JP2010161259A - プロセスシミュレーションプログラム、プロセスシミュレーション方法、プロセスシミュレータ - Google Patents

プロセスシミュレーションプログラム、プロセスシミュレーション方法、プロセスシミュレータ Download PDF

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Abstract

【課題】プラズマドーピング処理のシミュレーションを簡便且つ精度良く行えるプロセスシミュレーションプログラム、プロセスシミュレーション方法、プロセスシミュレータを提供する。
【解決手段】プラズマドーピング処理を含むプロセスのシミュレーションをコンピュータに実行させるためのプロセスシミュレーションプログラムであって、プラズマドーピングの条件データを、イオンビームとして不純物を半導体に注入するイオン注入用の条件データに対応させて変換する処理と、プラズマドーピングの条件データを変換して得られたイオン注入用の条件データに基づいてデバイス構造データを計算する処理と、をコンピュータに実行させる。
【選択図】図1

Description

本発明は、プロセスシミュレーションプログラム、プロセスシミュレーション方法、プロセスシミュレータに関する。
半導体デバイス開発においてTCAD(Tchnology Computer Aided Design)は、デバイスの電気特性予測や不良解析を目的として活用されている(例えば特許文献1参照)。
例えば電界効果型トランジスタなどの半導体デバイスにおける不純物拡散層は、デバイス特性に大きな影響を与える。近年、浅く急峻な接合を形成する目的で、イオンビームとして不純物を半導体ウェーハに注入するイオン注入法のほかにプラズマドーピング法も用いられている。
プラズマドーピングは、注入したい不純物を含むガスやキャリアガスをチャンバー内でプラズマ化させ、対向電極間の電位差によりイオンをウェーハに向けて加速させて注入する技術である。このプラズマドーピングでは、イオン注入装置で用いられているようなエネルギー選別器を通さない。すなわち、プラズマドーピングにおけるプラズマ中には、注入したい所望の単原子イオンだけでなく、キャリアガス等に起因する他の原子イオンや分子イオンも含まれており、多数のイオン種がウェーハに注入する。また、各イオンが加速される実効的なエネルギーにも広がりがある。さらに、各イオンのドーズ量についての詳細はわからない場合が多い。
以上のようなことから、プラズマドーピングのシミュレーションを行おうとすると、多数のイオンについてそれぞれのエネルギー、ドーズ量などを入力する必要があり、入力データの作成が極めて煩雑になってしまう問題があり、そもそも入力データの作成に必要な正確なデータを得るのが難しい。
特開2003−197493号公報
本発明は、プラズマドーピング処理のシミュレーションを簡便且つ精度良く行えるプロセスシミュレーションプログラム、プロセスシミュレーション方法、プロセスシミュレータを提供する。
本発明の一態様によれば、プラズマドーピング法によって半導体に不純物を導入する処理を含むプロセスのシミュレーションをコンピュータに実行させるためのプロセスシミュレーションプログラムであって、プラズマドーピングの条件データを、イオンビームとして不純物を半導体に注入するイオン注入用の条件データに対応させて変換する処理と、前記プラズマドーピングの条件データを変換して得られた前記イオン注入用の条件データに基づいてデバイス構造データを計算する処理と、をコンピュータに実行させるためのプロセスシミュレーションプログラムが提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、プラズマドーピング法によって半導体に不純物を導入する処理を含むプロセスのシミュレーション方法であって、プラズマドーピングの条件データを、イオンビームとして不純物を半導体に注入するイオン注入用の条件データに対応させて変換するステップと、前記プラズマドーピングの条件データを変換して得られた前記イオン注入用の条件データに基づいてデバイス構造データを計算するステップと、を備えたことを特徴とするプロセスシミュレーション方法が提供される。
