JPH10284483A - Oxidation simulation method - Google Patents

Oxidation simulation method

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JPH10284483A
JPH10284483A JP9084079A JP8407997A JPH10284483A JP H10284483 A JPH10284483 A JP H10284483A JP 9084079 A JP9084079 A JP 9084079A JP 8407997 A JP8407997 A JP 8407997A JP H10284483 A JPH10284483 A JP H10284483A
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silicon
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxidation simulation method by which stable calculated results can be obtained even when time steps are narrowed and the calculating time can be shortened by performing oxidation simulation by using an elastic constant found from the stress of an oxide film after the stress of the film in a transition region is relieved as the elastic constant of the transition area. SOLUTION: In an oxidation simulation method, the concentration distribution of an oxidation species 4, such as H2 , O2 , etc., is calculated by solving a steady state diffusion equation and the oxidizing velocity of a silicon substrate 1 at the silicon/silicon oxide interface between the substrate 1 and a silicon oxide film 2 is found from the concentration of the species 4 at the interface, because the 4 is diffused in the silicon oxide film 2 and reaches the surface of the substrate 1. Then a new transition region 5 in which the substrate 1 changes to the silicon oxide film 2 is set between the oxide film 2 and substrate 1 in accordance with the found oxidizing velocity. In the transition region 5, a Young's modulus assumed for the same oxidizing condition is selected from a table of Young's moduli found by calculating actually measured Young's moduli under various oxidizing conditions is used.

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、半導体製造プロセ
スにおける酸化シミュレーション方法、特に、酸化工程
において発生する応力分布および酸化膜形状を求める酸
化シミュレーション方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an oxidation simulation method in a semiconductor manufacturing process, and more particularly to an oxidation simulation method for determining a stress distribution and an oxide film shape generated in an oxidation step.

【0002】[0002]

【従来の技術】シリコンの熱酸化膜は、LSI上の能動
素子を電気的に分離するために用いられるが、現行のL
SI製造で広く用いられているLOCOS工程のような
酸化工程では、平坦でないシリコン/シリコン酸化膜界
面で酸化反応が進行するため、シリコンがシリコン酸化
膜に変わる際の体積膨張により高い応力が発生する。こ
のような応力は、シリコン基板中に結晶欠陥を生じ、D
RAMのデータ保持時間の劣化原因となると考えられる
ため、DRAM開発においては、かかる酸化工程で発生
する応力を正確に評価することが不可欠であり、シリコ
ン酸化膜を粘弾性体として取り扱う粘弾性モデルに基づ
いた酸化シミュレーションシステムを利用して、酸化工
程での発生応力の評価が行われている。
2. Description of the Related Art A thermal oxide film of silicon is used to electrically isolate active elements on an LSI.
In an oxidation process such as a LOCOS process widely used in SI manufacturing, an oxidation reaction proceeds at an uneven silicon / silicon oxide film interface, so that high stress is generated due to volume expansion when silicon is changed to a silicon oxide film. . Such stress causes a crystal defect in the silicon substrate, and D
Since it is considered to be a cause of deterioration of the data retention time of the RAM, it is indispensable in the development of DRAM to accurately evaluate the stress generated in the oxidation process. The stress generated in the oxidation process is evaluated using an oxidation simulation system based on the simulation.

【0003】従来の粘弾性モデルに基づく酸化シミュレ
ーションのフローチャートを図5に、かかるシミュレー
ションに使用する各領域の材料固有のヤング率、ポアソ
ン比を示した弾性定数テーブルの一例を表1に、それぞ
れ示す。
FIG. 5 shows a flow chart of a conventional oxidation simulation based on a viscoelastic model, and Table 1 shows an example of an elastic constant table showing the Young's modulus and Poisson's ratio of each material used in the simulation. .

【表1】 かかる従来の酸化シミュレーション工程を、図6に示す
LOCOS工程の2次元断面模式図に従って説明する
と、まず、図6(a)に示すように、酸化膜2中を、H
2OやO2のような酸化種4が拡散し、シリコン基板1表
面に到達するため、定常状態の拡散方程式を解くことに
より、酸化種4の濃度分布を計算し、シリコン/シリコ
ン酸化膜界面における酸化種4の濃度から、かかる界面
における局所的なシリコン1の酸化速度を決める(酸化
種拡散計算)。ここで、3はSiN膜を示す。次に、計
算で求めた酸化速度に応じて、図6(b)に示すよう
に、酸化膜2とシリコン1の間に、新たにシリコン基板
1が酸化膜2に変わる遷移領域5を設定する。次に、上
記表1から各領域(シリコン、シリコン酸化膜、シリコ
ン窒化膜等)を構成する材料固有のヤング率、ポアソン
比を選択した後、遷移領域5に体積膨張に起因する初期
ひずみを与える。表1にはパラメータとして温度が含ま
れていないが、温度毎にテーブルを作成しても良い。続
いて、有限要素法を用いて、酸化膜に発生する応力を求
める。このとき有限要素法では、仮想仕事の原理から導
かれる下記式(I)
[Table 1] Such a conventional oxidation simulation step will be described with reference to a schematic two-dimensional cross-sectional view of the LOCOS step shown in FIG. 6. First, as shown in FIG.
Since the oxidizing species 4 such as 2 O or O 2 diffuses and reaches the surface of the silicon substrate 1, the concentration distribution of the oxidizing species 4 is calculated by solving a steady state diffusion equation, and the silicon / silicon oxide film interface is calculated. From the concentration of the oxidizing species 4 in (1), the local oxidation rate of the silicon 1 at the interface is determined (calculation of the oxidizing species). Here, 3 indicates a SiN film. Next, as shown in FIG. 6B, a transition region 5 where the silicon substrate 1 is changed to the oxide film 2 is newly set between the oxide film 2 and the silicon 1 according to the calculated oxidation rate. . Next, after selecting a Young's modulus and a Poisson's ratio specific to the material constituting each region (silicon, silicon oxide film, silicon nitride film, and the like) from Table 1 above, an initial strain due to volume expansion is given to the transition region 5. . Table 1 does not include temperature as a parameter, but a table may be created for each temperature. Subsequently, the stress generated in the oxide film is obtained by using the finite element method. At this time, in the finite element method, the following equation (I) derived from the principle of virtual work

