JP2002203758A - 半導体素子のシミュレーション装置および半導体素子のシミュレーション方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】実測データを用いたキャリブレーションを自動
化できる半導体素子のシミュレーション装置および半導
体素子のシミュレーション方法を提供する。 【解決手段】パラメータをキャリブレーションする手順
を示したキャリブレーション条件を作成して入力する工
程と、キャリブレーション条件の一工程分をシミュレー
タに投入してパラメータの最適値を探索する工程と、実
測データを用いてパラメータをキャリブレーションする
工程と、キャリブレーション条件の他の一工程分をシミ
ュレータに投入し、パラメータの最適値を探索してから
実測データを用いてパラメータをキャリブレーションす
る操作を、キャリブレーション条件に従って繰り返す工
程とを有する半導体素子のシミュレーション方法と、そ
のようなキャリブレーション条件の入力部を有する半導
体素子のシミュレーション装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子のシミ
ュレーション装置および半導体素子のシミュレーション
方法に関し、特に、実測データを用いたキャリブレーシ
ョンを、所定の手順に従って自動化することが可能とな
る半導体素子のシミュレーション装置および半導体素子
のシミュレーション方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスの開発期間は短縮
されてきている。これに伴い、半導体素子の試作あるい
は実際の製造を支援するために、シミュレーションの重
要性が高まっている。ＬＳＩの設計においては多様のシ
ミュレータが用いられる。例えばプロセスシミュレータ
は、ＬＳＩの各製造工程を物理モデルに基づいてシミュ
レーションし、最終的な不純物濃度分布や加工形状を求
めるものである。プロセスシミュレータによるシミュレ
ーションの対象となるプロセスとしては、イオン注入、
酸化、エッチング、堆積や、フォトリソグラフィ工程に
おけるレジストの形成等が挙げられる。

【０００３】また、デバイスシミュレータはデバイスの
電気特性を物理モデルに基づいて求めるものである。デ
バイスシミュレータを用いたシミュレーションにより、
デバイスの電流−電圧特性や容量−電圧特性等が求めら
れる。これらのシミュレータにおいては、プロセスの物
理現象やデバイス内のキャリアの挙動を、拡散方程式や
Ｍａｘｗｅｌｌ方程式等を用いて表現し、モデル化が行
われる。

【０００４】シミュレーションにおいては、現実の物理
現象を理想的な物理モデルに近似して計算を行うことが
多い。物理現象に関する基本的な方程式は確立されてい
るが、実際の現象は複雑であり、シミュレーションの物
理モデルには多くのパラメータが用いられる。また、Ｌ
ＳＩの製造プロセスの中にはエッチングや堆積のように
物理現象が十分に解明されていないものもある。このよ
うなことから、物理現象の正確なモデル化は難しく、シ
ミュレーション結果は必ずしも現実の現象に一致しな
い。

【０００５】したがって、シミュレーションにより半導
体内の不純物分布やデバイスの電気特性等を正確に予測
するためには、大量の実測データを用いてキャリブレー
ションを行う必要がある。シミュレーションに実測デー
タを反映させ、半導体製造工程の設計精度を向上させる
半導体のシミュレーション装置及びその方法が、特開平
９−３２０９１７号公報に開示されている。

【０００６】この装置は、図５に示すように、与えられ
た製造手順Ａ（工程１、２、・・・ｎ）で指定した特定
の製造工程に関する実測データａを前もって測定する測
定手段１０と、実測データａを測定条件について統括管
理して記憶装置Ｃにデータベースｂとして記録する登録
手段２０と、製造手順Ａに基づいてシミュレーション手
順Ｂ（条件１、２、・・・ｎ）を作成する手段と、シミ
ュレーション手順Ｂで指定した特定の製造工程に測定条
件が一致する実測データａをデータベースｂから検索す
る検索手段３０と、検索された実測データを物理的／数
学的理論に基づくモデル式にフィッティングするモデル
式抽出手段４０と、検索された実測データにフィッチン
グしたモデル式を取り込んでシミュレーションを実行す
る手段Ｄとを備えることを特徴とする。

