JP4350818B2 - Semiconductor process simulation method and apparatus - Google Patents

Description

【００１３】
上記（１）式におけるｆ（ｘ）は、格子間シリコン原子クラスタのイオン注入直後のプロファイルであって、イオン注入された不純物プロファイル形状を縮小したものである。また、τは、解離の時定数であり、温度に依存している。
【００１４】
このような形式により格子間シリコン原子クラスタを記述した理由は、格子間シリコン原子がイオン注入と熱処理（アニール）により、イオン注入直後の極短い時間しか観察されないため、この間のトランジェントな増速拡散のための格子間シリコン原子の供給源であると考えられているからである。
【００１５】
しかしながら、このようなモデルでは、主に以下の▲１▼、▲２▼で示す２点で問題があると考えられている。
【００１６】
▲１▼ 自由な格子間シリコン原子６２と格子間シリコン原子クラスタ６４のプロファイルは、イオン注入された不純物プロファイル６０からそれぞれ独立の縮小率を用いて求められる。このモデルでは、自由な格子間シリコン原子６２と格子間シリコン原子クラスタ６４との関係が充分記述されていないため、それぞれのプロファイルを決定するための縮小率が自由な格子間シリコン原子と格子間シリコン原子クラスタとの関係から考えて、不適当な組み合わせが選ばれる可能性がある。
【００１７】
▲２▼ 自由な格子間シリコン原子６２と格子間シリコン原子クラスタ６４との関係が充分記述されていないため、解離の時定数τという余分なパラメータを導入しなくてはならない。
【００１８】
そこで、半導体プロセスシュミレーション装置の傾向としては、基本となるモデルはできる限り簡単なモデルを使用し、合わせ込みのパラメータをデータベース化して、様々なプロセスに対応しようとする動きが以前からあった。
【００１９】
なお、学術論文発表においては、格子間シリコン原子がトランジェントな増速拡散に影響を与えているという報告は、例えば、「I.G.Salisbury and M.H.Loretto,Philos.Mag. 39,317(1979)」,「 L.H.Zhang, K.S.Jones,P.H.Chi,and D.S.Simons,Appl. Phys.Lett. 67,2025 (1995)」,「K.S.Jones and L.Zhang, Electrochemical Society Proceedings Volume 94-4,116」 等のように数多くあるが、格子間シリコン原子クラスタを半導体プロセスシミュレーションに応用した論文、あるいは、公報等を見つけることはできなかった。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の半導体プロセスシミュレーション装置にあっては、データベース化された範囲内しかシミュレーションできないという問題があった。
【００２１】
また、トランジェントな格子間シリコン原子の挙動がプロセスの結果に大きく作用するようなプロセスでは、特に、微細なデバイスほどトランジェントな格子間シリコン原子の挙動の影響が大きくなる。このため、トランジェントな格子間シリコン原子の挙動が入っていない簡単なモデルでは、同一のプロセスであっても一つのパラメータでは、サイズの異なるデバイスに対して正しいシミュレーション結果を得ることができず、プロセスシミュレーションの結果をデバイスシミュレーションに利用してデバイス特性を予測するといった使い方ができないという問題があった。
【００２２】
そこで、現在では、半導体プロセスシミュレーション装置に使用するモデルとして、半導体プロセス中の現象をより物理的に記述するモデルを使用するようになってきている。例えば、点欠陥拡散モデル、転位の輪のモデル、格子間シリコン原子クラスタモデルといったモデルが、半導体プロセスシミュレーション装置に導入されてきているのもこうした理由による。
【００２３】
しかしながら、このような半導体プロセスシミュレーション装置に導入されている格子間シリコン原子クラスタモデルであっても、現象の記述が不十分な場合は、余分なパラメータが発生したり、不適当なパラメータの組み合わせが生じるという問題があった。
【００２４】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、不純物拡散計算を行う際に、より内部現象を記述したモデルを使って正確なシミュレーションを行うことができる半導体プロセスシュミレーション方法および装置を提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために，請求項１に記載の発明は、半導体の製造プロセスをシミュレーションする半導体プロセスシミュレーション方法において、イオン注入の際に、イオン注入によってシリコン基板中に導入される格子間シリコン原子の特性を考慮し、イオン注入工程後の熱処理工程における不純物拡散計算に不純物原子、格子間シリコン原子、およびシリコン原子空孔の点欠陥の連続式を連立して解く点欠陥拡散モデルを使用し、前記点欠陥拡散モデルを使用して不純物拡散計算を行う際に、前記イオン注入工程でシリコン基板中に導入された格子間シリコン原子のうち、指定濃度以上の格子間シリコン原子は不動であるとして、格子間シリコン原子の拡散の連続方程式に寄与しないとしたものである。
【００２６】
これによれば、指定の濃度以上の格子間シリコン原子は不動であるとして格子間シリコン原子の拡散の連続方程式に寄与しないとしたことにより、固溶限以上の格子間シリコン原子がクラスタを形成して拡散に寄与しなくなるという格子間シリコン原子のクラスタの効果を考慮することができる。また、指定濃度以下の格子間シリコン原子は、格子間シリコン原子濃度の低い領域に拡散していくが、その結果、不動とした領域の周囲の格子間シリコン原子濃度が下がることにより、この間、不動とした格子間シリコン原子が自由な格子間シリコン原子の供給源として作用する。このため、自由な格子間シリコン原子の供給源としてのクラスタの効果を考慮することができる。
【００２７】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体プロセスシミュレーション方法において、前記格子間シリコン原子を不動とする濃度の指定値をイオン注入のイオン種、注入エネルギー、注入ドーズといったイオン注入条件、および熱処理条件などに応じて異なった値をとるようにしたものである。
【００２８】
これによれば、格子間シリコン原子を不動とする濃度の指定値として、イオン注入のイオン種、注入エネルギー、注入ドーズといったイオン注入条件、および熱処理条件などのプロセス条件によって異なる値を使用可能としたため、｛３１１｝クラスタ（格子間シリコン原子クラスタ）の閾値ドーズが異なっているという実験条件を反映したプロセスシミュレーションを実施することができる。
【００２９】