また、本発明のさらに他の一態様によれば、プラズマドーピング法によって半導体に不純物を導入する処理を含むプロセスのシミュレータであって、プラズマドーピングの条件データを入力する入力装置と、前記入力されたプラズマドーピングの条件データを、イオンビームとして不純物を半導体に注入するイオン注入用の条件データに対応させて変換し、このイオン注入用の条件データに基づいてデバイス構造データを計算する処理装置と、を備えたことを特徴とするプロセスシミュレータが提供される。
本発明によれば、プラズマドーピング処理のシミュレーションを簡便且つ精度良く行えるプロセスシミュレーションプログラム、プロセスシミュレーション方法、プロセスシミュレータが提供される。
本実施形態に係るプロセスシミュレータの機能ブロック。 図1における変換部とイオン注入計算部に対する入出力関係を示す模式図。 図1における変換部での処理を示すフローチャート。 プロセスシミュレーションで得られたデバイス構造データの一例を示すグラフ。 本実施形態に係る半導体装置製造方法の主要ステップのフローチャート。 プラズマドーピング装置の模式図。
半導体デバイスの特性をシミュレーションして予測するTCAD(Tchnology Computer Aided Design)には、プロセスシミュレータとデバイスシミュレータが用いられる。プロセスシミュレータは、プロセス条件を入力としてデバイス構造データを出力する。デバイスシミュレータは、プロセスシミュレータで得られたデバイス構造データを入力としてデバイス特性データを出力する。
図1は、本実施形態に係るプロセスシミュレータの機能ブロックである。
本実施形態に係るプロセスシミュレータは、入力装置10と処理装置20と記憶装置30を備える。
入力装置10は、例えばキーボード、タッチパネルなどであり、各種入力データの入力処理を行う。処理装置20は、入力装置10を介して入力された入力データを受けて各種処理を行い、その処理の結果得られたデバイス構造データ等の処理結果は記憶装置30に格納される。なお、入力内容や処理結果は、図示しない出力装置(ディスプレイ、プリンター等)に出力可能となっている。
処理装置20は、変換部21、基板準備部22、イオン注入計算部23、酸化計算部24、拡散計算部25、堆積計算部26、エッチング計算部27、リソグラフィ計算部28を有し、これら各計算部を必要に応じて適宜適用することによりデバイス構造データが計算される。また、処理装置20は、各計算部での計算結果をグラフ表示するプロット処理部29も有する。
イオン注入計算部23は、イオンビームによるイオン注入条件である注入イオン種、注入エネルギー、ドーズ量の入力を受けて、半導体中の不純物濃度分布や点欠陥分布を計算する。ここで、イオン注入法を用いたプロセスのシミュレーションを行う場合には、入力装置10を介して注入イオン種、注入エネルギー、ドーズ量が入力され、これら入力データがイオン注入計算部23に直接与えられる。
一方、プラズマドーピング法を用いたプロセスのシミュレーションを行う場合には、入力装置10を介してプラズマドーピング条件が入力され、その後、図2に示すように、入力データ(プラズマドーピング条件)11は変換部21に出力されてその変換部21にてイオン注入用の条件データ(イオン種、イオン注入エネルギー、ドーズ量)12に変換されてからイオン注入計算部23へと出力され、これを受けてイオン注入計算部23は半導体中の不純物や欠陥プロファイル13を計算する。
プラズマドーピングは、半導体に注入したい不純物を含むガスやキャリアガスを、所望の減圧雰囲気とされたチャンバー内の対向電極間に導入し、対向電極に電力を印加することで導入ガスをプラズマ化させ、プラズマ化で生成した不純物イオンを対向電極間の電界の作用により半導体ウェーハに向けて加速させて注入する技術である。
図6に模式的に例示するプラズマドーピング装置では、半導体ウェーハWを例えば静電チャックするウェーハ支持部41を対向電極の一方の電極として機能させ、このウェーハ支持部41とこれに対向する他方の電極42間に高周波電力を印加することで、対向電極間のチャンバー内空間に導入されたガスのプラズマPを生起させる。なお、本実施形態では、半導体ウェーハWはシリコンウェーハであるとするが、シリコン以外の他の半導体ウェーハに対しても本発明は適用可能である。
本実施形態では、プラズマドーピング条件として、装置名、チャンバー内への流入ガス種ごとの流量、高周波電力の出力を、前述した入力装置10を介して変換部21に与える。
次に、図3を参照して変換部21での処理について説明する。
