chemical reaction rate formula are given, the reaction gas consumption amount and the film forming rate accompanying the reaction progress can be analyzed at each position in the reaction chamber 10. Further, since the activation energy is applied, it is possible to predict even a local reaction rate change due to a temperature change at each position in the chamber 10. If the shape of the reaction chamber 10 is given, the value of the boundary condition is determined by the position of the boundary condition of the above transport equation, the reaction gas introduction pressure given by the gas introducing means 20 and the chamber temperature set by the control means 10. As described above, the thin film formation simulation on the substrate becomes possible, and the uniformity of the film forming process in the chamber can be evaluated, as in the case of the embodiment described above with reference to FIG. Further, the final setting of the film formation process operation control amount can be similarly performed. On the other hand, if the thin film manufacturing apparatus according to the present embodiment is used, the electron orbital structure, reactivity index, bond order, surface superlattice structure of the molecule which is analyzed and output by the electronic structure physical property analyzer 100 with respect to the new reaction gas and the deposited substrate. Since the chemical reaction formula and the chemical reaction formula can be predicted by the neural network 70 from the crystal surface band structure, the operating amount of the film forming process can be predicted more accurately than the thin film manufacturing apparatus shown in FIG.
The process start-up time can be shortened.

【0028】さて、図1、図4、図5、図6で説明した
薄膜製造装置では化学反応式、化学反応速度式、そして
活性化エネルギ等の化学反応経路に関係する情報予測に
反応ガスや堆積基板の電子構造、物性情報を入力とする
ニューラルネットワークの学習、連想機能を用いたが、
直接的に反応ガスと堆積基板との相互作用解析や反応経
路解析を行なっても何ら支障は無い。これは電子構造物
性解析装置100を用いる事により可能と成る。原理的
には反応ガス、堆積基板夫々の構造自由度を変化させ、
系全体のエネルギをモニターすることにより化学反応経
路を探索出来、化学反応式、化学反応速度式、そして活
性化エネルギ等を予測出来る。図7は化学反応経路解析
を直接行なう場合の概念図を示すものである。ここでは
説明を簡略化するため、系の自由度が2である場合につ
いて反応の進行方向、即ち、原系より出発して、遷移構
造、そして生成系にいたる反応経路を示してある。化学
反応は図7に示したように、系全体のエネルギ曲面で両
壁を挟まれた沢に相当する部分を進行する。そしてその
進行に際して鞍点となる位置がその反応素過程の遷移構
造であり、その位置でのエネルギと原系エネルギとの差
が活性化エネルギとなる。図7に示した様な、系の自由
度が小さい場合には、自由度に相当する座標を変えなが
ら、電子構造物性解析装置100に含まれる分子軌道法
や電子密度汎関数法等を用いてその全ポテンシャルエネ
ルギを計算し、エネルギ曲面を作り経路探索することが
可能である。具体的な経路探索の方法を図8に示す。図
8では反応経路上A点よりB点にいたる経路解析の方法
を示す。先ずA点より考える自由度変数に対して乱数的
に3点座標を更新する。更新量は経路探索の精度に依存
するが、概ね0.1Å以内であれば問題は無い。例えば
これをX点、Y点、Z点とするとき、先ず夫々のエネル
ギを分子軌道法や電子密度汎関数法により計算する。こ
の3点から、方物近似で最安定点を求める。次に、この
操作を全ての自由度について行なえば、これが反応経路
上の更新点Bと成る。引き続き点Bより、先に述べた手
順により系の座標を更新して行けば最終的に化学反応経
路全体を探索出来る事となる。以上の手順による化学反
応経路探索は気相中での2分子反応等のように系の自由
度が少ない場合には、問題無く活用出来るが、固体表面
上での化学反応の様に系の自由度が多くなった場合に
は、座標更新に伴いその都度行なう分子軌道法計算や電
子密度汎関数法計算の計算時間と計算機メモリが膨大と
成ってしまい、経路探索が不可能となる。本発明では、
このような場合、対象とする系の自由度全てについてで
はなく、一部について座標更新を行なうことによりこの
問題を解決している。自由度制限の方法に関しては種々
の方法が考えられる。本発明では、以下に述べる3つの
方法によりこれを行なっている。先ず第一の方法で
は、、化学反応系全体についての基準振動座標のうち、
振動数の大きな基準振動座標を固定し、これ以外の自由
度について座標更新を行なう。これは、図7で示したよ
うなポテンシャル曲面上で曲率成分の大きな振動座標を
固定する事、即ち急峻な壁を避け、ゆるやかな沢方向に
移動する事と同等の基準である。この2つの基準のより
正確な根拠は以下の通りである。反応経路中間にある遷
移構造位置では反応経路進行方向に虚の振動数を持つ基
準振動があり、原系近くで低振動数を持つ基準振動がこ
の遷移構造位置での虚基準振動に接続して行くのであ
る。あと2つの基準は、文字どおり原子座標を固定する
ものである。その一つは化学反応系で直接反応に関与し
ないと考えられる原子の座標そのものを固定する方法で
ある。あと一つは、反応に関与しないと考えられる一部
原子間の結合距離を固定するものである。例えば結晶表
面での堆積反応経路を探索する場合、反応ガスとその近
接表面の原子座標を固定化することは出来ないが、これ
以外の表面原子座標を固定することは直接反応に関与し
ない原子を考慮しないことに対応し、計算時間の短縮、
計算機メモリ容量の低減が可能と成りその効果は大き
い。
In the thin-film manufacturing apparatus described with reference to FIGS. 1, 4, 5, and 6, the reaction gas and the reaction gas are used to predict information relating to the chemical reaction path such as the chemical reaction formula, the chemical reaction rate formula, and the activation energy. The electronic structure of the deposited substrate, the learning of the neural network that inputs the physical property information, and the association function were used.
There is no problem even if the interaction analysis between the reaction gas and the deposition substrate and the reaction path analysis are performed directly. This is possible by using the electronic structure physical property analyzer 100. In principle, the structural degrees of freedom of the reaction gas and the deposition substrate are changed,
By monitoring the energy of the entire system, the chemical reaction path can be searched, and the chemical reaction formula, chemical reaction rate formula, activation energy, etc. can be predicted. FIG. 7 is a conceptual diagram when the chemical reaction path analysis is directly performed. Here, for simplification of the description, the reaction progress direction in the case where the system has two degrees of freedom, that is, the reaction structure starting from the original system to the transition structure to the production system is shown. As shown in FIG. 7, the chemical reaction proceeds in a portion corresponding to a stream where both walls are sandwiched by energy curved surfaces of the entire system. The position that becomes the saddle point during the progress is the transition structure of the reaction element process, and the difference between the energy at that position and the original system energy becomes the activation energy. When the degree of freedom of the system is small as shown in FIG. 7, the molecular orbital method and the electron density functional method included in the electronic structure physical property analyzer 100 are used while changing the coordinates corresponding to the degree of freedom. It is possible to calculate the total potential energy, create an energy curved surface, and search for a path. FIG. 8 shows a specific route search method. FIG. 8 shows a method of path analysis from the point A to the point B on the reaction path. First, the coordinates of three points are randomly updated with respect to the degree of freedom variable considered from the point A. The update amount depends on the accuracy of the route search, but there is no problem if it is within 0.1Å. For example, when this is set as the X point, the Y point, and the Z point, the respective energies are first calculated by the molecular orbital method or the electron density functional method. From these three points, the most stable point is obtained by the parabolic approximation. Next, if this operation is performed for all degrees of freedom, this becomes the update point B on the reaction path. Then, from point B, if the coordinates of the system are updated by the procedure described above, the entire chemical reaction path can be finally searched. The chemical reaction route search according to the above procedure can be used without problems when the degree of freedom of the system is low, such as a two-molecule reaction in the gas phase, but the system can be used freely like the chemical reaction on the solid surface. When the number of degrees increases, the calculation time and the computer memory for the molecular orbital method calculation and the electron density functional method calculation, which are performed each time with the coordinate update, become enormous and the route search becomes impossible. In the present invention,
In such a case, this problem is solved by updating the coordinates not in all the degrees of freedom of the target system but in some of them. Various methods can be considered as a method of limiting the degree of freedom. In the present invention, this is done by the following three methods. First, in the first method, of the standard vibration coordinates for the entire chemical reaction system,
The reference vibration coordinates with a large frequency are fixed, and the coordinates are updated for other degrees of freedom. This is a standard equivalent to fixing the vibration coordinate having a large curvature component on the potential curved surface as shown in FIG. 7, that is, avoiding a steep wall and moving in a gentle swath direction. A more precise basis for these two criteria is as follows. At the transition structure position in the middle of the reaction path, there is a reference vibration with an imaginary frequency in the reaction path traveling direction, and a reference vibration with a low frequency near the original system is connected to the imaginary reference vibration at this transition structure position. I will go. The other two criteria literally fix the atomic coordinates. One of them is a method of fixing the coordinates of atoms which are considered not to be directly involved in the reaction in the chemical reaction system. The other is to fix the bond distance between some atoms that are not considered to participate in the reaction. For example, when searching for a deposition reaction path on the crystal surface, it is not possible to fix the atomic coordinates of the reaction gas and its adjacent surface, but fixing other surface atomic coordinates does not directly affect atoms that do not participate in the reaction. Corresponding to not considering, shortening the calculation time,
The computer memory capacity can be reduced and its effect is great.

