JPH09320919A - Manufacture of semiconductor device, manufacturing device, simulation method and simulator - Google Patents

Manufacture of semiconductor device, manufacturing device, simulation method and simulator

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JPH09320919A
JPH09320919A JP34977396A JP34977396A JPH09320919A JP H09320919 A JPH09320919 A JP H09320919A JP 34977396 A JP34977396 A JP 34977396A JP 34977396 A JP34977396 A JP 34977396A JP H09320919 A JPH09320919 A JP H09320919A
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manufacturing process
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伸二 恩賀
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多佳子 岡田
Hiroshi Tomita
寛 冨田
Kikuo Yamabe
紀久夫 山部
Haruo Okano
晴雄 岡野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a semiconductor device which enables a semiconductor device manufacturing process to be proceeded without a test piece as a desired process or while amendments being effected. SOLUTION: In a manufacturing method of a semiconductor device consisting of a plurality of processes, actual observation data in at least one of the plurality of processes is obtained. Prediction data in at least one of the plurality of processes is obtained by an abinitio molecular dynamics process simulator or a molecular dynamics simulator provided with empirical potential. Then, the prediction data and the actual observation data are compared and tested successively in an actual time. When a significant difference is recognized between a set value of a manufacturing process factor and a factor of the plurality of manufacturing processes gathered from the actual observation data according to the comparison and test, the manufacturing process factor is amended successively in an actual time.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法、製造装置、シミュレーション方法、及びシミュレ
ータに係り、特に、枚葉式又はクラスタ化した半導体装
置製造装置における限られた量又は質的内容の“その
場”測定値を最大限に拡張し、テストピースを用いるこ
となく、半導体装置製造プロセスを、所望の工程通りに
又は修正しながら進行することを可能とする半導体装置
の製造方法、製造装置、シミュレーション方法、及びシ
ミュレータに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device manufacturing method, a manufacturing apparatus, a simulation method, and a simulator, and more particularly, to a limited quantity or qualitative content in a single-wafer type or clustered semiconductor device manufacturing apparatus. The method for manufacturing a semiconductor device and the method for manufacturing the semiconductor device, which maximizes the “in-situ” measurement value of the device and enables the semiconductor device manufacturing process to proceed according to a desired process or while being corrected without using a test piece The present invention relates to a device, a simulation method, and a simulator.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、半導体装置の製造装置は、次のよ
うな変遷を経て現在に至っている。これを各世代の流れ
のなかで見てみると、dRAMの世代とその世代毎のチ
ップコストは、64Kから256Mまで容量が増加する
とともに、図128に示すように変化する。なお、図1
28の縦軸は、1Mにおけるチップコストを1として表
現している。また、図128において、プロットされた
点はチップコストを示し、横軸はdRAMの世代を示し
ている。
2. Description of the Related Art Conventionally, semiconductor device manufacturing apparatuses have come to the present after undergoing the following changes. Looking at this in the flow of each generation, the dRAM generation and the chip cost for each generation change as shown in FIG. 128 as the capacity increases from 64K to 256M. FIG.
The vertical axis of 28 represents the chip cost at 1M as 1. Further, in FIG. 128, the plotted points show the chip cost, and the horizontal axis shows the dRAM generation.

【0003】図128に示すように、64Kから256
Kまでは、比較的工程数も安定しており、チップコスト
も安定している。それが、4Mから世代を経る毎に、工
程数が増えており、それに伴ってチップコストも上昇し
ている。この工程数の増大によるコストの増加を少しで
も低減させるため、図128にも示したように、例え
ば、64Mでは、(1)ムダの排除、(2)作業の標準
化、(3)チップサイズの縮小、(4)微細化推進、
(5)生産性向上、(6)FA化推進、(7)大口径化
等の手段を講じて、コスト低減をはかっている。
As shown in FIG. 128, from 64K to 256
Up to K, the number of processes is relatively stable, and the chip cost is also stable. However, the number of processes is increasing every generation from 4M, and the chip cost is also increasing accordingly. In order to reduce the increase in cost due to the increase in the number of steps as much as possible, as shown in FIG. 128, for example, in 64M, (1) elimination of waste, (2) standardization of work, and (3) chip size Reduction, (4) Promotion of miniaturization,
Costs are being reduced by taking measures such as (5) productivity improvement, (6) FA promotion, and (7) larger diameter.

【0004】256Mになると、新材料の適用や、高誘
電体の採用、新構造の適用、立体化等を図ることによ
り、バイルールに乗せてゆくのである。しかし、1Gク
ラスになると、状況は一転し、バイルールに従うかどう
か不明となる。これまでの256Mクラスまでの製造装
置個々の高性能化を極限まで追求して行く従来の方法で
は、もはや事業としての解を求めることは困難となる。
製造装置個々の高性能化を極限まで追求して行くこと
は、即ちコスト高を招いてしまう。
[0004] At 256M, by applying a new material, adopting a high dielectric material, applying a new structure, three-dimensional, etc., it will be put on the birule. However, when it comes to 1G class, the situation changes and it becomes unclear whether or not to follow the bi-rule. It is no longer possible to find a solution as a business by the conventional method that pursues the maximum performance of individual manufacturing equipment up to the 256M class.
Pursuing the highest performance of each manufacturing apparatus to the utmost means increasing the cost.

【0005】また、図129に示すように、各工程毎
に、高性能化された装置が、例えば、工程AからB→C
→D→E→Fの順序で使用されて行くものとする。この
場合、設備領域の増大もコスト高を招くことは明らかで
ある。
Further, as shown in FIG. 129, a device having high performance is provided for each process, for example, processes A to B → C.
It is assumed that they are used in the order of → D → E → F. In this case, it is obvious that the increase of the equipment area also causes the cost increase.

【0006】また、1Gクラス以上で、もう一つ忘れて
はならないことは、各工程において物理的必然性による
精密制御が必須になってくることである。例えば、汚染
の遮断、自然酸化膜の排除、原子レベルでの平坦化の追
求等である。現在では、これらのことを考慮して、研究
段階ではあるが新しい概念として、図130に示すよう
なクラスタ化した製造装置が提案されている。このクラ
スタ化した製造装置(クラスタツール)は、バッチ式も
あるが、主として枚葉式であり、また、図130からも
分かるように、例えば中央に搬送系があり、各工程は、
それぞれAからB→C→Dの如く、矢印に示すように順
次進行して行くものである。このとき、各工程及び各工
程内では、多くの場合高真空に保たれ、自然酸化膜の被
着も減少でき、また、汚染の遮断、原子レベルでの表面
制御ができるようになってきた。
Another thing that must be forgotten in the 1G class and above is that precise control due to physical necessity becomes essential in each process. For example, it is the prevention of contamination, the elimination of natural oxide film, and the pursuit of planarization at the atomic level. At present, a clustered manufacturing apparatus as shown in FIG. 130 has been proposed as a new concept in consideration of these things, although it is still in the research stage. This clustered manufacturing apparatus (cluster tool) is of a batch type, but is mainly of a single-wafer type. Further, as can be seen from FIG. 130, for example, there is a transport system in the center, and each process is
As shown by the arrow, the sequence proceeds from A to B → C → D, respectively. At this time, in each step and in each step, in many cases, high vacuum is maintained, deposition of a natural oxide film can be reduced, contamination can be blocked, and surface control can be performed at the atomic level.

【0007】一方、半導体上に形成した電界効果MIS
素子について、昨今の高速化及び高集積化の技術開発の
中で、勢い、強誘電体は薄膜化に向かっている。強誘電
体膜を薄膜化すると、勿論閾値電圧は浅くなり、この分
だけ主動作速度は早くなり、これにより特にAC特性は
格段に改良させる。また、EEPROM等を考えてみる
と、微細化されてくると、非常に過酷な使用状況になっ
てくる。このような場合には従来の通常の製法の強誘電
体膜では、もはや、充分な信頼性がえられない。
On the other hand, a field effect MIS formed on a semiconductor
With respect to the element, in the recent technological development of high speed and high integration, the ferroelectric is moving toward thin film. When the ferroelectric film is thinned, the threshold voltage becomes shallow, of course, and the main operation speed becomes faster by this amount, and thereby the AC characteristic is particularly improved. Also, considering an EEPROM or the like, as the device is miniaturized, it will be in a very severe usage condition. In such a case, the conventional ferroelectric film produced by a conventional method cannot provide sufficient reliability.

【0008】しかし、MIS素子が微細化されても、強
誘電体膜自体の特性の改善策は余り省みられず、電源電
圧がさほど下がらない状態では、特に主動作時にゲート
強誘電体膜に高電界が掛かる。また、チャネル領域から
インパクトイオン化等で発生した電子正孔は、それぞれ
ゲート電極の極性及びドレイン電圧等の境界条件によ
り、強誘電体膜中に注入される。そしてこれらのキャリ
アは、強誘電体膜中にトラップされ長期信頼性を低下さ
せるだけでなく、耐圧低下等を引き起こす。
However, even if the MIS element is miniaturized, measures for improving the characteristics of the ferroelectric film itself are not neglected so much, and in the state where the power supply voltage does not drop so much, particularly in the main operation, the gate ferroelectric film is formed. A high electric field is applied. Further, electron holes generated by impact ionization or the like from the channel region are injected into the ferroelectric film depending on the boundary conditions such as the polarity of the gate electrode and the drain voltage. Then, these carriers are trapped in the ferroelectric film and not only deteriorate long-term reliability, but also cause decrease in breakdown voltage.

【0009】もう少し原子レベルでみてみる。熱強誘電
体膜においては、例えばシリコン強誘電体膜に高電界を
印加すると、ネットワークを構成するSi−O結合が、
外部から印加された高電界と相互作用する。そして、結
合が切断されて、電子や正孔が捕獲される捕獲中心が形
成され、続いて通過する電子や正孔は、この捕獲中心に
捕獲されて、膜厚方向の電界強度分布が局部的に平均電
界より高くなり、やがて絶縁破壊に至る。
Let's look a little more at the atomic level. In the thermal ferroelectric film, for example, when a high electric field is applied to the silicon ferroelectric film, the Si-O bond forming the network becomes
It interacts with a high electric field applied from the outside. Then, the bond is broken and a trap center for trapping electrons and holes is formed. Electrons and holes that pass subsequently are trapped at the trap centers, and the electric field strength distribution in the film thickness direction is locally localized. It becomes higher than the average electric field, and eventually dielectric breakdown occurs.

【0010】これらの状況を改善しようとして、最近で
は、強誘電体膜を単結晶化するアイデアが学会レベルで
はあるが提唱され出した。例えば、シリコン(111)
面上には、酸化セリウムCeO2が単結晶成長すること
が、J.Appl.Phys.,Aol.69(12),p8313(1991)に報告され
ている。あるいは、弗化カルシウムCaF2がシリコン
単結晶上に単結晶成長することが、Japan.J.Appl.Phys.
Suppl.,Aol.21-1,p187(1982)に報告されている。これら
は、一部であり、まだアイデアの状態で有るばかりでは
なく、その指針のもとになる計算手法にも多々疑問が残
っている。それで、一つには、例えば強誘電体膜を例に
上げても、それを用いた強誘電体膜の単結晶の姿自体が
充分認識されていない状況にある。この単結晶強誘電体
膜の構造に付いて報告したものを見てみよう。一つに
は、A. Miyamot, K.Takeichi, T.Hattori, M.Kubo, and
T.Inui, "Mechanism of Layer-Layer Homoepitaxial
Growth of SrTiO3(100) as Investigated by Molecular
Dynamics and Computer Graphics". Jpn. J. Appl. Ph
ys. Vol 31, (1992) 4463-4464.がある。ここでは、ペ
ロブスカイトを単結晶強誘電体膜として、それを下地S
i基板と接着させるとき、安定構造を計算している。し
かし、Si−O−Ti叉は、Ti−Si−Sr間の角度
や距離の初期配置を誤って用いている。また、これら
は、単結晶強誘電体膜の構造を単純化しており、必ずし
もその指針は正しくはない。
[0010] In an attempt to improve these situations, the idea of single-crystallizing a ferroelectric film has recently been proposed at the academic level. For example, silicon (111)
Single crystal growth of cerium oxide CeO 2 on the surface is reported in J. Appl. Phys., Aol. 69 (12), p8313 (1991). Alternatively, the fact that calcium fluoride CaF2 grows as a single crystal on a silicon single crystal is described in Japan.J.Appl.Phys.
Suppl., Aol. 21-1, p187 (1982). These are only a part, and not only are they still in the state of idea, but there are still many questions about the calculation method that is the basis of the guideline. Therefore, for example, even if a ferroelectric film is taken as an example, the single crystal of the ferroelectric film using it is not fully recognized. Let's look at what we have reported about the structure of this single crystal ferroelectric film. One is A. Miyamot, K. Takeichi, T. Hattori, M. Kubo, and
T. Inui, "Mechanism of Layer-Layer Homoepitaxial
Growth of SrTiO3 (100) as Investigated by Molecular
Dynamics and Computer Graphics ". Jpn. J. Appl. Ph
ys. Vol 31, (1992) 4463-4464. Here, the perovskite is used as a single crystal ferroelectric film, and it is used as a base S
The stable structure is calculated when it is bonded to the i-substrate. However, the initial arrangement of the angle or distance between Si—O—Ti or Ti—Si—Sr is erroneously used. Further, these simplify the structure of the single crystal ferroelectric film, and the guidelines are not always correct.

【0011】これらのことから分かる様に単結晶強誘電
体膜をどの様に設計するかに至っては殆ど正しい議論で
きていないのが現状である。また他方、強誘電体膜その
ものについては、その特性の向上に関しては、形成プロ
セス上のリファインに未だ終始しているのが現状であ
る。例えば、出来るだけ清浄な面を予め用意するとか、
或いは、膜生成の為のスパッタ温度やスパッタ雰囲気の
議論に終始している。これらは、単結晶強誘電体膜や強
誘電体膜に関する構造を含めての認識がまだ極めて低い
と言わざるを得ない。また強誘電体の自発分極発現の理
由や、その結晶構造との関連が分かっていないので、現
象論的追求にしか過ぎない。
As can be seen from these facts, the present situation is that most of the discussion has not been made about how to design a single crystal ferroelectric film. On the other hand, with respect to the ferroelectric film itself, the present situation is that the improvement of the characteristics is still being refined in the forming process. For example, prepare a surface that is as clean as possible,
Alternatively, the discussion is all about the sputtering temperature and the sputtering atmosphere for film formation. It must be said that recognition of these, including single crystal ferroelectric films and structures related to ferroelectric films, is still extremely low. Moreover, the reason for the spontaneous polarization of the ferroelectric substance and its relation to the crystal structure are not known, so it is only a phenomenological pursuit.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】しかし、以上のような
新しいクラスタツールにおいて、現在直面している最も
大きな困難は、その状況観察手法である。即ち、単一行
程を行う装置の場合では、まずテストピースと称するウ
エハを、各工程に導入していた。このテストピースを用
いて、たとえば、膜厚や、屈折率等を測定し、所定の条
件通り工程が進行しているかどうかをテストしていた。
However, in the above-mentioned new cluster tools, the greatest difficulty currently facing is the situation observation method. That is, in the case of an apparatus that performs a single process, a wafer called a test piece was first introduced into each process. Using this test piece, for example, the film thickness, the refractive index, etc. were measured to test whether or not the process proceeded according to predetermined conditions.

【0013】かかるテストピースの使用による各クラス
タツール内の条件のモニタリングには、量的、質的理解
上において問題がある。例えば、酸化膜の成膜工程又は
成長工程においては、XPSやFT−IRの装置を用い
るのが通例である。これをin−situで測定してい
たとしても、そのデ−タの意味するところは、現状では
十分に検討出来ていない。せいぜいそのスペクトルのピ
ーク波数位置から判断して、所定の物質が生成している
かどうかという判定程度である。このような状況では、
研究者の判断に頼っているところが多い。また、定量的
な対応が出来ず、更に、迅速な対応も出来ない。また、
研究者の経験に頼ることのできない新しい未知の物質が
あるときは、全く判断の仕様がない。
Monitoring the conditions in each cluster tool by using such a test piece has a problem in quantitative and qualitative understanding. For example, an XPS or FT-IR apparatus is usually used in the oxide film forming step or growing step. Even if this is measured in-situ, the meaning of the data has not been sufficiently examined at present. At most, it is judged from the peak wave number position of the spectrum whether or not a predetermined substance is generated. In this situation,
Many rely on the judgment of researchers. In addition, it is not possible to respond quantitatively, and it is also not possible to respond promptly. Also,
When there is a new unknown substance that cannot be relied on by the experience of researchers, there is no specification for judgment.

【0014】又、一方で分子動力学シミュレータの利用
も提案されている。しかし、一般に、分子動力学シミュ
レータは、プロセス変動算出プログラムに比べ、(1)
非常に計算が遅く、また(2)対象とする物質の実行領
域が、非常に小さいと言われている。それで、分子動力
学シミュレータと、プロセス変動算出プログラムを直接
つなげると言うことは、殆ど考えられないことであっ
た。即ち、分子動力学部分は、極めて計算が遅いので、
合体化させても、結局は、分子動力学部分の遅いスピー
ドに全体が引っ張れ、実用に向かないと思われていた。
また、分子動力学部分では、計算領域が極めて小さく、
せいぜい数十オングストローム程度であり、一方、プロ
セス変動算出プログラムでは、数ミクロン領域を計算し
ているため、計算領域のずれの点からもこれらを直接つ
なげることは難しい。
On the other hand, the use of a molecular dynamics simulator has also been proposed. However, in general, the molecular dynamics simulator is (1)
It is said that the calculation is very slow, and (2) the target material execution area is very small. Therefore, it was almost unthinkable to directly connect the molecular dynamics simulator and the process variation calculation program. That is, since the molecular dynamics part is extremely slow to calculate,
Even if they were put together, it was thought that the whole thing would eventually be pulled to the slow speed of the molecular dynamics part, and would not be suitable for practical use.
In the molecular dynamics part, the calculation area is extremely small,
On the other hand, it is about several tens of angstroms at most. On the other hand, since the process variation calculation program calculates the area of several microns, it is difficult to directly connect them in terms of the deviation of the calculation area.

【0015】たとえば、本発明者等は、単結晶強誘電体
膜の設置条件として、界面を含む系の全体の自由エネル
ギに着目し、印加条件下でこのエネルギが、最小になる
ように、位置を決定し、これにより、高信頼性のMIS
素子を作るとともに、界面に準位を形成しないようにし
た。特に、系の全体のエネルギを求めるにあたり、単結
晶強誘電体膜の構造を確実に再現することと、これらの
構成している各原子がどの様に運動するのかを厳密にし
かも正確に掴む必要があったが、本発明者等は、ab-ini
tio分子動力学を完成させ、さらに、分子動力学におい
ては独自のポテンシャル積算法を確立し、初めてこれら
の計算を可能にした。しかも、これを用いて、電気的特
性等の向上点を十分保証する意味から、単結晶強誘電体
膜の品質の度合いまでを明らかにしようと言うものであ
る。
For example, the present inventors pay attention to the free energy of the entire system including the interface as the installation condition of the single crystal ferroelectric film, and position it so that this energy is minimized under the applied condition. MIS of high reliability
The device was made and the level was not formed at the interface. In particular, in determining the energy of the entire system, it is necessary to reliably reproduce the structure of the single crystal ferroelectric film and to grasp exactly how each of the constituent atoms moves. However, the present inventors have found that ab-ini
We completed tio molecular dynamics and established a unique potential integration method in molecular dynamics, and made these calculations possible for the first time. Moreover, it is intended to clarify the degree of quality of the single crystal ferroelectric film from the viewpoint of sufficiently assuring the improvement of the electrical characteristics and the like by using this.

【0016】例えば、トンネル絶縁膜に、高電界を印加
すると、トンネル絶縁膜の基本構造を構成している結合
(例えば、シリコン強誘電体膜の場合にはSi−O結
合)と相互作用し、結合が切断されて、切断された結合
に、続いてトンネル絶縁膜を通過する電子や正孔が捕獲
されて、膜中の電荷分布に応じて、局所的に電界が平均
電界より大きくなり、劣化が更に進行する。劣化の進行
を抑えるには、本発明者によれば、この電界による絶縁
膜の結合(例えばSi−O結合)の切断を抑えることで
ある。
For example, when a high electric field is applied to the tunnel insulating film, the tunnel insulating film interacts with a bond (for example, a Si-O bond in the case of a silicon ferroelectric film) constituting the basic structure of the tunnel insulating film, The bond is broken, and the broken bond is followed by the trapping of electrons and holes passing through the tunnel insulating film, and the electric field locally becomes larger than the average electric field depending on the charge distribution in the film and deteriorates. Progresses further. To suppress the progress of deterioration, the present inventor suppresses the breakage of the bond (for example, Si—O bond) of the insulating film due to the electric field.

【0017】電界と絶縁膜の結合との相互作用は、電界
の向きと絶縁膜の結合の向きに依存する。したがって、
相互作用を弱くするには、絶縁膜の結合の向きが相互作
用が強い向きのものをより少なくなるようにすることで
ある。非晶質のように、全くランダムとした場合、絶縁
膜の結合の一部は必ず電界との相互作用が強い向きとな
る。
The interaction between the electric field and the coupling of the insulating film depends on the direction of the electric field and the coupling direction of the insulating film. Therefore,
In order to weaken the interaction, it is necessary to reduce the number of insulating film bonding directions that are strong. When it is made completely random, such as amorphous, some of the bonds of the insulating film always have a strong interaction with the electric field.

【0018】本発明の目的は、強誘電体絶縁膜の結合の
向きを制御し、電界との相互作用を抑え、電界による誘
電性の劣化の抑制を図ることを目的としている。
An object of the present invention is to control the coupling direction of the ferroelectric insulating film, suppress the interaction with the electric field, and suppress the deterioration of the dielectric property due to the electric field.

【0019】これは、高信頼誘電体膜作成技術に関する
もので、本発明者等が、新しいabinitio分子動
力学システムによる計算結果と独自の実験データを基に
生み出したものである。単結晶強誘電体膜は、これを強
誘電体膜等に適用した場合、材料そのものの選択の他、
基板や基板電極との位置関係等を最適化しないと、かえ
って非晶質誘電体膜よりも悪くなり得る。この時の材料
及び結晶方位のクライテリアを示そうと言うものであ
る。本発明者による新しい指針としては、あえて一言で
記せば「主印加電界下で系の自由エネルギが最小になる
様に結晶配置を行うこと等」である。また実際上の問題
として「単結晶強誘電体膜に存在し得る結晶欠陥濃度の
許容範囲」等をも記している。さらに、「主印加時の系
の自由エネルギが最低になる配置のほかに、劣化のトリ
ガを抑止するため、局所的にみた場合の自由エネルギ分
布の凸凹の許容範囲等」をも記している。
This relates to a technique for producing a highly reliable dielectric film, which was created by the present inventors based on the calculation results by the new ab initio molecular dynamics system and original experimental data. If this is applied to a ferroelectric film, etc., the single crystal ferroelectric film is
If the positional relationship between the substrate and the substrate electrode is not optimized, it may be worse than the amorphous dielectric film. The criteria for the material and crystal orientation at this time are shown. As a new guideline by the inventor of the present invention, a simple word is "to arrange the crystal so that the free energy of the system is minimized under the main applied electric field". In addition, as a practical problem, "allowable range of crystal defect concentration that can exist in single crystal ferroelectric film" and the like are also described. In addition to the arrangement in which the free energy of the system at the time of main application becomes the minimum, the allowable range of unevenness of the free energy distribution when viewed locally in order to suppress the trigger of deterioration is also described.

【0020】単結晶強誘電体膜一つ取り上げても、4回
対称のペロブスカイトなど非常に複雑な構造を持ってい
ることや、基板との接合面の組み合わせによって大きく
特性がことなる事など、大変複雑であるが、本発明者等
によれば、結晶学的には「損」をしても主動作電圧下で
「得」をしようとするである。
Even if one single-crystal ferroelectric film is taken up, it has a very complicated structure such as a four-fold symmetric perovskite, and the characteristics are greatly changed depending on the combination of the bonding surface with the substrate. Although complicated, the inventors of the present invention try to "gain" under the main operating voltage even if "loss" occurs crystallographically.

【0021】又、本発明は、クラスタ化におけるモニタ
機能の問題点を解決し、半導体装置製造装置、特に枚葉
式あるいはクラスタ化製造装置における限られた量又は
質的内容の“その場”測定値を最大限に拡張し、半導体
装置製造プロセスを、テストピースなしに、所望の工程
通り又は修正しながら進行することを可能とする半導体
装置の製造方法、製造装置、シミュレーション方法、及
びシミュレータを提供することを目的とする。
Further, the present invention solves the problem of the monitor function in clustering, and enables "in-situ" measurement of a limited quantity or qualitative content in a semiconductor device manufacturing apparatus, particularly a single wafer type or clustering manufacturing apparatus. Provided are a semiconductor device manufacturing method, a manufacturing device, a simulation method, and a simulator that allow the semiconductor device manufacturing process to be expanded as much as possible without a test piece and according to a desired process or while being corrected. The purpose is to do.

【0022】[0022]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、abin
itio分子動力学を用い、かつ新たな変分計算法を開
発し、(i)各プロセス要素の揺らぎや、各要素のずれ
の重畳現象も診断し、(ii)所望のシーケンス通り実行
されているかのチェックや、(iii)変動因子の発見も可
能とするシミュレーションシステムを開発した。かかる
システムのさらなる特徴は、(vi)プロセスの変動を数
学的・統計的に、しかも効率よく取り扱えるようにした
点と、(v)新しい推論エンジンを付加した点と、(v
i)新しい逆方向システムを付加した点にある。
The present inventors have found that abin
By using itio molecular dynamics and developing a new variational calculation method, (i) the fluctuation of each process element and the superposition phenomenon of the deviation of each element are diagnosed, and (ii) whether or not the desired sequence is executed. We have developed a simulation system that enables the checking of (iii) and the discovery of (iii) fluctuation factors. Further features of this system are: (vi) process fluctuations can be handled mathematically and statistically and efficiently; (v) a new inference engine is added;
i) A new backward system is added.

【0023】即ち、本発明(請求項1)は、複数の工程
からなる半導体装置の製造方法において、前記複数の工
程の少なくとも1つにおける製造装置内に形成された
膜、半導体基板上に形成された膜、半導体基板表面、及
び半導体基板内部の少なくとも1つに関する複数の特性
の少なくとも1つを測定して実観測データを得る工程
と、abinitio分子動力学プロセスシミュレータ
又は経験的ポテンシャルを与えた分子動力学シミュレー
タにより、前記複数の工程の少なくとも1つにおける、
複数の製造工程因子の少なくとも1つの設定値、及びこ
の設定値のゆらぎを入力値とし、この入力値を基に変分
計算を行い、前記複数の特性の少なくとも1つの予測デ
ータを得る工程と、前記予測データと実観測データとを
逐次、実時間で比較検定する工程と、前記比較検定によ
り、前記複数の製造工程因子の少なくとも1つの設定値
と、前記実観測データから推測される前記複数の製造工
程因子の少なくとも1つとの間に有意差が認められた場
合、前記製造工程因子を逐次実時間で修正処理する工程
とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法を
提供する。
That is, according to the present invention (claim 1), in a method for manufacturing a semiconductor device comprising a plurality of steps, a film formed in a manufacturing apparatus in at least one of the plurality of steps is formed on a semiconductor substrate. A film, a surface of a semiconductor substrate, and at least one of a plurality of properties of the inside of the semiconductor substrate to obtain actual observation data, and an ab initio molecular dynamics process simulator or empirical potential-added molecular dynamics By a science simulator, in at least one of the plurality of steps,
At least one set value of a plurality of manufacturing process factors, and a fluctuation of the set value as an input value, performing variational calculation based on the input value, and obtaining at least one predicted data of the plurality of characteristics; A step of sequentially comparing and testing the predicted data and the actual observation data in real time; at least one set value of the plurality of manufacturing process factors by the comparison test; and a plurality of the plurality of pieces estimated from the actual observation data. And a step of sequentially correcting the manufacturing process factor in real time when a significant difference is found between the manufacturing process factor and at least one manufacturing process factor.

【0024】本発明(請求項2)は、上述の半導体装置
の製造方法(請求項1)において、前記abiniti
o分子動力学プロセスシミュレータ又は経験的ポテンシ
ャルを与えた分子動力学シミュレータは、前記複数の工
程において形成又は処理される半導体材料、絶縁材料、
又は導電性材料を構成する原子の運動が平衡に達したと
ころで、時刻を0に設定し、その後、時刻tまでをサン
プリング時間とし、各原子の分極率、電荷、及び位置ベ
クトルとの時間相関を求め、所定時間における光学的ス
ペクトルを求める機能を有し、前記abinitio分
子動力学プロセスシミュレータ又は経験的ポテンシャル
を与えた分子動力学シミュレータから導かれる予測デー
タは、個々の原子の時々刻々の運動から導かれる振動挙
動、その固有振動数、及び固有振動数の分布情報を含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
According to the present invention (claim 2), in the method of manufacturing a semiconductor device (claim 1), the abiniti is used.
o A molecular dynamics process simulator or a molecular dynamics simulator given an empirical potential is a semiconductor material, an insulating material, or a semiconductor material formed or processed in the plurality of steps.
Alternatively, when the motion of the atoms forming the conductive material reaches equilibrium, the time is set to 0, and then the sampling time is set until the time t, and the polarizability, charge, and position vector of each atom are correlated with time. The prediction data derived from the ab initio molecular dynamics process simulator or the molecular dynamics simulator to which an empirical potential is given has a function of obtaining and obtaining an optical spectrum at a predetermined time. Provided is a method for manufacturing a semiconductor device, which includes the vibration behavior to be generated, its natural frequency, and distribution information of the natural frequency.

【0025】本発明(請求項3)は、上述の半導体装置
の製造方法(請求項1)において、前記abiniti
o分子動力学プロセスシミュレータ又は経験的ポテンシ
ャルを与えた分子動力学シミュレータは、前記複数の工
程において形成又は処理される半導体材料、絶縁材料、
又は導電性材料を構成する原子の運動から、該材料の材
料強度定数を逐次算出し、これを用いて該材料に誘起さ
れる応力を求める機能を有し、該応力が規定値を越える
場合には、前記製造工程因子の少なくとも1つが逐次修
正処理されることを特徴とする半導体装置の製造方法を
提供する。
According to the present invention (claim 3), in the method for manufacturing a semiconductor device (claim 1), the abiniti
o A molecular dynamics process simulator or a molecular dynamics simulator given an empirical potential is a semiconductor material, an insulating material, or a semiconductor material formed or processed in the plurality of steps.
Alternatively, it has a function of sequentially calculating the material strength constant of the material from the motion of atoms constituting the conductive material, and using this to find the stress induced in the material, and when the stress exceeds a specified value. Provides a method for manufacturing a semiconductor device, wherein at least one of the manufacturing process factors is sequentially corrected.

【0026】本発明(請求項4)は、上述の半導体装置
の製造方法(請求項2,3)において、前記半導体材
料、絶縁材料、又は導電性材料を構成する原子は、シリ
コン原子及び酸素原子である半導体装置の製造方法を提
供する。
According to the present invention (claim 4), in the method for manufacturing a semiconductor device (claims 2 and 3), the atoms constituting the semiconductor material, insulating material or conductive material are silicon atoms and oxygen atoms. A method for manufacturing a semiconductor device is provided.

【0027】本発明(請求項5)は、複数の工程を実施
する半導体装置の製造装置において、前記複数の工程の
少なくとも1つにおける製造装置内に形成された膜、半
導体基板上に形成された膜、半導体基板表面、及び半導
体基板内部の少なくとも1つに関する複数の特性の少な
くとも1つを測定して実観測データを得る手段と、ab
initio分子動力学プロセスシミュレータ又は経験
的ポテンシャルを与えた分子動力学シミュレータによ
り、前記複数の工程の少なくとも1つにおける、複数の
製造工程因子の少なくとも1つの設定値、及びこの設定
値のゆらぎを入力値とし、この入力値を基に変分計算を
行い、前記複数の特性の少なくとも1つの予測データを
得る手段と、前記予測データと実観測データとを逐次、
実時間で比較検定する手段と、前記比較検定により、前
記複数の製造工程因子の少なくとも1つの設定値と、前
記実観測データから推測される前記複数の製造工程因子
の少なくとも1つとの間に有意差が認められた場合、前
記製造工程因子を逐次実時間で修正処理する手段とを具
備することを特徴とする半導体装置の製造装置を提供す
る。
According to a fifth aspect of the present invention, in a semiconductor device manufacturing apparatus for performing a plurality of steps, a film formed in the manufacturing apparatus in at least one of the plurality of steps is formed on a semiconductor substrate. Means for measuring at least one of a plurality of characteristics relating to at least one of the film, the surface of the semiconductor substrate, and the inside of the semiconductor substrate to obtain actual observation data;
An initio molecular dynamics process simulator or a molecular dynamics simulator given an empirical potential is used to input at least one set value of a plurality of manufacturing process factors in at least one of the plurality of steps, and a fluctuation of this set value as an input value. And, means for obtaining at least one prediction data of the plurality of characteristics by performing variational calculation based on this input value, the prediction data and the actual observation data are sequentially
A means for performing a comparative test in real time, and a significant difference between at least one set value of the plurality of manufacturing process factors and at least one of the plurality of manufacturing process factors estimated from the actual observation data by the comparative test. Provided is a device for manufacturing a semiconductor device, comprising means for sequentially correcting the manufacturing process factor in real time when a difference is recognized.

【0028】本発明(請求項6)は、abinitio
分子動力学プロセスシミュレータ又は経験的ポテンシャ
ルを与えた分子動力学シミュレータにより、半導体装置
の製造プロセスの複数の工程の少なくとも1つにおけ
る、複数の製造工程因子の少なくとも1つの設定値、及
びこの設定値のゆらぎを入力値とし、この入力値を基に
変分計算を行い、前記複数の工程の少なくとも1つにお
ける製造装置内に形成された膜、半導体基板上に形成さ
れた膜、半導体基板表面、及び半導体基板内部の少なく
とも1つに関する複数の特性の少なくとも1つの予測デ
ータを得る工程と、この予測データと前記複数の工程の
少なくとも1つにおける前記複数の特性の少なくとも1
つを測定して得られた実観測データとを逐次、実時間で
比較検定して、前記製造工程因子の診断及び判定を行う
工程とを具備するシミュレーション方法を提供する本発
明(請求項7)は、上述のシミュレーション方法(請求
項6)において、前記比較検定により前記複数の製造工
程因子の少なくとも1つの設定値と、前記実観測データ
から推測される前記複数の製造工程因子の少なくとも1
つの間に有意差が認められた場合、前記製造工程因子の
修正値を実時間で求める工程を具備することを特徴とす
るシミュレーション方法を提供する。
The present invention (claim 6) provides an abinitio
At least one set value of a plurality of manufacturing process factors in at least one of a plurality of steps of a manufacturing process of a semiconductor device by a molecular dynamics process simulator or a molecular dynamics simulator given an empirical potential, and Fluctuation is used as an input value, variation calculation is performed based on this input value, a film formed in the manufacturing apparatus in at least one of the plurality of steps, a film formed on the semiconductor substrate, a semiconductor substrate surface, and Obtaining at least one prediction data of a plurality of characteristics relating to at least one inside the semiconductor substrate, and at least one of the plurality of characteristics in the prediction data and at least one of the plurality of steps.
The present invention provides a simulation method, which comprises a step of diagnosing and judging the manufacturing process factor by sequentially performing real-time comparison and verification with real observation data obtained by measuring one of the two (claim 7). Is at least one set value of the plurality of manufacturing process factors by the comparison test and at least one of the plurality of manufacturing process factors estimated from the actual observation data in the simulation method (claim 6).
There is provided a simulation method comprising a step of obtaining a corrected value of the manufacturing process factor in real time when a significant difference is recognized between the two.

【0029】本発明(請求項8)は、半導体装置の製造
プロセスの複数の工程の少なくとも1つにおける製造装
置内、半導体基板表面、及び/又は半導体基板上に形成
された膜に関する複数の特性の少なくとも1つを測定し
て実観測データを得る手段と、abinitio分子動
力学プロセスシミュレータ又は経験的ポテンシャルを与
えた分子動力学ミュレータにより、前記複数の工程の少
なくとも1つにおける、複数の製造工程因子の少なくと
も1つの設定値、及びこの設定値のゆらぎを入力値と
し、この入力値を基に変分計算を行い、前記複数の特性
の少なくとも1つの予測データを得る手段と、前記予測
データと実観測データとを逐次、実時間で比較検定する
手段とを具備する、半導体装置の製造工程因子を診断・
判定するシミュレータを提供する。
The present invention (Claim 8) provides a plurality of characteristics relating to the inside of the manufacturing apparatus, the surface of the semiconductor substrate, and / or the film formed on the semiconductor substrate in at least one of the plurality of steps of the manufacturing process of the semiconductor device. By using at least one of the plurality of manufacturing process factors in at least one of the plurality of processes, a means for measuring at least one to obtain actual observation data and an ab initio molecular dynamics process simulator or an empirical potential-provided molecular dynamics simulator. At least one set value and a fluctuation of this set value are used as input values, variational calculation is performed based on these input values, means for obtaining at least one predicted data of the plurality of characteristics, the predicted data and actual observation And a means for sequentially comparing and verifying the data in real time to diagnose the manufacturing process factor of the semiconductor device.
Provide a judgment simulator.

【0030】本発明(請求項9)は、abinitio
分子動力学プロセスシミュレータ又は経験的ポテンシャ
ルを与えた分子動力学シミュレータにより、半導体装置
の製造プロセスの複数の工程の少なくとも1つにおけ
る、複数の製造工程因子の少なくとも1つの設定値、及
びこの設定値のゆらぎを入力値とし、この入力値を基に
変分計算を行い、前記複数の工程の少なくとも1つにお
ける製造装置内に形成された膜、半導体基板上に形成さ
れた膜、半導体基板表面、及び半導体基板内部の少なく
とも1つに関する複数の特性の少なくとも1つの予測デ
ータを得る手段と、この予測データと前記複数の工程の
少なくとも1つにおける前記複数の特性の少なくとも1
つを測定して得られた実観測データとを逐次、実時間で
比較検定して、前記製造工程因子の診断及び判定を行う
手段とを具備する、半導体装置の製造工程因子を診断・
判定するシミュレータを提供する。
The present invention (Claim 9) is based on abinitio
At least one set value of a plurality of manufacturing process factors in at least one of a plurality of steps of a manufacturing process of a semiconductor device by a molecular dynamics process simulator or a molecular dynamics simulator given an empirical potential, and Fluctuation is used as an input value, variation calculation is performed based on this input value, a film formed in the manufacturing apparatus in at least one of the plurality of steps, a film formed on the semiconductor substrate, a semiconductor substrate surface, and Means for obtaining at least one predictive data of a plurality of characteristics relating to at least one inside the semiconductor substrate, and the predictive data and at least one of the plurality of characteristics in at least one of the plurality of steps.
And sequentially observing the real observation data obtained by measuring one of them in real time, and diagnosing the manufacturing process factor of the semiconductor device, comprising:
Provide a judgment simulator.

【0031】一方、本発明者等は分子動力学シミュレー
タについて、前記したような非常に計算が遅いという問
題、及び対象とする物質の実行領域が、非常に小さいと
いう問題に対してそれぞれ新しい考えを導入して克服
し、分子動力学シミュレータとプロセス変動算出プログ
ラムとを新しい方法で合体させ、しかも、この合体によ
り、今までにない新しい機能を引き出すことが出来た。
以下に順に説明する。
On the other hand, the inventors of the present invention have proposed new ideas for the molecular dynamics simulator with respect to the problem that the calculation is very slow and the problem that the execution area of the target substance is very small. It was introduced and overcome, and the molecular dynamics simulator and the process variation calculation program were combined by a new method, and by this combination, it was possible to bring out a new function that has never existed before.
This will be described below in order.

【0032】まず(1)の計算速度の問題に関して少し
詳しく触れてみる。分子動力学では、原子一個一個につ
いて、いわばニュートン力学に従って、運動方程式を立
てて、これを、着目している100個または1000個
の原子全部に渡って連立させて解くものである。
First, the problem of calculation speed (1) will be touched on in some detail. In molecular dynamics, a motion equation is set up for each atom according to, so to speak, Newtonian mechanics, and the equations of motion are solved simultaneously over all 100 or 1000 atoms of interest.

【0033】この運動方程式の基になる力の計算が一番
複雑である。これが、従来の計算手法では遅かったゆえ
んである。各原子は、その廻りの原子から力を受けてい
る。近くの原子からも、遠くの原子からも、力を貰って
いる。これを考慮する必要がある。一般にはテレソフの
式に従って導出されるポテンシャルエネルギVijをもと
め、これを基に、力を算出して行く。しかし、従来で
は、概ね、ポテンシャルを、距離や方向等をもとに、予
め各原子に加わる力について方向毎のテーブルを作って
おく手法を取っていた。この方法では、上記の100個
または1000個の原子について、毎回、テーブルを参
照し、ポテンシャルの大きさを見て行くものである。こ
れは、非常に時間の掛かるものである。またポテンシャ
ルそのものからは、力を算出することは出来なくて、ポ
テンシャルの大きさのそれぞれの方向に対する傾きが、
それぞれの方向の力に成るわけである(図2参照)。こ
れゆえ、非常に計算機の時間がかかることが分かる。
The calculation of the force that is the basis of this equation of motion is the most complicated. This is because the conventional calculation method is slow. Each atom receives force from the atoms around it. It receives power from both nearby and distant atoms. This needs to be taken into consideration. Generally, the potential energy V ij derived according to the Telesoff formula is obtained, and the force is calculated based on this potential energy V ij . However, in the past, in general, a method of preparing a table for each direction of the force applied to each atom in advance based on the potential, the distance, the direction, and the like was generally used. In this method, the magnitude of the potential is checked for each 100 or 1000 atoms by referring to the table every time. This is very time consuming. In addition, the force cannot be calculated from the potential itself, and the inclination of the magnitude of the potential with respect to each direction is
It consists of forces in each direction (see Fig. 2). Therefore, it can be seen that it takes a lot of computer time.

【0034】なぜこの様に、数値テーブルを作るかと言
うと、ポテンシャルの形状を表した式が非常に複雑であ
るからである。上にも述べた様に、ポテンシャル(V)
は、廻りの原子の位置はお互いの角度(θ)、さらに
は、距離(r)等が複雑にからみ合っている。これ故
に、これを、数学的に、微分して関数を作るのは非常に
難しい。例えばθはrの関数であるのに、また廻り回っ
て再びrの関数に成ったりする。
The reason why the numerical table is created in this way is that the equation representing the shape of the potential is very complicated. As mentioned above, potential (V)
The positions of the surrounding atoms are complicatedly entangled with each other in the angle (θ) and further in the distance (r). Therefore, it is very difficult to differentiate it mathematically to create a function. For example, θ is a function of r, but it turns around and becomes a function of r again.

【0035】本発明者らは、この様な一般に非常に複雑
で、上記の様にポテンシャルの表現式の引数が、巡回す
る様な場合について、従来、偏微分が試みられなかった
部分において、新しい高階巡回偏微分式を作成した。こ
れにより、式自体の変形は一見非常に複雑になるが、計
算は非常にはやく出来るようになった。従来のように、
数表を参照しなくて良いようになった。
The inventors of the present invention are very complicated in general as described above, and in the case where the argument of the potential expression is cyclic as described above, in the part where the partial differentiation has not been attempted in the past, a new A higher-order cyclic partial differential equation was created. This makes the transformation of the equation itself seemingly complicated, but the calculation can be done very quickly. As before,
I no longer need to refer to the number table.

【0036】では、この高階巡回偏微分式の一番の概念
を以下に示す。これは、一般に3個の原子を想定して、
考えている。すなわち、原子3個に関して一般的に記述
すれば、あとは、この手法を広げて行けばよい。3個の
原子があれば、各原子との距離や、その着目している原
子の間の角度等も算出できる。これらにより、ポテンシ
ャルを一義的に求められ、これをもとに、何れの方向に
も、ポテンシャルの「傾き」を容易に算出することが出
来る。本発明者等は、巡回して用いている変数について
全て偏微分式を作っておき、これらを、連立させて解く
ことで、正しく、微分型が作られていることを確認し
た。
Then, the first concept of this higher-order cyclic partial differential equation is shown below. This generally assumes 3 atoms,
thinking. That is, if three atoms are generally described, then this method can be expanded. If there are three atoms, the distance to each atom and the angle between the atoms of interest can also be calculated. From these, the potential is uniquely obtained, and based on this, the “slope” of the potential can be easily calculated in any direction. The present inventors have confirmed that the differential type is correctly created by creating partial differential equations for all the variables that are cyclically used and solving them in parallel.

【0037】以下本発明によるシステムの概要を具体的
に説明する。最初に、図1を参照して、本発明の応用の
実際を説明する。即ち、プロセス装置Vは、実際に稼働
している半導体製造システムの一部である。ここでは、
スペクトルメータVIによって光の吸収スペクトルをみ
ている。
The outline of the system according to the present invention will be specifically described below. First, the actual application of the present invention will be described with reference to FIG. That is, the process device V is a part of the semiconductor manufacturing system which is actually operating. here,
The absorption spectrum of light is observed by the spectrum meter VI.

【0038】スペクトルメータVIによって得られた光
の吸収スペクトルは、一旦ファイル4として格納され、
スケジューラVIIに送られる。スケジューラVIIに
は、後述する本発明による予測値も入力され、これらは
対比診断検定部IVで比較される。
The light absorption spectrum obtained by the spectrum meter VI is once stored as a file 4,
Sent to scheduler VII. Predictor values according to the present invention, which will be described later, are also input to the scheduler VII, and these are compared by the comparison diagnostic test unit IV.

【0039】対比診断検定部IVでの比較結果が、許容
値を超えていれば、スペックを満たさないものとしてラ
インから外される。また、満たしていれば、その変動分
を推論エンジンとしてのプロセス変動算出ユニットIに
送られる。
If the comparison result in the comparison diagnosis verification unit IV exceeds the allowable value, it is determined that the specification is not satisfied and the line is removed from the line. If satisfied, the variation is sent to the process variation calculation unit I as an inference engine.

【0040】プロセス変動算出ユニット1では、基本的
には原子レベルまで考慮しないマクロ的な性質を計算
し、ファイル2に格納する。ファイル2の内容は、分子
動力学シミュレータIIで原子間位置ベクトルと結合角
が算出される。
The process variation calculation unit 1 basically calculates a macroscopic property not considering the atomic level and stores it in the file 2. Regarding the contents of file 2, the interatomic position vector and bond angle are calculated by the molecular dynamics simulator II.

【0041】分子動力学シミュレータIIで算出された
原子間位置ベクトルと結合角は、膜特性算出ユニットI
IIに入力され、ここで基本膜特性が算出されてファイ
ル3に戻される。膜特性算出ユニットIIIで算出され
た基本膜特性は、プロセス変動算出ユニットIにも戻さ
れ、パラメータの一部とされる。
The interatomic position vector and bond angle calculated by the molecular dynamics simulator II are obtained by the film property calculation unit I.
II, where the basic film properties are calculated and returned to File 3. The basic film properties calculated by the film property calculation unit III are also returned to the process variation calculation unit I to be a part of the parameters.

【0042】このように、本発明によって、半導体装置
製造プロセスを、テストピースなしに、所望の工程どお
り、または修正しながら進行する事を可能とする半導体
装置の製造方法が実現される。
As described above, according to the present invention, a method of manufacturing a semiconductor device is realized which allows a semiconductor device manufacturing process to proceed without a test piece, according to a desired process or while being corrected.

【0043】実際には、分子動力学シミュレータIIの
内容が特に重要である。具体的には、図7のブロック図
に示したように、2つの部分からなっている。第1の部
分IIaは、本件発明者によって導入された高階巡回偏
微分法を利用するものであり、第2の部分IIbは、三
次以上の高次項を考慮した解析を行うものである。な
お、以後、高階巡回偏微分法や三次以上の高次項を考慮
した解析の詳細が順次説明される。
In practice, the content of the molecular dynamics simulator II is particularly important. Specifically, as shown in the block diagram of FIG. 7, it is composed of two parts. The first part IIa uses the higher-order cyclic partial differential method introduced by the inventor of the present invention, and the second part IIb performs analysis considering higher-order terms of third or higher order. The details of the higher-order cyclic partial differential method and the analysis considering higher-order terms of the third or higher order will be sequentially described below.