ここでは、例えば、装置名A、チャンバー内への流入ガスとしてBが0.1(sccm)、Heが5(sccm)、対向電極間に印加する高周波電力出力が400(W)というプラズマドーピング条件データ101が入力されるとする。
プラズマドーピング条件データ101は変換部21におけるイオン注入条件抽出部102に入力され、これを受け、イオン注入条件抽出部102は、記憶部14に格納されたデータテーブルを参照して、プラズマドーピング条件データ101に対応するイオン注入用の条件データを抽出する。
表1にデータテーブルの一例を示す。
このデータテーブルは、プラズマドーピング条件(装置名、ガス種ごとのガス流量、高周波電力出力)に対して、等価とみなしたイオン注入用の条件(イオン種、イオン注入エネルギー、ドーズ量)を対応付けたものである。例えば、装置Aを使って、Heガス流量5(sccm)、Bガス流量0.1(sccm)、高周波電力出力300(W)の条件でプラズマドーピングを行った処理は、ボロン(B)、水素(H)、ヘリウム(He)を、いずれも注入エネルギー0.4(keV)で、それぞれ、1.5×1015(cm−2)、4.5×1015(cm−2)、1.0×1017(cm−2)のドーズ量となるようにイオン注入した処理と等価とみなして、プラズマドーピング条件をイオン注入条件に変換する。
プラズマドーピング条件とイオン注入条件との相関関係は予めデータテーブルとして作成しておき記憶部14に格納され、変換部21は、記憶部14からそのデータテーブルを読み出し、入力されたプラズマドーピング条件に対応するイオン注入条件を抽出する。
データテーブル参照の際、入力されたプラズマドーピング条件に一致する条件が見つかればそれに対応するイオン注入条件を抽出する。一致する条件がなければデータを補間することによって対応するイオン注入条件を抽出する。
例えば、プラズマドーピング条件における高周波電力出力と、イオン注入条件におけるイオン注入エネルギーとは対応関係にあり、これらを縦軸と横軸にとってプロットしたグラフデータにおけるプロットポイントの変化の傾向から、テーブルにない高周波電力出力に対応するイオン注入エネルギーを補間して得ることができる。
例えば、前述した装置名A、Bが0.1(sccm)、Heが5(sccm)、高周波電力出力が400(W)という条件に一致するプラズマドーピング条件は表1に示すテーブルにはないが、テーブル中の他のデータに基づいてデータ補間を行うことで、Bイオンの注入エネルギーが0.5(keV)、ドーズ量が1.5×1015(cm−2)、Hイオンの注入エネルギーが0.5(keV)、ドーズ量が4.5×1015(cm−2)、Heイオンの注入エネルギーが0.5(keV)、ドーズ量が1.0×1017(cm−2)というイオン注入条件が得られる。
なお、プラズマドーピングにおけるチャンバー内に生起したプラズマ中には、単原子イオンだけでなく、分子イオンを含めた多数のイオンが存在していると考えられるが、中にはシミュレーション結果にほとんど影響しないものもあるため、データテーブルにおけるイオン注入条件で扱うイオンとしては主要な単原子イオンだけでも十分である。
例えば、HeガスとBガスを用いたプラズマードーピングにおいては、対応するイオン注入条件のイオンとしてB、H、Heの各単原子イオンだけとしても、実際のプラズマ処理を反映した十分なシミュレーション精度が得られた。あるいは、この場合、シミュレーション結果に大きく影響するのはBとHeであるので、Hは考慮にいれなくても十分な精度が期待できる。扱うパラメータ数を絞ることで、データテーブル作成や計算処理に要する時間短縮が図れる。
また、プラズマドーピング条件をイオン注入条件に変換するにあたっては、データテーブルを直接参照して、対応する等価なイオン注入条件を抽出することに限らず、予め設定されたプラズマドーピング条件とイオン注入条件との相関式に、入力されたプラズマドーピング条件を代入して、対応するイオン注入条件を算出することも可能である。
プラズマドーピング条件を変換して得られた対応するイオン注入条件は、次に、イオン注入計算手順を示すイオン注入計算用入力データの作成部103に入力する。図1に示すイオン注入計算部23にて、イオン注入用条件データを用いて行われるイオン注入計算の計算モデルとしては、従来より採用されているモンテカルロモデルや解析モデルを指定することができる。入力データ作成部103では、イオン注入条件データを、指定されたモデルの入力データ形式にする。
