JP2009130252A - 多段イオン注入方法及び不純物濃度分布のシミュレーション方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる加速エネルギーを用いた多段イオン注入工程において、不純物濃度分布の実現方法、ならびに不純物濃度分布シミュレーションに関する方法を提供する。
【解決手段】不純物分布実現は、イオン注入時に半導体結晶表面に非晶質層のある場合には各段の注入エネルギーが次段イオン注入工程における不純物イオンのチャネリングを抑制できるように接近し、注入エネルギーの低い段から順次イオン注入を行い、半導体結晶表面に非晶質層のない場合には打ち込みイオンが該半導体結晶のチャネリング方向に対し７度以上の角度で入射させ、注入エネルギーの高い段から順次イオン注入を行い、不純物濃度分布シミュレーション方法では、デュアルピアソンテーブルデータを用い、初段注入条件に対して不純物濃度分布を決定し、２段目以降では、注入量に対するアモルファス成分量の割合を表すパラメータに、当該イオン注入工程以前の履歴を反映するようにした。
【選択図】図５

Description

本発明は多段イオン注入方法及びこれに適用可能な不純物濃度分布のシミュレーション方法に関するものである。

不純物の拡散係数が小さな炭化珪素（ＳｉＣ）等の半導体結晶を用いた装置では、Ｓｉ等の半導体結晶で用いられる不純物拡散工程が利用できないことから、加速エネルギーの異なるイオン注入を連続して行う多段イオン注入工程が不可欠である。この際、加速エネルギーの低い方から高い方へ順次注入した方が、加速エネルギーの高い方から低い方へ下げてくるよりも不純物濃度分布が急峻になることが、６Ｈ−ＳｉＣへのＡｌ多段イオン注入の場合において、ソリッド・ステート・エレクトロニクス第４３巻（１９９９年）第２２１５頁から第２２２３頁（Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏｌ．４３（１９９９）ｐｐ．２２１５−２２２３）に開示されている（非特許文献１）。そして、これは表面近傍にイオン注入に起因した非晶質層が形成された方が、半導体結晶中の原子の隙間をぬってイオンが結晶奥深く進入するチャネリング現象が起こりにくくなるためと説明されている。
一方、イオン注入の結果、得られる不純物分布Ｎ（ｘ）（ｘは半導体結晶表面からの深さ）を短時間で高精度に再現する手法に関しては、デュアルピアソン（Ｄｕａｌ Ｐｅａｒｓｏｎ）分布関数を用いた表式
Ｎ（ｘ）＝Φ（Ｒ ｎ_１（ｘ）＋（１−Ｒ）ｎ_２（ｘ））
が知られている。ここで、Φは注入量、ｎ_１（ｘ）、ｎ_２（ｘ）はそれぞれアモルファス成分の濃度およびチャネリング成分の濃度を表すピアソン関数、ＲはΦにアモルファス成分注入量の比である。上記詳細は例えば公開特許公報 特開２００４−２２９６５号に開示されている（特許文献１）。ピアソン関数は射影飛程Ｒ_ｐ、飛程標準偏差ΔＲ_ｐ、歪度γ、尖度βの４パラメータで表現される。これらの４パラメータはいずれも注入エネルギーのみの関数である。よって、デュアルピアソン関数はＲ_ｐ１、ΔＲ_ｐ１、γ_１、β_１、Ｒ_ｐ２、ΔＲ_ｐ２、γ_２、β_２、Ｒの９つのパラメータで決定される。ここで、Ｒのみが注入エネルギーに加え、注入量の関数となる。尚、前記特許文献１の公報では、Ｓｉ半導体装置の構造対称性を確保するため、同一エネルギー条件で４方向から分割して行う多段イオン注入の場合におけるデュアルピアソンパラメータの補正に関しても示されていた。

ソリッド・ステート・エレクトロニクス第４３巻（１９９９年）第２２１５頁から第２２２３頁（Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏｌ．４３（１９９９）ｐｐ．２２１５−２２２３） 特開２００４−２２９６５号公報

前述のＳｉＣへの多段Ａｌイオン注入例では、加速エネルギーの昇降順を考慮することにより濃度分布の急峻性を改善できたものの、濃度分布の急峻性は不十分であった。例えば、図１は４Ｈ−ＳｉＣへの多段Ａｌイオン注入での深さ方向へのＡｌ濃度の分布を示す図である。この状態は、同図の破線で示すもので、Ａｌ濃度が１０^１６ｃｍ^−３台において依然としてＡｌ濃度の裾引きが認められる。この状態の濃度分布の急峻性では、例えば、１０^１５ｃｍ^−３台の濃度制御が必要な耐圧２ｋＶ以上のＳｉＣパワーデバイス等への適用に不十分であった。尚、同図１での実線の曲線は、本願発明になる特性曲線であり、後述される。また、上記従来例（特許文献１）では、基板表面が（０００１）面（３．５度オフ）、注入イオンと基板表面とのなす角度（傾角）が７度、注入時の基板回転角（回転角）が−９０度と開示されている。ところが、傾角や回転角が異なる場合、あるいは表面にＳｉＯ_２等の非晶質膜が堆積され、その非晶質膜を介してイオン注入される場合の最適注入順に関しては明らかとなっていなかった。

又、前述のＳｉ半導体装置への４方向分割注入に関する従来例（特許文献１）では、加速エネルギーの異なる多段注入における、不純物濃度分布のシミュレーション方法に関しては言及されていない。

