JP5015628B2 - イオン注入によって形成される非晶質層評価方法 - Google Patents
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Description
本発明は、任意のチルト角度で不純物のイオン注入を行った場合に、注入条件によって非晶質の膜厚がどれくらいになるかを簡単に予想することができる非晶質層評価方法に関する。
シリコン(Si)を用いるULSI等の微細化にとって、シリコン基板などに導入される不純物の分布を高精度にコントロールすることがますます重要となっている。
Si基板に不純物として例えばゲルマニウムを高ドーズでイオン注入することにより、Si基板の表層部分にダメージを与えて非晶質層を形成し、その後に、この非晶質層に収まるようにソース／ドレイン用の不純物をイオン注入して半導体装置を製造する方法が知られている。このようなプロセスを経る半導体装置の製造方法では、イオン注入分布を動かさない、またはそれを低温で活性化させるという方向に進化してきているため、与えられたイオン注入条件での非晶質層厚を精確に知ることは重要である。
Si基板に不純物として例えばゲルマニウムを高ドーズでイオン注入することにより、Si基板の表層部分にダメージを与えて非晶質層を形成し、その後に、この非晶質層に収まるようにソース／ドレイン用の不純物をイオン注入して半導体装置を製造する方法が知られている。このようなプロセスを経る半導体装置の製造方法では、イオン注入分布を動かさない、またはそれを低温で活性化させるという方向に進化してきているため、与えられたイオン注入条件での非晶質層厚を精確に知ることは重要である。
またイオン注入によって非晶質層を形成せずに、ソース／ドレイン用の不純物をイオン注入する場合でも、その不純物によってSi基板の表層に非晶質層が形成される。この非晶質層と、非晶質化されていないSi基板との界面には欠陥が多く形成される。その欠陥の位置は、デバイスの特性に大きな影響を与えるので、この場合でも非晶質層の厚さを知ることは重要である。
非晶質層の厚さを知る方法としては、例えば、イオン注入の後のサンプルの断面をTEM(Tunnel Electron Microscope)により観察し、その画像から非晶質層の厚さを計る方法が一般に知られている。しかし、イオン注入のたびにTEMで観察するのは、多大な費用と時間を要するので、デバイス開発では現実的であるとは言いがたい。
ところで非特許文献１に示されるようにMonte Carlo法において実験データと合うようにfitting parameterを設けることで、非晶質層の厚さを定量的に計算している。しかし、イオン注入によるダメージの蓄積をモデリングするのは困難であり、更に、Monte Carlo法による計算自体が長時間を要するので、一般の半導体素子開発者がこの方法を手軽に使うことはできない。
一方、非特許文献２に示されるように、Monte Carlo法による計算結果から欠陥濃度分布を発生させる経験的なモデルを提案している。
そして、非特許文献３には、イオン注入による濃度分布のデータベースが多く存在することが示されている。
そして、非特許文献３には、イオン注入による濃度分布のデータベースが多く存在することが示されている。
また、特許文献１には、イオン注入された不純物の横方向の広がりを算出する方法が開示されている。
また、非特許文献４に示されるように、つい最近になって浅いチルト(tilt)角度でイオン注入した場合の非晶質層を評価する方法も提案されている。
M. Posselts, B. Schmidt, R. Groetzschel, C. S. Murthy, T. Feudel, and K. Suzuki , " Modeling of damage accumulation during ion implantation into single-crystalline silicon, " J. Electrochem. Society, Vol.144, pp.1495-1504, 1997 G. Hobler, S. Selberherr, " Two-dimensional modeling of ion implantation induced point defects, " IEEE Trans. Computer-Aided Design, Vol.7, pp. 174-180, 1988 Kunihiro Suzuki, Ritsuo Sudo, Yoko Tada, Miki Tomotani, Thomas Feudel, and W. Fichtner, "Comprehensive analytical expression for dose dependent ion-implanted impurity concentration profiles, " Solid-State Electronic, Vol.42, pp.1671-1678, 1998 Kunihiro Suzuki, Kazuo Kawamura, Yoshio Kikuchi, and Yuji Kataoka, "Compact model for amorphous layer thickness formed by ion plantation over wide ion implantation conditions", IEEE Trans. Electron Devices, Vol.ED-53, No.5, pp.1186-1192, 2006 特開2000-138178号公報