【0029】以上に述べた反応経路探索法を適用した場
合の低減効果を以下に示す。タングステン表面クラスタ
20上でのモノシラン分子の解離吸着反応の経路解析を
分子軌道法により行なった際の低減効果を説明する。図
9には反応の初期設定構造を示す。モノシランの解離吸
着ではタングステン表面原子は動かず、モノシランのみ
が分解すると考えられるため表面タングステン原子は全
て固定し、さらにモノシラン分子に対しては最低振動数
914カイザーの三重縮退振動のみを残し、他の基準振
動は固定した。4つの水素原子のうち3つが表面より離
れる方向に振動しシリコン原子は表面に向かっている。
反応はシリコン原子の表面接近と水素原子の上方移動に
より開始すると考えられるから、図9に示した初期構造
は反応経路探索に好適な配置であると考えられる。図8
に示した手順に従い、50ステップの操作により原系か
ら生成系までの反応経路探索を大型計算機(100MI
PSの計算性能)を用いて行なった。この結果、CPU
約10時間でモノシランの解離吸着反応(SiH4→S
iH3+H)を追跡出来、反応熱として−3.6eVの
値を得る事が出来た。他方、全原子の自由度を全く固定
せず、同一の計算機を用い経路探索を行なった結果、C
PU時間で約5倍必要であった。計算機メモリ容量の比
較もふくめて表1にこの結果をまとめて示す。
The reduction effect when the reaction path search method described above is applied is shown below. The reduction effect when the path analysis of the dissociative adsorption reaction of monosilane molecules on the tungsten surface cluster W 20 is performed by the molecular orbital method will be described. FIG. 9 shows the initial setting structure of the reaction. In dissociative adsorption of monosilane, the tungsten surface atoms do not move and only monosilane is considered to decompose. Therefore, all surface tungsten atoms are fixed, and for the monosilane molecule, only the triple degenerate vibration of the minimum frequency 914 Kaiser is left, and other The standard vibration was fixed. Three of the four hydrogen atoms vibrate away from the surface, and silicon atoms are heading toward the surface.
Since the reaction is considered to be initiated by the surface approach of silicon atoms and the upward movement of hydrogen atoms, the initial structure shown in FIG. 9 is considered to be a suitable arrangement for the search of reaction paths. Figure 8
According to the procedure shown in, the reaction path search from the original system to the production system can be performed in 50 steps by a large-scale computer (100MI).
Calculation performance of PS). As a result, the CPU
Dissociative adsorption reaction of monosilane (SiH 4 → S in about 10 hours)
iH 3 + H) could be traced and a reaction heat of −3.6 eV could be obtained. On the other hand, as a result of carrying out a route search using the same computer without fixing the degrees of freedom of all atoms, C
It took about 5 times as much PU time. Table 1 shows the results together with the comparison of computer memory capacity.

【0030】[0030]

【表1】 [Table 1]

【0031】本経路探索では入江等、セオレティカシミ
カアクタ、70巻、239頁に記載のLEAF分子軌道
法を用いたため、内殻電子を含む電子間重なり積分や交
換積分の計算と保存が不要なため、計算機メモリ容量に
関する低減効果は少ないが、CPU時間に関しては大幅
な低減効果があったと言える。他の分子軌道法計算手
法、例えば、LEAF分子軌道法と異なり、すべての電
子間にわたる重なり積分や交換積分の計算が必要となる
非経験的分子軌道を用いる場合には、CPU時間、計算
機メモリ容量とも更なる低減効果が期待できる。
In this route search, since the LEAF molecular orbital method described in Irie et al., Seoreticashi Mika Actor, 70, 239, is used, calculation and storage of overlap integral between electrons including inner-shell electrons and exchange integral are unnecessary. Therefore, it can be said that the effect of reducing the computer memory capacity is small, but the effect of reducing the CPU time is large. Unlike other molecular orbital calculation methods, such as the LEAF molecular orbital method, when using an ab initio molecular orbital that requires calculation of overlap integral and exchange integral across all electrons, CPU time and computer memory capacity Further reduction effect can be expected.