更に、加速エネルギーの異なる多段注入を半導体装置の開発や生産に用いるには不純物分布をシミュレーションする装置が必要となるものの、これまでに加速エネルギーの異なる多段注入における不純物分布シミュレーション装置は示されていなかった。

本願発明は、不純物濃度が１０^１５ｃｍ^−３台においても、不純物濃度分布の裾引きが小さな多段イオン注入方法を提供することを第１の目的とする。

更に、本願発明は、各段の加速エネルギーが異なる多段イオン注入工程に対応可能な不純物濃度分布を、短時間で高精度にシミュレーションする方法を提供することを第２の目的とする。更には、本願発明は、各段の加速エネルギーが異なる多段イオン注入工程において、不純物濃度分布を短時間で高精度にシミュレーションする装置を提供する。

本願発明の第１の形態は、表面に非晶質膜を有する半導体結晶中へ不純物を少なくとも２つのイオンエネルギーにてイオン注入する工程を有する多段イオン注入方法であって、
前記イオン注入する工程の連続する各段の注入エネルギーが、第１のイオン注入工程に対して次段のイオン注入工程における不純物イオンのチャネリングが抑制できる程度以下に相互に接近し、且つ
前記イオン注入する工程は、全てのイオン注入工程が、注入エネルギーの低い段から順次イオン注入が行なわれることを特徴とする多段イオン注入方法である。

本願発明の第２の形態は、表面に非晶質膜を有しない半導体結晶中へ不純物を少なくとも２つのイオンエネルギーにてイオン注入する工程を有する多段イオン注入方法であって、全てのイオン注入工程がチャネリング方向に対して特定の角を有するように行なわれ、且つ
注入エネルギーの高い段から順次イオン注入が行なわれることを特徴とする多段イオン注入方法である。

本願発明の第３の形態は、次のステップを少なくとも有する不純物濃度分布のシミュレーション方法である。

即ち、 半導体結晶へ複数のエネルギーに分けてイオン注入した不純物の深さｘ方向に対する不純物濃度分布を、２つの規格化されたピアソン関数ｎ_１（ｘ）、ｎ_２（ｘ）の加算によって、シミュレーションするシミュレーション方法であって、
アモルファス成分とチャネリング成分とを表す前記２つの規格化されたピアソン関数ｎ_１（ｘ）、ｎ_２（ｘ）を規定するパラメータと、ｎ_１（ｘ）、ｎ_２（ｘ）を加算する際の重み付け係数であるアモルファス成分注入量比Ｒをデュアルピアソンテーブルデータとして備え、
前記デュアルピアソンテーブルデータが、単一エネルギー注入に対して作成された単一エネルギーテーブルデータと複数エネルギー注入に対して履歴を反映させたＲ補正テーブルデータとからなり、且つ
複数の注入エネルギーと注入量の組（Ｅ_１、Φ_１）からなる注入条件を設定するステップ、
初段の注入条件（Ｅ_１、Φ_１）に対して、前記単一エネルギーテーブルデータを元に対応する不純物濃度分布
Ｎ_１（ｘ）＝Φ_１（Ｒ_１ ｎ_１１（ｘ）＋（１−Ｒ_１）ｎ_２１（ｘ））
（尚、ここで、Ｒ_１は初段のＲ補正値、又、ピアソン関数ｎ_１１（ｘ）、ｎ_２１（ｘ）における第２の添え字は注入の段数（ｎ）を示す。以下、同様の表示である。）
を決定するステップ、
２段目以降のｎ段目の注入条件（Ｅ_ｎ、Φ_ｎ）に対して、前記単一エネルギーテーブルデータを元にｎ_１ｎ（ｘ）、ｎ_２ｎ（ｘ）を決定するとともに、前記Ｒ補正テーブルデータを元に（ｎ−１）段目の注入条件を反映させたＲｎを決定し、対応する不純物濃度分布
Ｎ_ｎ（ｘ）＝Φ_ｎ（Ｒ_ｎ ｎ_１ｎ（ｘ）＋（１−Ｒ_ｎ）ｎ_２ｎ（ｘ））
を決定するステップ、
前記注入条件を元に、（ｎ＋１）段目のイオン注入があるか否かを判定するステップ、及び
初段から終段ごとに前記の通り決定した不純物濃度分布を加算して総不純物濃度分布を決定するステップと、
を少なくとも有することを特徴とする不純物濃度分布のシミュレーション方法である。

本願の第１および第２の形態によれば、不純物分布における裾引きのより小さな多段イオン注入方法が提供される。この結果、半導体結晶への多段イオン打ち込みにおいて、より急峻な不純物濃度分布を実現が可能となる。

本願の第３の形態によれば、加速エネルギーの異なる多段イオン注入工程に対し、注入イオン分布を短時間で高精度にシミュレーションする方法および装置が提供される。この結果、多段イオン注入分布を瞬時に決定でき、半導体装置の高精度、短期間設計を可能とする。

本願発明の具体的な実施の形態を説明するに先立って、本願発明第１および第２の形態に関する詳細説明並びに本願発明の根拠となる検討結果を例示する。

本願発明の第１の形態は、前述した通り、表面に非晶質膜を有する半導体結晶中へ不純物を少なくとも２つのイオンエネルギーにてイオン注入する工程を有する多段イオン注入方法であって、
前記イオン注入する工程の連続する各段の注入エネルギーが、第１のイオン注入工程に対して次段のイオン注入工程における不純物イオンのチャネリングが抑制できる程度以下に相互に接近し、且つ
前記イオン注入する工程は、全てのイオン注入工程が、注入エネルギーの低い段から順次イオン注入が行なわれることを特徴とする多段イオン注入方法である。