【0044】即ち、本発明者らは、純粋数学理論にたち
帰り、新たな変分計算法を確立するとともに、新しい計
算化学理論により、各種スペクトルをも予測する技術を
開発した。以下、本発明における新しいabiniti
o分子運動学について説明する。
That is, the present inventors have returned to pure mathematical theory, established a new variational calculation method, and developed a technique for predicting various spectra by a new computational chemistry theory. Hereinafter, the new abiniti in the present invention
o Explain molecular kinematics.

【0045】本発明者等が開発した新しいシミュレーシ
ョンの全体構成を図3に示す。分子動力学部分(MD)
と密度汎関数(DFT)とを合成した新しい手法を提案
した。まず本発明者らによる分子動力学法と密度汎関数
法との使い分けを図3を用いながら以下に示す。
The overall structure of the new simulation developed by the present inventors is shown in FIG. Molecular dynamics part (MD)
We have proposed a new method that synthesizes and the density functional (DFT). First, the use of the molecular dynamics method and the density functional theory method by the present inventors will be shown below with reference to FIG.

【0046】図3に示すように、分子動力学(MD)部
分はフローチャートの下半分を占め、密度汎関数部分
(DFT)は上半分を占めている。分子動力学法は零K
でない所謂有限温度でのやや大きな系を扱い、原子(イ
オン)間のポテンシャルには、予め第一原理から求めた
ポテンシャルを用いる。他方、密度汎関数(DFT)
は、小さな系の基底状態を求める時に使うことにした。
そして、当然DFTの部分は温度は零Kとした。ポテン
シャル部分は、電子系の基底状態から求めた。具体的に
は波動関数(KS方程式)を解き、局所密度汎関数を併
用した。
As shown in FIG. 3, the molecular dynamics (MD) part occupies the lower half of the flowchart, and the density functional part (DFT) occupies the upper half. Molecular dynamics method is zero K
It deals with a rather large system at a so-called finite temperature, and uses the potential obtained in advance from the first principle as the potential between atoms (ions). On the other hand, density functional (DFT)
Was used to find the ground state of a small system.
And, naturally, the temperature of the DFT portion was set to 0K. The potential part was obtained from the ground state of the electronic system. Specifically, the wave function (KS equation) was solved and the local density functional was used together.

【0047】DFT部分で、縮重のない電子系の基底状
態の全エネルギーを求めて置く。全エネルギーは(波動
関数までさかのぼらずに)電子密度n(r)の汎関数E
[n(r)]である。
At the DFT portion, the total energy of the ground state of the electronic system without degeneracy is determined and set. The total energy is the functional E of the electron density n (r) (without going back to the wave function)
[N (r)].

【0048】即ち、E[n(r)]は、下記式(120
1)により表される。
That is, E [n (r)] is expressed by the following equation (120)
It is represented by 1).

【0049】[0049]

【数1】 右辺第1項のVz (r)は核のクーロン場などの外場、
第2項は電子間のクーロン相互作用エネルギー、第3項
は、電子の1体近似を想定して、電子間相互作用のない
時の運動エネルギーTs[n(r)]であり、下記式(1
202)により表される。
[Equation 1] Vz (r) of the first term on the right side is an external field such as Coulomb field of the nucleus,
The second term is the Coulomb interaction energy between the electrons, and the third term is the kinetic energy Ts [n (r)] when there is no electron interaction, assuming the one-body approximation of the electrons. 1
202).

【0050】[0050]

【数2】 第4項は交換相関エネルギーExc[n(r)]で、その
形は局所密度近似による。電子密度n(r)は下記式
(1203)により表される。
[Equation 2] The fourth term is the exchange correlation energy Exc [n (r)], the shape of which depends on the local density approximation. The electron density n (r) is represented by the following formula (1203).

【0051】[0051]

【数3】 基底状態は、式(1201)のE[n(r)]の変分を
0とおいて得る、下記式(21),(22)に示すKS
方程式(Kohn−sham equation)を解
いて、固有値Eの小さい方からN個採用する。式(12
11)にn(r)が入っているから、n(r)、ψ
(r)、有効ポテンシャルVeff (r)を自己無撞着
(self−consistant)に解かなければな
らない。
(Equation 3) As the ground state, KS shown in the following equations (21) and (22) can be obtained by setting the variation of E [n (r)] of the equation (1201) as 0.
The equation (Kohn-sham equation) is solved, and N number of eigenvalues E is adopted. Expression (12
Since n (r) is included in 11), n (r), ψ
(R), the effective potential Veff (r) must be solved self-consistently.

【0052】[0052]

【数4】 [−∇2+Veff(r)]Ψ(r)=EΨ(r) …(1211) Veff(r)=VZ(r)+∫2n(r′)/(|r−r′|)・ dr′+δExc[n(r)]/δn(r) …(1212) 交換相関エネルギーExc[n(r)]は、局所密度近似
(LDA)で1電子当たりのエネルギーεxc(n)に電
子密度nを掛けて積分することにより、下記式(121
3)を得た。
[−∇ 2 + V eff (r)] Ψ (r) = E Ψ (r) (1211) V eff (r) = V Z (r) + ∫2n (r ′) / (| r− r ′ |) · dr ′ + δE xc [n (r)] / δn (r) (1212) The exchange correlation energy Exc [n (r)] is the energy per electron εxc (in the local density approximation (LDA). n) is multiplied by the electron density n and integrated to obtain the following formula (121
3) was obtained.

【0053】[0053]

【数5】 Exc[n(r) ]=∫εxc(n(r))n(r)dr …(1213) εxc(n)の形は、Wigner他の式など、いろいろ
提案されている。更に、内殻電子は考えずに価電子だけ
扱う時には、式(1211)のVz (r)として核のク
ーロン場をそのまま使うのでなく、核の位置での特異性
を消したノルム保存擬ポテンシャルでおきかえる。この
ようにならすことによって、フーリエ展開での成分の個
数をおさえることができた。
[Equation 5] E xc [n (r)] = ∫ε xc (n (r)) n (r) dr (1213) Various forms of εxc (n) have been proposed, such as Wigner et al. . Furthermore, when treating only valence electrons without considering inner-shell electrons, the Coulomb field of the nucleus is not used as it is as Vz (r) in equation (1211), but a norm-conserving pseudopotential that eliminates the singularity at the nuclear position is used. Change. By smoothing in this way, the number of components in the Fourier expansion could be suppressed.

【0054】全エネルギーとして、本発明者等は厳密を
期するため、原子(イオン)間のクーロン・ポテンシャ
ルも含むものを使った。即ち、下記式(1221)であ
る。
As the total energy, the present inventors have used the one including Coulomb potential between atoms (ions) for the sake of strictness. That is, it is the following formula (1221).

【数6】 ここで{RI}はイオンの核の座標、{αν}は外部の
制約条件(体積Ω、ひずみεLνなど)。式(122
1)の右辺第1項は、DFTの式(1201)から右辺
のTs [n(r)]であり、式(1201)右辺の残り
が式(1221)のUの1部である。その部分は、DF
Tの場合と同様に1体近似の式(1211)からVeff
(r)で表され、やはりVz (r)を擬ポテンシャルで
置き換えて使う。
(Equation 6) Where {R I} nuclear coordinates of ions, {αν} external constraints (volume Omega, etc. strain εLν). Formula (122
The first term on the right side of 1) is Ts [n (r)] on the right side of the DFT equation (1201), and the rest of the right side of equation (1201) is a part of U of equation (1221). That part is DF
Similar to the case of T, V eff
It is represented by (r), and Vz (r) is replaced with a pseudopotential and used.

【0055】ここで新しい考え方を入れた。即ち、Eを
ポテンシャル・エネルギーと見なして、他に、下記式
(1222)に示す仮想的な運動エネルギーを導入す
る。
A new way of thinking is entered here. That is, E is regarded as potential energy, and in addition, virtual kinetic energy shown in the following equation (1222) is introduced.

【0056】[0056]

【数7】 従ってラグランジアンは、下記式(1223)により表
される。
(Equation 7) Therefore, the Lagrangian is represented by the following formula (1223).

【0057】 L=K−E …(1223) 式(1222)中のMIは、本当の原子(イオン)の質
量だがμ、μνは仮想的な質量であり、後述のように目
的に応じて変えた。束縛条件として、下記式(122
4)に示す正規直交条件
L = K−E (1223) In formula (1222), M I is the mass of a real atom (ion), but μ and μν are virtual masses, and are, as described later, depending on the purpose. changed. As a constraint condition, the following formula (122)
Orthonormal condition shown in 4)

【数8】 ∫ψi *(r,t)ψk(r,t)dr=δik …(1224) を課するから、オイラー方程式を作る時に未定乗数Λik
を導入して、Lに下記式(1231)を加えたものの変
分をとる。その結果、下記式(1232),(123
3),(1234)が得られる。
(8) Since ∫ψ i * (r, t) ψ k (r, t) dr = δ ik (1224) is imposed, an undetermined multiplier Λ ik is generated when the Euler equation is created.
Is introduced, and the variation of the sum of L and the formula (1231) below is taken. As a result, the following equations (1232) and (123
3) and (1234) are obtained.

【0058】[0058]

【数9】 式(1222)の運動エネルギーの温度Tが対応する。
古典統計力学のエネルギー等分配則によって各自由度が
温度を持っているのだから、Σ1/2 MII 2 との関係
でいえば、仮想的でなく現実の温度である。またμ、μ
νの大小によってψi 、ανを抑制したり増強したりす
ることが出来る。
[Equation 9] The temperature T of the kinetic energy in equation (1222) corresponds.
Because of the degree of freedom by the energy equipartition law of classical statistical mechanics have temperature, in terms of the relationship between Σ1 / 2 M I R I 2 , the temperature of the real rather than virtual. Also μ, μ
ψi and αν can be suppressed or enhanced depending on the size of ν.

【0059】例えば、μ<<MIとして高温からT→0と
すれば、RI をとめたままψi が変化して電子系の基底
状態を得る。この時、式(1231)の左辺が0にな
り、右辺は式(1221)とその下の注意により、下記
式(30)となるから、ψi の線形結合を適当に作る
{Λik}が対角線化されてKS方程式(1235)を得
る。
For example, if μ << M I and T → 0 from a high temperature, ψ i changes while R I is stopped and the ground state of the electronic system is obtained. At this time, the left side of the equation (1231) becomes 0 and the right side becomes the following equation (30) due to the equation (1221) and the cautions thereunder. Therefore, {Λ ik } that appropriately forms a linear combination of ψ i is a diagonal line. To obtain the KS equation (1235).

【数10】 [∇2−Veff(r)]Ψj(r)+ΣΨk(r) …(1235) つまりDFTでKS方程式を解いたのと同じ結果をsi
mulated annealingで得たことにな
る。ただし、温度Tの状態を作るのに、モンテカルロ法
によらず、仮想的な力学系の運動を追っているから、d
ynamicalsimulated anneali
ng(DSA)と呼ばれる。
## EQU10 ## [∇ 2 −V eff (r)] Ψ j (r) + ΣΨ k (r) (1235) In other words, the same result as solving the KS equation with DFT is obtained.
It was obtained through the muted annealing. However, since the state of the temperature T is created by following the motion of the virtual dynamical system regardless of the Monte Carlo method, d
dynamically simulated anneali
ng (DSA).

【0060】式(1231)の積分をする時、必ずしも
ψi をそのまま変数として扱うのでなく、それを平面波
で展開した展開係数(つまりフーリエ係数)を変数とし
て扱うことができる。この展開係数の個数をむやみにふ
やさないためには、DFTの場合と同様に、擬ポテンシ
ャルで核の位置での特異性を消しておくことが必要であ
る。特に、結晶の周期性を利用できるときには、上記の
{Λik}を対角線化するψi の線形結合をφnkと記す。
kはブリユアン帯域内の波数ベクトル、nは帯域インデ
クスである。
When the equation (1231) is integrated, ψi is not necessarily treated as a variable as it is, but the expansion coefficient (that is, Fourier coefficient) obtained by expanding it with a plane wave can be treated as a variable. In order to prevent the number of expansion coefficients from unnecessarily increasing, it is necessary to eliminate the singularity at the nuclear position by pseudopotential as in the case of DFT. In particular, when the periodicity of the crystal can be utilized, the linear combination of ψ i that makes {Λ ik } diagonal is described as φnk.
k is a wave number vector in the Brillouin band, and n is a band index.

【0061】φnkは、下記式(1241)を満たすはず
である。
Φnk should satisfy the following expression (1241).

【0062】[0062]

【数11】 μSnk(r,t)=[∇2−Veff(r)]φnk(r)+λnkφnk(r,t) …(1241) λnkは行列{Λik}の固有値であり、エネルギー準位で
ある。φnk(r,t)を展開して、下記式(1242)
が得られる。
[Mathematical formula-see original document] μS nk (r, t) = [∇ 2 −V eff (r)] φ nk (r) + λ nk φ nk (r, t) (1241) λnk is an eigenvalue of the matrix {Λ ik } Yes, it is an energy level. φnk (r, t) is expanded and the following formula (1242)
Is obtained.

【0063】[0063]

【数12】 擬ポテンシャルが局所的であるならば(この条件は一般
に満たされない)、有効ポテンシャルVeffも展開し
て、下記式(1243)が得られる。
(Equation 12) If the pseudopotential is local (this condition is not generally satisfied), the effective potential V eff is also expanded to obtain the following formula (1243).

【0064】[0064]

【数13】 式(1242)と式(1243)を式(1241)に代
入して、下記式(1251)が得られる。
(Equation 13) By substituting the equations (1242) and (1243) into the equation (1241), the following equation (1251) is obtained.

【0065】[0065]

【数14】 右辺の最後の頃でK=K′+K″とおくと、Σexp [i
(K+G)r]が全部の項に共通となるから外して、下
記式(1252)を得る。
[Equation 14] If K = K ′ + K ″ at the end of the right side, Σexp [i
Since (K + G) r] is common to all terms, the following equation (1252) is obtained.

【0066】[0066]

【数15】 μTn,K+G(t)=[−|K+G|2+λnk]Cn,K+G(t) −ΣVG-G′(t) Cn,K+G′(t) =−[|K+G|2+V0(t)−λnx]Cn,K+G(t) −ΣVG-G′(t) Cn,K+G′(t) …(1252) ここで周波数を、下記式(1253)に示すように定義
し、
## EQU15 ## μT n, K + G (t) = [− | K + G | 2 + λ nk ] C n, K + G (t) −ΣV GG ′ (t) C n, K + G ′ (t) = - [| K + G | 2 + V 0 (t) -λ nx] C n, K + G (t) -ΣV GG a '(t) C n, K + G' (t) ... (1252) where the frequency, Define as shown in the following formula (1253),

【数16】 ω=((|K+G|2+V0(t)−λnx)/μ)1/2 …(1253) 式(1251)の左辺を差分になおすと、下記式(12
61)が得られる。
Ω = ((| K + G | 2 + V 0 (t) −λ nx ) / μ) 1/2 (1253) When the left side of equation (1251) is corrected to the difference, the following equation (12)
61) is obtained.

【0067】[0067]

【数17】 Cn,K+G(t+Δt)=2cos(ωΔt)Cn,K+G(t)−Cn,K+G(t−Δt) −2[1−cos(ωΔt)]{ΣG´VG-G´(t)・Cn,K+G´(t)} …(1261) この式は、振動部分の積分を解析的にすましているの
で、純粋に数値的な方法よりもΔtを大きくすることに
より、計算量を減少させることが出来る。
C n, K + G (t + Δt) = 2cos (ωΔt) C n, K + G (t) −C n, K + G (t−Δt) −2 [1-cos (ωΔt)] { Σ G ′ V GG ′ (t) · C n, K + G ′ (t)} (1261) Since this formula analytically integrates the oscillating part, it is better than a purely numerical method. The calculation amount can be reduced by increasing Δt.

【0068】クーロンポテンシャルは、以下のようにな
る。即ち、本発明者は、クーロンポテンシャルを分解し
てゆくと4項に分かれる事を見い出した。特に、従来は
3項しかなかったが、新しく第4項があることを確認し
た。これらの方法を順次説明する。
The Coulomb potential is as follows. That is, the present inventor has found that the Coulomb potential is decomposed into four terms. In particular, it was confirmed that there was a new fourth term, although there were only three terms in the past. These methods will be sequentially described.

【0069】本発明者らは、まず厳密な式の出発とし
て、誘電率を加味した基本式から解き始めた。まず基本
式である下記式(1262)から解き始めた。
The inventors of the present invention first started to solve the strict formula from the basic formula in which the dielectric constant was taken into consideration. First, the solution was started from the following formula (1262), which is a basic formula.

【0070】[0070]

【数18】 導体ε=∞と真空ε=1の場合とでクーロンポテンシャ
ルが異なり、Lは(立方体の)単位結晶の一稜、Σは単
位結晶内でとり、Zi 、ri は、それぞれ第i粒子の荷
電と位置である。これは球内の荷電によって球の内面に
分極が生じることによる。導体でない球の内面に双極子
の層が出来るが、上記式の最終項がちょうどその効果を
打ち消す働きをする。Ewaldの方法は左辺、ε=∞
のものを与えるから、真空内の値を求めるには上記式の
最終項を加えなければいけない。結果だけ掲げる。
(Equation 18) The Coulomb potential is different between the conductor ε = ∞ and the vacuum ε = 1, L is one edge of the (cubic) unit crystal, Σ is in the unit crystal, and Z i and r i are the charges of the i-th particle, respectively. The position. This is because the charge inside the sphere causes polarization on the inner surface of the sphere. There is a layer of dipoles on the inner surface of the sphere that is not a conductor, but the last term in the above equation just works to counteract that effect. Ewald's method is on the left side, ε = ∞
Therefore, the last term of the above equation must be added to obtain the value in vacuum. Only the results are listed.

【0071】クーロン・ポテンシャルを下記式(127
1)により表わすものとする
The Coulomb potential is expressed by the following equation (127)
Shall be represented by 1)

【数19】 式(1271)において、Nは単位結晶内の原子数、そ
の中の第1原子の位置と荷電がri ,Zi であり、nは
単位結晶とそれを周期的にずらしたものを指定するベク
トルであって、下記式(1272)に示すように設定し
た。
[Equation 19] In formula (1271), N is the number of atoms in the unit crystal, the position and charge of the first atom in them are ri and Zi, and n is a vector that specifies the unit crystal and its periodic shift. Therefore, it was set as shown in the following formula (1272).

【0072】 n=nxx+nyy+nzz …(1272) と表される。ここに、Zx ,Zy ,Zz がそれぞれx,
y,z方向の稜のベクトルで、nx ,ny ,nz はそれ
ぞれ(バルク結晶の場合)−∞から+∞にわたる整数で
ある。Σ′の′はn=0の時のj=iを除くことを意味
するものとする。
It is expressed as n = n x Z x + n y Z y + n z Z z (1272). Where Zx, Zy, and Zz are x,
Vectors of edges in the y and z directions, and nx, ny, and nz are integers (in the case of bulk crystal) ranging from -∞ to + ∞. The symbol ′ in Σ ′ means that j = i is excluded when n = 0.

【0073】ここで本発明者らは下記式(1273)に
示す新しいF関数を導入する。
Here, the present inventors introduce a new F function shown in the following equation (1273).

【0074】[0074]

【数20】 上記式(1273)において、G(r,t)はtの周期
関数である。これはフーリエ級数で表現できることを見
い出した。
(Equation 20) In the above formula (1273), G (r, t) is a periodic function of t. We have found that this can be represented by a Fourier series.

【0075】G(r,t)は、更に下記(1281)に
示すように変形することが出来る。
G (r, t) can be further modified as shown in (1281) below.

【数21】 上記式(1281)において、mは逆格子ベクトルであ
り、下記式(1282)により表わされる。
(Equation 21) In the above equation (1281), m is a reciprocal lattice vector and is represented by the following equation (1282).

【0076】[0076]

【数22】 m=mx・(1/Lx,0,0)+my・(0,1/Ly,0) +mz・(0,0,1/Lz) …(1282) 指数mx ,my ,mz はそれぞれ−∞から∞にわたる整
数である。m=0の時は、exp […]=1だから、ΣZ
i =0であり、単位結晶内の総荷電が0であれば、m=
0の項は消える。あらかじめm=0の項を除くと、下記
式(1283)となる。
[Number 22] m = m x · (1 / L x, 0,0) + m y · (0,1 / L y, 0) + m z · (0,0,1 / L z) ... (1282) index mx, my and mx are integers ranging from -∞ to ∞, respectively. When m = 0, exp [...] = 1, so ΣZ
If i = 0 and the total charge in the unit crystal is 0, m =
The 0 term disappears. Excluding the term of m = 0 beforehand, the following equation (1283) is obtained.

【0077】[0077]

【数23】 本発明者等は積分範囲をkで分け、G(r,t)の2つ
の形を使い分けて、下記式(1291)を得る。
(Equation 23) The present inventors obtain the following equation (1291) by dividing the integration range by k and using two forms of G (r, t).

【0078】[0078]

【数24】 ここで本発明者等は、公式として下記式(1292)を
用いた。
(Equation 24) Here, the present inventors used the following formula (1292) as a formula.

【0079】[0079]

【数25】 これにより、始めのクーロンポテンシャルは、下記式
(1293)により表わされる。
(Equation 25) As a result, the initial Coulomb potential is expressed by the following equation (1293).

【0080】[0080]

【数26】 Σ′の右上の′印は、n=0の時、j=iを除くことを
意味する。
(Equation 26) The mark 'on the upper right of Σ'means that j = i is excluded when n = 0.

【0081】更に、下記式(1301)が成立する。Further, the following equation (1301) is established.

【0082】[0082]

【数27】 この式(1301)はrを含まないから、力には関係な
い。この式(1301)は、更に下記式(1302)に
示すように変形することが出来る。
[Equation 27] Since this equation (1301) does not include r, it does not relate to force. This equation (1301) can be further transformed into the following equation (1302).

【0083】[0083]

【数28】 以上の結果をまとめると、クーロンポテンシャルは、結
局、下記式(1311)〜(1315)により表わされ
る。
[Equation 28] Summarizing the above results, the Coulomb potential is ultimately expressed by the following equations (1311) to (1315).

【0084】[0084]

【数29】 ここに、nは、n=nx ・(Lx ,0,0)+ny ・
(0,Ly ,0)+nz・(0,0,Lz )であり、、
mは、m=mx ・(1/Lx ,0,0)+my ・(0,
1/Ly ,0)+mz ・(0,0,1/Lz )である。
上記の表現の具合のよい点は、もとのΣの項が逆数のオ
ーダーでしか減衰しないのに対して、Φ(1) ではΣの項
がerfcの因子によって、Φ(2) ではΣの項がexp の因子
によって、急速に減衰することである。Φ(3) での減衰
との遅速に逆向きに効くから、両者のバランスがとれる
ような適当なκを選ぶ必要がある。これらは、距離の近
いところから順にクーロン力の寄与を計算した結果であ
り、しかも周囲が導体である場合の結果である。
(Equation 29) Here, n is n = nx * (Lx, 0,0) + ny *
(0, Ly, 0) + nz · (0, 0, Lz), and
m is m = mx * (1 / Lx, 0,0) + my * (0,
1 / Ly, 0) + mz * (0,0,1 / Lz).
The good point of the above expression is that the original Σ term attenuates only in the order of reciprocal, whereas the Σ term in Φ (1) depends on the factor of erfc, and the Σ term in Φ (2) The term is rapidly decayed by the factor of exp. Since it works in the opposite direction against the slowdown with Φ (3), it is necessary to select an appropriate κ that balances both. These are the results of calculating the contribution of the Coulomb force in order from the closer distance, and are the results when the periphery is a conductor.

【0085】周囲が真空である場合によればもう1項が
加わる。これが特に従来省みられなかった部分である。
Another term is added if the ambient is a vacuum. This is a part that has not been particularly omitted.

【0086】一般に分子動力学では、原子間ポテンシャ
ルが最も大切な量である。これには、現状では、単純に
は、2体間でのみ記述するものも結構多い。これは、分
子動力学計算が非常に、時間のかかるもので、その時間
節減のために、ポテンシャルを簡便なものを使っている
わけである。この様に、ポテンシャルを簡便にしてしま
うと、計算自体は速くなるが、実際を反映したものでは
ありえない。
Generally, in molecular dynamics, the interatomic potential is the most important amount. At present, there are quite a few things that are simply described between two bodies. This is because the molecular dynamics calculation takes a very long time, and in order to save the time, a simple potential is used. In this way, if the potential is simplified, the calculation itself becomes faster, but it cannot reflect the actual situation.

【0087】上に記したように重要な原子間ポテンシャ
ルは、一般には、3体で記述できる。これの意味合いは
以下の通りである。即ち、第一の原子(i)と、第二の
原子(j)との作用に、さらに第三の原子(k)から第
二(j)を通して入ってくる効果がある。これを図示し
たものが図4である。図に有るように、rを粒子間の距
離とし、θを粒子角度とする。これらの諸量の主従の関
係は、図5に示す通りである。特に図5で分かるよう
に、非常に複雑であることが分かる。一般に、ポテンシ
ャルを微分したものが、力になるわけであるが、これで
分かるように計算は、非常に複雑になる。ここでもう一
度、従来の計算手法と本発明の位置つけを図6を用いて
示した。
As described above, the important interatomic potential can be generally described by three bodies. The implications of this are as follows. That is, there is an effect that the action of the first atom (i) and the second atom (j) enters from the third atom (k) through the second (j). This is shown in FIG. As shown in the figure, r is the distance between particles and θ is the particle angle. The master-slave relationship of these various quantities is as shown in FIG. In particular, it can be seen that it is very complex, as can be seen in FIG. Generally, the potential is differentiated to become a force, but as you can see, the calculation becomes very complicated. Here again, the conventional calculation method and the positioning of the present invention are shown using FIG.

【0088】本発明者らは、図6にある高階巡回偏微分
法を新しく開発して、これにより、高精度に且つ高速に
演算できる様にした。本発明者等の方法がどれくらい速
いかを以下に実際の比較例を入れて記す。まず、図6に
ある簡便な2体間ポテンシャル計算に関しては、ここで
は、触れない。なぜなら、半導体LSIの物理現象を記
述するには殆ど使用に耐える精度が得られないので、こ
こでは、議論しないことにした。一方、3体問題を入れ
たポテンシャルで、従来の方法として、テーブル参照方
法のプログラムを、本発明者等は作成した。これによる
と、rijと,θi jkと、rjkに関して、表を作成した。実
際には、block dataとして、配列にして格納した。そし
て、この参照項目からずれていた時のことを考え、補完
プログラムをも作成した。補完には、cubic spline法を
用いた。ある値、即ち、rijと,θijkと、rjkとに関し
て、テーブルを引用出来るようなプログラムにした。し
かし、所望の条件(rijと,θijkと、rjk)が、配列内
のどの行列に入るかを探る必要がある。本発明者等は、
出来るだけ高速に成るように気を配りながらプログラム
を作成したが、やはり、数字の大きさによる場合分けを
する部分が必要で、そこにはif then else文を用いた。
この様にして、所望の条件(rijと,θijkと、rjk)が
テーブルのどの枠にはまるかを、見いだすとともに、そ
の中での補完をおも行った。これで、まず、所望の条件
(rijと,θijkと、rjk)でのポテンシャルが求まった
わけであるが、実は欲しいのは、この点における力であ
る。本発明者等は、微小変化させた部分でもう一点につ
いても、ポテンシャルを同様の手続きを用いて求め、両
者の差から、平均変化率の考えを用いて、微分、即ち力
を求めた。
The present inventors newly developed the higher-order cyclic partial differential method shown in FIG. 6 so that high-precision and high-speed operation can be performed. How fast the method of the present inventors is will be described below by including an actual comparative example. First, the simple two-body potential calculation shown in FIG. 6 will not be described here. This is because the description of the physical phenomenon of the semiconductor LSI cannot be obtained with sufficient accuracy to be used, so that it will not be discussed here. On the other hand, the present inventors have created a table reference method program as a conventional method with the potential of including the three-body problem. According to this, a table was created for r ij , θ i jk , and r jk . Actually, it was stored as an array as block data. And, in consideration of the time when it deviated from this reference item, I also created a complementary program. The cubic spline method was used for complementation. The program is such that a table can be referred to for a certain value, that is, r ij , θ ijk , and r jk . However, it is necessary to find out which matrix in the array the desired condition (r ij , θ ijk , and r jk ) falls into. The present inventors
I wrote the program while paying attention to making it as fast as possible, but again, I needed a part to separate cases according to the size of the numbers, and I used an if then else statement there.
In this way, it was found out which frame of the table the desired condition (r ij , θ ijk , and r jk ) fits in, and the complementation in it was also performed. With this, first, the potential under the desired conditions (r ij , θ ijk , and r jk ) was obtained, but what is actually desired is the force at this point. The present inventors obtained the potential at the other point of the minute change using the same procedure, and from the difference between the two, obtained the derivative, that is, the force, using the idea of the average change rate.

【0089】これで分かるように、非常に多くのif the
n else手続きを用いた。電子計算機では、if then else
手続は比較的苦手で、遅い。事実、本発明者等が作成し
た、参照型プログラムを用いた場合、力を計算する部分
のみについて、詳細について調べた。その結果、160
0個のSi原子からなる単結晶基板で、絶対温度300
Kで、外圧1気圧の場合であるが、参照型プログラムで
は、約350倍の時間を要した。これで分かるように、
本発明者等が提案する、高階巡回偏微分法のほうが、有
利であることがわかる。また参照型プログラムでは、原
子が異なる度に、その都度データ表を作成する必要があ
る。
As can be seen, there are so many if the
n else procedure was used. On computer, if then else
The procedure is relatively weak and slow. In fact, when the reference type program created by the present inventors was used, only the part for calculating the force was examined in detail. As a result, 160
Single crystal substrate consisting of 0 Si atoms, absolute temperature 300
In the case of K and an external pressure of 1 atm, the reference type program took about 350 times longer. As you can see,
It can be seen that the higher-order cyclic partial differential method proposed by the present inventors is more advantageous. In the reference program, it is necessary to create a data table for each atom.

【0090】次に分子動力学から材料特性値等をどの様
に抽出して、それを汎用シミュレータにどの様に入れて
いるのか」に関しても簡単に説明する。
Next, how to extract material characteristic values from molecular dynamics and how to extract them into a general-purpose simulator will be briefly described.

【0091】通常、LSIプロセスに於いては、種々様
々な評価技術を使っている。赤外吸収による膜の物性値
評価法、さらには、ラマン分光による膜中の応力評価、
X線による膜の構造解析等々がある。またこれら光学的
なものに限らず、膜の誘電率等電気的な評価技術もあ
る。
Usually, various evaluation techniques are used in the LSI process. Evaluation method of physical properties of the film by infrared absorption, further stress evaluation in the film by Raman spectroscopy,
There is a structural analysis of the film by X-rays. In addition to these optical techniques, there are also electrical evaluation techniques such as the dielectric constant of the film.

【0092】本発明者等は、それぞれの評価手法の原理
を、一旦、鋭意、理論的に個々原子の運動にまで分解し
詳細に追跡した。その上で、本発明者等の開発した分子
動力学を用いて、個々原子の動きを追跡し、それぞれの
評価量を初めて理論的に算出し、たとえばスペクトルの
様な形に直接表示することが出来た。これにより、例え
ば、実測値との定量的な比較が出来る等、従来にない大
きな技術の進捗を得たわけである。
The inventors of the present invention have eagerly and theoretically decomposed the principle of each evaluation method into motions of individual atoms and traced them in detail. Then, by using the molecular dynamics developed by the present inventors, it is possible to trace the movement of individual atoms, theoretically calculate the evaluation amount of each atom for the first time, and directly display it in a form such as a spectrum. done. As a result, for example, a large amount of progress in technology that has never been achieved has been achieved, such as quantitative comparison with measured values.

【0093】本発明者等が、初めて克服した理論的手段
による原子運動の追跡と、具体的な測定評価量の導出ま
でを以下に記す。幾つかのものがあるが、基本的には、
本発明者が導出した基本概念は以下の通りである。即
ち、着目する原子のモーメントを計算する。そして、こ
れを、着目する時間の窓の中で積算し、しかる後に、フ
ーリエ変換し、固有スペクトルを得るものである。これ
が大きな骨子である。
The tracing of atomic motion by the theoretical means which the present inventors have overcome for the first time and the derivation of a concrete measurement evaluation amount will be described below. There are several, but basically,
The basic concept derived by the present inventor is as follows. That is, the moment of the atom of interest is calculated. Then, this is integrated within a window of time of interest, and then Fourier transformed to obtain an eigen spectrum. This is the main point.

【0094】次に、Siを例に、経験的なポテンシャル
に関して、本発明者がどの様にして、そのポテンシャル
を力に変換したかを示す。これは、一例であるが、Si
に限らず、イオン結合による効果を考慮しなければ、例
えば酸化膜のポテンシャルも、このSiの問題と同様
に、3体問題として、ここに述べる高階巡回偏微分を用
いることが出来る。本発明者等は、Siに関してどんな
ポテンシャルが良いかも吟味した。
Next, taking Si as an example, how the present inventor converted the potential into a force with respect to the empirical potential is shown. This is an example, but Si
If the effect of ionic coupling is not taken into consideration, the higher-order cyclic partial differential described here can be used as the three-body problem for the potential of the oxide film, for example, like the problem of Si. The present inventors also examined what kind of potential is good with respect to Si.

【0095】ここで用いるポテンシャルはTersoffによ
るものである。(Phys.Rev.Lett.56.632 (1986), Phy
s.Rev.B37,6991(1988))。
The potential used here is according to Tersoff. (Phys. Rev. Lett. 56.632 (1986), Phy
S. Rev. B37, 6991 (1988)).

【0096】今、Tersoffによれば、i番目のSiに関す
る全ポテンシャルは、
Now, according to Tersoff, the total potential for the i-th Si is

【数30】 で記述できる。これは3体で記述しているので、本発明
者等が注意を喚起したいのは、上記式(0001)に於
いて、Vij≠Vjiである。着目するSi原子の位置番号
をiとし、その周辺の他の粒子番号をjとすると、上記
ijは、
[Equation 30] Can be described by Since this is described with three bodies, what the present inventors want to call attention to is V ij ≠ V ji in the above equation (0001). If the position number of the Si atom of interest is i and other particle numbers around it are j, the above V ij is

【数31】 Vij=fc(rij)[aijR(rij)+bijA(rij)] …(0002) である。ここにrは粒子間の距離である。また、fc
(rij)は、カットオフ関数で、fR(rij)は斥力を
示し、fA(rij)は引力を示す。aijは配位数を考慮
したカットオフ係数、bijも配位数を考慮したカットオ
フ係数である。配位数を表現するパラメータを用いて3
体的表現を行っていることになる。これは、他のもので
も基本形は同じであるので、ここでは、本発明者等が初
めて開発した巡回手法の思想を交えながら以下に示す。
V ij = f c (r ij ) [a ij f R (r ij ) + b ij f A (r ij )] (0002). Where r is the distance between the particles. Also, fc
(R ij ) is a cutoff function, fR (r ij ) shows repulsive force, and fA (r ij ) shows attractive force. a ij is a cutoff coefficient considering the coordination number, and b ij is a cutoff coefficient considering the coordination number. 3 using the parameter expressing the coordination number
You are doing physical expression. Since the basic form is the same for other devices, the following description will be given here together with the idea of the traveling method developed by the present inventors for the first time.

【0097】fR(rij)とfA(rij)は、Morse型の
ポテンシャルを変形したもので、fR(rij)=Aexp(-
λ1r)、fA(rij)=−Bexp(-λ2r)である。
FR (r ij ) and fA (r ij ) are modified Morse type potentials, and fR (r ij ) = Aexp (-
λ1r) and fA (r ij ) = − Bexp (−λ2r).

【0098】この内、λ1とλ2は、定数であり、その大
きさは、原子間距離程度の値の逆数である。
Of these, λ1 and λ2 are constants, and their magnitudes are the reciprocals of the values of the interatomic distance.

【0099】ところで、カットオフ関数fc(rij)と
は、
By the way, the cutoff function fc (r ij ) is

【数32】 Vij=fc(rij)[aijAexp(−λ1ij)−bijBexp(−λ2ij)] fc(r)=1 (r≦R−D) fc(r)=1/2−1/2sin[π/2(r−R)/D](R−D<r<R+D) fc(r)=0 (r≧R+D) …(0003) であり、ここに、Rは通常対象とする構造の第一隣接ゾ
ーンだけを含む様にその寸法を選ぶ。その値は、本発明
者の詳細な吟味によると大体2〜3Åである。次に、b
ijは実配位数を示すことになるが、ここでも上記カット
オフ関数を使う。その定義は、Tersoffによれば、 bij=(1+βnζij n-1/2n …(0004) である。ここに、
Equation 32] V ij = f c (r ij ) [a ij Aexp (-λ 1 r ij) -b ij Bexp (-λ 2 r ij)] f c (r) = 1 (r ≦ R-D) f c (r) = 1 / 2−1 / 2 sin [π / 2 (r−R) / D] (R−D <r <R + D) f c (r) = 0 (r ≧ R + D) (0003) Where R is sized so that it typically includes only the first adjacent zone of the structure of interest. The value is approximately 2 to 3 Å according to the detailed examination by the present inventor. Then b
ij indicates the actual coordination number, but the cutoff function is used here as well. According to Tersoff, the definition is b ij = (1 + β n ζ ij n ) −1 / 2n (0004). here,

【数33】 ζij=Σfc(rik)g(θijk)exp[λ3 3(rij−rik)3] …(0005) である。Σ記号はk≠i,jで回す。ここで分かるように、
ζijの意味は第3の原子kが入ることによる環境因子で
あるので、iから見た場合と、jから見た場合とで、互い
に大きさは異なる。即ちζij≠ζjjであり、さらに、上
記式(0001)で述べた様に、Vij≠Vjiである。従
って、bij≠bjiである。
Ζ ij = Σf c (r ik ) g (θ ijk ) exp [λ 3 3 (r ij −r ik ) 3 ] ... (0005). The Σ symbol turns with k ≠ i, j. As you can see here,
Since the meaning of ζ ij is an environmental factor due to the inclusion of the third atom k, the size is different between i and j. That is, ζ ij ≠ ζ jj, and further, V ij ≠ Vji as described in the above equation (0001). Therefore, b ij ≠ b ji.

【0100】またg(θ)はボンド角因子であり、Further, g (θ) is a bond angle factor,

【数34】 g(θ)=1−(c2/d2)−c2/(d2+cosθ2) …(0006) である。ここで、θは図4の様に取るものとする。θを
求めるにあたり、実際の直交座標を用いて表現してみ
る。即ち、
G (θ) = 1− (c 2 / d 2 ) −c 2 / (d 2 + cos θ 2 ) ... (0006) Here, θ is taken as shown in FIG. When finding θ, try to express it using actual Cartesian coordinates. That is,

【数35】 rij=√{(xj−xi)2+(yj−yi)2+(zj−zi)2 } …(0007) であり、rikも同様の手続きで求められる。そうする
と、内積をPijとすると、
Equation 35] r ij = √ a {(x j -x i) 2 + (y j -y i) 2 + (z j -z i) 2} ... (0007), r ik in a similar procedure Desired. Then, if the inner product is P ij ,

【数36】 Pijk=(xj−xi)(xk−xi)+(yj−yi)(yk−yi) +(zj−zi)(zk−zi) …(0008) である。これらを用いて、 cosθijk=Pijk/(rij・rik) …(0009) となる。ここで、本発明者等が用いた上記各式における
定数を示す。即ち、
P ijk = (x j −x i ) (x k −x i ) + (y j −y i ) (y k −y i ) + (z j −z i ) (z k −z i ) ... (0008). By using these, cos θ ijk = P ijk / (r ij · r ik ) (0009). Here, the constants in the above equations used by the present inventors are shown. That is,

【数37】 R=3.0Å,D=0.2Å,A=3264.7ev,B=95.373ev,C=4.8381, λ1=3.2394Å,λ2=1.3258Å,λ3=λ2 , β=0.33675,n=22.956,d=2.0417 …(0010) である。Equation 37] R = 3.0Å, D = 0.2Å, A = 3264.7ev, B = 95.373ev, C = 4.8381, λ 1 = 3.2394Å, λ 2 = 1.3258Å, λ 3 = λ 2, β = 0.33675, n = 22.956, d = 2.0417 (0010).

【0101】これらの準備を経ていよいよ本発明者の巡
回部分を詳しく説明する。ここからいよいよ力を計算し
て行くわけである。ポテンシャルの(0002)式を位
置の座標で微分すると力になる。即ち、
After going through these preparations, the traveling part of the present inventor will be described in detail. From here, the power is finally calculated. Differentiating the potential (0002) with respect to the position coordinates gives a force. That is,

【数38】 がそれぞれ、粒子i、jに働く力のベクトルのx成分であ
る。しかし、実際にそれを求めるのは、そう簡単ではな
い。本発明者等の数学理論に立ち戻った工夫と発明が以
下に有るわけである。それが、高階巡回偏微分と言う分
けである。
(38) Are the x components of the force vectors acting on the particles i and j, respectively. However, actually seeking it is not so easy. The inventions and inventions that return to the mathematical theory of the present inventors are as follows. That is the division of higher-order cyclic partial differentiation.

【0102】(0011)式及び(0012)式で述べ
た式を、具体的に偏微分すれば良い。しかし、そんなに
単純では無いことが直ぐ分かる。
The expressions described in the equations (0011) and (0012) may be partially differentiated specifically. But it's easy to see that it's not that simple.

【0103】即ち、That is,

【数39】 また、j及びkに関する偏微分方程式の変形は、同様に
以下の様になる。また、上記は主にxについて記述した
が、yやzについても行う必要がある。ここでは、特
に、上記との対応が分かるように、空白部分は、空白の
ままにして置いた。このような複雑な変形は、本発明者
等が、調べた限りでは見あたらなかった。この様な複雑
な変形を今まで克服しなっかたため、逆に、単純なテー
ブル参照方式に逃げたりしていたわけである。この様な
発明を克服したため、本発明者等は、分子動力学と汎用
流体シミュレータとを合体出来たわけである。
[Equation 39] Further, the modification of the partial differential equation with respect to j and k is also as follows. Further, although the above description mainly describes x, it is necessary to perform y and z. Here, in particular, the blank portion is left blank so that the correspondence with the above can be seen. The present inventors have not found such a complicated deformation as far as they have examined. Since we have never overcome such complicated transformations, we have instead escaped to a simple table reference method. By overcoming such an invention, the present inventors were able to combine molecular dynamics and a general-purpose fluid simulator.

【0104】[0104]

【数40】 これらの式の各項は次のように変形できる。(Equation 40) Each term in these equations can be transformed as follows.

【0105】[0105]

【数41】 ∂Vij/∂rij =∂fc(rij)/∂rij・[Aexp(−λ1/rij)−bij Bexp(−λ2/rij)]+ fc(rij)[−λ1 Aexp(−λ1/rij)+λ2ijBexp(-λ2/rij)] =Aexp(−λ1/rij)・[∂fc(rij)/∂rij−λ2c(rij)]− Bexp(−λ2/rij)・[∂fc(rij)/∂rij−λ2c(rij)]bij …(0016) ∂fc(rij)/∂rij=−π/4D・cos[π/2・(r−R)/D] (R−D<r<R+D) ∂fc(rij)/∂rij=0 (r≧R+D) …(0017) ∂Vij/∂ζij=(∂Vij/∂bij)・(∂bij/∂ζij) =−Bfc(rij)exp-(λ2rij)(−1/2n)(1+βnζij n)−1/2n-1βnζij n-1 =Bfc(rij)exp-(λ2rij)bij(βζij)n/[2{1+(βζij)n}ζij] …(0018) ∂ζij/∂rij =3λ3 3Σfc(rik)g(θijk)exp(λ3 3(rij−rik)3)(rij−rik)2 …(0019)[Expression 41] ∂V ij / ∂r ij = ∂f c (r ij ) / ∂r ij・ [Aexp (−λ 1 / r ij ) −b ij Bexp (−λ 2 / r ij )] + f c (r ij ) [− λ 1 Aexp (−λ 1 / r ij ) + λ 2 b ij Bexp (-λ 2 / r ij )] = Aexp (−λ 1 / r ij ) · [∂f c (r ij ) / ∂r ij -λ 2 f c ( r ij)] - Bexp (-λ 2 / r ij) · [∂f c (r ij) / ∂r ij -λ 2 f c (r ij)] b ij ... (0016) ∂f c (r ij ) / ∂r ij = −π / 4D · cos [π / 2 · (r−R) / D] (R−D <r <R + D) ∂f c (r ij ) / ∂r ij = 0 (r ≧ R + D) (0017) ∂V ij / ∂ζ ij = (∂V ij / ∂b ij ) ・ (∂b ij / ∂ζ ij ) = −Bfc (r ij ) exp -(λ2r ij ) (-1 / 2n) (1 + β n ζ ij n ) − 1 / 2n-1 β n ζ ij n-1 = Bfc (r ij ) exp- (λ2r ij ) b ij (βζ ij ) n / [2 {1+ (βζ ij ) n } ζ ij ] (0018) ∂ζ ij / ∂r ij = 3λ 3 3 Σf c (r ik ) g (θ ijk ) exp (λ 3 3 (r ij −r ik) 3) (r ij - ik) 2 ... (0019)

【数42】 ∂ζij/∂rik=dfc(rij)/drij・g(θijk)exp(λ3 3(rij−rik)3) −3λ3 3c(rik)fc(rij)(rij−rik)2 …(0020) ∂ζij/∂cosθijk =fc(rik)exp(λ3 3(rij−rik)3)dg(θijk/dcosθijkc(rik)exp(λ3 3(rij−rik)3)[2c2cosθijk/{d2cos2θijk}2] …(0021) ∂rij/∂xi=(xi−xj)/rij=∂rij/∂xi …(0022) ∂rik/∂xi=(xi−xk)/rik=∂rij/∂xk …(0023)[Number 42] ∂ζ ij / ∂r ik = df c (r ij) / dr ij · g (θ ijk) exp (λ 3 3 (r ij -r ik) 3) -3λ 3 3 f c (r ik ) f c (r ij ) (r ij −r ik ) 2 … (0020) ∂ζ ij / ∂cos θ ijk = f c (r ik ) exp (λ 3 3 (r ij −r ik ) 3 ) dg (θ ijk / dcosθ ijk f c (r ik) exp (λ 3 3 (r ij -r ik) 3) [2c 2 cosθ ijk / {d 2 cos 2 θ ijk} 2] ... (0021) ∂r ij / ∂x i = (x i −x j ) / r ij = ∂r ij / ∂x i ((0022) ∂r ik / ∂x i = (x i −x k ) / r ik = ∂r ij / ∂x k … (0023)

【数43】 ∂cosθijk/∂xi=1/(rijik)・∂Pijk/∂xi +ijk{1/(rik)∂/∂xi[1/(rik)]+ 1/(rij)∂/∂xi[1/(rik)]} =1/(rijik)・(xi−xk+xi−xj)− Pijk{(xij)/(rikij 3)+(xi−xk)/(rikij 3) =1/(rik)・{(xi−xj)/(rij)− (xi−xk)/(rik)cosθij} …(0024) ∂cosθijk/∂xi=−1/(rij)・{(xi−xk)/(rik) −(xi−xj)/(rik)cosθij} …(0025) ∂cosθijk/∂xk=−1/(rik)・{(xi−xj)/(rij) −(xi−xk)/(rik)cosθij} …(0026) L(ri∂ri/∂t,V,∂V/∂t) =1/2Σm(∂ri/∂t)2−U(ri)+1/2M(∂V/∂t)2−PEV (∂L(qj,q′j)/∂qj)−d(∂L/∂q′j)/dt=0 …(0027) 図7及び図8に、分子動力学シミュレータIIと、上記
プロセス変動算出ユニットIとの連携を説明する。分子
動力学シミュレータIIには、第一の入力aとしては、
図8に示したファイル(22)、(32)、(42)、
(52)、(62)、(72)等から転送されるものが
ある。内容は、境界条件や、領域の大きさ、応力、歪
み、温度などである。また必要に応じて第二のものとし
て補助的な入力bがあり、分子動力学の計算時間やアン
サンブルの指定等がある。
∂cos θ ijk / ∂x i = 1 / (r ij r ik ) ・ ∂P ijk / ∂x i + P ijk {1 / (r ik ) ∂ / ∂x i [1 / (r ik ) ] + 1 / (r ij ) ∂ / ∂x i [1 / (r ik )]} = 1 / (r ij r ik ) ・ (x i −x k + x i −x j ) −P ijk {(x i x j ) / (r ik r ij 3 ) + (x i −x k ) / (r ik r ij 3 ) = 1 / (r ik ) ・ ((x i −x j ) / (r ij ) − (x i −x k ) / (r ik ) cos θ ij } ... (0024) ∂cos θ ijk / ∂x i = −1 / (r ij ) ・ {(x i −x k ) / (r ik ) − ( x i −x j ) / (r ik ) cos θ ij } ... (0025) ∂cos θ ijk / ∂x k = −1 / (r ik ) ・ {(x i −x j ) / (r ij ) − (x i− x k ) / (r ik ) cos θ ij } ... (0026) L (r i ∂r i / ∂t, V, ∂V / ∂t) = 1 / 2Σm (∂r i / ∂t) 2 − U (r i ) +1/2 M (∂V / ∂t) 2 −P E V (∂L (q j , q ′ j ) / ∂q j ) −d (∂L / ∂q ′ j ) / dt = 0 ... (0027) FIGS. 7 and 8 show the molecular dynamics simulator II and The cooperation with the process variation calculation unit I will be described. In the molecular dynamics simulator II, the first input a is
The files (22), (32), (42), shown in FIG.
Some are transferred from (52), (62), (72), etc. The contents are boundary conditions, area size, stress, strain, temperature, and the like. If necessary, there is an auxiliary input b as the second one, which is used to specify the calculation time of molecular dynamics, the ensemble, and the like.

