Моделирование и оптимизация параметров технологических процессов химического осаждения тонких пленок из газовой фазы в производстве приборов электронной техники тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат технических наук Каратунов, Юрий Владимирович

• Каратунов, Юрий Владимирович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Каратунов, Юрий Владимирович

введение.

глава i. тонкие пленки в конструкциях элементов бис и сбис и технологических процессах их производства.

1.1. тонкие пленки в конструкциях элементов БИС и СБИС: состав, свойства, назначениеи возможности химического осаждения из парогазовой фазы.

1.2. Оборудование для нанесения тонких пленок методом химического осаждения из парогазовой фазы.

1.3 Кластерное оборудование.

1.4 Кра ткие выводы к главе I.

глава ii. моделирование технологических процессов производства материалов и приборов электронной техники, бис и сбис.

2.1 роль и значение моделирования в развитии технологических процессов и оборудования для производства материалов и приборов электронной техники, БИС и СБИС.

2.2 Математическая модель технологического процесса ионно-плазменного (магнетронного) осаждения.

2.3. выводы к главе II. общий подход к построению математической модели осаждения тонких пленок.

глава iii. разработка математической модели процесса химического осаждения тонких пленок из газовой фазы.

3.1 постановка зада чи.

3.2 Химическая кинетика процесса осаждения.

3.3 Реактор, технологическая среда, уравнение материального баланса.

3.4 Аналитическая модель осаждения пленки при реакции первого порядка.

3.5 аналитическая модель осаждения пленок при реакции второго порядка.

3.6 Аналитическая модель процесса осаждения в партии пластин при химической реакции первого порядка.

3.7 Аналитическая модель процесса осаждения в партии пластин при химической реакции второго порядка.

3.8 Краткие выводы к главе III.

глава iv. анализ модели процесса химического осаждения тонких пленок из газовой фазы и условий ее реализации.

4.1 Теоретический анализ неоднородности толщины пленки.

4.2. Анализ неоднородности толщины осажденной пленки по площади пластин.

4.3. Анализ неоднородности толщины осажденной пленки в партии пластин.

4.4 анализ геометрических (конструктивных) факторов процесса осаждения.

4.5 Анализ выполнимости условий минимальной неоднородности толщины пленок.

4.6 Анализ влияния понижения давления на результаты процесса осаждения тонких пленок.

4.7. Анализ адекватности модели.

4.8. Краткие выводы к главе IV. Характер и степень влияния параметров процессов на скорость и равномерность осаждения тонких пленок.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование и оптимизация параметров технологических процессов химического осаждения тонких пленок из газовой фазы в производстве приборов электронной техники»

Актуальность исследования.

Моделирование процессов во всех сферах производственной деятельности человеческого общества - быстро расширяющаяся область науки и количество научных работ, посвященных этому вопросу в последнее время, чрезвычайно велико и быстро растет.

Математическое моделирование сравнительно более дешевый и в отношении затрат времени более быстрый процесс, нежели натурное моделирование. Моделирование технологических процессов стало столь же распространенным, как и схемотехническое моделирование и моделирование элементов, компонентов и приборов электронной техники. Все дело в том, что расчеты параметров микроприборов, микросхем и микросистем основаны на знании параметров всех операций, составляющих технологический маршрут их производства, то есть для расчетов реальных параметров приборов необходимо иметь входную информацию, основанную на знании параметров реальных технологических операций и их сочетания. Точность расчетов определяется адекватностью физико-математических и физико-химических моделей технологических процессов.

Наибольшие успехи к настоящему времени достигнуты при моделировании таких операций производства изделий электронной техники и изделий микроэлектроники как эпитаксия, окисление кремния, диффузия, ионное легирование, термовакуумное и ионно-плазменное напыление, литографические операции. Все более новые и все более совершенные и точные модели указанных технологических операций предлагалось по мере развития и применения этих операций в качестве составляющих различных технологических маршрутов в высоких электронных технологиях. Существует даже некоторая закономерность: чем раньше изучена и освоена та или иная технологическая операция, тем более совершенна соответствующая ей математическая модель, как правило, прошедшая несколько стадий модификации.