前記第１の形態における、代表的な具体的形態は、前記半導体結晶が六方晶系であり、より具体的材料としては、炭化珪素（ＳｉＣ）をあげることが出来る。この場合、前記半導体結晶表面の非晶質膜は、ＳｉＣが代表的な膜である。この非晶質膜は概ね５ｎｍから５０ｎｍの膜厚が多用される。打ち込みイオンはＡｌが代表例である。この場合の前記イオン注入する工程の連続する各段の注入エネルギーの差は、射影飛程の差が０．０５μｍ以上０．１μｍ以下である。

こうした本願発明に至る基礎検討について説明する。基礎検討として、１段注入および２段注入（簡単のため２段目の加速エネルギーは２２０ｋｅＶに固定、１段目は１６０ｋｅＶ以下）によるＡｌ濃度分布を注入量３×１０^１３〜１×１０^１６ｃｍ^−２の範囲で検討した。用いた基板は表面に厚さ３５ｎｍのＳｉＯ_２膜を堆積した４Ｈ−ＳｉＣ（結晶面（０００１））である。検討した条件を以下に示す。尚、イオン打ち込み自体の装置及び試料の配置などは、通例のものであるので、ここでは説明を省略する。
（ａ）３５ｋｅＶ／３×１０^１３ｃｍ^−２×α（α＝１、１０、１００）
（ｂ）１１０ｋｅＶ／７×１０^１３ｃｍ^−２×α（α＝１、１０、１００）
（ｃ）１６０ｋｅＶ／５×１０^１３ｃｍ^−２×α（α＝１、１０、１００）
（ｄ）２２０ｋｅＶ／１×１０^１４ｃｍ^−２×α（α＝１、１０、１００）
（ｅ）：（ａ）に引き続き（ｄ）の条件
（ｆ）：（ｂ）に引き続き（ｄ）の条件
（ｇ）：（ｃ）に引き続き（ｄ）の条件
（ａ）から（ｄ）は記載条件でのイオン打ち込み、（ｅ）から（ｇ）は各々２段の打ち込み条件である。

尚、ここで、αは３通りの注入量を表す比例係数である。

図２は、上記（ｄ）〜（ｇ）の条件における、Ａｌイオン注入での深さ方向へのＡｌ濃度の分布を示す図である。図２には上記（ｄ）〜（ｇ）の条件におけるＡｌ濃度分布の評価結果をα＝１０の場合について示した。１段目の加速エネルギーが３５ｋｅＶ、と１１０ｋｅＶの場合には、２段目の加速エネルギー２２０ｋｅＶとの射影飛程差が大きいため、Ａｌ濃度のピークが２つ観察された。加速エネルギーが３５ｋｅＶ、と１１０ｋｅＶの場合は、各々図２に◇による曲線及び○による曲線として示されます。図３は、（ｅ）〜（ｇ）の各々からそれぞれ１段目に相当する（ａ）〜（ｃ）の工程での分布を減じた、２段目の２２０ｋｅＶに相当するＡｌ濃度分布である。１段目に１６０ｋｅＶの注入を行った場合に、最も急峻な２２０ｋｅＶでのＡｌ濃度分布（図３の●による曲線）の得られることが分かった。これは１段目の加速エネルギーが２段目の加速エネルギーに近いほど、２段目に相当する濃度分布の裾引きが小さくなることを意味している。この傾向はα＝１、及び１００の場合も全く同様であった。

図４には、図３の深さ０．６μｍにおけるＡｌ濃度を２２０ｋｅＶ単独注入時の値で除した値を、２段間の射影飛程の差に対してプロットした結果を示した。図４の一点鎖線は射影飛程差０．０５μｍから０．１μｍの範囲の外挿線である。射影飛程の差が０．１μｍを超えると、２段注入によるＡｌ濃度分布の裾引き抑制効果が急激に低減することが分かった。図４の上部に、第１段イオン打ち込みでのＡｌ濃度分布と２段目のイオン打ち込みでのＡｌ濃度分布の状態を模式的に示している。左側のモデル図が射影飛程の差が最適範囲の場合、右側のモデル図がこれより射影飛程の差が大きい場合の図である。これらの模式図では左側が結晶の浅い領域、右側が結晶の深い領域を示している。

２段注入によるＡｌ濃度分布の裾引き抑制効果が急激に低減する理由は次のように考察される。即ち、図４の上部の模式図に示したように、射影飛程の差が最適範囲より大きい場合、結晶表面から浅い領域に非晶質層（太い斜線の領域）が形成され、チャネルからはずれたイオンが、射影飛程の差が大きいため、非晶質層下の結晶層で再度チャネルに入ってしまう確率が増えたことが原因と考えられる。一方、射影飛程の差を０．０５μｍ未満にするとイオン注入の段数が増え、実施に多大な時間を要してしまう。従って、この条件では実際的ではない。以上より、射影飛程の差は０．０５μｍ以上０．１μｍ以下に設定することが、急峻なＡｌ濃度分布を半導体装置の量産に適した現実的な時間内で実現する上で不可欠であることを今回、新たに見出した。