【数1】 を解く。式中、△amは未知数であるm番目のタイムス
テップにおける節点変位増分、Bはひずみ一変位行列、
Dは弾性マトリクス、Dtm、△fmは、m番目のタイ
ムステップにおける時間増分および節点荷重増分であ
る。このように、遷移領域5を設定し、遷移領域5に体
積膨張を与えて、有限要素法により酸化膜の応力を計算
する上記シミュレーション工程を繰り返すことにより、
最終的に酸化後のシリコン基板の応力分布を求めること
ができる。
(Equation 1) Solve. Where △ am is the nodal displacement increment at the m-th time step, which is unknown, B is the strain-displacement matrix,
D is the elastic matrix, Dtm, △ fm are the time increment and nodal load increment at the mth time step. As described above, by setting the transition region 5, giving the volume expansion to the transition region 5, and repeating the above-described simulation process of calculating the stress of the oxide film by the finite element method,
Finally, the stress distribution of the oxidized silicon substrate can be obtained.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】このように酸化膜を粘
弾性体として取り扱った場合、応力の計算値が、実際の
値に比べて2桁程度大きくなるため、酸化膜に発生する
応力がある応力を越えた場合に粘性係数が低下し、発生
応力が緩和されるように、上記粘性係数が応力依存性を
有するモデルの導入が検討される。しかし、かかるモデ
ルでは、遷移領域の体積膨張の直後に極めて速い速度で
遷移領域において応力緩和が起きるため、シミュレーシ
ョンに計算上、不安定が生じやすい。即ち、図7は、粘
性係数の応力依存性を考慮した粘弾性モデルに基づいた
酸化シミュレーション方法を用いた場合の遷移領域にお
ける酸化時間と発生応力の関係のシミュレーション結果
であるが、酸化開始から最初の白丸(酸化時間約25
秒)までの範囲で見られるように、計算値が極めて不安
定となる。かかる不安定性を避け、安定解を得るために
はタイムステップを小さくして酸化シミュレーションを
行うことが必要となるが、一方で、計算時間が長時間と
なり、計算コストが極めて大きくなるという問題点が発
生することとなる。そこで、本発明は、粘性係数の応力
依存性を考慮した粘弾性モデルを用いた酸化シミュレー
ションにおいて、タイムステップを小さくすることなく
安定したシミュレーション結果を得ることが可能なシミ
ュレーション方法を提供することを目的とする。
When the oxide film is treated as a viscoelastic body as described above, the calculated value of the stress is about two orders of magnitude larger than the actual value, so that there is a stress generated in the oxide film. In order to lower the viscosity coefficient when the stress is exceeded and to reduce the generated stress, introduction of a model in which the viscosity coefficient has stress dependency is studied. However, in such a model, since stress relaxation occurs in the transition region at a very high speed immediately after the volume expansion of the transition region, the simulation tends to be unstable due to calculation. That is, FIG. 7 shows a simulation result of the relationship between the oxidation time and the generated stress in the transition region when the oxidation simulation method based on the viscoelastic model considering the stress dependence of the viscosity coefficient is used. White circle (oxidation time about 25
The calculated value is extremely unstable, as can be seen in the range up to 2 seconds). In order to avoid such instability and obtain a stable solution, it is necessary to perform an oxidation simulation with a small time step, but on the other hand, there is a problem that the calculation time becomes long and the calculation cost becomes extremely large. Will occur. Accordingly, an object of the present invention is to provide a simulation method capable of obtaining a stable simulation result without reducing a time step in an oxidation simulation using a viscoelastic model considering the stress dependence of a viscosity coefficient. And

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】そこで、発明者らは鋭意
研究の結果、酸化シミュレーションに用いる遷移領域の
弾性定数として、シリコン酸化膜固有の弾性定数を用い
る代わりに、上記酸化シミュレーションの酸化条件でシ
リコン基板を酸化して形成したシリコン酸化膜の実測応
力から求めた実測弾性定数を用いることにより、タイム
ステップを小さくすることなく、安定したシミュレーシ
ョン結果を得ることができることを見出し、本発明を完
成した。
The inventors of the present invention have conducted intensive studies and have found that the elastic constant of the silicon oxide film is not used as the elastic constant of the transition region used in the oxidation simulation. By using the measured elastic constant obtained from the measured stress of the silicon oxide film formed by oxidizing the silicon substrate, it was found that a stable simulation result could be obtained without reducing the time step, and completed the present invention. .