Химическое осаждение тонких пленок из газовой фазы для большого числа материалов электронной техники получило широкое распространение лишь в последние годы в производстве различных типов изделий микро- и оптоэлектроники, сенсоров, детекторов, и высокотемпературных защитных покрытий. Существенное запаздывание с внедрением процессов химического осаждения тонких пленок в технологии приборов электронной техники связано со сложностью управления и большим числом кинетических, геометрических, внешних, внутренних, входных и выходных параметров процессов, сложностью и многоступенчатостью протекания химических реакций. Соответственно и моделирование процесса химического осаждения тонких пленок из газовой фазы находится в стадии развития и становления. Имеются модели частного характера для отдельных пленкообразующих веществ в ограниченном диапазоне параметров осаждения в реакторах различного типа. Отсутствует научно-обоснованная методика построения моделей химического осаждения тонких пленок на поверхность подложек и изделий элеюронной техники.

В то же время тонкие пленки диэлектрических, полупроводниковых, проводящих материалов входят как неотъемлемая часть физической структуры и конструкций элементов и приборов электронной техники, в частности таких технологически сложных как БИС и СБИС.

Существенная доля технологических операций производственного маршрута изготовления СБИС (10-15 %) являются операциями нанесения пленкообразующих веществ методами химического осаждения из газовой фазы.

Разработка методики построения и научно- обоснованного подхода к построению аналитических моделей процесса химического осаждения тонких пленок из газовой фазы и создание таких моделей для химических реакций имеющих различную кинетику является таким образом задачей современной и актуальной.

Цель и задача исследования.

Целью данной научно-исследовательской работы является построение математических моделей процессов химического осаждения тонких пленок в производстве приборов электронной техники, изделий микроэлектроники и микросистемотехники. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы:

- основные этапы построения модели,

- основные требования к параметрам растущей пленки,

- выходные, входные и управляемые параметры процесса осаждения.

Основной задачей исследования является установление аналитической зависимости между выходными параметрами, входными и управляемыми параметрами процесса химического осаждения тонких пленок и подтверждение адекватности установленного математического выражения имеющимся научными, экспериментальными и производственным данными.

Научная новизна, научная и практическая значимость исследования.

Научной новизной исследования является создание метода построения математической модели основанный на сочетании:

- составления уравнений материального баланса процессов осаждения тонких пленок и получения систем дифференциальных уравнений, описывающих кинетику реакций осаждения;

- решения полученных дифференциальных уравнений с учетом требований минимального разброса осаждаемых пленок по толщине в пределах одной подложки (пластины) и в пределах партии обрабатываемых подложек.

Научное значение работы заключается в создании математических моделей процессов химического осаждения однородных по толщине тонких пленок различных веществ, химические реакции пленкообразования которых протекают как реакции первого или как реакции второго порядков.

Практическая значимость выполненного исследования заключается в том, что на основе полученных формул для величины относительной неоднородности толщины осажденных пленок можно провести параметрическую оптимизацию процесса осаждения, позволяющую выбрать режимы процесса осаждения (набор значений управляемых параметров осаждения, форм и размеров реактора осаждения) при которых разброс толщины пленок не превышает допустимой, заранее заданной величины.

Положения, выносимые на защиту.

1. Методика построения математических моделей процессов химического осаждения тонких пленок полупроводниковых, диэлектрических и проводящих материалов в цилиндрическом проточном реакторе с горячими стенками, основанная на составлении уравнений материального баланса реакции образования пленкообразующих веществ и решения полученных уравнений с наложением условия максимальной однородности пленок по толщине в пределах площади одной пластины и в партии пластин.

2. Вывод аналитических выражений связывающих скорость роста пленок и равномерность их толщины (выходные параметры) с входными и управляемыми параметрами процесса химического осаждения для реакций формирования пленкообразующих веществ, протекающих как реакции первого и второго порядков. Эти выражения и являются математической моделью процессов осаждения тонких пленок.

3. Результаты анализа математической модели процесса, определяющие характер влияния входных и управляющих параметров процесса осаждения на толщину пленки и ее распределение по площади полупроводниковых пластин и иных подложек.

