JP2004079655A - Semiconductor simulation equipment and method - Google Patents

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JP2004079655A JP2002235514A JP2002235514A JP2004079655A JP 2004079655 A JP2004079655 A JP 2004079655A JP 2002235514 A JP2002235514 A JP 2002235514A JP 2002235514 A JP2002235514 A JP 2002235514A JP 2004079655 A JP2004079655 A JP 2004079655A
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Mitsunori Kimura
木村 光紀
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  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem wherein it takes a lot of time to make process simulations of a plurality of transistors when they have gate electrodes different from each other in geometrical shape. <P>SOLUTION: Semiconductor simulation equipment is equipped with a storage means 9 which holds the calculation of the distribution of impurities when impurity ions are implanted and a distribution calculation means (process simulation unit ) 31 which carries out the calculation of the distribution of impurities that are ion-implanted into one of the transistors which are manufactured through the same process and have gate electrodes different from each other in geometrical shape, stores the calculation results in the storage means 9, and carries out the calculation of the distribution of impurities that are ion-implanted into, at least, one of the residual transistors by the use of the calculation result stored in the storage means 9. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造のイオン注入工程のシミュレーション方法および装置に関する。特定的に、本発明は、同じ製造工程で作製されたゲート電極の幾何学的大きさ(たとえばゲート長、ゲート幅など)が異なる複数のトランジスタのイオン注入シミュレーション結果の有効利用に関する。
【0002】
【従来の技術】
イオン注入は、基板に不純物を導入するための方法で、現在、半導体製造において広く用いられている技術である。最近のLSIの微細化に伴い、熱工程を減らして不純物の熱拡散を抑え、なるべく浅く不純物を導入することが求められるようになってきている。したがって、イオン注入工程によって導入された不純物の基板内部の分布を正確に求めることは、ますます重要になってきている。
【0003】
イオン注入工程の不純物分布の計算方法において、解析式を使う方法がよく用いられる。この方法では、イオン注入による不純物の分布が、深さ方向、水平方向それぞれにおいて幾つかのパラメータを含む解析式から計算される。そして、これらパラメータは実験データを用いて決められるのが普通である。
【0004】
深さ方向の分布を表す解析式としてよく用いられるものにPearson関数がある。さらに、最近では、深さ方向の分布を表すのに2つのPearson関数を用いることも多くなってきている。
これらの分布関数のパラメータは実験データとの関係式から求める場合もあるが、精度向上のために一般的には、実験データとの比較により求めることが多い。たとえばPearson関数をSIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy)の測定データと合わせ込み、最も一致度が高いときのPearson関数のパラメータを抽出する。
【0005】
一方、水平方向についてはGauss関数がよく用いられる。
【0006】
また、コンピュータ性能の向上に伴って、最近では、イオン注入計算においてもモンテカルロ法が採用されることも多くなってきている。
【0007】
シリコン基板にイオン注入により導入した不純物の分布を3次元計算する場合、3次元計算領域を定め、この領域を細かなメッシュに分割して、それぞれのメッシュに対して深さ方向と水平方向の3次元計算を、決められた解析式を用いて実行する。計算方法としていろいろな方法が考えられる。不純物濃度に対応した各メッシュ点の密度を順次計算していく最も一般的な方法をとった場合、計算時間はメッシュの数にほぼ比例することになる。
【0008】
3次元計算の場合、十分な計算精度を持ったメッシュ構造を考えると、メッシュの数は数万から数十万個になる。2次元構造の場合、数千個あれば十分であることを考えると、3次元計算では、2次元の場合に比べて、メッシュの数だけから言っても10倍から100倍の時間がかかることになる。
【0009】
イオン注入は通常、チャネリング防止などの観点から多少なりとも角度をつけて行われる。また、垂直で行う場合でも注入イオンはランダムに角度を変えながら膜内を進行するため周囲のメッシュからの影響を考慮する必要がある。したがって3次元計算が必要になるが、3次元計算では考慮すべき周囲のメッシュが2次元計算時より多い。その結果、実際は、1点の濃度の計算も3次元的に計算するほうが2次元的に計算するよりはるかに時間がかかることとなる。
【0010】
現在のコンピュータの性能下で2次元計算のアルゴリズムを実行すると、イオン注入計算は分オーダーで完了する。
しかし、同じ性能のコンピュータで3次元計算をしようとすると、計算時間は、数十分から1時間を越えることになる。
このように3次元構造のイオン注入計算に多くの時間を要する原因は、上記したように、メッシュ点の数が2次元構造に比べて2桁程度多いことに加え、周囲からの影響を3次元で考慮する必要があるためである。
【0011】
ところで、LSIなどの半導体装置においては、製造工程が同じで幾何学的大きさ(ゲート長、ゲート幅など)が異なった多数のトランジスタを含む場合がほとんどである。
この場合に各トランジスタの電気特性を3次元でシミュレーションしようとすると、いわゆる統合型のシミュレーションを行う必要がある。統合シミュレーションは、通常、製造工程(デポジッション、エッチング、イオン注入、酸化、拡散など)をシミュレーションするプロセスシミュレーションと、プロセスシミュレーションの結果の不純物分布を利用してトランジスタの電気特性を計算するデバイスシミュレーションとの2つのステップに分かれている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
従来の統合シミュレーションでは、プロセスシミュレーション用の入力データと、デバイスシミュレーション用の入力データの2種類の入力データを準備する必要がある。このとき、ゲート長Lg、ゲート幅Wgが異なったトランジスタをシミュレーションする場合、それぞれのLg,Wgに応じたプロセスシミュレーション用入力データとデバイスシミュレーション用の入力データを個別に作成し、その後、必要なデータを用いてトランジスタごとにシミュレーションを実行する。
【0013】
異なった幾何学的大きさを有する多数のトランジスタが含まれる場合、計算時間の長さが問題となる。たとえば、ゲート長Lg、ゲート幅Wgをそれぞれ5種類有している半導体装置のシミュレーションでは、プロセスシミュレーションが1回あたり平均で10時間かかったとすると、この場合、プロセスシミュレーションだけで250時間(=10時間×5×5)かかることになる。
【0014】