【０００７】上記の特開平９−３２０９１７号公報に記
載されたシミュレーション方法によれば、製造手順Ａで
指定する工程の測定条件に相当する実測データａをデー
タベース化し、シミュレーション実行時に指定する条件
（シミュレーション手順Ｂ）に相当する実測データのモ
デル式を読み込んでシミュレーションを実行する。した
がって、シミュレーション手順Ｂの各条件は一括して読
み出され、シミュレータに投入される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来のシミュレーション装置あるいはシミュレーション
方法によれば、複数の製造工程に関する実測データと、
シミュレーション手順で指定された複数の条件が一度に
シミュレータに投入されるため、シミュレータの誤差や
理想的な物理モデルからのずれ等の度合いが条件間で異
なるという問題が起こる。したがって、実測データを用
いるキャリブレーションにおいては、物理モデルを理解
したユーザーによる、最適化の度合いの重み付け等の煩
雑な作業が要求される。現状では、このような作業に長
時間を要することが多い。

【０００９】一部のシミュレータはＮｅｗｔｏｎ法など
の最適化アルゴリズムを使用して、自動的にキャリブレ
ーションを行う機能を提供している。しかしながら、一
度に多くのパラメータのキャリブレーションを行うと、
物理的に妥当性のない結果が得られたり、計算が収束し
ないという問題が起こりやすい。

【００１０】本発明は上記の問題点に鑑みてなされたも
のであり、したがって本発明は、最適化の度合いの重み
付けや、収束のしやすさ等を考慮した所定の手順に従っ
て、実測データを用いたキャリブレーションを自動化し
て行うことができる半導体素子のシミュレーション装置
および半導体素子のシミュレーション方法を提供するこ
とを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の半導体素子のシミュレーション装置は、半
導体素子の特性に関する複数のパラメータを用いて、半
導体素子の特性のシミュレーションを行う少なくとも一
つのシミュレータと、前記パラメータに関する複数の実
測データを記憶する記憶手段と、前記実測データの少な
くとも一部を用いて、少なくとも一つの前記パラメータ
をキャリブレーションする工程と、前記実測データの少
なくとも一部を用いて、少なくとも他の一つの前記パラ
メータをキャリブレーションする工程を含む、複数の工
程の手順を示した多段階のキャリブレーション条件が入
力される条件入力部と、前記シミュレータに前記パラメ
ータの最適値の探索を指示する計算制御手段と、前記シ
ミュレーションの結果から特定のパラメータを抽出する
結果抽出手段と、前記結果抽出手段により抽出された前
記パラメータと前記実測データとの誤差を評価する誤差
評価部とを有することを特徴とする。

【００１２】本発明の半導体素子のシミュレーション装
置は、好適には、前記シミュレータは半導体素子の製造
工程の設計をシミュレーションするプロセスシミュレー
タを含むことを特徴とする。本発明の半導体素子のシミ
ュレーション装置は、好適には、前記シミュレータは半
導体素子の電気的特性を解析するデバイスシミュレータ
を含むことを特徴とする。

【００１３】これにより、従来、物理モデルを理解した
ユーザーが長時間をかけて行っていた、複数のパラメー
タの最適化の度合いの重み付け等の作業を自動化して行
うことが可能となる。また、実測データを用いたキャリ
ブレーションを一括して行わず、例えばパラメータ毎に
多段階で行うため、計算が収束しない状態を避けること
が容易となる。本発明の半導体素子のシミュレーション
装置によれば、多段階のキャリブレーション条件が入力
される条件入力部に入力するキャリブレーション条件を
変更することにより、キャリブレーションの手順を任意
に変更することが可能である。

【００１４】さらに、上記の目的を達成するため、本発
明の半導体素子のシミュレーション方法は、半導体素子
の特性に関する複数のパラメータの実測データを記録す
る工程と、前記パラメータをキャリブレーションするた
めの複数の工程の手順を示した多段階のキャリブレーシ
ョン条件を作成して入力する工程と、前記キャリブレー
ション条件の一工程分をシミュレータに投入し、少なく
とも一つの前記パラメータの最適値を探索する工程と、
前記実測データの少なくとも一部を用いて、前記パラメ
ータをキャリブレーションする工程と、前記キャリブレ
ーション条件の他の一工程分をシミュレータに投入し、
前記パラメータの最適値を探索してから、前記実測デー
タの少なくとも一部を用いて、前記パラメータをキャリ
ブレーションする操作を、前記キャリブレーション条件
に従って繰り返す工程とを有することを特徴とする。