【0032】次に、図6に示した本発明による薄膜製造
装置を用い、WF6の水素還元によるタングステン薄膜
成長を行なった実施例について説明する。WF6の水素
還元によるタングステン薄膜成長は通常の成膜条件では
段差被覆率が100%近くと良好であり、トレンチ構造
を完全に埋め込む事ができる。本実施例では本装置の性
能を評価するために、あえて80%の段差被覆率が得ら
れる成膜プロセス運転制御量の算出と成膜を行なった。
80%の段差被覆率では、例えば4ミクロン幅、10ミ
クロン深さのトレンチにはタングステンを完全に埋め込
むことが出来ず、トレンチ中央部にすが入る構造とな
る。以下、運転制御量算出の手順を説明する。電子構造
物性解析装置100には上記実施例で用いたLEAF分
子軌道法を、ニューラルネットワーク70には3層階層
型ネットワークを、流体反応工学解析装置200には3
次元拡散方程式と化学反応速度式を連立させた物質輸送
方程式解法系を用いた。LEAF分子軌道法により水素
分子、WF6分子、W20クラスタについての電子構造情
報(最高占有軌道エネルギ、最低非占有軌道エネルギ、
状態密度、結合次数、原子上電荷密度、静電多重極モー
メント)をニューラルネットワーク70の入力としてW
6の水素還元反応の反応次数を予測し、流体反応工学
解析装置200の入力の一部とした。また電子構造物性
解析装置100によりW20クラスタ上でのWF6水素還
元反応の経路解析を行ない化学反応式と活性化エネルギ
を求めた。活性化エネルギをニューラルネットワーク7
0の入力として、反応速度を予測し、流体反応工学解析
装置200の入力とした。W20クラスタ上での水素分子
とWF6分子との反応経路解析から、次の(1)式で化
学反応式がかける事が分かった。
Next, an example in which a tungsten thin film is grown by hydrogen reduction of WF 6 using the thin film manufacturing apparatus according to the present invention shown in FIG. 6 will be described. The growth of the tungsten thin film by hydrogen reduction of WF 6 has a good step coverage of nearly 100% under normal film forming conditions, and the trench structure can be completely filled. In this example, in order to evaluate the performance of the present apparatus, the film formation process operation control amount and the film formation were performed to obtain a step coverage of 80%.
With a step coverage of 80%, for example, a trench having a width of 4 μm and a depth of 10 μm cannot be completely filled with tungsten, resulting in a structure in which soot enters the center of the trench. The procedure for calculating the operation control amount will be described below. The electronic structure physical property analyzer 100 uses the LEAF molecular orbital method used in the above embodiment, the neural network 70 has a three-layer hierarchical network, and the fluid reaction engineering analyzer 200 has three layers.
We used a mass transport equation solving system that combines the dimensional diffusion equation and the chemical reaction rate equation. Electronic structure information (maximum occupied orbital energy, lowest unoccupied orbital energy, hydrogen molecule, WF 6 molecule, W 20 cluster by LEAF molecular orbital method,
State density, bond order, charge density on atom, electrostatic multipole moment) are input to neural network 70 as W.
The reaction order of the hydrogen reduction reaction of F 6 was predicted and used as a part of the input of the fluid reaction engineering analyzer 200. Further, the path analysis of the WF 6 hydrogen reduction reaction on the W 20 cluster was performed by the electronic structure physical property analyzer 100 to obtain the chemical reaction formula and the activation energy. Neural network 7 for activation energy
As an input of 0, the reaction rate was predicted and input to the fluid reaction engineering analysis device 200. From the analysis of the reaction path between the hydrogen molecule and the WF 6 molecule on the W 20 cluster, it was found that the chemical reaction formula can be applied by the following formula (1).

【0033】[0033]

【数1】 W20+3H2+WF6→W21+6HF …(1) また、この反応の活性化エネルギは80kJ/molと
解析出来た。さらに、ニューラルネットワーク70より
反応次数を予測した結果、WF6分子の依存性が低く、
水素分子の依存性が高いと予測されたため、WF6の依
存性は無く、水素分子に関しては一次の依存性とした。
以上の情報予測が終了するのに約6時間の計算時間が必
要であった。これは主に、電子構造物性解析装置100
による反応経路探索に要した時間であり、ニューラルネ
ットワーク70による予測にはほとんど時間はかかって
いない。次に、これらの結果をもとに、流体反応工学解
析装置200による解析が進み、段差被覆率80%の成
膜プロセス運転制御量が以下のように成膜プロセス運転
制御量表示部300に表示され、運転が開始した。
## EQU1 ## W 20 + 3H 2 + WF 6 → W 21 + 6HF (1) The activation energy of this reaction could be analyzed as 80 kJ / mol. Furthermore, as a result of predicting the reaction order from the neural network 70, the dependency of the WF 6 molecule is low,
Since it was predicted that the dependence of hydrogen molecules was high, there was no dependence of WF 6 and the dependence of hydrogen molecules was a first-order dependence.
It took about 6 hours to complete the above information prediction. This is mainly the electronic structure physical property analyzer 100.
The time required for the reaction path search by the neural network 70 and the prediction by the neural network 70 takes almost no time. Next, based on these results, the analysis by the fluid reaction engineering analyzer 200 proceeds, and the film formation process operation control amount with the step coverage of 80% is displayed on the film formation process operation control amount display unit 300 as follows. The operation was started.

【0034】これに要した時間は10分である。The time required for this is 10 minutes.

【0035】 堆積基板温度 :700K WF6導入分圧 : 2Pa H2 導入分圧 : 20Pa 予測成長速度 : 50nm/min 成長運転時間 : 80min 運転終了後、段差被覆率を検査したところ、84%の段
差被覆率と成っており、所望の埋込特性が得られている
ことが判明した。本発明による薄膜製造装置によれば成
膜仕様の入力から約8時間で所望の薄膜が得られてお
り、試行錯誤に伴う多数回の試料交換、真空排気等のむ
だ時間と資源の浪費を避けることが出来る。
Deposition substrate temperature: 700 K WF 6 introduction partial pressure: 2 Pa H 2 introduction partial pressure: 20 Pa Predicted growth rate: 50 nm / min Growth operation time: 80 min After the operation was completed, the step coverage was inspected to find a step difference of 84%. It was found that the desired embedding characteristics were obtained, which consisted of the coverage. According to the thin film manufacturing apparatus of the present invention, a desired thin film can be obtained within about 8 hours from the input of the film forming specification, and it is possible to avoid waste of time and resources such as many times of sample exchange and vacuum exhaustion due to trial and error. You can