上記検討を元に、前記第１の課題を解決するための第１の方法として、表面に非晶質膜を有する半導体結晶中への不純物イオン打ち込み条件において、少なくとも２条件を有する半導体結晶中への不純物の多段イオン注入おいて、各段の注入エネルギーが次段のイオン注入工程における不純物イオンのチャネリングを抑制できる程度に相互に接近させるとともに、注入エネルギーの低い段から順次イオン注入を行うようにしたものである。

本願発明は、六方晶系の半導体結晶に極めて有用である。代表的な半導体結晶はＳｉＣである。ＳｉＣは六方晶系の４Ｈ、６Ｈ、及び立方晶系の３Ｃなる結晶系を取りえる。通例、六方晶系では（０００１）面を主表面に有している。半導体装置用として、この面を主面に用いることで、装置の耐圧、移動度の面で他の面より優れている為である。尚、半導体装置用としては、前記主表面は４度〜８度程度傾斜させているのが通例である。

前記イオン注入の段数は、イオン打ち込みの深さに関連して設定される。その深さは勿論半導体装置の要求設計に依存するが、概ね０．３μｍ〜１μｍ程度の深さが多用される。この場合、打ち込み段数としては、５段から７段程度が多用される。

各段の注入エネルギーが次段のイオン注入工程における不純物イオンのチャネリングを抑制できる程度の差は、注入エネルギーの射影飛程の差と見なして良い。前述したように、ＳｉＣの場合、イオンがＡｌで０．０５μｍ以上０．１μｍ以下である。尚、多段のイオン注入におけるエネルギー差は、３０ｋｅＶ〜５０ｋｅＶ程度が多用される。打ち込みエネルギー自体の範囲は、勿論、半導体装置の要求設計に依存するが、２５ｋｅＶ〜４５０ｋｅＶ程度が多用される。

次に、前記第２の課題を解決するために、少なくとも２条件を有する半導体結晶中への不純物の多段イオン注入工程に対するデュアルピアソンテーブルデータを用いた不純物濃度分布のシミュレーション方法において、初段注入条件に対して前記テーブルデータを元に不純物濃度分布を決定後、２段目以降のイオン注入工程に対して、前記テーブルデータにおける、注入量に対するアモルファス成分量の割合を表すパラメータＲに、当該イオン注入工程以前のイオン注入工程の履歴を反映した修正を施した後に不純物濃度を決定し、初段から終段ごとに決定した前記不純物濃度分布を加算して総不純物濃度分布を決定するようにしたものである。

更に、イオンの打ち込み条件として、少なくとも２条件を有する半導体結晶中への不純物の多段イオン注入工程における各段の加速エネルギーと注入量の組、ならびに該段の時間的順番からなる注入条件入力データを処理するデータ処理部、デュアルピアソンテーブルデータを格納する記憶部、前記注入条件入力データに対応したデュアルピアソンパラメータを生成するパラメータ処理部、前記パラメータ処理部によって生成されたデュアルピアソンパラメータから不純物濃度を算出し、該分布の多段イオン注入工程における総和を求める解析部、及び前記算出された不純物濃度分布を表示する表示部を備えたことを特徴とする不純物濃度分布シミュレーション装置を提供することが出来る。

一方、本願発明の第２の形態は、前述した通り、表面に非晶質膜を有しない半導体結晶中へ不純物を少なくとも２つのイオンエネルギーにてイオン注入する工程を有する多段イオン注入方法であって、全てのイオン注入工程がチャネリング方向に対して特定の角を有するように行なわれ、注入エネルギーの高い段から順次イオン注入が行なわれることを特徴とする多段イオン注入方法である。

前記第２の形態における、代表的な具体的形態も、前記第１の形態同様、前記半導体結晶が六方晶系であり、より具体的材料としては、ＳｉＣをあげることが出来る。チャネリング方向は［０００１］方向、打ち込みイオンはＡｌが代表例である。