【0106】他方、第一の出力としては、位置ベクトル
r(t)が出てくる。そして、図8に示したファイル
(23)、(33)、(43)、(53)、(63)、
(73)、(83)等へ転送される。叉、膜特性算出プ
ログラムIIIにより、光学的・電気的・結晶学的特性
等の膜特性を算出し、図8のファイル(3)へ転送され
る。
On the other hand, the position vector r (t) appears as the first output. Then, the files (23), (33), (43), (53), (63), shown in FIG.
(73), (83), etc. In addition, the film characteristic calculation program III calculates the film characteristics such as optical, electrical and crystallographic characteristics, and transfers them to the file (3) in FIG.

【0107】また、図9に、汎用2・3次元プロセスシ
ミュレータ(図8の(Ia))の入力シーケンスの一例
を示す。また、図10に、同じく汎用2・3次元プロセ
スシミュレータ(図8の(10))のもうひとつの入力
シーケンスを示す。図9に示した内容は、例えば、それ
ぞれ用いるクラスタツールをも指定するとともに、例え
ばその中にある酸化工程の詳細には、ガス量や、昇温シ
ーケンス、さらには、バルブシーケンス等がある。
FIG. 9 shows an example of the input sequence of the general-purpose 2 / 3-dimensional process simulator ((Ia) in FIG. 8). Further, FIG. 10 shows another input sequence of the general-purpose 2 / 3-dimensional process simulator ((10) in FIG. 8). The contents shown in FIG. 9 also specify, for example, the respective cluster tools to be used, and the details of the oxidation process therein are, for example, the gas amount, the temperature raising sequence, and the valve sequence.

【0108】他方、図10の入力シーケンスは、図8で
示した未知材料を含む場合である。この図10の場合
は、例えば、強誘電体膜であり、膜をスパッタする工程
を含んでいる。このとき、強誘電体膜の詳細データがな
いので、分子動力学シミュレータIIに、一旦、飛び、
そこで計算を行われる。
On the other hand, the input sequence of FIG. 10 is a case where the unknown material shown in FIG. 8 is included. In the case of FIG. 10, it is a ferroelectric film, for example, and includes a step of sputtering the film. At this time, since there is no detailed data of the ferroelectric film, jump to the molecular dynamics simulator II,
Calculation is performed there.

【0109】又、本発明者らは、経験的ポテンシャルを
与えた分子動力学シミュレーションを行い、(1)各プロ
セス要素の揺らぎや各要素のずれの重畳現象も診断し、
(2)所望のシーケンス通り実行されているかのチェック
や、(3)変動因子の発見も可能とするシミュレーション
システムを開発した。
Further, the present inventors conducted a molecular dynamics simulation with an empirical potential, and (1) diagnosed fluctuations of each process element and superposition phenomenon of deviation of each element,
We have developed a simulation system that enables (2) checking whether the sequence is being executed according to the desired sequence and (3) discovering variation factors.

【0110】具体的には、単結晶強誘電体膜とSi基板
との位置関係や、金属電極との位置関連を提案するとと
もに、さらに、単結晶強誘電体膜として、実際上どの程
度の品質のものを用意すれば良いかについても、初めて
指針を示すことが出来た。かかる単結晶強誘電体膜構造
を厳密に独自の計算手法により、計算機を用いて再現す
るとともに、特性評価関数を付与し、これに基ずき、印
加条件を考えて基板単結晶との位置関係をどの様にすれ
ば良いかと同時にその欠陥密度の許容範囲の指針を示す
ものである。
Specifically, the positional relationship between the single crystal ferroelectric film and the Si substrate and the positional relationship with the metal electrode are proposed, and further, the actual quality of the single crystal ferroelectric film is improved. For the first time, I was able to give a guideline as to whether or not to prepare something. The structure of such a single crystal ferroelectric film is reproduced by a computer using a rigorously unique calculation method, and a characteristic evaluation function is given. Based on this, the positional relationship with the substrate single crystal is considered in consideration of the application conditions. At the same time, the guideline for the allowable range of the defect density is shown.

【0111】すなわち、本発明(請求項16)は、複数の
工程からなる半導体装置の製造方法において、前記複数
の工程の少なくとも一つにおける製造装置内に形成され
た膜、半導体基板上に形成された膜、半導体基板表面、
及び半導体基板内部の少なくとも一つに関する複数の特
性の少なくとも一つを測定して実観測データを得る工程
と、経験的ポテンシャルを与えた分子動力学シミュレー
タにより、前記複数の工程の少なくとも一つにおける、
複数の製造工程因子の少なくとも一つの設定値、及びこ
の設定ちの揺らぎを入力値とし、この入力値を基に変分
計算を行い、前記複数の特性の少なくとも一つの予測デ
ータを得る工程と、前記予測データと実観測データと
を、逐次、実時間で比較検定する工程と、前記比較検定
により、前記複数の製造工程因子の少なくとも一つの設
定値と、前記実観測データから推測される前記複数の製
造工程因子の少なくとも一つとの間に有為差が認められ
た場合、前記製造工程因子を逐次実時間で修正処理する
工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方
法を提供する。
That is, the present invention (claim 16) is a method of manufacturing a semiconductor device comprising a plurality of steps, wherein a film formed in a manufacturing apparatus in at least one of the plurality of steps is formed on a semiconductor substrate. Film, semiconductor substrate surface,
And a step of obtaining at least one of a plurality of characteristics relating to at least one of the inside of the semiconductor substrate to obtain actual observation data, and by a molecular dynamics simulator given an empirical potential, in at least one of the plurality of steps,
At least one set value of a plurality of manufacturing process factors, and the fluctuation of this setting as an input value, performing a variational calculation based on this input value, obtaining at least one prediction data of the plurality of characteristics, and Prediction data and actual observation data, a step of sequentially performing a comparison test in real time, and by the comparison test, at least one set value of the plurality of manufacturing process factors, and the plurality of inferred from the actual observation data A manufacturing method of a semiconductor device, comprising the step of sequentially correcting the manufacturing process factor in real time when a significant difference is recognized with at least one of the manufacturing process factor.

【0112】本発明(請求項17)は、上述の半導体装置
の製造方法において使用する経験的ポテンシャルを与え
た分子動力学シミュレータは、前記複数の工程において
形成または処理される半導体材料、絶縁材料、または導
電性材料を構成する原子の運動が平行に達した所で、時
刻を0に設定し、その後、時刻tまでをサンプリング時
間とし、各原子の電荷及び位置ベクトルとの時間相関を
求め、所定時間における光学的スペクトルを求める機能
を有し、前記経験的ポテンシャルを与えた分子動力学シ
ミュレータから導かれる予測データは、個々の原子の時
時刻々の運動から導かれる振動挙動、その固有振動数、
及び、固有振動数の分布情報を含む半導体装置の製造方
法を提供する。
According to the present invention (claim 17), a molecular dynamics simulator provided with an empirical potential used in the method for manufacturing a semiconductor device described above is a semiconductor material, an insulating material, or a semiconductor material formed or processed in the plurality of steps. Alternatively, when the motions of the atoms forming the conductive material reach in parallel, the time is set to 0, and then the sampling time is up to the time t, and the time correlation with the charge and position vector of each atom is calculated, Predictive data derived from the molecular dynamics simulator given the empirical potential has a function of obtaining an optical spectrum in time, vibrational behavior derived from the motion of each atom at each time and time, its natural frequency,
Also provided is a method of manufacturing a semiconductor device including information on the distribution of natural frequencies.

【0113】本発明(請求項18)は、上述の経験的ポテ
ンシャルを与えた分子動力学シミュレータにおいて、原
子の運動を計算する際に、原子の位置ベクトルと各元素
の電気陰性度、もしくは各元素のイオン化ポテンシャル
と電子親和力とを入力し、これらのデータから、個々原
子の振動及び変位による電荷の変化を計算し、さらにこ
の電荷の変化を加味して前記ポテンシャルを計算する半
導体装置の製造方法を提供する。
According to the present invention (claim 18), the position vector of an atom and the electronegativity of each element, or each element, when calculating the motion of an atom in the molecular dynamics simulator given the above empirical potential, The method for manufacturing a semiconductor device is described in which the ionization potential and the electron affinity of are input, the change in charge due to vibration and displacement of individual atoms is calculated from these data, and the potential is calculated in consideration of this change in charge. provide.

【0114】本発明者らは新しい計算化学理論により、
種々元素を含む系における様々な現象を高速に且つ高精
度に計算予測する方法を発明した。これによって、半導
体製造プロセスに使用される様々な材料の特性が高精度
に計算できるようになった。
By the new computational chemistry theory, the present inventors
We have invented a method for calculating and predicting various phenomena in a system containing various elements at high speed and with high accuracy. This has made it possible to calculate the properties of various materials used in the semiconductor manufacturing process with high accuracy.

【0115】従来、種々元素が含まれている結晶や分子
の構造及び特性を予測する手段としては、abinit
io分子動力学法や第一原理分子軌道法が使用されてき
た。abinitio分子動力学法は主に結晶の構造や
電子状態の調査に使用され、分子軌道法は通常の分子
や、結晶の一部を切り出したクラスタを対象として、そ
の構造や電子状態の計算を行うのに使用されてきた。と
ころが、これらの方法では、系の各電子に対してシュレ
テ゛ィンガー方程式を解くため、膨大な計算時間が必要で
あった。そのため、経験的ポテンシャルを与えた分子動
力学法のように、数10万ステップもの計算回数を必要と
する手法の中で、これら第一原理手法を取り込む事は現
実的に不可能であった。一方、分子動力学の分野では、
1991年に、A.K.RappeとW.A.Goddardが"Charge Equilli
bration for Molecular Dynamics Simulations"と
いう論文の中で、多原子分子に対する新しい電荷計算手
法を提案している。本発明者らは、A.R.Rappeらによっ
て提案されている多原子分子における電荷計算手法をさ
らに大きく拡張し、種々の元素や結晶系に適用できるよ
うに大幅に変更し、半導体装置の材料として一般に用い
られるSiやSiO2はもちろん、PbTiO3やPZTといった強誘
電体や、高誘電体にも適用できる材料設計シミュレーシ
ョン手法を構築した。まずはじめに、Rappeらの手法に
ついて以下に述べる。
Conventionally, as a means for predicting the structure and characteristics of crystals and molecules containing various elements, abinit
The io molecular dynamics method and the first principle molecular orbital method have been used. The ab initio molecular dynamics method is mainly used for investigating the structure and electronic state of a crystal, and the molecular orbital method calculates the structure and electronic state of a normal molecule or a cluster obtained by cutting out a part of the crystal. Has been used for. However, these methods require a huge amount of calculation time because the Schrodinger equation is solved for each electron in the system. Therefore, it is practically impossible to incorporate these first-principles methods into methods that require hundreds of thousands of calculation steps, such as the molecular dynamics method with empirical potential. On the other hand, in the field of molecular dynamics,
In 1991, AKRappe and WA Goddard "Charge Equilli
In a paper entitled "bration for Molecular Dynamics Simulations", we proposed a new charge calculation method for polyatomic molecules. The present inventors further extend the charge calculation method for polyatomic molecules proposed by ARRappe et al. and, significantly modified to be applicable to various elements and crystal system, Si or SiO 2 which is generally used as a material for a semiconductor device, of course, be applied strength and dielectric such PbTiO3 and PZT, to the high dielectric material A design simulation method was constructed.First, the method of Rappe et al. Is described below.

【0116】Rappeらは、まず、孤立原子のエネルギーE
をイオン化ポテンシャルと電子親和力の関数として考え
た。すなわち、ある原子Aにおいて、電気的に中性な状
態をA0で示す。テイラー展開の2次の項まで考えると、
First, Rappe et al.
Was considered as a function of ionization potential and electron affinity. That is, in a certain atom A, an electrically neutral state is indicated by A0. Considering up to the second term of Taylor expansion,

【数44】 原子が電気的に中性な状態のエネルギーは、(3031)
式のQAに0を代入して得られる。
[Equation 44] The energy when the atom is electrically neutral is (3031)
It is obtained by substituting 0 for QA in the expression.

【0117】 EA(0)=EA0 …(3041) 原子が+1価イオン化した時のエネルギーは、(3031)
のQAに1を代入して得られ、-1価にイオン化した時のエ
ネルギーは、-1を代入して得られる。
E A (0) = E A0 (3041) The energy when the atom is +1 charged is (3031)
It is obtained by substituting 1 into QA, and the energy when ionized to -1 valence is obtained by substituting -1.

【0118】[0118]

【数45】 (3042)と(3041)の差はイオン化ポテンシャルIP
になり、(3043)と(3041)の差は電子親和力EAに
なる。
[Equation 45] The difference between (3042) and (3041) is the ionization potential IP
And the difference between (3043) and (3041) is the electron affinity EA.

【0119】[0119]

【数46】 (3045)式のEAに−が付いているのは、電子を取るの
を正の仕事と考えると、電子を加える事は負の仕事をし
た事になるためである。(3044)と(3045)の差を
とると、電気陰性度χA0となる。
[Equation 46] The reason why the EA in the formula (3045) has a minus sign is that considering that taking electrons is a positive job, adding electrons is a negative job. Taking the difference between (3044) and (3045) gives the electronegativity χA0.

【0120】[0120]

【数47】 また、(3044)と(3045)の和をとると、次式が成
り立つ。
[Equation 47] Further, if the sum of (3044) and (3045) is taken, the following equation holds.

【0121】[0121]

【数48】 ここで、(3052)式の物理的意味を考える。水素原子
の場合のイオン化時のクーロン相互作用の模式図を図1
2乃至図14に示す。図から分かる様に、IPとEAの差は
電子間クーロン相互作用bになっている。従って、φA軌
道中の2電子間のクーロン斥力をJAA0と表すと、 IP−EA≡JAA 0 …(3053) JAA0をidempotentialと呼ぶことにする。電子を加える
事により、軌道形状が変化するので、Hartree-Fock等の
第一原理計算で計算されたJAAと(3053)式の値は多
少異なってくるが、ここでは(3053)式で近似する。
[Equation 48] Here, consider the physical meaning of the expression (3052). Figure 1 shows a schematic diagram of Coulomb interactions during ionization in the case of hydrogen atoms.
2 to FIG. As you can see, the difference between IP and EA is Coulomb interaction b between electrons. Thus, when the Coulomb repulsion between two electrons in φA trajectory denoted JAA0, it will be referred to as IP-EA≡J AA 0 ... (3053 ) JAA0 and Idempotential. Since the orbital shape changes by adding electrons, JAA calculated by Hartree-Fock's first-principles calculation is slightly different from the value of equation (3053), but here it is approximated by equation (3053). .

【0122】Idempotential JAA0と原子直径RA0の関係
を考えてみる。図15に示した簡単な原子構造モデルを
考えると、電子間のクーロン相互作用JAA0は以下の様に
なる。
Consider the relationship between the Idempotential JAA0 and the atomic diameter RA0. Considering the simple atomic structure model shown in FIG. 15, Coulomb interaction JAA0 between electrons is as follows.

【0123】[0123]

【数49】 ここで、 JAA0はeV単位、RはÅ単位である。(3053)
式の妥当性を確認するため、J値とRとの関係を調べ、表
1に纏めた。表1に示した様に、Jは原子サイズにほぼ逆
比例し、(3054)式から求められた原子の直径は等極
結合距離とおおよそ一致していることが分かった。
[Equation 49] Here, JAA0 is in eV units and R is in Å units. (3053)
In order to confirm the validity of the expression, the relationship between the J value and R is
Summarized in 1. As shown in Table 1, it was found that J is almost inversely proportional to the atom size, and the diameter of the atom obtained from the equation (3054) is approximately equal to the homopolar bond distance.

【0124】(3051)(3053)式を用いると、孤立
原子のエネルギー(3031)は、次式で書ける。
By using the equations (3051) and (3053), the energy (3031) of the isolated atom can be written by the following equation.

【0125】[0125]

【数50】 多原子分子の場合には、原子間の静電エネルギーも考慮
する必要がある。静電エネルギーは次式で表せる。
[Equation 50] In the case of polyatomic molecules, it is also necessary to consider electrostatic energy between atoms. The electrostatic energy can be expressed by the following equation.

【0126】[0126]

【数51】 ここで、JABは原子A,Bの中心に1電子電荷がある時のク
ーロン相互作用である。JABはAB間の距離に依存する。
(3055)式を用いると、全静電エネルギーは(305
7)式で表せる。
(Equation 51) Here, JAB is a Coulomb interaction when there is a one-electron charge at the center of atoms A and B. JAB depends on the distance between AB.
Using equation (3055), the total electrostatic energy is (305
It can be expressed by equation 7).

【0127】[0127]

【数52】 原子スケールの化学ポテンシャルχI(Q1,・・・・,QN)は次
式で表せる。
[Equation 52] The atomic scale chemical potential χI (Q1, ..., QN) can be expressed by the following equation.

【0128】[0128]

【数53】 電荷平衡の条件(3059)から、(N-1)ヶの連立方程式
が得られる。
(Equation 53) From the charge balance condition (3059), (N-1) simultaneous equations are obtained.

【0129】 χ1=χ2=………=χN …(3059) すなわち、Χ 1 = χ 2 = ... …… = χ N (3059) That is,

【数54】 となる。これに、全電荷の条件(3062)式を含めて、
N個の連立方程式を解く。
(Equation 54) Becomes Including the condition (3062) for total charge,
Solve N simultaneous equations.

【0130】[0130]

【数55】 (3061)(3062)をマトリックスで表示すると、以
下の式で表せる。
[Equation 55] When (3061) and (3062) are displayed in a matrix, they can be expressed by the following formula.

【0131】[0131]

【数56】 (3063)式を解くに当たって、各イオンが取り得る電
荷には、上限下限があるので、電荷がその範囲外なら
ば、その電荷を境界値に固定する。(3061)式を境界
値に固定した電荷と、そうでない電荷とに分離し、(3
063)式を修正してマトリックスを解き、収束させ
る。すると、電荷のばらつきが計算できる。
[Equation 56] In solving the equation (3063), the electric charge that each ion can take has an upper limit and a lower limit. Therefore, if the electric charge is out of the range, the electric charge is fixed to the boundary value. The equation (3061) is separated into a charge fixed at the boundary value and a charge not fixed, and (3)
063) is modified to solve the matrix and converge. Then, the variation in charge can be calculated.

【0132】この方法の中で問題なのはJABの決定であ
る。原子AとBとの距離RABが大きいときには
A problem in this method is JAB's decision. When the distance RAB between atoms A and B is large

【数57】 でよいが、電子雲が重なる距離においては斥力を考える
必要がある。ここでは、1つのスレーター軌道の項で電
子密度を近似してしまう。すなわち、外側の原子価軌道
がns,np,あるいはndである原子において、何れの場合に
も次の型の規格化されたnsスレーター軌道からなるとす
る。
[Equation 57] However, it is necessary to consider the repulsive force at the distance where the electron clouds overlap. Here, the electron density is approximated by the term of one Slater orbit. That is, in an atom whose outer valence orbital is ns, np, or nd, in any case, it is assumed to be a standardized ns Slater orbital of the following type.

【0133】[0133]

【数58】 (3065)式を用いて原子の平均サイズを求めると、[Equation 58] When the average size of atoms is calculated using the equation (3065),

【数59】 となる。下記の関係によって、原子価軌道指数ζAを選
ぶ。
[Equation 59] Becomes The valence orbital index ζA is selected according to the following relationship.

【0134】[0134]

【数60】 λは調整用のパラメタで、(3066)式で与えられた平
均的な原子サイズと結晶の共有結合半径RAとの差を計算
するために含まれている。
[Equation 60] λ is a parameter for adjustment, and is included to calculate the difference between the average atomic size given by equation (3066) and the covalent bond radius RA of the crystal.

【0135】スケーリングパラメタλは、図16に示し
たようなアルカリ金属ハライド分子を用いて設定する。
アルカリ金属ハライド分子をMXとし、Mをアルカリ金
属(Na、K、Rb、Cs)、Xをハライド(Cl、B
r、I)とする。それぞれの電荷をQM、QXと表すと、(3
062)式から、 Qtotal=QM+QX=0 ∴QX=−QM …(3068) (3061)式から
The scaling parameter λ is set by using an alkali metal halide molecule as shown in FIG.
The alkali metal halide molecule is MX, M is an alkali metal (Na, K, Rb, Cs), and X is a halide (Cl, B).
r, I). Representing each charge by QM and QX, (3
062), Q total = Q M + Q X = 0 ∴Q X = -Q M (3068) From formula (3061)

【数61】 (3069)式に(3068)式を代入すると、[Equation 61] When the expression (3068) is substituted into the expression (3069),

【数62】 (JMM−JMX−JXM+JXX)QM=χ0 x−χ0 M …(3071) ところで明らかに JMX=JXM …(3072) であるから、(J MM −J MX −J XM + J XX ) Q M = χ 0 x −χ 0 M (3071) By the way, it is clear that J MX = J XM (3072)

【数63】 (3073)式の変数はλだけである。計算されたQから
(3074)式を用いて双極子モーメントμMXを求め、実
験値と比較してλを決定する。
[Equation 63] The only variable in the equation (3073) is λ. From the calculated Q
The dipole moment μMX is calculated using the equation (3074) and compared with the experimental value to determine λ.

【0136】 μMX=4.80324QMMX …(3074) RMXは結合距離の実験値である。(3074)式はQがe単
位、RがÅ、μがデバイの単位になっている。双極子モ
ーメントの実験値との比較から、λの最適値として0.49
13が得られている。このλを用いると(3067)式より
原子価軌道指数ζが図17の表の値に求まる。
Μ MX = 4.80324Q M R MX (3074) R MX is an experimental value of the bond distance. In the expression (3074), Q is e unit, R is Å, and μ is Debye unit. From the comparison with the experimental value of dipole moment, 0.49
13 has been obtained. By using this λ, the valence orbital index ζ can be obtained from the values in the table of FIG. 17 from the equation (3067).

【0137】水素に関しては、Rappeらは、他の元素と
異なる取り扱いをしている。
Rappe et al. Treat hydrogen differently from other elements.

【0138】水素の電気陰性度をMullikenとPauling他
の実験上の値と比較すると一致していない。Paulingスケー
ルでは、水素は炭素より電気陽性で、ホ゛ロンよりわずかに
電気陰性であるのに対し、Mullikenスケールでは、水素は炭
素や窒素より電気陰性である。この電気陰性度の問題は
結合している水素の軌道は自由な水素イオンのように広
がる事ができないので、実行的な電子親和力EAが原子の
時の値よりも小さくなるためである。
The electronegativity of hydrogen is inconsistent when compared with the experimental values of Mulliken and Pauling et al. On the Pauling scale, hydrogen is more electropositive than carbon and slightly more electronegative than boron, whereas on the Mulliken scale hydrogen is more electronegative than carbon and nitrogen. This electronegativity problem is because the bound hydrogen orbit cannot spread like free hydrogen ion, so the effective electron affinity EA becomes smaller than the atomic value.

【0139】従って、EAHを変数にして、水素のχ0HとJ
0HHとを再定義する。
Therefore, using EAH as a variable, hydrogen χ0H and J
Redefine 0HH.

【0140】[0140]

【数64】 実験との比較から、最小二乗法によって、 χ0 H=4.528eV J0 HH(0)=13.8904eV …(3076) 実験でなく、HF波動関数の静電ポテンシャルから計算さ
れた電荷との比較から、 χ0 H=4.7174eV J0 HH(0)=13.4725eV …(3077) を使用しても良いとしている。
[Equation 64] From the comparison with the experiment, by the method of least squares, χ 0 H = 4.528eV J 0 HH (0) = 13.8904eV (3076) From the comparison with the charge calculated from the electrostatic potential of the HF wavefunction, not the experiment , Χ 0 H = 4.7174eV J 0 HH (0) = 13.4725eV (3077) may be used.

【0141】また、電荷に関する境界値を設定する。In addition, a boundary value regarding charges is set.

【0142】χA 0,JAA 0は、明らかに、原子価殻が空
っぽ、あるいは満杯に対応する範囲外では妥当でない。
例えば、Li,C,Oの場合には、下図に示したような
範囲に電荷を制限する。この範囲外ではEA(Q)=∞
をとる。
Clearly, χ A 0 and J AA 0 are not appropriate outside the range where the valence shell is empty or full.
For example, in the case of Li, C and O, the charge is limited to the range shown in the figure below. Outside this range, E A (Q) = ∞
Take.

【0143】マトリックス(3063)を解いて求めた電
荷を、図18乃至図20に示した不等式の範囲内にある
か否か判定し、その範囲外である場合には、その電荷を
境界値に固定する。
It is judged whether or not the electric charge obtained by solving the matrix (3063) is within the range of the inequalities shown in FIGS. 18 to 20, and if it is out of the range, the electric charge is set as the boundary value. Fix it.

【0144】以上がRappeらの手法のあらましである。R
appeらは、前述の手法を有機系の分子に適用している。
本発明者らは、Rappeらの提案した原子スケールの化学ポテ
ンシャルという概念だけを採用し、結晶系における個々
原子の電荷計算手法を新たに開発した。以下に本発明者
らによる電荷計算手法を述べる。
The above is the outline of the method of Rappe et al. R
appe et al. apply the method described above to organic molecules.
The present inventors have adopted only the concept of atomic-scale chemical potential proposed by Rappe et al. And newly developed a charge calculation method for individual atoms in a crystal system. The charge calculation method by the present inventors will be described below.

【0145】(3057)式右辺第二項は、すべての結合
の静電エネルギーの和を意味する。本発明者らは、分子
から結晶に拡張し、周期境界条件を取り入れようと試み
た。すると、静電エネルギーを計算する際、計算に用い
ている数百〜数千の原子だけでなく、その外側にある無
数の仮想原子からうける静電エネルギーも考慮する必要
があることを発見した。すなわち、静電エネルギーは減
衰が小さく、遠方の原子からの影響も蒸し出来ないこと
に気がついた。そこで、計算に用いているセルの外側に
仮想的に無数のセルが存在すると仮定して、仮想セルか
らの静電エネルギーも考慮するようにした。
The second term on the right side of the equation (3057) means the sum of electrostatic energy of all bonds. The present inventors have tried to extend from molecules to crystals and incorporate periodic boundary conditions. Then, when calculating the electrostatic energy, it was discovered that it is necessary to consider not only the hundreds to thousands of atoms used in the calculation, but also the electrostatic energy received from the innumerable virtual atoms outside it. That is, I noticed that the electrostatic energy had a small attenuation and that the influence from distant atoms could not be steamed. Therefore, assuming that there are virtually innumerable cells outside the cells used for the calculation, the electrostatic energy from the virtual cells is also taken into consideration.

【0146】この場合、(3057)式仮想セル中の原子
から受ける静電エネルギーJABは、計算セルの大きさを考
慮すると、RABが通常10オングストローム以上の大きな
値となるので、クーロンエネルギーだけと考がえて良
い。従って、JAB=1/RABと一律に扱う。仮想セルをνで
表すと、(3051)式は次の様に変更される。
In this case, the electrostatic energy JAB received from the atoms in the virtual cell of formula (3057) is considered to be only Coulomb energy because RAB is usually a large value of 10 angstroms or more in consideration of the size of the calculation cell. It is good to change. Therefore, JAB = 1 / RAB is treated uniformly. When the virtual cell is represented by ν, the equation (3051) is changed as follows.

【0147】[0147]

【数65】 ここで、ν=0は計算セル自体を意味し、ν≠0は仮想セルを
意味する。(3078)式第3項にエワルト゛法を適用する。エワ
ルト゛法を用いると、第3項は次の様に求めることが出来
る。
[Equation 65] Here, ν = 0 means the calculation cell itself, and ν ≠ 0 means a virtual cell. The Ewald method is applied to the third term of the equation (3078). Using the Ewald method, the third term can be calculated as follows.

【0148】[0148]

【数66】 Gは逆格子ベクトル、Ωは計算セルの体積、κはエワル
ド計算の収束を調節するパラメタである。更に、(30
82)式右辺第一項はν=0且つA=Bの項は含まず、第二項
はG=0の項は含まない。これらの式から、原子スケールの化
学ポテンシャルχIを求めると、
[Equation 66] G is the reciprocal lattice vector, Ω is the volume of the calculation cell, and κ is the parameter that adjusts the convergence of the Ewald calculation. Furthermore, (30
The first term on the right side of the equation (82) does not include the term of ν = 0 and A = B, and the second term does not include the term of G = 0. From these equations, when the atomic scale chemical potential χI is calculated,

【数67】 となる。電荷平衡の条件から、N-1個の方程式が得られ
る。
[Equation 67] Becomes From the condition of charge balance, N-1 equations are obtained.

【0149】 χ1=χ2=χ3=……=χN …(3092) (3091)式を代入して、Χ 1 = χ 2 = χ 3 = ... = χ N (3092) (3091) Substituting the equation,

【数68】 (3093)式で表せるN個の連立方程式を解くことにな
る。
[Equation 68] It solves N simultaneous equations that can be expressed by equation (3093).

【0150】(3093)式からCQ=-Dのマトリックスを
作ると、次式が得られる。
When a matrix of CQ = -D is created from the expression (3093), the following expression is obtained.

【0151】[0151]

【数69】 本発明者らは、SiO2の様な結晶や非晶質を扱う場合に
は、周期境界条件を考慮しながら(3094)式を解けば
良い事を発見した。(3094)式は電荷Qに対して非線
形となっているため、計算プログラムにはQを収束させ
るためのルーフ゜を持ってくる。
[Equation 69] The present inventors have discovered that when handling crystals such as SiO 2 or amorphous materials, the equation (3094) should be solved while considering the periodic boundary conditions. Since the formula (3094) is non-linear with respect to the charge Q, the calculation program has a roof for converging Q.

【0152】さらに、本発明者らは、実計算にあたって
のクーロン積分のモデル化にも注意を払った。JABは、
ζAとζBに対するスレーター関数の2原子クーロン積分として
求めた。クーロン積分JAB。はRoothernの方法を用いて
計算した。Roothernらは、クーロン積分JABには、 と
いう標識を使用する。 (3101)式で定義されたハ゜ラメタ
を用いて、クーロン積分は(3102)式で表せる。
Furthermore, the present inventors have paid attention to modeling of Coulomb integration in actual calculation. JAB is
It was calculated as the two atom Coulomb integral of the Slater function for ζA and ζB. Coulomb integral JAB. Was calculated using the method of Roothern. Roothern et al. Use the label for the Coulomb integral JAB. The Coulomb integral can be expressed by the equation (3102) using the parameter defined by the equation (3101).

【0153】[0153]

【数70】 ここで[Equation 70] here

【数71】 (α,α′,β,β′) =(1+τa)α(1−τa)α′(1+τb)β(1−τb)β′ …(3103) である。さらに、(71) (α, α ′, β, β ′) = (1 + τ a ) α (1-τ a ) α ′ (1 + τ b ) β (1-τ b ) β ′ ... (3103). further,

【数72】 ここで、上式の単位系は原子単位系であり、距離はboh
r、エネルギーはHartreeを使用している。
[Equation 72] Here, the unit system of the above formula is the atomic unit system, and the distance is boh.
Hartree is used for r and energy.

【0154】Roothernらは1s,2s,2pに対するクーロン積
分の解析式を与えているが、本発明者らは、3s以降の原
子軌道に対するクーロン積分まで計算し、半導体装置で
一般的に用いられるSi及びSiO2が扱えるように、最適な
軌道の選択を行った。
Although Roothern et al. Give an analytical expression of Coulomb integration for 1s, 2s, 2p, the present inventors calculated up to Coulomb integration for atomic orbits after 3s, and use Si commonly used in semiconductor devices. The optimum orbital was selected so that SiO 2 and SiO 2 could be handled.

【0155】JABの値は電荷計算に大きく影響する。そ
のためJを算出する際に用いるスレーター軌道や原子価
軌道指数ζの設定は重要である。そこで本発明者らは、
Si-OやSi-Siを扱う場合のJの値について調べた。
The value of JAB has a great influence on the charge calculation. Therefore, it is important to set the Slater orbital and valence orbital index ζ used when calculating J. Therefore, the present inventors
We investigated the value of J when dealing with Si-O and Si-Si.

【0156】Rappeらは「分極電荷がns軌道にあると仮
定」しているが、種々元素に対してどの軌道を考慮する
のが最適であるかという点は不明である。 Siの主量子
数nが3であることから、Siの電荷が3sにあるとモデル化
した場合と、2sにあると仮定した場合の計算を行い、比
較した。このとき、n=3におけるJの解析式はRoothernの
方法に従い、本発明者らが、別途用意した。例えば、Si
-Siに対しては、次式を用いた。
Rappe et al. “Assume that the polarization charge is on the ns orbit”, but it is unclear which orbit is optimal to consider for various elements. Since the main quantum number n of Si is 3, we calculated and compared the case where the charge of Si was modeled to be in 3s and the case where it was assumed to be in 2s. At this time, the analytical formula of J at n = 3 was separately prepared by the present inventors according to the method of Roothern. For example, Si
The following equation was used for -Si.

【0157】[0157]

【数73】 図21はSi-Si間のクーロン相互作用Jの計算結果であ
る。この場合には、2sと3sの何れを使用してもJの値に
殆ど変化が無いことが分かる。ところがSi-O間のクーロ
ン相互作用Jは2sと3sを使用した場合で大きく異なって
いる。図22にOの電荷が2sにあり、Siが2sあるいは3s
にあるとモデル化した場合のJABの計算結果を示した。S
iの電荷を3sだけにおくと、3s軌道が非常に広がってい
る影響を受けて、Jの値がr=1.6Å近辺で極小値を持って
しまう。Si-Oの結合距離は丁度この当たりにあるので、
Jが非常に小さく見積もられ、結果、SiとOの何れの電荷
も極めて過小に評価されてしまう事が分かった。Si-Hの
場合も同様であった。従って、Siの電荷のモデルとして
は、敢えて3s軌道で仮定すると、Jの見積もりが全く精
度を欠いてしまう。このことから、スレーター軌道を用
いるのは、電荷の広がりを考慮するためだけとし、モデ
ルとしては、1sあるいは2sのスレーター軌道を用いるの
が最適である事が分かった。これは、Si以降の原子番号
の元素に対しても同様であり、3s以降の広がった軌道を
モデルとすると、原子間距離が近い場合のクーロン力の
計算精度が非常に悪くなることが分かった。
[Equation 73] FIG. 21 shows the calculation result of Coulomb interaction J between Si and Si. In this case, it can be seen that there is almost no change in the value of J regardless of whether 2s or 3s is used. However, the Coulomb interaction J between Si and O is greatly different when 2s and 3s are used. In Fig. 22, the charge of O is in 2s and Si is 2s or 3s.
The JAB calculation results are shown for the case of modeling. S
When the charge of i is set only to 3s, the value of J has a local minimum value around r = 1.6Å due to the influence of the 3s orbit spreading very much. Since the bond distance of Si-O is just around this,
It was found that J was estimated to be very small, and as a result, both Si and O charges were extremely underestimated. The same was true for Si-H. Therefore, if we dare to assume the 3s orbit as a model of Si charge, the estimation of J would be completely inaccurate. From this, it was found that the slater orbit was used only for considering the spread of the charge, and the 1s or 2s slater orbit was the optimum model. This is also the case for elements with atomic numbers after Si, and it was found that when the extended orbits after 3s are used as a model, the calculation accuracy of Coulomb force becomes very poor when the interatomic distance is short. .

【0158】水素に対する補正にも、本発明者らは、プ
ログラム上の注意を払った。 (3031)式から、
The present inventors also paid attention to the program for the correction for hydrogen. From equation (3031),

【数74】 水素補正した時の原子スケールの化学ポテンシャルχHl
を求める。まず、(3057)式に対応する多原子分子の
エネルギーの式は、全原子数N個の内、水素M個とする
と、
[Equation 74] Atomic-scale chemical potential χHl after hydrogen correction
Ask for. First, assuming that the formula of energy of polyatomic molecule corresponding to formula (3057) is M number of hydrogen among N number of total atoms,

【数75】 ここで、(3114)式の右辺第一項、第二項、第五項の
Σ′の記号は、それぞれの和を求めるに当たってHは除
いている事を意味している。原子スケールの化学ポテン
シャルχHlは、
[Equation 75] Here, the symbol Σ ′ in the first term, the second term, and the fifth term on the right side of the equation (3114) means that H is excluded when the respective sums are obtained. The atomic-scale chemical potential χHl is

【数76】 (3121)式右辺第四項は次の様に解きほぐす事が出来
る。
[Equation 76] The fourth term on the right side of equation (3121) can be solved as follows.

【0159】[0159]

【数77】 (3122)式より、(27)式の第四項と第五項との和は、
Hl以外の全原子との間の原子間クーロン相互作用を意味
する事が分かる。従って、化学ポテンシャルは、
[Equation 77] From equation (3122), the sum of the fourth and fifth terms of equation (27) is
It can be seen that it means interatomic Coulomb interaction with all atoms other than Hl. Therefore, the chemical potential is

【数78】 (3123)式を用い、水素補正時のマトリックス(30
63)に変更を加える事になる。今、χ1が水素以外の原
子であるとすると、(3059)式に(3123)式を代入
し、
[Equation 78] Using the formula (3123), the matrix (30
63) will be changed. Now, assuming that χ1 is an atom other than hydrogen, substituting equation (3123) into equation (3059),

【数79】 マトリックス(3063)と比較すると、水素のJii0を[Expression 79] Compared with the matrix (3063), hydrogen Jii0

【数80】 に変更する事になる。[Equation 80] Will be changed to.

【0160】次に原子間クーロンポテンシャルJAHの水
素補正を考える。水素の場合のスレーター軌道関数は、(30
75)式より、
Next, consider hydrogen correction of the interatomic Coulomb potential JAH. The Slater orbital function for hydrogen is (30
From equation 75),

【数81】 水素が含まれる場合には、電荷を求めた後に(3126)
式を用いてJAHを修正し、再度電荷を求める。そして電
荷の値が収束するまで、これを反復する。この際、I=1
の行が水素の場合、水素でない行と入れ替えてマトリッ
クスを作成するように、本発明者らはアルゴリズムを作
成した。
[Equation 81] If hydrogen is included, after obtaining the charge (3126)
Correct JAH using the formula and recalculate the charge. This is repeated until the charge values converge. At this time, I = 1
When the row of is a hydrogen, the present inventors created an algorithm so that the row is replaced with a row of which the hydrogen is not formed to form a matrix.

【0161】電荷境界条件の扱いにも、本発明者らはマ
トリックスの具体的な変更方法について注意を払った。
Regarding the handling of the charge boundary condition, the present inventors also paid attention to the specific method of changing the matrix.

【0162】(3061)式を、境界値に固定した電荷QB
と、そうでない電荷QCに分けて考える。
The electric charge QB fixed to the boundary value by the equation (3061)
And consider it separately into charge QC which is not so.

【0163】[0163]

【数82】 (3062)式を(3131)式に変更すると、マトリック
スの要素は、のとき、
(Equation 82) When the equation (3062) is changed to the equation (3131), the elements of the matrix are

【数83】 上式の様にマトリックスを変更して、電荷を境界条件の
範囲内に収める。この時、I=1の元素が境界値に設定さ
れる場合、マトリックスの行を入れ替え、境界値設定さ
れていない元素に対する行がI=1になるように行の選択
(ピボット選択)をするようにした。
[Equation 83] Change the matrix as in the above equation to keep the charge within the boundary conditions. At this time, when the element with I = 1 is set as the boundary value, the rows of the matrix are exchanged and the row is selected so that the row for the element for which the boundary value is not set becomes I = 1.
Enabled to select (pivot).

【0164】本発明者らは、結晶系及び非晶質系に新た
に開発した上記電荷計算法を用い、これを分子動力学法
に追加して、個々原子の動きを逐次計算し、双極子モー
メントを時々刻々計算して記録し、これをフーリエ変換
してIRスペクトルの算出を行った。図23は、以上の手
続きをまとめたものである。
The present inventors have used the above-described charge calculation method newly developed for crystal systems and amorphous systems, and adding this to the molecular dynamics method to sequentially calculate the movement of individual atoms to obtain a dipole. The moment was calculated every moment and recorded, and this was Fourier-transformed to calculate the IR spectrum. FIG. 23 summarizes the above procedure.

【0165】一方、16G以降のDRAMに使用される
ゲート酸化膜やNAND EEPROMのトンネル酸化
膜においては、高信頼化が従来にも増して重要な課題と
なっている。特に、EEPROMにおいては、高電界下
でトンネル電流を流しながら絶縁性を維持させるという
過酷な条件下で酸化膜を使用するため、絶縁材料として
の限界を原子・電子レベルで探索することが重要となっ
ている。
On the other hand, in the gate oxide film used in the DRAM of 16G or later and the tunnel oxide film of the NAND EEPROM, high reliability is an important issue more than ever before. Especially in the EEPROM, since the oxide film is used under the severe condition that the insulating property is maintained while the tunnel current is passed under the high electric field, it is important to search the limit of the insulating material at the atomic / electron level. Has become.

【0166】このような状況から、Si/SiO2界面
構造やSiO2ネットワーク構造の原子レベルでの探索
実験や、SiO2のトラップ機構の実験、及び理論計算
による予測等が種々の研究機関で進められている。しか
し、本発明のように、ネットワーク構造とIRフルスペ
クトルとの関連を原子レベルで関連づけ、利用する手法
は、従来にはなかった。僅かに、IRスペクトルのSi
−Oの非対称伸縮ピークと酸化界面の応力とを関連づけ
る実験結果が報告さているだけであった。
Under these circumstances, various research institutes proceeded with the atomic level search experiment of the Si / SiO 2 interface structure and the SiO 2 network structure, the experiment of the SiO 2 trap mechanism, and the prediction by theoretical calculation. Has been. However, as in the present invention, there has been no conventional method for associating and utilizing the relationship between the network structure and the IR full spectrum at the atomic level. Slightly IR spectrum Si
Only experimental results relating the asymmetric stretching peak of -O and the stress at the oxidation interface have been reported.

【0167】また、実験結果の解釈としても、「中心力
モデル」を用い、現実のネットワークを非常に簡略化し
たSi−O−Si分子構造の振動解析からの議論しかな
されておらず、非晶質特有のSi−O結合長の分布、S
i−O−Si、O−Si−O結合角度の分布等を全て考
慮した議論は、従来全く行われていなかった。本発明に
おいては、非晶質特有のこれら様々な分布を考慮するこ
とにより、中心力モデルとは異なった視点で、電気的特
性と構造との相関が得られたのである。
Further, as the interpretation of the experimental results, the discussion has been made only from the vibration analysis of the Si—O—Si molecular structure using the “central force model”, and the actual network is greatly simplified, and the amorphous structure is used. Distribution of Si-O bond length peculiar to quality, S
Conventionally, no discussion has been made considering all the distributions of i-O-Si and O-Si-O bond angles. In the present invention, by considering these various distributions peculiar to amorphous, the correlation between the electrical characteristics and the structure was obtained from a viewpoint different from the central force model.

【0168】ここで、本発明者らが克服した点について
付言する。本発明者らは、古典的分子動力学法を使用す
るにあたり、そのポテンシャルを吟味した上、さらに、
改良を加えた。本発明者らは、最初、常行氏らによって
開発されたTTAMポテンシャルの使用を試みたが、S
i−O非対称伸縮振動が非常に低波数側に表されるとい
う欠点を見い出した。そこで、van Beest等に
よって開発されたBSKポテンシャルを使用した。彼ら
のポテンシャルは、TTAMポテンシャルよりも高波数
側にピークが表れたが、尚、実測値よりも低い波数に伸
縮ピークが表された。
Here, the points that the present inventors have overcome will be added. The present inventors examined the potential when using the classical molecular dynamics method, and further,
Made improvements. The present inventors first tried to use the TTAM potential developed by Tsuneyuki et al.
We have found the disadvantage that i-O asymmetric stretching vibrations appear on the very low wavenumber side. Therefore, the BSK potential developed by van Best et al. Was used. Their potential showed a peak on the higher wave number side than the TTAM potential, but an expansion / contraction peak appeared at a wave number lower than the actually measured value.

【0169】本発明者らは、このピーク値を実測に近づ
けるため、これら既存ポテンシャルで使用されている、
電荷一定という条件を取り除き、Si−O−Si角等が
大変位した場合の電荷の分布を、古典的分子動力学に取
り込んだ。この電荷分布の計算は、理想的には分子軌道
法を用いて算出できるが、現実問題としては、数百原子
もの構造を一度に取り扱って電荷分布計算を行うことは
現状では不可能である。スーパーコンピュータを用いて
も現実的には不可能である。
The present inventors have used these existing potentials in order to bring this peak value close to the actual measurement.
The condition of constant charge was removed, and the distribution of charges when the Si—O—Si angle or the like was largely displaced was incorporated into classical molecular dynamics. This charge distribution calculation can be ideally calculated using the molecular orbital method, but in reality, it is impossible at present to handle the structure of several hundreds of atoms at a time to calculate the charge distribution. Even using a super computer is impossible in reality.

【0170】そこで、本発明者らは、A.R.Rapp
eとW.A.Goddard IIIによって提案されて
いる手法を用いて電荷分布計算を行った。引用論文は
“Charge Equillibration fo
r Molecular Dynamics Simu
lation”,J.Phys.Chem.,95,1
991,p.3358−3363である。本発明者ら
は、彼らの論文を参考に数式を展開し、論文中の誤りを
訂正の上、必要なパラメータ算出を独自に行って、彼ら
の手法をSiO2系に適用した。Rappeらの手法の
概略について以下に述べる。
Therefore, the inventors of the present invention used the A. R. Rapp
e and W. A. The charge distribution calculation was performed using the method proposed by Goddard III. The cited paper is "Charge Equilibration fo
r Molecular Dynamics Simu
"", J. Phys. Chem., 95, 1
991, p. 3358-3363. The present inventors developed mathematical formulas with reference to their papers, corrected errors in the papers, calculated necessary parameters independently, and applied their method to the SiO 2 system. The outline of the method of Rappe et al. Will be described below.

【0171】原子iの個別の電荷によるエネルギーEi
(Q)を、テーラー展開の2次まで考えて、下記式(1
651)で近似する。
Energy Ei by individual charges of atom i
Considering (Q) up to the second order of Taylor expansion, the following equation (1
651).

【0172】[0172]

【数84】 ここで、Xi 0 は電気陰性度であり、下記式(165
2)で表される。
[Equation 84] Here, Xi 0 is an electronegativity and is represented by the following formula (165
It is represented by 2).