【0036】次に本発明による薄膜製造装置を用い、C
VD薄膜製造プロセスの履歴現象低減による膜組成制御
に適用した実施例について説明する。薄膜製造装置には
図1に示した構成のCVD装置を用い、3元系強誘電体
薄膜PZT[Pb(Zr,Ti)O3混晶]の組成制御を行った。
原料にはPb(C11H19O2)2、Zr(O-t-Bu)4、Ti(O-i-Pr)4
もちい、N2キャリヤガスバブルにより装置内に反応ガ
スを導入した。またO2ガスを別途反応チャンバ10に
導入しPZT薄膜の酸素組成を調節した。N2、O2混合
キャリヤガス流量25cc/min、基板温度600度、全圧力
5〜10torrの範囲でPt基板上に成膜した。但し、原料
温度は飽和蒸気圧より40度に設定した。この結果、5
nm/secの成膜速度で目標組成Pb:Zr:Ti=1:0.36:0.58のP
ZT膜が得られたが、成膜実験を繰り返す度に先に示し
た組成比とは異なるPZT膜となり強誘電特性を示さな
くなった。組成的にはPb含有量の増加となって表れてい
た。これを鋭意検討したところ、原料Pb(C11H19O2)2
飽和蒸気圧が低く、装置導入部や装置内壁での析出、固
化が生じ組成比の経時変化を生じていることが判明し
た。PZT膜ではPb、Zr、Ti、さらにOも含めた4元素
の比率により強誘電特性が生じており、単純にPb(C11H
19O2)2導入量を減少させるだけでは経時変化に伴う強誘
電性特性の劣化を解消する事ができない。そこで、デー
タベース80に記録、保存されている、PZT薄膜製造
プロセスに関する、成膜ガス流量、温度、運転累積経過
時間、そして成膜後の組成等から成る運転履歴データ
{Ti}を用い、以下のニューラルネットワークを構成
した。すなわち、薄膜ニューラルネットワーク70の入
力としてPb、Zr、Ti、Oの組成比、、酸素ガス流量、窒
素ガス流量、反応チャンバ10の温度、圧力、堆積基板
温度、そして運転累積経過時間を入力とし、Pb(C11H19O
2)2、Zr(O-t-Bu)4、Ti(O-i-Pr)4各原料用バブルガス流
量を出力とするニューラルネットワークを構成し先の実
施例で示したバックプロパゲーション法によりこれまで
の実験結果を学習させた。この結果、ニューラルネット
ワーク70により予測される原料用バブルガス流量を用
いると、累積運転時間500時間にわたり安定した組成
比でPZT薄膜を形成できた。これより、本発明による
薄膜製造装置によれば、複雑な多元系酸化物薄膜を長時
間にわたり安定した組成で形成できる効果がある。
Next, using the thin film manufacturing apparatus according to the present invention, C
An example applied to the film composition control by reducing the hysteresis phenomenon in the VD thin film manufacturing process will be described. The CVD apparatus having the structure shown in FIG. 1 was used as the thin film manufacturing apparatus, and the composition of the ternary ferroelectric thin film PZT [Pb (Zr, Ti) O 3 mixed crystal] was controlled.
Pb (C 11 H 19 O 2 ) 2 , Zr (Ot-Bu) 4 and Ti (Oi-Pr) 4 were used as raw materials, and a reaction gas was introduced into the apparatus by an N 2 carrier gas bubble. Further, O 2 gas was separately introduced into the reaction chamber 10 to adjust the oxygen composition of the PZT thin film. A film was formed on a Pt substrate at a N 2 and O 2 mixed carrier gas flow rate of 25 cc / min, a substrate temperature of 600 degrees, and a total pressure of 5 to 10 torr. However, the raw material temperature was set to 40 degrees from the saturated vapor pressure. As a result, 5
Target composition Pb: Zr: Ti = 1: 0.36: 0.58 P at the film formation rate of nm / sec
A ZT film was obtained, but each time the film forming experiment was repeated, it became a PZT film having a composition ratio different from that shown above, and the ferroelectric property was not exhibited. Compositionally, it appeared as an increase in Pb content. Upon intensive investigation, it was found that the saturated vapor pressure of the raw material Pb (C 11 H 19 O 2 ) 2 was low, and precipitation and solidification occurred at the equipment introduction part and the inner wall of the equipment, and the composition ratio changed with time. did. In the PZT film, the ferroelectric characteristics are caused by the ratio of four elements including Pb, Zr, Ti, and O, and simply Pb (C 11 H
It is not possible to eliminate the deterioration of the ferroelectric properties with the lapse of time simply by reducing the amount of 19 O 2 ) 2 introduced. Therefore, using the operation history data {Ti}, which is recorded and stored in the database 80, regarding the PZT thin film manufacturing process, including the film formation gas flow rate, temperature, accumulated operation elapsed time, and composition after film formation, A neural network was constructed. That is, the composition ratio of Pb, Zr, Ti, and O, the oxygen gas flow rate, the nitrogen gas flow rate, the temperature of the reaction chamber 10, the pressure, the deposition substrate temperature, and the accumulated operation elapsed time are input as inputs of the thin film neural network 70. Pb (C 11 H 19 O
2 ) 2 , Zr (Ot-Bu) 4 , Ti (Oi-Pr) 4 Experimental results up to now by the backpropagation method shown in the previous example by constructing a neural network that outputs the bubble gas flow rate for each raw material Learned. As a result, by using the bubble gas flow rate for the raw material predicted by the neural network 70, the PZT thin film could be formed with a stable composition ratio over the cumulative operating time of 500 hours. Thus, the thin film manufacturing apparatus according to the present invention has an effect of forming a complex multi-element oxide thin film with a stable composition for a long time.