また、請求項３に記載の発明は、半導体の製造プロセスをシミュレーションする半導体プロセスシミュレーション装置において、イオン注入のイオン種、注入エネルギー、注入ドーズといったイオン注入条件、および熱処理条件などのプロセス条件ごとに異なっている格子間シリコン原子を不動とする濃度の指定値を数値テーブルに格納する記憶手段と、前記記憶手段の数値テーブルから計算を行うプロセス条件に応じた格子間シリコン原子の適切な濃度の指定値を算出するプロセス条件依存性計算手段と、前記プロセス条件依存性計算手段で算出された濃度の指定値を用いて、拡散に寄与する活性化された格子間シリコン原子濃度を算出する活性格子間シリコン原子濃度計算手段と、前記活性格子間シリコン原子濃度計算手段で算出された活性格子間シリコン原子濃度を用いて、不純物原子、格子間シリコン原子、およびシリコン原子空孔の点欠陥の連続式を連立して解く点欠陥拡散モデルを使用した不純物拡散計算を行う点欠陥拡散モデル計算手段と、を備えたものである。
【００３０】
これによれば、プロセス条件ごとに異なる格子間シリコン原子の濃度の指定値を数値テーブルとして格納する記憶領域を持たせ、計算を行うプロセス条件に合わせて、指定値の数値テーブルの値から内挿法などにより適切な指定値を求めるプロセス条件依存性計算部を持たせたことにより、請求項２に記載したプロセスシミュレーション方法を実施することが可能となる。また、プロセス条件依存性計算部で算出された指定値に従って、活性格子間シリコン原子濃度計算部で、連続式を解く際に有効な活性化格子間シリコン原子濃度を算出し、活性化格子間シリコン原子濃度を格子間シリコン原子の連続式を解く際に使用するようにしたことにより、請求項１に記載したプロセスシミュレーション方法を実施することが可能となる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体プロセスシミュレーション方法および装置の実施の形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００３２】
〔実施の形態１〕
シリコン基板に高濃度イオン注入を行った際に、ダメージにより生成された格子間シリコン原子は、固溶の上限を越えるとクラスタとして｛３１１｝結晶面に析出される。このように、クラスタを形成した格子間シリコン原子は、不動となって拡散には寄与しないが、周囲の格子間シリコン原子濃度が下がってくると、自由な格子間シリコン原子の発生源となる。
【００３３】
以下の実施の形態では、このようなモデルを使って半導体プロセスシミュレーション装置上で半導体の製造プロセスをシュミレーションできるようにしたものである。
【００３４】
図１は、本実施の形態１の格子間シリコン原子クラスタモデルにおける拡散初期状態を説明する図である。図１に示すように、イオン注入直後の拡散計算の初期状態において、イオン注入のダメージにより生成された格子間シリコン原子１２は、イオン注入の不純物濃度プロファイル１０を縮小した形状を使用する。この格子間シリコン原子のうち固溶限を表わす指定濃度１４以上のものは、格子間シリコン原子クラスタにトラップされている格子間シリコン原子１２ｂであり、指定濃度１４以下のものは、自由な格子間シリコン原子１２ａとして連続式を解くようにする。
【００３５】
また、実施の形態１では、イオン注入のダメージにより発生した平衡濃度よりも過剰の格子間シリコン原子が、拡散工程の初期状態にシリコン基板の表面近くに存在する場合、計算領域をシリコン基板のかなり奥まで計算しなければならない。これは、表面近くに存在していた平衡状態よりも過剰の格子間シリコン原子が、シリコン基板の奥深くに拡散していって、格子間シリコン原子濃度が速やかに下がるようにするためである。
【００３６】
図２は、実施の形態１の格子間シリコン原子クラスタモデルにおいて拡散が少し経過した後の状態を説明する図である。図２に示すように、指定濃度２４以下の格子間シリコン原子は、図１の状態よりも濃度の低い領域へ拡散する。これにともなって、指定濃度２４以上にある格子間シリコン原子は、拡散に対して不動としていた格子間シリコン原子クラスタ２２ｂの周囲の格子間シリコン原子濃度が下がる。
【００３７】
これは、クラスタを形成し格子間シリコン原子が不動であるとした領域から外部の領域へ流出した格子間シリコン原子の分だけ、クラスタの格子間シリコン原子２２ｂから自由な格子間シリコン原子２２ａが補充され、また、このようにクラスタから自由な格子間シリコン原子２２ａへ補充された分だけ、クラスタに不動化されている格子間シリコン原子２２ｂが少なくなるからである。
【００３８】
図３は、実施の形態１の格子間シリコン原子クラスタモデルにおいて拡散が図２よりもさらに進んだ後の状態を説明する図である。図３に示すように、上記図１および図２の経過によって、不動とした格子間シリコン原子（１２ｂ、２２ｂ）の領域から自由な格子間シリコン原子（１２ａ、２２ａ）へ補充が行われた結果、不動とした格子間シリコン原子の領域の領域が消失していることがわかる。そして、この後、通常の点欠陥拡散モデルの場合と同様に、格子間シリコン原子は、連続式に従って拡散していくことになる。
【００３９】
また、上記した図１、図２および図３の説明では、説明を簡潔にするため、格子間シリコン原子の拡散についてのみ説明したが、通常の点欠陥拡散モデルの場合と同様に、格子間シリコン原子の連続式は、シリコン原子間空孔と不純物原子の連続式と連立して解かなければならないことは勿論である。
【００４０】
以上説明したように、本実施の形態１によれば、イオン注入の際にシリコン基板中に導入される格子間シリコン原子のうち、指定の濃度以上のものは、不動であるとして、格子間シリコン原子の拡散の連続方程式に寄与しないとする。格子間シリコン原子クラスタにおいて、▲１▼格子間シリコン原子のトラップサイトとしての働き、▲２▼格子間シリコン原子の供給源としての働き、および、▲３▼熱処理工程の極初期過程で消失するという３つの特性を考慮して、半導体の製造プロセスの拡散工程計算を行うようにしたため、点欠陥拡散モデルに組み込む際に、従来例よりも有効な格子間シリコン原子クラスタモデルを実現することが可能となり、より正確なプロセスシュミレーションを行うことができる。
【００４１】
〔実施の形態２〕
図４は、実施の形態２に係る半導体プロセスシュミレーション方法を説明する図である。図４に示されるように、本実施の形態２では、格子間シリコン原子を不動とする濃度の指定値として、イオン注入のイオン種、注入エネルギー、あるいは注入ドーズといったイオン注入条件や、イオン注入後の熱処理条件等に応じて異なる値を指定できるようにしたものである。
【００４２】
例えば、格子間シリコン原子クラスタは、イオン注入を行う際のイオン種、注入エネルギーといったプロセス条件により、それが形成される閾値ドーズが異なってくることが実験から分かっている。このため、固溶限を越えた高濃度の格子間シリコン原子が析出しやすい｛３１１｝結晶面に析出してクラスタを形成したものが格子間シリコン原子クラスタであるとすると、生成される閾値ドーズのプロセス条件による違いは、格子間シリコン原子の固溶限は条件依存性がなく、シリコン結晶中に導入されるダメージ量の方がプロセス条件によって異なってくると解釈する方が正しいと考えられる。
【００４３】