【0173】 Xi 0=1/2(IP+EA) …(1652) Jiiは、原子Iの軌道上の電子間のクーロン斥力であ
り、下記式(1661)で定義される。
X i 0 = 1/2 (IP + EA) (1652) Jii is the Coulomb repulsive force between the electrons on the orbit of atom I and is defined by the following formula (1661).

【0174】 Jii=IP−EA …(1661) ここでIPはイオン化ポテンシャル、EAは電気親和力
を示す。N個の原子で構成される分子の全エネルギーE
(Q1 ,…,QN )は、個別の原子のエネルギーと原子
間の相互作用静電エネルギーJijQi Qj の和である。
ただし、Jijは原子ijの中心にある単位電荷のクーロン
相互作用である。従って、下記式(1662)が成立す
る。
Jii = IP-EA (1661) Here, IP represents ionization potential and EA represents electric affinity. Total energy E of a molecule composed of N atoms
(Q1, ..., QN) is the sum of the interaction electrostatic energy J ij Qi Qj between energy and atomic individual atoms.
However, J ij is the Coulomb interaction of unit charge at the center of atom ij . Therefore, the following equation (1662) is established.

【0175】[0175]

【数85】 原子スケールの化学ポテンシャルは、下記式(166
3)で与えられる。
[Equation 85] The atomic-scale chemical potential is calculated by the following formula (166
Given in 3).

【0176】[0176]

【数86】 この式(1663)を、電荷平衡の条件、X1 =…=X
N に代入すると、下記式(1671)が得られる。
[Equation 86] This equation (1663) is converted into the condition of charge balance as X1 = ... = X
By substituting for N, the following equation (1671) is obtained.

【0177】[0177]

【数87】 すなわち、下記式(1672)が得られる。[Equation 87] That is, the following formula (1672) is obtained.

【0178】[0178]

【数88】 さらに、下記式(1673)に示す全電荷の条件を考慮
する。
[Equation 88] Further, the condition of total charge shown in the following formula (1673) is considered.

【0179】[0179]

【数89】 ijは既知であって、およそ下記式(1674)であ
る。
[Equation 89] J ij is known and is approximately the following equation (1674).

【0180】[0180]

【数90】 ここでRはI=jのときは原子の大きさ、I≠jのとき
は原子間距離である。従って、行列Cとベクトルdを導
入すると、Qに関する下記式(1681)に示す連立方
程式が成立する。すなわち、
[Equation 90] Here, R is the size of the atom when I = j, and the interatomic distance when I ≠ j. Therefore, when the matrix C and the vector d are introduced, the simultaneous equation shown in the following equation (1681) regarding Q is established. That is,

【数91】 と定義すると、 CQ=−d …(1682) となる。論文ではC1i=Qi 、Cd =dとあったが、本
発明者らは、これらを上述の様に修正して使用した。さ
らに、Si−O−H等の原子の大きさ等、必要なパラメ
ータを独自に算出し、連立方程式を解いて電荷分布を求
めた。これによって、ピーク波数が格段に実測と一致す
るようになった。
[Equation 91] When defined as, CQ = -d (1682). In the paper, C1i = Qi and Cd = d, but the present inventors modified and used them as described above. Furthermore, necessary parameters such as the size of atoms such as Si—O—H were calculated independently, and the simultaneous equations were solved to obtain the charge distribution. As a result, the peak wave number became much more consistent with the actual measurement.

【0181】分子動力学シミュレータIIで算出された
「戸籍簿」、つまり単位時間毎の結合長(位置ベクトル
r(t))と結合角を示す膨大なデータの一例を、図2
4に示す。このデータは、膜特性算出ユニットIIIに
入力され、ここで基本膜特性(光学的、電気的、結晶学
的特性)が算出される。
FIG. 2 shows an example of "family register" calculated by the molecular dynamics simulator II, that is, an example of enormous data showing bond length (position vector r (t)) and bond angle per unit time.
4 shows. This data is input to the film property calculation unit III, where basic film properties (optical, electrical, crystallographic properties) are calculated.

【0182】又、プロセス変動算出ユニットIについて
は、その2次元汎用システムの一例が、特開平3−16
4904号に記載されている。
Regarding the process variation calculation unit I, an example of the two-dimensional general-purpose system is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 3-16.
4904.

【0183】3次元のプロセスシミュレータは、今回本
件発明者が構築に成功した。以下これを、図8をもちい
ながら説明する。まず技術とシミュレータの構造の概観
をする。本願は、原子レベルに主体を置いているが、他
のプロセス変動算出ユニットIとの新しい合体方法をも
提案しており、より効果的かつ正確で、従来にない新し
い機能をも提供できることをも示している。合体する相
手のプロセス変動算出ユニット(10)は、例えば3次
元プロセスシミュレータIcであり、いわゆる流体モデ
ルに属するものである。とくに、本発明者らが新しく構
築した3次元プロセスシミュレータIcの内容を以下に
記す。要点は2つあり,まず、本発明者らが構築した
「3次元プロセスシミュレータ」は、原子レベルシミュ
レータとの接続が可能であること。次に、この「3次元
プロセスシミュレータ」の部分には、本発明者等が新し
く克服した化学モデルや、数学式を駆使している。これ
らにより、初めて、原子レベルとの合体が可能になった
のである。原子レベルシミュレータから出力されるもの
として例えば、粘弾性係数、応力定数、拡散定数、
ij、等があり、これらが、流体的汎用3次元プロセス
シミュレータに転送されるものである。図8では、(2
3)、(33)、(43)、(53)、(63)、(7
3)、(83)である。例えば、酸化剤等の拡散定数
は、(23)に転送されるわけである。転送手続きの方
法等は後述する。
The present inventors succeeded in constructing a three-dimensional process simulator this time. This will be described below with reference to FIG. First, we give an overview of the technology and the structure of the simulator. Although the present application is mainly based on the atomic level, it also proposes a new method of merging with another process variation calculation unit I, and it is also possible to provide a new function which is more effective and accurate, and which has never existed before. Shows. The process variation calculation unit (10) of the other party to be combined is, for example, a three-dimensional process simulator Ic and belongs to a so-called fluid model. In particular, the contents of the three-dimensional process simulator Ic newly constructed by the present inventors will be described below. There are two main points. First, the "three-dimensional process simulator" constructed by the present inventors can be connected to an atomic level simulator. Next, in this "three-dimensional process simulator" part, the chemical models and mathematical formulas newly overcome by the present inventors are used. For the first time, they have become possible to merge with the atomic level. As output from the atomic level simulator, for example, viscoelastic coefficient, stress constant, diffusion constant,
C ij , etc., which are transferred to the fluid general purpose 3D process simulator. In FIG. 8, (2
3), (33), (43), (53), (63), (7
3) and (83). For example, the diffusion constant of the oxidizing agent or the like is transferred to (23). The method of transfer procedure will be described later.

【0184】汎用3次元プロセスシミュレータ(10)
側で、入力データに従って、数ミクロンレベルの広領域
の工程誘起応力の計算を、(2)や(3)で、行い、こ
の結果を、ファイル(22)やファイル(32)を介し
て、一旦分子動力学シミュレータIIに転送し、あるい
は、再び汎用シミュレータ(10)に戻し、これを繰り
返すことにより、より正確でより多くの機能を利用する
こともできる。計算手続きとしては、例えばある時刻
で、プロセス変動算出ユニットで求めたある程度広領域
の工程誘起応力計算の結果を、一旦分子動力学シミュレ
ータIIに転送し、ここで、物性定数の修正量を計算し
ながら、改めて、原子の動きをみ、再び、修正された物
性定数を汎用シミュレータに送り込み、汎用シミュレー
タで広領域の工程誘起応力等の結果を、進める。これを
繰り返すことにより、もし、十分大きな応力が局所的に
生成されれば、分子動力学シミュレータII側で原子の
動きをみ、塑性変形の可否を見ることもできる。
General-purpose three-dimensional process simulator (10)
Side, according to the input data, the process-induced stress in a wide area of several microns level is calculated in (2) and (3), and the result is once passed through the file (22) and the file (32). By transferring to the molecular dynamics simulator II or returning to the general-purpose simulator (10) again and repeating this, more accurate and more functions can be used. As the calculation procedure, for example, at a certain time, the result of the process-induced stress calculation in a somewhat wide area obtained by the process variation calculation unit is temporarily transferred to the molecular dynamics simulator II, and the correction amount of the physical property constant is calculated here. However, the movement of atoms is again observed, and the corrected physical property constants are sent again to the general-purpose simulator, and the results of the process-induced stress in a wide region are advanced by the general-purpose simulator. By repeating this, if a sufficiently large stress is locally generated, it is possible to see the movement of atoms on the molecular dynamics simulator II side and see whether plastic deformation is possible.

【0185】勿論上記の汎用プロセスシミュレータ部分
での不純物再分布計算や、応力計算の時には、図8に記
した、点欠陥挙動計算部分(9)が呼ばれている。点欠
陥としてはSi基板中の空格子と格子間Siを扱ってい
る。不純物の拡散にはこれら点欠陥の挙動を正しく取り
入れないと、不純物の再分布は正確には計算されない。
イオン注入計算部分(4)では、もちろん、注入損傷に
よる多量の空格子と格子間Siが生成される。これら
は、熱工程中に再分布するが、その時、不純物とも相互
作用を持ち、不純物分布の計算に反映させなければなら
ない。またシリサイド・形状・応力計算部分(7)で
も、勿論、Si基板中の空格子と格子間Siの挙動に十
分配慮しなければならない。
Of course, at the time of impurity redistribution calculation and stress calculation in the above-mentioned general-purpose process simulator part, the point defect behavior calculation part (9) shown in FIG. 8 is called. As point defects, vacancy and interstitial Si in the Si substrate are treated. Without properly incorporating the behavior of these point defects in the diffusion of impurities, the redistribution of impurities cannot be calculated accurately.
In the ion implantation calculation portion (4), of course, a large amount of vacancies and interstitial Si are generated due to implantation damage. These are redistributed during the thermal process, at which time they also interact with impurities and must be reflected in the calculation of the impurity distribution. Also in the silicide / shape / stress calculation part (7), of course, the behavior of the vacancy and interstitial Si in the Si substrate must be fully considered.

【0186】ところで、図8のその他(8)について
も、少し触れる。LSI素子試作工程で、酸化・拡散・
イオン注入等は、既に多くのデータを基に、このプロセ
ス変動算出ユニット(10)には、各必要物性定数が格
納されている。例えば、Siの酸化に関しては、後に掲
げる式(1130)や(1131)のPB1やPB2等
がそれである。また、SiO2膜中の酸化剤の拡散定数
などは、後に掲げる式(1531)のD’などがそれで
ある。一般には、この様に、概ねデータがあるものであ
る。
By the way, the other (8) in FIG. Oxidation / diffusion
For the ion implantation and the like, each necessary physical property constant is stored in the process variation calculation unit (10) based on many data. For example, regarding the oxidation of Si, PB1 and PB2 of the formulas (1130) and (1131) given later are the same. The diffusion constant of the oxidant in the SiO2 film is represented by D'of the formula (1531) given later. Generally, as described above, there is generally data.

【0187】しかし、LSI開発の中では、必ずしもデ
ータ等が揃っているとは限らない。たとえば、今、強誘
電体膜を用いたメモリーセルの試作開発を考える。CD
V或いはスパッタ工程を用いて、PbTiO3を形成す
る場合を考える。現状の汎用プロセスシミュレータで
は、多くはまだPbTiO3膜中での種々の不純物の拡
散係数も、さほど分かっていないし、また、その応力定
数もさほど分かっていない。また、界面での不純物の偏
析定数もさほど分かっていない。この様な場合、まず
(8)の工程に入り、すぐさま、(84)に示す様に、
分子動力学シミュレータIIに一旦行き、そこで、必要
な元素のポテンシャル等を算出し、それを基に、分子動
力学部分が動き、そして、物性定数を算出する。このあ
とは、既に述べてきた部分と非常に良く似ているが、
(83)からこれらの物性定数がファイルに格納され
る。そして、プロセス変動算出ユニットと同じようにし
て、計算部分が進められる。
However, data and the like are not always available during LSI development. For example, consider now the prototype development of a memory cell using a ferroelectric film. CD
Consider the case where PbTiO 3 is formed using V or a sputtering process. Most of the current general-purpose process simulators do not yet know the diffusion coefficients of various impurities in the PbTiO 3 film, and their stress constants. Also, the segregation constant of impurities at the interface is not well known. In such a case, first enter the step (8), and immediately, as shown in (84),
The molecular dynamics simulator II is once visited, where the potentials of necessary elements and the like are calculated, based on which the molecular dynamics part moves, and the physical property constants are calculated. After this, it is very similar to the part already described,
These physical property constants are stored in the file from (83). Then, the calculation part proceeds in the same manner as the process variation calculation unit.

【0188】ここで、図9を参照して、具体的な処理に
即した説明を行う。ここでは、酸化工程を取り上げる。
即ち、ウエハーの投入を行い、これを基板処理工程に移
し、しかる後に、酸化工程に入る。
Here, with reference to FIG. 9, description will be given in accordance with specific processing. Here, the oxidation process is taken up.
That is, a wafer is charged, the wafer is transferred to the substrate processing step, and then the oxidation step is started.

【0189】この酸化工程では、例えば、高純度酸素ガ
スの量を例えば、Poxとし、また、これの分散をσtoxと
して構成する。叉、昇温シーケンスはTempとし、また
これの分散をσtemp、バルプシーケンスをtox、σtox等
の様に構成する。特に、バルプシーケンスは、ここで
は、例えばパルプを開けている時問をさしているわけで
あるが、詳細は実施例で述べたようなものである。
In this oxidation step, for example, the amount of high-purity oxygen gas is set to Pox, and the dispersion thereof is set to σtox. Further, the temperature raising sequence is set to Temp, the variance thereof is set to σtemp, and the valve sequence is set to tox, σtox, and the like. In particular, the valp sequence refers here, for example, when opening the pulp, the details of which are as described in the examples.

【0190】たとえば、図8では、(2)の酸化・形状
・応力計算部分をアクセスし、ここに分圧Poxや、温度
Temp等が入力される。そして、酸化成長計算や、同時
に応力計算も進められる。この時、(21)を用いて、
分散・変動計算も行う。ここではσpoxやσte即が入力
して、中心値からの変分を効率よく計算するものであ
る。
For example, in FIG. 8, the oxidation / shape / stress calculation portion of (2) is accessed, and the partial pressure Pox, the temperature Temp and the like are input therein. Then, the oxide growth calculation and the stress calculation can be performed at the same time. At this time, using (21),
Variance / variation calculation is also performed. Here, σpox and σte immediate are input to efficiently calculate the variation from the central value.

【0191】これらの計算結果は、例えば、酸化膜の成
長量や、酸化膜とSiの界面の形状や、さらには、不純
物量も計算される。さらに、本発明者によれば、応力も
求められるわけである。また分散・変動からも同じよう
に Pox=Pox+σpoxや、Temp=Temp十σtemp等の部
分についても、酸化膜の成長量や、酸化膜とSiの界面
の形状や、さらには、不純物量が計算される。そして、
これらが、一旦メモリまたはファイル(22)にたくわ
えられ、そして、分子動力学部分に送られる。分子動力
学部分では信号aとしてこれらが入力され、位置ベクト
ルr(t)が算出される。
From these calculation results, for example, the growth amount of the oxide film, the shape of the interface between the oxide film and Si, and the amount of impurities are calculated. Furthermore, according to the present inventor, stress is also required. Similarly, from the dispersion / fluctuation, the amount of growth of the oxide film, the shape of the interface between the oxide film and Si, and the amount of impurities are calculated for Pox = Pox + σpox and Temp = Temp σtemp. It And
These are once stored in a memory or file (22) and sent to the molecular dynamics part. In the molecular dynamics part, these are input as a signal a, and the position vector r (t) is calculated.

【0192】図10は、図9と同様の行程図を示してい
るが、ここでは強誘電体膜の形成に関するものである。
FIG. 10 shows a process diagram similar to that of FIG. 9, but here it relates to the formation of a ferroelectric film.

【0193】ところで、ここで本発明での診断部分に関
する説明も行っておく。図11に、本実施例による2進
木の一部を示す。ここでは酸化工程に着目した2進木を
示している。図中にも記したように、ここではまず、in
-situモ二夕から送付されるSiO2膜厚と、計算から予
測されるSiO2膜厚を比較する。そして、膜厚が許容
範囲に収まっている時を取り上げ議論している。そうす
ると、次の手続きとして、inlituモニタから送付される
1Rスベクトルカープと、計算から予測される1Rカー
ブとを比較する。そして、図に示した様に、まず、スペ
クトルを比較して、少しずれていた場合で、しかも、ス
ペクトルが高波数側にずれた場合を取り上げる。そうす
ると、次の手続きとして、SiO2中に残留応力が大き
く誘起していることが考えられる。それで、この場合、
ゆっくり降温して、残留応力を軽減させることが出来
る。それで、図9に記載したアニール部分を修正して、
図8の(2)に入力される。他方、スペクトルを比較
し、許容範囲に入っていた場合は、当初のプロセスシー
ケンスのまま続行される。
By the way, a description will be given here of the diagnostic part of the present invention. FIG. 11 shows a part of the binary tree according to this embodiment. Here, a binary tree focusing on the oxidation process is shown. As shown in the figure, first, in
comparing the SiO 2 film thickness sent from -situ mode two evening, the SiO 2 film thickness predicted by calculation. And we discuss when the film thickness is within the allowable range. Then, as the next procedure, the 1R vector curp sent from the inlitu monitor is compared with the 1R curve predicted from the calculation. Then, as shown in the figure, first, the spectra are compared, and a case where the spectra are slightly deviated and a case where the spectra are deviated to the high wave number side will be taken up. Then, as the next procedure, it is considered that the residual stress is largely induced in SiO 2 . So in this case,
The residual stress can be reduced by slowly lowering the temperature. So, modify the annealed part shown in Figure 9,
It is input in (2) of FIG. On the other hand, the spectra are compared, and if they are within the allowable range, the original process sequence is continued.

【0194】図8に関して、概ねデータの流れがこれで
分かったと思う。では、もう少し、図8の出力に関して
言及したい。即ち、実行結果は、一旦、ファイル(3)
に蓄えられる。ここでは、各工程で求めた、工程に対応
するスペクトルや、その他の光学的・電気的特性結果が
格納される。これらは、あとで、詳細を述べるが、実測
データとしてモニタをしている量と対比できる様になっ
ている。
With respect to FIG. 8, I think that the data flow is almost understood. Then, I would like to mention a little more about the output of FIG. That is, the execution result is temporarily stored in the file (3)
Is stored in Here, a spectrum corresponding to each process obtained in each process and other optical / electrical characteristic results are stored. Although these will be described in detail later, these can be compared with the amount monitored as actual measurement data.

【0195】一方、本発明者らの1人は、以前、プロセ
ス変動の変分計算を用いたプロセスシミュレータシステ
ムを提案している。即ち、特開昭63−174331号
および特開平3−164904号である。これらの提案
では、流体的な取扱いにより、酸化/拡散、イオン注
入、化学的堆積(CVD)、エッチング、リソグラフィ
等の各工程を取り扱うことができる。例えば、流体モデ
ルによる拡散工程では、不純物総量と電気的活性化不純
物量とを区別しながら、電気効果を取り入れつつ、不純
物の再分布を求めている。
On the other hand, one of the inventors of the present invention has previously proposed a process simulator system using variational calculation of process variation. That is, JP-A-63-174331 and JP-A-3-164904. These proposals can handle processes such as oxidation / diffusion, ion implantation, chemical vapor deposition (CVD), etching and lithography by fluid handling. For example, in the diffusion process using a fluid model, the redistribution of impurities is obtained while distinguishing the total amount of impurities and the amount of electrically activated impurities while incorporating the electrical effect.

【0196】特開昭63−174331号および特開平
3−164904号に示すシミュレーションシステムの
概略を、図25〜図49を参照して説明する。これらの
提案では、プロセス変動については次のように扱ってい
る。例えば、酸化、イオン注入、リソグラフィの工程を
例にとると、平均の温度(T)とその許容バラつき(δ
T)、平均時間(t)とその許容バラつき(δt)、平
均圧力(P)とその許容バラつき(δP)、更に平均マ
スク寸法(L)とその許容バラつき(δL)、平均ドー
ズ量(D)とその許容バラつき(δD)などが入力値で
ある。
The outline of the simulation system shown in JP-A-63-174331 and JP-A-3-164904 will be described with reference to FIGS. 25 to 49. These proposals deal with process variation as follows. For example, taking the processes of oxidation, ion implantation, and lithography as an example, the average temperature (T) and its allowable variation (δ
T), averaging time (t) and its allowable variation (δt), average pressure (P) and its allowable variation (δP), average mask size (L) and its allowable variation (δL), average dose amount (D) And its allowable variation (δD) are input values.

【0197】プロセスシミュレータには、図25に示す
ように、イオン注入、酸化/拡散、リソグラフィ等の各
サブルーチンに分散変動(deviation)を計算
する部分が付設されている。計算手順としては、これら
の中心値について計算を進めながらその変分を計算して
行く方法を採用している。
As shown in FIG. 25, the process simulator is provided with a section for calculating dispersion variation in each subroutine of ion implantation, oxidation / diffusion, lithography and the like. As the calculation procedure, a method of calculating the variation while advancing the calculation for these central values is adopted.

【0198】この変分計算について若干説明する。まず
拡散工程における温度変分について説明すると、拡散工
程では、拡散係数をD、不純物分布による内部電界を
ε、電気的活性化不純物数をNとして、Fickの第2
法則に基づく方程式を解いて、不純物濃度分布Cを求め
ている。図26を用いて変分計算の手順を示す。ここ
で、図中の左側を正常プロセス(Normal pro
cess)とする。
The variational calculation will be briefly described. First, the temperature variation in the diffusion process will be described. In the diffusion process, the diffusion coefficient is D, the internal electric field due to the impurity distribution is ε, and the number of electrically activated impurities is N.
The impurity concentration distribution C is obtained by solving the equation based on the law. A procedure of variational calculation will be described with reference to FIG. Here, the left side of the figure is the normal process (Normal pro
cess).

【0199】非線形拡散方程式は、下記式(0071)
により表わすことが出来る。
The nonlinear diffusion equation is the following equation (0071)
Can be represented by

【0200】[0200]

【数92】 ここでk、k+1は時刻であり、時刻k+1のときの不
純物濃度Ck+1 が未知数である。右辺のBは、下記式
(1072)の第2項に由来するものである。
(Equation 92) Here, k and k + 1 are times, and the impurity concentration Ck + 1 at the time k + 1 is an unknown number. B on the right side is derived from the second term of the following formula (1072).

【0201】 ∂C/∂t→(Ck+1−Ck)/t …(1072) ここでは陰解法を用いているので、上式に現れる係数行
列はすべてDや平均温度T等を用いて表現されている。
正常プロセスの場合は、所定の拡散時間tn+1 番目まで
を適当に分割し、t1 ,t2 ,…,tn+1 まで順次解を
求めて行く。ここではそれぞれの時刻、t1 ,t2 ,
…,tn+1 においてNewton法を用いてこれらを線
形化して計算をすすめている。
∂C / ∂t → (C k + 1 −C k ) / t (1072) Since the implicit method is used here, all coefficient matrices appearing in the above equation use D, the average temperature T, and the like. Is expressed.
In the case of a normal process, the predetermined diffusion time tn + 1-th is appropriately divided and solutions are sequentially obtained up to t1, t2, ..., Tn + 1. Here, at each time, t1, t2,
.., tn + 1, the calculation is performed by linearizing these using the Newton method.

【0202】次に、変動プロセス(Process d
eviated)について説明する。ここでは拡散温度
に変動δTが発生した場合を示している。上式の変分を
とり、時刻kにおける濃度の変化量δCK がわかってい
ると、時刻k+1の時の変分δCk+1 は、下記式(10
81)により表される。
Next, the variation process (Process d
(emitted) will be described. Here, the case where the variation δT occurs in the diffusion temperature is shown. Taking the variation of the above equation and knowing the change amount δCK of the concentration at time k, the variation δCk + 1 at time k + 1 is given by the following equation (10
81).

【0203】[0203]

【数93】 すなわち時刻k+1において正常プロセスの収束時の値
D,ψ,N,C等を保存しておき、これらを用いてF′
を作成し、またその温度Tに対する変化量を用意してお
き、δCk+1 を求める。ここでF′を作成するための行
列要素の一部を図26に示す。拡散係数の導出には、基
本的には空孔モデルを用いている。この場合、温度変化
によってフェルミレベルが変化し、これによって荷電空
孔の濃度が変化し、拡散係数が変化する。従って、まず
その基になる真性キャリア濃度ni に対してはその変分
は、下記式(1082)に示すようになる。
[Equation 93] That is, at the time k + 1, the values D, ψ, N, C, etc. at the time of convergence of the normal process are stored and F ′ is used by using them.
Is prepared and the amount of change with respect to the temperature T is prepared, and δCk + 1 is calculated. Here, a part of the matrix elements for creating F'is shown in FIG. The vacancy model is basically used to derive the diffusion coefficient. In this case, the Fermi level changes due to temperature changes, which changes the concentration of charged vacancies and changes the diffusion coefficient. Therefore, first, with respect to the underlying intrinsic carrier concentration ni, the variation is as shown in the following equation (1082).

【0204】[0204]

【数94】 δni=ni(1.5/T+0.605/kT2)δT …(1082) また、不純物の内部電界の温度による変化も、これらを
用いて表現できる。更に、酸化性雰囲気における拡散係
数の増大現象(Oxidation Enhanced
Diffusion Effect)の変分に対して
も考慮した。酸化工程では線形酸化速度定数(Line
ar rate constant)及び放物線酸化速
度定数(paraboric rate consta
nt)も変化するのでこれも考慮した。これらを用いて
先のF′を作成する。
[Expression 94] δn i = n i (1.5 / T + 0.605 / kT 2 ) δT (1082) Further, changes in the internal electric field of impurities due to temperature can also be expressed using these. Furthermore, the phenomenon of increasing diffusion coefficient (oxidation enhanced) in an oxidizing atmosphere
The variation of (Diffusion Effect) was also considered. In the oxidation process, a linear oxidation rate constant (Line
ar rate constant and parabolic oxidation rate constant (parabolic rate constant).
nt) also changes, so this was also taken into consideration. These are used to create the previous F '.

【0205】ここで、ある典型的な拡散工程を取り上
げ、その1つの拡散時間における収束の様子を図27に
示す。図27の横軸は反復回数を示し、縦軸は残差を示
している。図27では、正常プロセスにおける収束状況
が示されている。正常プロセスでは、3回のNewto
n loopで収束していることがわかる。この収束時
のD,ψ,N等を用いて先に示した変分行列F′を作成
し、温度変分を計算する。図27に示すように、約50
回で収束し、全体の1/10の計算量で済んでいること
がわかる。
Here, a typical diffusion process is taken up, and the state of convergence in one diffusion time is shown in FIG. The horizontal axis of FIG. 27 shows the number of iterations, and the vertical axis shows the residual. FIG. 27 shows the convergence status in the normal process. In the normal process, 3 times Newto
It can be seen that it converges at n loop. The variation matrix F ′ shown above is created using D, ψ, N, etc. at the time of this convergence, and the temperature variation is calculated. As shown in FIG. 27, about 50
It can be seen that it converges in a single round and the calculation amount is 1/10 of the total.

【0206】また、図28、図29、図30は、変分の
精度を示す。図28は、正常プロセスとして1000℃
の時の不純物分布を2次元格子にわたって表現したもの
である。図29は、変動プロセスであって、δT=1℃
の場合で図28をもとに計算したものである。他方、図
30は、1001℃を正常プロセスとして打ち出したも
のである。
Further, FIGS. 28, 29 and 30 show the accuracy of variation. Fig. 28 shows 1000 ℃ as a normal process.
The distribution of impurities in the case of is expressed over a two-dimensional lattice. FIG. 29 shows a variation process, where δT = 1 ° C.
In this case, the calculation is based on FIG. On the other hand, FIG. 30 shows 1001 ° C. as a normal process.

【0207】これらの図から、図30の値=図28の値
+図29の値なる関係があることがわかる。また、改め
て図30の値をプロットしてみると、図31に示すよう
になり、高温にズレると高濃度側では不純物濃度が下が
る傾向にあり、低濃度側では増大する傾向にあることが
わかる。
From these figures, it can be seen that there is a relationship of the value of FIG. 30 = the value of FIG. 28 + the value of FIG. Further, when the values in FIG. 30 are plotted again, it becomes as shown in FIG. 31, and it can be seen that when the temperature shifts, the impurity concentration tends to decrease on the high concentration side and increases on the low concentration side. .

【0208】半導体素子を作成する場合、多くのプロセ
スがあり、各プロセスにおいては複数個のパラメータが
ある。例えば、CMOS工程では主なものだけでも、
(i)N−well領域へのイオン注入、(ii)P−w
ell領域へのイオン注入、(iii)LOCOS工程のた
めのSi34のパターニング、(iv)LOCOS工程、
(v)n+ イオン注入、(iv)p+ イオン注入、(vii)
アニール工程などからなる。プロセスの揺らぎを考える
場合、これらの数多くのパラメータの変動とその度数
(或は頻度)を取り扱う必要がある。
There are many processes for producing a semiconductor device, and each process has a plurality of parameters. For example, in the CMOS process
(I) Ion implantation into the N-well region, (ii) P-w
ion implantation into the well region, (iii) patterning of Si 3 N 4 for LOCOS process, (iv) LOCOS process,
(V) n + ion implantation, (iv) p + ion implantation, (vii)
It consists of an annealing process. When considering process fluctuations, it is necessary to deal with the fluctuations (or frequencies) of these numerous parameters.

【0209】特開昭63−174331号および特開平
3−164904号では、変分の度数と実行の組み合わ
せについて考えている。今、簡単のためにα,β,γの
3つの工程を考えてみる。それぞれにおいてプロセスパ
ラメータの中心値をC(Center)、正に変位した
値をU(Upper)、そして負に変位した値をL(L
ower)と名づけ、それらの度数を、特開昭63−1
74331号および特開平3−164904号から、図
32に示す様に定義してみた。
In JP-A-63-174331 and JP-A-3-164904, a combination of the frequency of variation and execution is considered. For the sake of simplicity, let's consider three processes of α, β and γ. In each case, the central value of the process parameter is C (Center), the positively displaced value is U (Upper), and the negatively displaced value is L (L).
and the frequency of those
The definition was made as shown in FIG. 32 from 74331 and JP-A-3-164904.

【0210】工程αとβとを考えた場合、組み合わせ
は、UUやLLなどの計算実行を無視すれば、CU,U
C,CC,LC,CLの5個の組み合わせが考えられ
る。さらにγのプロセスを引き続き経るときは、図中に
示した7つの組み合わせが考えられる。しかし、特開昭
63−174331号および特開平3−164904号
では、これらを全て取り扱うのではなく、UとLの対称
性を考慮し、Lの場合はUから計算するようにしてい
る。
Considering the steps α and β, the combination is CU, U if the calculation executions such as UU and LL are ignored.
Five combinations of C, CC, LC and CL are possible. When the process of γ is further continued, the seven combinations shown in the figure can be considered. However, in JP-A-63-174331 and JP-A-3-164904, not all of them are treated, but the symmetry of U and L is taken into consideration, and in the case of L, calculation is performed from U.

【0211】このシステムの中心部である推論エンジン
の探索の木の一部を、図33に示す。ここでは、酸化・
拡散工程について検討している。図中の“予”は、統計
解析システムによる予測値を示し“実”は、実測値を示
す。
FIG. 33 shows a part of the search tree of the inference engine, which is the central part of this system. Here, oxidation
We are considering the diffusion process. “Preliminary” in the figure indicates a predicted value by the statistical analysis system, and “actual” indicates an actual measured value.

【0212】このとき用いる許容値は、酸化・拡散・エ
ッチング等全工程を経た値である。このときε値は、2
次元プロセス統計解析システムを実行して得られるもの
である。“実”が“予”±εの外に出た場合は、図33
に示すように、酸化工程に異常があった旨記述する。こ
の場合、温度又は時間がどれだけズレていたかを必要に
応じて、統計解析システムのロードモジュールを実行さ
せる。上記検定は、酸化・拡散工程を中心に説明してい
るが、リソグラフィ工程についても行う。リソグラフィ
工程でのゆらぎはSiO2膜の形状の横ズレ、接合形状
の横ズレなどに相当する。
The allowable value used at this time is a value obtained through all the steps such as oxidation, diffusion and etching. At this time, the ε value is 2
It is obtained by executing the dimensional process statistical analysis system. If the “real” is out of the “pre” ± ε,
As shown in, describe that the oxidation process was abnormal. In this case, the load module of the statistical analysis system is executed depending on how much the temperature or time is deviated. Although the above-mentioned inspection mainly describes the oxidation / diffusion step, the lithography step is also performed. Fluctuations in the lithography process correspond to lateral deviation of the shape of the SiO 2 film, lateral deviation of the bonding shape, and the like.

【0213】推論エンジンには、Common Lis
pを用いているが、これは数値処理のみならず文章(L
ist)の処理、形状の処理に適していること、さらに
システムの保守が極めて簡単であるためである。本シス
テムは、推論エンジンから実測値のデータを読むだけで
はなく、統計解析システムのロードモジュールをも実行
している。
The reasoning engine is Common Lis.
Although p is used, this is not only for numerical processing but also for text (L
This is because it is suitable for the processing of ist) and the processing of shapes, and the maintenance of the system is extremely simple. This system not only reads the measured data from the inference engine, but also executes the load module of the statistical analysis system.

【0214】特開昭63−174331号および特開平
3−164904号に示すシミュレーションシステムに
よると、各工程における正常反復計算の収束時の行列の
係数を保存しておき、且つこれを用いて一次変分行列を
作成し、前記個々のプロセスパラメータの変動、及びこ
れらの重畳効果をも考慮することにより、従来の約1/
100の計算量で変動部分が処理できるようになった。
また、たとえばCommon Lispによる推論エン
ジンと上記システムを連動させることにより、プロセス
マージンさらにはプロセス異常の診断さらに最適化まで
出来ることがわかった。
According to the simulation systems disclosed in JP-A-63-174331 and JP-A-3-164904, the coefficient of the matrix at the time of convergence of the normal iterative calculation in each step is stored and the linear coefficient is used. By creating a sub-matrix and taking into account the fluctuations of the individual process parameters and the effect of their superposition, about
The variable part can be processed with a calculation amount of 100.
It was also found that, by linking the inference engine based on Common Lisp with the above system, for example, process margins, process abnormality diagnosis, and even optimization can be performed.

【0215】特開昭63−174331号および特開平
3−164904号では、基本拡散方程式は、各不純物
に対して下記式(1111)に示すように立てている。
In JP-A-63-174331 and JP-A-3-164904, the basic diffusion equation is established for each impurity as shown in the following equation (1111).

【0216】[0216]

【数95】 ここで、x,zは2次元空間の水平方向と鉛直(下向
き)方向の座標であり、tは時間を示し、Cは不純物濃
度、Nは電気的活性化不純物量である。またDは濃度依
存性と増速拡散効果を含む拡散係数であり、下記式(1
112)により表わすことが出来る。
[Equation 95] Here, x and z are coordinates in the horizontal and vertical (downward) directions of the two-dimensional space, t is time, C is an impurity concentration, and N is an electrically activated impurity amount. Further, D is a diffusion coefficient including concentration dependence and enhanced diffusion effect, and is represented by the following formula (1
112).

【0217】[0219]

【数96】 式中、Di は濃度に依存しない基本拡散係数であり、そ
の温度依存性は、下記式(1113)で表現される。
[Equation 96] In the formula, Di is a basic diffusion coefficient that does not depend on the concentration, and its temperature dependence is expressed by the following formula (1113).

【0218】 Di=BB・exp(−BA/kT) …(1113) BBとBAは不純物の種類による定数、kはボルツマン
定数である。FEはniを真性キャリア濃度として、下
記式(1121)で与えられる。
D i = BB · exp (−BA / kT) (1113) BB and BA are constants depending on the type of impurities, and k is a Boltzmann constant. FE is given by the following equation (1121), where ni is the intrinsic carrier concentration.

【0219】[0219]

【数97】 またnは1/2[(CD −CA )+(CD −CA2 +4
i 2 ]である。さらにni は、
(97) And n is 1/2 [(C D -C A) + (C D -C A) 2 +4
n i 2 ]. Furthermore, ni is

【数98】 ni=3.87×1016×T1.5×exp(−0.605/kT) …(1122) とした。N i = 3.87 × 10 16 × T 1.5 × exp (−0.605 / kT) (1122)

【0220】酸化膜成長速度は、放物性酸化速度定数R
1と線形酸化速度定数R2とを用いてそれぞれ下記式
(1123)、(1124)に示すように表現した。
The oxide film growth rate is a parabolic oxidation rate constant R
1 and the linear oxidation rate constant R2 were used to express as shown in the following equations (1123) and (1124), respectively.

【0221】 R1=PB3・exp(PB1/kT)…(1123) R2=PB4・exp(PB2/kT)…(1124) 上記放物性酸化速度定数をあらためてB、B/Aと記す
と、水平方向の座標xの点で、酸化膜厚をZo 、酸化時
間をt、τを定数として、下記式(1125)に示す関
係がある。
R1 = PB3 · exp (PB1 / kT) ... (1123) R2 = PB4 · exp (PB2 / kT) ... (1124) When the above parabolic oxidation rate constants are rewritten as B and B / A, At the point of coordinate x, there is a relation shown in the following formula (1125), where Zo is the oxide film thickness, t is the oxidation time, and τ is a constant.

【0222】 これらを用意しておき上記各係数の温度δTに対する変
分を求めてみる。
[0222] These are prepared and the variation of each coefficient with respect to the temperature δT is calculated.

【0223】δni =ni ・(1.5/T+0.605
/kT2 )δTとしてnの変分は、下記式(1131)
に示すようになる。
Δni = ni. (1.5 / T + 0.605
The variation of n as / kT2) δT is expressed by the following equation (1131)
It becomes as shown in.

【0224】[0224]

【数99】 また、下記式(1132)が成立する。[Equation 99] Further, the following formula (1132) is established.

【0225】[0225]

【数100】 成長係数の変分は、下記式(1133),(1134)
により表わされる。
[Equation 100] The variation of the growth coefficient is expressed by the following equations (1133) and (1134).
Is represented by

【0226】[0226]

【数101】 B=R1,A=R1/R2に書き改めると、下記式(1
141),(1142)に示すようになる。
[Equation 101] By rewriting B = R1 and A = R1 / R2, the following equation (1
141) and (1142).

【0227】[0227]

【数102】 そして、t+τの変分は、下記式(1143)のように
なる。
[Equation 102] Then, the variation of t + τ is expressed by the following equation (1143).

【0228】[0228]

【数103】 以上説明したシミュレーションシステムは、当時として
は画期的なものであった。しかし、最近のクラスタ化ツ
ールにおける工程制御やモニタ技術には、もはや使えな
くなっている。
[Equation 103] The simulation system described above was epoch-making at the time. However, it is no longer applicable to the process control and monitoring technology in recent clustering tools.

【0229】そこで本発明者等は、更に検討を重ね、本
件発明を完成するに至った。ここでは、ペロブスカイト
単結晶を用いた電界効果型MIS素子の強誘電体膜の最
適設計を行い、これに従い、実際に素子を試作し評価し
発明完成を確認した。
Therefore, the present inventors have conducted further studies and completed the present invention. Here, the ferroelectric film of the field effect type MIS device using the perovskite single crystal was optimally designed, and in accordance with this, the device was actually prototyped and evaluated to confirm the completion of the invention.

【0230】即ち、請求項11によって提供されるの
は、半導体単結晶基板上に電界効果型MIS素子を形成
するにあたり、該MIS素子の強誘電体膜を単結晶と
し、しかも、該半導体基板と該単結晶強誘電体膜を含む
系に於いて、対象特性を表現するabinitio分子
動力学理論に基ずいた評価関数を導入し、これにより所
望の主動作条件下での系の最適解に従った単結晶強誘電
体膜および基板の設計配置とすることを特徴とする電界
効果型MIS半導体装置の製造方法である。
That is, the eleventh aspect provides that in forming a field effect type MIS element on a semiconductor single crystal substrate, the ferroelectric film of the MIS element is a single crystal, and the semiconductor substrate is In a system including the single crystal ferroelectric film, an evaluation function based on ab initio molecular dynamics theory that expresses the target characteristic is introduced, and the optimum solution of the system under desired main operating conditions is thereby introduced. A method of manufacturing a field effect type MIS semiconductor device, characterized in that the single crystal ferroelectric film and the substrate are designed and arranged.

【0231】叉、請求項12によって提供されるのは、
半導体単結晶基板上に、電界効果型MIS素子を形成す
るにあたり、該MIS素子の強誘電体膜を単結晶とし、
しかも、該半導体基板と該単結晶強誘電体膜を含む系に
於いて、その系の対象特性を表現するabinitio
分子動力学理論に基ずいた評価関数として系全体の自由
エネルギを取り上げ、主動作条件下で自由エネルギが最
小になるように前記単結晶強誘電体膜を配置することを
特徴とする電界効果型MIS半導体装置の製造方法であ
る。
Also provided by claim 12 are:
When forming a field effect MIS element on a semiconductor single crystal substrate, the ferroelectric film of the MIS element is made of single crystal,
Moreover, in a system including the semiconductor substrate and the single crystal ferroelectric film, ab initio expressing the target characteristic of the system.
Taking the free energy of the whole system as an evaluation function based on the theory of molecular dynamics, the single crystal ferroelectric film is arranged so that the free energy is minimized under the main operating conditions. It is a method of manufacturing a MIS semiconductor device.

【0232】更に、請求項13によって提供されるの
は、Si半導体単結晶基板上に、電界効果型MIS素子
を形成するにあたり、該MIS素子のゲート絶縁酸化膜
を単結晶とし、しかも、該半導体基板と該単結晶強誘電
体膜を含む系に於いて、その系の対象特性を表現するa
binitio分子動力学理論に基ずいた評価関数とし
て系全体の自由エネルギを取り上げ、この自由エネルギ
が、主動作条件下で、最小になるように前記単結晶強誘
電体膜を配置することを特徴とする電界効果型SiMI
S半導体装置の製造方法である。
Further, according to a thirteenth aspect, in forming a field effect type MIS element on a Si semiconductor single crystal substrate, the gate insulating oxide film of the MIS element is made single crystal, and the semiconductor is In a system including a substrate and the single crystal ferroelectric film, a target characteristic of the system is expressed a
The free energy of the entire system is taken as an evaluation function based on the binitio molecular dynamics theory, and the single crystal ferroelectric film is arranged so that the free energy is minimized under the main operating condition. Field effect SiMI
This is a method for manufacturing an S semiconductor device.

【0233】更に、請求項14によって提供されるの
は、Si半導体単結晶基板上に、電界効果型MIS素子
を形成するにあたり、該MIS素子のゲート絶縁酸化膜
を単結晶とし、しかも、該半導体基板と該単結晶強誘電
体膜を含む系に於いて、その系の対象特性を表現するa
binitio分子動力学理論に基ずいた評価関数とし
て系全体の自由エネルギを取り上げ、この自由エネルギ
が、主動作条件下で最小になるように前記単結晶強誘電
体膜を配置するとともに、その単結晶強誘電体膜の酸素
欠陥濃度を0.01%以下に抑えたことを特徴とする電
界効果型SiMIS半導体装置の製造方法である。
Further, according to a fourteenth aspect, in forming a field effect type MIS element on a Si semiconductor single crystal substrate, the gate insulating oxide film of the MIS element is a single crystal, and the semiconductor is In a system including a substrate and the single crystal ferroelectric film, a target characteristic of the system is expressed a
Taking the free energy of the entire system as an evaluation function based on the binitio molecular dynamics theory, the single crystal ferroelectric film is arranged so that the free energy is minimized under the main operating conditions, and the single crystal A method of manufacturing a field effect type SiMIS semiconductor device, characterized in that the concentration of oxygen defects in a ferroelectric film is suppressed to 0.01% or less.

【0234】更に、請求項15によって提供されるの
は、Si半導体単結晶基板上に、電界効果型MIS素子
を形成するにあたり、該MIS素子のゲート絶縁酸化膜
を単結晶とし、しかも、該半導体基板と該単結晶強誘電
体膜を含む系に於いて、その系の対象特性を表現するa
binitio分子動力学理論に基ずいた評価関数とし
て系全体の自由エネルギを取り上げ、この系の自由エネ
ルギが、主動作条件下で最小になるように前記単結晶強
誘電体膜を配置するとともに、特に局所的なエネルギの
凸凹が偏差値3σ以内に納め、その単結晶強誘電体膜の
酸素欠陥濃度を0.01%以下に抑えたことを特徴とす
る電界効果型SiMIS半導体装置の製造方法である。
Further, the present invention provides that in forming a field effect MIS element on a Si semiconductor single crystal substrate, the gate insulating oxide film of the MIS element is made of single crystal, and the semiconductor is In a system including a substrate and the single crystal ferroelectric film, a target characteristic of the system is expressed a
Taking the free energy of the whole system as an evaluation function based on the binitio molecular dynamics theory, and arranging the single crystal ferroelectric film so that the free energy of this system is minimized under the main operating conditions, A method for manufacturing a field effect type SiMIS semiconductor device, characterized in that the local unevenness of energy is set within a deviation value 3σ, and the oxygen defect concentration of the single crystal ferroelectric film is suppressed to 0.01% or less. .

【0235】以下にこれらの最適化手順ならびに、試作
結果を記す。
The optimization procedure and trial production results will be described below.

【0236】ここでは、単結晶強誘電体膜として、例え
ばPZT系ペロブスカイトを例に取り、またSi表面を
例えば(100)面とした。この基板面は例えば金属電
極としてFCC構造のCuでも良い。一番重要な問題
は、単結晶強誘電体膜PZT系ペロブスカイトとSi
(100)面とをどのような結晶位置関係に配置すれば
良いかという問題に置き換えられる。ここでは、本発明
の骨子である評価関数として系の全エネルギを取り上げ
た。しかも、この系としては、Si/PZT界面を取り
上げた。本発明者等は厳密な評価関数としてのエネルギ
表現式を予め作成しておき、これを用いることにより、
印加条件下でのPZTとしてのペロブスカイトと、Si
(100)の位置関係は以下の様にするのが最適である
ことを見い出した。即ち、ペロブスカイトのC4v構造
表現のa1軸とa2軸のなす角の中線を、Si(10
0)面上の[110]軸方向に合わせ、且つc軸を傾
け、第1Siと第3Si位置をSi(100)面上のS
iに一致させることが最適値であることを見い出した。
またこの時、PZT中には0.01%以内の酸素欠損が
許容範囲であることも同時に示した。この様に作成した
本発明の提案する概念図を図34に示した。
Here, as the single crystal ferroelectric film, for example, PZT-based perovskite is taken as an example, and the Si surface is, for example, the (100) plane. This substrate surface may be, for example, Cu having an FCC structure as a metal electrode. The most important problem is the single crystal ferroelectric film PZT-based perovskite and Si.
It can be replaced by the question of what kind of crystal positional relationship should be placed with the (100) plane. Here, the total energy of the system is taken as the evaluation function which is the essence of the present invention. Moreover, the Si / PZT interface was taken as this system. The present inventors previously created an energy expression formula as a strict evaluation function, and by using this,
Perovskite as PZT under applied conditions, and Si
It has been found that the positional relationship of (100) is optimally set as follows. That is, the midline of the angle between the a1 axis and the a2 axis in the perovskite C4v structure representation is Si (10
0) plane to the [110] axis direction and the c-axis is tilted so that the positions of the first Si and the third Si are S on the Si (100) plane.
It has been found that matching i is the optimal value.
At the same time, it was also shown that oxygen deficiency within 0.01% in PZT was within the allowable range. FIG. 34 shows a conceptual diagram of the present invention thus prepared.