ゲート長Lg,ゲート幅Wgを変えてシミュレーションする場合、なるべく計算時間の増大につながるようなことはしたくない。そこで問題となるのが、3次元イオン注入の計算時間である。すでに指摘したように、3次元となるとイオン注入の計算時間は1時間程度必要になる。しかも、ひとつのトランジスタを形成するのに、3次元計算が必要なイオン注入回数は少なくとも2,3回となる。
したがって、従来の方法でゲート長やゲート幅を変えてシミュレーションする場合に、3次元のイオン注入計算が何回も繰り返し実行され、その計算時間は非常に長くなるという不利益があった。
【0015】
本発明の第1の目的は、ゲートの幾何学的形状が異なる複数種類のトランジスタを有する場合に、同じような繰り返し計算を出来るだけ回避するための手段を有しているシミュレーション装置を提供することにある。
本発明の第2の目的は、ゲートの幾何学的形状が異なる複数種類のトランジスタを有する場合に、計算時間を大幅に短縮できるシミュレーション方法を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の観点に係る半導体シミュレーション装置は、上述した第1の目的を達成するためのものであり、製造工程が同じで、ゲート電極の幾何学的な大きさが異なる複数のトランジスタのイオン注入後の不純物分布を予測する機能を有した半導体シミュレーション装置であって、イオン注入による不純物分布の計算を保持する記憶手段と、複数の前記トランジスタのうち1つのトランジスタに対し前記イオン注入による不純物分布の計算を実行し、その結果を前記記憶手段に格納し、複数の前記トランジスタのうち残りの少なくとも1つのトランジスタのイオン注入による不純物分布の計算を、前記記憶手段に格納してある計算結果を用いて実行する分布計算手段と、を有する。
【0017】
本発明の第2の観点に係る半導体シミュレーション方法は、前記第2の目的を達成するためのものであり、製造工程が同じで、ゲート電極の幾何学的な大きさが異なる複数のトランジスタのイオン注入後の不純物分布を予測する工程を含む半導体シミュレーション方法であって、不純物分布の前記予測の工程が、イオン注入による不純物分布の計算を、複数の前記トランジスタのうち1つのトランジスタに対し実行する工程と、前記計算の結果をメモリに格納する工程と、複数の前記トランジスタのうち残りの少なくとも1つのトランジスタのイオン注入による不純物分布の計算を、前記メモリに格納してある計算結果を用いて実行する工程と、を含む。
【0018】
このような半導体シミュレーション装置および方法によれば、前記分布計算手段が、前記ゲート電極の幾何学的形状が異なる複数のトランジスタのうち何れか1つについて、まず、イオン注入による不純物分布の計算を、たとえばモンテカルロ法あるいは解析式を用いた方法により実行する。つぎに、この結果を前記記憶手段に格納する。同じ条件のイオン注入による不純物分布計算が必要なときに、この記憶手段から計算結果を読み出して利用する。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本実施形態に係るシミュレーション装置の概略構成を示すブロック図である。
本実施形態に係るシミュレーション装置(シミュレータ)1は、あるトランジスタに対して複数回行われる各イオン注入の計算結果を記憶手段に記憶しておき、それらを利用することにより、計算回数の増大を出来るだけ抑制しながらゲート長やゲート幅を変えた多数種類のトランジスタの特性等を繰り返し計算できるものである。これを、以下に説明する。
【0020】
シミュレータ1は、大まかには、デバイスの計算領域を設定し各種データおよび計算条件を決めるなど、実計算の準備に必要な各種処理を行うプリプロセッサ2と、所定の解析式を基に不純物分布等を求め、それを基にデバイス特性を所定の物理式または粒子モデルに即して計算するメインプロセッサ3と、メインプロセッサ3の結果を所定の出力形式に適合するように変換し出力するポストプロセッサ4と、これら各プロセッサ2,3,4にデータおよび条件を与え、また計算結果を蓄積する記憶装置5と、表示装置6とから構成されている。また、イオン注入直後の不純物濃度分布データを実測するSIMS測定装置7が記憶装置5にオンライン又はオフラインで接続されている。
【0021】
記憶装置5内には、前記SIMS測定装置7からの不純物濃度分布データを記憶する実測値データベース8と、2次元または3次元のイオン注入計算により求められた不純物分布データを一時保管する不純物分布データの記憶手段9とを備える。
【0022】
プリプロセッサ2内には、予め与えられたデバイス構造パラメータから構築されるデバイス形状を所定の規則に従って細かなメッシュに分割し、方形状の2次元計算領域あるいは直方体状の3次元計算領域を設定する。また、プリプロセッサ2は、メッシュの補間あるいは省略、または、メッシュ寸法の拡張や縮小を行うことができる。これはデバイス形状に基づいて自動的に行うようにしてもよく、あるいはオペレータの指示に基づいて行ってもよい。さらに、プリプロセッサ2は、必要に応じて、実測値データベース8からの不純物濃度分布データに対しバラツキを緩和する処理を行なう。その他、プリプロセッサ2は、オペレータの条件入力を受け付け、各種データからプロセスモデルを作成し、また境界等の条件を策定するなど、シミュレーションの実計算の準備に必要な処理すべてを行う。
【0023】
メインプロセッサ3は、大別すると、プロセスシミュレーションを行うプロセスシミュレーション部31と、デバイスシミュレーションを行うデバイスシミュレーション部32とに分けることができる。
【0024】
プロセスシミュレーション部31は、各種熱工程(酸化、アニール)による不純物再分布を2次元または3次元で計算するほか、ここでは特にイオン注入工程の不純物分布を2次元または3次元で計算する。プロセスシミュレーション部31は、本発明の“分布計算手段”に該当する。その他、レジスト等の形状シミュレーションを行う機能をプロセスシミュレーション部31に備えさせても良い。この2次元または3次元の計算では、モンテカルロ法など粒子モデルに基づくシミュレーション方法、または、解析式を使う方法を実行する。
【0025】
デバイスシミュレーション部32では、所定の入力データをもとに所定の物理モデルにデバイスおよびプロセスのパラメータを設定した後、当該物理モデルに対応した物理方程式あるいは特性方程式にバイアス条件を代入して変化させるなどの操作を経て、所望のデバイス特性の予測値を求める。このとき、流体型モデルのほか、より複雑で高度な物理モデルとしてモンテカルロ型やエネルギーを考慮したモデルなどを用いる。
【0026】
以下、本実施形態に係るイオン注入シミュレーション方法を、解析式を用いた場合を中心として述べ、最後に、モンテカルロ法を用いた場合についても簡単に触れる。なお、以下の説明では、MOSトランジスタのソース・ドレインへの注入不純物の分布を3次元計算することを前提とする。
【0027】
図2は、本実施形態に係るイオン注入シミュレーション方法の主要工程を示すフローチャートである。
ステップST1において、プリプロセッサ2による各種処理(前処理)が実行される。まず、プリプロセッサ2がデバイス形状に応じて計算領域を細かいメッシュに分割する。このメッシュの形成方法は種々あるが、ここでは、直方体メッシュで区切られたシリコン等を適宜、たとえば8分割ベース法などを用いて4面体メッシュに変換する方法を採用することができる。全てを4面体メッシュにしてもよいし、シリコン上に形成されるデバイス構造に応じて非連続箇所あるいは計算精度を高めたい箇所を中心に部分的に4面体メッシュを形成してもよい。
【0028】
また、プリプロセッサ2が、3次元計算を行うべき領域を直方体状のエリアで設定する。3次元計算領域の取り方は任意である。また、プリプロセッサ2は、前記した必要な各種処理を行う。
【0029】
つぎに、ステップST2において、想定されるプロセスフローに基づいて、メインプロセッサ3のプロセスシミュレーション部31が、プロセスシミュレーションを実行する。ここでは、イオン注入シミュレーションのみを説明する。このシミュレーションでは、解析式のパラメータを抽出して用いる解析式を確定し、これを3次元計算に利用する。
本例では、深さ方向の分布を表す解析式としてPearson関数を用いる。これは、次式(1)の微分方程式で定義される関数f(u)である。
【数1】
df(u)/du
=(u−b1)f(u)/(b0+b1u+b2u2)…(1)
【0030】
ここで、zを基板の深さ方向の座標とすると、u、b0、b1、b2、Aは次式(2−1)〜(2−5)のように表される。
【数2】
u=z−Rp           …(2−1)
b0=−σ(4β−3γ2)/A  …(2−2)
b1=−σγ(β−3)/A    …(2−3)
b2=(−2β+3γ2+6)/A …(2−4)
A=10β−12γ2−18    …(2−5)
【0031】
Rp,σ,γ,βは、実験データ、特にSIMSのデータから求められる。ここで、Rpはイオン注入の投影飛程、σは投影飛程の標準偏差、γは分布の偏りを表す“ひずみ(skewness)”、βはピーク付近の分布形状を表す“とがり(kurtosis)”のパラメータである。SIMSの測定結果から得られる分布関数をM(z)とすると、Rp,σ,γ,βは近似的に次式(3−1)〜(3−4)により表される。