また、非特許文献４に示されるように、つい最近になって浅いチルト(tilt)角度でイオン注入した場合の非晶質層を評価する方法も提案されている。
M. Posselts, B. Schmidt, R. Groetzschel, C. S. Murthy, T. Feudel, and K. Suzuki , " Modeling of damage accumulation during ion implantation into single-crystalline silicon, " J. Electrochem. Society, Vol.144, pp.1495-1504, 1997 G. Hobler, S. Selberherr, " Two-dimensional modeling of ion implantation induced point defects, " IEEE Trans. Computer-Aided Design, Vol.7, pp. 174-180, 1988 Kunihiro Suzuki, Ritsuo Sudo, Yoko Tada, Miki Tomotani, Thomas Feudel, and W. Fichtner, "Comprehensive analytical expression for dose dependent ion-implanted impurity concentration profiles, " Solid-State Electronic, Vol.42, pp.1671-1678, 1998 Kunihiro Suzuki, Kazuo Kawamura, Yoshio Kikuchi, and Yuji Kataoka, "Compact model for amorphous layer thickness formed by ion plantation over wide ion implantation conditions", IEEE Trans. Electron Devices, Vol.ED-53, No.5, pp.1186-1192, 2006
このように、つい最近になって浅いチルト(tilt)角度でイオン注入した場合の非晶質層を評価する方法が提案されているけれども高々チルト角度10度までであり、チルト角度10度までであれば非晶質の膜厚は実質的には0度の場合と変わりがないが、それ以上の深いチルト(tilt)角度になると注入条件によって非晶質の膜厚がどれくらいになるかを知るための非晶質層の評価方法については確立されていないというのが現状である。そのため本発明は、深いチルト(tilt)角度α（但し、10＜α＜90）のイオン注入条件で非晶質の膜厚がどれくらいになるかを予想することができる非晶質層の評価方法を提案するものである。つまり本発明の目的は、深いチルト(tilt)角度をパラメータに持ち、不純物のイオン注入を高ドーズで行うことによって結晶性基板の表層に形成される非晶質層の厚さを精確に予想する非晶質層評価方法を提供することにある。
本発明のイオン注入によって形成される非晶質層評価方法は、
イオン注入条件から基板、不純物、エネルギ、ドーズ、チルト(tilt)角度、回転角(rotation)についての情報を取得する工程と、
取得したイオン注入条件についての情報をもとにデータベースを参照して所定のチルト(tilt)角度の非晶質層の膜厚を計算可能にするためのパラメータ、Φa/c(スルードーズ),
Rp(不純物濃度のピーク深さ), ΔRp(不純物濃度の深さ方向の標準偏差), ΔRpt(不純物濃度のピーク深さの横方向の標準偏差)を取得する工程と、
取得したパラメータ、Φa/c, Rp, ΔRp, ΔRpt、および、条件設定した所定のチルト角度α（但し、10＜α＜90）の値を用いて、以下の式(１)から、
イオン注入条件から基板、不純物、エネルギ、ドーズ、チルト(tilt)角度、回転角(rotation)についての情報を取得する工程と、
取得したイオン注入条件についての情報をもとにデータベースを参照して所定のチルト(tilt)角度の非晶質層の膜厚を計算可能にするためのパラメータ、Φa/c(スルードーズ),