そして、イオン注入計算部23では、入力データ作成部103で作成された入力データ104を用いてイオン注入計算が行われる。例えばモンテカルロモデルが指定されたときは、入射するイオンが多数のモンテカルロ粒子で表され、そのモンテカルロ粒子のウェーハ中における散乱過程や停止位置を逐次計算し、散乱によって発生する結晶欠陥を計算する。
入力データ作成部103で作成される入力データの一例を数1に示す。
これは、まずBイオンがイオン注入エネルギーEne=E、ドーズ量Dose=DB1でイオン注入され、次いでHeがイオン注入エネルギーEne=E、ドーズ量Dose=DHe1でイオン注入され、以降、BイオンとHeイオンとが交互に繰り返してイオン注入される処理に対応するイオン注入計算用の入力データ形式を表す。
但し、Bイオンについての1回当たりのイオン注入の各ドーズ量DB1、DB2、・・・、DBnは、Bイオンの全ドーズ量(表1のテーブルにて得られた値)より少なく、各回ごとのドーズ量の和(DB1+DB2+・・・+DBn)が全ドーズ量になるように設定される。同様に、Heイオンについての1回当たりのイオン注入の各ドーズ量DHe1、DHe2、・・・、DHenは、Heイオンの全ドーズ量(表1のテーブルにて得られた値)より少なく、各回ごとのドーズ量の和(DHe1+DHe2+・・・+DHen)が全ドーズ量になるように設定される。BイオンとHeイオンのそれぞれのイオン注入エネルギーEとEは、表1のテーブルにて得られた値そのものである。
エネルギー選別器で選別された所望のイオンだけがイオンビームとして半導体に打ち込まれるイオン注入法に対して、プラズマドーピング法では、半導体に注入したい所望のイオン以外にも種々のイオン(前述した例ではキャリアガスに起因するHeイオン、Bを含む原料ガスBに起因するHイオン、その他分子イオンなど)が生成される。そして、それらイオンは、必要量が一度に半導体中に注入されるのではなく、少量ずつ複数回にわたって注入される。
そこで、数1に示すデータ形式においては、シミュレーション結果に影響するBイオンとHeイオンについて、それらが交互に少量ずつ複数回にわたって注入されるという、より現実のプラズマドーピング処理を反映したデータ形式にしており、シミュレーション結果の精度をより高めることができる。
ここで、Bイオン注入の計算手順とHeイオン注入の計算手順とを交互にしているということも重要である、すなわち、実際のプラズマドーピングにおいては、ある処理時間帯ではBイオンが集中的に多く注入され、別の処理時間帯ではHeイオンが集中的に多く注入されるというような現象はないと思われ、プラズマドーピングをイオン注入に模したモデルにおいては各イオンが少量ずつ交互に打ち込まれていくとした方が実際のプラズマドーピング処理を反映した正確なシミュレーションが期待できる。
前述した例では、Bイオンの注入エネルギーEと、Heイオンの注入エネルギーEは、それぞれ、表1のテーブルから抽出された同じ値を各回ごと共通して使用している。しかし、注入エネルギーを全処理時間を通じてほぼ一定に保つことが容易なイオン注入法に比べて、対向電極間の放電電界によってイオンを加速させるプラズマドーピング法においては、プラズマ状態の変動などにより放電電界が変化し、全処理時間を通じて各イオンが常に同じエネルギーで注入されるとは限らない。
したがって、テーブルにおいて、1つのプラズマドーピング条件に対応するイオン注入条件の注入エネルギーを1つに限らず複数設定しておき、例えば数1におけるB注入の1回目はEを採用し、n回目はEと異なる他の値を採用するといったことも可能である。
前述したプラズマドーピング処理において、目的としているのは所望の不純物イオンであるBイオンを注入することである。しかし、シミュレーションを行うにあたって、キャリアガスに起因するHeイオンも考慮に入れているのは、Heイオンが注入されることによる結晶欠陥が無視できないためでる。したがって、Heイオンの注入も考慮に入れたシミュレーションを行うことで、Heイオンの注入が進むにつれ結晶欠陥すなわちアモルファス化が起きBイオンのチャネリングが抑制されるという、実際のプラズマドーピング処理を反映した精度の良いシミュレーションを再現することができる。