しかし、格子間シリコン原子クラスタモデルや転位の輪のモデルといった結晶欠陥モデルの点欠陥拡散モデルへの組み込みについては、現在も研究対象となっている分野であり、その正確なメカニズムついては未だ明らかにされていないため、例えば、不純物原子と格子間シリコン原子との組み合わせでクラスタが形成され、このクラスタがトランジェントな拡散に影響を与えるという説もある。
【００４４】
このように、転位の輪、不純物原子と格子間シリコン原子によるクラスタ、あるいは、未知の結晶欠陥といった格子間シリコン原子クラスタ以外の欠陥が存在し、それぞれの欠陥の数がプロセス条件により異なっている場合は、格子間シリコン原子全体から見た格子間シリコン原子のクラスタを形成する閾値が異なってくると考えられる。したがって、プロセスシミュレーションの使用者からすると、格子間シリコン原子を不動とする濃度の指定値については、プロセス条件ごとに異なった値が使用できるようにすることが望ましい。
【００４５】
これを図４を用いて説明すると、例えば、プロセス条件１の場合は、全格子間シリコン原子濃度プロファイル４０に対して、格子間シリコン原子を拡散に対して不動とする指定濃度４２を指定するようにし、プロセス条件２の場合は、全格子間シリコン原子濃度プロファイル４０に対して、格子間シリコン原子を拡散に対して不動とする指定濃度４４を指定するようにし、プロセス条件３の場合は、全格子間シリコン原子濃度プロファイル４０に対して、格子間シリコン原子を拡散に対して不動とする指定濃度４６を指定するというようにする。
【００４６】
以上説明したように、本実施の形態２によれば、格子間シリコン原子を不動とする濃度の指定値として、イオン注入のイオン種、注入エネルギー、注入ドーズといったイオン注入条件や熱処理条件に応じて異なる値が使用できるようにしたため、イオン注入のイオン種、注入エネルギーといったプロセス条件によって、｛３１１｝クラスタ（格子間シリコン原子クラスタ）の閾値ドーズが異なっているという実験条件を反映した、より正確なプロセスシミュレーションを実施することができる。
【００４７】
〔実施の形態３〕
図５は、実施の形態３に係る半導体プロセスシュミレーション装置の概略構成を示す図である。図５に示されるように、実施の形態３の半導体プロセスシュミレーション装置は、格子間シリコン原子を不動とする指定値を指定値を数値テーブルとしてのデータベースに格納する記憶領域５０、その記憶領域５０に格納されたデータベースから計算プロセス条件に適した指定値を計算するプロセス条件依存性計算部５２、そのプロセス条件依存性計算部５２で計算された指定値を用いて拡散に寄与する格子間シリコン原子濃度を計算する活性化格子間シリコン原子濃度計算部５４、およびその活性化格子間シリコン原子濃度計算部５４で計算された活性化格子間シリコン原子濃度を用いて計算する点欠陥拡散モデル計算部５６などにより構成されている。
【００４８】
記憶領域５０は、プロセス条件毎に異なっている格子間シリコン原子を不動とする指定値を数値テーブルとしてのデータベースに保存する。ここに格納される数値は、透過電子顕微鏡観察などの実験などによって得られた数値、あるいは、プロセスシミュレーションの使用者がその経験上から適正と判断する数値などが格納される。
【００４９】
プロセス条件依存性計算部５２は、記憶領域５０のデータベースに格納されている指定値から、内挿法や外挿法などを用いて、プロセスシミュレーションを行おうとしているプロセス条件に対応する指定値を算出するものである。
【００５０】
活性化格子間シリコン原子濃度計算部５４は、プロセス条件依存性計算部５２で算出した指定値を用いて、全格子間シリコン原子濃度プロファイルから活性化格子間シリコン原子濃度プロファイルを算出するものである。
【００５１】
点欠陥拡散モデル計算部５６は、活性化格子間シリコン原子濃度計算部５６で算出された活性化格子間シリコン原子濃度プロファイルを用いて点欠陥拡散モデルの計算を行うものである。
【００５２】
また、上記した活性化格子間シリコン原子濃度計算部５４と点欠陥拡散モデル計算部５６は、拡散計算部５８を構成しており、ここではタイムステップごとに計算が行われる。すなわち、点欠陥拡散モデル計算部５６の該当タイムステップ終了後の活性化格子間シリコン原子濃度プロファイルから全格子間シリコン原子濃度プロファイルを算出し、この該当タイムステップ後の全格子間シリコン原子濃度プロファイルから新たに活性化格子間シリコン原子濃度プロファイルを算出して、次タイムステップの点欠陥拡散モデル計算に使用するようにする。
【００５３】
本実施の形態３の半導体プロセスシュミレーション装置は、上記実施の形態１および実施の形態２の半導体プロセスシュミレーション方法を実施できるようにしたものである。
【００５４】
すなわち、プロセス条件ごとに異なっている格子間シリコン原子の濃度の指定値を記憶領域５０のデータベースに格納して、計算を行うプロセス条件に合わせてデータベースから内挿法などにより適切な指定値をプロセス条件依存性計算部５２で算出できるようにしたことにより、上記実施の形態２で説明した半導体プロセスシミュレーション方法を実施することができる。
【００５５】
また、プロセス条件依存性計算部５２で算出された指定値に従って、活性格子間シリコン原子濃度計算部５４で連続式を解く際に有効な活性化格子間シリコン原子濃度を算出し、活性化格子間シリコン原子濃度を格子間シリコン原子の連続式を解く際に使用することにより、上記実施の形態１で説明した半導体プロセスシミュレーション方法を実施することができる。
【００５６】
以上説明したように、本実施の形態３によれば、不純物拡散計算を行う際に、従来よりも重要な格子間シリコン原子クラスタの特性を考慮した格子間シリコン原子クラスタモデルが使用できるため、より正確なプロセスシュミレーションを実施することができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の半導体プロセスシュミレーション方法によれば、従来よりも格子間シリコン原子クラスタの特性を考慮した格子間シリコン原子クラスタモデルを点欠陥拡散モデルに組み込んで拡散工程計算を行うようにしたので、より正確なプロセスシュミレーションを実施することができる。
【００５８】
また、請求項２に記載の半導体プロセスシュミレーション方法によれば、格子間シリコン原子を不動とする濃度の指定値が、イオン注入のイオン種、注入エネルギー、注入ドーズといったイオン注入条件、および熱処理条件などに応じて異なる値がとれるようにしたので、プロセス条件依存性に対応したプロセスシミュレーションを実施することができる。
【００５９】
また、請求項３に記載の半導体プロセスシュミレーション装置によれば、重要な格子間シリコン原子クラスタの特性を従来よりも考慮した格子間シリコン原子クラスタモデルを、不純物拡散計算の際に使用するように構成したので、より正確なプロセスシュミレーションを実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態１の格子間シリコン原子クラスタモデルにおける拡散初期状態を説明する図である。
【図２】実施の形態１の格子間シリコン原子クラスタモデルにおいて拡散が少し経過した後の状態を説明する図である。
