CN101079375A

CN101079375A - 离子注入模拟方法

Info

Publication number: CN101079375A
Application number: CN 200610026759
Authority: CN
Inventors: 李家豪; 李素萍; 刘巍; 赵猛
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2006-05-22
Filing date: 2006-05-22
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2026-05-22
Also published as: CN100428413C

Abstract

本发明公开了一种离子注入模拟方法，包括：首先，得到不同离子注入剖面的实测注入离子分布曲线；然后，利用TCAD工具，设定模拟函数，拟合所述注入离子分布曲线，得到注入离子分布模拟基础曲线，并获得模拟基础数据；从模拟基础数据中提取模拟参数，通过模拟运算，获得模拟参数数据系列，形成离子注入参数矩阵；利用离子注入参数矩阵，模拟不同离子注入过程，获得注入离子分布系列曲线；最后，通过所述注入离子分布系列曲线得出离子注入参数的变化对注入离子在材料内分布的影响规律。应用本发明方法可提供离子注入工艺控制窗口，优化离子注入工艺设计；同时，减少了模拟运行的时间，提高了工艺设计及生产运行的效率，降低了研发成本。

Description

离子注入模拟方法

技术领域

本发明涉及工艺模拟技术领域，特别涉及一种半导体制程中离子注入工艺的模拟方法。

背景技术

离子注入技术因为可以通过向器件衬底中引入可控制数量的杂质后改变器件的电学性能，而在现代半导体器件制造过程中有广泛应用。在半导体器件制造领域，离子注入技术主要用于对半导体材料掺入杂质。通常，不同的器件对掺入杂质的浓度和深度有特定的要求；离子注入的剂量和射程是离子注入工艺的两个重要参数，对离子注入的剂量和射程进行精确控制是离子注入工艺优化的目标。离子注入的射程由注入离子的能量决定。

因此，研究离子注入剂量和能量对注入离子在半导体材料内分布的影响规律成为本领域技术人员期待解决的重要课题。

现有技术中，通常采用二次离子质谱(second ion mass spectrogram，SIMS)或欧杰电子分析仪(Aujel electronic spectrogram，AES)分析离子注入后材料内的注入离子分布。由于SIMS分析为破坏性分析技术，且检测时间长、成本高，无法切实满足实际生产的需要。

考虑到，通过工艺计算机辅助设计(Technology Computer Aided Design，TCAD)平台，对工艺及器件物理特性进行仿真的模拟技术已广泛应用于半导体工艺设计中，由此，利用TCAD工具，通过对离子注入工艺进行仿真得到离子注入剂量和能量对注入离子在材料内分布的的影响规律，进而提供离子注入工艺控制窗口，已成为优化离子注入工艺设计的主要手段。

申请号为“98100467.9”的中国专利申请中提供一种离子注入过程模拟方法，利用由两个代表不同剖面成分的Pearson标准函数线性组合而成的双皮尔森(dual Pearson)函数描述离子注入剖面，线性组合系数为与两个Pearson标准函数对应的不同剖面成分的剂量值，再利用内插法和外推法获得剂量值系数系列，进而形成两个Pearson标准函数的不同线性组合，构成dual Pearson函数系列，以模拟离子注入过程。显然，此方法强调了对应不同剖面成分的剂量值的变化对注入离子分布的影响，而忽略了离子注入过程的各种瞬间参数对注入离子分布的影响，即所述方法未能精确模拟离子注入过程。因此，急需一种能够精确模拟离子注入过程中各种瞬间参数变化的模拟方法。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种离子注入模拟方法，用以精确模拟离子注入过程，继而得到离子注入剂量和能量对注入离子在材料内分布的影响规律，以提供离子注入工艺控制窗口，优化离子注入工艺设计。

为达到上述目的，本发明提供的一种离子注入模拟方法，包括：首先，得到不同离子注入剖面的实测注入离子分布曲线；然后，利用TCAD工具，设定模拟函数，拟合所述注入离子分布曲线，得到注入离子分布模拟基础曲线，并获得模拟基础数据；从模拟基础数据中提取模拟参数基础数据，利用内插法，通过模拟运算，获得模拟参数数据系列，形成离子注入参数矩阵；最后，利用离子注入参数矩阵，模拟不同离子注入过程，获得注入离子分布系列曲线。

