JP4047833B2 - Change prediction method - Google Patents
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本発明は、実際に起こる問題が確率的である対象のシミュレーション方法に係り、さらにはこの方法を適用した変化予測方法に関する。 The present invention relates to a simulation method for an object in which a problem that actually occurs is probabilistic, and further relates to a change prediction method to which this method is applied.
周知のように、半導体デバイスの製造工程には、基板上に薄膜を生成する工程が存在する。これらの薄膜生成には、多くの場合、Chemical Vapor Deposition(CVD)法が採用されている。 As is well known, a semiconductor device manufacturing process includes a process of forming a thin film on a substrate. In many cases, a chemical vapor deposition (CVD) method is employed for producing these thin films.
最近では、技術の進歩と共に基板上の回路パターンを 1μm以下にする必要が生じており、このパターン上に生成される薄膜もこれに応じて微細化する必要がある。このようにデバイスを高密度化すると、特にパターン段差(トレンチ)内への埋め込み特性(ステップカバレッジ)が問題となる。 Recently, with the advancement of technology, it is necessary to make the circuit pattern on the substrate 1 μm or less, and the thin film generated on this pattern also needs to be miniaturized accordingly. When the density of the device is increased in this way, the embedding characteristic (step coverage) in the pattern step (trench) becomes a problem.
たとえば、減圧CVD法を用い、原料ガスにシラン(SiH4 )を、キャリアガスにアルゴン(Ar)を用い、ウエハ温度 700℃、圧力 25 Torr、Ar流量 4.5リットル/分、SiH4 流量1.0 リットル/分の条件で、ウエハに形成されたアスペクト比が約10のトレンチの内面に多結晶シリコン膜を形成すると、トレンチ内部では奥まで膜厚がほぼ一定であるが、トレンチ上部ではオーバハングが観察される。このことから、付着確率の小さい成膜種と付着確率の大きい成膜種の存在が示唆される。すなわち、少なくとも2種類の成膜種が成膜に寄与していると考えられる。SiH4 ガスは気相中で(1)式のように反応し、成膜に影響を及ぼすものと考えられる。
(1) 式の反応で生じるシリレン(SiH2)は、反応性が大きく付着確率がほぼ1であると考えられるので、付着確率の大きい成膜種はSiH2 であると仮定できる。ここで、トレンチ近傍における成膜種の付着確率と密度比とは成膜形状を決定づけるパラメータとみなされる。たとえば、SiH2 の付着確率はほぼ1であるため、このように付着確率の大きい分子はトレンチの入口部で膜になってしまい、トレンチの奥まで侵入することはできない。このような反応中間体はほんの僅かに生成しただけでもカバレッジを悪化させる。 Since silylene (SiH 2 ) produced by the reaction of formula (1) is considered to have a high reactivity and an adhesion probability of almost 1, it can be assumed that the film-forming species with a large adhesion probability is SiH 2 . Here, the adhesion probability and density ratio of the film forming species in the vicinity of the trench are regarded as parameters that determine the film forming shape. For example, since the adhesion probability of SiH 2 is almost 1, a molecule with such a large adhesion probability becomes a film at the entrance of the trench and cannot penetrate into the depth of the trench. Even a small amount of such reaction intermediates degrades coverage.
ところで、上記のように条件を変えながら実験を行って成膜の厚さや成膜形状を判定する手法では応用性に欠け、要求を満たす最適な条件を見つけ難い。このため、成膜の厚さ及び形状を正確かつ短時間に予測する予測方法の開発が必要である。 By the way, the method of determining the film thickness and the film shape by performing the experiment while changing the conditions as described above lacks applicability, and it is difficult to find the optimum conditions that satisfy the requirements. For this reason, it is necessary to develop a prediction method for accurately and quickly predicting the thickness and shape of the film formation.
この予測方法を開示した文献としては、非特許文献1及び非特許文献2等が知られている。 Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, and the like are known as documents disclosing this prediction method.
これらに示されている予測方法では、希薄気体流れ解析とそれに応じた膜成長のシミュレーションとを組み合せて用いている。なお、希薄気体流れ解析には直接シミュレーションモンテカルロ(DSMC)法が、また膜成長のシミュレーションにはストリングモデルあるいはセルモデルなどが用いられることがある。 These prediction methods use a combination of a rare gas flow analysis and a corresponding film growth simulation. Note that a direct simulation Monte Carlo (DSMC) method may be used for dilute gas flow analysis, and a string model or cell model may be used for simulation of film growth.