【0037】次に、本発明による薄膜製造装置を用いた
半導体装置製造方法の一実施例を図10を用いて説明す
る。本実施例においては、図6に示した構成の製造装置
を用いメモリ機能を有するDRAMの基本セルを構成し
た。まずp形基板401にチャネルストッパ403をイ
オン注入法により形成後、素子間分離用酸化膜405を
形成後、ゲート酸化膜404を形成した。この後、転送
ゲート406、蓄積ゲート407を形成、ソース、ドレ
イン領域402を形成した後、配線408等を形成し最
終的にメモリ機能を有するDRAMの基本セルを構成し
た。この一連の製造プロセスのうち転送ゲート406、
蓄積ゲート407には本薄膜製造装置を用い、ドープト
ポリシリコンで構成した。形成にあたっては、電子構造
物性解析装置100により得られるジシラン、フォスフ
ィン双方のHOMO軌道エネルギ(最高占有電子軌道の
エネルギ値)、LUMO軌道エネルギ(最低非占有電子
軌道のエネルギ)、全電子軌道対象性、ポリシリコン生
成の活性化エネルギ、双極子モーメント(電荷分離の度
合い)、分子容(分子のおおよその大きさ)、基板温度
を入力とし、両原料ガスの付着係数(表面衝突する分子
のうちポリシリコン形成化学反応に関与する割合)をニ
ューラルネットワーク70により出力した。HOMO、
LUMO軌道エネルギを入力として選んだ理由は、これ
らの量が分子の持つ酸化力、還元力を示す指標であり化
学反応の基本を決めていると考えられるからである。ま
た同様に、双極子モーメントは表面への吸着力の指標、
分子容は薄膜表面間隙と原料ガスとのマッチングを示す
指標、基板温度は表面並びに原料ガス分子の熱運動の指
標等を示しており、付着係数を決めている基本的な量で
あると考えられるたニューラルネットワークの入力とし
た。さて、ニューラルネットワーク70はモノシラン、
フォスフィン、アルシンを初めとする半導体製造ガスの
化学反応熱力学データ、付着係数計測値を有するデータ
ベース80を用い、入力に対して付着係数を出力するよ
うバックプロパゲーション法によりすでに学習済であ
る。得られた付着係数の値を用い流体反応工学解析装置
200により反応チャンバ10内の原料ガス流れ、成膜
速度分布を解析した。但し、反応チャンバ10は直径2
0cmの円筒型ホットウオール型バッチ反応器である。
形状並びにガス分圧等の境界条件はキーボード2、CR
T3を用いて入力した。この結果、基板温度500度で
は混合ガス圧力0.5torr(混合比100:1でジシラ
ン過剰である)が成膜速度分布が最適であることが流体
反応工学解析装置200により出力され制御手段60に
よりガス流量、チャンバ内ガス圧力が調整され、ポリシ
リコン成膜を開始した。付着係数出力、チャンバ内分布
予測には数秒しかかからず、運転開始になんら時間的な
支障は生じ無かった。この結果、ウエハ内でのメモリセ
ル構造の分布は非常に均一であり、本製造装置を用いれ
ば、短時間の内にプロセス運転最適値を予測でき、ウェ
ハ内での製造分布が特に重要となる半導体装置製造に非
常に有効であることが示された。
Next, an embodiment of a semiconductor device manufacturing method using the thin film manufacturing apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, a basic cell of a DRAM having a memory function was constructed using the manufacturing apparatus having the configuration shown in FIG. First, a channel stopper 403 was formed on a p-type substrate 401 by an ion implantation method, an element isolation oxide film 405 was formed, and then a gate oxide film 404 was formed. After that, a transfer gate 406 and a storage gate 407 are formed, a source / drain region 402 is formed, and then a wiring 408 and the like are formed to finally form a basic cell of a DRAM having a memory function. Of the series of manufacturing processes, the transfer gate 406,
The storage gate 407 was made of doped polysilicon using this thin film manufacturing apparatus. Upon formation, HOMO orbital energies of both disilane and phosphine (energy values of highest occupied electron orbitals), LUMO orbital energies (energy of lowest unoccupied electron orbitals), all electron orbital symmetry obtained by the electronic structure physical property analyzer 100, With the activation energy of polysilicon generation, dipole moment (degree of charge separation), molecular volume (approximate size of molecule) and substrate temperature as input, the sticking coefficient of both source gases (polysilicon among molecules that collide with the surface). The ratio involved in the formation chemical reaction) was output by the neural network 70. HOMO,
The reason for selecting the LUMO orbital energy as an input is that these amounts are indices showing the oxidizing power and reducing power of the molecule and are considered to determine the basis of the chemical reaction. Similarly, the dipole moment is an index of the attractive force on the surface,
The molecular volume is an index that indicates the matching between the thin film surface gap and the source gas, and the substrate temperature is an index that indicates the thermal motion of the surface and source gas molecules, and is considered to be the basic quantity that determines the sticking coefficient. The input of the neural network. Now, the neural network 70 is monosilane,
It has already been learned by the back-propagation method to output the sticking coefficient with respect to the input, using the database 80 having the chemical reaction thermodynamic data of the semiconductor manufacturing gas such as phosphine and arsine and the sticking coefficient measured value. Using the value of the obtained sticking coefficient, the flow of raw material gas in the reaction chamber 10 and the distribution of film formation rate were analyzed by the fluid reaction engineering analyzer 200. However, the reaction chamber 10 has a diameter of 2
It is a 0 cm cylindrical hot wall type batch reactor.
Boundary conditions such as shape and gas partial pressure are keyboard 2, CR
Entered using T3. As a result, at the substrate temperature of 500 degrees, the mixed gas pressure of 0.5 torr (mixing ratio of 100: 1 and disilane excess) indicates that the film formation rate distribution is optimum, which is output by the fluid reaction engineering analyzer 200 and the control means 60. The gas flow rate and the gas pressure in the chamber were adjusted, and the polysilicon film formation was started. It took only a few seconds to predict the adhesion coefficient output and the distribution in the chamber, and there was no time hindrance to the operation start. As a result, the distribution of the memory cell structure within the wafer is extremely uniform, and the use of this manufacturing apparatus makes it possible to predict the optimum process operation value within a short time, and the manufacturing distribution within the wafer becomes particularly important. It has been shown to be very effective in the manufacture of semiconductor devices.

【0038】次に、本発明による薄膜製造装置を用いた
半導体装置製造方法の別の一実施例を図11を用いて説
明する。本実施例においては液晶ディスプレー駆動用T
FTトランジスタを構成した。基板500には歪温度5
80度のガラス基板である。基板を400度に保ち、水
素ガスで希釈したモノシランガスを原料としてプラズマ
CVD法により結晶成分とアモルファス成分の双方を含
むシリコン層501を約600オングストローム形成す
る。
Next, another embodiment of the semiconductor device manufacturing method using the thin film manufacturing apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, a liquid crystal display driving T
An FT transistor was constructed. The substrate 500 has a distortion temperature of 5
It is a glass substrate of 80 degrees. With the substrate kept at 400 ° C., a silicon layer 501 containing both a crystalline component and an amorphous component is formed by plasma CVD using monosilane gas diluted with hydrogen gas as a raw material to a thickness of about 600 Å.

【0039】結晶成分とアモルファス成分の比はキャリ
ヤ移動度、ひいてはTFTトランジスタの動作性能を決
めるため、重要な制御因子となる。そこでガス希釈度、
プラズマ発生用印加電力、基板温度、運転累積時間をは
じめとする成膜プロセス運転履歴と結晶成分/アモルフ
ァス成分比率からなるデータベースを構築、図1に示し
た構成でプラズマCVD装置を運転、制御した。この結
果、基板温度400度近くではプラズマ発生電力を0.
4W/cm2近くに設定し、ガス希釈度も5%近い値が
好適であることが判明、経時変化を極力押さえた運転が
可能となった。次にこのシリコン層をアイランドフォト
した後、常圧CVDによりゲート酸化膜504を形成、
次にプラズマCVD法によりゲート電極用ドープトシリ
コン層を形成した。次にフォトエッチングによりゲート
電極505を形成、さらにイオン注入法によりソース領
域502、ドレイン領域503を形成した。次に、PS
GとAlを蒸着、TFTを形成した後、透明電極509
をスパッタ法により堆積、液晶ディスプレー駆動用TF
Tとした。なお、506は配線、507はPSG膜、5
08は酸化膜である。
The ratio of the crystalline component to the amorphous component is an important control factor because it determines the carrier mobility and thus the operating performance of the TFT transistor. So the gas dilution,
A database consisting of a film formation process operation history including applied power for plasma generation, substrate temperature, and accumulated operation time, and a crystal component / amorphous component ratio was constructed, and the plasma CVD apparatus was operated and controlled with the configuration shown in FIG. As a result, when the substrate temperature is close to 400 degrees, the plasma generation power is reduced to 0.
It was found that a value of about 4 W / cm 2 was set and a gas dilution degree of about 5% was suitable, and it became possible to operate with minimal change over time. Next, after island-photographing this silicon layer, a gate oxide film 504 is formed by atmospheric pressure CVD,
Next, a doped silicon layer for a gate electrode was formed by the plasma CVD method. Next, a gate electrode 505 was formed by photoetching, and a source region 502 and a drain region 503 were formed by an ion implantation method. Next, PS
After G and Al are vapor-deposited to form a TFT, a transparent electrode 509 is formed.
Deposited by sputtering method, TF for driving liquid crystal display
T. In addition, 506 is wiring, 507 is PSG film, 5
Reference numeral 08 is an oxide film.