【0237】図34に付いて詳細に説明する。図34a
の上半分は、Si側の単一格子の平面図を示しており、
下半分はPZT面のスケッチである。また、図34c
は、[110]Si方向に対して、ペロブスカイトを結
ぶ線を並行に配置させるのが最も良いと指摘している。
この時、後で詳細は説明するが、シリコンと結ぶ直線が
[110]Siに平行になる為には、ペロブスカイトの
C軸が傾く必要がある。こうすることによって、本発明
者らの計算によれば、単に,ペロブスカイトとSiを結
ぶ線を並行に配置させて、C軸を傾けない場合にくら
べ、全エネルギがさらに10%低下することをも見い出
した。この上で更に、実際素子への利用を考え、PZT
中に0.01%以内までで有れば、充分単結晶ペロブス
カイトの本来の特徴を示す事を見い出した。
Details will be described with reference to FIG. Figure 34a
The upper half shows a top view of a single lattice on the Si side,
The lower half is a sketch of the PZT plane. Also, FIG. 34c
Point out that it is best to arrange the lines connecting the perovskites in parallel with the [110] Si direction.
At this time, as will be described later in detail, in order for the straight line connecting with silicon to be parallel to [110] Si, the C axis of the perovskite needs to be inclined. By doing so, according to the calculation by the present inventors, it is possible that the total energy is further reduced by 10% as compared with the case where the lines connecting the perovskite and Si are simply arranged in parallel and the C axis is not tilted. I found it. On top of this, PZT
It has been found that if the content is within 0.01%, the original characteristics of the single crystal perovskite are sufficiently exhibited.

【0238】ここで指摘する界面エネルギの問題は以下
に説明するように、素子特性には多々影響を及ぼすもの
である。強誘電体膜と基板とが形成する界面に発生する
不整合によるエネルギは、不対原子を形成しやすくし、
これにより、界面準位の形成を助長することになる。こ
の界面準位は、伝導現象の妨げや、信頼性の低下につな
がる。また膜中においても、異常ホ゛ント゛等の欠陥がで
き、準位になる可能性をはらんでいる。ここでは、これ
らの欠陥の許容範囲を初めて示すものである。
The problem of interface energy pointed out here has many influences on device characteristics, as will be described below. Energy due to the mismatch generated at the interface between the ferroelectric film and the substrate facilitates the formation of unpaired atoms,
This promotes the formation of interface states. This interface state hinders the conduction phenomenon and reduces reliability. In addition, defects such as abnormal bands are formed in the film, and there is a possibility of becoming a level. Here, the allowable range of these defects is shown for the first time.

【0239】本発明によって作成した、MIS特性と従
来例との比較をも行った。ここでは、特に界面準位を効
果的に評価できるものとして、CV法を用いた。本発明
による特性には、データのばらつきも正確に示した。本
発明によった場合、その界面準位に値は従来例に比べ、
約1/10に低下していることがわかる。また本発明に
よるMIS素子の移動度も同一電界状況下で評価すると
約12%の向上が見られた。また信頼性も向上した。
Comparison was also made between the MIS characteristics produced by the present invention and the conventional example. Here, in particular, the CV method is used as a method capable of effectively evaluating the interface state. The characteristics according to the invention also accurately show the variation of the data. According to the present invention, the value of the interface state is lower than that of the conventional example.
It can be seen that it has decreased to about 1/10. Further, the mobility of the MIS element according to the present invention was improved by about 12% when evaluated under the same electric field condition. Also, the reliability has been improved.

【0240】本発明者等は今までにない新しい軸関係を
発明するに至った手順をさらに詳しく説明する。図35
が本発明者等が作成した、全く新しい厳密abinit
io/分子動力学シミュレータの構造図である。図36
の上半分は、abinitioの部分で、下半分は分子
動力学シミュレータの部分である。このシミュレータを
用いて、初めて、発明者らは、例えば ペロブスカイト
の構造が如何なるものかを示した。図37が、本発明者
らが、初めて厳密な構造を示すことができた、ペロブス
カイトの透視図である。図中の大きい玉は酸素を示し、
小さい玉は、Pbを示している。ここでZ軸はペロブス
カイトのC軸を示しており、図でわかる様に、ペロブス
カイトのどの面とSiのどの面が巧く接合するかは、こ
の様に複雑な面であるので、極めて推測は困難であるこ
とが良く分かる。
The present inventors will explain in more detail the procedure that led to the invention of a new axial relationship that has never existed before. FIG.
Is a completely new strict abinit created by the inventors
It is a structural diagram of io / molecular dynamics simulator. Fig. 36
The upper half is the abinitio part and the lower half is the part of the molecular dynamics simulator. For the first time using this simulator, the inventors have shown what the structure of, for example, a perovskite looks like. FIG. 37 is a perspective view of a perovskite for which the present inventors were able to show a strict structure for the first time. The large balls in the figure indicate oxygen,
The small balls indicate Pb. Here, the Z axis indicates the C axis of the perovskite, and as can be seen from the figure, which surface of the perovskite and which surface of Si are skillfully joined is such a complicated surface that it is extremely inferred. I understand that it is difficult.

【0241】また、上記の分子動力学シミュレータの精
度チェックとして、酸化膜に着目し、分光データの対比
作業を進めた。即ち、時々刻々のSi原子や酸素原子の
位置等から、O-Si-OやSi-O-Siの、ロッキンモードやス
トレッチングモード等を読みとり、これらの数値から固
有周波数を求めた。これと実測値とを比べたところ、そ
れぞれ、440cm−1と1100cm−1に対し、490cm−1及び
1111cm−1であり、妥当な範囲である。また圧力を印加
した場合、O-Si-Oモードの強度が増大することも実測値
と良く一致していることが分かった。
As an accuracy check of the above molecular dynamics simulator, attention was paid to the oxide film, and the work of comparing the spectroscopic data was advanced. That is, the rocking mode, stretching mode, etc. of O-Si-O and Si-O-Si were read from the positions of Si atoms and oxygen atoms at every moment, and the natural frequency was calculated from these values. Comparing this with the measured value, 490 cm-1 and 440 cm-1 and 1100 cm-1, respectively.
It is 1111 cm-1, which is a reasonable range. It was also found that the strength of the O-Si-O mode increases when pressure is applied, which is in good agreement with the measured value.

【0242】これらの検証作業をもすすめながら、本発
明者らは、PZTに非常に大きな圧縮応力を印加した場
合についても計算してみた。界面としては、この様な構
造をとったほうが、全エネルギの利得があることもわか
った。
While proceeding with these verification works, the present inventors also calculated the case where a very large compressive stress was applied to PZT. It was also found that the interface having such a structure has a gain of total energy.

【0243】計算に使った領域等について若干詳しく論
じてみる。計算ではSi基板側に、深さ方向に数十原子
層をとり、また、表面での奥行き方向に数十原子層をと
り、また、左右方向にも数十原子層をとり、計算領域を
とった。またペロブスカイトにおいても、縦横高さをそ
れぞれ数十原子層ずつとった。
The areas used for the calculation will be discussed in some detail. In the calculation, tens of atomic layers are taken in the depth direction on the Si substrate side, tens of atomic layers are taken in the depth direction on the surface, and tens of atomic layers are taken in the left-right direction, and the calculation area is taken. It was Also in the perovskite, the vertical and horizontal heights are several tens of atomic layers each.

【0244】今までにない手法で、新しい、位置関係を
見いだせたのは、この方法で摘めている。本発明者ら
は、強誘電体膜及びSi単結晶を含む領域に対して、厳
密なイオン結合ポテンシャルの厳密積算式を開発した。
従来の手法では、厳密性に欠け、特に系のエネルギを正
確に求めることが出来なかった。本発明者はこの明細書
のなかで従来の欠点や不正確な場所に付いて順次明らか
にして行く。
It is this method that allows us to find a new positional relationship with a method that has never existed before. The present inventors have developed a strict integration formula of ionic bond potential for a region including a ferroelectric film and a Si single crystal.
The conventional method lacks rigor and cannot accurately determine the energy of the system. The present inventor will sequentially clarify the conventional defects and inaccurate places in this specification.

【0245】本発明者によると、以下のように説明でき
る。本発明者らは、従来にない新しいシミュレータを構
築し、一例として、強誘電体膜の単結晶、具体的にはペ
ロブスカイトについて計算を行った。
According to the present inventor, the following can be explained. The present inventors constructed a new simulator which has never existed in the past and, as an example, calculated a single crystal of a ferroelectric film, specifically, perovskite.

【0246】以下に、本発明者が作成した、シミュレー
タについても従来との比較をしながら、若干説明を加え
る。たとえば、まず、酸化膜について述べてみる。Si
−O間、O−O間、Si−Si間の3種類のポテンシャ
ルを厳密に表現しなければならない。Si−O間とO−
O間、Si−Si間のtotalのポテンシャルは実際はす
こぶる難しく、3種とも距離rの項により積算量は、無
限大に発散することになる。また計算自体もクーロンポ
テンシャルは遠くまで裾を引くので打ち切ることができ
ず、少し厳密な計算では従来の手法ではEwaldの方法を
使っていた。しかし、後述するが、計算に厳密性を欠い
ている。
The simulator created by the inventor of the present invention will be described below in comparison with the conventional one. For example, first, let us describe the oxide film. Si
Three types of potentials between -O, between O-O, and between Si-Si must be expressed exactly. Between Si-O and O-
Actually, the total potential between O and between Si and Si is extremely difficult, and the cumulative amount of all three types diverges infinitely due to the term of the distance r. In addition, the calculation itself cannot be terminated because the Coulomb potential skirts far, and in the slightly more exact calculation, the conventional method used Ewald's method. However, as will be described later, the calculation lacks rigor.

【0247】実際に配置するに当たり本発明者らが用い
た手法を以下に示す。ここでは、本発明者らが初めて作
成したシミュレータを以下に示す。
The method used by the present inventors for actual placement is shown below. Here, the simulator that the present inventors have created for the first time is shown below.

【0248】本発明者らは、鋭意検討し、計算物理学に
則りながらも、新しい独自のabinitio分子動力
学システムを構築した。この新しいシステムがあったか
らこそ、新しい試みが可能になった訳である。以下に本
発明者等が作成したものを詳解する。
The present inventors have diligently studied and constructed a new unique ab initio molecular dynamics system in accordance with computational physics. This new system made it possible to make new attempts. The details created by the present inventors will be described below.

【0249】ここではSiO2を例に採っているが、他
のものについては、単に元素の番号等を入れ換えるだけ
で使用できることも確認した。
Although SiO 2 is used as an example here, it was also confirmed that other materials can be used by simply replacing the element numbers and the like.

【0250】本発明者等が提案した新しいシミュレータ
の全体構成を図38に記す。分子動力学部分(MD)と
密度汎関数(DFT)とを合成した新しい手法を提案し
た。まず本発明者らによる分子動力学法と密度汎関数法
との使い分けを図39を用いながら以下に示す。
FIG. 38 shows the overall configuration of the new simulator proposed by the present inventors. We proposed a new method that synthesizes the molecular dynamics part (MD) and the density functional theory (DFT). First, the use of the molecular dynamics method and the density functional method by the present inventors will be shown below with reference to FIG.

【0251】図36に示す様に、分子動力学(MD)部
分はフローチャートの下半分を占め、密度汎関数部分
(DFT)は上半分を占めている。分子動力学法は零K
でない所謂有限温度でのやや大きな系を扱い、原子(イ
オン)間のポテンシャルには、予め第一原理から求めた
ポテンシャルを用いる。他方、密度汎関数(DFT)
は、小さな系の基底状態を求める時に使うことにした。
そして、当然DFTの部分は温度は零Kとした。ポテン
シャル部分は、電子系の基底状態から求めた。具体的に
は波動関数(KS方程式)を解き、局所密度汎関数を併
用した。
As shown in FIG. 36, the molecular dynamics (MD) part occupies the lower half of the flowchart, and the density functional part (DFT) occupies the upper half. Molecular dynamics method is zero K
It deals with a rather large system at a so-called finite temperature, and uses the potential obtained in advance from the first principle as the potential between atoms (ions). On the other hand, density functional (DFT)
Was used to find the ground state of a small system.
And, naturally, the temperature of the DFT portion was set to 0K. The potential part was obtained from the ground state of the electronic system. Specifically, the wave function (KS equation) was solved and the local density functional was used together.

【0252】本発明者等によるシミュレータの計算手続
きを実際にSiとOを例にとり説明してみる。DFT部
分で、縮重のない電子系の基底状態の全エネルギを求め
て置
The calculation procedure of the simulator by the present inventors will be described by taking Si and O as an example. In the DFT part, the total energy of the ground state of the electron system without degeneracy is calculated and set.

【外1】 ]である。[Outside 1] ].

【0253】即ちThat is,

【数104】 [Equation 104]

【外2】 ン相互作用エネルギー、第3項は、電子の1体近似を想
定して、電子間相互作用のない時の運動エネルギーであ
り、
[Outside 2] Interaction energy, the third term is the kinetic energy when there is no electron-electron interaction, assuming the one-body approximation of electrons,

【数105】 と書かれる。第4項は交換相関エネルギーで、その形は
局所密度近似による。電
[Equation 105] Is written. The fourth term is the exchange-correlation energy, whose shape depends on the local density approximation. Electric

【外3】 [Outside 3]

【数106】 [Equation 106]

【外4】 方程式(Kohn-Sham equation)[Outside 4] Equation (Kohn-Sham equation)

【数107】 [Equation 107]

【外5】 を自己無撞着(self-consistant) に解かなければならな
い。
[Outside 5] Must be self-consistant.

【0254】[0254]

【外6】 ルギーεxc(n)に電子密度nを掛けて積分して、[Outside 6] Multiply the electron density n by the rugged ε xc (n) and integrate,

【数108】 とした。εxc(n)の形はWigner他の式など、いろいろ提
案されている。さらに、
[Equation 108] And Various forms of ε xc (n) have been proposed such as the formula of Wigner et al. further,

【外7】 のクーロン場をそのまま使うのでなく、核の位置での特
異性を消したノルム保存擬ポテンシャルでおきかえる。
このようにならすことによって、フーリエ展開での成分
の個数をおさえることができた。
[Outside 7] Instead of using the Coulomb field of as it is, we replace it with a norm-conserving pseudopotential that eliminates the singularity at the nuclear position.
By smoothing in this way, the number of components in the Fourier expansion could be suppressed.

【0255】全エネルギーとして、本発明者等は厳密を
期するため、原子(イオン)間のクーロン・ポテンシャ
ルも含むものを使う。即ち、
As the total energy, the present inventors use those including Coulomb potential between atoms (ions) for the sake of strictness. That is,

【数109】 (Equation 109)

【外8】 ε など)。式(2071)から右辺第1項はDFT
の式(2065)から右
[Outside 8] e.g.). From the equation (2071), the first term on the right side is the DFT.
From equation (2065) to the right

【外9】 である。その部分はDFTの場合と同様に1体近似の式
(2065)からVeff
[Outside 9] It is. Similar to the case of DFT, that part is calculated from the one-body approximation formula (2065) by Veff

【外10】 ここで新しい考え方を入れた。Eをポテンシャル・エネ
ルギーと見なして、他に仮想的な運動エネルギー
[Outside 10] I put a new idea here. Considering E as potential energy, other virtual kinetic energy

【数110】 を導入する。従ってラグランジアンは L=K−E …(2073) 式(2073)中のMIは本当の原子(イオン)の質量
だがμ、μ は仮想的な質量であり、後述のように目的
に応じて変えた。束縛条件として正規直交条件
[Equation 110] Is introduced. Therefore, Lagrangian is L = KE (2073) M I in equation (2073) is the mass of a real atom (ion), but μ and μ are virtual masses, and can be changed according to the purpose as described later. It was Orthonormal condition as a constraint condition

【数111】 を課するから、オイラー方程式を作る時に未定乗数Λik
を導入して、Lに
(Equation 111) Therefore, when making the Euler equation, the undetermined multiplier Λ ik
Is introduced to L

【数112】 を加えたものの変分をとる。その結果[Equation 112] Take the variation of what is added. as a result

【数113】 式(2073)の運動エネルギーの温度Tが対応する。
古典統計力学のエネルギー等分配則によって各自由度が
温度を持っているのだから、Σ1/2MII 2との関係でい
えば仮想的でなく現実の温度である。またμ、μ の大
小によってνiνを抑制したり増強したりできる。
[Equation 113] The temperature T of the kinetic energy in equation (2073) corresponds.
Because of the degree of freedom has a temperature by classical statistical mechanics of energy such as distribution law, it is a real temperature not virtually speaking in relation to the Σ1 / 2M I R I 2. Further, ν i ν can be suppressed or enhanced depending on the magnitudes of μ and μ.

【0256】例えば、μ MIとして高温からT→0と
すれば、RIをとめたままψiが変化して電子系の基底状
態を得る。この時式(2076)の左辺が0になり、右
辺は式(2071)とその下の注意により
For example, if μ → M I is changed from high temperature to T → 0, ψ i is changed while R I is stopped and the ground state of the electronic system is obtained. At this time, the left side of equation (2076) becomes 0, and the right side of equation (2071) is

【数114】 となるからψiの線形結合を適当に作る{Λik}が対角
線化されてKS方程式(2064)を得る。つまりDF
TでKS方程式を解いたのと同じ結果をsimulated anne
aling で得たことになる。ただし、温度Tの状態を作る
のに、モンテカルロ法によらず、仮想的な力学系の運動
を追っているから、dynamical simulatedannealing(DS
A)と呼ばれる。
[Equation 114] Therefore,ik } that appropriately forms a linear combination of ψ i is diagonalized to obtain the KS equation (2064). That is, DF
The same result as solving the KS equation in T is simulated anneal
You got it with aling. However, the dynamical simulation annealing (DS) is performed because the motion of the virtual dynamical system is followed regardless of the Monte Carlo method to create the temperature T state.
Called A).

【0257】式(2076)の積分をする時、必ずしも
ψiをそのまま変数として扱うのでなく、それを平面波
で展開した展開係数(つまりフーリエ係数)を変数とし
て扱うことができる。この展開係数の個数をむやみにふ
やさないためには、DFTの場合と同様に擬ポテンシャ
ルで核の位置での特異性を消しておくことが必要であ
る。特に結晶の周期性を利用できるときには、上記の
{Λik}を対角線化するψiの線形結合をφnkと記す。
kはブリユアン帯域内の波数ベクトル、nは帯域インデ
クス。
When integrating the equation (2076), it is not always necessary to treat ψ i as a variable as it is, but it is possible to treat a expansion coefficient (that is, a Fourier coefficient) obtained by expanding it with a plane wave as a variable. In order to prevent the number of expansion coefficients from unnecessarily increasing, it is necessary to eliminate the singularity at the nucleus position by pseudopotential as in the case of DFT. In particular, when the periodicity of crystals can be used, the linear combination of ψ i that makes {Λ ik } diagonal is described as φ nk .
k is a wave number vector in the Brillouin band, and n is a band index.

【0258】φnkΦ nk is

【数115】 を満たすはずである。λnkは行列{Λik}の固有値であ
り、エネルギー準位である。φnk(n、t)を展開して
[Equation 115] Should meet. λ nk is an eigenvalue of the matrix {Λ ik } and is an energy level. Expand φ nk (n, t)

【数116】 [Equation 116]

【外11】 満たされない)有効ポテンシャルVeffも展開して[Outside 11] (Not satisfied) also develop the effective potential V eff

【数117】 式(2075)と式(2076)を式(2074)に代
入して
[Expression 117] Substituting equation (2075) and equation (2076) into equation (2074)

【数118】 [Equation 118]

【外12】 共通になるから外して[Outside 12] Remove it because it will be common

【数119】 を得る。この式は振動部分の積分を解析的にすましてい
るから、純粋に数値的な方法よりもΔtを大きくして、
計算量を減少することが出来る。
[Equation 119] Get. Since this formula analytically integrates the vibration part, Δt is set larger than that of the purely numerical method.
The amount of calculation can be reduced.

【0259】クーロンポテンシャルは、以下の様にな
る。本発明者は分解してゆくと4項に分かれる事を見い
出した。特に従来は3項しかなかったが、新しく第4項
があることを確認した。これらの方法を順次しるす。こ
れらは以下に示す様に、本発明者らは、まず厳密な式の
出発として、誘電率を加味した基本式から解き始めた。
まず基本式である。
The Coulomb potential is as follows. The present inventor has found that when it is disassembled, it is divided into four sections. In particular, it was confirmed that there was a new fourth term, although there were only three terms in the past. These methods will be sequentially described. As shown below, the present inventors first started to solve the strict equation by using a basic equation in which the dielectric constant is taken into consideration.
First is the basic formula.

【0260】[0260]

【数120】 導体ε=∞と真空ε=1の場合とでクーロンポテンシャ
ルが異なり、Lは(立方体の)単位結晶の一稜、Σは単
位結晶内でとり、Zi、酸素i第i粒子の荷電と位置で
ある。これは球内の荷電によって球の内面に分極が生じ
ることによる。導体でない球の内面に双極子の層が出来
るが、上記式の最終項がちょうどその効果を打ち消す働
きをする。Ewaldの方法は左辺、ε=∞のものを与える
から、真空内の値を求めるには上記式の最終項を加えな
ければいけない。結果だけ掲げる。この部分でも従来の
導出はしばしば誤りがある。
[Equation 120] The Coulomb potential is different between the conductor ε = ∞ and the vacuum ε = 1, L is one edge of the (cubic) unit crystal, Σ is in the unit crystal, and Zi, oxygen i and the charge and position of the i-th particle. is there. This is because the charge inside the sphere causes polarization on the inner surface of the sphere. There is a layer of dipoles on the inner surface of the sphere that is not a conductor, but the last term in the above equation just works to counteract that effect. Since Ewald's method gives the one on the left side with ε = ∞, the last term of the above equation must be added to obtain the value in the vacuum. Only the results are listed. Even in this part, the conventional derivation is often incorrect.

【0261】クーロン・ポテンシャルをCoulomb potential

【数121】 [Equation 121]

【外13】 、以下のように設定した。[Outside 13] , And set as follows.

【0262】[0262]

【数122】 と表される。ここに、nx,ny,nzがそれぞれx,
y,z方向の稜のベクトルで、nx,ny,nzはそれぞ
れ(バルク結晶の場合)−∞から+∞にわたる整数であ
る。Σ′の´はn=oの時のj=iを除くことを意味するも
のとする。
[Equation 122] It is expressed as Where n x , n y , and nz are x,
y, a vector in the z direction of the ridge, n x, n y, (when the bulk crystal) n z are each an integer ranging + ∞ from -∞. The Σ ′ 'means that j = i is excluded when n = o.

【0263】ここで新しいF関数を導入して、Here, by introducing a new F function,

【数123】 [Equation 123]

【外14】 を見い出した。[Outside 14] Found out.

【0264】これを本発明者等はさらに下の様に変形し
て、
The present inventors further modified this as follows,

【数124】 指数mx,my,mzはそれぞれ−∞から∞にわたる整数
である。 = の時は、
[Equation 124] The indices m x , m y , and m z are integers ranging from −∞ to ∞, respectively. When =,

【外15】 [Outside 15]

【数125】 [Equation 125]

【外16】 [Outside 16]

【数126】 を使った。[Equation 126] I used.

【0265】これにより、始めのクーロンポテンシャル
は、
Accordingly, the initial Coulomb potential is

【数127】 [Equation 127]

【外17】 [Outside 17]

【数128】 これは を含まないから力には関係ない。さらに次ぎの
ように変形できる。
[Equation 128] This does not include force because it does not include. It can be further transformed as follows.

【0266】[0266]

【数129】 今までの結果をまとめて、クーロン・ポテンシャルは、
結局、
[Equation 129] Summarizing the results so far, Coulomb potential is
After all,

【数130】 [Equation 130]

【外18】 /Lx,0,0)+my(0,1/Ly,0)+mz(0,0,1/Lz)である。上記の
表現の具合のいい点は、もとのΣの項が逆数のオーダー
でしか減衰しないのに対して、Φ(1)ではΣの項がer
fcの因子によって、Φ(2)ではΣの項がexpの因子に
よって、急速に減衰することである。Φ(3)での減衰
との遅速に逆向きに効くから、両者のバランスがとれる
ような適当なκを選ぶ。距離の近いところから順にクー
ロン力の寄与を計算した結果であり、しかも周囲が導体
である場合の結果である。周囲が真空である場合によれ
ばもう1項が加わる。これが特に従来省みられなかった
部分である。
[Outside 18] / L x , 0,0) + m y (0,1 / L y , 0) + m z (0,0,1 / L z ). The good point of the above expression is that the original Σ term attenuates only in the order of reciprocal, whereas in Φ (1), the Σ term is er.
The factor of fc is that the term of Σ in Φ (2) is rapidly attenuated by the factor of exp. Since it works in the opposite direction against the slowdown with Φ (3), select an appropriate κ that balances both. This is the result of calculating the contribution of the Coulomb force in the order of closer distance, and the result when the periphery is a conductor. Another term is added if the environment is vacuum. This is a part that has not been particularly omitted.

【0267】本発明者等が作成した回転点群を図40を
用いて以下に示す。Si原子を半径rの球の中心(0,0,0)
に置き、球面上正四面体の頂点の位置に4個の酸素原子
を置く。C原子の位置は、オイラー角(θ、φ)で指定で
きる。それを(x,y,z)座標で表すには、北極に向かうベ
クトル(0、0、γ)に対して、まずy軸まわりθの回転、つ
いでz軸まわりφの回転をしてやればよい。
The rotation point group created by the present inventors is shown below with reference to FIG. The Si atom is the center of the sphere of radius r (0,0,0)
, And place four oxygen atoms at the vertices of the tetrahedron on the sphere. The position of the C atom can be specified by the Euler angle (θ, φ). To express it in the (x, y, z) coordinates, the vector (0, 0, γ) toward the North Pole should first be rotated about the y axis by θ and then about the z axis by φ.

【0268】その回転行列は、The rotation matrix is

【数131】 ここで、4個の酸素原子のうち1つを北極(0、*)に置いた
時、しかもφは不定で*としておくと、他の3つの酸素
原子の位置は、未定の角ψによって、それぞれ、(109°
28´,ψ)、(109°28´,ψ+120°),(109°28´,ψ+240
°)と表される。従って、それらの(x,y,z)座標は、式
(2061)で、cosθ=-1/3、sinθ=2√(2)/3、そして
φをそれぞれψ、ψ+120°、ψ+240°としたものを、t
(0,0,r)に作用させて、
[Equation 131] Here, when one of the four oxygen atoms is placed at the North Pole (0, *), and φ is indefinite, the positions of the other three oxygen atoms are determined by the undetermined angle ψ, Each ((109 °
28 ', ψ), (109 ° 28', ψ + 120 °), (109 ° 28 ', ψ + 240
°). Therefore, their (x, y, z) coordinates are cos θ = −1 / 3, sin θ = 2√ (2) / 3, and φ are ψ, ψ + 120 °, ψ +, respectively, in the equation (2061). 240 ° is t
Acting on (0,0, r),

【数132】 となる。北極を指していた第1の酸素原子を(θ、φ)の
向きにするには、式(2061)のR(φ、θ)をそのま
ま作用させればよい。その結果、本発明者等は以下のよ
うに求めた。4個の酸素原子の(x,y,z)座標は、
(Equation 132) Becomes In order to orient the first oxygen atom pointing to the North Pole in (θ, φ), R (φ, θ) in the equation (2061) can be applied as it is. As a result, the present inventors made the following determination. The (x, y, z) coordinates of four oxygen atoms are

【数133】 となる。単位格子内の4個のSi原子の(x,y,z)座標をパ
ラメタa,b,cで表す。図40と照合すると、2aが縦方
向、横方向に共通の周期である。
[Equation 133] Becomes The (x, y, z) coordinates of four Si atoms in the unit cell are represented by parameters a, b, and c. When compared with FIG. 40, 2a is a cycle common to the vertical and horizontal directions.

【0269】 I ( 0, 0, 0) II ( a, b, c) III(a-b,a+b, 2c) IV ( -b, a, 3c) V ( 0, 0, 4c) すなわち、第1原子を原点におき、z座標が一定値cず
つ上り、(x,y)面に正射影すると、I 、II、III、IVで正
方形をなしている。第5原子は次の単位格子の第1原子で
z座標が4cふえて、第1原子の真上にある。各Si原子
に属する4個の酸素原子の配置は、Si原子に相対的な
配置がz軸まわりに90°ずつ回転して行く。それに上述
のようなSi原子の移動が加算される。第1Si原子周
囲の4個の酸素原子の(x,y,z)座標は式(2061)をそ
のまま使えばよく、第2、第3、第4Si原子の周囲の
酸素原子の(x,y,z)座標は、第1原子周囲の酸素原子に
対して、それぞれ R(0, 90°)の回転 と( a, b, c)の平行移動 R(0,180°)の回転 と(a-b,a+b, 2c)の平行移動 R(0,270°)の回転 と( -b, a, 3c)の平行移動 を作用させれば得られる。
I (0, 0, 0) II (a, b, c) III (ab, a + b, 2c) IV (-b, a, 3c) V (0, 0, 4c) That is, the first When the atom is placed at the origin and the z coordinate rises by a constant value c and is orthographically projected on the (x, y) plane, I, II, III, and IV form a square. The 5th atom is the 1st atom of the following unit cell and has a z coordinate of 4c, which is directly above the 1st atom. The arrangement of four oxygen atoms belonging to each Si atom is such that the relative arrangement to the Si atom rotates by 90 ° around the z axis. The movement of Si atoms as described above is added to it. For the (x, y, z) coordinates of the four oxygen atoms around the first Si atom, the equation (2061) may be used as it is, and the (x, y, z,) of the oxygen atoms around the second, third, and fourth Si atoms may be used. The z) coordinate is the rotation of R (0, 90 °) and the translation of (a, b, c) with respect to the oxygen atom around the first atom, the rotation of R (0, 180 °) and (ab, a + b, 2c) translation R (0,270 °) rotation and (-b, a, 3c) translation can be obtained.

【0270】その他に、I II1とIII2、II III1とIV2、I
II IV1とV2の組がそれぞれ同一の酸素原子であるが、こ
れらは(当然のことだが)上と同じ関係式を与える。酸
素原子I1とII4は、横方向に1周期分2aだけずれてい
る。
In addition, I II1 and III2, II III1 and IV2, I
II IV1 and V2 pairs are the same oxygen atom, respectively, but these give (of course) the same relations as above. The oxygen atoms I1 and II4 are laterally offset by one cycle 2a.

【0271】この様に調べてきた上で、さらに実際プロ
セスを考えてどの程度の欠陥密度まで許容されるかにつ
いて調べた。即ち、今、例えば3200個のSiと32
00個のTiを用意し、これに0個から100個の酸素
欠陥を作った。この場合の時々刻々のSi原子や酸素原
子の位置等から、次の事が明らかに成って来た。まず、
酸素原子及びTi原子の動的挙動とPZT構造因子との
関連を調べてみた。単結晶PZT中に酸素欠陥が存在す
ると、数原子先の遠方のTi及び酸素までも、無欠陥の
場合と比較すると明らかに擾乱を受けており、しかも、
点欠陥の移動度はすこぶる大きいことである。これらの
動的挙動を、単結晶Siの場合と比べると、PZTの場
合の方が極めて影響も範囲も大であることが分かった。
この様な活発な動きは、PZTにはイオン結合成分がか
なり有り、分極しやすい性格を持っており、従って、局
所的な欠損が引き金に成ってポテンシャル変化に連動す
るものとも考えられる。本発明者らは、このような手続
きで、詳細に調べたところ、0.01%以下であれば充
分単結晶強誘電体膜の利点を引き出すことが出来ること
を見い出した。
After conducting the above investigation, the actual process was considered and the defect density allowed was investigated. That is, now, for example, 3200 Si and 32
00 Ti was prepared, and 0 to 100 oxygen defects were formed in this Ti. In this case, the following facts have become apparent from the position of the Si atom and the oxygen atom at every moment. First,
The relationship between the dynamic behavior of oxygen atoms and Ti atoms and the PZT structure factor was investigated. When oxygen defects are present in the single crystal PZT, even Ti and oxygen in the distance of several atoms ahead are obviously disturbed as compared with the case of no defect, and moreover,
The mobility of point defects is extremely high. Comparing these dynamic behaviors with the case of single crystal Si, it was found that the case of PZT had an extremely large influence and range.
Such a vigorous movement has a characteristic that PZT has an ionic bond component and is easily polarized, and therefore, it is considered that a local defect triggers and is linked to a potential change. The inventors of the present invention have made detailed investigations by such a procedure and found that the advantages of the single crystal ferroelectric film can be sufficiently obtained if the content is 0.01% or less.

【0272】本発明者による強誘電体材料の原子レベル
計算について以下にします。本発明者等は、PTOやP
ZO、PZTの原子レベルでの構造把握や、構造と膜特
性との把握計算を進めた。計算の結果を報告してみる。
原子レベル計算で用いている対象構造としては、(1)P
TOの完全結晶で、酸素、Tiがそれぞれ高対称位置に
あるもの、(2)PTOの完全結晶で、酸素が、0.3Aずれ
たもの、(3)前記(2)に酸素欠損を、c軸にそった部分に
1個入れたもの(図37)、(4)前記(2)に酸素欠損を、
a軸にそった部分に1個入れたもの(図43)、(5)P
TOのTをZrに置き換えたもの等である。特に、(5)
においては、Zrを、人工的に層状に置換したものも実
行した。酸素やPbの働きは、PTOやPZO等で異な
っていることが初めて分かった。これらから、強誘電体
膜の「自発分極」のきっかけが掴めた。また、強誘電体
膜の原子配置や歪み、欠損構造等と、基本膜特性との関
連もつかめた。
The atomic level calculation of the ferroelectric material by the present inventor is as follows. The present inventors
We proceeded to understand the structure of ZO and PZT at the atomic level and to calculate the structure and film properties. I will report the calculation results.
The target structure used in the atomic level calculation is (1) P
Complete crystal of TO with oxygen and Ti in highly symmetrical positions, (2) Complete crystal of PTO with oxygen deviated by 0.3 A, (3) Oxygen deficiency in (2) above, c-axis One placed in the ridged portion (Fig. 37), (4) Oxygen deficiency in (2),
One placed along the a-axis (Fig. 43), (5) P
For example, T of TO is replaced with Zr. Especially (5)
In, the artificial substitution of Zr into a layer was also carried out. It was found for the first time that the functions of oxygen and Pb were different in PTO, PZO and the like. From these, the trigger of "spontaneous polarization" of the ferroelectric film was grasped. In addition, the relationship between the atomic arrangement, the strain, the defect structure, etc. of the ferroelectric film and the basic film characteristics was investigated.

【0273】最も基本的なPbTiO3膜の原子レベル
での計算についてまず示す。引っ張り歪みを受けた場合
や、試みにPb位置を平衡点からずらせた場合(図4
4、図45)や、酸素欠損を有した場合等について、膜
特性を求める上で最も基本になる電荷分布が上手く求ま
るかを調べた。図44はPbTiO3の単位胞の絵で、
さらにPbを中心位置から、少しずらせた場合である。
この時の電荷分布の等濃度図を求めたものである。また
図45はやはり単位胞であるが、Ti-酸素結合の部分を
ひずませた場合である。この結果から以下の点が分かっ
てきた。(i)全体に非常にイオン結合成分が多いこと。
また、(ii)電気陰性度の強い酸素に殆ど大部分の電荷が
引き寄せられ、次にTiの廻りに電荷があることが分かっ
た。また(iii)このままでは電荷分布が対称的で自発分
極は起こり得ないが、酸素「欠損」や、Tiの位置変動を
考えると、局所的電気的中性が破られることが、容易に
わかる。さらに引っ張りにより、誘電率が低下すること
も確認出来た。
First, the atomic level calculation of the most basic PbTiO 3 film will be shown. When tensile strain is applied or when the Pb position is shifted from the equilibrium point in the trial (Fig. 4
4, FIG. 45) and the case of having an oxygen deficiency, it was investigated whether the most basic charge distribution for obtaining the film characteristics can be obtained. Figure 44 is a picture of a unit cell of PbTiO 3 .
Further, it is a case where Pb is slightly displaced from the center position.
This is to obtain an isodensity map of the charge distribution at this time. Further, FIG. 45 is also a unit cell, but shows a case where the Ti-oxygen bond portion is distorted. From this result, the following points have become clear. (i) The whole contains a large amount of ionic bond components.
In addition, (ii) it was found that most of the electric charges were attracted to oxygen with strong electronegativity, and then there was a charge around Ti. Further, (iii) the charge distribution is symmetric as it is and spontaneous polarization cannot occur, but it is easily understood that the local electric neutrality is broken in consideration of oxygen “deficiency” and positional fluctuation of Ti. It was also confirmed that the tensile strength lowered the dielectric constant.

【0274】さらに例えば、25℃で熱擾乱がないとし
て見たときの計算結果では、以下のことが分かった。即
ち、点群C4vからなる理想的なPbTiO3膜の安定構
造を求めた。その結果、酸素を極わずかずらしても、エ
ネルギの安定な元の点群C4vに戻ることが分かった。さ
らに大きく、酸素位置を0.3Åずらしたところにも、通
常言われている様に、もっと安定な平衡点があるか。こ
れを調べた。出発点0.3Åより極わずか離れた位置に向
かってさらに安定になりつつある。この辺りが通常言わ
れている位置で、このずれ故に自発分極が生じるとも言
われている。安定点が少なくとも二つあり、1つは単純
立方晶の位置にあるもの、もう1つは若干ずれた位置で
あることが初めて分かった。
Further, for example, in the calculation result when it was observed that there was no thermal disturbance at 25 ° C., the following was found. That is, the ideal stable structure of the PbTiO3 film composed of the point group C4v was obtained. As a result, it was found that even if the oxygen was deviated by a very small amount, it returned to the original point group C4v with stable energy. Is there a more stable equilibrium point, as is usually said, even when the oxygen position is shifted by 0.3Å, which is larger? I investigated this. It is becoming more stable towards a position very slightly away from the starting point of 0.3Å. It is also said that at this position around this point, spontaneous polarization occurs due to this shift. It was found for the first time that there were at least two stable points, one at the position of simple cubic crystal and the other at a position slightly deviated.

【0275】分極の起源は、局所的に電荷量の「中性」
を、くずす様な原子位置が、自由エネルギ的に安定点で
あることとも置き換えられる。また、以上の計算では、
酸素の存在は極めて大きいことが分かった。それ故、酸
素欠損は、ひょっとしたら、結晶的にも、電子論的にも
大きなトリガーになりうることがわかる。即ち、 (1)各3種類の原子にそれぞれ電荷分布は局在している
様である。
The origin of polarization is locally "neutral" in the amount of charge.
Can also be replaced by the fact that the atomic position that breaks down is a stable point in terms of free energy. In the above calculation,
It was found that the presence of oxygen was extremely large. Therefore, it can be seen that oxygen deficiency could possibly be a large trigger both crystallographically and electronically. That is, (1) The charge distribution seems to be localized in each of the three types of atoms.

【0276】(2)周期律表にある順序に従って、O及び
Ti及びPbは、それぞれ(1s2,2s2,2p4),(1s2,2s2,2
p6,3s2,3p6,3d2),(1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,3d10,4s2,4p6,
4d10,4f14,5s2,5p6,5d10,6s2,6p2)である。これを反映
して、特にPbの電荷分布領域が大きいのが分かる。
(2) According to the order in the periodic table, O, Ti and Pb are (1s2,2s2,2p4) and (1s2,2s2,2), respectively.
p6,3s2,3p6,3d2), (1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,3d10,4s2,4p6,
4d10,4f14,5s2,5p6,5d10,6s2,6p2). Reflecting this, it can be seen that the charge distribution region of Pb is particularly large.

【0277】(3)良く見ると、とりわけ、Tiの電荷分
布は直ぐ隣のOによって変調されているのが見える。
(3) From a closer look, it can be seen that the charge distribution of Ti is modulated by the immediately adjacent O.

【0278】これを抑止するため、F,Cl、Br、I
等のハロゲン元素を上手く置き換えてやる手も有ること
が分かった。
In order to suppress this, F, Cl, Br, I
It turns out that there is a way to successfully replace the halogen elements such as.

【0279】例2 上の例では、Si・PZTについて
記したが、単結晶強誘電体膜として、スピネルMgAl
24膜、酸化セリウムCeO2 、チタン酸ストロンチウ
ムSrTiO3 を用いることもできる。また、酸化アル
ミニウムAl23、酸化ジルコニウムZrO2 、酸化イ
ットリウムY23、イットリウム安定化ジルコニウムY
SZ、PrO2 、弗化カルシウムCaF2 など、およ
び、その積層膜をも用いることができる。また、該単結
晶強誘電体膜と下地シリコンウエハあるいは下地電極と
の界面にシリコンPZTを挟む変形は本例以外の構造に
おいても応用することは可能である。
Example 2 Although Si.PZT is described in the above example, spinel MgAl is used as a single crystal ferroelectric film.
A 2 O 4 film, cerium oxide CeO 2 , or strontium titanate SrTiO 3 can also be used. Further, aluminum oxide Al 2 O 3 , zirconium oxide ZrO 2 , yttrium oxide Y 2 O 3 , yttrium-stabilized zirconium Y
SZ, PrO 2 , calcium fluoride CaF 2, etc., and a laminated film thereof can also be used. Further, the modification in which the silicon PZT is sandwiched at the interface between the single crystal ferroelectric film and the underlying silicon wafer or underlying electrode can be applied to a structure other than this example.

【0280】また、電圧下での自由エネルギを小さくす
ることが大切であり、歪のエネルギだけに着目すれば、
そのときは必ずしも最低になっていなくても良い。我々
がペロブスカイトについて示したのも、思想に基づいて
いる。
Further, it is important to reduce the free energy under voltage, and if attention is paid only to the distortion energy,
At that time, it does not necessarily have to be the lowest. What we have shown about perovskites is also based on ideas.

【0281】本発明による実際の測定系についても説明
する。図47は、ソーヤータウワの回路である。この方
法の回路について説明する。Tは、高圧トランス、Co
は既知固定容量、CROは陰極線オシロスコープであ
る。Coを、強誘電体試料の容量より、充分大きく選ぶ
と、Tの2次電圧は殆ど試料にかかるが、それは、抵抗
Rdによって、適当に分割されて、CROの横軸に加え
られるから、CROの横軸の振れは、試料内の電場Eに
比例する。一方、CROの縦軸の振れは、Coの両端子
間の電圧を表すが、これは、DS/Coに等しい。即
ち、CROの図形は、D−E曲線を表し、縦軸の振れか
らD,Eの絶対値も容易に得られる。自発変位Dsは、
飽和部分をE=0へ外捜したときのDとして得られ、自
発分極Psは、Ps=Dsできまる。損失のない常誘電体
をこの回路で観測すると、原点を通る直線になるが、損
失のある場合や、強誘電体はヒステレシスをもつ。図4
8に本発明になるD−E曲線を実線で表し、比較のため
に従来のPZTの結果を破線で示した。これから分かる
様に、本発明になるものは、非常に誘電率が大きいこと
もわかる。
An actual measurement system according to the present invention will also be described. FIG. 47 shows a Sawyer-Tower circuit. The circuit of this method will be described. T is a high voltage transformer, Co
Is a known fixed capacitance and CRO is a cathode ray oscilloscope. If Co is chosen to be sufficiently larger than the capacitance of the ferroelectric sample, the secondary voltage of T is almost applied to the sample, but it is divided appropriately by the resistance Rd and added to the horizontal axis of CRO. The abscissa of the horizontal axis of is proportional to the electric field E in the sample. On the other hand, the vertical axis swing of CRO represents the voltage between both terminals of Co, which is equal to DS / Co. That is, the CRO graphic represents the D-E curve, and the absolute values of D and E can be easily obtained from the deflection of the vertical axis. The spontaneous displacement Ds is
Obtained as D when the saturated portion is searched for E = 0, the spontaneous polarization Ps can be Ps = Ds. Observing a lossless paraelectric with this circuit, it becomes a straight line that passes through the origin, but when there is a loss or the ferroelectric has hysteresis. FIG.
In FIG. 8, the DE curve according to the present invention is shown by a solid line, and the result of the conventional PZT is shown by a broken line for comparison. As can be seen from the above, it is also understood that the present invention has a very high dielectric constant.

【0282】ここで指摘するところは、強誘電体膜と基
板とが形成する界面に発生する不整合によるエネルギを
印加時で最低にしようとするものである。しかも、この
条件で実際利用上のことを考えその品質の許容範囲も示
した。この界面エネルギを縮小することは、伝導現象の
妨げになる準位の形成抑止や、信頼性の向上につなが
る。この構造を本発明によれば、新しいabiniti
o/分子動力学シミュレータによって予測するものであ
る。所望の評価関数を搭載したabinitio/分子
動力学シミュレータは、経験的なモデル等を一切用いて
いないので、このシステムに指摘するところは、全て自
然現象を完全に予測できるものである。ここでは、系の
印加時の全エネルギに着目した例を示しているが、例え
ば誘電率を所望の値にすべく設計についても、さらに
は、劣化抑止を所望の問題であれば、それに適した設計
が可能になる。
What is pointed out here is that the energy due to the mismatch generated at the interface formed between the ferroelectric film and the substrate is to be minimized at the time of application. Moreover, considering the practical use under these conditions, the allowable range of the quality is also shown. Reducing this interface energy leads to suppression of formation of levels that hinder the conduction phenomenon and improvement of reliability. This structure, according to the present invention, is a new abiniti
o / Predicted by a molecular dynamics simulator. Since the ab initio / molecular dynamics simulator equipped with a desired evaluation function does not use any empirical model or the like, what is pointed out in this system is that all natural phenomena can be predicted completely. Here, an example focusing on the total energy when the system is applied is shown, but it is suitable for designing the dielectric constant to a desired value, and if deterioration suppression is a desired problem, for example. Design becomes possible.

【0283】以上2次元の物性を計算する方法を示し
た。3次元の物性の計算方法の一例については、図8と
共に既に説明した。
The method for calculating the two-dimensional physical properties has been described above. An example of the method for calculating the three-dimensional physical properties has already been described with reference to FIG.

【0284】叉、実際の対比や診断がどの様にして行わ
れているかをしめそう。即ち、シミュレーション結果
は、スケジューラ(13)に転送される。この時、他
方、実際の実験系からは、モニターデータが、時々刻々
送られ来る。そして、これらは、ファイル(4)に格納
されるととものに、ファイル(4、3)からのデータ転
送は、スケジューラによって同期させておく。そして、
対比診断検定部IVにある対比・検定・診断ブロックに
転送される。
Furthermore, let us show how the actual comparison and diagnosis are performed. That is, the simulation result is transferred to the scheduler (13). At this time, on the other hand, monitor data is sent from the actual experimental system every moment. Then, while these are stored in the file (4), the data transfer from the files (4, 3) is synchronized by the scheduler. And
It is transferred to the comparison / verification / diagnosis block in the comparison / diagnosis verification unit IV.

【0285】図49は、本発明に使用されるクラスタ化
ツールにおいて、in−situモニタ測定装置がどの
ようにして付加されているかを示す概念図である。図4
9に示すように、モニタ量は、例えば、入力ガス構成分
析やXPSシグナル、FT−IRシグナル等であり、こ
れらは、所定の時間空間内における平均値であり、ほん
の一部分の情報である。本発明者らは、これら限られた
測定量と、他方計算から得られた十分な情報とを対比さ
せる方法を提供するものである。これらは、図50の様
に、モニター上のグラフィックな画像として表示され
る。
FIG. 49 is a conceptual diagram showing how an in-situ monitor measuring device is added in the clustering tool used in the present invention. FIG.
As shown in FIG. 9, the monitored amount is, for example, an input gas composition analysis, an XPS signal, an FT-IR signal, and the like, which are average values in a predetermined time space and are only a part of information. We provide a way to contrast these limited measurands with the sufficient information gained from the calculations on the other hand. These are displayed as a graphic image on the monitor as shown in FIG.

【0286】図51は、本発明によるabinitio
分子動力学シミュレーションシステムへの入力データの
一例としての温度シーケンスを示すものである。また図
52は、本発明によるabinitio分子動力学シミ
ュレーションシステムによる、原子レベル実行予測の概
念を示すものである。このように、例えば原子レベル
で、基板上での反応や、分子の解離などが記されてい
る。
FIG. 51 shows an ab initio according to the present invention.
It shows a temperature sequence as an example of input data to the molecular dynamics simulation system. FIG. 52 shows the concept of atomic level execution prediction by the abinitio molecular dynamics simulation system according to the present invention. Thus, for example, at the atomic level, the reaction on the substrate and the dissociation of molecules are described.