膜成長を予測する具体的な手順としては、計算領域内での希薄気体流れ解析を行ない、続いて付着した分子の体積に応じて膜を成長させるという一連のシミュレーションが必要数の分子が付着し終わるまで繰り返し行われる。 A specific procedure for predicting film growth is to conduct a dilute gas flow analysis in the computational domain, and then follow a series of simulations to grow the film according to the volume of molecules attached. Repeated until the end.
しかしながら、このような従来のシミュレーション方法では、希薄気体流れ解析の時間積分をとる形となるため、たとえば前述したトレンチ内部への薄膜の埋め込みについて予測する場合、比較的高速な計算機を用いても条件、特に付着確率の小さい成膜種を扱う場合には予測を1回行うために1ケ月から1年以上を必要とする。ベクトル計算や並列処理などを採用することによって、ある程度の時間短縮を実現できるが、付着確率が非常に小さい成膜種を扱う場合には依然として長時間を要することに変わりない。このため、従来の方法では、予測の精度あるいは範囲を著しく犠牲にすることによって予測に必要な時間の短縮化を行わなければならないという問題があった。
上述の如く、実際に起こる問題が確率的である対象に対する従来のシミュレーション方法では、条件によっては予測を1回行うために膨大な時間を必要とし、また時間を短縮しようとすると予測精度が悪化したり、解析範囲が限られたりする問題があった。 As described above, in the conventional simulation method for an object in which a problem that actually occurs is probabilistic, depending on the conditions, a large amount of time is required to perform prediction once, and prediction accuracy deteriorates if the time is reduced. There was a problem that the analysis range was limited.
そこで本発明は、実際に起こる問題が確率的である対象の場合において、確率に左右されずに計算時間をほぼ一定にできる変化予測方法を提供することを目的としている。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a change prediction method capable of making the calculation time substantially constant without being influenced by the probability in the case of an object in which a problem that actually occurs is probabilistic.
この発明によれば、
確率に依存する因子の作用を受けて状態または性状が変化する対象について直接シュミュレーションモンテカルロ法を用いる数値シミュレーションを実行して上記変化を予測する際に、前記確率に依存する因子の作用回数あるいは前記対象の変化量を計算上で取り扱うに当たり、前記直接シュミュレーションモンテカルロ法における因子あるいは因子の履歴の計算方法には変更を加えずに、計算上で取り扱う作用回数あるいは変化量を実際の作用回数あるいは変化量よりも多くして扱うことを特徴とする変化予測方法が提供される。
According to this invention,
When predicting the change by performing a numerical simulation using a direct simulation Monte Carlo method for an object whose state or property changes due to the action of a factor depending on the probability, the number of times of the action of the factor depending on the probability or the above When dealing with the amount of change in the object, the number of actions or amount of change handled in the calculation is changed to the actual number of actions or change without changing the factor or factor history calculation method in the direct simulation Monte Carlo method. There is provided a change prediction method characterized by handling more than the amount.
また、この発明によれば、
運動する物体が他の物体に衝突することによりその作用を受けて確率に依存して変化する対象または現象について直接シュミュレーションモンテカルロ法を用いる数値シミュレーションを実行して上記変化を予測する際に、前記確率に依存する因子の作用回数あるいは前記対象または現象の変化量を計算上で取り扱うに当たり、前記直接シュミュレーションモンテカルロ法における因子あるいは因子の履歴の計算方法には変更を加えずに、計算上で取り扱う因子の作用回数あるいは対象または現象の変化量を、実際の因子の作用回数あるいは実際の対象あるいは現象の変化量よりも多くして扱うことを特徴とする変化予測方法が提供される。
Moreover, according to this invention,
When predicting the change by performing a numerical simulation using a direct simulation Monte Carlo method on an object or phenomenon that changes depending on the probability due to the action of a moving object colliding with another object, When calculating the number of actions of a factor depending on the probability or the amount of change of the object or phenomenon in the calculation, the calculation method of the factor or the history of the factor in the direct simulation Monte Carlo method is not changed. There is provided a change prediction method characterized in that the number of times of action of a factor or the amount of change of an object or phenomenon is handled more than the number of times of action of an actual factor or the amount of change of an actual object or phenomenon.