こうした本願発明に至る検討について説明する。４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）面（［１１−２０］方向に３．５度ならびに７度オフ）へＡｌを以下の条件で注入した。なお、傾角ならびに回転角の定義は図９に示す通りである。オリエンテーションフラット面は（１０−１０）面である。
傾角：０度、７度
回転角：０度、−９０度
注入エネルギーおよび注入量：
（ａ）３５ｋｅＶ／３×１０^１３ｃｍ^−２
（ｂ）１１０ｋｅＶ／７×１０^１３ｃｍ^−２
（ｃ）１６０ｋｅＶ／５×１０^１３ｃｍ^−２
（ｄ）２２０ｋｅＶ／１×１０^１４ｃｍ^−２
注入順：
（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）（以下、３５→２２０ｋｅＶと表記した）または
（ｄ）→（ｃ）→（ｂ）→（ａ）（２２０→３５ｋｅＶと表記した）
図８は上記条件で作製した試料の二次イオン質量分析結果である。従来例で使用していたオフ角３．５度、傾角７度、回転角度−９０度は、回転角０度に換算すると基板表面と（０００１）面とのなす角度（［１１−２０］方向）が３．５度と７度の差分、すなわち３．５度となる。それに対し、本実施例では回転角０度において基板表面と（０００１）面とのなす角度（［１１−２０］方向）が７度、および３．５度と７度の和、すなわち１０．５度と大きくした結果、本願発明の第１の形態と異なり、表面にＳｉＯ_２等の非晶質膜がない状態でのイオン注入では、結晶中のチャネリング方位に対する注入イオンの入射角によって、３５→２２０ｋｅＶと２２０→３５ｋｅＶの注入イオン分布差が大きく変化することがわかった。従来例のようにチャネル方位［０００１］に垂直な面（０００１）面に対する注入イオンの入射角が３．５度と小さく場合、チャネリングしやすい時には、３５→２２０ｋｅＶの方が２２０→３５ｋｅＶに比較してわずかながら急峻なＡｌ濃度分布が得られた。これは本願発明の第１の形態と同様、低エネルギーからの注入によって表面の非晶質化が進行し、チャネリングが抑制されたためと考えられる。一方、チャネル方位［０００１］に垂直な面（０００１）面に対する注入イオンの入射角が７度以上と大きく、チャネリングしにくい時には、２２０→３５ｋｅＶの方が３５→２２０ｋｅＶに比較して急峻なＡｌ濃度分布が得られた。これは本願発明の第１の形態において射影飛程差の離れた２段注入に見られるように、３５→２２０ｋｅＶでは低エネルギーからの注入によって表面の非晶質化が進行した結果、その非晶質化した表面層で散乱されたイオンが再度チャネルに入ってしまうのと同様な現象によるものと考えられる。このため、表面に非晶質膜を有しない４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）面へのイオン注入において、イオン注射角が［０００１］方向から７度以上の場合には、本願発明の第１の形態とは逆に、注入エネルギーの高い順に注入する方がよいことを見出した。また、同様な効果は回転角が０度でなくとも、チャネル方位［０００１］に垂直な面（０００１）面に対する注入イオンの入射角が７度以上となれば得られることも確認した。

上記検討を元に、前記第１の課題を解決する第２の方法として、表面に非晶質膜を有しない半導体結晶中への不純物イオン打ち込み条件において、少なくとも２条件を有する半導体結晶中への不純物の多段イオン注入おいて、打ち込みイオンが該半導体結晶のチャネリング方向に対し７度以上の角度で入射させるとともに、注入エネルギーの高い段から順次イオン注入を行うようにしたものである。

入射角が大きくなるとパタンを有する半導体基板の場合、非対称性が大きくなり応用によっては好ましくない場合もあるが、非対称性を特に気にしない場合、例えば、ウエハ全面にイオン注入する場合において、３０度までその効果を確認できた。

高いエネルギーから注入するため、第１の形態と異なり、各段のエネルギー差に制約はないものの、不純物の拡散がほとんど起こらないため、ほぼ均一な濃度分布を実現する上で、１００ｋｅＶ以下であることが望ましい。

前記イオン注入の段数は、イオン打ち込みの深さに関連して設定される。その深さは勿論半導体装置の要求設計に依存するが、概ね０．３μｍ〜１μｍ程度の深さが多用される。この場合、打ち込み段数としては、５段から７段程度が多用される。尚、多段のイオン注入におけるエネルギー差は、３０ｋｅＶ〜５０ｋｅＶ程度が多用される。打ち込みエネルギー自体の範囲は、勿論、半導体装置の要求設計に依存するが、２５ｋｅＶ〜４５０ｋｅＶ程度が多用される。

次に、前記第２の課題を解決するために、少なくとも２条件を有する半導体結晶中への不純物の多段イオン注入工程に対するデュアルピアソンテーブルデータを用いた不純物濃度分布のシミュレーション方法において、初段注入条件に対して前記テーブルデータを元に不純物濃度分布を決定後、２段目以降のイオン注入工程に対して、前記テーブルデータにおける、注入量に対するアモルファス成分量の割合を表すパラメータＲに、当該イオン注入工程以前のイオン注入工程の履歴を反映した修正を施した後に不純物濃度を決定し、初段から終段ごとに決定した前記不純物濃度分布を加算して総不純物濃度分布を決定するようにしたものである。

更に、イオンの打ち込み条件として、少なくとも２条件を有する半導体結晶中への不純物の多段イオン注入工程における各段の加速エネルギーと注入量の組、ならびに該段の時間的順番からなる注入条件入力データを処理するデータ処理部、デュアルピアソンテーブルデータを格納する記憶部、前記注入条件入力データに対応したデュアルピアソンパラメータを生成するパラメータ処理部、前記パラメータ処理部によって生成されたデュアルピアソンパラメータから不純物濃度を算出し、該分布の多段イオン注入工程における総和を求める解析部、及び前記算出された不純物濃度分布を表示する表示部を備えたことを特徴とする不純物濃度分布シミュレーション装置を提供することが出来る。

以下に、本発明の実施例を、図面を参照しながら説明する。
＜実施例１＞
先ず、前述の６Ｈ−ＳｉＣへのＡｌイオン注入に適用された同一注入条件を、４Ｈ−ＳｉＣに対して適用した場合を取り上げる。

表面には膜厚３５ｎｍのＳｉＯ_２を用いたが、ＳｉＮ膜やＳｉＮ／ＳｉＯ_２積層膜といった非晶質材料もであってもよく、それらの膜厚は５ｎｍ−５０ｎｍの範囲で任意に選択できる。

