JPH1154450A - 不純物拡散シミュレーション方法 - Google Patents

不純物拡散シミュレーション方法

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JPH1154450A
JPH1154450A JP20903097A JP20903097A JPH1154450A JP H1154450 A JPH1154450 A JP H1154450A JP 20903097 A JP20903097 A JP 20903097A JP 20903097 A JP20903097 A JP 20903097A JP H1154450 A JPH1154450 A JP H1154450A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】計算時間の短縮化、高精度化を図ることができ
る不純物拡散シミュレーション方法を提供する。 【解決手段】半導体製造のイオン注入後の熱処理工程に
おける半導体基板中の不純物拡散をシミュレーションす
る方法において、熱処理工程時に点欠陥の1種である格
子間シリコン1が基板中のトラップ2に吸収される際の
トラップ濃度の時間変化を指数関数で近似し、点欠陥濃
度と独立に計算する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造プ
ロセスにおける不純物拡散シミュレーション方法に関
し、特に、点欠陥による影響を考慮した不純物拡散シミ
ュレーション方法に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、プロセスシミュレータは、イオ
ン注入プロセス、拡散プロセス等の半導体LSI製造プ
ロセスを計算機を用いて計算し、デバイス内部の不純物
プロファイル等の物理量や形状を予測するものである。
プロセスシミュレータを用いて、半導体デバイスが最高
の電気特性を発揮するようにプロセスの最適化を行うこ
とにより、実際にLSIを試作する場合に比べて、費
用、期間とも大幅に短縮することが可能となる。
【0003】また、プロセスシミュレータでは半導体デ
バイス内部の物理量を計算するので、半導体内部での不
純物の振る舞いを解析することが可能である。プロセス
シミュレータについての詳細な説明は、「プロセスデバ
イスシミュレーション技術」(産業図書 檀良編著、1
8ー79頁、1990年4月20日発行)に述べられて
いる。
【0004】プロセスシミュレータによって拡散プロセ
スを計算するために用いられる拡散シミュレーションで
は、半導体内部での不純物の振る舞いをあらわすため各
不純物の拡散方程式を解く必要がある。また、イオン注
入によって発生した格子間シリコンや空孔等の点欠陥
が、イオン注入された不純物と相互作用を生じ、不純物
の拡散を増速させることが、アイ・イー・イー・イー、
トランザクションズ オン エレクトロン デバイセ
ズ、第40巻、第7号、1215ー1222頁、199
3年7月、H.Hane and H.Matsumoto, "A model for Bor
on Short Time Annealing After Ion Implantation",
(IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.40, N
o.7, pp.1215-1222, July, 1993)に述べられている。
【0005】この様な現象を計算機上でシミュレートす
るためには、格子間シリコンや空孔等の点欠陥の拡散方
程式も同時に解く必要があり、特に、格子間シリコンに
ついては高精度なシミュレートが要求される。
【0006】一方、イオン注入によって大量の点欠陥が
発生した領域では、多くの複合欠陥が発生し、それらが
格子間シリコンや空孔等の点欠陥を吸収するトラップと
なる。このトラップの存在が点欠陥の分布に及ぼす影響
が無視できないため、トラップを拡散方程式に取り入れ
ることが行われている。また、熱処理による結晶性の回
復によりトラップ自体も減少すると考えられるので、そ
の効果も取り入れる必要がある。
【0007】従来では、ジャーナル オブ アブライド
フィジックス、第72巻、第8号、3431ー343
9頁、1992年10月、Heemyong Park and Mark E.L