【図３】実施の形態１の格子間シリコン原子クラスタモデルにおいて拡散が図２よりもさらに進んだ後の状態を説明する図である。
【図４】実施の形態２に係る半導体プロセスシュミレーション方法を説明する図である。
【図５】実施の形態３に係る半導体プロセスシュミレーション装置の概略構成を示す図である。
【図６】従来の格子間シリコン原子クラスタモデルを説明する図である。
【符号の説明】
１０ 不純物濃度プロファイル
１２ 格子間シリコン原子
１２ａ 格子間シリコン原子（自由な格子間シリコン原子）
１２ｂ 格子間シリコン原子（格子間シリコン原子クラスタにトラップされている格子間シリコン原子）
１４ 指定濃度（不動とする指定濃度）
２０ 不純物濃度プロファイル
２２ 格子間シリコン原子
２２ａ 格子間シリコン原子（自由な格子間シリコン原子）
２２ｂ 格子間シリコン原子（格子間シリコン原子クラスタにトラップされている格子間シリコン原子）
２４ 指定濃度（不動とする指定濃度）
３０ 不純物濃度プロファイル
３２ 格子間シリコン原子
３２ａ 格子間シリコン原子（自由な格子間シリコン原子）
３４ 指定濃度（不動とする指定濃度）
４０ 全格子間シリコン原子濃度プロファイル
４２ 指定濃度（プロセス条件１の場合）
４４ 指定濃度（プロセス条件２の場合）
４６ 指定濃度（プロセス条件３の場合）
５０ 記憶領域（格子間シリコン原子を不動とする指定値を格納する記憶領域）
５２ プロセス条件依存性計算部
５４ 活性化格子間シリコン原子濃度計算部
５６ 点欠陥拡散モデル計算部
５８ 拡散計算部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor process simulation method and apparatus, and more particularly, a semiconductor process simulation for simulating a semiconductor manufacturing process in consideration of interstitial silicon atom clusters generated by damage during ion implantation into a silicon substrate. It relates to a method and an apparatus.
[0002]
[Prior art]
In today's semiconductor device development, semiconductor process simulation equipment that simulates the semiconductor manufacturing process occupies an important position, and semiconductor process simulation equipment developed as a product is becoming widespread. It's being used.
[0003]
However, the models built in commercially available semiconductor process simulation equipment are still physically insufficient, so when manufacturing semiconductor devices, the simulation parameters used for each process must be adjusted. There were many.
[0004]
In particular, in the heat treatment process in the manufacturing process, the heat treatment temperature is decreasing year by year, and in such a low-temperature heat treatment, crystal defects in the silicon wafer that have not been a problem in the manufacturing process using the conventional high-temperature heat treatment are present. It is said that the diffusion of impurities during the heat treatment is affected, and the interstitial silicon atom cluster of the silicon crystal (the {311} cluster or {311} taking the name of the crystal plane of the silicon crystal on which the cluster is formed) }, Also referred to as interstitial clusters, is said to affect impurity diffusion by a low-temperature heat treatment step.
[0005]
For example, a semiconductor process simulation apparatus incorporating an interstitial silicon atom cluster ({311} cluster) model is commercialized by TMA, Silvaco, and the like. The interstitial silicon atom cluster model ({311} cluster model) incorporated in a commercialized semiconductor process simulation apparatus is implanted as a profile of interstitial silicon atoms trapped in the interstitial silicon atom clusters immediately after ion implantation. The shape obtained by reducing the impurity profile is used. The free interstitial silicon atom profile also uses a shape obtained by reducing the implanted impurity part profile, but uses a reduction rate independent of the reduction rate used for the interstitial silicon atom cluster profile.
