Development of three-dimensional thermal oxidation simulator

3차원 산화 시뮬레이터 개발

In this paper, the three-dimensional stress effect of thermal oxide is simulated. We developed a three-dimensional finite element numerical simulator including three-dimensional adaptive mesh generator that is able to refine and eliminate nearby moving boundary of oxide, and oxidation solver with stress model. To investigate the behavior of thermal oxidation the simulations of thermal oxidation for island and hole structures are carried out assuming silicon wafer of <100> direction, temperature of $1000^{\circ}C$, oxidation time of 60min, wet ambient, initial oxide thickness of $300\AA$, and nitride thickness of $2, 000\AA$. The main effect of deformation at the corner area of oxide is due to distribution of oxidant, but the deformation of oxide is affected by the stressin theoxide. In the island structure which is the structure mostly covered with nitride and a coner is opended to oxidation, oxidation is reduced at the coner by compressive stress. In the hole structure which is the structure mostly opedned to oxide and a coner is convered with nitride, however, oxidation is increased at the coner by tensile stress.

본 논문에서는 반도체 소자 제조 공정 중, 염산화 공정 시에 발생하는 스트레스에 따른 산화막의 3차원적 거동을 시뮬레이션하였다. 이를 위해, 이동하는 3차원 경계면에서의 노드 생성 및 제거 기능을 지는 3차원 적응 메쉬 생성기를 개발하였고, 지배 방정식을 유한요소법(finite element method)으로 이산화시켜 수치 해석적으로 해를 구하는, 스트레스 효과를 고려한 3차원 산화 시뮬레이터를 개발하였다. 본 연구에서는 열산화 공정에 의한 산화막의 3차원적 거동을 관찰하기 위하여, 섬구조(island) 및 공구조(hole structure)의 산화막 성장을 <100> 실리콘 기판에 대하여 $1000^{\circ}C$, 60분간 습식 산화 조건에서 시뮬레이션하였다. 초기 산화막의 두께는 $300\AA$, 질화막의 두께는 $2,000\AA$으로 가정하였다. 마스크의 형태에 따라 코너에서의 새부리(bird's beak)형태가 변하는데, 코너에서의 효과는 마스크 형태에 따라 산화제의 확산이 다른 영역에 비해 감소하거나 증가하는 영향이 주된 이유이지만, 스트레스에 의해 그 영향이 더 커짐을 확인하였다. 섬구조에서는 compressive 스트레스에 의해 코너 부근에서 산화가 감소하는 결과를 가져오고, 공구조에서는 tensile 스트레스로 인해 산화가 더 증가하는 결과를 보임을 확인하였다.