Rp(不純物濃度のピーク深さ), ΔRp(不純物濃度の深さ方向の標準偏差), ΔRpt(不純物濃度のピーク深さの横方向の標準偏差)を取得する工程と、
取得したパラメータ、Φa/c, Rp, ΔRp, ΔRpt、および、条件設定した所定のチルト角度α（但し、10＜α＜90）の値を用いて、以下の式(１)から、
非晶質層厚da(α)を計算する工程と、
計算された非晶質層厚da(α)をモデルに実験値と比較して非晶質層を評価する工程と、を含むことを特徴とする。
計算された非晶質層厚da(α)をモデルに実験値と比較して非晶質層を評価する工程と、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、取り扱いが難しいMonte Carlo法を使用しないので、普通の技量を有する開発者が簡便に非晶質層の厚さを算出して評価することができる。またTEMによる断面測定をイオン注入毎に行う必要が無いので、TEMを使用する場合に要するコストと時間を省くことができる。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の前提となる注入イオン濃度の近似分布N(x)からそのスルードーズΦa/cを算出する方法を説明するための図である。図１では、注入エネルギが４０keVで、ドーズ量Φが１×１０１５cm-2の場合におけるものである。いままでに築きあげられた当該技術分野の技術常識から、この注入イオン濃度の近似分布N(x)は、Pearson IV型の分布関数I(x)を用いてN(x)=Φ・I(x-Rp)と表現できることが知られている。ここで、Φはドーズ量で、Rpは、不純物濃度のピーク深さを表している。そしてPearson IV型の分布関数I(x)では、注入エネルギＥと該注入エネルギＥに対応して分布関数I(x)を特徴付けるパラメータ(Rp、ΔRp、γ、β)を使うことで近似分布N(x)を解析的に求めることができる。なおこれらのパラメータはすでにデータベース化されているので、それを利用することができる。また、Rpは、不純物濃度のピーク深さ、ΔRpは、深さ方向の標準偏差、γは分布の３次のモーメントに関連するパラメータ、βは分布の４次のモーメントに関連するパラメータである。
図１は、本発明の前提となる注入イオン濃度の近似分布N(x)からそのスルードーズΦa/cを算出する方法を説明するための図である。図１では、注入エネルギが４０keVで、ドーズ量Φが１×１０１５cm-2の場合におけるものである。いままでに築きあげられた当該技術分野の技術常識から、この注入イオン濃度の近似分布N(x)は、Pearson IV型の分布関数I(x)を用いてN(x)=Φ・I(x-Rp)と表現できることが知られている。ここで、Φはドーズ量で、Rpは、不純物濃度のピーク深さを表している。そしてPearson IV型の分布関数I(x)では、注入エネルギＥと該注入エネルギＥに対応して分布関数I(x)を特徴付けるパラメータ(Rp、ΔRp、γ、β)を使うことで近似分布N(x)を解析的に求めることができる。なおこれらのパラメータはすでにデータベース化されているので、それを利用することができる。また、Rpは、不純物濃度のピーク深さ、ΔRpは、深さ方向の標準偏差、γは分布の３次のモーメントに関連するパラメータ、βは分布の４次のモーメントに関連するパラメータである。
そしてスルードーズΦa/cは、非晶質層の厚さdaよりも深く注入された注入イオン、例えばGe(ゲルマニウム)原子の総数であるから、近似分布N(x)をdaから無限大まで積分して得られた積分値として算出される。なお非晶質層の厚さdaは、注入されたイオンによって非晶質層と、非晶質化されていないSi基板との界面(a/c界面という)が形成された位置における横軸座標の深さを表している。
図２は、上記注入イオン濃度の近似分布N(x)を用いて算出されたスルードーズΦa/cと注入エネルギEとの関係を示すグラフである。図２に示されるように、スルードーズΦa/cは、不純物が同じならば注入エネルギEやドーズ量Φ等の注入条件によらず略一定であるという性質を有する。このような性質を持ったスルードーズΦa/cの値を注入イオンごとにデータベース化しておき、本発明においてはこれを利用するものである。これについては後で説明する。
図１のようなイオン注入分布の場合、その非晶質層の厚さをdaとすると、
スルードーズΦa/cは、
スルードーズΦa/cは、
と定義される。またPearson IV型の分布関数I(x)を特徴付けるパラメータ(Rp、ΔRp、γ、β)のうち、γ、βは当該分布の裾部分を精確に表現するためのもので、図１のようなa/c界面におけるピーク近傍を表現する場合にはγ、βのパラメータは不要で、Rp、ΔRpの二つのパラメータが使えるGauss関数でイオン注入分布を近似し、Gauss関数で近似して表現した場合には、スルードーズΦa/cは、
となり、これより、非晶質層の厚さdaは、