[0006]
FIG. 6 is a diagram for explaining this conventional interstitial silicon atom cluster model. In FIG. 6, the horizontal axis indicates the depth from the surface of the silicon substrate, the vertical axis indicates the impurity concentration or interstitial silicon atom concentration, and the diagram in the figure shows the ion-implanted impurity 60, free interstitial silicon atoms 62, And interstitial silicon atoms 64 trapped in the interstitial silicon atom clusters, respectively.
[0007]
First, when high-concentration ion implantation is performed on a silicon substrate, damage is introduced by entering while destroying the silicon crystal. When heat treatment (annealing) is performed after ion implantation, damage in the silicon crystal is caused. It appears as defects such as interstitial silicon atom clusters ({311} clusters) and dislocation rings. These defects such as interstitial silicon atom clusters and dislocation rings act as trap sites for interstitial silicon atoms and affect the initial stage of the diffusion phenomenon in the heat treatment process. In particular, since interstitial silicon atom clusters are observed in the very initial stage of heat treatment rather than dislocation rings, it is considered that the interstitial silicon atom cluster affects the very initial stage of transient accelerated diffusion.
[0008]
Interstitial silicon atom clusters are thought to be caused by the formation of clusters by precipitation on {311} cluster crystal planes where high concentrations of interstitial silicon atoms exceeding the solid solubility limit are likely to precipitate. ing. Such interstitial silicon atom clusters ({311} clusters) have the effect of immobilizing against diffusion for high-concentration interstitial silicon atoms exceeding the solid solubility limit. When the free interstitial silicon atom concentration decreases, it acts as a source of free interstitial silicon atoms.
[0009]
As described above, in the conventional interstitial silicon atom cluster model, the free interstitial silicon atom concentration profile 62 and the clustered interstitial silicon atom concentration profile 64 are the same even if they have independent scales. Since the shape is used, the function of the interstitial silicon atom cluster acting as a source of free interstitial silicon atoms is expressed, but the function as a trap site of free interstitial silicon atoms is expressed. Neither was it expressed how the interstitial silicon atom clusters dissociate.
[0010]
Therefore, in the conventional interstitial silicon atom cluster model, in order to avoid the above problems, a time constant τ indicating the dissociation rate of the interstitial silicon atom cluster has been introduced.
[0011]
In addition, as shown in FIG. 6, the interstitial silicon atoms 64 trapped in the interstitial silicon atom clusters are exponential functions with respect to time, and are released as free interstitial silicon atoms in the diffusion system. Silicon atom clusters disappear. The interstitial silicon atoms that are open to such a diffusion system can be expressed as the following equation (1).
[0012]
[Expression 1]

[0013]
In the above equation (1), f (x) is a profile immediately after the ion implantation of the interstitial silicon atom clusters, and is a reduced profile of the ion implanted impurity profile. Further, τ is a time constant of dissociation and depends on temperature.
[0014]
The reason for describing the interstitial silicon atom cluster in such a form is that the interstitial silicon atoms are observed only for a very short time immediately after the ion implantation by ion implantation and heat treatment (annealing). This is because it is considered to be a source of interstitial silicon atoms.
[0015]
However, such a model is considered to have problems mainly in the following two points (1) and (2).
[0016]
{Circle around (1)} Profiles of free interstitial silicon atoms 62 and interstitial silicon atom clusters 64 are obtained from the ion-implanted impurity profile 60 using independent reduction ratios. In this model, the relationship between the free interstitial silicon atoms 62 and the interstitial silicon atom clusters 64 is not sufficiently described. Therefore, the reduction rate for determining each profile can be freely reduced between the interstitial silicon atoms and the interstitial silicon. Considering the relationship with the atomic cluster, an unsuitable combination may be selected.
[0017]
(2) Since the relationship between free interstitial silicon atoms 62 and interstitial silicon atom clusters 64 is not sufficiently described, an extra parameter called time constant τ of dissociation must be introduced.
[0018]
Therefore, as a trend of semiconductor process simulation apparatuses, there has been a movement to use various basic processes by using a simple model as a basic model and creating a database of fitting parameters.
[0019]
In academic paper publications, reports that interstitial silicon atoms affect transient enhanced diffusion are, for example, `` IGSalisbury and MHLoretto, Philos.Mag. 39, 317 (1979) '', `` LHZhang, KS Jones, PHChi, and DSSimons, Appl. Phys. Lett. 67, 2025 (1995) ”,“ KS Jones and L. Zhang, Electrochemical Society Proceedings Volume 94-4, 116 ”, etc. I could not find papers or publications that were applied to the simulation.
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
However, such a conventional semiconductor process simulation apparatus has a problem that simulation can be performed only within a database range.
[0021]
In addition, in a process in which the behavior of transient interstitial silicon atoms greatly affects the process result, the influence of the behavior of transient interstitial silicon atoms is particularly great in a finer device. For this reason, with a simple model that does not include transient interstitial silicon atom behavior, even with the same process, it is not possible to obtain correct simulation results for devices of different sizes with one parameter. There is a problem that it is not possible to use the simulation results for device simulation to predict device characteristics.
[0022]
Therefore, at present, as a model used in a semiconductor process simulation apparatus, a model that more physically describes a phenomenon in a semiconductor process has been used. For example, models such as a point defect diffusion model, a dislocation ring model, and an interstitial silicon atom cluster model have been introduced into a semiconductor process simulation apparatus.
[0023]
However, even with an interstitial silicon atom cluster model introduced in such a semiconductor process simulation apparatus, if the description of the phenomenon is insufficient, an extra parameter is generated or an inappropriate combination of parameters is generated. There was a problem that occurred.
[0024]
The present invention has been made in view of the above, and provides a semiconductor process simulation method and apparatus capable of performing an accurate simulation using a model describing internal phenomena when performing impurity diffusion calculation. With the goal.
[0025]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor process simulation method for simulating a semiconductor manufacturing process, wherein interstitial silicon introduced into a silicon substrate by ion implantation at the time of ion implantation. In consideration of the characteristics of the atoms, a point defect diffusion model that solves the continuous equation of point defects of impurity atoms, interstitial silicon atoms, and silicon vacancies in the impurity diffusion calculation in the heat treatment process after the ion implantation process is used. When the impurity diffusion calculation is performed using the point defect diffusion model, among the interstitial silicon atoms introduced into the silicon substrate in the ion implantation step, interstitial silicon atoms having a specified concentration or more are immobile. It does not contribute to the continuity equation of diffusion of interstitial silicon atoms.