aw,"Point defect modeling of low dose silicon impl
ant damage and oxidation effects on phosphorus and
boron diffusion in silicon",(Journal of Applied
Physics, Vol.72, No.8,pp.3431-3439,0ctober, 1992)
に記載されているように、トラップは初期状態では空で
あるが、格子間シリコンや空孔等を吸収することにより
空でなくなると考え、空のトラップの濃度を不純物濃度
や点欠陥濃度などと共に連立させて解く手法が用いられ
ている。
【0008】図3は、従来の方法を時間経過順に模式的
に示す説明図である。図3に示すように、点欠陥の1種
である格子間シリコン10は複数の空のトラップ11に
吸収され、同時に空でないトラップ12となる。この場
合、格子間シリコン濃度CIと空のトラップの濃度CET
の拡散方程式は以下のように記述される。
【0009】
【数1】 ここで、J1は格子間シリコンの単位時間あたりの流速
密度であり、GIは不純物や空孔等との相互作用による
格子間シリコンの単位時間あたりの生成濃度であり、R
I/Tは格子間シリコンがトラップに吸収される単位時間
あたりの濃度である。また、CI *は格子間シリコン濃
度の熱平衡値であり、CET *は空のトラップの濃度の熱
平衡値であり、KI/Tは格子間シリコンと空のトラップ
の結合率である。CTは全トラップ濃度すなわち空のト
ラップの初期濃度であり、イオン注入条件に依存する。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来技術で
は、空のトラップの濃度の拡散方程式を連立させて解く
ため、方程式の数が増加し計算時間が増大する。
【0011】また、イオン注入直後のように点欠陥やト
ラップが大量に存在する場合には、点欠陥とトラップの
結合が強いため、上記拡散方程式を連立させて解くと収
束性が悪くなり、時間刻みを小さくする必要があり、計
算時間が増大することがある。
【0012】さらに、格子間シリコンと空のトラップは
1:1の関係で消滅するため、トラップの絶対量が重要
となる。ところが、全トラップ濃度すなわち空のトラッ
プの初期濃度は、イオン注入条件に対する相対的な量は
比較的精度よく決定することができるが、絶対量な値は
測定が困難なため高精度に決定するのは困難である。従
って、高精度なシミュレーションが困難となる。
【0013】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、計算時間の短縮化、高精度化を図るこ
とができる不純物拡散シミュレーション方法を提供する
ことを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明は、半導体製造の
イオン注入後の熱処理工程における半導体基板中の不純
物拡散をシミュレーションする方法において、熱処理工
程時に点欠陥が半導体基板中のトラップに吸収される際
のトラップ濃度の時間変化を指数関数で近似し、点欠陥
濃度と独立に計算することを特徴とするものである。
【0015】上記トラップ濃度は、トラップの初期濃度
からの熱処理時間に対する変化が指数関数に従うものと
して求められる。
【0016】本発明の不純物拡散シミュレーション方法
は又、(1)不純物濃度及び点欠陥濃度の初期値を計算
する工程と、(2)イオン注入によって発生するトラッ
プの初期濃度を計算し、設定する工程と、(3)時刻及
びその時刻における熱処理温度を設定する工程と、
(4)設定された時刻におけるトラップ濃度を、トラッ
プの初期濃度からの熱処理時間に対する変化が指数関数
に従うものとして、点欠陥濃度と独立に計算する工程
と、(5)計算されたトラップ濃度を用いて点欠陥のト
ラップへの吸収量を計算する工程と、(6)不純物の拡
散方程式を生成し、その拡散方程式を解いて、不純物濃
度及び点欠陥濃度を更新する工程と、を有し、熱処理時
間が終了するまで、前記(3)から(6)の工程を繰り
返すことを特徴とするものである。
【0017】上記トラップの初期濃度は、イオン注入条
件に対して相対的な値を用いて設定されるのが好まし
く、例えば、格子間シリコンー空孔対の濃度を計算して
設定される。
【0018】本発明の他の形態の不純物拡散シミュレー
ション方法は、熱処理温度が各時刻によってー定ではな