と解析的に求められ、これは広いイオン注入条件の非晶質層厚を精度よく予想するとして上記非特許文献４に提案されている。しかしこの提案はチルト角度をパラメータに持つようないわゆる非晶質層厚を一般理論化して精度よく予想するものではない。なお、上記において、erfc(x)は誤差関数を表し、またerfc-1(x)は誤差関数の逆関数を表している。
図３は、一個のイオンによって形成される欠陥領域３１を円柱近似して考えた場合、ある深さにおける欠陥の総面積は、
で与えられるであろう。この面積Ｓamocがある一定値になったとき、その領域は連続的な非晶質層になったと考える。但し、σは図３(ａ)に示す欠陥領域３１をある位置(深さ)で切断した場合に表面上に現れる図３(ｂ)に示すようなある一つの欠陥の面積を表すものである。
次に図４に示すようにチルト(tilt)角度αでイオンが打ち込まれた状況を考えると、図３(ｂ)に示す状況は図４(ｂ)に示すような状況に変化、すなわち欠陥領域４１が傾きを持つためその断面積σが広くなるように変化するから、
の関係になる。ただし、Ｎ(x,α)はtilt角度αでイオン注入されたイオン注入分布である
。ここで、tilt角度0におけるスルードーズは、
。ここで、tilt角度0におけるスルードーズは、
で表され、またtilt角度αにおけるスルードーズは、
で定義することができるので、tilt角度αのスルードーズは、式(５)、式(６)より
となる。
上記考察は理論的なもので、実情では、tilt(0)の場合でも欠陥領域は面に垂直ではなく角度がばらついて形成されるため、上記式（７）は実効面積を表現していると理解できる。それを考慮すると式(９)ではなく角度依存性のない次の式
上記考察は理論的なもので、実情では、tilt(0)の場合でも欠陥領域は面に垂直ではなく角度がばらついて形成されるため、上記式（７）は実効面積を表現していると理解できる。それを考慮すると式(９)ではなく角度依存性のない次の式
の方が実験データをよく再現することが分かった。そのため本発明においてはこの式（１２）を元に考察を進める。上記の点を図４から考察すると、tilt(α)の場合でも欠陥領域は図４(ｂ)のような一様性があるのではなく、面に垂直に形成される(図３(ｂ)参照)場合があるため、上記式（６）でなく、実情では式（５）が実効面積を表現していると考えてよい。
図５に、本発明の実施形態に係るtilt(α)の場合のイオン注入分布をGauss近似した分布N(x,α)を示す模式図である。図５においては、スルードーズΦa/cは、非晶質層の厚さda(α)よりも深く注入された注入イオン、すなわち注入された不純物原子の総数であるから、近似分布N(x,α)をda(α)から無限大まで積分して得られた積分値として算出されることになる。Gauss近似化した分布N(x,α)は
ただし、
と表現可能である。なお、ΔRptは不純物濃度のピーク深さの横方向の標準偏差である。すると非晶質層厚da(α)は、上述した式（３）,（４）と同様に
となる。
上記式（１４）でスルードーズΦa/cがtilt(α)に依存性があるとして解析的に求めたが、上述した式（１０）に示すようにtilt(α)に依存しないとした方が実験結果を良好に再現するので、上記式（１４）に代えて以下の式(１)を用いて非晶質層厚da(α)を計算する。
上記式（１４）でスルードーズΦa/cがtilt(α)に依存性があるとして解析的に求めたが、上述した式（１０）に示すようにtilt(α)に依存しないとした方が実験結果を良好に再現するので、上記式（１４）に代えて以下の式(１)を用いて非晶質層厚da(α)を計算する。
非晶質層厚da(α)を式(１)で計算し、モデルと実験データとを比較した様子を図６のグラフに示す。図６のグラフからモデルと実験データとがよく一致しているのが分かる。
なお図6においては縦軸に非晶質層の厚さda(α)を、横軸に注入エネルギＥをとり、不純物としてAs（砒素）を用い、そのドーズ量Φを１×１０15cm-2に条件設定し、またデータベース（図７参照）からAs（砒素）に対応するスルードーズΦa/cを３×１０13cm-2、同じくデータベース（図７参照）からパラメータRp、ΔRp、ΔRptを取得し、条件入力したtilt(α)を７°、６０°に設定して上記式（１）から非晶質層厚da(α)を計算する。そして、これを図上に理論から求められた値とし、さらにTEMにより観察した実験データとを比較することで非晶質層厚da(α)を評価するものである。
なお図6においては縦軸に非晶質層の厚さda(α)を、横軸に注入エネルギＥをとり、不純物としてAs（砒素）を用い、そのドーズ量Φを１×１０15cm-2に条件設定し、またデータベース（図７参照）からAs（砒素）に対応するスルードーズΦa/cを３×１０13cm-2、同じくデータベース（図７参照）からパラメータRp、ΔRp、ΔRptを取得し、条件入力したtilt(α)を７°、６０°に設定して上記式（１）から非晶質層厚da(α)を計算する。そして、これを図上に理論から求められた値とし、さらにTEMにより観察した実験データとを比較することで非晶質層厚da(α)を評価するものである。