所述实测注入离子分布曲线经由SIMS分析或AES分析得到；所述经由实测的离子注入剖面的数目和参数的选取根据模拟要求、工艺条件及产品要求确定；所述实测注入离子分布曲线的数目少于所需模拟注入离子分布曲线数目；所述模拟基础数据为所需模拟的注入离子分布曲线范围对应的模拟参数数据系列的边界值和等间隔中间值；所述拟合注入离子分布曲线的方法为蒙特卡洛(Monte-Carlo)方法；所述模拟函数选用Dual Pearsom函数；所述DualPearsom函数具有代表非晶态成分和沟道效应成分的两个标准化Pearsom函数；所述标准化Pearsom函数可体现出其代表的注入离子分布的不同成分的各种瞬间参数；所述各种瞬间参数包括离子穿行距离u、投影范围R_p、标准偏差σ、偏斜度γ以及峰度β等；所述Dual Pearsom函数经由两个标准化Pearsom函数按剂量比线性组合而成；所述Dual Pearsom函数，形如：

I(u)＝rI_非晶态(u，R_pa，σ_a，γ_a，β_a)+(1-r)I_沟道效应(u，R_pc，σ_c，γ_c，β_c)，其中，r为非晶态成分剂量值占全剂量值的比率。

所述注入离子分布模拟基础曲线数目与实测注入离子分布曲线的数目一致；所述提取的模拟参数为两个标准化Pearsom函数体现出的不同成分注入离子分布的各种瞬间参数；所述非晶态成分剂量值与全剂量值的比率根据模拟基础数据确定。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.通过模拟经由SIMS分析的离子注入剖面的离子注入过程，获得与SIMS分析一致的离子注入参数模拟基础数据，增加了模拟基础数据的可靠性。

2.采用内插法获得离子注入参数的系列模拟数据，增加了模拟数据的准确性。

3.对离子注入过程中各瞬间参数的模拟增加了离子注入过程模拟的准确性。

4.利用本发明方法得到离子注入剂量和能量对注入离子在半导体材料内分布的的影响规律，可提供离子注入工艺控制窗口，优化离子注入工艺设计。

5.利用内插法形成离子注入参数矩阵，借以模拟不同离子注入剖面的离子注入过程，获得不同离子注入剖面的注入离子分布系列曲线，减少了模拟运行的时间，提高了工艺设计及生产运行的效率。

6.利用离子注入参数矩阵模拟离子注入过程，减少了需要实测SIMS的产品的数目，降低了研发成本。

7.必要时，此模拟离子注入过程可替代SIMS检测，获得离子注入参数数据。

附图说明

图1为说明本发明第一实施例的流程示意图；

图2为说明本发明第一实施例的模拟离子注入分布曲线与实测离子注入分布曲线对比示意图；

图3为说明本发明第一实施例的内插方式示意图表；

图4至图7为说明本发明第一实施例的离子注入参数的变化对注入离子在材料内分布的影响规律示意图。

图8为说明本发明第二实施例的内插方式示意图表；

图9至图11为说明本发明第二实施例的离子注入参数的变化对注入离子在材料内分布的影响规律示意图。

其中：

10：离子注入能量为70kev时的注入离子分布曲线；

20：离子注入能量为100kev时的注入离子分布曲线；

30：离子注入能量为160kev时的注入离子分布曲线；

40：离子注入能量为0.5kev时的注入离子分布曲线；

50：离子注入能量为1.0kev时的注入离子分布曲线；

60：离子注入能量为2.0kev时的注入离子分布曲线；

70：离子注入能量为3.0kev时的注入离子分布曲线；

80：离子注入能量为4.0kev时的注入离子分布曲线。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明提供的离子注入模拟方法，包括：首先，得到不同离子注入剖面的实测注入离子分布曲线；然后，利用TCAD工具，设定模拟函数，拟合所述注入离子分布曲线，得到注入离子分布模拟基础曲线，并获得模拟基础数据；从模拟基础数据中提取模拟参数基础数据，利用内插法获得模拟参数数据系列，形成离子注入参数矩阵；最后，利用离子注入参数矩阵，模拟不同离子注入过程，获得注入离子分布系列曲线。

图1为说明本发明第一实施例的流程示意图，如图1所示，本发明方法的具体实施步骤为：

步骤11：根据所需模拟的注入离子分布曲线的范围，选取已注入离子的晶片，获得离子注入分布的实测数据，得到不同离子注入剖面的注入离子分布曲线，用以校准模拟基础注入离子分布曲线。

所述实测注入离子分布曲线经由SIMS分析或AES分析得到。

所述经由SIMS或AES分析的离子注入剖面的数目和参数的选取根据模拟要求、工艺条件及产品要求确定；所述经由SIMS或AES分析得到的实测注入离子分布曲线的数目少于所需模拟注入离子分布曲线数目。

在本实施例中，所述注入离子为IIIA族元素离子In³⁺；所述离子注入的剂量值选为1E13个/Gm²和4E13个/cm²，注入倾角选为15°和30°，能量范围为70～160kev；对每一剂量值，选取注入能量分别为70kev、100kev和160kev的离子注入剖面进行SIMS分析，即选择所需模拟的注入离子分布曲线范围的边界值和中间值所代表的离子注入剖面进行SIMS或AES分析，获得离子注入分布的实测数据，得到不同离子注入剖面的注入离子分布曲线。