【数3】

Figure 2004079655
【0032】
しかし、この関係はあくまで近似で、通常、実際の分布関数M(z)とPearson関数を精度よく一致させるには、何らかの合わせ込み作業が必要になる。
この合わせ込み作業により、上記したPearson関数のRP,σ,γ,βといったパラメータが抽出される。具体的には、SIMSデータが示す不純物濃度の分布関数M(z)を、たとえば最小自乗法(Levenberg−Marquart法等)を用いてPearson関数f(u)と比較し、双方の一致度が高くなるようにf(u)のパラメータRP,σ,γ,βを変化させる。そして、この最も一致度が高いときのパラメータRP,σ,γ,βを不純物濃度分布パラメータとして抽出する。
この作業を、想定されるイオン注入条件のもと、ソース・ドレイン不純物領域の濃度分布パラメータRP,σ,γ,βを決定する。その後、これらのパラメータが確定した解析式を用いて3次元計算を行う。
【0033】
本実施形態では、詳細は後述するように、同じイオン注入条件では、最初の1回のみ、これらのパラメータを求め、記憶装置5内の記憶手段9に保持させる。そして、同じイオン注入条件でのシミュレーション結果が必要となったときは、記憶装置5内の記憶手段9からにシミュレーション結果である、これらのパラメータを読み出して利用する。
なお、上記した分布関数M(z)を規定するSIMSデータは、記憶装置5内に実測値データベース8として保管されている。
【0034】
なお、深さ方向の分布を表すのに2つのPearson関数(Dual−Pearson関数)を用いてもよい。Dual−Pearson関数F(z)は、次式(4)により表される。
【数4】
Figure 2004079655
ここで、zは基板の深さ方向の座標、f1とf2は規格化された2つのPearson関数、DOSEはイオン注入ドーズ、Rは注入ドーズに占めるf1の割合を示すパラメータである。また、Rp1,σ1,γ1,β1は第1Pearson関数f1の分布形状を決定するパラメータ、Rp2,σ2,γ2,β2は第2Pearson関数f2の分布形状を決定するパラメータを示し、具体的に、Rp1,Rp2はイオン注入の投影飛程、σ1,σ2はそれぞれ投影飛程Rp1,Rp2の標準偏差、γ1,γ2は分布の偏りを表す“ひずみ”、β1,β2はピーク付近の分布形状を表す“とがり”のパラメータである。
【0035】
上記の式(4)に示されるように、Dual−Pearson関数F(z)は、2つのPearson関数f1とPearson関数f2から構成されている。Pearson関数f1はランダムに散乱された不純物の濃度分布を表しており、Pearson関数f2は基板格子間をチャネリングした不純物の濃度分布を表している。
このように、2つのPearson関数が組み合わされていることから、他のGauss関数、Pearson関数では再現が難しいイオン注入時の基板深さ方向の不純物濃度分布のチャネリングテールを高精度に表現できる。また、異なる注入ドーズ間で、Pearson関数f1の占める割合Rを注入ドーズに応じて変化させることにより、チャネリングの度合いの注入ドーズ依存性を表現することが可能である。
このようなDual−Pearson関数F(z)は、シリコン中の不純物濃度の計算に適している。
【0036】
一方、水平方向は、たとえば次式(5)で定義されるGauss関数を用いる。
【数5】
Figure 2004079655
ここで、rはイオン注入の軸からの水平方向の距離を表す。
【0037】
一方、モンテカルロ法を行う場合は、正確な物理モデル、すなわちフォノン、イオンなどが散乱因子として取り扱われる粒子モデルに従って個々の電荷の挙動を追従させ、ボルツマン輸送方程式を解くことにより、イオン注入不純物の分布計算を行う。
【0038】
その後、前記した所定の方法によってデバイスシミュレーションを行い(ステップST3)、その結果を表示装置6等に出力すると(ステップST4)、当該統合シミュレーションの全工程が終了する。
【0039】
図3は、一般的なNMOSトランジスタの断面図である。
【0040】
このNMOSトランジスタは、たとえばP型シリコンウェーハまたはPウェルなどの半導体基板SUBに形成されている。基板SUBの表面に、必要に応じて、たとえばLOCOS(Local Oxidation of Silicon)またはSTI(Shallow Trench Isolation)などにより形成された素子分離絶縁層ISOが形成されている。この素子分離絶縁層ISOが形成されていない基板表面部分が当該トランジスタのチャネル形成領域となる。
【0041】
チャネル形成領域上に、二酸化珪素または酸化窒化珪素からなるゲート絶縁膜GDが形成されている。ゲート絶縁膜GDの膜厚に限定はないが、例えばゲート長0.13μm以下のデバイスでは2nm以下のごく薄い膜が用いられる。
ゲート絶縁膜GDの上に、N型不純物が添加された多結晶珪素(ドープド多結晶珪素)からなるゲート電極GEが積層されている。
【0042】
このゲート電極GEの両側の基板表面に、いわゆるLDD(Lightly Doped Drain)領域を有した2つのソース不純物領域S,ドレイン不純物領域Dが互いに離れて形成されている。ソース不純物領域Sとドレイン不純物領域Dの濃度プロファイルは対称に形成されている。
また、ゲートの両側面には、いわゆるサイドウォール形状、すなわち略1/4円の断面形状の絶縁層(以下、サイドウォール絶縁層という)SWが形成されている。サイドウォール絶縁層SW直下に位置する基板領域に、N型不純物が比較的低濃度で浅く導入されることにより、N不純物領域(LDD領域またはエクステンション領域)が形成されている。また、サイドウォール絶縁層SWを自己整合マスクとして、その両外側にN型不純物を比較的高濃度で深くまで導入することにより、ソース不純物領域Sおよびドレイン不純物領域Dの主体をなすN不純物領域が形成されている。
なお、ゲート電極GEは、その上層に例えばWSi,TiN,TaSi,TiSi,TiWなどからなる高融点金属層を備えた構成でもよい。また、ゲート電極GEの上に、必要に応じて、例えば窒化珪素からなるオフセット絶縁層を形成してもよい。なお、サイドウォール絶縁層SWおよびLDD領域は省略可能である。
【0043】
ソース不純物領域S,ドレイン不純物領域Dの上には、必要に応じて、図示を省略したソース電極,ドレイン電極が形成される。
【0044】
以下、このMOSトランジスタの製造方法の実施例を、図面を参照しながら説明する。図4(A)〜図5(B)は、このNMOSトランジスタの製造における断面図である。
【0045】
シリコンウェーハ(基板SUB)に、図4(A)に示すように、公知の方法でSIT構造の素子分離絶縁層ISOを形成した。その後、特に図示しないが、イオン注入のスルー膜を形成するため、基板SUB表面を900℃、10分の条件でドライ酸化した。また、図示を省略したPウェルを形成するために、ボロンイオンBを250keVのエネルギー,5×1012ions/cmのドーズでイオン注入した。さらに、ボロンイオンBを35keVのエネルギー,1×1013ions/cmのドーズでイオン注入して閾値電圧を調整した。
【0046】
必要なら上記イオン注入のスルー膜を除去し、その後、図4(B)に示すように、850℃、5分のドライ酸化を行ってゲート絶縁膜GDを形成した。
【0047】
ドープド多結晶珪素を0.2μmほど堆積し、これをリソグラフィとドライエッチングにより加工して、図5(A)に示すようにゲート電極GEを形成した。
【0048】
砒素イオンAsを40keVのエネルギー,5×1013ions/cmのドーズでイオン注入して、図5(B)に示すようにN不純物領域(例えばLDD領域)を形成した。
【0049】
その後は、図3に示すサイドウォール絶縁層SWを形成するために、二酸化珪素膜を0.1μmほど堆積し、これを全面エッチバックした。
続いて、砒素イオンAsを60keVのエネルギー,2×1015ions/cmのドーズでイオン注入してN不純物領域をサイドウォール絶縁層SWの外側の基板表面に形成した。その後、1,000℃、20分のアニールを行うことにより、ソース不純物領域Sとドレイン不純物領域を形成した。
また、必要に応じて、ドレイン電極やソース電極を公知の方法を用いて形成し、当該MOSトランジスタを完成させた。
【0050】
本実施形態に係る半導体装置は、このような製造工程で一括して形成されるが、それぞれゲート長Lgおよび/またはゲート幅Lgが異なる複数種類のMOSトランジスタを多数有する。ゲート長Lgやゲート幅Lgは、図5(A)のゲート電極加工時に用いるフォトマスク上のパターンで規定される。
【0051】
パターン上でゲート長Lg,ゲート幅Wgを変えた複数のトランジスタに対するシミュレーションでは、通常、イオン注入、熱工程(参加または拡散等)のプロセス条件は同じである。