また、実際のプラズマドーピング処理では、プラズマ中の各イオンは少量ずつ何回にもわたって注入されていくため、数1の入力データ形式において、各行の入力文すなわち1回のイオン注入につき注入される各ドーズ量DBn、DHenの上限値を設定することが望ましい。例えば、Heイオンについて表1のテーブルにて得られる全ドーズ量が1.0×1017(cm−2)である場合には、各回ごとのドーズ量が1.0×1014(cm−2)以下になるよう設定する。これによって、Heイオン注入時に少量ずつ結晶欠陥が発生するという、現実のプラズマドーピング処理をより反映するシミュレーションが可能となる。
また、例えば、全ドーズ量が1.0×1017(cm−2)であるHeイオンの各回ごとのドーズ量がすべて1.0×1014(cm−2)で同じとした場合、数1にて設定するHeイオン注入回数は必然的に10回と決まる。すなわち、各回ごとのドーズ量の上限値を設定することは、イオン注入回数を何回にするかという目安にもなり、ユーザーがより簡単に数1に示されるようなイオン注入計算用の入力データファイルを作成できる。
次に、数2には、入力データ作成部103で作成される入力データの他の例を示す。
これは、各イオンについて、表1のテーブルで得られる全ドーズ量分が1回のイオン注入にて1度に注入されるという処理に対応する。例えば、He注入による結晶欠陥が注入初期段階に多量に発生する場合を反映したシミュレーション用に適用可能である。
また、イオン注入計算部23での計算モデルとして解析モデルが指定されたときは、各イオンに対する分布関数のパラメータが保存されているデータベースを用意することによって、イオン注入計算を行うことができる。
以上説明した処理を経てイオン注入計算部23で種々の計算が行われ、図4(a)〜(c)にそれぞれ示される、結晶欠陥濃度分布、He濃度分布、B濃度分布が得られる。各グラフにおいて、横軸はウェーハ表面を0とした場合におけるその表面からの深さ(μm)を表す。縦軸は各濃度(cm−2)を表す。
さらに、図4(a)に例示される結晶欠陥濃度分布からは、不純物導入が行われたウェーハ中におけるamorphous層とcrystal層との界面深さ(a/c界面深さ)を求めることができる。例えば、シリコン結晶の20%以上が壊れたら、つまり欠陥濃度が1.0×1022(cm−2)以上の領域をamorphous層とみなし、a/c界面深さがおよそ27nmであることがわかる。
通常、プラズマドーピング処理の後には、導入された不純物を半導体中で拡散させる拡散処理が行われる。したがって、図1に示すプロセスシミュレータにおいては、イオン注入計算部23での計算結果を拡散計算部25での計算に用いる。拡散計算部25では、イオン注入計算部23で得られた結晶欠陥濃度分布データや不純物濃度分布データを用いて拡散計算が行われる。例えば拡散は点欠陥不純物対拡散モデルにより計算されるため、過度増速拡散(TED:Transient Enhanced Diffusion)についての計算も可能となる。
処理装置20では、実際のプロセスに応じて各計算部で種々の計算が行われ、その計算結果は最終的にデバイス構造データとして記憶装置30に格納される。そして、本実施形態によれば、プラズマドーピング専用の計算部を新たに設けることなく、プラズマドーピング処理をイオン注入処理に模して条件データの変換を行うことで、既存のイオン注入計算部を用いて、プラズマドーピングのプロセスシミュレーションを簡便且つ正確に行うことが可能となる。この結果、プロセスシミュレーションにより得られるデバイス構造データ、さらにはそのデバイス構造データを用いて行われるデバイスシミュレーションにおけるデバイスの電気特性予測精度の向上が図れる。
前述した変換部21及びイオン注入計算部23での計算を含む処理装置20による一連の処理は、本実施形態に係るプロセスシミュレーションプログラムを処理装置20が読み込みその命令のもと実行される。したがって、本実施形態に係るプロセスシミュレータは、入力装置10や処理装置20の他に、上記プロセスシミュレーションプログラムを格納した記憶装置(例えば、光学ディスク装置、磁気ディスク装置、半導体メモリなど)を備えている。なお、デバイス構造データが格納される記憶装置30に、上記プログラムも格納してもよい。
次に、図5は、本発明の実施形態に係る半導体装置製造方法の主要なステップのフローを示す。