[0026]
According to this, since interstitial silicon atoms of a specified concentration or higher are immobile, they do not contribute to the continuous equation of diffusion of interstitial silicon atoms, so that interstitial silicon atoms above the solid solubility limit form clusters. Therefore, the effect of the cluster of interstitial silicon atoms that does not contribute to diffusion can be considered. In addition, interstitial silicon atoms below the specified concentration diffuse into the region where the interstitial silicon atom concentration is low, and as a result, the interstitial silicon atom concentration around the immobilized region decreases. These interstitial silicon atoms act as a source of free interstitial silicon atoms. For this reason, the effect of clusters as a source of free interstitial silicon atoms can be considered.
[0027]
According to a second aspect of the present invention, there is provided the semiconductor process simulation method according to the first aspect, wherein the specified value of the concentration at which the interstitial silicon atoms are immobilized is an ion species of ion implantation, implantation energy, implantation dose, or the like. Different values are taken according to the implantation conditions, heat treatment conditions, and the like.
[0028]
According to this, because the specified value of the concentration at which the interstitial silicon atoms are immobilized, different values can be used depending on the process conditions such as ion implantation conditions such as ion implantation, implantation energy, implantation dose, and heat treatment conditions. , {311} clusters (interstitial silicon atom clusters) can be subjected to a process simulation reflecting the experimental condition that the threshold doses are different.
[0029]
Further, the invention described in claim 3 is a semiconductor process simulation apparatus for simulating a semiconductor manufacturing process, and is different for each process condition such as ion implantation conditions such as ion species, implantation energy, implantation dose, and heat treatment conditions. A storage means for storing a specified value of a concentration for immobilizing interstitial silicon atoms in a numerical table, and a specified value of an appropriate concentration of interstitial silicon atoms according to a process condition for calculating from the numerical table of the storage means A process condition dependency calculating means for calculating the active interstitial silicon for calculating the concentration of activated interstitial silicon atoms contributing to diffusion using the specified concentration value calculated by the process condition dependency calculating means Calculated by the atomic concentration calculation means and the active interstitial silicon atom concentration calculation means A silicon atom concentration between grids Of impurity atoms, interstitial silicon atoms, and silicon vacancies Solve a continuous equation for point defects simultaneously Impurity diffusion calculation using point defect diffusion model Point defect diffusion model calculation means.
[0030]
According to this, a storage area for storing a specified value of the concentration of interstitial silicon atoms that differs for each process condition as a numerical table is provided, and interpolation is performed from the value of the specified value numerical table according to the process condition to be calculated. By providing a process condition dependency calculation unit for obtaining an appropriate designated value by a method or the like, the process simulation method according to claim 2 can be performed. Also, according to the specified value calculated by the process condition dependency calculation unit, the active interstitial silicon atom concentration calculation unit calculates the effective interstitial silicon atom concentration when solving the continuous equation, and the activated interstitial silicon atom By using the atomic concentration when solving the continuous formula of interstitial silicon atoms, the process simulation method according to claim 1 can be implemented.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a semiconductor process simulation method and apparatus according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
[0032]
[Embodiment 1]
When high-concentration ion implantation is performed on a silicon substrate, interstitial silicon atoms generated by damage are deposited as clusters on the {311} crystal plane when the upper limit of solid solution is exceeded. As described above, the interstitial silicon atoms in which the clusters are formed do not contribute to diffusion because they do not move, but when the concentration of surrounding interstitial silicon atoms decreases, they become free generation sources of interstitial silicon atoms.
[0033]
In the following embodiments, a semiconductor manufacturing process can be simulated on a semiconductor process simulation apparatus using such a model.
[0034]
FIG. 1 is a diagram illustrating an initial diffusion state in the interstitial silicon atom cluster model according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, in the initial state of diffusion calculation immediately after ion implantation, the interstitial silicon atoms 12 generated by ion implantation damage use a shape obtained by reducing the impurity concentration profile 10 of ion implantation. Among the interstitial silicon atoms, those having a designated concentration of 14 or more representing the solid solubility limit are interstitial silicon atoms 12b trapped in the interstitial silicon atom cluster, and those having the designated concentration of 14 or less are free interstitial. The continuous equation is solved as the silicon atom 12a.
[0035]
Further, in the first embodiment, when interstitial silicon atoms in excess of the equilibrium concentration generated by the ion implantation damage are present near the surface of the silicon substrate in the initial state of the diffusion process, the calculation region is considerably different from that of the silicon substrate. You have to calculate to the end. This is because the excess interstitial silicon atoms are diffused deeper than the equilibrium state existing near the surface, so that the interstitial silicon atom concentration is quickly lowered.
[0036]
FIG. 2 is a diagram for explaining a state after a little diffusion has occurred in the interstitial silicon atom cluster model of the first embodiment. As shown in FIG. 2, interstitial silicon atoms having a specified concentration of 24 or less diffuse into a region having a lower concentration than in the state of FIG. As a result, the interstitial silicon atoms at the specified concentration of 24 or more have a lower interstitial silicon atom concentration around the interstitial silicon atom cluster 22b that has been immobilized with respect to diffusion.
[0037]
This is because free interstitial silicon atoms 22a are replenished from the interstitial silicon atoms 22b of the cluster by the amount of interstitial silicon atoms that have flown from the region where the interstitial silicon atoms are immobile to the outside region. In addition, the amount of interstitial silicon atoms 22b immobilized in the cluster is reduced by the amount of free interstitial silicon atoms 22a replenished from the cluster.
[0038]
FIG. 3 is a diagram for explaining a state after the diffusion further proceeds more than that in FIG. 2 in the interstitial silicon atom cluster model of the first embodiment. As shown in FIG. 3, as a result of replenishment of free interstitial silicon atoms (12 a, 22 a) from the region of interstitial silicon atoms (12 b, 22 b) that have been immobilized through the progress of FIGS. It can be seen that the region of the interstitial silicon atoms that has been immobilized has disappeared. Thereafter, as in the case of the normal point defect diffusion model, the interstitial silicon atoms are diffused according to a continuous equation.