更に、この発明によれば、
運動する物体が他の物体に衝突することによりその作用を受けて確率に依存して変化する対象または現象について直接シュミュレーションモンテカルロ法を用いる数値シミュレーションを実行して上記変化を予測する際に、前記確率に依存する因子の作用回数あるいは前記対象または現象の変化量を計算上で取り扱うに当たり、前記直接シュミュレーションモンテカルロ法における因子あるいは因子の履歴の計算方法には変更を加えずに、実際には因子が作用しない場合、あるいは実際には対象または現象が変化しない場合の少なくとも一部を、計算上では作用するあるいは変化するとして取り扱うことを特徴とする変化予測方法が提供される。
Furthermore, according to the present invention,
When predicting the change by performing a numerical simulation using a direct simulation Monte Carlo method on an object or phenomenon that changes depending on the probability due to the action of a moving object colliding with another object, In the calculation of the number of action of the factor depending on the probability or the amount of change of the object or phenomenon in the calculation, the calculation method of the factor or the history of the factor in the direct simulation Monte Carlo method is not changed. There is provided a change prediction method characterized in that at least a part of the case where the action does not act, or in the case where the object or phenomenon does not actually change, is treated as acting or changed in calculation.
以上説明したように、この発明の変化予測方法によれば、最終的に生成される、たとえば薄膜の厚さ及び形状を短時間で予測することができる。このため、たとえば半導体製造装置における膜成長のシミュレーションを効率よく行うことができ、製造方法及び装置の最適化設定に寄与できる。 As described above, according to the change prediction method of the present invention, it is possible to predict, for example, the thickness and shape of a thin film that is finally generated in a short time. For this reason, for example, simulation of film growth in a semiconductor manufacturing apparatus can be performed efficiently, which can contribute to the optimization setting of the manufacturing method and apparatus.
この発明に内在している基本思想は、実際に起こる問題が確率的である各種の対象に対する数値シミュレーションに適用できる。たとえば、適用可能な応用分野としては、薄膜の埋め込み、薄膜生成、エッチング、リソグラフィー、鏡面加工、プラズマ利用系、金属非金属の蒸発、液体の凝固、化学物質の合成・分離、輻射利用系、画像処理、デバイスシミュレーション、河川工学、宇宙工学、視聴率調査、経路探索、洗浄、オペレーションズリサーチ、核融合解析、イオン注入等を挙げることができる。また、適用可能な流れ解析分野としては、稀薄流れ、連続流れ、分子軌道法、分子動力学、量子力学、粉流体解析、輻射解析、レイトレーシング、中間流、ネットワークフロー、グラフ理論、クラスタ解析、安定性解析、プラズマ解析、多変数制御等を挙げることができる。また、適用可能な形状変化モデルとしては、ストリングモデル、セルモデル、ネットワークモデル等を挙げることができる。また、適用可能な粒子としては、電子、原子、分子、クラスタ、微粒子、光子、原子核、陽子、イオン、素粒子、ダスト、粉体、固体等を挙げることができる。また、適用可能な現象としては、付着、衝突、化学反応、エネルギ変換、生成、食刻等を挙げることができる。このときの生成物としては、アモルファス、結晶、薄膜、多結晶、固体等を挙げることができる。また、このとき使用可能なキャリアガスとしては、アルゴン原子、水素ガス分子、酸素分子等を挙げることができる。さらに、このとき使用可能な反応性ガスとしては、シラン、シリレン、ジシラン等を挙げることができる。 The basic idea inherent in the present invention can be applied to numerical simulations for various objects in which problems that actually occur are probabilistic. For example, applicable applications include thin film embedding, thin film generation, etching, lithography, mirror finishing, plasma application systems, metal non-metal evaporation, liquid solidification, chemical synthesis / separation, radiation application systems, images Processing, device simulation, river engineering, space engineering, audience rating survey, route search, cleaning, operations research, fusion analysis, ion implantation, etc. Applicable flow analysis fields include dilute flow, continuous flow, molecular orbital method, molecular dynamics, quantum mechanics, powder fluid analysis, radiation analysis, ray tracing, intermediate flow, network flow, graph theory, cluster analysis, Stability analysis, plasma analysis, multivariable control, etc. can be mentioned. Examples of applicable shape change models include a string model, a cell model, and a network model. Examples of applicable particles include electrons, atoms, molecules, clusters, fine particles, photons, nuclei, protons, ions, elementary particles, dusts, powders, and solids. Applicable phenomena include adhesion, collision, chemical reaction, energy conversion, generation, etching, and the like. Examples of the product at this time include amorphous, crystal, thin film, polycrystal, and solid. Examples of the carrier gas that can be used at this time include argon atoms, hydrogen gas molecules, and oxygen molecules. Further, examples of reactive gas that can be used at this time include silane, silylene, and disilane.