【0006】即ち、本発明は、シリコン酸化膜を、その
粘性係数が応力依存性を有する粘弾性体として取り扱
い、シリコン/シリコン酸化膜界面において、シリコン
がシリコン酸化膜に酸化される領域を遷移領域とし、上
記遷移領域および該遷移領域以外の必要な領域にそれぞ
れ弾性定数を設定し、上記遷移領域が酸化されることに
よる体積膨張に基づいて上記遷移領域に初期ひずみを与
え、上記初期ひずみを基に、設定された酸化条件におい
て遷移領域およびその周辺領域に発生する応力分布と該
応力分布に対応する酸化膜の形状とを計算する酸化シミ
ュレーション方法において、上記遷移領域の弾性定数と
して、上記酸化条件でシリコン基板を酸化して形成した
シリコン酸化膜の残留応力の実測値から求めた実測弾性
定数または上記酸化条件でシリコン基板の酸化シミュレ
ーションを行うことにより得られたシリコン酸化膜の残
留応力から求めた計算弾性定数を設定し、上記遷移領域
以外の必要な領域の弾性定数として、該領域を構成する
物質固有の弾性定数をそれぞれ設定することを特徴とす
る酸化シミュレーション方法である。
That is, according to the present invention, a silicon oxide film is treated as a viscoelastic body whose viscosity coefficient has stress dependence, and a region where silicon is oxidized to a silicon oxide film at a silicon / silicon oxide film interface is a transition region. Elastic constants are set for the transition region and necessary regions other than the transition region, and an initial strain is given to the transition region based on volume expansion caused by oxidation of the transition region. In an oxidation simulation method for calculating a stress distribution generated in a transition region and a peripheral region thereof under a set oxidation condition and a shape of an oxide film corresponding to the stress distribution, the oxidation condition is set as an elastic constant of the transition region. Measured elastic constants obtained from measured values of residual stress of silicon oxide film formed by oxidizing silicon substrate with In this case, the calculated elastic constant obtained from the residual stress of the silicon oxide film obtained by performing the oxidation simulation of the silicon substrate is set, and the elastic constant of the necessary region other than the above-mentioned transition region is defined as the elastic constant of the material constituting the region The oxidation simulation method is characterized in that the elastic constants are set respectively.

【0007】図3に示した遷移領域に発生する応力の酸
化時間依存性のグラフから分かるように、遷移領域の酸
化膜の弾性定数として、酸化膜固有の弾性定数を用いる
従来のシミュレーション方法では、シリコン酸化膜の粘
性係数ηが応力依存性を有するため、酸化シミュレーシ
ョン初期に、遷移領域において急速な応力緩和(応力の
急激な低下)が発生し、これに伴って、タイムステップ
を小さくしなければ安定したシミュレーション結果が得
られなくなるのに対し、本発明にかかるシミュレーショ
ン方法では、上記遷移領域の弾性定数として、上記酸化
シミュレーションの酸化条件でシリコン基板を酸化して
求めたシリコン酸化膜の実測弾性定数または上記酸化条
件で行ったシリコン基板の酸化シミュレーション結果か
ら求めた計算弾性定数を用いることにより、上記遷移領
域の応力が緩和された後の状態からシミュレーションを
開始することができ、シリコンの酸化開始直後の遷移領
域の急速な応力緩和現象についてのシミュレーションを
省力することができるため、タイムステップを小さくす
ることなく安定した数値計算結果を得ることが可能とな
る。この結果、酸化シミュレーションに必要な計算時間
の短縮、即ち計算コストの低減が可能となる。尚、弾性
定数には、ヤング率、ポアソン比、体積弾性係数、剪断
弾性係数の4つの定数が含まれる。
As can be seen from the graph of the dependence of the stress generated in the transition region on the oxidation time shown in FIG. 3, in the conventional simulation method using the elastic constant inherent to the oxide film as the elastic constant of the oxide film in the transition region, Since the viscosity coefficient η of the silicon oxide film has a stress dependency, a rapid stress relaxation (rapid decrease in stress) occurs in the transition region at the beginning of the oxidation simulation, and the time step must be reduced accordingly. In contrast to the case where a stable simulation result cannot be obtained, in the simulation method according to the present invention, the measured elastic constant of the silicon oxide film obtained by oxidizing the silicon substrate under the oxidation conditions of the oxidation simulation is used as the elastic constant of the transition region. Or calculated elasticity obtained from simulation results of oxidation of silicon substrate under the above oxidation conditions By using the number, the simulation can be started from the state after the stress in the transition region is relaxed, and the simulation for the rapid stress relaxation phenomenon in the transition region immediately after the start of oxidation of silicon can be saved. Therefore, a stable numerical calculation result can be obtained without reducing the time step. As a result, the calculation time required for the oxidation simulation can be reduced, that is, the calculation cost can be reduced. Note that the elastic constant includes four constants of Young's modulus, Poisson's ratio, bulk modulus, and shear modulus.