【００１５】本発明の半導体素子のシミュレーション方
法は、好適には、前記シミュレータは半導体素子の製造
工程の設計をシミュレーションするプロセスシミュレー
タを含むことを特徴とする。本発明の半導体素子のシミ
ュレーション方法は、好適には、前記シミュレータは半
導体素子の電気的特性を解析するデバイスシミュレータ
を含むことを特徴とする。

【００１６】これにより、従来、物理モデルを理解した
ユーザーが長時間をかけて行っていた、複数のパラメー
タの最適化の度合いの重み付け等の作業が自動化され
る。また、実測データを用いたキャリブレーションを一
括して行わず、例えばパラメータ毎に多段階で行うた
め、計算が収束しない状態を避けることが容易となる。
本発明の半導体素子のシミュレーション方法によれば、
キャリブレーション条件を変更することにより、キャリ
ブレーションの手順を任意に変更することが可能であ
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の半導体素子のシ
ミュレーション装置および半導体素子のシミュレーショ
ン方法の実施の形態について、図面を参照して説明す
る。 （実施形態１）図１は本実施形態の半導体素子のシミュ
レーション装置のシステム構成図である。図１に示すよ
うに、本実施形態のシミュレーション装置は条件入力部
１０１、計算制御部１０２、プロセスシミュレータ１０
３、デバイスシミュレータ１０４、データベース１０５
およびデータ登録部１０６を有する。

【００１８】条件入力部１０１は、キャリブレーション
に必要な条件が入力される部分である。計算制御部１０
２は条件入力部１０１に入力されたキャリブレーション
条件に基づいて、シミュレータのキャリブレーションを
実行する。また、計算制御部１０２はプロセスシミュレ
ータ１０３およびデバイスシミュレータ１０４を制御し
て、パラメータの最適値を探索する。データベース１０
５にはデータ登録部１０６を介して、実測データやシミ
ュレーションの入力データが登録される。

【００１９】図２は図１の計算制御部１０２の構成図で
ある。図２に示すように、計算制御部１０２は最適値探
索部２０１、シミュレータ制御部２０２、結果抽出部２
０３および誤差評価部２０４を有する。最適値探索部２
０１はＮｅｗｔｏｎ法やＬＭ法（Levenberg-Marquardt
法）などの最適化アルゴリズムに基づいてパラメータの
最適値を探索する。シミュレータ制御部２０２は、最適
値探索部２０１において決定されたパラメータを適用し
て、シミュレータに計算を指示する。

【００２０】結果抽出部２０３は、シミュレーション結
果のうちの特定のパラメータと、データベース１０５
（図１参照）に登録された、対応する実測データとを抽
出する。誤差評価部２０４は、結果抽出部２０３によっ
て抽出された特性値と実測データとの誤差を評価する。
実測データとの誤差が指定された誤差以内とならない場
合には、最適値探索部２０１において次の最適値が探索
される。実測データとの誤差が、収束判定条件に基づく
指定された誤差以内となったとき、最適値探索部２０１
における最適化処理を終了する。このときのパラメータ
の値を最適値とする。

【００２１】図３は図１のデータベース１０５の構成図
である。図３に示すように、データベース１０５は実測
値データベース２０５とシミュレーション入力ファイル
データベース２０６から構成される。実測値データベー
ス２０５は実測データテーブルを有し、シミュレーショ
ン入力ファイルデータベース２０６はシミュレーション
入力データテーブルを有する。

【００２２】例えば、半導体基板に単独の種類の不純物
をイオン注入し、拡散させたときの不純物分布をシミュ
レーションする場合、２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ；
secondary ion-mass spectroscopy)のデータをキャリブ
レーション用の実測データとして用いることができる。
この場合の実測データテーブルの一例を表１に示し、シ
ミュレーション入力データテーブルの一例を表２に示
す。

【００２３】

【表１】 （表中、ドーズはatoms/cm² 、エネルギーはkeV を表
し、温度はアニール温度（℃）を表す。）

【００２４】

【表２】 （表中、ドーズはatoms/cm² 、エネルギーはkeV を表
し、温度はアニール温度（℃）を表す。また、Simulato
r1はシミュレータの一つであり、シミュレーション入力
データが投入されるシミュレータである。）

【００２５】表１に示すように、例えば、実測データフ
ァイルSIMS1.dat はシミュレーション入力データファイ
ルD1.datと比較される。一つのシミュレーション入力デ
ータファイルを複数の実測データファイルと比較するこ
とも可能であり、例えば、条件が同じである二つの実測
データファイルSIMS10.dat、SIMS11.datは、シミュレー
ション入力データファイルD7.datと比較される。