い時は、熱処理工程時に点欠陥が半導体基板中のトラッ
プに吸収される際のトラップ濃度の時間変化を、各時刻
間での時間変化の積として指数関数で近似し、点欠陥濃
度と独立に計算することを特徴とするものである。
【0019】
【発明の実施の形態】以下、本発明の第1の実施の形態
について図面を参照して説明する。図1は、第1の実施
の形態においる方法を時間経過順に模式的に示す説明図
である。図1に示すように、点欠陥の1種である格子間
シリコン1は、1つのトラップ2に吸収され、時間の経
過とともにトラップ2が熱処理時間と共に減少する。本
実施の形態では、格子間シリコン濃度CIの拡散方程式
【0020】
【数2】 とする。
【0021】空のトラップ濃度CET(t)については、初
期濃度CTからの熱処理時間tに対する変化が指数関数
に従うとして、
【0022】
【数3】 とする。ここで、τTはトラップの熱処理時間に対する
変化を特徴づけるパラメータであり、熱処理温度の依存
性を有する。
【0023】次に、本発明において、トラップ濃度の時
間変化を指数関数で近似する根拠を説明する。まず、イ
オン注入後の熱処理では熱処理開始時刻よりある時間、
格子間シリコンは大部分クラスタ化しており、自由な格
子間シリコン濃度CIはクラスタからの供給((4)式
のGI)、拡散項(∇JI)とトラップへの吸収項(R
I/T)とのバランスによってほぼ一定に保たれるという
ことが、アブライド フィジカル レターズ、第69
巻、第14号、2113ー2115頁、1996年9
月、H.S.Chao,P.B.Griffin, J.D.Plummer and C.S.Raff
erty, "The dose, energy, and time dependence of si
licon self-implantation induced transientdiffusion
at 750℃,(Applied Physical Letters, Vol.69, No.1
4 pp.2113-2115, September, 1996)に述べられてい
る。
【0024】また、格子間シリコン濃度がほぼー定であ
る時間とトラップが影響を及ぼす時間とは同じ程度と考
えられることから、従来技術において、(3)式の右辺
の第1項の格子間シリコン濃度がー定であるとし、
【0025】
【数4】 より、第2項を無視すると、空のトラップ濃度は、
【0026】
【数5】 として、指数関数で近似することが可能である。
【0027】次に、本実施の形態での、パラメータの決
定方法について説明する。まず、トラップはイオン注入
による結晶性の乱れに起因すると考えられるので、ある
熱処理温度におけるτTの値は、その熱処理温度におけ
る基板の欠陥の回復時間と同じ程度であり、実際に基板
の欠陥の変化を観察することにより見積もることが可能
である。
【0028】また、トラップの初期濃度CTおよび、格
子間シリコンとトラップの結合率KI/Tについては、本
発明では、KI/TTを1つのパラメータとして扱うこと
が可能である。従って、CTについては比較的精度良く
決定することが可能なイオン注入条件に対しての相対的
な値を用いる。例えば、イオン注入シミュレータによっ
て計算される格子間シリコンー空孔対の濃度を用いる方
法がある。KI/Tについてはフィッチングパラメータと
して不純物分布を精度よく再現するように値を調整す
る。
【0029】図2は、第1の実施の形態を説明するため
のフローチャートである。図2に示すように、まず、イ
オン注入シミュレータを用いて、不純物および点欠陥濃
度の初期値の計算を行う(ステップS1)。
【0030】次いで、イオン注入によって発生するトラ
ップの初期濃度を設定する(ステップS2)。
【0031】次いで、時刻及びその時刻における熱処理
温度を設定し(ステップS3)、その時刻におけるトラ
ップ濃度を上記(6)式を用いて計算する(ステップS
4)。
【0032】次いで、ステップS4で計算されたトラッ
プ濃度を用いて上記(5)式から点欠陥のトラップへの
吸収量を計算する(ステップS5)。
【0033】次いで、拡散方程式を生成し(ステップS
6)、その拡散方程式を解く(ステップS7)。
【0034】次いで、拡散方程式の解を用いて不純物お
よび点欠陥濃度を更新する(ステップS8)。
【0035】その後、熱処理時間の終了を判定し(ステ
ップS9)、熱処理時間が終了していれば解析を終了