【0008】上記遷移領域の弾性定数は、複数の酸化条
件で酸化したシリコン基板上のシリコン酸化膜の残留応
力の各実測値を基に計算してテーブル化した複数の実測
弾性定数の群より選択されることが好ましい。このよう
に、予め複数の酸化条件でシリコン基板を酸化して形成
したシリコン酸化膜の残留応力の実測値より、各酸化条
件における実測弾性定数を計算で求めてテーブル化して
おき、酸化シミュレーション毎に適宜必要な弾性定数を
テーブルから選択して用いることにより、酸化シミュレ
ーションを迅速に行うことが可能となる。
The elastic constant of the transition region is selected from a group of a plurality of measured elastic constants tabulated by calculating based on each measured value of the residual stress of the silicon oxide film on the silicon substrate oxidized under a plurality of oxidation conditions. Is preferably performed. In this way, from the measured values of the residual stress of the silicon oxide film formed by oxidizing the silicon substrate under a plurality of oxidation conditions in advance, the measured elastic constants under the respective oxidation conditions are calculated and tabulated, and the table is prepared for each oxidation simulation. Oxidation simulation can be quickly performed by selecting and using a necessary elastic constant from a table as appropriate.

【0009】上記遷移領域の弾性定数は、複数の酸化条
件で行ったシリコン基板の酸化シミュレーションにより
求めたシリコン酸化膜の残留応力の各計算値を基に計算
してテーブル化した複数の計算弾性定数の群より選択さ
れることが好ましい。このように、予め複数の酸化条件
でシリコン基板の酸化シミュレーションを行い、各酸化
条件におけるシリコン酸化膜の計算弾性定数を求めてテ
ーブル化しておき、実際の酸化シミュレーションを行う
場合に適宜必要な弾性定数を上記テーブルから選択して
用いることにより、酸化シミュレーションを迅速に行う
ことが可能となる。
The elastic constants of the transition region are calculated based on the calculated values of the residual stress of the silicon oxide film obtained by the oxidation simulation of the silicon substrate under a plurality of oxidation conditions, and are tabulated as a plurality of calculated elastic constants. Is preferably selected from the group of As described above, the oxidation simulation of the silicon substrate is performed in advance under a plurality of oxidation conditions, the calculated elastic constants of the silicon oxide film under the respective oxidation conditions are obtained and tabulated, and the elastic constants necessary for performing the actual oxidation simulation are appropriately determined. Is selected from the above table, and the oxidation simulation can be quickly performed.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

実施の形態1.図1に、本発明の実施の形態1にかかる
酸化シミュレーションのフローチャートであり、図2
は、酸化シミュレーションに用いられる一般的な酸化シ
ミュレーションシステムの一例である。図2に示すよう
に、酸化シミュレーションシステムの中心をなすのはE
WS、パーソナルコンピュータ、大型計算機等の計算機
11であり、システムのユーザーはこの計算機11に対
して酸化温度、酸化時間、酸化雰囲気、初期形状等の酸
化条件を指示する。これらの条件を与える方法として
は、キーボードを使って条件をファイルに作成する方法
や、計算機11上に構築されたグラフィカルユーザーイ
ンターフェースを使って初期形状を与える方法がある。
計算機11は、以下に述べる計算手法により酸化膜形状
および応力分布を計算し、計算結果をそのディスプレイ
上に表示する。システムのユーザーは、計算結果を見
て、最適な形状(例えば分離間隔が短くできるなど)や
応力分布(応力の発生が少なく、シリコンの損傷が少な
くなるなど)が得られるように、酸化条件を変更して繰
り返し計算を行う。スキャナ12はSEM写真などの実
測形状を計算機上に取り込み、実測と比較を行う。ハー
ドコピー機13は画面上の酸化膜形状や応力分布を紙の
上にプリントするために用いられる。
Embodiment 1 FIG. FIG. 1 is a flowchart of an oxidation simulation according to the first embodiment of the present invention.
Is an example of a general oxidation simulation system used for oxidation simulation. As shown in FIG. 2, the central part of the oxidation simulation system is E
The computer 11 is a computer 11, such as a WS, a personal computer, or a large computer, and a user of the system instructs the computer 11 on oxidation conditions such as an oxidation temperature, an oxidation time, an oxidation atmosphere, and an initial shape. As a method of giving these conditions, there are a method of creating conditions in a file using a keyboard and a method of giving an initial shape using a graphical user interface built on the computer 11.
The calculator 11 calculates the oxide film shape and the stress distribution by a calculation method described below, and displays the calculation result on the display. The user of the system looks at the calculation results and adjusts the oxidation conditions to obtain the optimal shape (for example, the separation interval can be shortened) and the stress distribution (less stress generation and less silicon damage). Make changes and repeat calculations. The scanner 12 captures an actually measured shape such as an SEM photograph on a computer and compares it with the actually measured shape. The hard copy machine 13 is used to print the oxide film shape and stress distribution on the screen on paper.