【0287】図53は、本発明によるabinitio
分子動力学シミュレーションシステムにより得られた原
子レベル実行予測の可視化図である。これは、非晶質S
iが堆積されたあと、600℃近傍の高温でアニールさ
れた状態を原子レベルでみたものである。
FIG. 53 is an ab initio according to the present invention.
It is a visualization figure of the atomic level execution prediction obtained by the molecular dynamics simulation system. This is amorphous S
It is the atomic level view of the state of being annealed at a high temperature near 600 ° C. after i is deposited.

【0288】また、本発明のabinitio分子動力
学シミュレーションシステムは、Siのみならず、酸化
膜に対しても適用することができる。即ち、図54は、
本発明によるabinitio分子動力学シミュレーシ
ョンシステムのSiO2についての実行例を示す。ここ
では、SiO2におけるSi−O−Si角が時々刻々求
められており、これから、フーリエ変換し、固有振動数
をもとめ、これを重畳することにより、FT−IRのス
ペクトルが計算のみで求められる。この予測結果を用い
て、実測値の時々刻々データと比較検定すれば良い。
The ab initio molecular dynamics simulation system of the present invention can be applied not only to Si but also to an oxide film. That is, FIG.
An execution example of SiO 2 of the ab initio molecular dynamics simulation system according to the present invention will be shown. Here are sought every moment is SiO-Si angle of SiO 2, from now, Fourier transform, obtaining the natural frequency, by superimposing them, spectrum of FT-IR is determined only by calculation . By using this prediction result, it is sufficient to compare and verify the actual measurement value with the hourly data.

【0289】図55は、さきに示した図51の入力デー
タを用いた場合の、本発明のシミュレーションシステム
を用いた原子レベルでの実行例を示す。図55から、予
想どおり実行されていることがわかる。
FIG. 55 shows an example of execution at the atomic level using the simulation system of the present invention when the input data shown in FIG. 51 is used. From FIG. 55, it can be seen that it is being executed as expected.

【0290】図56から図69は、図51の入力データ
を用いた場合のSi膜の成膜から、アニール、さらに固
相成長までにおけるSi−Si間距離、結合角を、時間
と温度を変化させてもとめたものである。
FIGS. 56 to 69 show changes in Si-Si distance, bond angle, time and temperature from Si film formation to annealing and solid phase growth when the input data of FIG. 51 is used. It is the one that has been closed.

【0291】図1に示したシステムでは、基本膜特性の
算出を膜特性算出ユニットIIIで行った。しかし、図
70に示したシステムのように、特別な膜特性算出ユニ
ットIIIを省略し、プロセス変動算出ユニットI内部
で必要な特性の算出を行ってもよい。それらは設計の要
請に応じて、適宜変形可能である。
In the system shown in FIG. 1, the basic film characteristic calculation is performed by the film characteristic calculation unit III. However, as in the system shown in FIG. 70, the special film characteristic calculation unit III may be omitted and the required characteristics may be calculated inside the process variation calculation unit I. They can be appropriately modified according to design requirements.

【0292】以上のように、本発明によって、ハードウ
エアや計算量を従来に比較して大幅に軽減することが可
能となった。例えば、計算量について言えば、プロセス
シミュレータTOPAZでは、図98に示すように、メ
モリは約24Mバイトで、実行時間は数分間となる。こ
れに対して、有名なプロセスシミュレータSUPREM
4では、粘弾性等を考慮しているので、メモリは200
Mバイト以上、実行時間はクレイで1日にも達する。さ
らに分子動力学やab−initio計算になると、メ
モリが数倍、実行時間も数倍にも達している。
As described above, according to the present invention, it is possible to significantly reduce the hardware and the amount of calculation as compared with the conventional one. For example, regarding the calculation amount, in the process simulator TOPAZ, as shown in FIG. 98, the memory is about 24 Mbytes and the execution time is several minutes. In contrast, the famous process simulator SUPREM
In the case of 4, the memory is 200
Mbytes or more, execution time can reach a day with clay. Furthermore, when it comes to molecular dynamics and ab-initio calculation, the memory and the execution time have reached several times.

【0293】このような状況では、分子動力学やab−
initioツールをフルに用いて、原子の動的挙動の
予測や、光学的諸特性の予測には、計算機のコストが大
幅にかかかってしまう。本発明者らは、これら不利益
を、新しい数学的な技巧を駆使し、克服する方法を見出
すとともに、この技巧により、シミュレータの新たな利
用技術をも見出したものである。
In such a situation, molecular dynamics and ab-
The cost of a computer will be significantly high for the prediction of the dynamic behavior of atoms and the prediction of various optical characteristics by fully using the initio tool. The present inventors have found a method for overcoming these disadvantages by making full use of new mathematical techniques, and have also found a new application technique of a simulator by this technique.

【0294】従来でも、上記に若干の手続きを加えたも
のもある。それが図99に示すフローシートであり、従
来の分子動力学シミュレータにおける密度汎関数の流れ
の主要部分を示す。即ち、この手法では、仮想質量を与
え、全系のラグランジアンを用いる。これは、本発明者
等が先に記した式(1223)に該当する。これはすで
に知られているCar−Parrinello法に相当
するものである。この方法は一見高速に計算できるとさ
れている。しかし、それでも例えば、クレイ社レベルの
スーパーコンピュータでも、1つの場合の計算でも1昼
夜を要する。従って、種々のパラメータの変動を調べる
ため、1回1回計算をしていたのでは、到底、実時間で
の診断ツールとはなり得ない。
Conventionally, there are some that add some procedures to the above. That is the flow sheet shown in FIG. 99, and shows the main part of the flow of the density functional in the conventional molecular dynamics simulator. That is, in this method, the virtual mass is given and the Lagrangian of the entire system is used. This corresponds to the equation (1223) previously described by the present inventors. This corresponds to the already known Car-Parrinello method. It is said that this method can be calculated at a seemingly high speed. However, still, for example, a Clay company level super computer requires one day and one night for calculation in one case. Therefore, in order to investigate the fluctuations of various parameters, if the calculation is performed once, it cannot be a real-time diagnostic tool.

【0295】[0295]

【発明の実施の形態】以下、本発明の種々の実施例につ
いて説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Various embodiments of the present invention will be described below.

【0296】実施例1 この実施例は、本発明の大きな特徴の1つである光学的
スペクトルの直接予測機能に係るものである。ここでも
う一度、本発明者らが考え出した手法から詳細に記述し
てみる。
Example 1 This example relates to a direct prediction function of an optical spectrum, which is one of the great features of the present invention. Here again, the method devised by the present inventors will be described in detail.

【0297】まず、高信頼化酸化膜設計に関する技術お
よびその評価関連技術等について、従来の技術的レベル
から少し記述してみる。公知刊行物としては、例えば
「ThePhysics and Technology of Amorphous SiO
2 」Plenum Publishing Corporation,ISBN 0-306-42929
-2がある。この刊行物には、種々の酸化膜の光学的測定
結果として、IRの結果やラマンの結果が記載されてい
る。この刊行物は、特に、原子レベルの議論としては優
れたものと言われている。
First, the technique relating to the design of highly reliable oxide film and the technique relating to the evaluation thereof will be described a little from the conventional technical level. Known publications include, for example, “The Physics and Technology of Amorphous SiO 2
2 '' Plenum Publishing Corporation, ISBN 0-306-42929
-There is 2. This publication describes IR results and Raman results as optical measurement results of various oxide films. This publication is said to be particularly good for discussion at the atomic level.

【0298】この刊行物のp.63には、ポール・マク
ミリアン(Paul McMillan )によって非晶質酸化膜のラ
マン信号が、工程によってどの様に変化するかが論じら
れている。図71及び図72は、ポール・マクミリアン
によって測定された結果である。例えば、図71の曲線
aは、通常の酸化膜のラマン測定結果を示し、曲線b
は、デンシファイした酸化膜のラマン測定結果を示す。
P. Of this publication. In 63, Paul McMillan discusses how the Raman signal of an amorphous oxide film changes depending on the process. 71 and 72 are the results measured by Paul McMillian. For example, a curve a in FIG. 71 shows a Raman measurement result of a normal oxide film, and a curve b.
Shows the Raman measurement result of the densified oxide film.

【0299】従来では、この両者のスペクトルを比較
し、例えば、デンシファイにより水分が脱離し、これに
よってスペクトルが変化したものとされていた。また図
72は、単結晶水晶に圧力印加する前後でのスペクトル
をみたものである。特に610と500cm-1のところ
に変化があるとしている。しかし、これでわかるよう
に、まず一見して、スペクトルの変化量はきわめて小さ
く、どこに着目すべきか、またそれを有為差とみるべき
かについては大変技術を要するものである。またさら
に、そのスペクトル変化量から物質の変化量を同定する
にはさらに複雑な経験を要するものである。
Conventionally, it was considered that the spectra of the two were compared, and that the spectrum was changed by desorption of water due to, for example, densification. Further, FIG. 72 shows the spectra before and after the pressure is applied to the single crystal quartz. Especially, there is a change at 610 and 500 cm-1. However, as can be seen from this, at first glance, the amount of change in the spectrum is extremely small, and it requires a great deal of skill as to where to focus and whether to regard it as a significant difference. Furthermore, more complicated experience is required to identify the amount of change in the substance from the amount of change in the spectrum.

【0300】この様な状況なので、今後さらに必要にな
ってくる新しい材料の開発においては、スペクトルの同
定テーブルがないものが多々あり、スペクトルの解釈が
大きな障害になってくる。
In such a situation, in the development of new materials which will be further needed in the future, there are many cases where there is no spectrum identification table, and the interpretation of the spectrum becomes a major obstacle.

【0301】また、上記刊行物のp.71からは、小林
等が高応力下での酸化物ファイバーのラマンスペクトル
の変化をみている。その結果の一部を図73に示す。こ
こではSiO2ファイバに応力を無印加の場合と3.5
%の引っ張りひずみを印加した場合について示してい
る。図73から分かるように、3.5%の引っ張り歪み
を加えた場合、450cm-1近傍のところに変化があ
る。しかし、ここでも分かる様に、スペクトルの変化量
はきわめて小さく、やはりどこに着目すべきか、またそ
れを有為差とみるべきかについては、大変技術を要す
る。また、そのスペクトルの変化量から物質の変化量を
同定するにはさらに経験を要する。
Further, p. From 71, Kobayashi et al. Observed changes in Raman spectra of oxide fibers under high stress. A part of the result is shown in FIG. 73. Here, the case where no stress is applied to the SiO 2 fiber and the case of 3.5
The figure shows the case where a tensile strain of 10% is applied. As can be seen from FIG. 73, when a tensile strain of 3.5% is applied, there is a change in the vicinity of 450 cm −1 . However, as can be seen here, the amount of change in the spectrum is extremely small, and it requires a great deal of skill as to where to focus and to regard it as a significant difference. Further, further experience is required to identify the amount of change in the substance from the amount of change in the spectrum.

【0302】上記刊行物において小林は、図74を用い
てそのスペクトルの解釈を試みている。図74から分か
る様に、引っ張りひずみを受けるとSiO2構造の10
9,5度の4面体部分が歪むとしている。しかし、彼
は、たった1組の4面体構造を持ち出しているにすぎ
ず、となりの4面体部分とはどのようなつながりになっ
ているか全く議論していない。実際には、ある有限の温
度であるので、必ず角度の分布を伴うはずである。
In the above publication, Kobayashi is trying to interpret the spectrum using FIG. As can be seen from FIG. 74, when tensile strain is applied, the SiO 2 structure 10
It is said that the tetrahedron portion of 9 and 5 degrees is distorted. However, he only brings out a single set of tetrahedral structures, and does not discuss how they are connected to the tetrahedral part next to them. In reality, since it is a certain finite temperature, it must always have a distribution of angles.

【0303】本発明者がこの明細書で何度も記述してき
たように、定量的な分布を把握しないと、およそスペク
トルの解析には程遠いものとなる。また図33も同じ議
論が小林によって展開されている。図33(a)は、O
−Si−O結合角の関数としてのSiO4 四面体の通常
モード振動の波長を示す特性図である。また、図33
(b)、(c)は、ストレスにより生じたV4モードの
デカップリングによる、強度の減少を示す特性図であ
る。
As the inventor has repeatedly described in this specification, if the quantitative distribution is not grasped, it is far from the analysis of the spectrum. The same discussion is also developed by Kobayashi in FIG. FIG. 33 (a) shows O
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the wavelength of normal mode vibration of a SiO4 tetrahedron as a function of -Si-O bond angle. In addition, FIG.
(B), (c) is a characteristic view showing a decrease in strength due to V4 mode decoupling caused by stress.

【0304】図76は、上記刊行物のp.107に記載
されたW.B.Fowlerによる酸化膜中の欠陥モデル図であ
る。図76の(a)は、完全α型クォーツの一部の結合
モデルを示し、図中Lは長結合、Sは短結合である。
(b)はE1 ´中心のモデル、(c)はE4 ´モデル、
(d)は、E2 ´モデルをそれぞれ示す。(b)〜
(d)における不対電子は、e- で表されている。
FIG. 76 is a p. It is a defect model figure in the oxide film by WBFowler described in 107. FIG. 76 (a) shows a binding model of a part of perfect α-type quartz, where L is a long bond and S is a short bond.
(B) is an E1'-centered model, (c) is an E4 'model,
(D) shows the E2 'model, respectively. (B) ~
The unpaired electron in (d) is represented by e-.

【0305】図76からも分かるように、上記刊行物で
は、109.5度の4面体構造を2個または1個用意し
て欠損構造を議論している。しかし、上述したように、
実際には、ある有限の温度で必ず角度の分布を伴うはず
である。従って、ある種の多数個の計算を行わなけれ
ば、およそスペクトルの解析には程遠い。
As can be seen from FIG. 76, the above publication discusses the defective structure by preparing two or one 109.5 degree tetrahedral structure. However, as mentioned above,
In practice, it should always have an angular distribution at some finite temperature. Therefore, without some large number of calculations, it is far from spectral analysis.

【0306】図77は、本発明者等が作成した新しい分
子動力学シミュレータによる実行例である。Siは32
個、酸素は64個を用いた。また逆格子点は520点で
あった。縦軸は体積の変化率、横軸は時間をそれぞれ示
す。図77から、1000ft後でほぼ外圧と平衡にな
ることが確められた。例えば、このときのO−Si−O
角、Si−O−Si角、及びO−Si距離を図24に示
す。
FIG. 77 is an example of execution by a new molecular dynamics simulator created by the present inventors. Si is 32
And 64 oxygen were used. The reciprocal lattice points were 520 points. The vertical axis represents the rate of change in volume and the horizontal axis represents time. From FIG. 77, it was confirmed that after 1000 ft, it was almost in equilibrium with the external pressure. For example, O-Si-O at this time
The angle, Si-O-Si angle, and O-Si distance are shown in FIG.

【0307】図24から分かる様に、各原子の「戸籍
簿」に相当する膨大データが必要なのである。本発明者
等は、計算手法にも幾つかの工夫を用意している。例え
ば、赤外吸収では、時々刻々の原子の振動運動の時系列
データから、赤外吸収の選択律を満たす振動モードを抽
出し、その頻度を求めればよい。いずれにしてもこの様
な試みはまだ発表がなく、これはプロセス開発の新しい
「兵器」と言うことが出来る。
As can be seen from FIG. 24, enormous data corresponding to the “family register” of each atom is required. The present inventors have prepared some ideas for the calculation method. For infrared absorption, for example, a vibration mode satisfying the infrared absorption selection rule may be extracted from the time-series data of the vibrational motion of the atom every moment, and the frequency may be calculated. In any case, such an attempt has not been announced yet, and it can be said that this is a new "weapon" for process development.

【0308】本発明者等は、分子動力学システムを用い
て、十分、平衡に達したところで、時刻を0に設定し、
その後、時刻tまでを今サンプリング時間とする。時間
相関は以下の通り求めた。即ち、 である。ここでM(t)は分極率であり、下記式で表さ
れる。なお、上記式の積分値は−∞から∞まで積分した
値である。
The present inventors set the time to 0 when the equilibrium is sufficiently reached by using the molecular dynamics system,
After that, the time until time t is set as the sampling time. The time correlation was calculated as follows. That is, It is. Here, M (t) is the polarizability and is represented by the following formula. The integral value of the above equation is a value obtained by integrating from -∞ to ∞.

【0309】 M(t)=Σei・r(t) …(1362) また<M(t)・M(0)>は、Mの自己相関関数を表
わす。
M (t) = Σe i · r (t) (1362) Further, <M (t) · M (0)> represents the autocorrelation function of M.

【0310】ここで、ei はその点における電荷数であ
り、iは粒子の番号である。またrはベクトルであり、
その測定起点は特に制約はないが、計算セルの角にとる
のがよい。
Here, ei is the number of charges at that point, and i is the particle number. R is a vector,
The measurement starting point is not particularly limited, but it is preferable to set it at the corner of the calculation cell.

【0311】時間相関を求めるには、それぞれの時刻に
おけるs(t1 )・s(t2 )・s(t3 )・s(t4
)・s(t5 )・s(t6 )・s(t7 )・s(t8
)を求めればよい。
To obtain the time correlation, s (t1) .s (t2) .s (t3) .s (t4 at each time.
) .S (t5) .s (t6) .s (t7) .s (t8
).

【0312】例えば、サンプリング時間全体に渡っての
時々刻々の座標位置の計算値やその運動のエネルギ、さ
らには運動量等が、全粒子に渡って存在している。しか
も、さらに互いの粒子間の距離や、それらの角度位置関
係等も計算されている。
For example, the calculated value of the coordinate position every moment over the entire sampling time, the energy of its motion, and the momentum etc. exist over all the particles. Moreover, the distance between the particles and the angular positional relationship between them are also calculated.

【0313】本発明者等は、幾つかの結晶性酸化膜や、
また非晶質酸化膜についても計算した。その結果の一部
を図78に示す。即ち、図78は、1つの例として単結
晶クリストバライトのSi−O距離の計算結果を示す。
また、図79は、欠損がある場合のSi−O−Si角の
計算結果を示す。図79から、欠損の回りでは運動が大
きく乱れていることが分かる。これらの欠損の濃度を種
々変えて同様の挙動を求めることも行った。
The present inventors have found that some crystalline oxide films,
The calculation was also performed for the amorphous oxide film. A part of the result is shown in FIG. That is, FIG. 78 shows the calculation result of the Si—O distance of single crystal cristobalite as one example.
Further, FIG. 79 shows the calculation result of the Si—O—Si angle when there is a defect. From FIG. 79, it can be seen that the motion is greatly disturbed around the defect. Similar behavior was also obtained by varying the concentrations of these defects.

【0314】図80は本発明者等が作成した新しい分子
動力学の実行例であり、原子の動きをシミュレートした
ものである。図中、大きい玉は酸素を示し、小さい玉は
Siを示している。図80の(a)は、XYZ空間にお
ける原子を示し、(b)は、そのXY面への投影を示
す。ここではその軌跡まで示せなかったが、この単結晶
例では原子は主にXY軸の中線方向に原子が優先的に運
動していることも分かった。このことは上記式に示した M(t)=Σei・r(t) …(1371) の部分に大きな偏りを示し、結果として、単結晶特有の
スペクトルを示すことになる。
FIG. 80 shows an example of execution of a new molecular dynamics prepared by the present inventors, which simulates the movement of atoms. In the figure, the large balls indicate oxygen and the small balls indicate Si. 80A shows atoms in the XYZ space, and FIG. 80B shows projections on the XY plane. Although the locus could not be shown here, it was also found that in this single crystal example, the atoms mainly move preferentially in the median direction of the XY axes. This means that a large deviation is shown in the part of M (t) = Σe i · r (t) (1371) shown in the above equation, and as a result, a spectrum peculiar to a single crystal is shown.

【0315】本発明者らは、測定温度を変えて、個々原
子の挙動や、これを基にした固有振動の様子、さらに
は、歪みを加えた場合についても、シミュレーションを
実行した。図81及び図82はそれらの例を示す。即
ち、図81は本発明による新しい分子動力学シミュレー
タによるX線スペクトル予測図、図82は、同様の応力
予測結果を示す図である。
The present inventors performed simulations by changing the measurement temperature, the behavior of individual atoms, the state of natural vibration based on the behavior, and the case where strain was added. 81 and 82 show those examples. That is, FIG. 81 is an X-ray spectrum prediction diagram by the new molecular dynamics simulator according to the present invention, and FIG. 82 is a diagram showing similar stress prediction results.

【0316】実施例2 本発明者らは、酸素欠損がある場合の酸化膜のスペクト
ルの予測も行えるようにし、実際の酸化膜との対比を可
能とした。実施例2として、酸素欠損酸化膜の光学的性
質まで計算可能とした例を示す。
Example 2 The inventors of the present invention also made it possible to predict the spectrum of an oxide film in the presence of oxygen deficiency and enable comparison with an actual oxide film. Example 2 shows an example in which even the optical properties of the oxygen-deficient oxide film can be calculated.

【0317】ab−initio分子動力学法を使用し
た場合には問題にならないが、TTATポテンシャルや
BKSポテンシャルを使用した分子動力学法の場合に
は、酸素欠損を扱う場合に、各原子のチャージをどのよ
うに設定するのが最良であるかが問題となる。これは、
非常に歪みが大きくなると、結合が伸びたり、Si−S
i結合が生じ、一定電荷を仮定することができなくなる
からである。例えば、Si−O結合の伸びにより、実際
には電荷の分配が変化し、分極が大きくなると、伸縮振
動の静電エネルギーは大きくなり、IRのピーク振動数
は大きくなると予想される。
There is no problem when the ab-initio molecular dynamics method is used, but in the case of the molecular dynamics method using the TTAT potential or the BKS potential, the charge of each atom is treated when oxygen deficiency is treated. The issue is how best to set. this is,
If the strain becomes very large, the bond may be extended or Si-S
This is because i-bonding occurs and a constant charge cannot be assumed. For example, it is expected that when the distribution of charges actually changes due to the elongation of the Si—O bond and the polarization increases, the electrostatic energy of stretching vibration increases and the peak frequency of IR increases.

【0318】そこで本発明者らは、Rappe−God
dardにより、アルカリや水素を対象に試みられたこ
とのあるイオン化ポテンシャルと電気親和力を用いた平
衡電荷近似(Charge equiliburati
on approach)を、初めてSiO2に適用
し、電荷の補正を取り込んで静電ポテンシャルを計算
し、個々の原子の運動とIRを求める手法を行った。
Therefore, the present inventors have found that Rappe-God.
Dard's equilibrium charge approximation (Charge equilibrati) using the ionization potential and electric affinity that have been tried for alkali and hydrogen.
on approach) was applied to SiO 2 for the first time, and the electrostatic potential was calculated by incorporating the correction of the charge and the motion and IR of each atom were obtained.

【0319】なお、平衡電荷近似とは、系の静電エネル
ギーを各原子のイオン化エネルギーと各原子対の電気親
和力と各原子の電荷の関数と仮定して扱い、平衡状態で
は各原子の原子化学ポテンシャルが等しいとの条件か
ら、原子数に相当する数の連立方程式を解き、各原子の
電荷を求める手法である。
The equilibrium charge approximation is treated assuming that the electrostatic energy of the system is a function of the ionization energy of each atom, the electric affinity of each atom pair, and the charge of each atom. It is a method to solve the simultaneous equations of the number corresponding to the number of atoms under the condition that the potentials are equal, and obtain the charge of each atom.

【0320】この方法をβ−石英に用いた場合のIRラ
インスペクトルと従来例を図83に示した。本方法を用
いることにより、ピーク周波数が約一割、低周波数側に
シフトした。この値は実測とよりよい精度で一致する。
a−SiO2でも本方法を用いることにより、より一
層、構造とIRスペクトルとが高精度で関連づけること
が可能となり、実測との対比が効果的に行えるようにな
った。
FIG. 83 shows an IR line spectrum when this method is used for β-quartz and a conventional example. By using this method, the peak frequency was shifted to the low frequency side by about 10%. This value matches the actual measurement with better accuracy.
By using this method, even a-SiO 2, further, it is possible to the structure and IR spectra associated with high accuracy, compared with the actually measured is able to perform effectively.

【0321】図84に、本発明者等が編み出した方法を
分かりやすく概念図で示した。また探索手法を図85に
示した。
FIG. 84 is a conceptual diagram showing the method devised by the present inventors in an easy-to-understand manner. The search method is shown in FIG.

【0322】なお、本発明は、上記実施例に限定され
ず。液相デバイスや超電導デバイス等、他のデバイスを
特にクラスタ化製造装置により製造することに対して有
効に適用可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲で種々変形して実施可能である。
The present invention is not limited to the above embodiment. It can be effectively applied to manufacturing other devices such as a liquid phase device and a superconducting device, especially by a clustering manufacturing apparatus. In addition, various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

【0323】実施例3 ここでは、第3の実施例として、光学的スペクトルの直
接予測機能についての詳細を示す。はじめにa−SiO
2(アモルファスSiO2)の計算機上で作成し、その光
学スペクトルを予測する方法について示す。a−SiO
2は、単結晶SiO2を計算機上で溶融した後、急冷する
ことにより作成した。図86は、a−SiO2の作成の
際の温度設定を示す。溶融はゆっくりと行ってもよい
が、ここでは温度を急上昇させて急激に溶融させた。こ
の後、同程度の降温速度で降温した。図87はその際の
圧力の変化であり、図88は計算領域の体積変化であ
る。
Third Embodiment Here, as a third embodiment, details of the direct prediction function of the optical spectrum will be described. Introduction a-SiO
A method of making 2 (amorphous SiO 2 ) on a computer and predicting its optical spectrum will be shown. a-SiO
2 was prepared by melting single crystal SiO 2 on a computer and then rapidly cooling it. FIG. 86 shows the temperature setting when forming a-SiO 2 . The melting may be performed slowly, but here, the temperature was rapidly raised to melt rapidly. After that, the temperature was lowered at the same rate of temperature reduction. FIG. 87 shows changes in pressure at that time, and FIG. 88 shows changes in volume of the calculation region.

【0324】本発明者らは、この過程において、経験的
分子動力学法を用いた場合でも、ab−initio分
子動力学法を用いた場合でも、昇降温により温度を大き
く変動させる場合には、外圧と体積の扱いが重要である
ことを見いだした。例えば、本実施例では、体積をほぼ
一定に保って相変態が起こるように外圧を温度の関数と
して扱い、温度が上昇すると圧力が大きくなるように設
定している。その様子が図87,55に示されている。
In the course of this process, when the empirical molecular dynamics method is used or the ab-initio molecular dynamics method is used, when the temperature is largely changed by temperature increase / decrease, We have found that the handling of external pressure and volume is important. For example, in this embodiment, the external pressure is treated as a function of temperature so that the phase transformation occurs while keeping the volume substantially constant, and the pressure is set to increase as the temperature rises. This is shown in FIGS.

【0325】しかし、体積に全く注意を払わず、外圧を
一定に保った場合には、図89に示したような体積の大
膨張が生じ、現実の高温溶融SiO2とは全くことな
り、著しく低密度のSiO2となる。更に、冷却過程で
も、固相に入っても有りうべからざる低密度のSiO2
が形成される。もちろん、ポテンシャルエネルギーを調
べると非常に高く、不安定な状態であった。こうなると
実測との対比は困難となってしまう。従って、外圧に十
分注意を払ってa−SiO2を作成することが望ましい
ことをここで見出し、実行した。
However, if the external pressure is kept constant without paying attention to the volume, a large expansion of the volume occurs as shown in FIG. 89, which is completely different from the actual high-temperature melting SiO 2 and is remarkably high. It becomes low density SiO 2 . Furthermore, even if it is in the cooling process or in the solid phase, low density SiO 2
Is formed. Of course, the potential energy was very high and unstable. If this happens, it will be difficult to compare it with the actual measurement. Therefore, it has been found and executed here that it is desirable to prepare a-SiO 2 while paying sufficient attention to the external pressure.

【0326】図90には、溶融時のポテンシャルエネル
ギーの変動を示した。外圧に注意を払っているので、ポ
テンシャルは振動しながらも緩やかに上昇している。急
冷の際にも同様に緩やかにポテンシャルエネルギーは減
少してゆく。図91にはこのときの計算領域のセルc軸
に垂直な面の2辺の時間変化を記した。セルは、相変態
に応じて形状が変えられるように、Parinello
−Rahmanの手法を採用しているので、溶融によっ
て変化している。
FIG. 90 shows fluctuations in potential energy during melting. Since we are paying attention to the external pressure, the potential oscillates while gradually rising. Similarly, the potential energy gradually decreases during quenching. FIG. 91 shows the change over time of two sides of the plane perpendicular to the cell c-axis in the calculation area at this time. The cells can be changed in shape depending on the phase transformation,
-Since the method of Rahman is adopted, it changes due to melting.

【0327】最初は石英が菱形であるため、2辺のなす
角度は60度となっている。ところが溶融すると、結晶
構造は壊れ、各辺に均等に内圧がかかるので、2辺のな
す角度は90度に近づいている。急冷しても石英には戻
らず、約90度で直方体を保つようであった。
Since the quartz is rhombic at first, the angle formed by the two sides is 60 degrees. However, when melted, the crystal structure is broken and internal pressure is evenly applied to each side, so the angle formed by the two sides approaches 90 degrees. It did not return to quartz even when quenched, and seemed to maintain a rectangular parallelepiped at about 90 degrees.

【0328】更に、本発明者らは、a−SiO2を作成
する際、もう一点注意すべき点があることを見いだし
た。それは、SiとOのポテンシャルに関するものであ
る。ab−initioでも経験的ポテンシャル(AT
TAポテンシャルもしくはBKSポテンシャル)の分子
動力学法でも、SiO2系を扱う場合には、原子の配置
の変動によるポテンシャルエネルギーの変動が非常に大
きく、そのために、原子の運動を扱うには、通常のVe
lretのアルゴリズムよりも高精度に原子の運動を求
める必要があるということである。
Furthermore, the present inventors have found that there is another point to be noted when forming a-SiO 2 . It concerns the potentials of Si and O. Ab-initio also has empirical potential (AT
Even in the molecular dynamics method (TA potential or BKS potential), when the SiO 2 system is treated, the variation of the potential energy due to the variation of the arrangement of the atoms is very large. Ve
This means that it is necessary to obtain the motion of atoms with higher accuracy than the lret algorithm.

【0329】図92は、通常のVerletのアルゴリ
ズムで原子の運動を求めた場合のポテンシャルエネルギ
ーの変動と運動エネルギーの変動、及び両エネルギーの
和を示す。外界とのエネルギーのやりとりが無い場合、
総エネルギーは一定になるべきである。しかし、通常の
Verletのアルゴリズムでは、ラグランジャンから
導かれる運動方程式の積分が十分な精度で行われないた
め、このようにエネルギーの保存が行われない。積分精
度を向上させるために、積分間隔である時間間隔を小さ
くとっても、状況はほぼ変わらなかった。これは調べて
みると、酸素のポテンシャルが非常に急峻であることに
起因する材料に特有のものであることが分かった。
FIG. 92 shows the fluctuation of the potential energy and the fluctuation of the kinetic energy, and the sum of the two energies, when the motion of the atom is obtained by the usual Verlet algorithm. If there is no exchange of energy with the outside world,
Total energy should be constant. However, in the usual Verlet's algorithm, the integration of the equation of motion derived from Lagrangian is not performed with sufficient accuracy, and thus energy is not saved in this way. Even if the time interval, which is the integration interval, is set small in order to improve the integration accuracy, the situation remains almost unchanged. Upon examination, this was found to be peculiar to the material due to the extremely steep oxygen potential.

【0330】そこで、酸素を正確に扱うために、Ver
letのアルゴリズムを改良し、時時刻々の個々原子の
運動の加速度の高次のまで求めて、これを積分して速度
や位置を求めて見た。すると、図93に示したように、
ポテンシャルエネルギーと逆位相で運動エネルギーが変
動し、総エネルギーは一定に保たれるようになった。こ
のようなエネルギーの正確な扱いがなされない場合、本
発明者らが実行した結果によると、高温で原子の運動が
激しい場合や、液体状のSiO2などで、計算精度の悪
さが原因で、構造が無秩序に壊れ、a−SiO2の作成
ができなかった。また、IRスペクトルも、全く実測と
異なるものになってしまった。
Therefore, in order to handle oxygen accurately, Ver
The let's algorithm was improved, and even higher order acceleration of the motion of individual atoms at different times was obtained, and this was integrated to find the velocity and position. Then, as shown in FIG.
The kinetic energy fluctuates in the opposite phase to the potential energy, and the total energy is kept constant. When such energy is not handled accurately, according to the results of the present inventors, when the movement of atoms is high at a high temperature, liquid SiO 2 or the like causes poor calculation accuracy, structure is randomly broken, it was not able to create a-SiO 2. Also, the IR spectrum was completely different from the actually measured value.

【0331】以上のように、本発明者らは、a−SiO
2の作成において独自に工夫をこらすことにより、初め
てa−SiO2を計算機上で作成することを可能とし
た。このようにして作成したa−SiO2は、石英に比
較して、Si−O結合長が若干長く、しかもSi−O長
は一定の範囲内に収まっていた。溶融SiO2では、S
i−O長は石英でのSi−O長よりも小さな結合長のS
i−Oが多く存在していたが、冷却するとこれが無くな
り、石英よりも長い結合ばかりになった。配位数を調べ
ると、第一近接を2Aとすると、Siは4配位が殆ど
で、3と5が少し混じり、それ以外は生じなかった。酸
素は2配位が殆どであった。
As described above, the present inventors have found that a-SiO
By Colas their own devising in 2 of the creation, made it possible to create for the first time a-SiO 2 on a computer. The a-SiO 2 thus prepared had a slightly longer Si—O bond length than quartz, and the Si—O length was within a certain range. In molten SiO 2 , S
The i-O length is S with a bond length smaller than the Si-O length in quartz.
A large amount of i-O was present, but when cooled, this disappeared and only bonds longer than quartz were formed. Examining the coordination number, when the first proximity was 2 A, Si was mostly in the 4-coordination, and 3 and 5 were mixed a little, and the others did not occur. Most of oxygen was two-coordinated.

【0332】次に、a−SiO2に静水圧もしくは一軸
性の応力をかけ、種々の応力場に応じたa−SiO2
構造変化を予測計算するため、ポテンシャルエネルギー
が平衡に達するまで、温度を900℃に保って、2ナノ
秒の時間、SiO2を構造緩和させた。できあがった種
々のa−SiO2の構造を、個々、原子位置、速度、加
速度、その一次微分値、セル基本ベクトル、セル基本ベ
クトル変位速度、等の数値に変換し、それぞれ保存し
た。
[0332] Next, over the hydrostatic pressure or uniaxial stress to a-SiO 2, to predict calculate a structural change of a-SiO 2 in accordance with various stress field, until the potential energy reaches equilibrium, the temperature Was maintained at 900 ° C. to structurally relax SiO 2 for 2 nanoseconds. The various a-SiO 2 structures thus formed were individually converted into numerical values such as atomic positions, velocities, accelerations, primary differential values thereof, cell basic vectors, cell basic vector displacement velocities, etc., and stored.

【0333】ここまで行って、種々のa−SiO2構造
を作成した後、それぞれに対してIRスペクトルを求め
た。IRスペクトルは、ダイポールモーメントから求め
た。ダイポールモーメントMは、下記式 M=Σqi ・ri …(1461) から求めることができる。ここで、qiは原子iの電
荷、riは位置である。この位置を求めるとき、系が中
性の場合(Σqi =0)には、原点r0 を何処にとって
もダイポールモーメントの値は同じになる。それは、
After carrying out the steps up to this point to prepare various a-SiO 2 structures, IR spectra were obtained for each. The IR spectrum was obtained from the dipole moment. The dipole moment M can be calculated from the following equation M = Σqi · ri (1461). Here, qi is the charge of the atom i, and ri is the position. When obtaining this position, when the system is neutral (Σqi = 0), the value of the dipole moment is the same regardless of where the origin r0 is. that is,

【数134】 M=Σqi (ri −r0 )=Σqi ・ri −Σqi ・r0 =Σqi ・ri −r0 Σqi=Σqi ・ri …(1462) となるためである。また、系が非中性の場合には、r0
の掛かる項が残るので、原点の取り方によってダイポー
ルモーメントの絶対値は変化するが、フーリエ変換した
場合には周波数がゼロの成分に現れるだけで、他には影
響しないことが分かる。このダイポールモーメントを求
めるに当たり、原子位置rの取り方には一点注意が必要
なことに本発明者らは気づいた。それは、分子動力学法
を用いる際に周期境界条件を採用しているため、セルの
−x方向に出ていった原子が+x方向から入ってくるこ
とに起因するダイポールモーメントの不連続な変動を無
くすことである。
This is because M = .SIGMA.qi (ri-r0) =. SIGMA.qi.ri-.SIGMA.qi.r0 = .SIGMA.qi.ri-r0.SIGMA.qi = .SIGMA.qi.ri ... (1462). If the system is non-neutral, r0
It is understood that the absolute value of the dipole moment changes depending on how the origin is taken, but the Fourier transform only appears in the zero-frequency component and does not affect the others, because the term with is left. The present inventors have found that it is necessary to pay attention to the way of obtaining the atomic position r when obtaining the dipole moment. Since it uses the periodic boundary condition when using the molecular dynamics method, the discontinuous fluctuation of the dipole moment due to the atoms coming out in the −x direction of the cell coming in from the + x direction is considered. To lose.

【0334】実際にIRを測定する温度では、a−Si
2は熱振動をしているのみであり、さほど大きく拡散
をしないことを考慮して、ダイポールモーメント算出の
際に用いるrは、周期境界条件を考えず、−x方向にセ
ルから出ていっても、セル外のその位置に電荷があると
扱って、モーメントを計算した。つまり、個々原子運動
計算の際には周期境界条件を考慮した原子位置と、周期
境界条件を考慮しない原子位置の2つの原子位置を両方
取り扱うことにした。このようにして求めたダイポール
モーメントの時間変化の例を図94に示した。3次元計
算であるので、x,y,z各方向のダイポールモーメン
トが得られた。
At the temperature at which IR is actually measured, a-Si
Considering that O 2 is only vibrating thermally and does not diffuse so much, r used in the calculation of the dipole moment does not come out of the cell in the −x direction without considering the periodic boundary condition. However, the moment was calculated by treating that there was a charge at that position outside the cell. In other words, we decided to handle both atomic positions that consider the periodic boundary conditions and atomic positions that do not consider the periodic boundary conditions when calculating the motion of individual atoms. An example of the time change of the dipole moment thus obtained is shown in FIG. Since it is a three-dimensional calculation, dipole moments in the x, y, and z directions were obtained.

【0335】IRスペクトルを求めるには、第一段階と
して、このダイポールモーメントをフーリエ変換し、I
Rラインスペクトルであるパワースペクトルを求める。
その一例を図95に示した。この段階でIRスペクトル
のピーク位置が予測できる。すなわち、約1000cm
-1に大きなピークが出現すること、約500cm-1に大
きなピークが出現することである。この結果は、a−S
iO2のIR実測と一致した。
To obtain the IR spectrum, the first step is Fourier transform of this dipole moment to obtain I
A power spectrum that is an R line spectrum is obtained.
One example is shown in FIG. At this stage, the peak position of the IR spectrum can be predicted. That is, about 1000 cm
A large peak appears at -1 and a large peak appears at about 500 cm -1 . This result is aS
This coincided with the IR measurement of iO 2 .

【0336】IRスペクトルを求めるには、このライン
スペクトルI(ω)にωと温度Tの関数を掛けて次の式
で求める。
To obtain the IR spectrum, the line spectrum I (ω) is multiplied by the function of ω and the temperature T to obtain the following equation.

【0337】[0337]

【数135】 α(ω)=(4π 2/3hcn)・ω・(1−exp(−hω/kT))・I(ω) …(1463) 種々の応力場でのa−SiO2のIRを求めることによ
り、応力場とa−SiO2の構造とIRスペクトルの詳
細(ピークシフト、ピークショウルダー等)が関連づけ
られた。これにより、実測との対比が可能になった。
[Equation 135] α (ω) = (4π 2 / 3hcn) ・ ω ・ (1−exp (−hω / kT)) ・ I (ω) (1463) IR of a-SiO 2 under various stress fields The stress field, the structure of a-SiO 2 and the details of the IR spectrum (peak shift, peak shoulder, etc.) were associated with each other. This enabled comparison with actual measurements.

【0338】ここで、図96に、本発明者らが新しく開
発した分子動力学シミュレータをα−SiO2に適用
し、計算されたIRスペクトルを示し、図65に本発明
者らが新しく開発した分子動力学シミュレータをa−S
iO2に適用し、外圧が加わった場合の予測されたIR
スペクトルを示す。また、図100及び図101に本発
明者らによる計算手順を示す。なお、図100における
ブロックB内の、個々の原子の運動の式におけるA、B
は、下記式に示される項である。
Here, FIG. 96 shows the IR spectrum calculated by applying the molecular dynamics simulator newly developed by the present inventors to α-SiO 2 , and FIG. 65 shows the newly developed IR spectra by the present inventors. Molecular dynamics simulator aS
Predicted IR when applied to iO 2 and under external pressure
The spectrum is shown. Further, FIGS. 100 and 101 show the calculation procedure by the present inventors. Note that A and B in the equation of motion of individual atoms in block B in FIG.
Is a term represented by the following formula.

【0339】実施例4 本発明に係るシステムを用いることにより、工程中の誘
起応力の大きさやその成分の予測、さらには、その応力
と材料物性との詳細な関連の把握により、基板や層間膜
の塑性変形等の現象を予知することができる。この実施
例では、特に、応力問題を例にあげる。応力誘起をいか
に予測し、プロセス変動幅を考慮しながら、その低減を
はかるかを検討した。
Example 4 By using the system according to the present invention, the magnitude of the induced stress during the process and its components can be predicted, and the detailed relationship between the stress and the physical properties of the material can be grasped. It is possible to predict phenomena such as plastic deformation of the. In this embodiment, the stress problem is taken as an example. We examined how to predict the stress induction and how to reduce it while considering the process fluctuation range.

【0340】昨今の微細素子プロセス設計には、プロセ
ス進行時の応力を考慮することが不可欠である。応力に
ついては、例えば以下の現象が生ずる。
In the recent fine element process design, it is indispensable to consider the stress when the process progresses. Regarding the stress, for example, the following phenomena occur.

【0341】(1)埋込み素子分離法では、Si基板に
溝を掘り、ここにSiO2を埋め込む。この場合、Si
基板とSiO2との熱膨張係数の違いにより、歪や応力
が残留し、熱履歴によっては、結晶欠陥を誘起する場合
もある。従って、できるだけ残留応力を低減できる素子
構造や製造プロセスを立案する必要がある。
(1) In the buried element isolation method, a groove is formed in a Si substrate and SiO 2 is buried therein. In this case Si
Due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the substrate and SiO 2 , strain and stress may remain, and crystal defects may be induced depending on the thermal history. Therefore, it is necessary to plan an element structure and manufacturing process that can reduce residual stress as much as possible.

【0342】(2)高品質の酸化膜を作成する目的か
ら、格子間酸素濃度の低いSi基板を用いることが頻繁
になってきた。このような状況では、Si基板強度が減
少し、塑性変形を誘起しやすい。
(2) For the purpose of forming a high-quality oxide film, it has become common to use a Si substrate having a low interstitial oxygen concentration. In such a situation, the strength of the Si substrate decreases and it is easy to induce plastic deformation.

【0343】(3)浅い接合層の形成維持やウエル領域
の維持を目的に、アニールや酸化工程等の熱工程が、R
TPの採用により、一層基板に負担が多くなってきた。
(3) In order to maintain the formation of a shallow junction layer and the well region, thermal processes such as annealing and oxidation are performed by R
With the use of TP, the load on the substrate has become even higher.

【0344】このような状況のなかで、如何に欠陥の発
生を抑止するかとともに、工程途中で、モニタしなが
ら、応力が規定値やその変動予測値よりも大きい値が観
測されたなら、その原因を即座に明確にするとともに、
今後の工程において、どのように修正を加えるべきかを
示すことが重要である。このことは、クラスタ化ツール
では一層重要である。
In such a situation, along with how to suppress the generation of defects, if a stress larger than the specified value or the predicted fluctuation value thereof is observed while monitoring during the process, Immediately clarify the cause,
It is important to show how modifications should be made in future steps. This is even more important with clustering tools.

【0345】さらにまた、応力の種類や同定は極めて重
要である。最大応力の主応力と主面を追跡することも大
切であるが、分解剪断応力に着目することも重要であ
る。例えば、Si(100)基板を用いている場合、そ
の最優先滑り面は図102に示すように(111)面で
ある。この(111)面上で[100]方向が滑り方向
であるが、この方向に剪断力が働いたときが最も危険で
あると考えられる。
Furthermore, the type and identification of stress are extremely important. It is important to trace the principal stress and principal surface of maximum stress, but it is also important to focus on the decomposition shear stress. For example, when using a Si (100) substrate, the highest priority sliding surface is the (111) surface as shown in FIG. The [100] direction is the sliding direction on this (111) plane, and it is considered that the most dangerous is when a shearing force acts in this direction.

【0346】本発明者らによるシミュレーションシステ
ムは、これらの同定の出力も可能である。このように、
塑性変形に注意をはらいながら、ここではまずトレンチ
部分の酸化を取り上げ、その酸化形状と応力分布、さら
には所定の形状を得るための設計指針について記述して
みる。例えば、トレンチ角の酸化の「尖り」や「丸め」
現象は、応力が寄与していると言われているが、まだそ
の仕組みが分かっていないのが現状である。
The simulation system by the present inventors is also capable of outputting these identifications. in this way,
While paying attention to plastic deformation, we will first take up the oxidation of the trench portion, and describe the oxidation shape and stress distribution, as well as the design guidelines for obtaining the prescribed shape. For example, oxidation of the corners of the trench "pointing" or "rounding"
It is said that stress contributes to the phenomenon, but the mechanism is still unknown.

【0347】これらの現象をつぶさに理解するととも
に、上記「尖り」を抑え「丸め」を進行させる的確なプ
ロセス設計を進めることがまず必要である。また、誘起
応力を的確に把握しなければ酸化膜形状も正確には把握
できない。応力の問題は、単に塑性変形上の問題だだけ
でなく、形状把握、さらには、応力場下での不純物分布
把握にも欠かせない項目でもある。また、今後の1G以
降の素子で展開されるであろうSOI基板のLOCOS
工程後の酸化膜厚の予測等は、通常のSi基板と異な
り、酸化進行時にとりわけ応力の影響を受け易いが、そ
の定量的予測はもっと複雑な問題である。
First of all, it is necessary to understand these phenomena in detail and proceed with an accurate process design that suppresses the above-mentioned "sharpness" and promotes "rounding". Further, the shape of the oxide film cannot be accurately grasped unless the induced stress is properly grasped. The problem of stress is not only a problem of plastic deformation, but also an item that is indispensable for grasping the shape and grasping the distribution of impurities under the stress field. In addition, LOCOS of SOI substrates that will be developed in future 1G and later devices
Prediction of the oxide film thickness after the process is particularly susceptible to the stress during the progress of oxidation unlike the ordinary Si substrate, but its quantitative prediction is a more complicated problem.

【0348】このような背景において、従来の酸化拡散
モデルに代わり、応力下での酸化剤の挙動把握や、応力
下での酸化現象の理解、応力下での不純物再拡散にまで
作業を広げなければならない。しかも短時間で、高速に
計算されなければならない。本発明者等は、応力の発生
とその再分布の予測、さらには応力下での点欠陥2次元
拡散部分まで計算可能な新しい高速汎用プロセスシミュ
レータ部分を作成し、これを、原子レベルシミュレータ
に付加した。即ち、独自開発による高速2次元酸化/拡
散/応力/変形プロセスシミュレータ部を、原子レベル
材料設計システムの母体に付加した。
Against this background, instead of the conventional oxidation-diffusion model, it is necessary to expand the work to grasp the behavior of the oxidizer under stress, understand the oxidation phenomenon under stress, and re-diffuse impurities under stress. I have to. Moreover, it must be calculated at high speed in a short time. The present inventors created a new high-speed general-purpose process simulator part capable of predicting the occurrence of stress and its redistribution, and further calculating the point defect two-dimensional diffusion part under stress, and added this to the atomic level simulator. did. That is, the originally developed high-speed two-dimensional oxidation / diffusion / stress / deformation process simulator was added to the base of the atomic level material design system.