以下、具体的な実施の形態を説明する前にまず本発明の特徴点を説明する。今、物体面、たとえば半導体基板や、ガラスや、気体または液体の粒子などに粒子、たとえば原子、分子などを衝突あるいは付着させることにより、物体面にアモルファス、結晶、多結晶、薄膜などの生成あるいは食刻などを行うプロセスに対し、数値シミュレーションを行って最終的に生成あるいは食刻される薄膜などの、たとえば厚さ、形状、化学的性質、物理的性質、その他の物性値などを予測する場合を例にとる。 Before describing specific embodiments, the features of the present invention will be described first. Now, by colliding or adhering particles such as atoms and molecules to object surfaces such as semiconductor substrates, glass, and gas or liquid particles, it is possible to generate amorphous, crystals, polycrystals, thin films, etc. on the object surface. When predicting the thickness, shape, chemical properties, physical properties, other physical properties, etc. of thin films that are finally generated or etched by numerical simulations for processes that perform etching, etc. Take as an example.
これらの予測には、通常、連続流体流れあるいは希薄気体流れ解析などの数値解析手法とそれに応じた膜成長などの形状変化のシミュレーションが合せてまたは個別に用いられる。 For these predictions, a numerical analysis method such as continuous fluid flow or dilute gas flow analysis and a simulation of shape change such as film growth corresponding thereto are usually used together or individually.
形状変化のシミュレーションでは、形状のモデル化を、表面を線分の連続として扱うストリングモデル、形状を多角形また多面体またはそれらにより構成されるものとして扱うセルモデルまたは多数の点を結ぶことで扱うネットワークモデルなどにより表現し、付着などの際の体積または面積に応じて形状を変化させることで行う。 In shape change simulation, shape modeling is a string model that treats the surface as a continuous line segment, a cell model that treats the shape as a polygon or polyhedron, or a combination of them, or a network that connects multiple points. It is expressed by a model or the like, and is performed by changing the shape according to the volume or area at the time of attachment.
このシミュレーションは、いわば流れ解析のさらに時間積分をとるのに等しいため、通常は計算に非常に多くの時間を必要とする。たとえば、半導体デバイスの製造工程におけるトレンチ内部への薄膜の埋め込み予測を例にとると、先に説明したように計算時間として1ケ月から1年以上を必要とする場合がある。 Since this simulation is equivalent to taking a further time integration of the flow analysis, it usually takes a lot of time for the calculation. For example, in the case of predicting the embedding of a thin film in a trench in a semiconductor device manufacturing process, as described above, the calculation time may require one month to one year or more.
そこで、ここでは半導体デバイスの製造工程におけるトレンチ内部への薄膜の埋め込み予測を例にとり、本発明の解析方法を説明する。従来の解析方法との違いを明確にするために、本発明の解析方法をStick-at-All-the-Reflection-Poits 法、略してSARP法と呼称することにする。SARP法は並列計算機等で並列処理する場合にも有効で、各粒子あるいは計算領域毎に並列に解析を進めることができる。 Therefore, here, the analysis method of the present invention will be described with reference to an example of predicting embedding of a thin film inside a trench in a semiconductor device manufacturing process. In order to clarify the difference from the conventional analysis method, the analysis method of the present invention is referred to as the Stick-at-All-the-Reflection-Poits method, or SARP method for short. The SARP method is also effective when parallel processing is performed by a parallel computer or the like, and analysis can proceed in parallel for each particle or each calculation region.
SARP法では、たとえば計算上のモデル化として以下のような取り扱いを行う。すなわち、CVD法による薄膜埋め込みを例にとると、流れ解析にはDSMC法を利用した希薄気体解析の手法を用い、分子間衝突には修正Nanbu法を用いる。そして、図1に示すように、トレンチの左半分を計算領域とし、その左右境界を鏡面反射として扱う。分子、たとえばアルゴンガス原子、水素ガス分子、酸素分子などのキャリアガスおよびシラン、シリレン、ジシランなどの反応性ガスは上部境界からのみ流入し、計算領域内での分子間衝突による成膜種の反応は皆無とする。 In the SARP method, for example, the following handling is performed as modeling for calculation. That is, taking a thin film embedding by CVD as an example, a rare gas analysis method using the DSMC method is used for flow analysis, and a modified Nanbu method is used for intermolecular collision. And as shown in FIG. 1, the left half of a trench is made into a calculation area | region, and the right-and-left boundary is handled as specular reflection. Molecules, for example, carrier gases such as argon gas atoms, hydrogen gas molecules, and oxygen molecules, and reactive gases such as silane, silylene, and disilane flow only from the upper boundary, and reaction of the film-forming species due to intermolecular collisions within the calculation domain. Is nothing.