拡散などでは、その不純物分布がゲート長やゲート幅の影響を受ける。トランジスタのソース不純物領域S,ドレイン不純物領域Dにイオン注入した際に基板SUBに導入される点欠陥がゲート電極GEの下方領域に拡散してくるが、その際、点欠陥には不純物と結合して不純物の促進を促す作用がある。そして、この拡散はゲート電極GEのチャネル方向の長さLg、その幅Wgに依存する。
【0052】
一方、イオン注入による不純物の分布は、ゲート長Lg、ゲート幅Wgが変わっても殆ど影響を受けない。これは、イオン注入による不純物の分布は表面の比較的局所的な構造にのみ依存していて、遠く離れた場所の表面構造、たとえば、ゲート電極GEの反対側のエッジ位置などに依存しないからである。
【0053】
もちろん、注入イオンのエネルギーを増大させていくと、そのイオンの分布に影響のある表面の局所的な範囲は大きくなる。したがって、非常に大きなエネルギーでイオン注入を行うと、ゲート電極GEの反対側のエッジ位置までの距離によって不純物分布に影響が出てくることがある。しかし、ゲート電極GEの形成後にこのような大きなエネルギーでイオン注入を行うと、ソース不純物領域Sとドレイン不純物領域Dがつながってしまい、トランジスタが正常動作しないので、まず、このような大きなエネルギーでイオン注入することはない。
また、最先端のデバイスのゲート長Lgは0.1μm程度であるが、その微細化とともに注入エネルギーを小さくしてソース不純物領域Sおよびドレイン不純物領域Dを高濃度、薄層化する必要がある。したがって、プロセスルールが変化してもゲート長Lgとイオン注入エネルギーの相対値はあまり変化しないため、イオン注入による不純物の分布がゲートパターン形状の影響を受けることはまず有り得ない。
【0054】
このように、同じ製造工程で形成する複数のトランジスタをゲート長Lg,ゲート幅Wgを変えてシミュレーションする場合、拡散工程などはトランジスタごとにシミュレーションする必要があるが、イオン注入工程では、あるトランジスタで一度計算しておくだけで、同じイオン注入条件のイオン注入工程を繰り返し計算する必要がない。本実施形態は、この点を利用している。
【0055】
具体的に、図2のプロセスシミュレーション工程ST2において、ゲート長とゲート幅が同じで、かつイオン注入条件も同じ不純物分布の3次元シミュレーションを行うたびに、その結果を記憶手段9に格納しておく。そして、他のトランジスタのシミュレーション等で、上記条件が同じ不純物分布の3次元シミュレーションが必要となったときは、もう一度同じシミュレーションを繰り返すことはしないで、記憶手段9から既に行ったシミュレーションの結果を呼び出して、デバイス特性を求めるデバイスシミュレーション等に利用する。
【0056】
このようにすると、とくに計算時間がかかるモンテカルロ法などのイオン注入工程のシミュレーション回数を最小限にすることができ、計算時間の増大を防ぎながら、シミュレーションの精度を向上させることが可能になる。
【0057】
以下、具体的に計算時間を見積もったので、そのシミュレーション例を説明する。
ここでは、前記した製造工程により作製すべきトランジスタのゲートパターンにおいて、ゲート長Lgを0.2μm、0.22μm、0.25μm、0.3μm、0.35μm、0.5μm、5.0μmと6種類用意し、ゲート幅Wgを0.2μm、0.25μm、0.3μm、0.5μm、1.0μm、5.0μmと5種類用意した。
【0058】
これらのトランジスタについて3次元のプロセスシミュレーションを行うのであるが、本来は、イオン注入時の不純物分布のシミュレーションに限って、30(=5×6)種類のトランジスタに対し、それぞれ3次元計算が必要となる。
つまり、ソース不純物領域Sおよびドレイン不純物領域Dを構成する、N不純物領域(例えばLDD領域)の形成時のイオン注入とN不純物領域の形成時のイオン注入は、その不純物濃度のシミュレーション時に3次元計算が必要である。
【0059】
そこで、本実施形態では、最初のトランジスタを計算する際に、この2つのイオン注入の計算を個別に行い、それぞれの結果を個別に図1の記憶手段9に予め記憶しておく。そして、この最初のトランジスタの場合、N不純物領域のシミュレーション工程、N不純物領域のシミュレーション工程に達したら、予め記憶したシミュレーション結果(不純物濃度分布結果)を読み出してシミュレーションに利用する。
【0060】
つぎに、2番目のトランジスタを計算する場合、N不純物領域のシミュレーション工程、N不純物領域のシミュレーション工程に達したら、予め記憶したシミュレーション結果(不純物濃度分布結果)を、イオン注入条件等が適合することを条件に読み出してシミュレーションに利用する。
ただし、この2番目のトランジスタは、最初のトランジスタとは幾何学的寸法が異なりメッシュ分割のされ方も全ての部分で同一とは限らない。そのため、同じシミュレーション結果を利用するためには、2番目のトランジスタについてメッシュを補間あるいは省略し、または、メッシュ寸法を延長あるいは縮小するための変換プログラムの実行が必要となる。このメッシュ分割の変更は図1のプリプロセッサ2が行うが、これには数分程度の時間がかかるだけであり、全体の効率を殆ど損なわない。
同様にして、3番目以降の残りの28個のトランジスタについても、1番目のトランジスタと同じシミュレーション結果を利用してイオン注入計算を行う。
【0061】
このプロセスシミュレーションでは、最初のトランジスタの計算にのみ3次元のイオン注入計算が2回必要で、それに約2時間かかる。しかし、上記したように、それ以外の種類が異なる29個のトランジスタについては3次元イオン注入計算が不要であり、単にメッシュ変換を行うだけでよい。このため、この29種類のトランジスタのイオン注入計算はそれぞれ約10分しか時間がかからない。つまり、30回のイオン注入計算全体の所要時間は、(2時間)+(10分×29回)=6.83時間となる。
【0062】
これに対し、比較例として、従来のようにトランジスタの種類ごとにイオン注入計算を最初から行う方法を考える。この方法では、N不純物領域とN不純物領域に対する3次元イオン注入計算の合計を2時間とすると、全ての種類のトランジスタ合計の3次元イオン注入計算の所要時間は、2時間×30回=60時間と非常に長くなる。
つまり本実施形態のシミュレーション方法では、その3次元イオン注入計算に関わるゲートの幾何学的形状が異なる複数種類のトランジスタを有する場合に、その計算時間を短縮できる時間を比較例の10分の1程度まで短縮できる利点がある。
また、イオン注入に関するデータの用意の時間も節約できる。
【0063】
なお、上記では、いわゆる統合シミュレーションを説明したが、プロセスシミュレーションのみを行う場合でも、本発明が適用できる。
【0064】
【発明の効果】
本発明に係るシミュレーション方法および装置によれば、ゲートの幾何学的形状が異なる複数種類のトランジスタを有する場合に、その計算時間を大幅に短縮し、コンピュータ資源の有効活用が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るシミュレーション装置の概略構成を示すブロック図である。
【図2】本実施形態に係るイオン注入シミュレーション方法の主要工程を示すフローチャートである。
【図3】
本実施形態に係るNMOSトランジスタの断面図である。
【図4】
(A),(B)は、本実施形態に係るNMOSトランジスタの製造において、
ゲート絶縁膜の形成までを示す断面図である。
【図5】
(A),(B)は、本実施形態に係るNMOSトランジスタの製造において、
N−不純物領域の形成までを示す断面図である。
【符号の説明】
1…シミュレータ、2…プリプロセッサ、3…メインプロセッサ、4…ポストプロセッサ、5…記憶装置、6…表示装置、7…測定装置、8…実測値データベース、9…記憶手段、31…プロセスシミュレーション部、32…デバイスシミュレーション部、S…ソース不純物領域、D…ドレイン不純物領域、GD…ゲート絶縁膜、GE…ゲート電極、ISO…素子分離絶縁層、LDD…LDD領域、SUB…半導体基板、SW…サイドウォール[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and an apparatus for simulating an ion implantation process in semiconductor manufacturing. Specifically, the present invention relates to effective use of ion implantation simulation results of a plurality of transistors having different geometric sizes (eg, gate length, gate width, and the like) of gate electrodes manufactured in the same manufacturing process.