【0349】応力のその場観察の実測は、顕微ラマン及
びFT−IRを用いた。これらの計測器のキャリブレー
ションは、あらかじめ行った。SiやSiO2に関する
物性諸量は、工程表が入力された時点で、あらかじめ原
子レベル材料設計システムにより即座に実行され、求め
られる。これが、高速2次元酸化/拡散/応力/変形プ
ロセスシミュレータ部に送られる。
Microscopic Raman and FT-IR were used for actual measurement of in-situ stress observation. The calibration of these measuring instruments was performed in advance. Various physical properties relating to Si and SiO 2 are obtained by being immediately executed in advance by the atomic level material design system at the time when the process chart is input. This is sent to the high speed two-dimensional oxidation / diffusion / stress / deformation process simulator section.

【0350】本発明者らは、まず、この新しい高速2次
元酸化/拡散/応力/変形プロセスシミュレータ部を用
いて突き止めた「尖り」と「丸め」酸化の現象分析を記
述し、更には、適用例として、埋め込み素子分離工程の
基礎検討結果等を示す。Siが酸化されて、SiO2
なると、体積膨張を起こす。このとき、SiO2には粘
弾性があり、その応力の一部は緩和されるものの、依然
SiとSiO2の両方には応力が残留する。
The inventors first described the phenomenon analysis of "pointing" and "rounding" oxidation which was found by using this new high-speed two-dimensional oxidation / diffusion / stress / deformation process simulator part, and further applied. As an example, the results of a basic examination of the buried element isolation process are shown. When Si is oxidized to SiO 2 , volume expansion occurs. At this time, SiO 2 has viscoelasticity and some of the stress is relaxed, but the stress still remains in both Si and SiO 2 .

【0351】トレンチコーナーの酸化を例にとり、この
ような状況を調べ、図示したのが図103である。ま
ず、濃度Cの酸化剤がSiO2に到達し、SiO2膜中に
侵入して行くが、この時、酸化剤の拡散D´はSiO2
膜中の応力σの影響を受ける、さらに、Si/SiO2
界面で、酸化剤がSiに反応する時にも基板内の残留蓄
積応力の影響を受ける。
FIG. 103 shows such a situation by taking an example of oxidation of the trench corner and examining the situation. First, to reach oxidant concentration C in SiO 2, but going from entering a SiO 2 film, when the diffusion of the oxidant D'is SiO 2
In addition to being affected by the stress σ in the film, Si / SiO 2
At the interface, even when the oxidant reacts with Si, it is affected by residual accumulated stress in the substrate.

【0352】具体的な効果としては、例えば、SiO2
中に圧縮応力σが存在すると、ネットワークの原子間隔
が狭まり、酸化剤の拡散を抑制することになる。また、
Si基板の面上に圧縮応力σが蓄積すると、ここでも、
Si原子間隔が狭まり、酸化剤の侵入を抑え、結果的に
酸化速度を抑えることになる。
As a concrete effect, for example, SiO 2
The presence of compressive stress σ narrows the atomic spacing of the network and suppresses the diffusion of the oxidant. Also,
If the compressive stress σ accumulates on the surface of the Si substrate,
The Si atom interval is narrowed, the invasion of the oxidant is suppressed, and as a result, the oxidation rate is suppressed.

【0353】今、主応力Sのx方向の成分をσxxとし、
また、y方向の成分をσyyとすると、2次元面上の応力
に関しては、下記式(1531)〜(1534)の関係
式が成立する。ここにμは粘性係数、νはポアソン比で
あり、uは変位である。
Now, let the component of the principal stress S in the x direction be σxx,
Further, when the y-direction component is σyy, the relational expressions of the following equations (1531) to (1534) are established regarding the stress on the two-dimensional surface. Where μ is the viscosity coefficient, ν is the Poisson's ratio, and u is the displacement.

【0354】[0354]

【数136】 ところで、一般に粘性率μの温度依存性は上記式(15
34)で表現できる。ここで、VISC.O、VIS
C.Eは、それぞれ比例定数及び活性化エネルギーを示
す。したがって、上記角応力式にμの温度依存性を加味
すると、温度上昇とともに、各主応力の成分が減少する
ことがわかる。また、Si/SiO2 界面にまで到達し
た酸化剤がSi表面で反応する時の反応定数κs ′は、
同様に上記式(56)のように書き表せる。ここにκs
は、応力が存在しない場合の値である。ここで、σn
は、σn =−(σxxnx 2 +σyyny 2 +2σxynx n
y )であり、στ=−(σxxny 2 +σyynx 2 −2σ
xynx ny )である。VRはパラメータである。この式
から、圧縮応力が増大するとともに、酸化反応定数が減
少することがわかる。上記のSi/SiO2界面で、酸
化剤がSiに反応する時の基板内の残留蓄積応力の影響
がこれである。
[Equation 136] By the way, generally, the temperature dependence of the viscosity μ is expressed by the above equation (15
34). Here, VISC. O, VIS
C. E indicates a proportional constant and activation energy, respectively. Therefore, when the temperature dependence of μ is added to the above angular stress equation, it is understood that the components of each principal stress decrease with increasing temperature. Further, the reaction constant κ s ′ when the oxidizing agent reaching the Si / SiO 2 interface reacts on the Si surface is
Similarly, it can be expressed as the above equation (56). Where κs
Is the value when no stress is present. Where σn
Is σn =-(σxxnx 2 + σyyny 2 + 2σxynx n
y) and στ = − (σxxny 2 + σyynx 2 −2σ
xynx ny). VR is a parameter. From this equation, it can be seen that as the compressive stress increases, the oxidation reaction constant decreases. This is the effect of residual accumulated stress in the substrate when the oxidizer reacts with Si at the Si / SiO 2 interface.

【0355】さらに、酸化膜中の酸化剤の拡散係数D′
は、上記式(1531)で表現できる。ここに、pは次
式で表現される。即ちp=−1/2(σxx+σyy)であ
る。またDは応力が存在しない場合の拡散係数である。
この式の意味合いは、以下の様に解釈できる。すなわ
ち、応力σxxやσyyは、引っ張りを正、圧縮を負に取っ
ている。従って、膜内にもし圧縮応力が存在し、物質が
密な状態であれば、拡散係数は小さくなることを示して
いる。上記式は、このことを表現したものである。
Furthermore, the diffusion coefficient D'of the oxidant in the oxide film
Can be expressed by the above equation (1531). Here, p is expressed by the following equation. That is, p = -1 / 2 (σxx + σyy). D is a diffusion coefficient in the absence of stress.
The meaning of this equation can be interpreted as follows. That is, the stresses σxx and σyy are such that the tension is positive and the compression is negative. Therefore, it is shown that if there is compressive stress in the film and the substance is in a dense state, the diffusion coefficient becomes small. The above equation expresses this.

【0356】本発明者らが見いだした、この部分のみの
計算手順を図104に示す。まず、Si/SiO2界面
での各節点での酸化剤の濃度を求める。しかる後に、こ
の濃度を基に、1回目の各節点での仮の酸化速度を算出
する。その上で、各節点でのSiO2膜の成長量uを求
める。このuを用いて、上記式(57)から応力Sを求
める。この応力を用いて、式(56)、式(153
1)、さらに式(1534)を用いて酸化速度を再度計
算し直す。そして再び、成長量を求め、応力を算出す
る。そして、十分応力が収束すると、改めて、新しい酸
化時間の進行を始める。即ちニュートン法を用いている
わけである。
FIG. 104 shows the calculation procedure for only this portion found by the present inventors. First, the concentration of the oxidant at each node at the Si / SiO 2 interface is determined. Then, based on this concentration, a temporary oxidation rate at each node for the first time is calculated. Then, the growth amount u of the SiO 2 film at each node is obtained. Using this u, the stress S is obtained from the above equation (57). Using this stress, equations (56) and (153)
1) and then recalculate the oxidation rate using equation (1534). Then, again, the growth amount is obtained and the stress is calculated. Then, when the stress is sufficiently converged, a new oxidation time starts to advance again. That is, the Newton method is used.

【0357】この図104からも分かるように、酸化時
の応力計算は非常に長時間の演算時間を要する。典型的
なトレンチ構造で、初期節点1300点で、900℃の
酸化を試みた。酸化雰囲気はドライ酸素100%とし、
また酸化時間は300分とした。EWS Sun4を用
いて、計算時間を調べてみた。従来技術であれば、概ね
15900分の時間を要する。これはほぼ10日間にも
達し、このままでは、実用には極めて不向きである。
As can be seen from FIG. 104, the stress calculation during oxidation requires a very long calculation time. Oxidation at 900 ° C. was attempted with a typical trench structure and an initial node of 1300 points. The oxidizing atmosphere is 100% dry oxygen,
The oxidation time was 300 minutes. The calculation time was examined using EWS Sun4. In the case of the conventional technique, it takes about 15900 minutes. This reaches almost 10 days, and as it is, it is extremely unsuitable for practical use.

【0358】本発明者等は、ニュートン法部分の計算に
関しては、偏分原理を導入し、前回の収束状況を保存し
ておき、これの1次微分を利用して収束計算を進めた。
この方法により、900℃〜1100℃を例にとり、従
来手法の1000分の1以下に短くすることが出来た。
これにより、本シミュレータは、材料物性値の適正化
と、演算部の高速化を進め、実時間用ツールとして利用
できるところまで到達した。本発明者らはさらに、シミ
ュレータの基本精度として、酸化膜厚の時間依存性値の
精度や、トレンチ角部の形状再現性等を調べてみた。
Regarding the calculation of the Newton's method part, the present inventors have introduced the deviation principle, saved the previous convergence state, and proceeded with the convergence calculation by using the first derivative of this.
With this method, it was possible to reduce the temperature to one thousandth or less of that of the conventional method, taking 900 to 1100 ° C. as an example.
As a result, this simulator has reached the point where it can be used as a real-time tool by optimizing the material property values and increasing the speed of the calculation unit. The inventors further examined the accuracy of the time-dependent value of the oxide film thickness, the shape reproducibility of the trench corners, and the like as the basic accuracy of the simulator.

【0359】図105〜77は、上記シミュレータを用
いて、成長膜厚の温度、時間依存性を調べた結果をグラ
フにまとめたものである。ここには表示しなかったが、
本発明者らは、酸素分圧が10%やさらに1%の時の減
圧挙動についても調べた。その結果、酸化速度が遅いと
きには、酸化膜の膨張に伴う応力が十分緩和しながら進
行するので、基板には応力が蓄積せず、従って、凸部分
にも均一な酸化膜が形成される。本発明者らの慎重な検
討の結果、特に酸化初期に、酸素分圧をさげて、酸化速
度を遅くして、十分緩和させながら徐々に酸素分圧を挙
げて行く方法が有効であることがわかった。
FIGS. 105 to 77 are graphs showing the results of examining the temperature and time dependence of the grown film thickness using the above simulator. I didn't show it here,
The present inventors also investigated the decompression behavior when the oxygen partial pressure was 10% or even 1%. As a result, when the oxidation rate is slow, the stress accompanying the expansion of the oxide film proceeds while being sufficiently relaxed, so that the stress does not accumulate on the substrate, and therefore a uniform oxide film is formed also on the convex portion. As a result of careful examination by the present inventors, it is effective that the oxygen partial pressure is lowered at the initial stage of oxidation to slow down the oxidation rate and gradually increase the oxygen partial pressure while sufficiently relaxing it. all right.

【0360】本発明者らは、本システムを用い、トレン
チ角の「尖り」と「丸め」がなぜ起きるのかを調べた。
既に述べたように、トレンチ角の酸化ではいくつかの要
素を考慮する必要がある。以下に、対応する5個の重要
要素を記す。
The present inventors have used this system to investigate why "sharpness" and "rounding" of trench angles occur.
As already mentioned, several factors need to be considered in trench corner oxidation. The following describes five corresponding important elements.

【0361】(1)酸化膜粘弾性モデル (2)シリコン弾性モデル (3)酸化剤拡散の応力依存性モデル (4)酸化速度の面方位依存性モデル (5)酸化剤/Si反応のSi表面応力依存性モデル 本発明者らはこれら5個のモデルの内、もっとも支配的
なものは、意外にも第5のモデル即ち、Si/SiO2
界面でのSi基板の応力であることを突き止めた。ここ
で、900℃でのドライ酸化を取り上げることにする。
この時の酸化膜の形状及びSi/SiO2界面の形状を
よくみると、殆どまだ「尖り」形状は認められない。9
00℃ドライ酸化で300分経過後になると、900℃
近傍の酸化温度では、トレンチ角が尖る現象を次のよう
に分析した。
(1) Oxide film viscoelastic model (2) Silicon elastic model (3) Stress dependence model of oxidant diffusion (4) Plane orientation dependence model of oxidation rate (5) Si surface of oxidizer / Si reaction Stress Dependent Model The present inventors surprisingly find that the most dominant of these five models is the fifth model, namely Si / SiO 2.
It was found that it was the stress of the Si substrate at the interface. Here, dry oxidation at 900 ° C. will be taken up.
When the shape of the oxide film and the shape of the Si / SiO 2 interface at this time are examined carefully, almost no "sharp" shape is observed. 9
After 300 minutes of 00 ° C dry oxidation, 900 ° C
The phenomenon that the trench angle is sharp at the oxidation temperature in the vicinity was analyzed as follows.

【0362】即ち、100分程度までであれば、さほど
応力は発生しない。しかし、酸化とともに、SiO2
積膨張により、圧縮応力が角部のSiO2膜内とSi先
端部側に集中する。とりわけ、900℃近傍では、粘性
流動効果が小さく、酸化膜の形状緩和効果が小さい。そ
して、Si表面での圧縮応力により、酸化反応が抑止さ
れ、結果として尖るわけである。しかし、1100℃に
なると、粘性流動効果がおおきく、酸化膜の形状緩和効
果がおおきい。そして、Si表面での圧縮応力の蓄積が
なく、結果としてまるくなる。この状況を示したのが図
108である。これらの応力の予測値は、ラマン測定や
IR測定の結果、±10%以内の精度で測定確認でき
た。
That is, no stress is generated so much for up to about 100 minutes. However, due to the SiO 2 volume expansion along with the oxidation, the compressive stress concentrates in the corner SiO 2 film and the Si tip side. Especially, in the vicinity of 900 ° C., the viscous flow effect is small and the shape relaxation effect of the oxide film is small. The compressive stress on the Si surface suppresses the oxidation reaction, resulting in sharpening. However, at 1100 ° C., the viscous flow effect is large and the shape relaxation effect of the oxide film is large. Then, there is no accumulation of compressive stress on the Si surface, resulting in rounding. This situation is shown in FIG. As a result of Raman measurement and IR measurement, the predicted values of these stresses could be measured and confirmed with an accuracy within ± 10%.

【0363】以上の知見を準備しておき、さらに本発明
者らは、上記シミュレーションシステムを、素子分離領
域の面積低減化を目的に、STI(Shallow T
rench Isolarion)の基礎検討の一部に
適用した。ここでは特に、トレンチの上部角の丸め工程
の基礎検討を進めた。酸化温度は1100℃、酸素分圧
は3%で、100分経過後について見た。その結果、以
下のことがわかる。
With the above knowledge prepared, the inventors of the present invention further implemented the above-mentioned simulation system with the STI (Shallow TW) for the purpose of reducing the area of the element isolation region.
It was applied to a part of the basic study of the French Isolation. Here, especially, the basic study of the rounding process of the upper corner of the trench was advanced. The oxidation temperature was 1100 ° C., the oxygen partial pressure was 3%, and it was observed after 100 minutes. As a result, the following can be seen.

【0364】(1)はじめは、poly Siの酸化
と、バッファ酸化膜の後退部分の隙間が酸化される。こ
の時、角部は尖り気味である。
(1) Initially, the oxidation of poly Si and the gap in the recessed portion of the buffer oxide film are oxidized. At this time, the corners are slightly sharp.

【0365】(2)引き続き酸化が進み、隙間が酸化さ
れ、埋め尽くされると、酸化剤の供給が急激に減少し、
側面からの酸化が律速になり、角部は結果的には丸みを
帯びてくる。また主応力は隙間近傍が大きい。
(2) When the oxidation continues and the gap is oxidized and filled up, the supply of the oxidant is rapidly reduced,
Oxidation from the side becomes rate-determining, and the corners eventually become rounded. The main stress is large near the gap.

【0366】これに対して、1000℃酸素分圧50%
での酸化時の応力分布について検討した。時間は30分
経過後である。その結果、先の1100℃酸化の応力分
布に比べ、若干応力が大きくなっていることがわかる。
以上の考察から、トレンチ角部の尖りを抑止するには、
Si表面に残留応力を蓄積させないことが第一の条件で
あることがわかる。このための基本的な施策としては、
低温でも十分酸化速度を抑え、酸化膜の変形緩和を十分
起こさせること等が考えられる。
On the other hand, 1000 ° C. oxygen partial pressure 50%
The stress distribution during oxidation was investigated. The time is after 30 minutes. As a result, it can be seen that the stress is slightly higher than the stress distribution of 1100 ° C. oxidation.
From the above consideration, to suppress the sharpness of the trench corner,
It is understood that the first condition is that residual stress is not accumulated on the Si surface. The basic measures for this are:
It is conceivable that the oxidation rate is sufficiently suppressed even at a low temperature and the deformation relaxation of the oxide film is sufficiently caused.

【0367】本発明者らは、さらに塑性変形シミュレー
タとの合体化を進めた。その結果、酸化のみならず、T
EOS膜堆積後の変形等も調べられることがわかった。
The present inventors have further promoted integration with a plastic deformation simulator. As a result, not only oxidation but also T
It was found that the deformation after deposition of the EOS film can also be investigated.

【0368】以上の結果をもとに、本発明者らは、特に
すべり面である(111)面上での分解剪断応力に着目
し、2次元シミュレーションシステムでは(110)面
上に投影した値をみた。また熱履歴として、300度/
分であれば良いが、ウエハ内で熱不均一が発生し、部分
的にもし、600度/分にまで達すると、部位によって
は、応力により、転位が発生することも突き止めた。
Based on the above results, the present inventors pay particular attention to the decomposition shear stress on the (111) plane, which is a slip plane, and in the two-dimensional simulation system, the value projected on the (110) plane. I saw. In addition, the heat history is 300 degrees /
However, it was found that thermal non-uniformity occurs in the wafer, and if the temperature reaches 600 degrees / minute, dislocations are generated due to stress depending on the part.

【0369】以上の予備知見を別途用意しておいて、実
時間でのバイポーラCMOSの製造工程について本発明
を適用した。すなわち、シミュレーションによる逐次予
測と、各工程での必要最小限度のその場測定量との対
比、さらには、各工程の因子のばらつき量と許容量につ
いて検討した。ここではとくに、犠牲酸化の酸化時間ば
らつきと、形状等の許容量とについて実施した例を以下
に示す。
The above preliminary knowledge was prepared separately, and the present invention was applied to the manufacturing process of the bipolar CMOS in real time. That is, the comparison between the sequential prediction by simulation and the minimum required in-situ measurement amount in each process, and further, the variation amount and the allowable amount of the factor in each process were examined. Here, in particular, an example in which the variation of the sacrificial oxidation time and the allowable amount of the shape and the like are performed will be described below.

【0370】基本工程は、図109に示す通りである。
さらに引き続き、素子分離用RIEエッチング→酸化→
多結晶Si埋め込み→CMP→多結晶Si部分の犠牲酸
化→の各工程がある。それぞれの工程の因子に変動幅が
ある。この実施例では、多結晶Si部分の犠牲酸化の部
分の特に酸化量に着目した。酸化量の変動幅として、酸
化量零の場合と所定量の2つについて実時間計算結果を
示す。酸化量と、その途上の酸化形状、応力分布さらに
は、この後に続く、LOCOS工程での酸化膜形状及び
その応力の成分特性の変化を示す。
The basic steps are as shown in FIG.
Furthermore, RIE etching for element isolation → oxidation →
There are steps of polycrystal Si embedding → CMP → sacrificial oxidation of the polycrystal Si portion →. There are variations in the factors of each process. In this example, the amount of oxidation was particularly focused on the sacrificial oxidation portion of the polycrystalline Si portion. As the fluctuation range of the oxidation amount, the results of real-time calculation are shown for two cases of zero oxidation amount and a predetermined amount. The amount of oxidation, the oxidized shape on the way thereof, the stress distribution, and further the change of the oxide film shape and the component characteristic of the stress in the subsequent LOCOS process are shown.

【0371】図110は、1000℃、LOCOS工程
終了時のσxxの分布図、図111は、同じく1000
℃、LOCOS工程終了時のσyyの分布図、また図11
2は、同じく1000℃、LOCOS工程終了時のσxy
の分布図、図113はLOCOS工程終了後、25℃に
温度を下げた時のσxxの分布図、図114は、同じくL
OCOS工程終了後、25℃に温度を下げた時のσyyの
分布図、また図115は、同じくLOCOS工程終了
後、25℃に温度を下げた時のσxyの分布図をそれぞれ
示す。
FIG. 110 is a distribution chart of σxx at the end of the LOCOS process at 1000 ° C., and FIG.
Distribution diagram of σyy at the end of ℃ and LOCOS process
2 is σxy at the end of the LOCOS process at 1000 ° C.
FIG. 113 is a distribution chart of σxx when the temperature is lowered to 25 ° C. after the LOCOS process is finished, and FIG. 114 is the same as L
After the OCOS process is finished, the distribution diagram of σyy when the temperature is lowered to 25 ° C., and FIG. 115 is the distribution diagram of σxy when the temperature is reduced to 25 ° C. after the completion of the LOCOS process, respectively.

【0372】これらの図で解るように、CMP後、多結
晶Si膜に対する犠牲酸化が全くない場合は、多結晶S
i膜の表面と窒化膜の表面とが揃っている。この状態で
LOCOS工程を行うと、酸化によって膨張した酸化膜
が窒化膜の横から押すことになる。一方、犠牲酸化を若
干なりとも行った場合は、上手く窒化膜が曲がって行く
ので、応力が緩和して行く。その結果を図116に示し
た。
As can be seen from these figures, if there is no sacrificial oxidation on the polycrystalline Si film after CMP, the polycrystalline S
The surface of the i film and the surface of the nitride film are aligned. If the LOCOS process is performed in this state, the oxide film expanded by oxidation pushes from the side of the nitride film. On the other hand, if the sacrificial oxidation is performed to some extent, the nitride film bends well, and the stress relaxes. The result is shown in FIG.

【0373】また、本発明者らは、本発明者らが提唱し
てきた上記、経験的原子間ポテンシャルを用いた高速分
子動力学シミュレータと汎用プロセスシミュレータとを
合体させたシミュレーションシステムを用いて、酸化工
程や、層間絶縁膜形成工程、さらには、配線工程を経た
後に、MOS素子のSi基板や酸化膜に残留した応力
が、酸化膜の電気的特性に特に大きな影響を及ぼすこと
を突き止めた。
Further, the inventors of the present invention used the above-mentioned simulation system combining the high-speed molecular dynamics simulator using the empirical interatomic potential and the general-purpose process simulator proposed by the present inventors. It was found that the stress remaining in the Si substrate and the oxide film of the MOS element after the process, the interlayer insulating film forming process, and the wiring process has a great influence on the electrical characteristics of the oxide film.

【0374】本発明者らは、上記シミュレータを用い
て、逐次応力生成工程と生成部位をリアルタイムで予測
するとともに、例えば、EEPROM素子部分のトンネ
ル酸化膜が最終的にどのような保持特性等を示すかも出
力させた。さらに、このシステムを用いることにより、
最終的に得られる素子の保持特性の許容幅にたいして、
現在進行中の素子がどのような特性を与えるかも予測で
きる。これが、本発明になるシステムの効力である。さ
らに、工程進捗中に、上手くこのシステムを利用し、最
適な特性を得ることができる様に、引き続く工程を修正
あるいは回避したりすることができる。この実施例を以
下に示す。
The inventors of the present invention predict the successive stress generation process and the generation site in real time by using the above simulator, and show, for example, what kind of retention characteristics the tunnel oxide film of the EEPROM element part finally has. I also output it. Furthermore, by using this system,
With respect to the allowable width of the retention characteristics of the finally obtained element,
It is also possible to predict what characteristics the device in progress gives. This is the power of the system according to the present invention. Furthermore, during the progress of the process, the system can be successfully used to modify or avoid subsequent processes so that optimum characteristics can be obtained. This example is shown below.

【0375】実施例5 この実施例は、本発明をシリコン熱酸化膜中の応力問題
に適用した例を示す。応力問題は、シリコン基板中での
結晶欠陥や転位の発生を抑制するために重要であるが、
それだけではなく、様々な材料において、膜質に影響を
与える要因としても重要である。
Example 5 This example shows an example in which the present invention is applied to the problem of stress in a silicon thermal oxide film. The stress problem is important for suppressing the generation of crystal defects and dislocations in the silicon substrate,
Not only that, it is also important as a factor affecting the film quality in various materials.

【0376】シリコン熱酸化膜には、シリコンが酸化さ
れる際の体積膨張に起因した酸化応力と、昇降温によっ
て生じる熱応力とが生じており、これらが酸化膜質に影
響を与えている。すなわち、原子レベルで言うと、応力
はシリコン酸化膜のネットワーク構造に影響を与え、S
iO2系の単位構造であるテトラヘドロン構造にまで影
響する可能性がある。引いては、電気的な絶縁性にも影
響をもたらす。そこで、本発明者らは、シリコン酸化膜
におけるIRスペクトルや原子レベルでの構造、及び電
気的特性への知見を準備しつつ、酸化膜質を制御しなが
ら酸化工程を進めた。
In the silicon thermal oxide film, oxidative stress caused by volume expansion when silicon is oxidized and thermal stress caused by temperature rising / falling occur, which affect the quality of the oxide film. That is, at the atomic level, stress affects the network structure of the silicon oxide film, and S
It may affect the tetrahedron structure, which is the unit structure of the iO 2 system. It also affects the electrical insulation. Therefore, the present inventors proceeded with the oxidation process while controlling the quality of the oxide film while preparing the knowledge about the IR spectrum, the structure at the atomic level, and the electrical characteristics of the silicon oxide film.

【0377】最初に、本発明者らは、前段階として、シ
リコン酸化膜のIRスペクトルと原子レベルでの構造及
び電気的特性を調べた。図117に示すように、シリコ
ン(100)基板を用意し、素子分離工程を行って、素
子分離領域により分離された素子領域を作成した。次
に、シリコン基板を酸化装置に導入し、図118に示す
ようにゲート熱酸化膜を形成した。この時、酸化温度を
800℃から1100℃まで種々変化させた。
First, the present inventors examined the IR spectrum of the silicon oxide film and the structure and electrical characteristics at the atomic level as a pre-stage. As shown in FIG. 117, a silicon (100) substrate was prepared and an element isolation process was performed to form an element region separated by the element isolation region. Next, the silicon substrate was introduced into an oxidation device to form a gate thermal oxide film as shown in FIG. 118. At this time, the oxidation temperature was variously changed from 800 ° C to 1100 ° C.

【0378】所定の膜厚のシリコン酸化膜を形成した
後、基板温度を降温させた。この時、基板温度の降温
は、図119に示すように2段階で行った。第1段階は
基板温度を900℃まで降温する工程であり、基板温度
を急冷させた。第2段階は900℃から室温まで降温さ
せる工程であり、降温速度には特に留意はしなかった。
酸化温度を900℃以下に設定した場合には、第2段階
だけで降温した。
After forming a silicon oxide film having a predetermined thickness, the substrate temperature was lowered. At this time, the substrate temperature was lowered in two steps as shown in FIG. The first step is a step of lowering the substrate temperature to 900 ° C., and the substrate temperature was rapidly cooled. The second stage is a step of lowering the temperature from 900 ° C. to room temperature, and no particular attention was paid to the temperature lowering rate.
When the oxidation temperature was set to 900 ° C. or lower, the temperature was lowered only in the second stage.

【0379】この降温条件の設定は、別途、酸化膜の粘
性緩和挙動の解析から決定した。一般的に、酸化膜は高
温では柔らかくなり、粘性流動によって応力が緩和しや
すくなると言われている。そこで、本発明者らは、粘性
による応力緩和挙動を詳細に調べた。降温速度による応
力緩和の特性の変化を調べた例を、図120及び図12
1に示した。本例では、酸化温度は1000℃とした。
The setting of the temperature lowering condition was separately determined from the analysis of the viscosity relaxation behavior of the oxide film. It is generally said that the oxide film becomes soft at high temperature and the stress is easily relaxed by viscous flow. Therefore, the present inventors have investigated the stress relaxation behavior due to viscosity in detail. An example of investigating a change in stress relaxation characteristics depending on the temperature decrease rate is shown in FIGS.
1 is shown. In this example, the oxidation temperature was 1000 ° C.

【0380】図120は典型的な酸化工程を行った後、
それぞれ1000℃で保持した場合、600℃/min
で急冷した場合、6℃/minで徐冷した場合におけ
る、表面に沿った方向の主応力の最大値を調べた結果で
ある。図120に示す結果から、1000℃保持の場合
と徐冷の場合では約1分で応力が緩和し、急冷では粘性
緩和は僅かで、熱応力が重畳されるのみであることが分
かった。
FIG. 120 shows that after performing a typical oxidation process,
When held at 1000 ℃, 600 ℃ / min
It is the result of examining the maximum value of the principal stress in the direction along the surface in the case of rapid cooling at 6 ° C./min. From the results shown in FIG. 120, it was found that the stress was relaxed in about 1 minute in the case of holding at 1000 ° C. and in the case of slow cooling, the viscosity relaxation was slight in the rapid cooling, and only the thermal stress was superposed.

【0381】図121は、同じ降温過程での応力挙動
を、横軸を温度にしてプロットした図である。図121
から、950℃以上の温度領域では応力緩和が顕著であ
り、粘性体もしくは粘弾性体の挙動を示し、950℃以
下では応力緩和が殆ど起こらず、酸化膜は弾性体の挙動
を示すことが分かった。
FIG. 121 is a diagram in which stress behavior in the same temperature decreasing process is plotted with the horizontal axis representing temperature. FIG. 121
From this, it is found that stress relaxation is remarkable in the temperature range of 950 ° C. or higher, and the behavior of a viscous body or a viscoelastic body is exhibited, and that stress relaxation hardly occurs at 950 ° C. or lower, and the oxide film exhibits an elastic body behavior. It was

【0382】このような計算例から推察されるように、
本実施例で行った2段階降温を用いれば、粘性緩和が生
じる温度領域を可能な限り短時間で通過させることによ
り、粘性緩和を抑えることが可能となり、しかも酸化温
度を種々変化させることにより、酸化膜とシリコン基板
の熱膨張係数の差から生じる熱応力を種々設定すること
が出来る。
As inferred from such a calculation example,
By using the two-step temperature reduction performed in this example, it is possible to suppress the viscosity relaxation by passing through the temperature region where the viscosity relaxation occurs in the shortest possible time, and by changing the oxidation temperature variously, It is possible to set various thermal stresses caused by the difference in thermal expansion coefficient between the oxide film and the silicon substrate.

【0383】このようにして作成した試料を用い、シリ
コン酸化膜直下での基板表面方向の引っ張り応力を顕微
ラマン分光を用いて断面から測定したところ、シリコン
基板中に種々の熱応力が誘起していることが確認され
た。また、本発明者らは、これら基板中の応力誘起測定
値と図122に例示した計算結果とを比較して、酸化膜
中に誘起されている応力値を推察した。尚、本発明者ら
は、これら応力計算を行うに当たって、本発明者らが構
築した分子レベルから汎用レベルまで含めた材料、工程
予測シュミレーションシステムを使用した。その結果、
酸化温度と酸化膜中の圧縮応力との間に、図123に示
す関係が得られた。図123から、酸化温度の上昇とと
もに、酸化膜中の圧縮応力の最大値が直線的に増加する
ことがわかる。
Using the sample thus prepared, the tensile stress in the substrate surface direction immediately below the silicon oxide film was measured from the cross section using microscopic Raman spectroscopy. As a result, various thermal stresses were induced in the silicon substrate. Was confirmed. The present inventors also compared the stress-induced measured values in these substrates with the calculation results illustrated in FIG. 122 to infer the stress values induced in the oxide film. In addition, in performing these stress calculations, the present inventors used the material and process prediction simulation system constructed by the present inventors from the molecular level to the general-purpose level. as a result,
The relationship shown in FIG. 123 was obtained between the oxidation temperature and the compressive stress in the oxide film. From FIG. 123, it can be seen that the maximum value of the compressive stress in the oxide film linearly increases as the oxidation temperature rises.

【0384】次の準備として、以上のように形成された
圧縮応力を生じた酸化膜に対して、IRスペクトルを測
定した。また一方、この圧縮応力が付加された場合の酸
化膜構造とIRぺクトルの計算機予測を、古典的分子動
力学法を用いて行った。図124は、圧縮応力付加の有
無による計算IRぺクトルの変化を示している。
As the next preparation, the IR spectrum was measured for the oxide film having the compressive stress formed as described above. On the other hand, the computer simulation of the oxide film structure and IR spectrum when this compressive stress was applied was performed using the classical molecular dynamics method. FIG. 124 shows a change in the calculated IR vector depending on the presence / absence of the compressive stress.

【0385】図125は、IRスペクトルの測定値から
Si−O−Si非対称伸縮ピークの応力による波数シフ
トを測定した結果である。実測値と計算値とを比較する
と、圧縮応力でSi−O−Siの非対称伸縮ピークの出
現波数が、応力付加無しの場合よりも低波数側にシフト
する様子が計算IRスペクトルから得られており、実験
と計算は良く一致する事が分かった。そこで、応力を様
々に付加した場合の非晶質構造とIRフルスペクトルを
計算し、準備した。
FIG. 125 shows the result of measuring the wave number shift due to the stress of the Si—O—Si asymmetric stretching peak from the measured value of the IR spectrum. Comparing the measured value and the calculated value, it is found from the calculated IR spectrum that the appearance wave number of the asymmetric expansion / contraction peak of Si—O—Si due to the compressive stress shifts to the lower wave number side than that in the case where no stress is applied. , It turned out that the experiment and the calculation agree well. Therefore, the amorphous structure and IR full spectrum when various stresses were applied were calculated and prepared.

【0386】さらに次の準備として、応力と電気特性と
の関連を調べた。前述の種々の圧縮応力を生じている酸
化膜をゲート絶縁膜として使用し、その上にゲート電極
を堆積して、Qbdの測定を行った。ゲ一卜電極の堆積
等は、酸化膜の粘性緩和が生じないように、900℃以
下の温度で全ての工程を行つた。そして、前述の分子動
力学計算から予測された酸化膜構造とQbdとの相関を
調べた。
Further, as the next preparation, the relationship between stress and electrical characteristics was examined. Qbd was measured by using the above-mentioned oxide film that produces various compressive stresses as a gate insulating film, and depositing a gate electrode thereon. In order to prevent the viscosity relaxation of the oxide film, all steps such as the deposition of the gate electrode were performed at a temperature of 900 ° C. or lower. Then, the correlation between the oxide film structure predicted from the above-mentioned molecular dynamics calculation and Qbd was examined.

【0387】図126は、種々の応力場での酸化膜のS
i−O原子の動径分布関数を算出した後、第一近接のS
i−O原子間隔が1.8オングストローム以上となって
いる結合の出現頻度とQbdとの相関を求めた結果であ
る。図126から、Si−O原子間隔が1.8A以上と
なっている出現頻度が5%を越えると、Qbdが顕著に
減少しており、Si−0原子間隔と酸化膜絶縁破壊とが
関連していることが分かった。また、IRスペクトルシ
フト量は約15cm-1となつていた。
FIG. 126 shows the S of the oxide film under various stress fields.
After calculating the radial distribution function of the i-O atom, S of the first proximity is calculated.
It is the result of having calculated | required the correlation with the frequency of appearance of the bond in which i-O atom spacing is 1.8 angstroms or more, and Qbd. From FIG. 126, when the frequency of appearance in which the Si—O atomic spacing is 1.8 A or more exceeds 5%, Qbd is remarkably reduced, and the Si-0 atomic spacing and the oxide film dielectric breakdown are associated with each other. I found out. The IR spectrum shift amount was about 15 cm -1 .

【0388】酸化膜に圧縮応力が加わった場合の非晶質
ネフトワーク構造の変化は、(1)酸化膜の密度が増加
することから、Si−0結合長は減少するという予想
と、(2)薄膜熱酸化膜のIR測定と中心カモデルか
ら、Si−O−Si結合角度が減少するという予想の2
通りの予想がなされてきた。しかしながら、本発明者ら
は、独自に開発したシミュレータにより、図127に示
したように、酸化膜の密度増加はSi−O結合長の単純
減少にはつながらず、むしろ、結合長分布が広がり、伸
びた結合の割合が増加することを新たに見い出した。加
えて、Qbdとの相関まで見い出した。
The change in the amorphous network structure when a compressive stress is applied to the oxide film is (1) the expectation that the Si-0 bond length will decrease because the density of the oxide film increases, and (2) From the IR measurement of the thin thermal oxide film and the central model, it is expected that the Si-O-Si bond angle will decrease.
The street has been predicted. However, as shown in FIG. 127, the inventors of the present invention have shown that, as shown in FIG. 127, the increase in the density of the oxide film does not lead to the simple decrease in the Si—O bond length, but rather the spread of the bond length spreads. We have newly found that the proportion of stretched bonds increases. In addition, the correlation with Qbd was also found.

【0389】Qbdと伸びたSi−O結合の相関がある
物理的理由については、本発明者らはまだ詳細を解明し
ていないが、その理由のーつを最近報告された論文から
以下のように推察する。引用論文は、「薄膜・表面物理
分科会研究報告、極薄シリコン酸化膜の形成・評価・信
頼性」で金田氏によって報告された「酸化膜中の局所的
変形および不純物による正孔捕獲」p.101−104
である。金田氏が分子軌道法プログラムGAUSSIA
Nを使用して計算したところによると、「伸びたSi−
O−Siがあれば、その中心の酸素への正孔の捕獲が誘
発される。捕獲された正孔は酸素に強く局在するので、
電子に対しては捕獲中心として働く。この結果、酸素の
多くは電子を捕獲して元の状態に戻る。しかし、一部は
電子と正孔の再結合で放出された数eVのエネルギーを
得て、伸びて弱くなっているSi−O結合を切って格子
間へ飛び出し、例えば酸素欠損のような2次的な欠陥を
生成しうる。」と報告されている。
Regarding the physical reason why Qbd and the extended Si—O bond are correlated, the present inventors have not yet clarified the details, but one of the reasons is as follows from a recently reported paper. Guess. The cited paper is "Local deformation in oxide film and hole trap by impurities" reported by Mr. Kaneda in "Research Report on Thin Film and Surface Physics Subcommittee, Formation, Evaluation and Reliability of Ultrathin Silicon Oxide Film" p . 101-104
It is. Mr. Kaneda is the molecular orbital method program GAUSSIA
According to the calculation using N, "stretched Si-
The presence of O-Si induces the trapping of holes into oxygen at the center. Since the trapped holes are strongly localized in oxygen,
It acts as a trap center for electrons. As a result, most of oxygen captures electrons and returns to its original state. However, a part of them obtains energy of several eV released by recombination of electrons and holes, breaks Si—O bonds that are extended and weakened, and jumps out to the interstitial space, and secondary electrons such as oxygen deficiency are generated. Can generate a specific defect. Is reported.

【0390】本発明者らによると、この報告のように、
応力付加により伸びた結合が増加し、酸素欠損欠陥が形
成されることが予想される。さらに、酸素欠損欠陥には
様々な構造が考えられるが、酸素欠損両端のSi原子が
大きく引き離された構造では、電子状態も大きく変化し
て、バンドギャップ内に準位が形成されたり、電気伝導
を生じる電子分布に変化すると推測される。そして酸化
膜の絶縁性が劣化するものと推察される。
According to the present inventors, as in this report,
It is expected that stress bonding will increase the number of extended bonds and form oxygen deficiency defects. Further, although various structures can be considered for oxygen deficiency defects, in a structure in which Si atoms at both ends of the oxygen deficiency are largely separated, the electronic state also largely changes, a level is formed in the band gap, and electric conduction It is presumed that the electron distribution will change. It is presumed that the insulating property of the oxide film deteriorates.

【0391】以上のような準備を行うことにより、応力
場中での酸化膜のIRスペクトルが予測でき、さらに、
原子レベルでの構造と電気的特性との相関が得られたこ
とから、本発明者らは、「製造工程の修正」を試みた。
By making the above preparations, the IR spectrum of the oxide film in the stress field can be predicted.
Since the correlation between the structure and the electrical property at the atomic level was obtained, the present inventors sought to “correct the manufacturing process”.

【0392】所定工程まで進んだSiウエハを、酸化膜
形成装置に導入し、1050℃、5%塩酸を含むdry
2雰囲気で、所望の膜厚の酸化膜を形成した。酸化
膜形成後に室温までウエハを急冷し、形成した酸化膜の
IRスペクトルを測定した。測定値より、IRスペクト
ルのSi−O非対称伸縮振動ピーク波数を読みとり、応
力が生じていない場合の同波数からのシフト量を計算し
たところ、17cm-1のシフトが測定された。
The Si wafer which has advanced to the predetermined process is introduced into an oxide film forming apparatus, and is dried at 1050 ° C. containing 5% hydrochloric acid.
An oxide film having a desired film thickness was formed in an O 2 atmosphere. After forming the oxide film, the wafer was rapidly cooled to room temperature, and the IR spectrum of the formed oxide film was measured. The Si—O asymmetric stretching vibration peak wave number of the IR spectrum was read from the measured value, and the shift amount from the same wave number when stress was not generated was calculated. As a result, a shift of 17 cm −1 was measured.

【0393】このシフト量から、酸化膜に約0.2GP
aの圧縮応力が酸化膜中に誘起されていることが予測さ
れた。このシフト量をシフト臨界値15cm-1と比較し
た。この熱工程では臨界値を越えていることが検知され
たため、プロセスを停止した。そして、製造工程の修正
として、高温アニールによる応力緩和を行った。
From this shift amount, about 0.2 GP is applied to the oxide film.
It was predicted that the compressive stress of a was induced in the oxide film. This shift amount was compared with a shift critical value of 15 cm -1 . The thermal process was stopped because it was detected to be above the critical value. Then, as a modification of the manufacturing process, stress relaxation was performed by high temperature annealing.

【0394】また、本実施例の効果を比較するため、一
部のウエハには高温アニール工程を付加せず、そのまま
工程を通過させた。応力修正用高温アニールのパラメー
タであるアニール時間とアニール温度、降温速度等は、
予め用意された粘性緩和による緩和時間の解析、及び、
基板中に既に形成されている不純物拡散層の再拡散挙動
を考慮して算出した。この場合は1000℃、30秒の
アニールを行った。
Further, in order to compare the effects of this example, some wafers were allowed to pass through the process without adding the high temperature annealing process. The annealing time, the annealing temperature, the rate of temperature decrease, etc., which are the parameters of high temperature annealing for stress correction,
Analysis of relaxation time by viscous relaxation prepared in advance, and
It was calculated in consideration of the re-diffusion behavior of the impurity diffusion layer already formed in the substrate. In this case, annealing was performed at 1000 ° C. for 30 seconds.

【0395】アニール終了後、再度IRスペクトルを測
定し、シフト量を算出したところ、臨界値を下回ったの
で、そのまま、プロセスを継続した。プロセスを修正し
た場合と、修正しなかった場合とで、Qbdの測定を行っ
た。その結果、修正した場合では、45C/cm2 、修
正しなかった場合で5C/cm2 となり、本発明による
プロセス修正の効果が明確に得られた。
After the annealing was completed, the IR spectrum was measured again and the shift amount was calculated. Since it was below the critical value, the process was continued as it was. Qbd measurements were made with and without modification of the process. As a result, it was 45 C / cm 2 when it was corrected and 5 C / cm 2 when it was not corrected, and the effect of the process correction according to the present invention was clearly obtained.

【0396】また、別の構造を有するウエハにおいて、
950℃のdry O2雰囲気で所望の膜厚のゲート酸
化膜を形成した。酸化膜形成後に室温までウエハを急冷
し、形成した酸化膜のIRスペクトルを測定したとこ
ろ、ピークシフト量が16cm-1であった。これは臨界
値を越えていたため、応力緩和のためのアニールの追加
が必要であったが、不純物拡散層の再拡散を考え合わせ
ると、適切なアニール条件の解が存在しなかった。そこ
で、このウエハは工程継続が不可能と判断し、ウエハを
廃棄した。
Also, in a wafer having another structure,
A gate oxide film having a desired film thickness was formed in a dry O 2 atmosphere at 950 ° C. After forming the oxide film, the wafer was rapidly cooled to room temperature, and the IR spectrum of the formed oxide film was measured. As a result, the peak shift amount was 16 cm −1 . Since this exceeds the critical value, it was necessary to add annealing for stress relaxation, but considering the re-diffusion of the impurity diffusion layer, there was no suitable annealing condition solution. Therefore, it was judged that the process could not be continued for this wafer, and the wafer was discarded.

【0397】[0397]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
クラスタ化におけるモニタ機能の問題点を解決するだけ
でなく、MOSLSI等の半導体装置を製造する装置、
とりわけ枚葉式あるいはクラスタ化製造装置において、
各装置における限られた量の“その場”測定値や、限ら
れた質的内容の“その場”測定値を最大限に拡張し、テ
ストピース等が無くても、所望の工程通り、あるいは修
正しながら進行するものである。更に、本発明による
と、(i)各プロセス要素の揺らぎや、各要素のずれの
重畳現象を診断し、(ii)所望のシーケンス通り実行さ
れているかのチェックや、(iii)変動因子の発見も可能
である。更にまた、このシステムの特徴は、(iv)プロ
セスの変動を数学的・統計的に、しかも効率よく取り扱
えるようにした点、(v)新しい推論エンジンを付加さ
せた点、及び(vi)新しい逆方向システムを付加した点
にある。
As described above, according to the present invention,
A device that not only solves the problem of the monitor function in clustering but also manufactures a semiconductor device such as MOSLSI,
Especially in single-wafer or clustered manufacturing equipment,
The maximum amount of “in-situ” measurement with limited amount of qualitative content or limited amount of “in-situ” measurement in each device can be expanded to the desired process without test pieces, or It will proceed while making corrections. Further, according to the present invention, (i) the fluctuation of each process element and the superposition phenomenon of the deviation of each element are diagnosed, (ii) the execution of a desired sequence is checked, and (iii) the discovery of a variation factor. Is also possible. Furthermore, the features of this system are (iv) the process variation can be handled mathematically and statistically and efficiently, (v) the addition of a new inference engine, and (vi) the new inverse. The point is that the direction system is added.

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

【図1】本発明によるシステムの全体を示す図。FIG. 1 is a diagram showing an entire system according to the present invention.

【図2】ポテンシャルの大きさのそれぞれの方向に対す
る傾きが、それぞれの方向の力となることを示す図。
FIG. 2 is a diagram showing that the inclination of the magnitude of the potential with respect to each direction becomes a force in each direction.

【図3】本発明に用いた新しいabinitio分子動
力学シミュレーションシステムを示す図。
FIG. 3 is a diagram showing a new abinitio molecular dynamics simulation system used in the present invention.

【図4】第一の原子(i)と、第二の原子(j)との作
用に、さらに第三の原子(k)から第二(j)を通して
入ってくる効果を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing the effect of entering the action of the first atom (i) and the second atom (j) from the third atom (k) through the second (j).

【図5】rを粒子間の距離とし、θを粒子角度とし、こ
れらの諸量の主従の関係を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing a master-slave relationship of these quantities, where r is a distance between particles and θ is a particle angle.

【図6】従来の計算手法と本発明の高階巡回偏微分法と
の位置づけを示す図。
FIG. 6 is a diagram showing the positioning of a conventional calculation method and the higher-order cyclic partial differential method of the present invention.

【図7】分子動力学シミュレータIIと、プロセス変動
算出ユニットIとの連携を説明する図。
FIG. 7 is a diagram illustrating cooperation between a molecular dynamics simulator II and a process variation calculation unit I.