【0011】本実施の形態にかかる酸化シミュレーショ
ン方法では、従来の粘弾性モデルに基づく酸化シミュレ
ーション方法と同様に、まず、図6(a)に示すよう
に、酸化膜2中を、H2OやO2のような酸化種4が拡散
し、シリコン基板1表面に到達するため、定常状態の拡
散方程式を解くことにより、酸化種4の濃度分布を計算
し、シリコン/シリコン酸化膜界面における酸化種4の
濃度から、かかる界面における局所的なシリコン1の酸
化速度を決める(酸化種拡散計算)。次に、計算で求め
た酸化速度に応じて、図6(b)に示すように、酸化膜
2とシリコン1の間に、新たにシリコン基板1が酸化膜
2に変わる遷移領域5を設定する。次に、遷移領域5以
外の領域(シリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜
等)については、従来の方法と同様に、下記表2(a)
から各領域を構成する材料固有のヤング率、ポアソン比
を選択する。一方、遷移領域5については、ポアソン比
は、下記表2(a)から選択するが、ヤング率について
は、従来方法のように酸化膜固有のヤング率を用いるの
ではなく、下記表2(b)に示すような、予め複数の酸
化条件でシリコン基板を酸化して形成したシリコン酸化
膜の残留応力を基板の反り等から測定した実測値より、
各酸化条件における仮想的なヤング率(実測ヤング率)を
計算して求めたヤング率のテーブルから、同じ酸化条件
を用いた場合の仮想的なヤング率を選択して用いる。
[0011] In such an oxidation simulation method according to the present embodiment, as in the oxidation simulation method based on the conventional viscoelastic model, first, as shown in FIG. 6 (a), a middle oxide film 2, H 2 O Ya Since the oxidizing species 4 such as O 2 diffuses and reaches the surface of the silicon substrate 1, the concentration distribution of the oxidizing species 4 is calculated by solving the steady-state diffusion equation, and the oxidizing species at the silicon / silicon oxide film interface is calculated. From the concentration of 4, the local oxidation rate of silicon 1 at the interface is determined (calculation of oxidizing species). Next, as shown in FIG. 6B, a transition region 5 where the silicon substrate 1 is changed to the oxide film 2 is newly set between the oxide film 2 and the silicon 1 according to the calculated oxidation rate. . Next, for regions other than the transition region 5 (silicon, silicon oxide film, silicon nitride film, etc.), the same as in the conventional method, the following Table 2 (a)
, The Young's modulus and Poisson's ratio specific to the material constituting each region are selected. On the other hand, for the transition region 5, the Poisson's ratio is selected from the following Table 2 (a). For the Young's modulus, instead of using the Young's modulus inherent to the oxide film as in the conventional method, the following Table 2 (b) is used. ), A residual stress of a silicon oxide film formed by oxidizing a silicon substrate under a plurality of oxidation conditions in advance from an actual measurement value measured from the warpage of the substrate,
From the table of the Young's modulus obtained by calculating the virtual Young's modulus (actually measured Young's modulus) under each oxidation condition, a virtual Young's modulus when the same oxidation condition is used is selected and used.

【表2】 尚、上記表2(b)は、各酸化条件でシリコン基板を酸
化した場合のシリコン酸化膜の残留応力の実測値から、
下記式(II)
[Table 2] Table 2 (b) shows the measured residual stress of the silicon oxide film when the silicon substrate was oxidized under each oxidation condition.
The following formula (II)

【数2】 を用いて求められた仮想的なヤング率Etransをテーブ
ル化したものである。ここで、σfilmは測定された酸化
膜の応力値、eTはシリコンが酸化膜に変わる際の体積
膨張率で通常1.25である。νはポアソン比でここで
は酸化膜と同じ値とするが他の値でもよい。このよう
に、通常の酸化膜よりも小さい弾性係数を設定するとい
うことは、粘性流動以外の応力緩和機構が存在すること
を考慮して、弾性応答として発生する応力(膨張直後の
時刻0の応力)が小さくなるようにパラメータを調整す
るということを意味する。次に、従来方法と同様に、遷
移領域5に体積膨張に起因する初期ひずみを遷移領域に
与え、有限要素法を用いて、酸化膜に発生する応力を求
める。このとき有限要素法では、仮想仕事の原理から導
かれる下記式(I)
(Equation 2) Is a table of the virtual Young's modulus E trans obtained using Here, σ film is the measured stress value of the oxide film, and e T is the volume expansion coefficient when silicon is changed to an oxide film, which is usually 1.25. ν is a Poisson's ratio, which is the same value as the oxide film here, but may be another value. As described above, setting an elastic coefficient smaller than that of a normal oxide film means that a stress generated as an elastic response (a stress at time 0 immediately after expansion) is considered in consideration of a stress relaxation mechanism other than viscous flow. ) Is adjusted to reduce the parameter. Next, as in the conventional method, an initial strain due to volume expansion is applied to the transition region 5 in the transition region, and the stress generated in the oxide film is obtained using the finite element method. At this time, in the finite element method, the following equation (I) derived from the principle of virtual work

【数3】 を解く。次に、このようにして求めた遷移領域5を酸化
膜と考えて、その上に新たに遷移領域を設けて(形状の
更新)、同様の酸化シミュレーションを行うことによ
り、新たな酸化膜の形成に対応した応力分布の酸化シミ
ュレーションが可能となる。最後に、適当な酸化時間、
上記酸化シミュレーションを繰り返すことにより、与え
られた酸化時間後に基板に発生する応力分布およびこれ
に対応した酸化膜の形状を求めることが可能となる。
(Equation 3) Solve. Next, the transition region 5 obtained in this way is considered as an oxide film, and a new transition region is provided thereon (updating the shape), and a similar oxidation simulation is performed to form a new oxide film. It is possible to perform an oxidation simulation of the stress distribution corresponding to. Finally, a suitable oxidation time,
By repeating the oxidation simulation, it is possible to obtain the distribution of stress generated in the substrate after a given oxidation time and the shape of the oxide film corresponding to this.