4. Ранжирование параметров и степени их влияния на скорость осаждения, толщину и равномерность толщины осажденных тонких пленок.

5. Доказательство адекватности полученных моделей путем сравнения с экспериментальными данными и иными методами.

6. Алгоритм и программное обеспечение расчетов толщины и однородности по толщине осаждаемых при различных условиях тонких пленок материалов электронной техники.

Достоверность, апробация и публикация результатов работы.

Достоверность результатов исследования и адекватность модели подтверждается имеющимися в научно-технической литературе экспериментальными данными, проверкой размерности полученных теоретических формул и переходом этих формул в известные выражения в предельных случаях.

Апробация результатов работы. Научные результаты работы доведены до сведения научной общественности и работников производства. Они докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- Третья международная научно-техническая конференция «Электроника и информатика - XXI век», Зеленоград - МГИЭТ ТУ, 2000 г.

- Международная научно-техническая конференция «Российская научная школа молодых ученых и специалистов «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий», Москва-МГИЭМ-Сочи, 2001 г.

- Девятая всероссийская межвузовская конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2002», Зеленоград, МГИЭТ ТУ, 2002 г.

- Четвертая международная научно-техническая конференция «Электроника и информатика - 2002», Зеленоград-Москва, МГИЭТ ТУ, 2002 г.

- Десятая всероссийская межвузовская конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2003», Зеленоград, МГИЭТ ТУ, 2003 г.

Публикации: результаты диссертационной работы опубликованы в двух статьях двух межвузовских сборников «Научные основы разработки технологий и оборудования микроэлектроники» 2000г. и "Научные основы разработки технологий, материалов, приборов и систем электронной техники" 2002 г.ив шести тезисах докладов.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, содержит 51 рисунок, 3 таблицы, список используемой и цитируемой литературы из 68 наименований.

Заключение диссертации по теме «Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники», Каратунов, Юрий Владимирович

Заключение.

В результате проведенных исследований получена аналитическая модель процесса химического осаждения тонких пленок из газовой фазы на поверхности подложек (пластин) в проточных реакторах с горячими стенками пригодная для адекватного описания скорости осаждения тонких пленок в любой точке любой подложки, входящей в партию обрабатываемых изделий.

В основу построения модели положено требование максимальной однородности толщины формируемой на подложке пленки, что характерно для процессов осаждения в производстве изделий электронной техники и, в частности, при обработке партии полупроводниковых пластин в производстве БИС и СБИС. Модель построена на основе следующих предположений и допущений:

- Реактор химического осаждения представляет собой аксиально -симметричную систему, температура которой в процессе осаждения поддерживается постоянной, поток газовой смеси в зазоре между подложками и стенками реактора ламинарен.

- Скорость процесса осаждения тонкой пленки не зависит от кристаллографической ориентации подложки, структуры растущей пленки.

- Потерями исходных реагентов за счет реакции осаждения на стенках реактора можно пренебречь.

На основе разработанной модели возможна параметрическая оптимизация процесса осаждения, позволяющая выбрать режимы процесса (набор значений параметров осаждения), при котором разброс толщины пленок не превышает допустимой, заранее заданной величины.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Каратунов, Юрий Владимирович, 2003 год

1. Сугано Т., Икома Т., Tataucu Е. Введение в микроэлектронику. М. "Мир", 1988.

2. Петрова В.З., Ханова Н.Л., Гребенькова В.И. и д.р. Химия в микроэлектронике М.: МГИЭТ(ТУ), учебное пособие для студентов ВУЗов. Части I и II, 1995г.

3. Петрова В.З., Кошелев Н.И., Ермолаева A.M. Методы получения тонких диэлектрических пленок для целей микроэлектроники и исследование их состава и структуры. М.: МГИЭТ (ТУ)., Учебное пособие для студентов ВУЗов, 1994г.

4. Горчик Т.Е., Горовитц Б. Стимулированное плазмой осаждение из газовой фазы диэлектрических пленок. В кн. "Плазменная технология в производстве СБИС" Москва, "Мир", 1987г.

5. Адаме А. Осаждение диэлектрических пленок и поликристаллического кремния, в кн. "Технология СБИС", под ред. С. Зи, Москва, "Мир", 1986г. в 2-х книгах. Перевод с английского под ред. Чистякова Ю.Д.