多段イオン注入を行ったＡｌ濃度分布は図１の破線であり、６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣの差は認められなかった。各段注入条件と射影飛程の差分は以下の通りである。尚、イオン打ち込み自体の方法、装置は通例のものであるので、ここでは詳細説明を省略する。
（ｉ） ２５ｋｅＶ／９．０×１０^１３ｃｍ^−２ 射影飛程の差分
（ｉｉ） ６０ｋｅＶ／１．９×１０^１４ｃｍ^−２（ｉ）−（ｉｉ） ０．０３０μｍ
（ｉｉｉ）１１５ｋｅＶ／２．８×１０^１４ｃｍ^−２（ｉｉ）−（ｉｉｉ）０．０５５μｍ
（ｉｖ） １９０ｋｅＶ／３．９×１０^１４ｃｍ^−２（ｉｉｉ）−（ｉｖ）０．０８４μｍ
（ｖ） ３００ｋｅＶ／８．０×１０^１４ｃｍ^−２（ｉｖ）−（ｖ） ０．１３８μｍ
この場合、（ｉｖ）−（ｖ）の射影飛程の差分が０．１μｍを超えてしまっている。このことが、加速エネルギーを低い方から高い方へ上げながらも、濃度分布の裾引きが依然とし大きかった原因と考えられる。そこで、本実施例では、この２段を以下の３段に置き換えた。
（ｉｖ’） １９０ｋｅＶ／１．９ｘ１０^１４ｃｍ^−２ 射影飛程の差分
（ｖ’） ２５０ｋｅＶ／２．０ｘ１０^１４ｃｍ^−２（ｉｖ’）−（ｖ’）０．０７４μｍ
（ｖｉ’） ３００ｋｅＶ／８．０ｘ１０^１４ｃｍ^−２（ｖ’）−（ｖｉ’）０．０６５μｍ
上記置き換えにより得られたＡｌ濃度分布が、図１の実線であり、破線に比較して顕著な急峻性の改善が得られた。本実施例によれば、射影飛程の差分を０．１μｍ以下に設定することにより、注入段間のチャネリング抑制効果が働き、Ａｌ濃度の１０^１５ｃｍ^−３台においても裾引きの少ない急峻なＡｌ濃度分布を実現できる。注入段間のチャネリング抑制効果の観点からは、射影飛程の差分を０．１μｍ以下更に、下げることも可能であるが、０．０５μｍ以下では、製造時間の関係から現実的でないことは、前述した通りである。

尚、上述のごとき急峻なＡｌ濃度分布は、エネルギー自体の範囲が２５ｋｅＶ〜４５０ｋｅＶにおいて、又、多段のイオン注入におけるエネルギー差を３０ｋｅＶ〜５０ｋｅＶの範囲に設定した場合にも、同様の特性が得られた。
＜実施例２＞
表面に非晶質膜を有しない４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）面（［１１−２０］方向に３．５度ないし７度オフ、傾角０度ないし７度、回転角０度ないし−９０度へＡｌを以下の条件で注入した。なお、傾角ならびに回転角の定義は図９に示す通りである。尚、イオン打ち込み自体の方法、装置は通例のものであるので、ここでは詳細説明を省略する。
注入エネルギーおよび注入量：
（ａ）３５ｋｅＶ／３×１０^１３ｃｍ^−２
（ｂ）１１０ｋｅＶ／７×１０^１３ｃｍ^−２
（ｃ）１６０ｋｅＶ／５×１０^１３ｃｍ^−２
（ｄ）２２０ｋｅＶ／１×１０^１４ｃｍ^−２
注入順：
（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）（以下、３５→２２０ｋｅＶと表記した）または
（ｄ）→（ｃ）→（ｂ）→（ａ）（２２０→３５ｋｅＶと表記した）
図８に示す二次イオン質量分析結果から明らかなように、４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）面から［１１−２０］方向へのオフ角度が７度あるいは１０．５度の場合に、注入順が３５→２２０ｋｅＶの場合に比較して急峻なＡｌ濃度分布を実現することができた。

尚、上述のごとき急峻なＡｌ濃度分布は、エネルギー自体の範囲が２５ｋｅＶ〜４５０ｋｅＶにおいて、又、４Ｈ−ＳｉＣのチャネル方向である［０００１］方向に対して７度以上の角度を持ってイオンを入射させる多段のイオン注入の場合にも、同様の特性が得られた。尚、前記角度は７度から３０度の範囲まで本願の効果を確認することができた。又、打ち込みエネルギーが２５ｋｅＶから４５０ｋｅＶの範囲で実施することができた。

＜実施例３＞
第２の実施例として、不純物濃度分布のシミュレーション方法を例示する。図５は本発明のシミュレーション方法を示すフローチャートである。

本発明の骨子は、半導体結晶中への不純物の多段イオン注入工程に対するデュアルピアソンテーブルデータを用いた不純物濃度分布のシミュレーション方法において、はじめに初段注入条件に対して前記テーブルデータを元に不純物濃度分布を決定する。

２段目以降のｎ段目のイオン注入工程に対しては、前記単一エネルギーテーブルデータを元にｎ_１ｎ（ｘ）、ｎ_２ｎ（ｘ）を決定するとともに、前記Ｒ補正テーブルデータを元に（ｎ−１）段目の注入条件を反映させたＲｎを決定し、対応する不純物濃度分布を決定する。