[0002]
[Prior art]
Ion implantation is a method for introducing impurities into a substrate, and is a technique widely used in semiconductor manufacturing at present. With the recent miniaturization of LSI, it has been required to reduce the number of thermal processes to suppress thermal diffusion of impurities and to introduce impurities as shallow as possible. Therefore, it is increasingly important to accurately determine the distribution of impurities introduced by the ion implantation process inside the substrate.
[0003]
In the calculation method of the impurity distribution in the ion implantation step, a method using an analytical expression is often used. In this method, the distribution of impurities due to ion implantation is calculated from an analytical expression including some parameters in each of the depth direction and the horizontal direction. These parameters are usually determined using experimental data.
[0004]
A Pearson function is often used as an analytical expression representing the distribution in the depth direction. Furthermore, recently, two Pearson functions are often used to represent the distribution in the depth direction.
The parameters of these distribution functions may be obtained from a relational expression with experimental data, but in general, they are often obtained by comparison with experimental data in order to improve accuracy. For example, the Pearson function is combined with measurement data of SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy), and the parameters of the Pearson function when the degree of matching is the highest are extracted.
[0005]
On the other hand, the Gauss function is often used in the horizontal direction.
[0006]
In addition, with the improvement in computer performance, recently, the Monte Carlo method is often used in ion implantation calculation.
[0007]
When three-dimensionally calculating the distribution of impurities introduced into a silicon substrate by ion implantation, a three-dimensional calculation region is defined, and this region is divided into fine meshes. The dimension calculation is performed using the determined analytical formula. Various methods can be considered as the calculation method. When the most general method of sequentially calculating the density of each mesh point corresponding to the impurity concentration is used, the calculation time is almost proportional to the number of meshes.
[0008]
In the case of three-dimensional calculation, the number of meshes is in the range of tens of thousands to hundreds of thousands in consideration of a mesh structure having sufficient calculation accuracy. Considering that thousands are sufficient for a two-dimensional structure, three-dimensional calculations take 10 to 100 times longer than the two-dimensional case, in terms of the number of meshes alone. become.
[0009]
Ion implantation is usually performed at an angle to some extent from the viewpoint of preventing channeling and the like. In addition, even in the case where the ion implantation is performed vertically, it is necessary to consider the influence from the surrounding mesh because the implanted ions travel in the film while randomly changing the angle. Therefore, three-dimensional calculation is required, but there are more surrounding meshes to consider in three-dimensional calculation than in two-dimensional calculation. As a result, in practice, it takes much longer to calculate the density of one point in three dimensions than in two dimensions.
[0010]
When the algorithm of the two-dimensional calculation is executed under the performance of the current computer, the ion implantation calculation is completed in the order of minutes.
However, if three-dimensional calculations are to be performed using computers of the same performance, the calculation time will be from tens of minutes to more than one hour.
As described above, the reason why the ion implantation calculation of the three-dimensional structure requires much time is that the number of mesh points is about two orders of magnitude larger than that of the two-dimensional structure, and the influence from the surroundings is three-dimensional. This is because it is necessary to take into account.
[0011]
By the way, in most cases, a semiconductor device such as an LSI includes many transistors having the same manufacturing process and different geometric sizes (gate length, gate width, etc.).
In this case, in order to simulate the electrical characteristics of each transistor in three dimensions, it is necessary to perform a so-called integrated simulation. Integrated simulation usually involves a process simulation that simulates the manufacturing process (deposition, etching, ion implantation, oxidation, diffusion, etc.) and a device simulation that calculates the electrical characteristics of the transistor using the impurity distribution resulting from the process simulation. It is divided into two steps.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional integrated simulation, it is necessary to prepare two types of input data, that is, input data for process simulation and input data for device simulation. At this time, in the case of simulating transistors having different gate lengths Lg and gate widths Wg, input data for process simulation and input data for device simulation corresponding to the respective Lg and Wg are separately created. Is used to execute a simulation for each transistor.
[0013]
When a large number of transistors having different geometric sizes are included, the length of calculation time becomes a problem. For example, in a simulation of a semiconductor device having five types of gate length Lg and five types of gate width Wg, respectively, if it is assumed that the process simulation takes 10 hours on average each time, in this case, 250 hours (= 10 hours) only in the process simulation × 5 × 5).
[0014]
When performing a simulation while changing the gate length Lg and the gate width Wg, it is not desirable to increase the calculation time as much as possible. The problem is the calculation time of three-dimensional ion implantation. As already pointed out, when it comes to three dimensions, the calculation time for ion implantation is about one hour. In addition, the number of times of ion implantation that requires three-dimensional calculation to form one transistor is at least a few times.
Therefore, when a simulation is performed by changing the gate length or the gate width by the conventional method, there is a disadvantage that the three-dimensional ion implantation calculation is repeatedly performed many times, and the calculation time becomes extremely long.
[0015]
A first object of the present invention is to provide a simulation apparatus having means for avoiding the same repetitive calculation as much as possible when there are a plurality of types of transistors having different gate geometries. It is in.
A second object of the present invention is to provide a simulation method capable of greatly reducing the calculation time when a plurality of types of transistors having different gate geometric shapes are provided.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor simulation apparatus according to a first aspect of the present invention achieves the above-described first object, and includes a plurality of transistors having the same manufacturing process and different gate electrode geometric sizes. A semiconductor simulation device having a function of predicting an impurity distribution after ion implantation, comprising: storage means for holding a calculation of an impurity distribution by ion implantation; and an impurity by the ion implantation for one of a plurality of transistors. The calculation of the distribution is executed, the result is stored in the storage means, and the calculation of the impurity distribution by ion implantation of the remaining at least one of the plurality of transistors is performed. And a distribution calculation means to be executed by using the above.
[0017]
A semiconductor simulation method according to a second aspect of the present invention is intended to achieve the second object, and includes a plurality of transistors having the same manufacturing process and different gate electrode geometric sizes. A semiconductor simulation method including a step of predicting an impurity distribution after implantation, wherein the step of predicting the impurity distribution includes the step of calculating the impurity distribution by ion implantation for one of the plurality of transistors. Storing the result of the calculation in a memory, and calculating the impurity distribution by ion implantation of at least one of the remaining transistors among the plurality of transistors, using the calculation result stored in the memory. And a step.
[0018]
According to such a semiconductor simulation apparatus and method, the distribution calculation means first calculates the impurity distribution by ion implantation for any one of the plurality of transistors having different gate electrode geometric shapes. For example, it is executed by a Monte Carlo method or a method using an analytical expression. Next, this result is stored in the storage means. When it is necessary to calculate the impurity distribution by ion implantation under the same conditions, the calculation result is read from this storage means and used.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a simulation device according to the present embodiment.
The simulation apparatus (simulator) 1 according to the present embodiment can increase the number of calculations by storing the calculation results of each ion implantation performed a plurality of times for a certain transistor in a storage unit and using them. It is possible to repeatedly calculate the characteristics and the like of many types of transistors in which the gate length and the gate width are changed while suppressing only. This will be described below.
[0020]
The simulator 1 roughly includes a preprocessor 2 that performs various processes necessary for preparation for actual calculation, such as setting a calculation region of a device and determining various data and calculation conditions, and an impurity distribution and the like based on a predetermined analysis formula. A main processor 3 for calculating the device characteristics according to a predetermined physical formula or a particle model based on the obtained data, and a post-processor 4 for converting and outputting the result of the main processor 3 to a predetermined output format. A storage device 5 for giving data and conditions to these processors 2, 3, 4 and accumulating calculation results, and a display device 6. Further, a SIMS measuring device 7 for actually measuring the impurity concentration distribution data immediately after the ion implantation is connected to the storage device 5 online or offline.