プロセス条件設定ステップ201では、プロセス条件を複数設定する。ここで設定された複数の条件について、前述したようなプロセスシミュレーション(ステップ202)とデバイスシミュレーション(ステップ203)を実行する。デバイスシミュレーションでは、プロセスシミュレーションで得られたデバイス構造データを用いてデバイス特性データを計算する。このデバイス特性データに基づいて、デバイスの電気特性を予測することができる。複数の条件についてシミュレーションを実行することで、複数条件に対するデバイス特性データが得られる。
次に、計算特性判断ステップ204では、デバイス特性データから、求める特性が得られているか判断する。求める特性が得られていない場合は、再びプロセス条件設定ステップ201で他の条件を設定し直す。求める特性が得られている場合は、その条件で実際の半導体ウェーハに対して各種処理を行ってデバイスを製造する(ステップ205)。
次のデバイス評価ステップ206では、製造したデバイスの電気特性の他に、製造途中における酸化膜厚や温度などを測定する。
そして実測特性判断ステップ207では、上記ステップ206での測定値が計算予測した値であるか判断する。ステップ206で測定された酸化膜厚や温度などが予測した値と異なるウェーハは、目的とする電気特性が得られない可能性が高い。この場合、プロセス条件設定ステップ201に戻り、測定値に基づいたウェーハのその後のプロセスの最適条件をシミュレーションによって求める。また、他のウェーハのデバイス製造ステップで、予測通りの値が得られるように装置の調整を行う。デバイスの電気特性が予測値と異なる場合は、計算モデルの物理パラメータを改良するなどして、予測能力を高める。
以上のようにシミュレーションを利用することで、デバイス設計開発や製造を効率化できる。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、それらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
前述したプラズマドーピング条件や対応するイオン注入条件等は一例であって、実際のプラズマドーピング処理の条件に応じて、各条件は適切に設定される。
10…入力装置、20…処理装置、21…プラズマドーピング条件をイオン注入条件に変換する変換部、30…記憶装置

Claims (5)

  1. プラズマドーピング法によって半導体に不純物を導入する処理を含むプロセスのシミュレーションをコンピュータに実行させるためのプロセスシミュレーションプログラムであって、
    プラズマドーピングの条件データを、イオンビームとして不純物を半導体に注入するイオン注入用の条件データに対応させて変換する処理と、
    前記プラズマドーピングの条件データを変換して得られた前記イオン注入用の条件データに基づいてデバイス構造データを計算する処理と、
    をコンピュータに実行させるためのプロセスシミュレーションプログラム。
  2. 前記イオン注入用の条件データは、原子種ごとの全ドーズ量を含み、
    1回あたりにつき前記全ドーズ量よりも少ないドーズ量で、各原子が複数回に分けて前記全ドーズ量分前記半導体に注入されたとして、前記デバイス構造データの計算を行わせることを特徴とする請求項1記載のプロセスシミュレーションプログラム。
  3. 前記1回あたりのドーズ量に上限値が設定されていることを特徴とする請求項2記載のプロセスシミュレーションプログラム。
  4. プラズマドーピング法によって半導体に不純物を導入する処理を含むプロセスのシミュレーション方法であって、
    プラズマドーピングの条件データを、イオンビームとして不純物を半導体に注入するイオン注入用の条件データに対応させて変換するステップと、
    前記プラズマドーピングの条件データを変換して得られた前記イオン注入用の条件データに基づいてデバイス構造データを計算するステップと、
    を備えたことを特徴とするプロセスシミュレーション方法。
  5. プラズマドーピング法によって半導体に不純物を導入する処理を含むプロセスのシミュレータであって、
    プラズマドーピングの条件データを入力する入力装置と、
    前記入力されたプラズマドーピングの条件データを、イオンビームとして不純物を半導体に注入するイオン注入用の条件データに対応させて変換し、このイオン注入用の条件データに基づいてデバイス構造データを計算する処理装置と、
    を備えたことを特徴とするプロセスシミュレータ。
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