【0040】以上2つの実施例よりわかるとおり、本発
明による薄膜製造装置を用いれば、半導体装置製造を効
率的かつプロセス履歴に左右されず再現良く製造できる
効果がある。
As can be seen from the above two embodiments, the use of the thin film manufacturing apparatus according to the present invention has the effect that the semiconductor device can be manufactured efficiently and reproducibly regardless of the process history.

【0041】[0041]

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、先
ず、既知の成膜反応系に対しては、ニューラルネットワ
ークの学習機能を用い、非線形動作する反応系に対して
も最適運転プロセス制御量を瞬時に算出、予測出来る効
果がある。また、新規な反応ガス、堆積基板にたいして
も、成膜反応式、反応次数等の予測までも行ない、運転
制御量予測が可能と成るため、試行錯誤に伴う多数回の
試料交換、真空排気等のむだ時間と資源の浪費を大幅に
避けることが出来る。
As described above, according to the present invention, first, the learning function of the neural network is used for the known film forming reaction system, and the optimum operation process control is performed even for the reaction system which operates nonlinearly. There is an effect that the amount can be calculated and predicted instantly. In addition, even for new reaction gases and deposition substrates, it is possible to predict the film formation reaction formula, reaction order, etc., and to predict the operation control amount, so many sample exchanges due to trial and error, evacuation, etc. The waste of time and resources can be largely avoided.

【0042】さらに実際の半導体装置製造に適用するこ
とにより、効率的かつプロセス履歴に左右されず再現良
く製造できる。
Further, by applying it to the actual manufacturing of the semiconductor device, the manufacturing can be performed efficiently and with good reproducibility regardless of the process history.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による薄膜製造装置の実施例の全体構成
図を示す概略図。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration diagram of an embodiment of a thin film manufacturing apparatus according to the present invention.

【図2】ニューラルネットワークの基本単位となるニュ
ーロンモデルの応答を示す説明図。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a response of a neuron model which is a basic unit of a neural network.

【図3】階層型ニューラルネットワークの構成と学習機
能を示す説明図。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a configuration and a learning function of a hierarchical neural network.

【図4】本発明による薄膜製造装置の別の実施例の全体
構成図を示す概略図。
FIG. 4 is a schematic view showing an overall configuration diagram of another embodiment of the thin film manufacturing apparatus according to the present invention.

【図5】本発明による薄膜製造装置のまた別の実施例の
全体構成図を示す概略図。
FIG. 5 is a schematic diagram showing the overall configuration of another embodiment of the thin film manufacturing apparatus according to the present invention.

【図6】本発明による薄膜製造装置のさらに別の実施例
の全体構成図を示す概略図。
FIG. 6 is a schematic view showing an overall configuration diagram of still another embodiment of the thin film manufacturing apparatus according to the present invention.

【図7】化学反応の進行方向を示す説明図。FIG. 7 is an explanatory view showing the proceeding direction of a chemical reaction.

【図8】化学反応経路探索法手順の説明図。FIG. 8 is an explanatory diagram of a procedure of a chemical reaction route search method.

【図9】タングステンクラスタ上でのモノシラン解離反
応初期構造を示す図。
FIG. 9 is a view showing an initial structure of monosilane dissociation reaction on a tungsten cluster.

【図10】本発明による薄膜製造装置を用い製造した半
導体装置の断面構造を示す図。
FIG. 10 is a diagram showing a cross-sectional structure of a semiconductor device manufactured using the thin film manufacturing apparatus according to the present invention.

【図11】本発明による薄膜製造装置を用い製造したま
た別の半導体装置の断面構造を示す図。
FIG. 11 is a diagram showing a cross-sectional structure of another semiconductor device manufactured using the thin film manufacturing apparatus according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…成膜仕様入力手段、2…キーボード、3…CRT、
10…反応チャンバ、20…ガス導入手段、30…基板
導入保持手段、40…真空排気手段、50…分析手段、
60…制御手段、70…ニューラルネットワーク、80
…データベース、90…データベースアクセス手段、1
00…電子構造物性解析装置、200…流体反応工学解
析装置、300…成膜プロセス運転制御量表示部、40
1…Si基板、402…ソース、ドレイン領域、403
…チャネルストッパ、404…ゲート酸化膜、405…
素子間分離膜、406…転送ゲート、407…蓄積ゲー
ト、408…配線、500…ガラス基板、501…シリ
コン層、502…ソース領域、503…ドレイン領域、
504…ゲート酸化膜、505…ゲート電極、506…
配線、507…PSG、508…酸化膜、509…透明
電極。
1 ... Film formation specification input means, 2 ... Keyboard, 3 ... CRT,
10 ... Reaction chamber, 20 ... Gas introduction means, 30 ... Substrate introduction holding means, 40 ... Vacuum exhaust means, 50 ... Analysis means,
60 ... Control means, 70 ... Neural network, 80
... database, 90 ... database access means, 1
00 ... Electronic structure physical property analyzer, 200 ... Fluid reaction engineering analyzer, 300 ... Film formation process operation control amount display unit, 40
1 ... Si substrate, 402 ... Source / drain region, 403
... Channel stopper, 404 ... Gate oxide film, 405 ...
Inter-element isolation film, 406 ... Transfer gate, 407 ... Storage gate, 408 ... Wiring, 500 ... Glass substrate, 501 ... Silicon layer, 502 ... Source region, 503 ... Drain region,
504 ... Gate oxide film, 505 ... Gate electrode, 506 ...
Wiring, 507 ... PSG, 508 ... Oxide film, 509 ... Transparent electrode.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/31 (72)発明者 牛尾 二郎 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 山口 憲 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Reference number within the agency FI Technical indication location H01L 21/31 (72) Inventor Jiro Ushio 1-280 Higashi-Kengikubo, Kokubunji-shi, Tokyo Hitachi Central (72) Inventor Ken Yamaguchi Ken-ji, Kokubunji, Tokyo 1-280, Higashi Koigokubo Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd.