[0021]
The storage device 5 has an actual measurement value database 8 for storing the impurity concentration distribution data from the SIMS measuring device 7 and an impurity distribution data for temporarily storing the impurity distribution data obtained by the two-dimensional or three-dimensional ion implantation calculation. Storage means 9.
[0022]
In the preprocessor 2, the device shape constructed from the device structure parameters given in advance is divided into fine meshes according to a predetermined rule, and a rectangular two-dimensional calculation region or a rectangular solid three-dimensional calculation region is set. Further, the preprocessor 2 can perform interpolation or omission of a mesh, or expand or reduce a mesh size. This may be performed automatically based on the device shape, or may be performed based on an operator's instruction. Further, the preprocessor 2 performs a process for reducing the variation in the impurity concentration distribution data from the measured value database 8 as necessary. In addition, the preprocessor 2 performs all processes necessary for preparation for actual calculation of a simulation, such as receiving an operator's condition input, creating a process model from various data, and formulating conditions such as boundaries.
[0023]
The main processor 3 can be roughly classified into a process simulation section 31 for performing a process simulation and a device simulation section 32 for performing a device simulation.
[0024]
The process simulation unit 31 calculates two-dimensional or three-dimensional impurity redistribution due to various thermal processes (oxidation and annealing), and particularly calculates two-dimensional or three-dimensional impurity distribution in the ion implantation process. The process simulation unit 31 corresponds to the “distribution calculation unit” of the present invention. In addition, the process simulation unit 31 may have a function of performing a shape simulation of a resist or the like. In the two-dimensional or three-dimensional calculation, a simulation method based on a particle model such as a Monte Carlo method or a method using an analytical expression is executed.
[0025]
The device simulation unit 32 sets device and process parameters in a predetermined physical model based on predetermined input data, and then substitutes a bias condition into a physical equation or a characteristic equation corresponding to the physical model to change it. Through the above operation, a predicted value of a desired device characteristic is obtained. At this time, in addition to the fluid type model, a Monte Carlo type or a model considering energy is used as a more complicated and advanced physical model.
[0026]
Hereinafter, the ion implantation simulation method according to the present embodiment will be described focusing on the case where an analytical expression is used, and finally, the case where the Monte Carlo method is used will be briefly described. In the following description, it is assumed that the distribution of the impurity implanted into the source / drain of the MOS transistor is calculated three-dimensionally.
[0027]
FIG. 2 is a flowchart showing main steps of the ion implantation simulation method according to the present embodiment.
In step ST1, various processes (pre-processing) by the preprocessor 2 are executed. First, the preprocessor 2 divides the calculation area into fine meshes according to the device shape. Although there are various methods for forming the mesh, here, a method of appropriately converting silicon or the like separated by a rectangular parallelepiped mesh into a tetrahedral mesh using, for example, an eight-division base method can be adopted. All may be made into a tetrahedral mesh, or a tetrahedral mesh may be partially formed around a discontinuous portion or a portion where calculation accuracy is desired to be improved depending on the device structure formed on silicon.
[0028]
Further, the preprocessor 2 sets a region in which the three-dimensional calculation is to be performed in a rectangular parallelepiped area. The way of setting the three-dimensional calculation area is arbitrary. Further, the preprocessor 2 performs the various necessary processes described above.
[0029]
Next, in step ST2, the process simulation unit 31 of the main processor 3 executes a process simulation based on an assumed process flow. Here, only the ion implantation simulation will be described. In this simulation, an analytical expression to be used by extracting parameters of the analytical expression is determined, and this is used for three-dimensional calculation.
In this example, a Pearson function is used as an analytical expression representing the distribution in the depth direction. This is a function f (u) defined by the differential equation of the following equation (1).
(Equation 1)
df (u) / du
= (U-b1) f (u) / (b0 + b1u + b2u2) (1)
[0030]
Here, assuming that z is the coordinates in the depth direction of the substrate, u, b0, b1, b2, and A are represented by the following equations (2-1) to (2-5).
(Equation 2)
u = z-Rp (2-1)
b0 = −σ 2 (4β-3γ2) / A (2-2)
b1 = −σγ (β−3) / A (2-3)
b2 = (− 2β + 3γ2 + 6) / A (2-4)
A = 10β-12γ2-18 (2-5)
[0031]
Rp, σ, γ, and β are obtained from experimental data, particularly SIMS data. Here, Rp is the projection range of the ion implantation, σ is the standard deviation of the projection range, γ is “skewness” representing the distribution bias, and β is the “curtosis” representing the distribution shape near the peak. Parameters. Assuming that the distribution function obtained from the SIMS measurement result is M (z), Rp, σ, γ, and β are approximately expressed by the following equations (3-1) to (3-4).
[Equation 3]
Figure 2004079655
[0032]
However, this relationship is only an approximation. Usually, some matching work is required to accurately match the actual distribution function M (z) with the Pearson function.
Through this fitting operation, parameters such as RP, σ, γ, and β of the above Pearson function are extracted. Specifically, the distribution function M (z) of the impurity concentration indicated by the SIMS data is compared with the Pearson function f (u) using, for example, a least squares method (such as the Levenberg-Marquart method), and the coincidence between the two is high. The parameters RP, σ, γ, and β of f (u) are changed so that Then, the parameters RP, σ, γ, and β having the highest coincidence are extracted as impurity concentration distribution parameters.
In this operation, the concentration distribution parameters RP, σ, γ, and β of the source / drain impurity regions are determined under the assumed ion implantation conditions. Thereafter, a three-dimensional calculation is performed using an analytical expression in which these parameters are determined.
[0033]
In the present embodiment, as will be described later in detail, under the same ion implantation condition, these parameters are obtained only once at the first time, and are stored in the storage unit 9 in the storage device 5. When a simulation result under the same ion implantation conditions becomes necessary, these parameters, which are simulation results, are read from the storage unit 9 in the storage device 5 and used.
Note that the SIMS data defining the distribution function M (z) is stored in the storage device 5 as an actual measurement value database 8.
[0034]
Note that two Pearson functions (Dual-Pearson functions) may be used to represent the distribution in the depth direction. The Dual-Pearson function F (z) is represented by the following equation (4).
(Equation 4)
Figure 2004079655
Here, z is a coordinate in the depth direction of the substrate, f1 and f2 are two normalized Pearson functions, DOSE is an ion implantation dose, and R is a parameter indicating a ratio of f1 to the implantation dose. Further, Rp1, σ1, γ1, β1 are parameters for determining the distribution shape of the first Pearson function f1, and Rp2, σ2, γ2, β2 are parameters for determining the distribution shape of the second Pearson function f2. Rp2 is the projection range of ion implantation, σ1 and σ2 are the standard deviations of the projection ranges Rp1 and Rp2, γ1 and γ2 are “strains” representing the deviation of the distribution, and β1 and β2 are the distribution shapes near the peak. "Parameter.
[0035]
As shown in the above equation (4), the Dual-Pearson function F (z) is composed of two Pearson functions f1 and Fearson function f2. The Pearson function f1 represents the concentration distribution of randomly scattered impurities, and the Pearson function f2 represents the concentration distribution of impurities channeled between substrate lattices.
As described above, since the two Pearson functions are combined, the channeling tail of the impurity concentration distribution in the depth direction of the substrate at the time of ion implantation, which is difficult to reproduce with other Gauss functions and Pearson functions, can be expressed with high accuracy. Further, by changing the ratio R occupied by the Pearson function f1 between different implantation doses according to the implantation dose, it is possible to express the implantation dose dependence of the degree of channeling.
