THERMISCHE OXIDATION ist einer der wichtigen Prozessschritte in der Halbleiterherstellung, der für die Erzeugung von hochwertigen Isolationsschichten benötigt wird. Die chemische Reaktion während der Oxidation wandelt Silizium in Siliziumdioxid um. Das dabei neu entstandene Oxidmaterial hat mehr als doppelt soviel Volumen als das ursprüngliche Silizium. Diese beträchtliche Volumsvergrößerung ist die Hauptursache für mechanische Spannungen und Verschiebungen in der oxidierten Struktur. Es gibt daher ein großes Interesse an der Simulation von Oxidation. Die Volumsvergrößerung und die Tatsache, dass die Oxidationsrate von etlichen Parametern und auch von den Spannungen im Material abhängt, machen es unmöglich, die endgültige Form des Siliziumdioxides in praktisch verwendeten Strukturen vorherzusagen. Weiters können die mögliche Spannungsverteilung und Verformung, welche durch den Oxidationsprozess in den benachbarten Strukturen verursacht wird, nur durch Simulation herausgefunden werden.
Alle herkömmlichen Modelle beruhen auf dem Konzept der Grenzflächenverschiebung. Ungünstigerweise sind diese Grenzflächenverschiebungen eine kaum meisterbare Herausforderung für die dreidimensionale Oxidationssimulation, da sie komplizierte Algorithmen und eine Aktualisierung enormer Datenmengen benötigen. Daher sollte ein modernes dreidimensionales Oxidationsmodell auf einem neuen Konzept basieren, welches die Schwierigkeiten und Nachteile betreffend der Mechanik vermeidet. Ein zeitgemäßes Modell sollte auch die Simulation von komplexen Strukturen innerhalb einer vernünftigen Zeitspanne mit normalen Computern ermöglichen. Weiters sollte ein Oxidationsmodell eine physikalische Basis haben, damit es universell einsetzbar ist. Das bedeuted, es sollte berücksichtigen, dass thermische Oxidation ein Prozess ist, in dem eine Diffusion, eine chemische Reaktion und eine Volumsvergrößerung gleichzeitig stattfinden. Im Verlauf dieser Arbeit wurde ein fortschrittliches dreidimensionales Oxidationsmodell, welches alle angeführten Anforderungen erfüllt, entwickelt. Dieses Modell beruht auf einem diffusen Übergang von Silizium zu Siliziumdioxid.
Die Implementierung des Modells in ein Simulationsprogramm ist eine wichtige Aufgabe. Die numerische Lösung der mathematischen Formulierung wird mit der finiten Elementmethode durchgeführt, da diese am geeignetsten für die mechanischen Verschiebungen ist. Die Diskretisierung der Differentialgleichungen ist ein wichtiger Teil der Modellierung. Für die praktische Anwendung des Simulationsprogramms wird eine einfache Methode für die Modellkalibrierung gezeigt. Trotz des diffusen Übergangkonzepts können die Simulationsergebnisse für eine physikalische Interpretation mit einem scharfen Übergang von Silizium zu Siliziumdioxid dargestellt werden. Es ist bekannt, dass die mechanische Spannung einen bedeuteten Einfluss auf die Oxidationsrate hat. Um physikalisch sinnvolle Simulationsergebnisse zu erhalten, wird daher die Spannungsabhängigkeit im Oxidationsmodell berücksichtigt.
Mechanische Spannungen in Kupferverbindungsleitungen sind eine wichtige Ursache für die Elektromigration. Der Materialtransport durch die Elektromigration kann zur Entstehung eines Lunker im Leiter führen. Diese Lunker können eine enorme Widerstandserhöhung oder sogar eine totale Unterbrechung im Verbindungsleiter verursachen. Thermo-mechanische Spannungen entstehen durch die Selbsterwärmung der stromdurchflossenen Leiter, da diese in Materialen mit verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten eingebettet sind. Eine Simulation der mechanischen Spannung ist die einzige Möglichkeit, um Bereiche mit großen Spannungswerten und damit kritische Punkte für die Elektromigration in der Verbindungsleitung zu bestimmen.
Während und nach der Herstellung von mikro-elektro-mechanischen Systemen, für welche Dünnschichtabscheidung eine weit verbreitete Technik ist, wird eine intrinsische mechanische Spannung in den Schichten erzeugt. Bei den mikro-elektro-mechanischen Systemen, welche hauptsächlich als Sensoren verwendet werden, kann die Spannung die elektrischen und magnetischen Eigenschaften verändern und ungewollte Verformungen in freistehenden Strukturen verursachen. Daher ist die Bestimmung von intrinsischen Spannungen in den dünnen Schichten erwünscht, aber eine Anzahl von mikroskopischen Effekten welche zu Spannungen führen gestatten keine einfache Spannungsberechnung. In dieser Arbeit werden etliche intrinsische Spannungsquellen diskutiert. Für die verschiedenen intrinsischen Spannungsquellen, welche die Spannungsentwicklung auf Grund von mikroskopischen Effekten beschreiben, werden makroskopische mechanische Formulierungen angegeben. Weiters wurde eine Methodik entwickelt, die es ermöglicht die Spannungsverteilung in der abgelagerten Dünnschicht vorauszusagen.