トレンチに衝突した分子は、その付着確率(η)等の反応確率に応じて付着(確率η)または反射(確率1−η)し、付着した場合には形状変化のシミュレーションによりトレンチ表面の形状を変化させる。このような対象は、換言すると、事象が確率に依存して起こるもの、あるいは確率に依存する因子の作用を受けて状態または性状が変化するものといえる。 Molecules that collide with the trench adhere (probability η) or reflect (probability 1-η) according to the reaction probability such as the adhesion probability (η). Change. In other words, such an object can be said to be an event that occurs depending on the probability, or a state or property that changes due to the action of a factor that depends on the probability.
ここで、SARP法は次のような新しい考え方に基づいている。すなわち、今まで行われているシミュレーションにおいて、CVD法による成膜面への分子の付着を扱う場合には、付着確率η及び乱数により、乱数がηより小さい場合には付着、大きい場合には反射とするのが一般的である。この様子を図2に示す。確率論的にいえば分子が付着するのはη回の反射の後であり、たとえばηが10-5であるとすると、105 回反射した後にようやく1回付着することになる。 Here, the SARP method is based on the following new concept. That is, in the simulations conducted so far, when dealing with the adhesion of molecules to the film formation surface by the CVD method, the adhesion probability η and the random number are used to adhere when the random number is smaller than η, and to reflect when the random number is larger. Is generally. This is shown in FIG. Probabilistically speaking, molecules are attached after η reflections. For example, if η is 10 −5 , the molecules will finally attach once after 10 5 reflections.
これに対してSARP法では、付着面での分子の反射をすべて付着としても取り扱う。つまり、図3に示すように、分子の移動などについては従来と全く同じ手法のシミュレーションを行い、分子の付着の仕方のみを変更する。すなわち、計算上においては、従来の方法に比べて分子が多く付着したものとして取り扱う。この方法を用いると、付着分子数の期待値は従来のη倍になり、計算時間は単純にはこれに比例して飛躍的に短くなる。以下に、従来の方法とSARP法とがトレンチ上での付着分子数分布に同じ計算結果をもたらすことを説明する。例として、表1に示す問題を考える。
[1] 付着数についてまず、分子の付着数の違いについて考えてみる。図2及び図3のように分子がトレンチ内に入射することを考え、さらに分子の計算領域外への流出がないとし、ある成膜種について、
付着確率:η
入射分子数:N
付着面でのi番目の反射にあたって、
付着する分子数:ni
付着する確率:pi
とすると、従来の方法では、
Adhesion probability: η
Number of incident molecules: N
In the i-th reflection on the adhesion surface,
Number of molecules attached: n i
Probability of sticking: p i
Then, in the conventional method,
と、おくことができる。つまり、i番目の反射で付着する確率は(3) 式で表され、分子の軌道が同じとして(3) 式がSARP法でも同じならば結果的に同じ成膜形状を実現できるはずである。以下、SARP法では*を添付する。従来の方法では、(i+1)番目以降の反射でようやく付着する分子も、SARP法では付着として扱うので、
となる。
従来の方法とSARP法を比べると、(2) 式と(4) 式から判るように、SARP法が1/η倍大きいだけで、その他は従来の方法と全く同じ結果を示し、SARP法が従来の方法と同様の分子の付着を導くことが判る。つまり、成膜種が1種類の場合には付着数の分布に関しては同じ結果が得られることになる。
It becomes.
Comparing the conventional method with the SARP method, as can be seen from the equations (2) and (4), the SARP method is only 1 / η times larger, and the others show exactly the same results as the conventional method. It can be seen that it leads to the adhesion of molecules similar to conventional methods. That is, the same result can be obtained with respect to the distribution of the number of adhesions when the number of film formation types is one.
[2] 生成数について先に説明したように、SARP法では従来の方法に比べて付着数が1/ηだけ多くなる。このことは、成膜種が2種類以上ある場合に問題となる。 [2] As described above with respect to the generation number, the SARP method increases the adhesion number by 1 / η compared to the conventional method. This becomes a problem when there are two or more types of film formation.
表1の例では、分子Bについては106 倍多く付着し、分子Cについては変わらないため、付着数に補正を加えない場合には誤った結果を生じる。解決方法として、それぞれの成膜種について付着数をη倍することが考えられるが、SARP法による高速化のメリットがなくなるので採用できない。そこで、SARP法では分子の生成数に補正を加える。 In the example of Table 1, since the molecule B adheres 10 6 times more and the molecule C does not change, an incorrect result is produced when the number of attachments is not corrected. As a solution, it is conceivable to increase the number of depositions by η for each film formation type, but it cannot be adopted because the advantage of speeding up by the SARP method is lost. Therefore, the SARP method corrects the number of molecules generated.