Such a Dual-Pearson function F (z) is suitable for calculating the impurity concentration in silicon.
[0036]
On the other hand, for the horizontal direction, for example, a Gauss function defined by the following equation (5) is used.
(Equation 5)
Figure 2004079655
Here, r represents the horizontal distance from the axis of ion implantation.
[0037]
On the other hand, when the Monte Carlo method is used, the distribution of ion-implanted impurities is determined by following the behavior of individual charges according to an accurate physical model, that is, a particle model in which phonons and ions are treated as scattering factors, and solving the Boltzmann transport equation. Perform calculations.
[0038]
Thereafter, a device simulation is performed by the above-mentioned predetermined method (step ST3), and the result is output to the display device 6 or the like (step ST4), and all the steps of the integrated simulation are completed.
[0039]
FIG. 3 is a sectional view of a general NMOS transistor.
[0040]
This NMOS transistor is formed on a semiconductor substrate SUB such as a P-type silicon wafer or a P-well. An element isolation insulating layer ISO formed by, for example, LOCOS (Local Oxidation of Silicon) or STI (Shallow Trench Isolation) is formed on the surface of the substrate SUB as necessary. The substrate surface portion where the element isolation insulating layer ISO is not formed becomes a channel formation region of the transistor.
[0041]
A gate insulating film GD made of silicon dioxide or silicon oxynitride is formed over the channel formation region. The thickness of the gate insulating film GD is not limited. For example, in a device having a gate length of 0.13 μm or less, a very thin film of 2 nm or less is used.
On the gate insulating film GD, a gate electrode GE made of polycrystalline silicon to which an N-type impurity is added (doped polycrystalline silicon) is laminated.
[0042]
On the substrate surface on both sides of the gate electrode GE, two source impurity regions S and a drain impurity region D having a so-called LDD (Lightly Doped Drain) region are formed apart from each other. The concentration profiles of the source impurity region S and the drain impurity region D are formed symmetrically.
In addition, on both side surfaces of the gate, an insulating layer (hereinafter, referred to as a sidewall insulating layer) SW having a so-called sidewall shape, that is, a cross-sectional shape of about a quarter circle is formed. The N-type impurity is introduced at a relatively low concentration and shallowly into the substrate region located immediately below the sidewall insulating layer SW, so that N An impurity region (LDD region or extension region) is formed. Further, by using the sidewall insulating layer SW as a self-alignment mask and introducing N-type impurities to both sides thereof at a relatively high concentration and deeply, the N-type which forms the source impurity region S and the drain impurity region D is mainly formed. + An impurity region is formed.
The gate electrode GE is formed, for example, by WSi 2 , TiN, TaSi 2 , TiSi 2 A structure having a high melting point metal layer made of, for example, TiW may be used. Further, an offset insulating layer made of, for example, silicon nitride may be formed on the gate electrode GE as needed. Note that the sidewall insulating layer SW and the LDD region can be omitted.
[0043]
On the source impurity region S and the drain impurity region D, a source electrode and a drain electrode (not shown) are formed as necessary.
[0044]
Hereinafter, an embodiment of the method for manufacturing the MOS transistor will be described with reference to the drawings. FIG. 4A to FIG. 5B are cross-sectional views in manufacturing the NMOS transistor.
[0045]
As shown in FIG. 4A, an element isolation insulating layer ISO having an SIT structure was formed on a silicon wafer (substrate SUB) by a known method. Thereafter, although not particularly shown, the surface of the substrate SUB was dry-oxidized at 900 ° C. for 10 minutes in order to form a through film for ion implantation. In order to form a P well (not shown), boron ions B + Energy of 250 keV, 5 × 10 12 ions / cm 2 Was implanted at a dose of. Furthermore, boron ion B + Is 35 keV energy, 1 × 10 Thirteen ions / cm 2 The threshold voltage was adjusted by ion implantation at a dose of.
[0046]
If necessary, the through film of the above ion implantation was removed, and thereafter, as shown in FIG. 4B, dry oxidation was performed at 850 ° C. for 5 minutes to form a gate insulating film GD.
[0047]
Doped polycrystalline silicon was deposited to a thickness of about 0.2 μm and processed by lithography and dry etching to form a gate electrode GE as shown in FIG.
[0048]
Arsenic ion As + With energy of 40 keV, 5 × 10 Thirteen ions / cm 2 5B, and ion implantation is performed as shown in FIG. An impurity region (for example, an LDD region) was formed.
[0049]
Thereafter, in order to form the sidewall insulating layer SW shown in FIG. 3, a silicon dioxide film was deposited to a thickness of about 0.1 μm, and the entire surface was etched back.
Then, arsenic ion As + Is 60 keV energy, 2 × 10 Fifteen ions / cm 2 Ion implantation at a dose of N + An impurity region was formed on the substrate surface outside the sidewall insulating layer SW. Thereafter, annealing was performed at 1,000 ° C. for 20 minutes to form a source impurity region S and a drain impurity region.
If necessary, a drain electrode and a source electrode were formed by using a known method to complete the MOS transistor.
[0050]
The semiconductor device according to the present embodiment is formed collectively in such a manufacturing process, but has a large number of plural types of MOS transistors having different gate lengths Lg and / or gate widths Lg. The gate length Lg and the gate width Lg are defined by a pattern on a photomask used for processing the gate electrode in FIG.
[0051]
In the simulation for a plurality of transistors in which the gate length Lg and the gate width Wg are changed on the pattern, the process conditions of the ion implantation and the heat process (participation or diffusion, etc.) are usually the same.
In diffusion or the like, the impurity distribution is affected by the gate length and the gate width. A point defect introduced into the substrate SUB when ions are implanted into the source impurity region S and the drain impurity region D of the transistor diffuses into a region below the gate electrode GE. Has the effect of promoting the promotion of impurities. This diffusion depends on the length Lg and the width Wg of the gate electrode GE in the channel direction.
[0052]
On the other hand, the distribution of impurities due to ion implantation is hardly affected even if the gate length Lg and the gate width Wg are changed. This is because the distribution of impurities due to ion implantation depends only on the relatively local structure of the surface, and does not depend on the surface structure at a remote location, for example, the edge position on the opposite side of the gate electrode GE. is there.
[0053]
Of course, as the energy of the implanted ions is increased, the local area of the surface that affects the distribution of the ions increases. Therefore, when ion implantation is performed with very large energy, the impurity distribution may be affected by the distance to the edge position on the opposite side of the gate electrode GE. However, if ion implantation is performed with such a large energy after the formation of the gate electrode GE, the source impurity region S and the drain impurity region D are connected, and the transistor does not operate normally. No injection.
The gate length Lg of the state-of-the-art device is about 0.1 μm, but it is necessary to make the source impurity region S and the drain impurity region D high-concentration and thin by reducing the implantation energy with miniaturization. Therefore, even if the process rule changes, the relative value between the gate length Lg and the ion implantation energy does not change much, so that the impurity distribution due to the ion implantation is unlikely to be affected by the gate pattern shape.
[0054]
As described above, when a plurality of transistors formed in the same manufacturing process are simulated while changing the gate length Lg and the gate width Wg, the diffusion process and the like need to be simulated for each transistor. It is not necessary to repeatedly calculate the ion implantation process under the same ion implantation conditions only once. This embodiment utilizes this point.
[0055]
Specifically, in the process simulation step ST2 of FIG. 2, every time a three-dimensional simulation of the impurity distribution having the same gate length and gate width and the same ion implantation condition is performed, the result is stored in the storage unit 9. . Then, when a three-dimensional simulation of the impurity distribution under the same condition is required in another transistor simulation or the like, the same simulation is not repeated again but the result of the simulation already performed is called from the storage unit 9. Then, it is used for device simulation or the like for obtaining device characteristics.
[0056]
In this way, the number of simulations of the ion implantation process such as the Monte Carlo method, which requires a particularly long calculation time, can be minimized, and the simulation accuracy can be improved while preventing an increase in the calculation time.