【0012】図3に、遷移領域のヤング率に、遷移領域
を構成する酸化膜固有のヤング率を用いる従来の酸化シ
ミュレーションを用いた場合と、上記テーブルから選択
した仮想的なヤング率を用いた本発明の酸化シミュレー
ションを用いた場合の、酸化時間と遷移領域の応力の関
係を示す。図3から明らかなように、上記テーブルから
選択した仮想的なヤング率を用いることにより、酸化シ
ミュレーション開始時に遷移領域に発生する応力値が、
従来の場合のA点からB点のように小さくなり、これに
より従来方法で発生していた酸化開始直後の応力緩和が
発生しなくなる。即ち、本実施の形態にかかる酸化シミ
ュレーションでは、応力緩和後の遷移領域の応力に相当
する酸化膜の応力の実測値から求めた仮想的なヤング率
を遷移領域のヤング率として用いることにより、従来の
酸化シミュレーションで行っていた応力緩和過程のシミ
ュレーションを行わずに酸化後の応力分布を求めること
が可能となる。
FIG. 3 shows a case where a conventional oxidation simulation using a Young's modulus inherent to an oxide film constituting a transition region is used as a transition region Young's modulus, and a case where a virtual Young's modulus selected from the above table is used. 4 shows the relationship between the oxidation time and the stress in the transition region when using the oxidation simulation of the present invention. As is apparent from FIG. 3, by using the virtual Young's modulus selected from the above table, the stress value generated in the transition region at the start of the oxidation simulation is:
From the point A to the point B in the conventional case, the stress becomes smaller, so that the stress relaxation immediately after the start of oxidation, which occurs in the conventional method, does not occur. That is, in the oxidation simulation according to the present embodiment, the virtual Young's modulus obtained from the actually measured value of the stress of the oxide film corresponding to the stress in the transition region after the stress relaxation is used as the transition region's Young's modulus. It is possible to obtain the stress distribution after oxidation without performing the simulation of the stress relaxation process performed in the oxidation simulation.

【0013】ここで、シリコン/シリコン酸化膜界面に
は、光学的な測定によって厚さ5Å程度の高密度層が存
在することが知られているが、このような高密度層の存
在は、遷移領域の酸化により発生する125%という大
きな遷移領域の体積膨張が、通常の粘性流動とは異なる
メカニズムで、極めて短時間に(薄い層の間で)緩和さ
れていることを示すものである。即ち、従来のシミュレ
ーション方法では、このような通常の粘性流動による応
力緩和とはメカニズムの異なる応力緩和現象まで含めて
通常の粘性流動で取り扱おうとしたために、極めて速い
応力緩和を扱う必要が生じ、この結果、計算の不安定性
を生じさせ、タイムステップを小さくすることが不可欠
となり、計算時間が長くなっていたのである。従って、
本実施の形態にかかる酸化シミュレーション方法では、
上述のように、遷移領域の応力緩和後の酸化膜の応力か
ら求めた仮想的なヤング率を遷移領域のヤング率として
用いて酸化シミュレーションを行うことにより、上記メ
カニズムの異なる急速な応力の緩和現象を酸化シミュレ
ーション中で取り扱う必要がなくなり、この結果タイム
ステップを小さくしなくても安定した計算結果を得るこ
とが可能となる。
Here, it is known by optical measurement that a high-density layer having a thickness of about 5 ° exists at the silicon / silicon oxide film interface. This indicates that the volume expansion of the transition region as large as 125% caused by the oxidation of the region is alleviated in a very short time (between thin layers) by a mechanism different from ordinary viscous flow. In other words, in the conventional simulation method, it is necessary to handle extremely fast stress relaxation because it is intended to handle the normal viscous flow including the stress relaxation phenomenon having a different mechanism from the stress relaxation due to the normal viscous flow. As a result, calculation instability is caused, and it is indispensable to reduce the time step, and the calculation time is lengthened. Therefore,
In the oxidation simulation method according to the present embodiment,
As described above, by performing an oxidation simulation using the virtual Young's modulus obtained from the stress of the oxide film after the stress relaxation in the transition region as the Young's modulus in the transition region, the rapid stress relaxation phenomena different in the above mechanism is performed. Need not be handled in the oxidation simulation, and as a result, a stable calculation result can be obtained without reducing the time step.