Claims (18)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】反応チャンバ、該反応チャンバ内への反応
ガス導入手段、該反応チャンバ内に設けられた基板保持
手段、該反応チャンバ内の圧力を調整する圧力調整手
段、該反応チャンバ内の反応を分析する分析手段、該反
応チャンバ内の反応を制御する制御手段よりなる薄膜製
造装置において、成膜仕様の全部またはその一部を一次
の入力とし、成膜プロセス運転制御量を最終出力とする
予測手続きにニューラルネットワークを用いる事を特徴
とする薄膜製造装置。
1. A reaction chamber, means for introducing a reaction gas into the reaction chamber, means for holding a substrate provided in the reaction chamber, pressure adjusting means for adjusting the pressure in the reaction chamber, and reaction in the reaction chamber. In a thin film manufacturing apparatus comprising an analyzing means for analyzing the above, and a controlling means for controlling the reaction in the reaction chamber, the whole or a part of the film forming specification is used as a primary input, and the film forming process operation control amount is used as a final output. A thin film manufacturing device characterized by using a neural network for the prediction procedure.
【請求項2】上記ニューラルネットワークは、上記薄膜
製造装置とは別に設けられたデータベースへのアクセス
手段を備え、該データベースの情報を入力教師パターン
とする学習機能を有する事を特徴とする請求項1記載の
薄膜製造装置。
2. The neural network comprises access means to a database provided separately from the thin film manufacturing apparatus, and has a learning function of using information in the database as an input teacher pattern. The thin film manufacturing apparatus described.
【請求項3】上記データベースの情報は成膜仕様、成膜
プロセス運転制御量、成膜プロセス運転経過時間、成膜
プロセス運転累積経過時間などのいずれか一つ、もしく
は任意の組合せからなる薄膜製造装置運転履歴データを
有する事を特徴とする請求項2記載の薄膜製造装置。
3. The thin-film manufacturing, wherein the information in the database is any one of a film formation specification, a film formation process operation control amount, a film formation process operation elapsed time, a film formation process operation accumulated elapsed time, etc., or any combination thereof. 3. The thin film manufacturing apparatus according to claim 2, which has apparatus operation history data.
【請求項4】上記成膜仕様は、反応ガス種、堆積基板種
の双方、或いはそのいずれか一方の分子構造、結晶構造
情報を有し、該成膜仕様を入力とし、分子電子構造、反
応性指標、結合次数、成膜反応次数、成膜活性化エネル
ギ、表面超格子構造、結晶表面バンド構造からなる電子
構造と物性情報の全部もしくは一部を出力とする電子構
造物性解析装置を設け、該電子構造物性解析装置よりの
出力情報の全部またはその一部、そして他の成膜仕様の
一部、以上のいづれかを入力とし、成膜プロセス運転制
御量を出力とするニューラルネットワークを備えた事を
特徴とする特許請求項1ないし3のいずれかに記載の薄
膜製造装置。
4. The film formation specification has molecular structure and crystal structure information of both reactive gas species and / or deposition substrate species. An electronic structure physical property analyzer that outputs all or part of the electronic structure and physical property information consisting of the property index, bond order, film formation reaction order, film formation activation energy, surface superlattice structure, crystal surface band structure, A neural network is provided which inputs all or part of output information from the electronic structure physical property analyzer and part of other film forming specifications and outputs the film forming process operation control amount. The thin film manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein
【請求項5】上記電子構造物性解析装置は分子力場法、
分子軌道法、電子密度汎関数法、分子動力学法、エネル
ギバンド計算法の全部またはそのいずれかの組合せであ
ることを特徴とする請求項4記載の薄膜製造装置。
5. The electronic structure physical property analyzer is a molecular force field method,
5. The thin film manufacturing apparatus according to claim 4, wherein all or a combination of the molecular orbital method, the electron density functional method, the molecular dynamics method, and the energy band calculation method is used.
【請求項6】上記制御手段は反応ガス種、堆積基板の双
方、或いはそのいずれか一方の分子構造、結晶構造を入
力とし薄膜成長化学反応式、薄膜成長反応速度式の双方
またはいずれか一方を出力とするニューラルネットワー
ク、該薄膜成長化学反応式、該薄膜成長反応速度式の双
方またはいずれか一方、反応ガス導入圧力、チャンバ温
度、基板温度を入力とし、チャンバ内圧力分布、温度分
布、基板面上薄膜成長速度の全部或いはそのいずれかの
組合せを解析する流体反応工学解析装置により予想され
た成膜プロセス運転制御量に基づいて制御することを特
徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の薄膜製造装
置。
6. The control means receives a reaction gas species and / or a deposition substrate, or a molecular structure and / or a crystal structure of either one of them as an input, and uses both or one of a thin film growth chemical reaction formula and a thin film growth reaction rate formula. Neural network for output, the thin film growth chemical reaction formula, and / or the thin film growth reaction velocity formula, reaction gas introduction pressure, chamber temperature, substrate temperature are input, and pressure distribution in chamber, temperature distribution, substrate surface 4. The control according to any one of claims 1 to 3, wherein the control is performed based on the operation control amount of the film forming process predicted by a fluid reaction engineering analysis device that analyzes all or a combination of any of the upper thin film growth rates. Thin film manufacturing equipment.
【請求項7】上記成膜プロセス運転量は、薄膜成長化学
反応式、薄膜成長反応速度式、薄膜成長活性化エネルギ
の全部またはいずれかを有し、上記ニューラルネットワ
ークからの出力、反応ガス導入圧力、チャンバ温度、基
板温度を全部或いはそのいずれかの組合せを入力とし、
チャンバ内圧力分布、温度分布、基板面上薄膜成長速度
の全部或いはそのいずれかの組合せを解析する流体反応
工学解析装置により成膜プロセス運転制御量を予測する
請求項4または5記載の薄膜製造装置。
7. The operation amount of the film forming process has all or any of a thin film growth chemical reaction formula, a thin film growth reaction rate formula, and a thin film growth activation energy, and an output from the neural network and a reaction gas introduction pressure. , Chamber temperature, substrate temperature, or all combinations of them,
The thin film production apparatus according to claim 4 or 5, wherein the film reaction control amount is predicted by a fluid reaction engineering analysis apparatus that analyzes all or any combination of the pressure distribution in the chamber, the temperature distribution, the thin film growth rate on the substrate surface. .
【請求項8】反応ガス種、堆積基板種の双方、あるいは
そのいずれか一方の分子構造、結晶構造を入力するステ
ップ、該入力情報より分子電子構造、反応性指標、結合
次数、化学反応経路、成膜反応次数、成膜反応活性化エ
ネルギ、表面超格子構造、結晶表面バンド構造からなる
電子構造と物性情報の全部もしくは任意の組合せを電子
構造物性解析方法を用いて解析するステップ、該電子構
造と物性情報の全部又はその一部と他の成膜仕様の一部
をニューラルネットワークに入力し、成膜プロセス運転
制御量を出力するステップ、該出力成膜プロセス運転制
御量に従い成膜プロセスを制御するステップからなる薄
膜製造装置の制御方法において、該入力分子、結晶等の
原子配置(位置座標)の自由度を限定し、化学反応経路
(原子配置を定義域とするポテンシャル−エネルギー関
数上の極小点並びに鞍点)を探索することを特徴とする
薄膜製造装置の制御方法。