6. Фрейзер Д. Металлизация. В кн. "Технология СБИС" под ред. С. Зи, Москва,"Мир", 1986г. в 2-х книгах. Перевод с английского под ред. Чистякова Ю.Д.

7. ХессД.У. Стимулированное плазмой осаждение из газовой фазы пленок переходных металлов и их силицидов. В кн. "Плазменная технология в производстве СБИС", перевод с английского под. ред. д.ф.-м.н. Е.С. Машковой. Москва, "Мир", 1987

8. Wong K.L., Holloway Т.С., Pinizotto P.F, SobezakZ.P. Hunter W.R., Tasch A.F. Composite TaSi2/n+ Poli-Si Low Resistivity Gate Electrode and Interconnect for VLSI Device Technology., IEEE Trans. Electron Devices, ED-29, 547,1982

9. SinhaA.K. Refractory Metal Silicides for VLSI Applications. J.Vac.Sci. Technol, 19,778(1981)

10. Классификация и кодирование информации. Основные понятия. Термины и определения. ГОСТ №17389-71: М., 1975г.

11. Тару и Я. Основы технологии СБИС. Пер. с японск. под ред. В.Г. Ржаноеа. М., "Радио и связь", 1985г.

12. Hammond M.I., Safeti in Chemical Vapor Deposition., Solid State Technol 23, 104, 1980r.

13. Барил M.A., Самойликов B.K. Газовые системы оборудования производства полупроводниковых приборов и интегральных схем. М., Энергия, 1978г.

14. Блинов И.Г., КожитовЛ.В. Оборудование полупроводникового производства. М."Машиностроение", 1986.

15. Баринов В.В., Калинин А.В., Киреев В.Ю. Кластерное производство специализированных СБИС. Изв. ВУЗов. Электроника. №4-5, 2000г., с. 98-102.

16. Панфилов Ю.В., Рябов В.Г., Цветков Ю.Б. Оборудование производства интегральных микросхем и промышленные работы. М., "Радио и связь", 1987г.

17. Иванов Ю.В., Лакота Н.А. Гибкая автоматизация производства РЭА с применением микропроцессоров и роботов. -М., Радио и связь, 1987г.

18. Фролов В.А., Львович Я.Е., Метелкин Н.П. Автоматизированное проектирование технологических процессов и систем производства РЭС. М., Высшая школа, 1991

19. Weiss М. The Automated Semiconductor Fabricator, Circa 2020; Solid-State Technology, 1997, Vol. 40, №5, pi 83

20. Single-Wafer Cluster Tool Performance: An Analysis of Throughput; IEEE Trans, on Semiconductor Manuf. 1994, Vol. 7, №3, 369

21. Chitre S. Future Trends in CMP. Solid-State Technology 1997, Vol. 40, №5, p 187.

22. Newboe В/ Cluster Tool: A process Solution? Semiconductor International, 1990, July, p 82.

23. A Wafer Houndlung Interface Under Processing Ambient Conditions for a Single-Wafer Cluster Tool. Y. Kamamura, T.Yamamoto et al, IEEE Trans on Semiconductor Manuf. 1998 Vol. 11, №l,pl3.

24. Burger R.M. Donowan R.P. Integrated eirenit manufacturing eirca 1977, Solid-State technology: 1969, Oct., p58.

25. Моделирование элементов и технологических процессов. Под ред. П Антонетти,Д. Антониадиса, Р.Даттока, У Оулдхема. Пер. с англ. под. ред. Р. Суриса. М. "Радио и связь", 1988г.

26. Фитчнер У. Моделирование технологических процессов. В кн. "Технология СБИС", часть 2. под ред. С. Зи. Москва, "Мир", 1986.

27. ЪХ.Коледов JI.A. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок: Учебник для Вузов, -М., Радио и связь, 1989

28. D'Avanzo D.C., VanziM. Dutton R.fV., One-Dimensional Semicinductor Device Analysis (SEDAN), Stanford Electronics Laboratories Technical Report No 6-201-5, October, 1999.

29. Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. М., Радио и Связь, 1987.

30. Парфенов ОД. Технология микросхем. М., Высшая школа, 1986

31. Добрынин А.В. Феноменологическое моделирование процессов осаждения нитридов алюминия и галлия из газовой фазы. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук М. МГИЭТ, 2001г.

32. A3. Добрынин А.В. Термодинамическая модель осаждения твердых растворов A1N и GaN. Изв. ВУЗов. Материалы электронной техники, №2,2002г., с 55-58.

33. Гаврилов А.И., Хайрюзова Е.В., Посмитный Е.В. Моделирование парофазного осаждения с учетом естественной конвенции. Наука Кубани. Серия Проблемы физико математического моделирования. Естественные и технические науки. №1, г. Краснодар, 1999 г.

34. Добрынин А.В., Найда Г.А., Получение керамических покрытий из нитрида алюминия методом пиролиза. Неорганические материалы, т.34, №1, 1998, с 97100.

35. Роуэл Дж.М. Материалы для фотоники. В мире науки, Декабрь 1986/ Scientific American, October 1986, vol. 255, No 4.

36. Мартин Г. Дрекстейдж, Корнелиус Т. Мойнихэн. Инфракрасные волоконные световоды. В мире науки, Январь 1989/ Scientific American, November 1998, v. 259

37. Сырчин B.K. САПР и моделирование технологических систем: учебное пособие. М., МИЭТ(ТУ), 1997

38. Сырчин В.К. Расчет и оптимизация конструктивно-технологических параметров узлов и систем вакуумно-плазменного оборудования микроэлектроники, -М. МИЭТ, 1990

39. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. -М: Радио и связь, 1982г.

40. Виноградов Б.Г., Сырчин В.К. Проектирование вакуумного и элионного оборудования. -М.,: МИЭТ, 1980

41. Blech LA., FrazerD.B., Haszko S.E., Optimization of A1 Step Coverage through Computer Simulation and Scanning Electronic Microscopy. J. Vac. Sci. Technol., 15,13 (1978)

42. Ting C.H., Naurenther A.R., Application of Profile Simulation for thin Film Deposition and Etching Processes. Solid state Technology, 25(r), 115 (1982)

43. Кафаров B.B. Основы массопередачи. M. Высшая школа, 1979г.

44. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М. Химия, 1985г.

45. Кондратьев В.А., Никитин Е.Е. Химические процессы в газах. М. Наука, 1981г.

46. Seto J, Deposition of Polycristalline Silicon by Pyrolisis of Silane. -"J.Electroschem.Soc", v. 122, № 5, p. 701-705, 1975.

47. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М. "Наука", 1967г.

48. Девятых Г.П., Зорин А.Д. Летучие неорганические гидриды. М. М. "Наука", 1977, с. 218-246

49. Орион Б.В., Свиридов Н.М. Осаждение пленок поликристаллического кремния. Электронная промышленность, 1977, №5, с. 20-22.

50. Эдельман Ф.Л., Пленки поликристаллического кремния. В кн. "Полупроводниковые пленки для микроэлектроники", Новосибирск, "Наука" 1977, с. 218-246.

51. Эдельман Ф.Л., Воскобойников В.В, Смирнов В.В., Попов Б.В. Пленки поликристаллического кремния, полученные пиролизом силана, -"Микроэлектроника", 1977, т.З, вып. 6, с. 554-557.

52. Эдельман Ф.Л., Воскобойников В.В., Латута В.З. Рост пленок поликристаллического кремния в реакторе пониженного давления из силана. -"Микроэлектроника", 1974, т.З, вып. 5, с. 418-423.

53. Кобка В.Г., Медведев Ю.П., Ушанкин Ю.В. Оптимизация процесса осаждения пленок поликристаллического кремния в реакторе пониженного давления. -Получение и свойства тонких пленок (ИПМ АНУССР), 1982, вып. 8, стр. 114117.

54. Кобка В.Г., Медведев Ю.П., Смаковенко А.А., Панин А.И. Процесс осаждения пленок поликристаллического кремния в реакторе пониженного давления. -Электронная техника, Сер.7, 1982, вып. 2, стр. 29-32.