【0014】実施の形態2.上記実施の形態1では、複
数の酸化条件で予め酸化したシリコン基板の反り測定な
どで得られた応力緩和後の残留応力の測定値から、式
(II)を用いて計算した遷移領域の仮想的なヤング率
(計算ヤング率)をそれぞれテーブル化したが、本実施の
形態2では、まず、粘性係数が応力依存粘性を有する上
記酸化シミュレーションの遷移領域のヤング率に、遷移
領域を構成する酸化膜固有のヤング率を用いる従来の酸
化シミュレーション方法において、タイムステップ小さ
くして(即ち長い時間をかけて)、予め複数の酸化条件
における応力緩和後の遷移領域の応力を求め、かかる応
力から式(II)を用いて求めた仮想的なヤング率をテー
ブル化しておく。例えば、図4は、このような事前の酸
化シミュレーション(数値解析)によりシミュレーショ
ンした各酸化条件(酸化温度:800、900、100
0、1100℃)における遷移領域の応力値を示すグラ
フであり、この結果を基に、式(II)を用いてそれぞれ
の仮想的なヤング率が求められる。
Embodiment 2 FIG. In the first embodiment, a virtual transition region calculated using equation (II) is calculated from the measured value of the residual stress after stress relaxation obtained by measuring the warpage of a silicon substrate previously oxidized under a plurality of oxidation conditions. Young modulus
Although the (calculated Young's modulus) is tabulated, in the second embodiment, first, the Young's modulus of the transition region in the oxidation simulation in which the viscosity coefficient has the stress-dependent viscosity, In the conventional oxidation simulation method using the rate, the time step is made small (that is, over a long time), the stress in the transition region after the stress relaxation under a plurality of oxidation conditions is obtained in advance, and the equation (II) is used from the obtained stress. The virtual Young's modulus obtained in this way is tabulated. For example, FIG. 4 shows each oxidation condition (oxidation temperature: 800, 900, 100) simulated by such preliminary oxidation simulation (numerical analysis).
5 is a graph showing stress values in a transition region at (0, 1100 ° C.), and based on the results, respective virtual Young's moduli are obtained using Expression (II).

【0015】次に、実際に酸化シミュレーションを行う
にあたり、シミュレーションに用いる酸化条件に合った
仮想的なヤング率を、適宜上記テーブルから選択して用
いることにより酸化シミュレーションを行う。このよう
に、従来のシミュレーション方法を用いて、予め複数の
酸化条件における遷移領域の仮想的なヤング率をそれぞ
れテーブル化し、実施の形態1と同様に、実際の酸化シ
ミュレーションにおいて、シミュレーションに用いる酸
化条件に応じた仮想的なヤング率をかかるテーブルから
選択することにより、上記メカニズムの異なる急速な応
力の緩和現象を酸化シミュレーション中で取り扱う必要
がなくなり、この結果タイムステップを小さくしなくて
も安定した計算結果を得ることが可能となる。
Next, when actually performing an oxidation simulation, an oxidation simulation is performed by appropriately selecting a virtual Young's modulus suitable for the oxidation conditions used in the simulation from the above table. As described above, the virtual Young's modulus of the transition region under a plurality of oxidation conditions is tabulated in advance using the conventional simulation method, and the oxidation conditions used for the simulation are used in the actual oxidation simulation as in the first embodiment. By selecting a virtual Young's modulus according to the above table from such a table, it is not necessary to deal with rapid stress relaxation phenomena with different mechanisms described above in the oxidation simulation. As a result, stable calculations can be performed without reducing the time step. The result can be obtained.

【0016】尚、上記実施の形態1、2では、弾性定数
としてヤング率をテーブル化したが、ヤング率、ポアソ
ン比、体積弾性係数、せん断弾性係数の4つの弾性定数
うち、独立なパラメータは2つだけで、他のパラメータ
はこれらを用いて計算できるため、これらのパラメータ
のうち1または2のパラメータをテーブル化しても同様
の効果を得ることが可能となる。
In the first and second embodiments, the Young's modulus is tabulated as an elastic constant. Of the four elastic constants of Young's modulus, Poisson's ratio, bulk modulus and shear modulus, the independent parameter is 2 Other parameters can be calculated using these parameters alone, so that even if one or two of these parameters are tabulated, the same effect can be obtained.

【0017】[0017]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
にかかる酸化シミュレーション方法では、遷移領域の応
力緩和後の酸化膜の応力から求めた弾性定数を遷移領域
の弾性定数として用いて酸化シミュレーションを行うこ
とにより、従来の酸化シミュレーションで取り扱ってい
た急速な応力の緩和現象を酸化シミュレーション中で取
り扱う必要がなくなり、この結果タイムステップを小さ
くしなくても安定した計算結果を得ることが可能とな
る。従って、酸化シミュレーションに必要な計算時間の
短縮、計算コストの低減が可能となる。
As is apparent from the above description, in the oxidation simulation method according to the present invention, the oxidation simulation is performed by using the elastic constant obtained from the stress of the oxide film after the stress relaxation in the transition region as the elastic constant of the transition region. By doing so, it is no longer necessary to handle the rapid stress relaxation phenomenon used in the conventional oxidation simulation in the oxidation simulation, and as a result, a stable calculation result can be obtained without reducing the time step. . Therefore, it is possible to reduce the calculation time and the calculation cost required for the oxidation simulation.