図８は、本発明の実施形態に係るイオン注入によって形成される非晶質層を評価する方法を説明するためのフローチャートである。図８のステップＳ１では、イオン注入に先立って注入条件の入力を行う。すなわち非晶質層評価するに当たって、使用する基板、不純物、エネルギ、ドーズ量、チルト(tilt)角、回転角(rotation)などの情報を取得する。ここでは、あらかじめ基板としては結晶性を有するSi(シリコン)を使用することを前提に、不純物としてAs（砒素）、そのドーズ量Φは１×１０15cm-2とし、注入するエネルギＥは図７に示すような離散的な値を設定すること、チルト(tilt)角として７°、６０°を設定することなどの注入条件に関する情報を取得する。なお回転角(rotation)としては0度とする。
次いでステップＳ２では、取得した入力条件に基づいてデータベース(database)を参照しに行く。そしてステップＳ３では、参照したデータベース(database)からスルードーズΦa/c、パラメータRp、ΔRp、ΔRptを取得する。データベース(database)の一構成例を示す図７から、注入エネルギが離散的な値たとえば５keV、１０keV、２０keV、４０keV、８０keV、１６０keVのそれぞれにおける不純物Asの各種パラメータRp、ΔRp、ΔRptの値を取得する。また不純物AsにおけるスルードーズΦa/cとして３×１０13cm-2を取得する。
ステップＳ４では、取得した各種パラメータと、条件入力したチルト(tilt)角α(但し、0＜α＜90)の値を設定し、上述した式（１）に基づいて、非晶質層厚da(α)を実際に計算する。そしてステップＳ５では、上記ステップＳ４の計算で求めた非晶質層厚da(α)をモデルとして図６に示すように理論により求めた値(Theory)としてグラフ化する。その一方、注入エネルギＥが離散的な値たとえば２０keV、４０keV、８０keVにおける非晶質層の膜厚を実際にイオン注入して得たサンプルに対してTEMにより計測し実験データとして図６にプロットして比較し上記理論式を評価するものである。
上記のような評価を行うツールとしては、図示省略しているが、イオン注入をシミュレーションするシミュレータ上で実現可能である。その場合、TEMにより非晶質層の膜厚を計測して実験データを得る工程は除外され、実験データをシミュレータに入力して利用することになる。
以上までに説明した本発明の実施形態に係るイオン注入によって形成される非晶質層評価方法の応用について説明する。すなわち、上記の説明では、結晶性のあるSi基板へのイオン注入を前提に説明してきたが、このようなSi基板へのイオン注入に限定されるものではなく、結晶性のある基板すべてのイオン注入に適用が可能である。
また上述した本発明の非晶質層評価方法を応用すれば、非晶質層厚da(α)を精確に予想できるので、イオン注入条件に関する情報を変えて各種条件における非晶質層厚da(α)を得てこれをデータベース化し、このデータベースに基づいて、半導体装置に係るデバイス設計することによって、所期の動作特性のデバイスを得ることができる。
３１ 欠陥領域(チルト角度=0)
４１ 欠陥領域(チルト角度=α)
４１ 欠陥領域(チルト角度=α)
Claims (4)
- イオン注入条件から基板、不純物、エネルギ、ドーズ、チルト(tilt)角度、回転角(rotation)についての情報を取得する工程と、
取得したイオン注入条件についての情報をもとにデータベースを参照して所定のチルト(tilt)角度の非晶質層の膜厚を計算可能にするためのパラメータ、Φa/c(スルードーズ),
Rp(不純物濃度のピーク深さ), ΔRp(不純物濃度の深さ方向の標準偏差), ΔRpt(不純物濃度のピーク深さの横方向の標準偏差)を取得する工程と、
取得したパラメータ、Φa/c, Rp, ΔRp, ΔRpt、および、条件設定した所定のチルト角度α（但し、10＜α＜90）の値を用いて、以下の式(１)から、
計算された非晶質層厚da(α)をモデルに実験値と比較して非晶質層を評価する工程と、を含むイオン注入によって形成される非晶質層評価方法。 - 前記不純物として砒素を用いることを特徴とする請求項１記載のイオン注入によって形成される非晶質層評価方法。
- 前記チルト角度として６０°を採用したことを特徴とする請求項１記載のイオン注入によって形成される非晶質層評価方法。
- 結晶性のある基板すべてのイオン注入に前記請求項１記載の非晶質層評価方法を適用して半導体基板の表層に前記非晶質層厚da(α)を取得する工程と、
前記非晶質層厚da(α)をデータベース化する工程と、
前記データベースを利用して半導体装置に係るデバイスを設計する工程、
を含むことを特徴とする半導体装置のデバイス設計方法。
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