【図8】分子動力学シミュレータIIと、プロセス変動
算出ユニットIとの連携を説明する図。
FIG. 8 is a diagram illustrating cooperation between a molecular dynamics simulator II and a process variation calculation unit I.

【図9】汎用2・3次元プロセスシミュレータの入力シ
ーケンスの一例を示すを示す図。
FIG. 9 is a diagram showing an example of an input sequence of a general-purpose 2 / 3-dimensional process simulator.

【図10】汎用2・3次元プロセスシミュレータの入力
シーケンスの一例を示すを示す図。
FIG. 10 is a diagram showing an example of an input sequence of a general-purpose 2 / 3-dimensional process simulator.

【図11】本件発明の実施例による2進木の一部を示す
図。
FIG. 11 is a diagram showing a part of a binary tree according to an embodiment of the present invention.

【図12】イオン化時のクーロン相互作用の模式図を示
す。
FIG. 12 shows a schematic diagram of Coulomb interaction during ionization.

【図13】イオン化時のクーロン相互作用の模式図を示
す。
FIG. 13 shows a schematic diagram of Coulomb interaction during ionization.

【図14】イオン化時のクーロン相互作用の模式図を示
す。
FIG. 14 shows a schematic diagram of Coulomb interaction during ionization.

【図15】簡単な原子構造モデルをを示す。FIG. 15 shows a simple atomic structure model.

【図16】アルカリ金属ハライド分子を示す。FIG. 16 shows an alkali metal halide molecule.

【図17】原子価軌道指数ζの表を示す。FIG. 17 shows a table of valence orbital indices ζ.

【図18】マトリックス(3063)を解いて求めた電荷
を示す。
FIG. 18 shows charges obtained by solving a matrix (3063).

【図19】マトリックス(3063)を解いて求めた電荷
を示す。
FIG. 19 shows charges obtained by solving a matrix (3063).

【図20】マトリックス(3063)を解いて求めた電荷
を示す。
FIG. 20 shows charges obtained by solving a matrix (3063).

【図21】Si-Si間のクーロン相互作用Jの計算結果を示
す。
FIG. 21 shows calculation results of Coulomb interaction J between Si and Si.

【図22】Oの電荷が2sにあり、Siが2sあるいは3sにあ
る状態をモデル化した場合のJABの計算結果を示す。
FIG. 22 shows JAB calculation results in the case where the state where the electric charge of O is 2s and Si is 2s or 3s is modeled.

【図23】結晶系及び非晶質系に新たに開発した上記電
荷計算法の手続きをまとめたものを示す。
FIG. 23 shows a summary of procedures for the above-described charge calculation method newly developed for crystalline systems and amorphous systems.

【図24】本発明による分子動力学シミュレータの実行
結果であるO−Si−O角、Si−O−Si角、及びO
−Si距離を示すデータ図。
FIG. 24 shows O-Si-O angles, Si-O-Si angles, and O that are execution results of the molecular dynamics simulator according to the present invention.
-The data figure which shows Si distance.

【図25】従来のシミュレーションシステムにおける変
分計算を含む各サブルーチンを示す図。
FIG. 25 is a diagram showing each subroutine including variational calculation in a conventional simulation system.

【図26】従来のシミュレーションシステムにおける変
分計算の手順を示す図。
FIG. 26 is a diagram showing a procedure of variational calculation in a conventional simulation system.

【図27】従来のプロセスと変動プロセスの収束状況を
示す特性図。
FIG. 27 is a characteristic diagram showing convergence states of a conventional process and a variation process.

【図28】変分の精度を示すデータ図。FIG. 28 is a data diagram showing the accuracy of variation.

【図29】変分の精度を示すデータ図。FIG. 29 is a data diagram showing the accuracy of variation.

【図30】変分の精度を示すデータ図。FIG. 30 is a data diagram showing accuracy of variation.

【図31】従来のシミュレーションシステムによる不純
物分布とその変動例を示す図。
FIG. 31 is a diagram showing an impurity distribution and a variation example thereof according to a conventional simulation system.

【図32】従来のシミュレーションシステムによるプロ
セスの変動とその実行組み合わせを示す図。
FIG. 32 is a diagram showing a process variation and its execution combination by a conventional simulation system.

【図33】従来のシミュレーションシステムによる推論
エンジンの探索の木の一部を示す図。
FIG. 33 is a view showing a part of a search tree of an inference engine by a conventional simulation system.

【図34】本発明者らが開発した新しいabinitioMDシ
ミュレータによるペロブスカイトとSi系結晶の最適化
の図。
FIG. 34 is a diagram of optimization of perovskites and Si-based crystals by a new ab initio MD simulator developed by the present inventors.

【図35】本発明者等による独自開発によるシミュレー
タの構成概念図。
FIG. 35 is a conceptual configuration diagram of a simulator originally developed by the present inventors.

【図36】本発明者等による独自開発によるシミュレー
タの流れ図。
FIG. 36 is a flowchart of a simulator originally developed by the present inventors.

【図37】本発明者等が開発したシミュレータによるP
TOペロブスカイトのC4v対象例の図。
FIG. 37: P by a simulator developed by the present inventors
The figure of a C4v target example of TO perovskite.

【図38】ペロブスカイトBaTiO3とPbTiO3
構成図。
FIG. 38 is a structural diagram of perovskite BaTiO 3 and PbTiO 3 .

【図39】本発明者等が新しく作成したシミュレータに
よるペロブスカイトPTOのポテンシャルの出力図。
FIG. 39 is an output diagram of the potential of perovskite PTO by a simulator newly created by the present inventors.

【図40】本発明者等が開発したシミュレータにおける
SiO2の作成例。
FIG. 40 shows a simulator developed by the present inventors.
Example of making SiO 2 .

【図41】本発明者等が新しく作成したシミュレータに
よるペロブスカイトPTOのチャージの出力図。
FIG. 41 is a charge output diagram of perovskite PTO by a simulator newly created by the present inventors.

【図42】本発明者等が新しく作成したabinitio/MD
シミュレータによるペロブスカイトPTOの歪みの例。
FIG. 42: ab initio / MD newly created by the present inventors
Example of distortion of perovskite PTO by simulator.

【図43】本発明者等が新しく作成したabinitio/MD
シミュレータによるペロブスカイトPTOの酸素欠損の
例。
FIG. 43: ab initio / MD newly created by the present inventors
Example of oxygen deficiency of perovskite PTO by a simulator.

【図44】本発明者等が新しく作成したabinitio/MD
シミュレータによるペロブスカイトPTOのPbの移動
の例。
FIG. 44: ab initio / MD newly created by the present inventors
Example of movement of Pb of perovskite PTO by simulator.

【図45】本発明者等が新しく作成したabinitio/MD
シミュレータによるペロブスカイトPTOのPbの移動
の例。
FIG. 45: ab initio / MD newly created by the present inventors
Example of movement of Pb of perovskite PTO by simulator.

【図46】本発明者らが作成したシミュレータのデータ
の一部。
FIG. 46 is a part of the simulator data created by the present inventors.

【図47】ソーヤータウワの図。FIG. 47 is a diagram of Sawyer Taw.

【図48】本発明の実施例の図。FIG. 48 is a diagram of an example of the present invention.

【図49】本発明に使用されるクラスタ化ツールにおい
て、in−situモニタ測定装置がどのようにして付
加されているかを示す概念図。
FIG. 49 is a conceptual diagram showing how an in-situ monitor measurement device is added in the clustering tool used in the present invention.

【図50】限られた測定量と、他方計算から得られた十
分な情報とを対比させる方法を、モニター上のグラフィ
ックな画像として表示される様子を示す図。
FIG. 50 is a diagram showing how a method of contrasting a limited measurement amount with sufficient information obtained from calculation on the other hand is displayed as a graphic image on a monitor.

【図51】本発明によるabinitio分子動力学シ
ミュレーションシステムへの入力データの一例としての
温度シーケンスを示す図。
FIG. 51 is a diagram showing a temperature sequence as an example of input data to the ab initio molecular dynamics simulation system according to the present invention.

【図52】本発明によるabinitio分子動力学シ
ミュレーションシステムによる原子レベルの実行予測を
示す概念図。
FIG. 52 is a conceptual diagram showing atomic level execution prediction by the ab initio molecular dynamics simulation system according to the present invention.

【図53】本発明によるabinitio分子動力学シ
ミュレーションシステムによる原子レベル実行予測を可
視化した概念図。
FIG. 53 is a conceptual diagram visualizing atomic level execution prediction by the abinitio molecular dynamics simulation system according to the present invention.

【図54】本発明によるabinitio分子動力学シ
ミュレーションシステムによるSiO2についての実行
例であるSi−O−Si角の経時変化を示す図。
FIG. 54 is a view showing a time-dependent change of Si—O—Si angle which is an execution example of SiO 2 by the abinitio molecular dynamics simulation system according to the present invention.

【図55】図51の入力シーケンスに対する出力例であ
る温度の測定値変化の予測図。
FIG. 55 is a prediction diagram of changes in measured value of temperature, which is an output example for the input sequence of FIG. 51.

【図56】本発明によるシミュレーションシステムによ
る原子レベル実行例である成膜Si中の配位角の分布
図。
FIG. 56 is a distribution diagram of coordination angles in deposited Si which is an example of atomic level execution by the simulation system according to the present invention.

【図57】本発明によるシミュレーションシステムによ
る原子レベル実行例であるSi−Si間距離の分布図。
FIG. 57 is a distribution diagram of Si-Si distance, which is an example of atomic level execution by the simulation system according to the present invention.

【図58】本発明によるシミュレーションシステムによ
る原子レベル実行例であるSi−Si間距離の分布図。
FIG. 58 is a distribution diagram of the distance between Si and Si, which is an atomic level execution example by the simulation system according to the present invention.

【図59】本発明によるシミュレーションシステムによ
る原子レベル実行例であるSi−Si間距離の分布図。
FIG. 59 is a distribution diagram of Si-Si distance, which is an example of atomic level execution by the simulation system according to the present invention.

【図60】本発明によるシミュレーションシステムによ
る原子レベル実行例であるSi配位角の分布図。
FIG. 60 is a distribution diagram of Si coordination angles, which is an example of atomic level execution by the simulation system according to the present invention.

【図61】本発明によるシミュレーションシステムによ
る原子レベル実行例であるSi−Si間距離の分布図。
FIG. 61 is a distribution diagram of the distance between Si and Si which is an atomic level execution example by the simulation system according to the present invention.

【図62】本発明によるシミュレーションシステムによ
る原子レベル実行例。Si−Si間距離の分布図。
FIG. 62 is an atomic level execution example by the simulation system according to the present invention. The distribution map of Si-Si distance.

【図63】本発明によるシミュレーションシステムによ
る原子レベル実行例であるSi配位角の分布図。
FIG. 63 is a distribution diagram of Si coordination angles, which is an atomic level execution example by the simulation system according to the present invention.

【図64】本発明によるシミュレーションシステムによ
る原子レベル実行例であるSi配位角の分布図。
FIG. 64 is a distribution diagram of Si coordination angles, which is an atomic level execution example by the simulation system according to the present invention.

【図65】本発明によるシミュレーションシステムによ
る原子レベル実行例であるSi配位角の分布図。
FIG. 65 is a distribution diagram of Si coordination angles, which is an example of atomic level execution by the simulation system according to the present invention.

【図66】本発明によるシミュレーションシステムによ
る原子レベル実行例であるSi−Si間距離の分布図。
FIG. 66 is a distribution diagram of the distance between Si and Si which is an atomic level execution example by the simulation system according to the present invention.

【図67】本発明によるシミュレーションシステムによ
る原子レベル実行例であるSi−Si間距離の分布図。
FIG. 67 is a distribution diagram of the distance between Si and Si which is an atomic level execution example by the simulation system according to the present invention.

【図68】本発明によるシミュレーションシステムによ
る原子レベル実行例であるSi−Si間距離の分布図。
FIG. 68 is a distribution diagram of the distance between Si and Si which is an atomic level execution example by the simulation system according to the present invention.

【図69】本発明によるシミュレーションシステムによ
る原子レベル実行例であるSi−Si間距離の分布図。
FIG. 69 is a distribution diagram of the distance between Si and Si which is an atomic level execution example by the simulation system according to the present invention.

【図70】本発明によって構成された別のシステムの全
体を示す図。
FIG. 70 is a diagram showing the whole of another system constructed according to the present invention.

【図71】従来のラマン測定結果を示す特性図。FIG. 71 is a characteristic diagram showing conventional Raman measurement results.

【図72】従来のラマン測定結果を示す特性図。FIG. 72 is a characteristic diagram showing conventional Raman measurement results.

【図73】従来のラマン測定結果を示す特性図。FIG. 73 is a characteristic diagram showing conventional Raman measurement results.

【図74】従来のラマン測定結果を説明するためのモデ
ルを示す図。
FIG. 74 is a diagram showing a model for explaining a conventional Raman measurement result.

【図75】O−Si−O結合角の関数としてのSiO4
四面体の通常モード振動の波長を示す特性図及びストレ
スにより生じた強度の減少を示す特性図。
FIG. 75 SiO 4 as a function of O—Si—O bond angle
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a wavelength of normal mode vibration of a tetrahedron and a characteristic diagram showing a decrease in strength caused by stress.

【図76】SiO2中の欠陥を示すモデル図。FIG. 76 is a model diagram showing defects in SiO 2 .

【図77】本発明による分子動力学シミュレータの実行
例を示す特性図。
77 is a characteristic diagram showing an execution example of the molecular dynamics simulator according to the present invention. FIG.

【図78】本発明による分子動力学シミュレータの実行
例を示す特性図。
FIG. 78 is a characteristic diagram showing an execution example of the molecular dynamics simulator according to the present invention.

【図79】本発明による分子動力学シミュレータの実行
例を示す特性図。
FIG. 79 is a characteristic diagram showing an execution example of the molecular dynamics simulator according to the present invention.

【図80】本発明による分子動力学シミュレータの実行
例である原子の動きを示す図。
FIG. 80 is a diagram showing movement of atoms, which is an execution example of the molecular dynamics simulator according to the present invention.

【図81】本発明による分子動力学シミュレータの実行
例であるX線スペクトル予測結果を示す特性図。
FIG. 81 is a characteristic diagram showing an X-ray spectrum prediction result that is an execution example of the molecular dynamics simulator according to the present invention.

【図82】本発明による分子動力学シミュレータの実行
例である応力予測結果を示す特性図。
FIG. 82 is a characteristic diagram showing a stress prediction result which is an execution example of the molecular dynamics simulator according to the present invention.

【図83】本発明者らが新しく開発した分子動力学シミ
ュレータによる算出結果を示す特性図。
FIG. 83 is a characteristic diagram showing calculation results by a molecular dynamics simulator newly developed by the present inventors.

【図84】本発明による変分手法を用いた分子動力学シ
ミュレータの変動を含む一貫計算を示す図。
FIG. 84 is a diagram showing a consistent calculation including a variation of the molecular dynamics simulator using the variational method according to the present invention.

【図85】本発明による分子動力学シミュレータによる
探索手法を示す図。
FIG. 85 is a diagram showing a search method by the molecular dynamics simulator according to the present invention.

【図86】本発明者らによる非晶質SiO2作成時の温
度設定の様子を示す特性図。
FIG. 86 is a characteristic diagram showing how temperature is set by the inventors when forming amorphous SiO 2 .

【図87】本発明者らによる計算機中での非晶質SiO
2作成時の圧力変化を示す特性図。
FIG. 87: Amorphous SiO in a calculator by the present inventors
2 Characteristic diagram showing the pressure change during creation.

【図88】本発明者らが作成した分子動力学シミュレー
タによる非晶質SiO2作成時の体積変化を示す特性
図。
FIG. 88 is a characteristic diagram showing a volume change when an amorphous SiO 2 is created by a molecular dynamics simulator created by the present inventors.

【図89】本発明者らが新しく開発した分子動力学シミ
ュレータによる非晶質SiO2作成時の体積変化を示す
特性図。
FIG. 89 is a characteristic diagram showing a volume change when forming amorphous SiO 2 by a molecular dynamics simulator newly developed by the present inventors.

【図90】本発明者らが新しく開発した分子動力学シミ
ュレータによる非晶質SiO2作成時のポテンシャルエ
ネルギー変化を示す特性図。
FIG. 90 is a characteristic diagram showing a potential energy change when forming amorphous SiO 2 by a molecular dynamics simulator newly developed by the present inventors.

【図91】本発明者らが新しく開発した分子動力学シミ
ュレータによる非晶質SiO2作成時の計算セル中の2
辺の時間変化を示す特性図。
FIG. 91 shows 2 in the calculation cell at the time of forming amorphous SiO 2 by the molecular dynamics simulator newly developed by the present inventors.
The characteristic view which shows the time change of a side.

【図92】本発明者らが新しく開発した分子動力学シミ
ュレータに通常のVerletのアルゴリズムを用い、計算し
たエネルギーの変化を示す特性図。
FIG. 92 is a characteristic diagram showing changes in energy calculated using a normal Verlet algorithm in a molecular dynamics simulator newly developed by the present inventors.

【図93】本発明者らが新しく開発した分子動力学シミ
ュレータに改良型Verletのアルゴリズムを用い、計算し
たエネルギーの変化を示す特性図。
FIG. 93 is a characteristic diagram showing changes in energy calculated by using the improved Verlet algorithm in the molecular dynamics simulator newly developed by the present inventors.

【図94】本発明者らが新しく開発した分子動力学シミ
ュレータを用い計算したダイポールモーメントの時間変
化を示す特性図。
FIG. 94 is a characteristic diagram showing the time change of the dipole moment calculated using the molecular dynamics simulator newly developed by the present inventors.

【図95】本発明者らが新しく開発した分子動力学シミ
ュレータを用い、ダイポールモーメントから更に求めた
パワースペクトルを示す特性図。
FIG. 95 is a characteristic diagram showing a power spectrum further obtained from the dipole moment using the molecular dynamics simulator newly developed by the present inventors.

【図96】本発明者らが新しく開発した分子動力学シミ
ュレータをα−SiO2 に適用し、計算されたIRスペ
クトルを示す図。
FIG. 96 is a diagram showing an IR spectrum calculated by applying the molecular dynamics simulator newly developed by the present inventors to α-SiO 2.

【図97】本発明者らが新しく開発した分子動力学シミ
ュレータをα−SiO2 に適用し、外圧が加わった場合
の予測されたIRスペクトルを示す図。
FIG. 97 is a view showing a predicted IR spectrum when an external pressure is applied by applying the molecular dynamics simulator newly developed by the present inventors to α-SiO 2.

【図98】本発明者らが新しく開発した分子動力学シミ
ュレータによる非晶質SiO、作成時の体積変化を示す
特性図。
FIG. 98 is a characteristic diagram showing volume change during formation of amorphous SiO by a molecular dynamics simulator newly developed by the present inventors.

【図99】本発明者らが新しく開発した分子動力学シミ
ュレータに通常のVerletのアルゴリズムを用い、
計算したエネルギーの変化を示す特性図。
[FIG. 99] A normal Verlet algorithm is used for the molecular dynamics simulator newly developed by the present inventors,
The characteristic view which shows the change of the calculated energy.

【図100】本発明者らによる計算手順を示す図。FIG. 100 is a diagram showing a calculation procedure performed by the present inventors.

【図101】本発明者らによる計算手順を示す図。101 is a diagram showing a calculation procedure performed by the present inventors. FIG.

【図102】Si(100)における滑り面、分解剪断
応力等を示す図。
102 is a view showing a sliding surface, decomposed shear stress and the like in Si (100). FIG.

【図103】SiO2及びSi/SiO2界面近傍での反
応を示す模式図。
FIG. 103 is a schematic diagram showing a reaction in the vicinity of SiO 2 and a Si / SiO 2 interface.

【図104】粘弾性計算の逐次計算を模式的に示す図。FIG. 104 is a diagram schematically showing sequential calculation of viscoelasticity calculation.

【図105】酸化膜の膜厚の温度、時間依存性を示す特
性図。
FIG. 105 is a characteristic diagram showing temperature-time dependence of the thickness of an oxide film.

【図106】酸化膜の膜厚の温度、時間依存性を示す特
性図。
FIG. 106 is a characteristic diagram showing temperature-time dependence of the thickness of an oxide film.

【図107】酸化膜の膜厚の温度、時間依存性を示す特
性図。
FIG. 107 is a characteristic diagram showing temperature-time dependence of the thickness of an oxide film.

【図108】合わせ込まれた係数を用いた場合のトレン
チ酸化における主応力分布及び最大剪断応力を示す図。
FIG. 108 is a diagram showing principal stress distribution and maximum shear stress in trench oxidation when fitted coefficients are used.

【図109】典型的な熱工程における温度と蓄積応力の
変化を示す特性図。
FIG. 109 is a characteristic diagram showing changes in temperature and accumulated stress in a typical thermal process.

【図110】トレンチ角におけるσxxの分布を示す計算
予測図。
FIG. 110 is a calculation prediction diagram showing the distribution of σxx at the trench angle.

【図111】トレンチ角におけるσxxの分布を示す計算
予測図。
FIG. 111 is a calculation prediction diagram showing the distribution of σxx at the trench angle.

【図112】トレンチ角におけるσxxの分布を示す計算
予測図。
FIG. 112 is a calculation prediction diagram showing the distribution of σxx at the trench angle.

【図113】トレンチ角におけるσxxの分布を示す計算
予測図。
FIG. 113 is a calculation prediction diagram showing the distribution of σxx at the trench angle.

【図114】トレンチ角におけるσxxの分布を示す計算
予測図。
FIG. 114 is a calculation prediction diagram showing the distribution of σxx at the trench angle.

【図115】トレンチ角におけるσxxの分布を示す計算
予測図。
FIG. 115 is a calculation prediction diagram showing the distribution of σxx at the trench angle.

【図116】最適化された酸化予測の形状を示す図。FIG. 116 is a diagram showing a shape of an optimized oxidation prediction.

【図117】実施例7におけるゲート熱酸化膜の形成工
程を示す断面図。
117 is a sectional view showing a step of forming a gate thermal oxide film in Example 7. FIG.

【図118】実施例7におけるゲート熱酸化膜の形成工
程を示す断面図。
118 is a cross-sectional view showing the step of forming the gate thermal oxide film in Example 7. FIG.

【図119】実施例7におけるゲート熱酸化膜形成後の
昇温工程を示す特性図。
FIG. 119 is a characteristic diagram showing a temperature rising step after forming a gate thermal oxide film in Example 7.

【図120】昇温工程の相違による応力の変化を示す特
性図
FIG. 120 is a characteristic diagram showing changes in stress due to differences in temperature raising steps.

【図121】昇温工程の相違による応力の変化を示す特
性図。
FIG. 121 is a characteristic diagram showing a change in stress due to a difference in heating process.

【図122】応力分布の計算例を示す図。FIG. 122 is a diagram showing a calculation example of stress distribution.

【図123】実施例7における酸化温度と膜中の圧縮応
力との関係を示す図。
123 is a diagram showing the relationship between the oxidation temperature and the compressive stress in the film in Example 7. FIG.

【図124】応力付加によるIRスペクトルの変化の計
算結果を示す図。
FIG. 124 is a diagram showing calculation results of changes in IR spectrum due to stress application.

【図125】酸化膜中の圧縮応力とSi−O−Si非対
称伸縮ピークの波数シフトとの関係を示す図。
FIG. 125 is a diagram showing a relationship between a compressive stress in an oxide film and a wave number shift of a Si—O—Si asymmetric expansion / contraction peak.

【図126】第1近傍のSi−O原子間隔が1.8オン
グストローム以上となっている結合の出現頻度とQbdと
の関係を示す図。
FIG. 126 is a diagram showing a relationship between Qbd and the appearance frequency of bonds in which the Si—O atom spacing in the first vicinity is 1.8 angstroms or more.

【図127】応力付加の有無によるSi−O原子間隔分
布の変化を示す図。
FIG. 127 is a diagram showing changes in Si—O atom spacing distribution with and without stress application.

【図128】dRAMの世代とチップコストとの関係を
示す図。
FIG. 128 is a diagram showing a relationship between dRAM generation and chip cost.

【図129】従来例による半導体装置の製造工程を示す
模式図。
FIG. 129 is a schematic diagram showing a manufacturing process of a semiconductor device according to a conventional example.

【図130】従来例によるクラスタ化ツールを示す図。FIG. 130 is a diagram showing a clustering tool according to a conventional example.

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 29/78 H01L 29/78 301Z 21/336 (72)発明者 山部 紀久夫 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1 株式会 社東芝研究開発センター内 (72)発明者 岡野 晴雄 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1 株式会 社東芝研究開発センター内Continuation of front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Reference number within the agency FI Technical indication location H01L 29/78 H01L 29/78 301Z 21/336 (72) Inventor Kikuo Yamabe Komukai, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture Toshiba-cho 1 Toshiba Research & Development Center (72) Inventor Haruo Okano Komukai Toshiba-cho 1 Kawasaki-shi, Kanagawa 1 Toshiba Research & Development Center

Claims (18)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 複数の工程からなる半導体装置の製造方
法において、前記複数の工程の少なくとも1つにおける
製造装置内に形成された膜、半導体基板上に形成された
膜、半導体基板表面、及び半導体基板内部の少なくとも
1つに関する複数の特性の少なくとも1つを測定して実
観測データを得る工程と、abinitio分子動力学
プロセスシミュレータ又は経験的ポテンシャルを与えた
分子動力学シミュレータにより、前記複数の工程の少な
くとも1つにおける、複数の製造工程因子の少なくとも
1つの設定値、及びこの設定値のゆらぎを入力値とし、
この入力値を基に変分計算を行い、前記複数の特性の少
なくとも1つの予測データを得る工程と、前記予測デー
タと実観測データとを逐次、実時間で比較検定する工程
と、前記比較検定により、前記複数の製造工程因子の少
なくとも1つの設定値と、前記実観測データから推測さ
れる前記複数の製造工程因子の少なくとも1つとの間に
有意差が認められた場合、前記製造工程因子を逐次実時
間で修正処理する工程とを具備することを特徴とする半
導体装置の製造方法。
1. A method of manufacturing a semiconductor device comprising a plurality of steps, wherein a film formed in a manufacturing apparatus in at least one of the plurality of steps, a film formed on a semiconductor substrate, a semiconductor substrate surface, and a semiconductor. A step of measuring at least one of a plurality of characteristics relating to at least one inside the substrate to obtain actual observation data, and an ab initio molecular dynamics process simulator or an empirical potential-provided molecular dynamics simulator, At least one set value of a plurality of manufacturing process factors in at least one, and the fluctuation of this set value as an input value,
A step of performing variational calculation based on this input value to obtain at least one prediction data of the plurality of characteristics; a step of sequentially comparing the prediction data and the actual observation data with each other in real time; Therefore, when a significant difference is found between at least one set value of the plurality of manufacturing process factors and at least one of the plurality of manufacturing process factors inferred from the actual observation data, And a step of sequentially performing correction processing in real time.
【請求項2】 前記abinitio分子動力学プロセ
スシミュレータ又は経験的ポテンシャルを与えた分子動
力学シミュレータは、前記複数の工程において形成又は
処理される半導体材料、絶縁材料、又は導電性材料を構
成する原子の運動が平衡に達したところで、時刻を0に
設定し、その後、時刻tまでをサンプリング時間とし、
各原子の分極率、電荷、及び位置ベクトルとの時間相関
を求め、所定時間における光学的スペクトルを求める機
能を有し、前記abinitio分子動力学プロセスシ
ミュレータ又は経験的ポテンシャルを与えた分子動力学
シミュレータから導かれる予測データは、個々の原子の
時々刻々の運動から導かれる振動挙動、その固有振動
数、及び固有振動数の分布情報を含むことを特徴とする
請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
2. The ab initio molecular dynamics process simulator or the molecular dynamics simulator to which an empirical potential is applied is provided for the atoms constituting the semiconductor material, insulating material, or conductive material formed or processed in the plurality of steps. When the exercise reaches equilibrium, set the time to 0, and then set the sampling time until time t,
From the abinitio molecular dynamics process simulator or the molecular dynamics simulator given an empirical potential, which has a function of obtaining a time correlation with polarizability, charge, and position vector of each atom and obtaining an optical spectrum at a predetermined time. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the predicted data to be derived includes vibration behavior derived from the momentary motion of each atom, its natural frequency, and distribution information of the natural frequency. .
【請求項3】 前記abinitio分子動力学プロセ
スシミュレータ又は経験的ポテンシャルを与えた分子動
力学シミュレータは、前記複数の工程において形成又は
処理される半導体材料、絶縁材料、又は導電性材料を構
成する原子の運動から、該材料の材料強度定数を逐次算
出し、これを用いて該材料に誘起される応力を求める機
能を有し、該応力が規定値を越える場合には、前記製造
工程因子の少なくとも1つが逐次修正処理されることを
特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
3. The ab initio molecular dynamics process simulator or the molecular dynamics simulator to which an empirical potential is applied is provided for the atoms constituting the semiconductor material, insulating material, or conductive material formed or processed in the plurality of steps. The material strength constant of the material is sequentially calculated from the motion, and the function of finding the stress induced in the material using this is provided. When the stress exceeds a specified value, at least one of the manufacturing process factors is The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein one of the semiconductor devices is subjected to a sequential correction process.
【請求項4】 前記半導体材料、絶縁材料、又は導電性
材料を構成する原子は、シリコン原子及び酸素原子であ
る請求項2又は3に記載の半導体装置の製造方法。
4. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein the atoms forming the semiconductor material, the insulating material, or the conductive material are silicon atoms and oxygen atoms.
【請求項5】 複数の工程を実施する半導体装置の製造
装置において、前記複数の工程の少なくとも1つにおけ
る製造装置内に形成された膜、半導体基板上に形成され
た膜、半導体基板表面、及び半導体基板内部の少なくと
も1つに関する複数の特性の少なくとも1つを測定して
実観測データを得る手段と、abinitio分子動力
学プロセスシミュレータ又は経験的ポテンシャルを与え
た分子動力学シミュレータにより、前記複数の工程の少
なくとも1つにおける、複数の製造工程因子の少なくと
も1つの設定値、及びこの設定値のゆらぎを入力値と
し、この入力値を基に変分計算を行い、前記複数の特性
の少なくとも1つの予測データを得る手段と、前記予測
データと実観測データとを逐次、実時間で比較検定する
手段と、前記比較検定により、前記複数の製造工程因子
の少なくとも1つの設定値と、前記実観測データから推
測される前記複数の製造工程因子の少なくとも1つとの
間に有意差が認められた場合、前記製造工程因子を逐次
実時間で修正処理する手段とを具備することを特徴とす
る半導体装置の製造装置。
5. A semiconductor device manufacturing apparatus performing a plurality of steps, a film formed in the manufacturing apparatus in at least one of the plurality of steps, a film formed on a semiconductor substrate, a semiconductor substrate surface, and The means for measuring at least one of a plurality of characteristics relating to at least one inside the semiconductor substrate to obtain actual observation data, and the ab initio molecular dynamics process simulator or the empirical potential-provided molecular dynamics simulator, wherein At least one set value of a plurality of manufacturing process factors in at least one of the above, and fluctuations of this set value are used as input values, and variation calculation is performed based on these input values to predict at least one of the plurality of characteristics. Means for obtaining data, means for sequentially comparing and testing the predicted data and actual observation data in real time, and the comparison test Therefore, when a significant difference is found between at least one set value of the plurality of manufacturing process factors and at least one of the plurality of manufacturing process factors inferred from the actual observation data, An apparatus for manufacturing a semiconductor device, comprising: means for sequentially performing correction processing in real time.
【請求項6】 abinitio分子動力学プロセスシ
ミュレータ又は経験的ポテンシャルを与えた分子動力学
シミュレータにより、半導体装置の製造プロセスの複数
の工程の少なくとも1つにおける、複数の製造工程因子
の少なくとも1つの設定値、及びこの設定値のゆらぎを
入力値とし、この入力値を基に変分計算を行い、前記複
数の工程の少なくとも1つにおける製造装置内に形成さ
れた膜、半導体基板上に形成された膜、半導体基板表
面、及び半導体基板内部の少なくとも1つに関する複数
の特性の少なくとも1つの予測データを得る工程と、こ
の予測データと前記複数の工程の少なくとも1つにおけ
る前記複数の特性の少なくとも1つを測定して得られた
実観測データとを逐次、実時間で比較検定して、前記製
造工程因子の診断及び判定を行う工程とを具備するシミ
ュレーション方法。
6. An ab initio molecular dynamics process simulator or an empirical potential-added molecular dynamics simulator is used to set at least one set value of a plurality of manufacturing process factors in at least one of a plurality of processes of a semiconductor device manufacturing process. , And a fluctuation of this set value as an input value, a variation calculation is performed based on this input value, and a film formed in a manufacturing apparatus in at least one of the plurality of steps, a film formed on a semiconductor substrate. A step of obtaining at least one prediction data of a plurality of characteristics relating to at least one of the semiconductor substrate surface and the inside of the semiconductor substrate, and the prediction data and at least one of the plurality of characteristics in at least one of the plurality of steps. The actual observation data obtained by the measurement is sequentially compared and verified in real time to diagnose the manufacturing process factors and A simulation method comprising a step of making a determination.
【請求項7】 前記比較検定により前記複数の製造工程
因子の少なくとも1つの設定値と、前記実観測データか
ら推測される前記複数の製造工程因子の少なくとも1つ
の間に有意差が認められた場合、前記製造工程因子の修
正値を実時間で求める工程を具備することを特徴とする
請求項6に記載のシミュレーション方法。
7. A significant difference between at least one set value of the plurality of manufacturing process factors and at least one of the plurality of manufacturing process factors inferred from the actual observation data is recognized by the comparison test. 7. The simulation method according to claim 6, further comprising a step of obtaining a corrected value of the manufacturing process factor in real time.
【請求項8】 半導体装置の製造プロセスの複数の工程
の少なくとも1つにおける製造装置内、半導体基板表
面、及び/又は半導体基板上に形成された膜に関する複
数の特性の少なくとも1つを測定して実観測データを得
る手段と、abinitio分子動力学プロセスシミュ
レータ又は経験的ポテンシャルを与えた分子動力学ミュ
レータにより、前記複数の工程の少なくとも1つにおけ
る、複数の製造工程因子の少なくとも1つの設定値、及
びこの設定値のゆらぎを入力値とし、この入力値を基に
変分計算を行い、前記複数の特性の少なくとも1つの予
測データを得る手段と、前記予測データと実観測データ
とを逐次、実時間で比較検定する手段とを具備する、半
導体装置の製造工程因子を診断・判定するシミュレー
タ。
8. At least one of a plurality of characteristics relating to the inside of the manufacturing apparatus, the surface of the semiconductor substrate, and / or the film formed on the semiconductor substrate in at least one of the plurality of steps of the manufacturing process of the semiconductor device is measured. At least one set value of a plurality of manufacturing process factors in at least one of the plurality of processes by means of obtaining actual observation data and an ab initio molecular dynamics process simulator or a molecular dynamics simulator provided with an empirical potential, and The fluctuation of this set value is used as an input value, variational calculation is performed based on this input value, means for obtaining at least one prediction data of the plurality of characteristics, the prediction data and the actual observation data are sequentially and in real time. The simulator for diagnosing and judging the manufacturing process factor of the semiconductor device, which is provided with a means for comparing and certifying the semiconductor device.
【請求項9】 abinitio分子動力学プロセスシ
ミュレータ又は経験的ポテンシャルを与えた分子動力学
シミュレータにより、半導体装置の製造プロセスの複数
の工程の少なくとも1つにおける、複数の製造工程因子
の少なくとも1つの設定値、及びこの設定値のゆらぎを
入力値とし、この入力値を基に変分計算を行い、前記複
数の工程の少なくとも1つにおける製造装置内に形成さ
れた膜、半導体基板上に形成された膜、半導体基板表
面、及び半導体基板内部の少なくとも1つに関する複数
の特性の少なくとも1つの予測データを得る手段と、こ
の予測データと前記複数の工程の少なくとも1つにおけ
る前記複数の特性の少なくとも1つを測定して得られた
実観測データとを逐次、実時間で比較検定して、前記製
造工程因子の診断及び判定を行う手段とを具備する、半
導体装置の製造工程因子を診断・判定するシミュレー
タ。
9. An ab initio molecular dynamics process simulator or an empirical potential-based molecular dynamics simulator is used to set at least one set value of a plurality of manufacturing process factors in at least one of a plurality of processes of a semiconductor device manufacturing process. , And a fluctuation of this set value as an input value, a variation calculation is performed based on this input value, and a film formed in a manufacturing apparatus in at least one of the plurality of steps, a film formed on a semiconductor substrate. Means for obtaining at least one predictive data of a plurality of characteristics relating to at least one of the semiconductor substrate surface and the inside of the semiconductor substrate, and the predictive data and at least one of the plurality of characteristics in at least one of the plurality of steps. The actual observation data obtained by the measurement is sequentially compared and verified in real time to diagnose the manufacturing process factors and A simulator which comprises a means for making a determination and diagnoses / determines a manufacturing process factor of a semiconductor device.
【請求項10】 abinitio分子動力学プロセス
シミュレータ又は経験的ポテンシャルを与えた分子動力
学シミュレータにより、半導体装置の製造プロセスの複
数の工程の少なくとも1つにおける、複数の製造工程因
子の少なくとも1つの設定値、及びこの設定値のゆらぎ
を入力値とし、この入力値を基に変分計算を行い、前記
複数の工程の少なくとも1つにおける製造装置内に形成
された膜、半導体基板上に形成された膜、半導体基板表
面、及び半導体基板内部の少なくとも1つに関する複数
の特性の少なくとも1つの予測データを得る手段と、こ
の予測データと前記複数の工程の少なくとも1つにおけ
る前記複数の特性の少なくとも1つを測定して得られた
実観測データとを逐次、実時間で比較検定して、前記製
造工程因子の診断及び判定を行うことを特徴とする半導
体装置の製造工程因子を診断・判定するシミュレータ方
法。
10. An ab initio molecular dynamics process simulator or an empirical potential-based molecular dynamics simulator is used to set at least one set value of a plurality of manufacturing process factors in at least one of a plurality of processes of a semiconductor device manufacturing process. , And a fluctuation of this set value as an input value, a variation calculation is performed based on this input value, and a film formed in a manufacturing apparatus in at least one of the plurality of steps, a film formed on a semiconductor substrate. Means for obtaining at least one predictive data of a plurality of characteristics relating to at least one of the semiconductor substrate surface and the inside of the semiconductor substrate, and the predictive data and at least one of the plurality of characteristics in at least one of the plurality of steps. The actual observation data obtained by measurement is sequentially compared and verified in real time to diagnose the manufacturing process factors. And a determination method for diagnosing and determining a semiconductor device manufacturing process factor.
【請求項11】 半導体単結晶基板上に電界効果型MI
S素子を形成するにあたり、該MIS素子の強誘電体膜
を単結晶とし、しかも、該半導体基板と該単結晶強誘電
体膜を含む系に於いて、対象特性を表現するabini
tio分子動力学理論に基づいた評価関数を導入し、こ
れにより所望の主動作条件下での系の最適解に従った単
結晶強誘電体膜および基板の設計配置とすることを特徴
とする電界効果型MIS半導体装置の製造方法。
11. A field effect type MI on a semiconductor single crystal substrate.
In forming the S element, the ferroelectric film of the MIS element is made of a single crystal, and in a system including the semiconductor substrate and the single crystal ferroelectric film, abini expressing the target characteristic.
An electric field characterized by introducing an evaluation function based on the tio molecular dynamics theory, thereby designing a single crystal ferroelectric film and a substrate according to an optimum solution of a system under desired main operating conditions. Method of manufacturing effective MIS semiconductor device.
【請求項12】 半導体単結晶基板上に、電界効果型M
IS素子を形成するにあたり、該MIS素子の強誘電体
膜を単結晶とし、しかも、該半導体基板と該単結晶強誘
電体膜を含む系に於いて、その系の対象特性を表現する
abinitio分子動力学理論に基づいた評価関数と
して系全体の自由エネルギを取り上げ、主動作条件下で
自由エネルギが最小になるように前記単結晶強誘電体膜
を配置することを特徴とする電界効果型MIS半導体装
置の製造方法。
12. A field effect type M on a semiconductor single crystal substrate.
In forming an IS element, an ab initio molecule expressing a target characteristic of the system in a system including the semiconductor substrate and the single crystal ferroelectric film, in which the ferroelectric film of the MIS element is a single crystal A field effect type MIS semiconductor, characterized in that the free energy of the entire system is taken as an evaluation function based on the dynamic theory and the single crystal ferroelectric film is arranged so that the free energy is minimized under the main operating conditions. Device manufacturing method.
【請求項13】 Si半導体単結晶基板上に、電界効果
型MIS素子を形成するにあたり、該MIS素子のゲー
ト絶縁酸化膜を単結晶とし、しかも、該半導体基板と該
単結晶強誘電体膜を含む系に於いて、その系の対象特性
を表現するabinitio分子動力学理論に基づいた
評価関数として系全体の自由エネルギを取り上げ、この
自由エネルギが、主動作条件下で、最小になるように前
記単結晶強誘電体膜を配置することを特徴とする電界効
果型SiMIS半導体装置の製造方法。
13. When forming a field effect MIS element on a Si semiconductor single crystal substrate, the gate insulating oxide film of the MIS element is made of single crystal, and the semiconductor substrate and the single crystal ferroelectric film are formed. In the system including, the free energy of the whole system is taken as an evaluation function based on ab initio molecular dynamics theory expressing the target characteristic of the system, and the free energy is minimized under the main operating condition. A method of manufacturing a field-effect SiMIS semiconductor device, comprising disposing a single crystal ferroelectric film.
【請求項14】 Si半導体単結晶基板上に、電界効果
型MIS素子を形成するにあたり、該MIS素子のゲー
ト絶縁酸化膜を単結晶とし、しかも、該半導体基板と該
単結晶強誘電体膜を含む系に於いて、その系の対象特性
を表現するabinitio分子動力学理論に基づいた
評価関数として系全体の自由エネルギを取り上げ、この
自由エネルギが、主動作条件下で最小になるように前記
単結晶強誘電体膜を配置するとともに、その単結晶強誘
電体膜の酸素欠陥濃度を0.01%以下に抑えたことを
特徴とする電界効果型SiMIS半導体装置の製造方
法。
14. When forming a field effect MIS device on a Si semiconductor single crystal substrate, the gate insulating oxide film of the MIS device is made of single crystal, and the semiconductor substrate and the single crystal ferroelectric film are formed. In the system including, the free energy of the whole system is taken as an evaluation function based on ab initio molecular dynamics theory expressing the object property of the system, and the above free energy is minimized under the main operating condition. A method for manufacturing a field effect type SiMIS semiconductor device, comprising disposing a crystal ferroelectric film and suppressing the oxygen defect concentration of the single crystal ferroelectric film to 0.01% or less.
【請求項15】 Si半導体単結晶基板上に、電界効果
型MIS素子を形成するにあたり、該MIS素子のゲー
ト絶縁酸化膜を単結晶とし、しかも、該半導体基板と該
単結晶強誘電体膜を含む系に於いて、その系の対象特性
を表現するabinitio分子動力学理論に基づいた
評価関数として系全体の自由エネルギを取り上げ、この
系の自由エネルギが、主動作条件下で最小になるように
前記単結晶強誘電体膜を配置するとともに、特に局所的
なエネルギの凸凹が偏差値3σ以内に納め、その単結晶
強誘電体膜の酸素欠陥濃度を0.01%以下に抑えたこ
とを特徴とする電界効果型SiMIS半導体装置の製造
方法。
15. When forming a field effect MIS device on a Si semiconductor single crystal substrate, the gate insulating oxide film of the MIS device is made of single crystal, and the semiconductor substrate and the single crystal ferroelectric film are formed. In the system including, the free energy of the whole system is taken as an evaluation function based on ab initio molecular dynamics theory that expresses the target property of the system, and the free energy of this system is minimized under the main operating conditions. The single crystal ferroelectric film is arranged, and in particular, local unevenness of energy is set within a deviation value 3σ, and the oxygen defect concentration of the single crystal ferroelectric film is suppressed to 0.01% or less. And a method for manufacturing a field effect SiMIS semiconductor device.
【請求項16】 複数の工程からなる半導体装置の製造
方法において、前記複数の工程の少なくとも一つにおけ
る製造装置内に形成された膜、半導体基板上に形成され
た膜、半導体基板表面、及び半導体基板内部の少なくと
も一つに関する複数の特性の少なくとも一つを測定して
実観測データを得る工程と、経験的ポテンシャルを与え
た分子動力学シミュレータにより、前記複数の工程の少
なくとも一つにおける、複数の製造工程因子の少なくと
も一つの設定値、及びこの設定ちの揺らぎを入力値と
し、この入力値を基に変分計算を行い、前記複数の特性
の少なくとも一つの予測データを得る工程と、前記予測
データと実観測データとを、逐次、実時間で比較検定す
る工程と、前記比較検定により、前記複数の製造工程因
子の少なくとも一つの設定値と、前記実観測データから
推測される前記複数の製造工程因子の少なくとも一つと
の間に有為差が認められた場合、前記製造工程因子を逐
次実時間で修正処理する工程とを具備することを特徴と
する半導体装置の製造方法。
16. A method for manufacturing a semiconductor device comprising a plurality of steps, wherein a film formed in a manufacturing apparatus in at least one of the plurality of steps, a film formed on a semiconductor substrate, a semiconductor substrate surface, and a semiconductor. A step of measuring at least one of a plurality of characteristics relating to at least one of the inside of the substrate to obtain actual observation data, and a molecular dynamics simulator given an empirical potential, and a plurality of steps in at least one of the plurality of steps. At least one set value of the manufacturing process factor, and the fluctuation of this setting as an input value, performing variational calculation based on this input value, obtaining at least one prediction data of the plurality of characteristics, and the prediction data And the actual observation data are sequentially and in real time compared and tested, and by the comparison test, at least one of the plurality of manufacturing process factors is If a significant difference is found between the set value and at least one of the plurality of manufacturing process factors inferred from the actual observation data, the manufacturing process factor is sequentially corrected in real time. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
【請求項17】 前記経験的ポテンシャルを与えた分子
動力学シミュレータは、前記複数の工程において形成ま
たは処理される半導体材料、絶縁材料、または導電性材
料を構成する原子の運動が平行に達した所で、時刻を0
に設定し、その後、時刻tまでをサンプリング時間と
し、各原子の電荷及び位置ベクトルとの時間相関を求
め、所定時間における光学的スペクトルを求める機能を
有し、前記経験的ポテンシャルを与えた分子動力学シミ
ュレータから導かれる予測データは、個々の原子の時時
刻々の運動から導かれる振動挙動、その固有振動数、及
び、固有振動数の分布情報を含むことを特徴とする請求
項1に記載の半導体装置の製造方法。
17. The molecular dynamics simulator to which the empirical potential is applied has a structure in which the motions of atoms forming a semiconductor material, an insulating material, or a conductive material formed or processed in the plurality of steps reach parallel to each other. And set the time to 0
Set to the sampling time until the time t, and has a function of obtaining a time correlation with the charge and position vector of each atom and obtaining an optical spectrum at a predetermined time. The prediction data derived from the science simulator includes vibration behavior derived from the motion of each atom at each time and time, its natural frequency, and distribution information of the natural frequency. Manufacturing method of semiconductor device.
【請求項18】 前記経験的ポテンシャルを与えた分子
動力学シミュレータは、前記複数の工程において形成ま
たは処理される半導体材料、絶縁材料、または導電性材
料を構成する原子の運動を計算する際に、原子の位置ベ
クトルと各元素の電気陰性度、もしくは各元素のイオン
化ポテンシャルと電子親和力とを入力し、これらのデー
タから、個々原子の振動及び変位による電荷の変化を計
算し、さらにこの電荷の変化を加味して前記ポテンシャ
ルを計算することを特徴とするデ請求項1,2に記載の
半導体装置の製造方法。
18. The molecular dynamics simulator to which the empirical potential is applied calculates the motion of atoms constituting a semiconductor material, an insulating material or a conductive material formed or processed in the plurality of steps, Input the position vector of atom and electronegativity of each element, or ionization potential and electron affinity of each element, calculate the change in charge due to vibration and displacement of each atom from these data, and then change this charge The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the potential is calculated in consideration of the above.
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