【００２６】次に、本実施形態の半導体素子のシミュレ
ーション装置のシステム動作例を示す。図４はシステム
の動作を示すフローチャートである。 ステップＳ１０１：キャリブレーションに必要な条件デ
ータａが、図１に示す条件入力部１０１に入力される。
条件データａは後述するように複数の工程から構成され
ている。条件データａにはキャリブレーションの手続き
を記述することができる。

【００２７】例えば、図１に示すプロセスシミュレータ
１０３での拡散パラメータをキャリブレーションする場
合には、単独イオン注入のＳＩＭＳデータを使用して、
点欠陥パラメータや活性化パラメータ等を最適化した
後、図１に示すデバイスシミュレータ１０４で電気特性
を計算し、再度、拡散パラメータを調整するといった一
連の手続きを条件データａに記述できる。条件入力部１
０１で作成された条件データａは、計算制御部１０２に
送られる。

【００２８】ステップＳ１０２：計算制御部１０２は条
件データａから１工程分のデータを読み出す。 ステップＳ１０３：読み出されたデータに基づいてシミ
ュレーションの準備を行う。すなわち、条件データａよ
り読み出した条件から、シミュレータの入力データを生
成する処理を行う。具体的には以下の２つの処理を行
う。 （１）条件データａにある入力データファイルを読み出
す。 （２）条件データａに設定されているパラメータの初期
値と（１）で読み出した入力データファイルからシミュ
レーション可能な入力データを生成する。 ステップＳ１０４：計算制御部１０２のシミュレータ制
御部２０２（図２参照）は、シミュレータに計算の実行
を指示する。

【００２９】ステップＳ１０５：シミュレーション計算
が終了すると、計算制御部１０２の結果抽出部２０３
（図２参照）は、シミュレーション結果から特定のパラ
メータを抽出し、データベース１０５から対応する実測
データを抽出する。計算制御部１０２の誤差評価部２０
４は、シミュレーション結果と抽出された実測データと
を比較する。 ステップＳ１０６、Ｓ１０７：シミュレーション結果と
抽出された実測データとの誤差が、条件データａで指定
された所定の誤差以内となるまで、最適値の探索を行
う。シミュレーション結果と抽出された実測データとの
比較には最小二乗法を用いる。

【００３０】ステップＳ１０８：シミュレーション結果
と抽出された実測データとの誤差が、条件データａで指
定された所定の誤差以内となったら、パラメータの値を
変更し、以降の工程に適用する。 ステップＳ１０９：条件データａで指定されている全て
の工程について、上記のような最適値の探索を実行した
ら、終了となる。

【００３１】以下に、上記のシステム動作例における条
件データａの一例を示す。条件データａにおいては、工
程１でヒ素（Ａｓ）拡散定数の最適値を探索し、工程２
でホウ素（Ｂ）の拡散定数の最適値を探索し、同様に各
工程で特定のパラメータの最適値を探索する。これらの
工程には、移動度パラメータの最適値の探索を行う工程
Ｎも含まれる。このように、条件データａにはパラメー
タの最適値の探索を各工程で段階的に行うことが記述さ
れる。

【００３２】 工程１：ヒ素（Ａｓ）拡散定数 初期値 上限値 下限値 不純物濃度分布 ０〜０．２μｍ（基板深さ方向） 収束条件 実測データファイル１，シミュレーション入力データファイルａ 実測データファイル２，シミュレーション入力データファイルｂ

【００３３】 工程２：ホウ素（Ｂ）拡散定数 初期値 上限値 下限値 不純物濃度分布 ０〜０．５μｍ（基板深さ方向） 収束条件 実測データファイル３，シミュレーション入力データファイルｃ 実測データファイル４，シミュレーション入力データファイルｄ

【００３４】 工程Ｎ：移動度パラメータ 初期値 上限値 下限値 電流−電圧特性 収束条件 実測データファイルｍ，シミュレーション入力データファイルｘ 実測データファイルｎ，シミュレーション入力データファイルｙ

【００３５】本実施形態の半導体素子のシミュレーショ
ン方法によれば、上記のような条件データａからデータ
を１工程分ずつ読み出し、パラメータの最適値を探索す
る。したがって、従来、ユーザーの作業により行われて
いた、最適化の重み付け等の操作を、予め設定された一
連の手順に沿って自動的に行うことが可能となる。