8. A step of inputting a molecular structure and / or a crystal structure of both reactive gas species and / or deposition substrate species, molecular electronic structure, reactivity index, bond order, chemical reaction path from the input information. A step of analyzing all or any combination of electronic structure consisting of film formation reaction order, film formation reaction activation energy, surface superlattice structure, crystal surface band structure and physical property information using an electronic structure physical property analysis method, the electronic structure Inputting all or part of the physical property information and part of other film forming specifications to the neural network and outputting the film forming process operation control amount, controlling the film forming process according to the output film forming process operation control amount In the method for controlling a thin film manufacturing apparatus, the degree of freedom of the atomic arrangement (positional coordinates) of the input molecule, crystal, etc. is limited, and the chemical reaction path (the atomic arrangement is defined). Potential and - a control method of a thin film manufacturing apparatus characterized by searching the minimum point and saddle) on the energy function.
【請求項9】上記原子配置を定義域とするポテンシャル
−エネルギー関数上のある極小点の基準振動座標のう
ち、曲率成分の大きな振動座標を固定することにより、
該原子配置(位置座標)の自由度を限定することを特徴
とする請求項8記載の薄膜製造装置の制御方法。
9. By fixing the vibration coordinate having a large curvature component among the reference vibration coordinates of a certain minimum point on the potential-energy function whose domain is the atomic arrangement,
9. The method for controlling a thin film manufacturing apparatus according to claim 8, wherein the degree of freedom of the atomic arrangement (positional coordinates) is limited.
【請求項10】上記原子配置を定義域とするポテンシャ
ル−エネルギー関数上のある極小点の基準振動座標のう
ち、振動数の大きな振動座標を固定することにより、該
原子配置(位置座標)の自由度を限定することを特徴と
する請求項8記載の薄膜製造装置の制御方法。
10. Freeness of the atomic arrangement (positional coordinates) by fixing the vibration coordinates having a large frequency among the reference vibration coordinates of a certain minimum point on the potential-energy function having the atomic arrangement as the definition range. 9. The method for controlling a thin film manufacturing apparatus according to claim 8, wherein the degree is limited.
【請求項11】上記原子集合体の一部原子の位置座標を
固定することにより、上記原子配置(位置座標)の自由
度を限定することを特徴とする請求項8記載の薄膜製造
装置の制御方法。
11. The thin film manufacturing apparatus according to claim 8, wherein the degree of freedom of the atomic arrangement (positional coordinates) is limited by fixing the positional coordinates of some atoms of the atomic assembly. Method.
【請求項12】上記原子集合体の一部原子間の結合距離
を固定することにより、上記原子配置(位置座標)の自
由度を限定することを特徴とする請求項8記載の薄膜製
造装置の制御方法。
12. The thin film manufacturing apparatus according to claim 8, wherein the degree of freedom of the atomic arrangement (positional coordinates) is limited by fixing a bond distance between some atoms of the atomic assembly. Control method.
【請求項13】上記電子構造物性解析方法に分子力場
法、分子軌道法、電子密度汎関数法、分子動力学法、エ
ネルギバンド計算法の全部あるいはそのいずれかの組合
せを用いる事を特徴とする請求項8乃至12記載の薄膜
製造装置の制御方法。
13. The method for analyzing the physical properties of electronic structures, wherein all or a combination of a molecular force field method, a molecular orbital method, an electron density functional method, a molecular dynamics method, an energy band calculation method is used. The method for controlling a thin film manufacturing apparatus according to claim 8,
【請求項14】アモルファスシリコン膜、酸化シリコン
膜、窒化膜、金属膜、金属シリサイド膜、複合酸化物膜
のいずれか一つの薄膜、もしくは二つ以上の任意の薄膜
の組合せを有する半導体装置の製造方法において、反応
チャンバ内の試料台に該半導体装置用基板を導入、保持
するステップ、該反応チャンバ内に該薄膜用原料ガスを
導入するステップ、該薄膜もしくは該組合せ薄膜の成膜
仕様の全部もしくはその一部をニューラルネットワーク
に入力し、成膜プロセス運転制御量を該ニューラルネッ
トワーク出力として予測するステップ、該成膜プロセス
運転制御量に従い該反応チャンバの運転を制御するステ
ップを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
14. A semiconductor device having a thin film of any one of an amorphous silicon film, a silicon oxide film, a nitride film, a metal film, a metal silicide film, and a composite oxide film, or a combination of any two or more thin films. In the method, a step of introducing and holding the semiconductor device substrate on a sample stage in a reaction chamber, a step of introducing the thin film raw material gas into the reaction chamber, all of the film forming specifications of the thin film or the combination thin film or It is characterized by comprising a step of inputting a part thereof to a neural network and predicting a film formation process operation control amount as the neural network output, and a step of controlling the operation of the reaction chamber according to the film formation process operation control amount. Manufacturing method of semiconductor device.
【請求項15】上記ニューラルネットワークによる成膜
プロセス運転制御量予測ステップが、データベースへの
アクセスステップと、該データベースの情報を入力教師
パターンとする学習ステップとを有することを特徴とす
る請求項14記載の半導体装置の製造方法。
15. The film formation process operation control amount predicting step by the neural network comprises a database access step and a learning step in which information in the database is used as an input teacher pattern. Of manufacturing a semiconductor device of.
【請求項16】上記成膜プロセスは、PVD、熱CV
D、プラズマCVD、光CVDのいずれか一つ、もしく
は任意の組合せであることを特徴とする請求項14又は
15記載の半導体装置の製造方法。
16. The film forming process comprises PVD and thermal CV.
16. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 14, wherein the method is one of D, plasma CVD, and photo CVD, or any combination thereof.
【請求項17】上記半導体装置はシリコンバイポーラ半
導体、シリコン電界効果形半導体、化合物半導体のいず
れか一つ、もしくは任意の組合せよりなる半導体装置で
あることを特徴とする請求項14乃至16のいずれかに
記載の半導体装置の製造方法。
17. The semiconductor device according to claim 14, wherein the semiconductor device is one of a silicon bipolar semiconductor, a silicon field effect semiconductor, and a compound semiconductor, or any combination thereof. A method of manufacturing a semiconductor device according to item 1.
【請求項18】上記半導体装置はRAM、ROMをはじ
めとするメモリ機能を有する半導体メモリ装置であるこ
とを特徴とする請求項14乃至17のいずれかに記載の
半導体装置の製造方法。
18. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 14, wherein the semiconductor device is a semiconductor memory device having a memory function such as RAM and ROM.
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