そして、修正パラメータを用いて不純物濃度を決定し、初段から終段ごとに決定した前記不純物濃度分布を加算する。

要するに、ｎ段目のイオン注入工程において、ピアソン型関数のアモルファス成分とチャネリング成分を加算する場合、（ｎ−１）段目の注入条件を反映させたＲｎの値を用いるのが、その骨子である。即ち、本願のシミュレーション方法は、半導体結晶へ複数のエネルギーに分けてイオン注入した不純物の深さｘ方向に対する分布を、アモルファス成分とチャネリング成分とを表す２つの規格化されたピアソン関数ｎ_１（ｘ）、ｎ_２（ｘ）を規定するパラメータと、ｎ_１（ｘ）、ｎ_２（ｘ）を加算する際の重み付け係数であるアモルファス成分注入量比Ｒをデュアルピアソンテーブルデータとして備えた不純物濃度分布のシミュレーション方法における方法である。尚、デュアルピアソンテーブルデータと用いた不純物濃度分布のシミュレーション方法の基本は、既に知られているので、本願の特徴部分を中心に説明する。
（１）［図５の工程１１］
該テーブルデータが単一エネルギー注入に対して作成された単一エネルギーテーブルデータと複数エネルギー注入に対して履歴を反映させたＲ補正テーブルデータからなり、
複数の注入エネルギーと注入量の組からなる注入条件を入力するステップ。

ここで、前記テーブルデータ（図５の符号１７）は、注入エネルギーに対し、飛程Ｒ_ｐ１、偏差ΔＲ_ｐ１、歪みγ_１、とがりβ_１、飛程Ｒ_ｐ２、偏差ΔＲ_ｐ２、歪みγ_２、とがりβ_２、係数Ｒの９つのパラメータをテーブル化した単一エネルギーテーブルデータと、複数エネルギー注入に対して履歴を反映させたＲ補正テーブルデータからなる。飛程Ｒ_ｐ、偏差ΔＲ_ｐ、歪みγ、とがりβの４種類は、ピアソン型関数のモーメントパラメータである。尚、数字の添え字は、先の注入の及びそれに続く注入の場合で、いわゆるアモルファス成分とチャネリング成分を現している。これらデータは、予め、複数のドーズ値のイオン注入プロファイルデータから求められる。そして、これらは通例の方法で十分である。

次に、後者のＲ補正テーブルデータを図６に例示する。図６は、Ａｌイオンの打ち込みエネルギーが２２０ｋｅＶの場合である。即ち、図では、或るイオン注入工程の直前のイオン注入工程における注入エネルギーに対して、その注入エネルギーで注入された注入量の各値に対して、係数Ｒが示されている。これらデータも、予め、複数のドーズ値のイオン注入プロファイルデータから求められる。２２０ｋｅＶを例示したように、注入エネルギーごとのシートで構成され、イオン注入量に対し、直前の注入エネルギーごとに補正後のＲをテーブル化したものである。当然、注入エネルギーの範囲２５ｋｅＶ〜４５０ｋｅＶについて、同様の補正後のＲをテーブルが準備される。
（２）［図５の工程１２］
初段注入条件（Ｅ_１、Φ_１）に対して、前記単一エネルギーテーブルデータを元に対応する不純物濃度分布
Ｎ_１（ｘ）＝Φ_１（Ｒ_１ ｎ_１１（ｘ）＋（１−Ｒ_１）ｎ_２１（ｘ））
を決定するステップ。
（３）［図５の工程１３］
２段目以降のｎ段目の注入条件（Ｅ_ｎ、Φ_ｎ）に対して、前記単一エネルギーテーブルデータを元にｎ_１ｎ（ｘ）、ｎ_２ｎ（ｘ）を決定するとともに、前記Ｒ補正テーブルデータを元に（ｎ−１）段目の注入条件を反映させたＲｎを決定し、対応する不純物濃度分布
Ｎ_ｎ（ｘ）＝Φ_ｎ（Ｒ_ｎ ｎ_１ｎ（ｘ）＋（１−Ｒ_ｎ）ｎ_２ｎ（ｘ））
を決定するステップ。
（４）［図５の工程１４］
前記注入条件を元に、（ｎ＋１）段目のイオン注入があるか否かを判定するステップ。
（５）［図５の工程１５］
初段から終段ごとに前記の通り決定した不純物濃度分布を加算して総不純物濃度分布を決定するステップ。

本実施例では、実施例１に示した改良多段イオン注入に対し、図６に示す補正テーブルデータが補間により適用され、図１の実線に一致するＡｌ濃度分布が得られた。

本実施例によれば、各段の加速エネルギーが異なる多段イオン注入工程における不純物濃度分布のシミュレーション方法において、一段または同一エネルギーの分割多段のイオン注入において実績のあるデュアルピアソン分布関数を用いた手法ができる結果、不純物濃度分布を短時間で高精度にシミュレーションできる効果がある。

図７は、こうしたシミュレーションを実行するシミュレーション装置の構成例である。

シミュレーション装置２０は、コンピュータ装置で構成され、これに入力部２１、表示部２２が接続されている。コンピュータ装置内には、半導体結晶中への不純物の多段イオン注入工程における各段の加速エネルギーと注入量の組、ならびに当該段の時間的順番からなる注入条件入力データを処理するデータ処理部２３、デュアルピアソンテーブルデータを格納する記憶部２７、前記注入条件入力データに対応したデュアルピアソンパラメータを生成するパラメータ処理部２４、前記パラメータ処理部によって生成されたデュアルピアソンパラメータから不純物濃度を算出し、当該分布の多段イオン注入工程における総和を求める解析部２５を有し、前記算出された不純物濃度分布を表示する表示部２２に接続されている。基本的なプログラムやデータの格納、実行対象のプログラムやデータの格納などは通例のコンピュータ装置におけるそれとして装備すればいいので、その詳細は省略する。