[0039]
In the above description of FIGS. 1, 2 and 3, only the diffusion of interstitial silicon atoms has been described for the sake of brevity, but as in the case of a normal point defect diffusion model, Needless to say, the atomic continuity must be solved in tandem with the silicon interatomic vacancy and impurity atomic continuity.
[0040]
As described above, according to the first embodiment, among the interstitial silicon atoms introduced into the silicon substrate at the time of ion implantation, those having a specified concentration or more are assumed to be immobile, and the interstitial silicon Suppose that it does not contribute to the continuous equation of atomic diffusion. In the interstitial silicon atom cluster, (1) it acts as a trap site for interstitial silicon atoms, (2) it acts as a source of interstitial silicon atoms, and (3) it disappears in the very initial stage of the heat treatment step. The diffusion process calculation of the semiconductor manufacturing process is performed in consideration of the three characteristics, so it is possible to realize an interstitial silicon atom cluster model that is more effective than the conventional example when incorporated into a point defect diffusion model. , More accurate process simulation can be performed.
[0041]
[Embodiment 2]
FIG. 4 is a diagram for explaining a semiconductor process simulation method according to the second embodiment. As shown in FIG. 4, in the second embodiment, the specified value of the concentration for immobilizing interstitial silicon atoms is used as ion implantation conditions such as ion species, implantation energy, or implantation dose, and after ion implantation. Different values can be specified according to the heat treatment conditions.
[0042]
For example, it has been found from experiments that an interstitial silicon atom cluster has different threshold doses at which it is formed depending on process conditions such as ion species and implantation energy at the time of ion implantation. For this reason, if the interstitial silicon atom cluster is a cluster formed by precipitating on the {311} crystal plane where a high concentration of interstitial silicon atoms exceeding the solid solubility limit is likely to precipitate, a threshold dose is generated. The difference due to the process conditions is that the solid solubility limit of interstitial silicon atoms is not dependent on the conditions, and it is considered correct to interpret that the amount of damage introduced into the silicon crystal differs depending on the process conditions.
[0043]
However, the incorporation of crystal defect models such as interstitial silicon atom cluster models and dislocation ring models into point defect diffusion models is still a subject of research, and the exact mechanism has not yet been clarified. Therefore, for example, there is a theory that a cluster is formed by a combination of impurity atoms and interstitial silicon atoms, and this cluster affects transient diffusion.
[0044]
In this way, there are defects other than interstitial silicon atom clusters such as dislocation rings, clusters of impurity atoms and interstitial silicon atoms, or unknown crystal defects, and the number of each defect varies depending on the process conditions. Is considered to have different thresholds for forming clusters of interstitial silicon atoms as seen from the entire interstitial silicon atoms. Therefore, from the viewpoint of the user of the process simulation, it is desirable that a different value can be used for each process condition as the specified value of the concentration at which the interstitial silicon atoms are immobilized.
[0045]
This will be described with reference to FIG. 4. For example, in the case of process condition 1, a specified concentration 42 for immobilizing interstitial silicon atoms against diffusion is specified for all interstitial silicon atom concentration profiles 40. In the case of the process condition 2, the designated concentration 44 for immobilizing the interstitial silicon atoms with respect to the diffusion is designated for the total interstitial silicon atom concentration profile 40. For the interstitial silicon atom concentration profile 40, a designated concentration 46 that makes the interstitial silicon atoms immobile to diffusion is designated.
[0046]
As described above, according to the second embodiment, the designated value of the concentration at which the interstitial silicon atoms are immobilized depends on the ion implantation conditions such as the ion species, the implantation energy, and the implantation dose, and the heat treatment conditions. Since different values can be used, it is more accurate to reflect the experimental condition that the threshold dose of {311} clusters (interstitial silicon atom clusters) differs depending on the process conditions such as ion species and ion energy of ion implantation. Process simulation can be performed.
[0047]
[Embodiment 3]
FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of a semiconductor process simulation apparatus according to the third embodiment. As shown in FIG. 5, the semiconductor process simulation apparatus according to the third embodiment stores a specified value for immobilizing interstitial silicon atoms in a storage area 50 for storing the specified value in a database as a numerical table, and in the storage area 50. A process condition dependency calculation unit 52 that calculates a specified value suitable for a calculation process condition from a stored database, and an interstitial silicon atom concentration that contributes to diffusion using the specified value calculated by the process condition dependency calculation unit 52 , An activated interstitial silicon atom concentration calculation unit 54, and a point defect diffusion model calculation unit 56 that calculates using the activated interstitial silicon atom concentration calculated by the activated interstitial silicon atom concentration calculation unit 54. It is comprised by.
[0048]
The storage area 50 stores a specified value for immobilizing interstitial silicon atoms that differ for each process condition in a database as a numerical table. The numerical value stored here is a numerical value obtained by an experiment such as observation with a transmission electron microscope or a numerical value that the user of the process simulation determines to be appropriate from the experience.
[0049]
The process condition dependency calculation unit 52 calculates a specified value corresponding to the process condition for which the process simulation is to be performed from the specified value stored in the database of the storage area 50 using an interpolation method or an extrapolation method. Is to be calculated.
[0050]
The activated interstitial silicon atom concentration calculation unit 54 calculates an activated interstitial silicon atom concentration profile from the total interstitial silicon atom concentration profile using the specified value calculated by the process condition dependency calculation unit 52. .
[0051]
The point defect diffusion model calculation unit 56 calculates a point defect diffusion model using the activated interstitial silicon atom concentration profile calculated by the activated interstitial silicon atom concentration calculation unit 56.
[0052]
The activated interstitial silicon atom concentration calculation unit 54 and the point defect diffusion model calculation unit 56 constitute a diffusion calculation unit 58. Here, the calculation is performed for each time step. That is, the total interstitial silicon atom concentration profile is calculated from the activated interstitial silicon atom concentration profile after completion of the corresponding time step of the point defect diffusion model calculation unit 56, and from the total interstitial silicon atom concentration profile after the corresponding time step. A new activated interstitial silicon atom concentration profile is calculated and used for point defect diffusion model calculation in the next time step.