【００３６】本発明の半導体素子のシミュレーション装
置および半導体素子のシミュレーション方法の実施形態
は、上記の説明に限定されない。例えば、上記の実施形
態の条件データａに、イオン注入以外の例えば酸化、エ
ッチングや堆積等のプロセスのデータを用いることもで
きる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々
の変更が可能である。

【００３７】

【発明の効果】本発明の半導体素子のシミュレーション
装置によれば、実測データを用いた多段階のキャリブレ
ーションを、所定の手順に従って自動化して行うことが
可能となる。本発明の半導体素子のシミュレーション方
法によれば、パラメータの最適化の度合いの重み付け
や、収束のしやすさ等を考慮した所定の手順に従って、
実測データを用いたキャリブレーションを自動的に行う
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の半導体素子のシミュレーション
装置のシステム構成図である。

【図２】図２は図１の計算制御部１０２の構成図であ
る。

【図３】図３は図１のデータベース１０５の構成図であ
る。

【図４】図４は本発明の半導体素子のシミュレーション
装置の動作および本発明の半導体素子のシミュレーショ
ン方法を示すフローチャートである。

【図５】図５は従来のシミュレーション装置のシステム
構成図である。

【符号の説明】

１０…測定手段、２０…登録手段、３０…検索手段、４
０…モデル式抽出手段、１０１…条件入力部、１０２…
計算制御部、１０３…プロセスシミュレータ、１０４…
デバイスシミュレータ、１０５…データベース、１０６
…データ登録部、２０１…最適値探索部、２０２…シミ
ュレータ制御部、２０３…結果抽出部、２０４…誤差評
価部、２０５…実測値データベース、２０６…シミュレ
ーション入力ファイルデータベース。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体素子の特性に関する複数のパラメー
   タを用いて、半導体素子の特性のシミュレーションを行
   う少なくとも一つのシミュレータと、 前記パラメータに関する複数の実測データを記憶する記
   憶手段と、 前記実測データの少なくとも一部を用いて、少なくとも
   一つの前記パラメータをキャリブレーションする工程
   と、前記実測データの少なくとも一部を用いて、少なく
   とも他の一つの前記パラメータをキャリブレーションす
   る工程を含む、複数の工程の手順を示した多段階のキャ
   リブレーション条件が入力される条件入力部と、 前記シミュレータに前記パラメータの最適値の探索を指
   示する計算制御手段と、 前記シミュレーションの結果から特定のパラメータを抽
   出する結果抽出手段と、 前記結果抽出手段により抽出された前記パラメータと前
   記実測データとの誤差を評価する誤差評価部とを有する
   半導体素子のシミュレーション装置。
2. 【請求項２】前記シミュレータは半導体素子の製造工程
   の設計をシミュレーションするプロセスシミュレータを
   含む請求項１記載の半導体素子のシミュレーション装
   置。
3. 【請求項３】前記シミュレータは半導体素子の電気的特
   性を解析するデバイスシミュレータを含む請求項１記載
   の半導体素子のシミュレーション装置。
4. 【請求項４】半導体素子の特性に関する複数のパラメー
   タの実測データを記録する工程と、 前記パラメータをキャリブレーションするための複数の
   工程の手順を示した多段階のキャリブレーション条件を
   作成して入力する工程と、 前記キャリブレーション条件の一工程分をシミュレータ
   に投入し、少なくとも一つの前記パラメータの最適値を
   探索する工程と、 前記実測データの少なくとも一部を用いて、前記パラメ
   ータをキャリブレーションする工程と、 前記キャリブレーション条件の他の一工程分をシミュレ
   ータに投入し、前記パラメータの最適値を探索してか
   ら、前記実測データの少なくとも一部を用いて、前記パ
   ラメータをキャリブレーションする操作を、前記キャリ
   ブレーション条件に従って繰り返す工程とを有する半導
   体素子のシミュレーション方法。
5. 【請求項５】前記シミュレータは半導体素子の製造工程
   の設計をシミュレーションするプロセスシミュレータを
   含む請求項４記載の半導体素子のシミュレーション方
   法。
6. 【請求項６】前記シミュレータは半導体素子の電気的特
   性を解析するデバイスシミュレータを含む請求項４記載
   の半導体素子のシミュレーション方法。