し、終了していなければ、ステップS3に戻り、各ステ
ップを繰り返す。
【0036】次に、本発明の第2の実施の形態について
説明する。第2の実施の形態は、第1の実施の形態と異
なり、熱処理温度が各時刻によってー定ではない場合の
不純物拡散シミュレーション方法である。第2の実施の
形態では、空のトラップ濃度CET(t)の時間変化は、初
期濃度CT 、各時刻tiとその時刻における熱処理温度
iでのτT(Ti)を用いて、
【0037】
【数6】 と表される。ただし、t0=0である。第2の実施の形
態でのパラメータは第1の実施の形態と同じものを用
い、第2の実施の形態での解析手段については第1の実
施の形態と同じである。
【0038】
【発明の効果】本発明によれば、トラップ濃度の時間変
化を指数関数で近似するので、従来技術に比べ方程式の
数が減少し、また収束性がよくなる。その結果、計算時
間の短縮化を図ることができ、プロセスシミュレー夕の
実用性が向上する。
【0039】また、本発明では測定が困難なトラップの
絶対量を求める必要がなく、イオン注入条件に対する相
対的な値を求めればよいので、高精度化を図ることがで
き、プロセスシミュレータの実用性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態の方法を時間経過順に模式的
に示す説明図である。
【図2】第1の実施の形態を説明するためのフローチャ
ートである。
【図3】従来の方法を時間経過順に模式的に示す説明図
である。
【符号の説明】
1:格子間シリコン 2:トラップ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体製造のイオン注入後の熱処理工程に
    おける半導体基板中の不純物拡散をシミュレーションす
    る方法において、熱処理工程時に点欠陥が半導体基板中
    のトラップに吸収される際のトラップ濃度の時間変化を
    指数関数で近似し、点欠陥濃度と独立に計算することを
    特徴とする不純物拡散シミュレーション方法。
  2. 【請求項2】前記トラップ濃度は、トラップの初期濃度
    からの熱処理時間に対する変化が指数関数に従うものと
    して求められることを特徴とする請求項1に記載の不純
    物拡散シミュレーション方法。
  3. 【請求項3】半導体製造のイオン注入後の熱処理工程に
    おける半導体基板中の不純物拡散をシミュレーションす
    る方法において、(1)不純物濃度及び点欠陥濃度の初
    期値を計算する工程と、(2)イオン注入によって発生
    するトラップの初期濃度を計算し、設定する工程と、
    (3)時刻及びその時刻における熱処理温度を設定する
    工程と、(4)設定された時刻におけるトラップ濃度
    を、トラップの初期濃度からの熱処理時間に対する変化
    が指数関数に従うものとして、点欠陥濃度と独立に計算
    する工程と、(5)計算されたトラップ濃度を用いて点
    欠陥のトラップへの吸収量を計算する工程と、(6)不
    純物の拡散方程式を生成し、その拡散方程式を解いて、
    不純物濃度及び点欠陥濃度を更新する工程と、 を有し、熱処理時間が終了するまで、前記(3)から
    (6)の工程を繰り返すことを特徴とする不純物拡散シ
    ミュレーション方法。
  4. 【請求項4】前記トラップの初期濃度は、イオン注入条
    件に対して相対的な値を用いて設定されることを特徴と
    する請求項2又は3に記載の不純物拡散シミュレーショ
    ン方法。
  5. 【請求項5】前記トラップの初期濃度は、格子間シリコ
    ンー空孔対の濃度を計算して設定されることを特徴とす
    る請求項4に記載の不純物拡散シミュレーション方法。
  6. 【請求項6】半導体製造のイオン注入後の熱処理工程に
    おける半導体基板中の不純物拡散をシミュレーションす
    る方法において、熱処理温度が各時刻によってー定では
    ない時は、熱処理工程時に点欠陥が半導体基板中のトラ
    ップに吸収される際のトラップ濃度の時間変化を、各時
    刻間での時間変化の積として指数関数で近似し、点欠陥
    濃度と独立に計算することを特徴とする不純物拡散シミ
    ュレーション方法。
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