[0053]
The semiconductor process simulation apparatus according to the third embodiment can perform the semiconductor process simulation method according to the first and second embodiments.
[0054]
That is, the specified value of the concentration of interstitial silicon atoms, which differs depending on the process condition, is stored in the database in the storage area 50, and an appropriate specified value is processed from the database by interpolation or the like according to the process condition for calculation. By being able to calculate by the condition dependence calculation part 52, the semiconductor process simulation method demonstrated in the said Embodiment 2 can be implemented.
[0055]
Further, according to the specified value calculated by the process condition dependency calculation unit 52, the active interstitial silicon atom concentration calculation unit 54 calculates the effective interstitial silicon atom concentration when solving the continuous equation, and the activated interstitial silicon atom concentration is calculated. By using the silicon atom concentration when solving the continuous equation of interstitial silicon atoms, the semiconductor process simulation method described in the first embodiment can be implemented.
[0056]
As described above, according to the third embodiment, an interstitial silicon atom cluster model that takes into account the characteristics of interstitial silicon atom clusters more important than conventional ones can be used when performing impurity diffusion calculation. Accurate process simulation can be performed.
[0057]
【The invention's effect】
As described above, according to the semiconductor process simulation method of the first aspect, the diffusion process calculation is performed by incorporating the interstitial silicon atom cluster model into the point defect diffusion model in consideration of the characteristics of the interstitial silicon atom cluster as compared with the conventional method. Therefore, more accurate process simulation can be performed.
[0058]
Further, according to the semiconductor process simulation method according to claim 2, the specified value of the concentration at which the interstitial silicon atoms are immobilized is ion implantation conditions such as ion species, implantation energy, implantation dose, and heat treatment conditions. Since different values can be taken according to the process, it is possible to carry out a process simulation corresponding to the process condition dependency.
[0059]
The semiconductor process simulation apparatus according to claim 3 is configured to use an interstitial silicon atom cluster model in consideration of characteristics of important interstitial silicon atom clusters as compared with the prior art in the calculation of impurity diffusion. Therefore, a more accurate process simulation can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining an initial diffusion state in an interstitial silicon atom cluster model according to the first embodiment;
FIG. 2 is a diagram for explaining a state after a slight diffusion has occurred in the interstitial silicon atom cluster model according to the first embodiment;
FIG. 3 is a diagram for explaining a state after diffusion further proceeds from that in FIG. 2 in the interstitial silicon atom cluster model according to the first embodiment;
4 is a diagram for explaining a semiconductor process simulation method according to a second embodiment; FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of a semiconductor process simulation apparatus according to a third embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating a conventional interstitial silicon atom cluster model.
[Explanation of symbols]
10 Impurity concentration profile
12 Interstitial silicon atoms
12a Interstitial silicon atoms (free interstitial silicon atoms)
12b Interstitial silicon atoms (interstitial silicon atoms trapped in interstitial silicon atom clusters)
14 Designated concentration (designated concentration to be fixed)
20 Impurity concentration profile
22 Interstitial silicon atoms
22a Interstitial silicon atoms (free interstitial silicon atoms)
22b Interstitial silicon atoms (interstitial silicon atoms trapped in interstitial silicon atom clusters)
24 designated concentration (designated concentration to be fixed)
30 Impurity concentration profile
32 Interstitial silicon atoms
32a Interstitial silicon atoms (free interstitial silicon atoms)
34 Designated concentration (designated concentration to be fixed)
40 Total interstitial silicon atom concentration profile
42 Specified concentration (in the case of process condition 1)
44 Specified concentration (in case of process condition 2)
46 Specified concentration (Process condition 3)
50 storage area (storage area for storing specified values for immobilizing interstitial silicon atoms)
52 Process condition dependency calculator
54 Activated interstitial silicon atom concentration calculator
56 point defect diffusion model calculator
58 Diffusion calculator

Claims (3)

In a semiconductor process simulation method for simulating a semiconductor manufacturing process,
Considering the characteristics of interstitial silicon atoms introduced into the silicon substrate by ion implantation during ion implantation, impurity diffusion, interstitial silicon atoms, and silicon atomic vacancies are calculated in the impurity diffusion calculation in the heat treatment process after the ion implantation process. Using a point defect diffusion model that solves a continuous equation for a point defect in a hole simultaneously,
When the impurity diffusion calculation is performed using the point defect diffusion model, among the interstitial silicon atoms introduced into the silicon substrate in the ion implantation step, interstitial silicon atoms having a specified concentration or more are immobile, A semiconductor process simulation method characterized by not contributing to the continuous equation of diffusion of interstitial silicon atoms.   The specified value of the concentration for immobilizing the interstitial silicon atoms is set to a different value depending on ion implantation conditions such as ion implantation, implantation energy, implantation dose, and heat treatment conditions. The semiconductor process simulation method according to claim 1. In a semiconductor process simulation apparatus for simulating a semiconductor manufacturing process,
Storage means for storing in a numerical table a specified value of a concentration for immobilizing interstitial silicon atoms, which varies depending on the ion implantation conditions such as ion species of ion implantation, implantation energy, implantation dose, and process conditions such as heat treatment conditions;
A process condition dependency calculating means for calculating a specified value of an appropriate concentration of interstitial silicon atoms according to a process condition to be calculated from a numerical table of the storage means;
An active interstitial silicon atom concentration calculating unit that calculates an activated interstitial silicon atom concentration that contributes to diffusion using the specified value of the concentration calculated by the process condition dependency calculating unit;
Using the active interstitial silicon atom concentration calculated by the active interstitial silicon atom concentration calculating means, a point defect diffusion that solves a continuous equation of point defects of impurity atoms, interstitial silicon atoms, and silicon atom vacancies simultaneously Point defect diffusion model calculation means for calculating impurity diffusion using a model,
A semiconductor process simulation apparatus comprising:

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