従来、分子の生成については扱う気体の濃度比(分圧比)に比例して行っている。たとえば、分子C1個の生成に対して分子A、Bはそれぞれ106 個ずつ生成され、振り分けは乱数の発生により行っている。 Conventionally, the generation of molecules is performed in proportion to the concentration ratio (partial pressure ratio) of the gas to be handled. For example, 10 6 molecules A and B are generated for each generation of one molecule C, and sorting is performed by generating random numbers.
しかし、SARP法の場合には、同じ手法を採用すると不都合になるため、単なる濃度比ではなく、Pk ×ηkの比で生成させる。ただし、Pk は成膜種k の濃度比、ηk は成膜種k の付着確率である。したがって、成膜種の生成数比は次式のようになる。
ただし、キャリアガス(不活性ガス)が存在する場合は、キャリアガスの付着確率が0であるから決定できない。これには任意の値をとることが可能だが、計算精度の点から他のガス分子の生成数とあまりかけ離れていないことが望ましく、便宜的に全生成数の1/2 とする。したがって、(6) 式は次式のようになる。
たとえば、表1の例では、A:B:Cは 1/2: 1/4: 1/4である。これにより(4) 式におけるnj はnj *ηk となるので、付着分子数が従来の方法に比べて1/η倍になる事態はキャンセルされ、付着する数((4) 式)・確率((5) 式)共に従来の方法と同じ結果を得ることができる。 For example, in the example of Table 1, A: B: C is 1/2: 1/4: 1/4. As a result, n j in equation (4) becomes n j * η k , so the situation where the number of attached molecules becomes 1 / η times that of the conventional method is canceled and the number of attached molecules (equation (4)) Probability (equation (5)) can be obtained in the same way as the conventional method.
[3] 分子間衝突について次に、分子の運動について考える。分子運動の中で、分子間衝突を除いた分子の軌道そのものは従来の方法でもSARP法でも全く同じである。このことはSARP法が分子運動には直接関係ない方法であることから容易に想像できる。ところが、分子の生成は(7) 式により行われるため、計算上の分子数の比は実際の分子数の比と異なっている。このため分子間衝突については操作を加えて修正しなければならない。衝突分子の一方をi、他方をj、単位時間当たりのi対jの衝突確率をGijとすると、i分子が単位時間当たりにいずれかの分子と衝突する確率は、
とおける。ところが、衝突相手の分子jは(7) 式により実際とは異なる方法で生成されたものであり、分子jの数は真の数とは異なるため、計算上*を付して、
としなければならない。ここで、分子jの属する成膜種をk(j) として、Rk(j)は真の濃度比、rk(j)は(6) 式,(7) 式に基づく計算上の濃度比(発生数比)である。ただし、
である。したがって、(8) 式および(9) 式より、SARP法における分子間衝突の確率を、
として求めることができる。なお、(12)式にしたがって衝突した場合の衝突後の分子速度は従来通りに取り扱う。 Can be obtained as It should be noted that the molecular velocity after collision in the case of collision according to equation (12) is handled as usual.
[4] 加速率について最後に、SARP法によって達成される加速率を考慮する。これには従来の方法による時間当たりの付着数とSARP法による付着数との比(つまり付着数が何倍されるか)を用いる。逆に言えば、加速率は、一定数付着するまでの繰り返し計算のSTEP数(あるいは計算上の進行時間の比)に直接比例するため、同一step数での成膜形状を計算条件を変えて比較する場合や成膜の進行時間を問題にする場合には注意が必要である。また、計算STEP数と計算時間とがほぼ比例関係にあるので、ここでの加速率は事実上計算に必要な時間の従来の方法に対する加速率ともいえる。分子の計算領域外への流出がないと仮定し、キャリアガスが存在する場合、従来の方法では先に説明したように、分子の生成数は、
に比例し、付着はこれと等倍の比率、
で生じる。ただし、k は成膜種。 It occurs in. Where k is the film formation type.
これに対してSARP法では(6) 式および(7) 式で示したように、濃度比と付着確率の積(rk )で生成する。付着はrk ・ηk をさらに1/ηk 倍した割合で生じるので、キャリアガスを1/2 とした(7) 式を用いると、付着の生じる比率は、
となる。つまり、結論としては、(14)式と(16)式との比が加速率を示ことになり、
を得る。たとえば、表1の条件では、約 33 万になる。 Get. For example, under the conditions in Table 1, it is about 330,000.
特徴的なのは、これが混合ガス中のどの成膜種でも同じ値を持つということで、どんな組成の混合ガスであっても、成膜種によって加速率が変化してしまう、つまりSARP法を用いることで誤った結果を導くようなことはない。 What is characteristic is that this has the same value for any film forming species in the mixed gas, so that the acceleration rate changes depending on the film forming species regardless of the composition gas, that is, the SARP method is used. Does not lead to false results.