诚然，注入离子的种类范围、剂量值和能量值的选定范围不受上述具体实施例的限定。

步骤12：利用TCAD工具，设定模拟函数，拟合所述注入离子分布曲线，得到注入离子分布模拟基础曲线，并获得模拟基础数据。

所述拟合注入离子分布曲线的方法为蒙特卡洛(Monte-Carlo)方法，即通过所述模拟函数，产生具有一定概率分布的离子注入随机参数序列，进而获取模拟数据系列。

所述模拟注入离子分布曲线数目与经由SIMS或AES分析获得的注入离子分布曲线的数目一致。

所述模拟函数选用Dual Pearsom函数；所述Dual Pearsom函数具有代表非晶态成分和沟道效应成分的两个标准化Pearsom函数；所述标准化Pearsom函数可体现出其代表的注入离子分布的不同成分的各种瞬间参数；所述各种瞬间参数包括离子穿行距离u、投影范围R_p、标准偏差σ、偏斜度γ以及峰度β等；所述Dual Pearsom函数经由两个标准化Pearsom函数按剂量比线性组合而成。

所述Dual Pearsom函数，形如：

I(u)＝rI_非晶态(u，R_pa，σ_a，γ_a，β_a)+(1-r)I_沟道效应(u，R_pc，σ_c，γ_c，β_c)

其中，

r：非晶态成分剂量值占全剂量值的比率；

u：注入离子在材料内的穿行距离；

R_p：注入离子分布的投影范围；

σ：注入离子分布的标准偏差；

γ：注入离子分布的偏斜度；

β：注入离子分布的峰度。

图2为说明本发明第一实施例的模拟离子注入分布曲线与实测离子注入分布曲线对比示意图，如图2所示，以具有注入剂量为4E13个/cm²，注入倾角为30°，注入能量为100kev等参数的离子注入剖面为例，经由SIMS分析获得离子注入分布曲线后，应用所述模拟函数拟合注入离子分布曲线，得到注入离子分布模拟基础曲线，罗列两条离子注入分布曲线可看出，拟合效果良好，获得的模拟基础数据具备可靠性。

步骤13：从模拟基础数据中提取模拟参数基础数据，利用内插法获得模拟参数数据系列，形成离子注入参数矩阵。

所述提取的模拟参数为所述分别代表非晶态成分和沟道效应成分的两个标准化Pearsom函数包含的离子注入过程中的各种瞬间参数。

图3为说明本发明第一实施例的内插方式示意图表，如图3所示，在相邻两组模拟基础数据间利用内插法得到相同参数的模拟数据系列，表中标示为“v”部分为模拟基础数据，标示为“o”部分为内插模拟数据。本实施例中，作为内插数据基准的模拟基础数据组的数目为3，模拟基础数据为所需模拟的注入离子分布曲线范围对应的模拟参数数据的边界值和中间值。

步骤14：设定非晶态成分剂量值或沟道效应成分剂量值占全剂量值的比率，利用离子注入参数矩阵，根据模拟函数，模拟不同离子注入剖面的离子注入过程，获得注入离子分布系列曲线。

所述非晶态成分剂量值或沟道效应成分剂量值与全剂量值的比率根据模拟基础数据确定。

图4至图7为说明本发明第一实施例的离子注入参数的变化对注入离子在材料内分布的影响规律示意图。注入离子分布模拟基础曲线10、20、30如图4至图7所示。图4对应的注入剂量为1E13个/cm²，倾角为15°；图5对应的注入剂量为1E13个/cm²，倾角为30°；图6对应的注入剂量为4E13个/cm²，倾角为15°；图7对应的注入剂量为4E13个/cm²，倾角为30°；所述离子注入倾角根据产品要求及工艺条件确定。

通过所述注入离子分布系列曲线可得出离子注入参数的变化对注入离子在材料内分布的影响规律。

如图4至图7所示，离子注入剂量及倾角相同时，随离子注入能量的升高，注入离子的射程增加，注入离子到达注入材料深度区域的概率增加，同时，短射程的注入离子分布概率降低，即注入离子分布的峰值降低。

对比图4与图6或图5与图7中对应注入能量值相同的注入离子分布曲线可得出，离子注入能量及倾角相同时，随离子注入剂量的升高，注入离子到达深度区域的概率增加，同时，注入离子分布的峰值也增加。

对比图4与图5或图6与图7可看出，离子注入能量及剂量相同时，注入倾角变化对注入离子分布的影响。

作为本发明方法的第二实施例，注入离子为VA族元素离子As^3-；所述离子注入的剂量值选为1E13个/cm²、1E14个/cm²和1E15个/cm²，能量范围为0.5～4.0kev；对每一剂量值，间隔选取不同离子注入能量的离子注入剖面进行SIMS或AES分析，并利用TCAD工具，按第一实施例所述方法设定模拟函数，拟合所述注入离子分布曲线，获得模拟基础数据。