[0057]
Hereinafter, the calculation time is specifically estimated, and a simulation example thereof will be described.
Here, in the gate pattern of the transistor to be manufactured by the above-described manufacturing process, the gate length Lg is set to 0.2 μm, 0.22 μm, 0.25 μm, 0.3 μm, 0.35 μm, 0.5 μm, 5.0 μm and 6 μm. Five types of gate widths Wg were prepared: 0.2 μm, 0.25 μm, 0.3 μm, 0.5 μm, 1.0 μm, and 5.0 μm.
[0058]
A three-dimensional process simulation is performed on these transistors. Originally, three-dimensional calculation is required for each of 30 (= 5 × 6) types of transistors only for the simulation of impurity distribution at the time of ion implantation. Become.
That is, N, which constitutes the source impurity region S and the drain impurity region D, Ion implantation and N at the time of forming impurity regions (for example, LDD regions) + The ion implantation at the time of forming the impurity region requires a three-dimensional calculation when simulating the impurity concentration.
[0059]
Therefore, in the present embodiment, when calculating the first transistor, these two ion implantation calculations are individually performed, and the respective results are individually stored in the storage unit 9 of FIG. 1 in advance. And in the case of this first transistor, N Simulation process of impurity region, N + When the simulation process of the impurity region is reached, a simulation result (impurity concentration distribution result) stored in advance is read and used for the simulation.
[0060]
Next, when calculating the second transistor, N Simulation process of impurity region, N + When the simulation process of the impurity region is reached, the simulation result (impurity concentration distribution result) stored in advance is read out under the condition that the ion implantation conditions and the like are satisfied, and used for the simulation.
However, the second transistor has a different geometric size from the first transistor, and the manner of mesh division is not always the same in all parts. Therefore, in order to use the same simulation result, it is necessary to interpolate or omit the mesh for the second transistor, or to execute a conversion program for extending or reducing the mesh size. This change of the mesh division is performed by the preprocessor 2 in FIG. 1, but this takes only a few minutes, and hardly impairs the overall efficiency.
Similarly, ion implantation calculation is performed for the remaining 28 transistors after the third transistor using the same simulation result as that of the first transistor.
[0061]
In this process simulation, three-dimensional ion implantation calculations are required twice only for the first transistor calculation, which takes about two hours. However, as described above, three-dimensional ion implantation calculation is not necessary for the other twenty-nine different transistors, and it is sufficient to simply perform mesh conversion. For this reason, the ion implantation calculations for the 29 types of transistors each take only about 10 minutes. That is, the time required for the entire 30 ion implantation calculations is (2 hours) + (10 minutes × 29 times) = 6.83 hours.
[0062]
On the other hand, as a comparative example, a method of performing ion implantation calculation from the beginning for each type of transistor as in the related art will be considered. In this method, N Impurity region and N + Assuming that the total of the three-dimensional ion implantation calculations for the impurity region is 2 hours, the time required for the total three-dimensional ion implantation calculations of all types of transistors is as long as 2 hours × 30 times = 60 hours.
That is, in the simulation method of the present embodiment, when there are a plurality of types of transistors having different gate geometries involved in the three-dimensional ion implantation calculation, the calculation time can be reduced to about one tenth of the comparative example. There is an advantage that can be shortened.
Further, the time for preparing data relating to ion implantation can be saved.
[0063]
In the above description, a so-called integrated simulation has been described. However, the present invention can be applied to a case where only a process simulation is performed.
[0064]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the simulation method and apparatus which concern on this invention, when it has several types of transistors from which a gate's geometric shape differs, the calculation time can be shortened sharply and computer resources can be used effectively.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a simulation device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing main steps of an ion implantation simulation method according to the embodiment.
FIG. 3
FIG. 2 is a cross-sectional view of the NMOS transistor according to the embodiment.
FIG. 4
(A) and (B) show the case of manufacturing the NMOS transistor according to the present embodiment.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing up to the formation of a gate insulating film.
FIG. 5
(A) and (B) show the case of manufacturing the NMOS transistor according to the present embodiment.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing up to the formation of an N-impurity region.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Simulator, 2 ... Preprocessor, 3 ... Main processor, 4 ... Post processor, 5 ... Storage device, 6 ... Display device, 7 ... Measurement device, 8 ... Measured value database, 9 ... Storage means, 31 ... Process simulation unit, 32: Device simulation unit, S: Source impurity region, D: Drain impurity region, GD: Gate insulating film, GE: Gate electrode, ISO: Element isolation insulating layer, LDD: LDD region, SUB: Semiconductor substrate, SW: Side wall

Claims (5)

製造工程が同じで、ゲート電極の幾何学的な大きさが異なる複数のトランジスタのイオン注入後の不純物分布を予測する機能を有した半導体シミュレーション装置であって、
イオン注入による不純物分布の計算を保持する記憶手段と、
複数の前記トランジスタのうち1つのトランジスタに対し前記イオン注入による不純物分布の計算を実行し、その結果を前記記憶手段に格納し、複数の前記トランジスタのうち残りの少なくとも1つのトランジスタのイオン注入による不純物分布の計算を、前記記憶手段に格納してある計算結果を用いて実行する分布計算手段と、
を有する半導体シミュレーション装置。
A semiconductor simulation device having a function of predicting impurity distribution after ion implantation of a plurality of transistors having the same manufacturing process and different gate electrode geometric sizes,
Storage means for holding the calculation of the impurity distribution by ion implantation;
Calculation of the impurity distribution due to the ion implantation is performed for one of the plurality of transistors, and the result is stored in the storage unit, and the impurity distribution due to the ion implantation of at least one of the remaining transistors among the plurality of transistors is calculated. Distribution calculation means for performing the calculation of the distribution using the calculation result stored in the storage means,
A semiconductor simulation device having:
前記分布計算手段は、不純物分布の前記計算をモンテカルロ法により行う
請求項1に記載の半導体シミュレーション装置。
2. The semiconductor simulation apparatus according to claim 1, wherein said distribution calculation means performs said calculation of the impurity distribution by a Monte Carlo method.
前記分布計算手段は、不純物分布の前記計算を、解析式を用いた方法により行う
請求項1に記載の半導体シミュレーション装置。
The semiconductor simulation apparatus according to claim 1, wherein the distribution calculation unit performs the calculation of the impurity distribution by a method using an analytical expression.
前記分布計算手段の結果を利用して前記トランジスタの電気特性を求める特性計算手段を
さらに有する請求項1に記載の半導体シミュレーション装置。
2. The semiconductor simulation apparatus according to claim 1, further comprising a characteristic calculation unit that obtains an electrical characteristic of the transistor using a result of the distribution calculation unit.
製造工程が同じで、ゲート電極の幾何学的な大きさが異なる複数のトランジスタのイオン注入後の不純物分布を予測する工程を含む半導体シミュレーション方法であって、
不純物分布の前記予測の工程が、
イオン注入による不純物分布の計算を、複数の前記トランジスタのうち1つのトランジスタに対し実行する工程と、
前記計算の結果をメモリに格納する工程と、
複数の前記トランジスタのうち残りの少なくとも1つのトランジスタのイオン注入による不純物分布の計算を、前記メモリに格納してある計算結果を用いて実行する工程と、
を含む半導体シミュレーション方法。
A semiconductor simulation method including a step of predicting an impurity distribution after ion implantation of a plurality of transistors having the same manufacturing process and different gate electrode geometric sizes,
The step of predicting the impurity distribution includes:
Performing the calculation of the impurity distribution by ion implantation for one of the plurality of transistors;
Storing the result of the calculation in a memory;
Performing a calculation of an impurity distribution by ion implantation of at least one of the remaining transistors among the plurality of transistors using a calculation result stored in the memory;
A semiconductor simulation method including:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009038212A (en) * 2007-08-01 2009-02-19 Fujitsu Ltd Designing method and designing apparatus of semiconductor integrated circuit

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