以上が本発明の基本思想であるSARP法の考え方である。まとめると、分子の取り扱いに関して、(1) 成膜面での付着、(2) 生成数、(3) 分子間衝突の3点において従来の方法とは異なっている。 The above is the concept of the SARP method, which is the basic idea of the present invention. In summary, the handling of molecules is different from the conventional method in three points: (1) adhesion on the film formation surface, (2) number of generations, and (3) intermolecular collision.
次に、本発明方法の実施の形態、ここでは半導体デバイスの製造工程におけるトレンチ内部へのCVDによる薄膜の埋め込み予測を例にとり本発明の解析方法を図4を参照しながら説明する。 Next, an analysis method of the present invention will be described with reference to FIG. 4, taking as an example the prediction of embedding of a thin film by CVD in the trench in the manufacturing process of the semiconductor device.
まず、図1に示すようなモデルを想定し、流れ場(計算領域)を複数のセルに分割する(ステップS1)。次に、分子を生成し、これを各セルに配置する(ステップS2)。次に、DSMC法を使って分子をΔt時間動かしたときの(7) 式にしたがった分子の流入を含む分子の流れ解析(ステップS3)および(12)式にしたがって分子間衝突(修正Nanbu 法)の計算(ステップS4)を行う。そして、(4) 式に示されるようなトレンチへの分子の付着に応じた膜成長のシミュレーションを動作させて膜を成長させる(ステップS5)。この膜が所望レベルに成長するまでステップS3からステップS5を繰り返す。そして、所望レベルに成長した時点で計算を終了する。 First, assuming a model as shown in FIG. 1, the flow field (calculation region) is divided into a plurality of cells (step S1). Next, a molecule is generated and placed in each cell (step S2). Next, the molecular flow analysis (step S3) including the inflow of molecules according to Eq. (7) when the molecules are moved by Δt time using DSMC method (Step S3) and intermolecular collision (modified Nanbu method) ) Is calculated (step S4). Then, a film growth simulation corresponding to the adhesion of molecules to the trench as shown in the equation (4) is operated to grow the film (step S5). Steps S3 to S5 are repeated until the film grows to a desired level. Then, the calculation ends when the growth has reached the desired level.
なお、上記計算に際して並列計算機で並列計算を効率よく行うためには、プロセッサ間の通信量を少なくし、しかも各プロセッサの計算負荷を負荷に応じて動的に平均化(動的負荷分散)する必要があるが、分子毎に並列化を行い分子情報を各プロセッサにばらばらに割り振ってしまうと、同一セル内分子の情報が幾つ化のプロセッサに分割されてしまうため、衝突ペア抽出の際に繁雑なプロセッサ間通信により情報の交換をしなければならなくなる。 In order to efficiently perform parallel calculation on a parallel computer during the above calculation, the amount of communication between processors is reduced, and the calculation load of each processor is dynamically averaged (dynamic load distribution) according to the load. It is necessary, but if parallelization is performed for each molecule and molecular information is allocated to each processor separately, the information of molecules in the same cell is divided into several processors, which is complicated when extracting collision pairs. It is necessary to exchange information through communication between processors.
そこで計算領域をプロセッサ数に分割し、分割した各領域を各プロセッサに1対1に割り当てる方法(領域分割法)が一般に用いられるが、ここで述べている対象のように、壁面が移動し、解析領域が計算の進行と共に変化する場合には、動的負荷分散の方法が複雑になりやすい。したがって、このような対象の場合には、解析領域の複雑な変化に対応できるセル分割法の採用が好ましい。 Therefore, a method of dividing the calculation area into the number of processors and assigning each divided area to each processor in a one-to-one manner (area division method) is generally used, but the wall moves as in the object described here, When the analysis region changes as the calculation progresses, the dynamic load distribution method tends to be complicated. Therefore, in the case of such an object, it is preferable to employ a cell division method that can cope with a complicated change in the analysis region.