本例の装置によって、これまでに開示のなかった各段の加速エネルギーが異なる多段イオン注入工程における不純物濃度分布のシミュレーション装置が実現でき、不純物濃度分布を短時間で高精度にシミュレーションできる。

以上、本願発明によれば、不純物分布における裾引きのより小さな多段イオン注入方法が提供される。結果、半導体結晶に対して急峻な不純物濃度分布を実現できる。又、加速エネルギーの異なる多段イオン注入工程に対し、注入イオン分布を短時間で高精度にシミュレーションする方法および装置が提供される結果、多段イオン注入分布を瞬時に決定でき、半導体装置の高精度、短期間設計を実現できる効果がある。

本発明の第１の実施例および従来例による４Ｈ−ＳｉＣにおけるＡｌ濃度分布を示す測定結果である。 本発明の第１の実施例を示す測定結果である。 本発明の第１の実施例を示す測定結果である。 本発明の第１の実施例を示す解析結果である。 本発明の第３の実施例を示すフローチャートである。 本発明の第１および第３の実施例に使用するテーブルデータである。 本発明の第４の実施例を示す構成図である。 本発明の第２の実施例を示す測定結果である。 本発明の第２の実施例における角度の定義を示す模式図である。

Claims (5)

1. 表面に非晶質膜を有する半導体結晶中へ不純物を少なくとも２つのイオンエネルギーにてイオン注入する工程を有する多段イオン注入方法であって、
   前記イオン注入する工程の連続する各段の注入エネルギーが、第１のイオン注入工程に対して次段のイオン注入工程における不純物イオンのチャネリングが抑制できる程度以下に相互に接近し、且つ
   前記イオン注入する工程は、全てのイオン注入工程が、注入エネルギーの低い段から順次イオン注入が行なわれることを特徴とする多段イオン注入方法。
2. 請求項１記載の多段イオン注入方法において、
   前記半導体結晶が六方晶系であり、打ち込みイオンがＡｌであり、前記イオン注入する工程の連続する各段の注入エネルギーの差は、射影飛程の差が０．０５μｍ以上０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の多段イオン注入方法。
3. 表面に非晶質膜を有しない半導体結晶中へ不純物を少なくとも２つのイオンエネルギーにてイオン注入する工程を有する多段イオン注入方法であって、打ち込みイオンが該半導体結晶のチャネリング方向に対し７度以上の角度で入射し、且つ
   前記イオン注入する工程は、全てのイオン注入工程が、注入エネルギーの高い段から順次イオン注入が行なわれることを特徴とする多段イオン注入方法。
4. 請求項３記載の多段イオン注入方法において、
   前記該半導体結晶が六方晶系、前記チャネリング方向が［０００１］方向であり、且つ
   該打ち込みイオンがＡｌであることを特徴とする多段イオン注入方法。
5. 半導体結晶へ複数のエネルギーに分けてイオン注入した不純物の深さｘ方向に対する不純物濃度分布を、２つの規格化されたピアソン関数ｎ_１（ｘ）、ｎ_２（ｘ）の加算によって、シミュレーションするシミュレーション方法であって、
   アモルファス成分とチャネリング成分とを表す前記２つの規格化されたピアソン関数ｎ_１（ｘ）、ｎ_２（ｘ）を規定するパラメータと、前記ｎ_１（ｘ）、ｎ_２（ｘ）を加算する際の重み付け係数であるアモルファス成分注入量比Ｒをデュアルピアソンテーブルデータとして備え、
   前記デュアルピアソンテーブルデータが、単一エネルギー注入に対して作成された単一エネルギーテーブルデータと複数エネルギー注入に対して履歴を反映させたＲ補正テーブルデータとからなり、且つ
   複数の注入エネルギーと注入量の組（Ｅ_１、Φ_１）からなる注入条件を設定するステップ、
   初段の注入条件（Ｅ_１、Φ_１）に対して、前記単一エネルギーテーブルデータを元に対応する不純物濃度分布
   Ｎ_１（ｘ）＝Φ_１（Ｒ_１ ｎ_１１（ｘ）＋（１−Ｒ_１）ｎ_２１（ｘ））
   （尚、ここで、Ｒ_１は初段のＲ補正値、又、ピアソン関数ｎ_１１（ｘ）、ｎ_２１（ｘ）における第２の添え字は注入の段数（ｎ）を示す。以下、同様の表示である。）
   を決定するステップ、
   ２段目以降のｎ段目の注入条件（Ｅ_ｎ、Φ_ｎ）に対して、前記単一エネルギーテーブルデータを元にｎ_１ｎ（ｘ）、ｎ_２ｎ（ｘ）を決定するとともに、前記Ｒ補正テーブルデータを元に（ｎ−１）段目の注入条件を反映させたＲｎを決定し、対応する不純物濃度分布
   Ｎ_ｎ（ｘ）＝Φ_ｎ（Ｒ_ｎ ｎ_１ｎ（ｘ）＋（１−Ｒ_ｎ）ｎ_２ｎ（ｘ））
   を決定するステップ、
   前記注入条件を元に、（ｎ＋１）段目のイオン注入があるか否かを判定するステップ、及び
   初段から終段ごとに前記の通り決定した不純物濃度分布を加算して総不純物濃度分布を決定するステップと、
   を少なくとも有することを特徴とする不純物濃度分布のシミュレーション方法。

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