图8为说明本发明第二实施例的内插方式示意图表，如图8所示，在相邻两组模拟基础数据间利用内插法得到相同参数的模拟数据系列，表中标示为“v”部分为模拟基础数据，标示为“o”部分为插入的模拟数据。本实施例中，作为内插数据基准的模拟基础数据组的数目为5，模拟基础数据为所需模拟的注入离子分布曲线范围对应的模拟参数数据的2个边界值和3个等间距中间值。当离子注入能量过低时，所述SIMS测试需经过多次验证。

图9至图11为说明本发明第二实施例的离子注入参数的变化对注入离子在材料内分布的影响规律示意图。注入离子分布模拟基础曲线40、50、60、70、80如图9至图11所示。图9对应的注入剂量为1E13个/cm，；图10对应的注入剂量为1E14个/cm²；图11对应的注入剂量为1E15个/cm²；如图9至图11所示，离子注入剂量相同时，随离子注入能量的升高，注入离子的射程增加，注入离子到达深度区域的概率增加，同时，短射程的注入离子分布概率降低，即注入离子分布的峰值降低。

对比图9至图11中对应注入能量值相同的注入离子分布曲线可得出，离子注入能量相同时，随离子注入剂量的升高，注入离子到达深度区域的概率增加，同时，注入离子分布的峰值也增加。

应用本发明方法，利用内插法形成离子注入参数矩阵；进而模拟不同离子注入过程，获得注入离子分布系列曲线，得到离子注入剂量和能量对注入离子在材料内分布的的影响规律，可提供离子注入工艺控制窗口，优化离子注入工艺设计；同时，减少了模拟运行的时间，提高了工艺设计及生产运行的效率，降低了研发成本。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims

1.一种离子注入模拟方法，其特征在于，包括：

a.得到不同离子注入剖面的实测注入离子分布曲线；

b.利用TCAD工具，设定模拟函数，拟合所述注入离子分布曲线，得到注入离子分布模拟基础曲线，并获得模拟基础数据；

c.从模拟基础数据中提取模拟参数基础数据，利用内插法，获得模拟参数数据系列，形成离子注入参数矩阵；

d.利用离子注入参数矩阵，模拟不同离子注入过程，获得注入离子分布系列曲线。

2.根据权利要求1所述的离子注入模拟方法，其特征在于：所述实测注入离子分布曲线经由SIMS分析或AES分析得到。

3.根据权利要求2所述的离子注入模拟方法，其特征在于：所述经由实测的离子注入剖面的数目和参数的选取根据模拟要求、工艺条件及产品要求确定。

4.根据权利要求3所述的离子注入模拟方法，其特征在于：所述实测注入离子分布曲线的数目少于所需模拟注入离子分布曲线数目。

5.根据权利要求1所述的离子注入模拟方法，其特征在于：模拟基础数据为所需模拟的注入离子分布曲线范围对应的模拟参数数据系列的边界值和等间隔中间值。

6.根据权利要求1所述的离子注入模拟方法，其特征在于：所述拟合注入离子分布曲线的方法为蒙特卡洛(Monte-Carlo)方法。

7.根据权利要求1所述的离子注入模拟方法，其特征在于：所述模拟函数选用Dual Pearsom函数。

8.根据权利要求7所述的离子注入模拟方法，其特征在于：所述DualPearsom函数具有代表非晶态成分和沟道效应成分的两个标准化Pearsom函数。

9.根据权利要求8所述的离子注入模拟方法，其特征在于：所述标准化Pearsom函数可体现出其代表的注入离子分布的不同成分的各种瞬间参数。

10.根据权利要求9所述的离子注入模拟方法，其特征在于：所述各种瞬间参数包括离子穿行距离u、投影范围R_p、标准偏差σ、偏斜度γ以及峰度β等。

11.根据权利要求10所述的离子注入模拟方法，其特征在于：所述DualPearsom函数经由两个标准化Pearsom函数按剂量比线性组合而成。

12.根据权利要求11所述的离子注入模拟方法，其特征在于：所述DualPearsom函数，形如：

13.根据权利要求1所述的离子注入模拟方法，其特征在于：所述注入离子分布模拟基础曲线数目与实测注入离子分布曲线的数目一致。

14.根据权利要求1所述的离子注入模拟方法，其特征在于：所述提取的模拟参数为两个标准化Pearsom函数体现出的不同成分注入离子分布的各种瞬间参数。

15.根据权利要求12所述的离子注入模拟方法，其特征在于：所述非晶态成分剂量值与全剂量值的比率根据模拟基础数据确定。