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

【図1】 本発明にかかる酸化シミュレーションのフロ
ーチャートである。
FIG. 1 is a flowchart of an oxidation simulation according to the present invention.

【図2】 本発明にかかる酸化シミュレーションシステ
ムのシステム構成図である。
FIG. 2 is a system configuration diagram of an oxidation simulation system according to the present invention.

【図3】 遷移領域における酸化時間と応力の関係の酸
化シミュレーション結果である。
FIG. 3 is an oxidation simulation result of a relationship between an oxidation time and a stress in a transition region.

【図4】 事前解析により計算した遷移領域の酸化温度
と応力との関係である。
FIG. 4 shows the relationship between the oxidation temperature and the stress in the transition region calculated by a preliminary analysis.

【図5】 従来の酸化シミュレーションのフローチャー
トである。
FIG. 5 is a flowchart of a conventional oxidation simulation.

【図6】 酸化シミュレーションにおける遷移領域の設
定方法である。
FIG. 6 shows a method of setting a transition region in an oxidation simulation.

【図7】 従来の酸化シミュレーション方法を用いて求
めた酸化時間と遷移領域の応力の関係である。
FIG. 7 shows a relationship between an oxidation time and a stress in a transition region obtained by using a conventional oxidation simulation method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シリコン基板、2 酸化膜(LOCOS酸化膜)、
3 SiN膜、4 酸化種(HOまたはO2)、5
遷移領域、11 計算機、12 スキャナ、13ハード
コピー出力機である。
1 silicon substrate, 2 oxide film (LOCOS oxide film),
3 SiN film, 4 oxidized species (H 2 O or O 2 ), 5
Transition area, 11 computers, 12 scanners, and 13 hard copy output machines.

フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 21/31 H01L 21/94 A Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI H01L 21/31 H01L 21/94 A

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 シリコン酸化膜を、その粘性係数が応力
依存性を有する粘弾性体として取り扱い、 シリコン/シリコン酸化膜界面において、シリコンがシ
リコン酸化膜に酸化される領域を遷移領域とし、 上記遷移領域および該遷移領域以外の必要な領域にそれ
ぞれ弾性定数を設定し、 上記遷移領域が酸化されることによる体積膨張に基づい
て上記遷移領域に初期ひずみを与え、 上記初期ひずみを基に、設定された酸化条件において遷
移領域およびその周辺領域に発生する応力分布と該応力
分布に対応する酸化膜の形状とを計算する酸化シミュレ
ーション方法において、 上記遷移領域の弾性定数として、上記酸化条件でシリコ
ン基板を酸化して形成したシリコン酸化膜の残留応力の
実測値から求めた実測弾性定数または上記酸化条件でシ
リコン基板の酸化シミュレーションを行うことにより得
られたシリコン酸化膜の残留応力から求めた計算弾性定
数を設定し、 上記遷移領域以外の必要な領域の弾性定数として、該領
域を構成する物質固有の弾性定数をそれぞれ設定するこ
とを特徴とする酸化シミュレーション方法。
The silicon oxide film is treated as a viscoelastic body whose viscosity coefficient has stress dependence, and a region where silicon is oxidized to the silicon oxide film at a silicon / silicon oxide film interface is a transition region. An elastic constant is set for each of the necessary regions other than the region and the transition region, and an initial strain is given to the transition region based on volume expansion caused by oxidization of the transition region, and is set based on the initial strain. In the oxidation simulation method for calculating the stress distribution generated in the transition region and its peripheral region under the oxidizing condition and the shape of the oxide film corresponding to the stress distribution, the silicon substrate is subjected to the oxidizing condition as the elastic constant of the transition region. The measured elastic constant obtained from the measured residual stress of the silicon oxide film formed by oxidation The calculated elastic constant obtained from the residual stress of the silicon oxide film obtained by performing the oxidation simulation of the substrate is set, and the elastic constant specific to the material constituting the region is set as the elastic constant of the necessary region other than the transition region. The oxidation simulation method characterized in that:
【請求項2】 上記遷移領域の弾性定数が、複数の酸化
条件で酸化したシリコン基板上のシリコン酸化膜の残留
応力の各実測値を基に計算してテーブル化した複数の実
測弾性定数の群より選択されることを特徴とする請求項
1に記載の酸化シミュレーション方法。
2. A group of a plurality of measured elastic constants calculated from the measured values of the residual stress of a silicon oxide film on a silicon substrate oxidized under a plurality of oxidation conditions and tabulated. The oxidation simulation method according to claim 1, wherein the oxidation simulation method is selected from the following.
【請求項3】 上記遷移領域の弾性定数が、複数の酸化
条件で行ったシリコン基板の酸化シミュレーションによ
り求めたシリコン酸化膜の残留応力の各計算値を基に計
算してテーブル化した複数の計算弾性定数の群より選択
されることを特徴とする請求項1に記載の酸化シミュレ
ーション方法。
3. A plurality of calculations in which the elastic constant of the transition region is calculated and tabulated based on each calculated value of the residual stress of the silicon oxide film obtained by an oxidation simulation of a silicon substrate performed under a plurality of oxidation conditions. The oxidation simulation method according to claim 1, wherein the oxidation simulation method is selected from a group of elastic constants.
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