セル分割法は、分子間衝突の計算が各セルで独立して行われることを利用するもので、領域全体をセル毎に分割し、次々と各プロセッサに割り当てることにより並列化を行う。データやりとりは、1台の親プロセッサとその他の子プロセッサとの間のみで行い、データの管理は親プロセッサが、計算は子プロセッサが行う方法をとる。各子プロセッサでは全て同じプログラムが走り、受信・計算・送信を単純に繰り返す。親プロセッサは計算を実行していない、あるいは計算の終了した子プロセッサに対して先頭セルから順に1セルずつデータを与え、計算結果の返送を受け取ることを繰り返す。全セルの計算結果を受け取った段階で1ステップの終了となり、再び先頭セルからの同じ作業に戻る。子プロセッサの負荷はオペレータが意識することなく自動的に平均化されるため、いかなるプロセッサ台数や解析領域であっても全く関係なく同じように並列化が行われ、プログラミングする場合でも実行する場合でも容易である。また、分子の移動数に異方性がある場合や各プロセッサに性能のばらつきがある場合にも問題が生じない。また、子プロセッサにおいては1度に1セル分の計算しか行わないように設定すると、記憶容量を1セル分に抑えることができ、領域分割法に比べて大規模な計算に対応できる。次に、SARP法を用いて実際に行った薄膜埋め込み予測結果を説明する。まず、シミュレーションに用いたCVDの条件を表2に示す。
表1の条件とは異なる条件としたのは、従来の方法では計算時間が膨大なためにシミュレーションが事実上不可能であり、表2の条件では付着確率が大きいため、従来の方法でもシミユレーションが可能で、SARP法と比較できることによる。成膜寄与率はSiH4 、SiH2 共に同じになるように設定してある。なお、成膜寄与率は、それぞれの成膜種に対して、 Sk =ηk ・Pk …(17)により定義する。 The conditions different from those in Table 1 are that simulation is practically impossible with the conventional method because the calculation time is enormous, and the adhesion probability is high under the conditions in Table 2, so This is because it can be compared with the SARP method. The film deposition contribution rate is set to be the same for both SiH 4 and SiH 2 . The deposition contribution rate is defined by S k = η k · P k (17) for each deposition type.
この成膜寄与率は、成膜種の成膜への寄与を示す指標であり、それぞれの成膜種について成膜に寄与する程度を相対的に比較することができる。図5(a)には表2の条件に基づいて従来の方法で解析した結果(成膜形状)が示されており、図5(b)には表2の条件に基づいてSARP法で解析した結果(成膜形状)が示されている。両図から判るように、従来の方法とSARP法とではほぼ同じ結果を示しており、SARP法によっても結果に変化のないことが解る。なお、本条件での加速率は(16)式より約78である。 This film formation contribution rate is an index indicating the contribution of film formation types to film formation, and the degree of contribution of each film formation type to film formation can be relatively compared. FIG. 5A shows the result (film formation shape) analyzed by the conventional method based on the conditions of Table 2, and FIG. 5B shows the analysis by the SARP method based on the conditions of Table 2. The result (film formation shape) is shown. As can be seen from both figures, the conventional method and the SARP method show almost the same results, and it can be seen that there is no change in the results even with the SARP method. The acceleration rate under this condition is about 78 from equation (16).
また、トレンチに合計1000個の代表分子が付着するまでを実際に測定して得た計算時間の比較が表3に、繰り返し計算回数の比較が表4にそれぞれ示されている。
なお、この場合には問題を単純化するため、表2中のArとSiH4 についてのみ扱い、SiH4 の付着確率を変数としている。表の中で、(従来法の計算時間/SARP法の加速率)は、従来の方法による計算時間あるいは回数を(16)式で示されるSARP法による加速率で除して求めた結果で、従来の方法をもとに理想的に加速された場合を予測したものである。SARP法と(従来法の計算時間/SARP法の加速率)とはほぼ一致しており、前述の理論、特に(17)式の正当性が実証されている。なお、従来法が1/ηに比例しないのは、付着確率に関係のない一定時間の計算が存在するため(SARP法が(従来法の計算時間/SARP法の加速率)より若干上回るのもそのため)と、付着確率の大きい場合には小さい場合よりも系内の分子数が少ない(付着により消滅する数が多い)ためと思われ、また付着確率1の場合に従来法とSARP法が一致しないのは、SARP法では分子の生成が濃度比と付着確率との積により行われている(つまり、SARP法の方が付着分子の生成比率が高い)ことが原因であると思われる。図7には現実に近いシミュレーション結果が示されている。
これは表5のCVD条件にSARP法を適用したもので、加速率は(16)式より781250であり、従来の方法では1年から10年以上が必要と予測される条件である。全体としてほぼ正確なシミュレーションが行われていることが判る。 This is the result of applying the SARP method to the CVD conditions in Table 5. The acceleration rate is 781250 from the equation (16), and the conventional method is predicted to require 1 to 10 years or more. As a whole, it can be seen that an almost accurate simulation is performed.
以上は、本発明をCVDによる薄膜生成予測に適用した例であるが、各分野毎に適確な補正を行うことによって、本発明を前述した各種分野に適用することができる。 The above is an example in which the present invention is applied to the prediction of thin film formation by CVD, but the present invention can be applied to the various fields described above by performing appropriate correction for each field.
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