專利名稱：離子注入漲落的模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路的制造領(lǐng)域，具體地說，涉及對集成電路制造過程中離子注入的摻雜漲落進行模擬的方法。
背景技術(shù)：
在集成電路的制造中，離子注入是一種成熟的關(guān)鍵工藝，它是將砷、硼等離子束入射到硅材料中，使得離子束與硅材料中的原子或分子發(fā)生一系列物理的和化學(xué)的相互作用，最終入射離子逐漸損失能量，停留在硅材料中，形成P型或N型的摻雜半導(dǎo)體。
半導(dǎo)體器件的重要指標，如閾值電壓和驅(qū)動電流，以及集成電路的關(guān)鍵性能，如最高工作頻率，均依賴于集成電路的整個制造過程中的各個工藝步驟的穩(wěn)定性，即工藝步驟中關(guān)鍵參數(shù)的漲落。準確預(yù)測集成電路相關(guān)參數(shù)的漲落對于集成電路的生產(chǎn)具有巨大的意義。對漲落的過高估計將導(dǎo)致集成電路設(shè)計復(fù)雜性的增加，并有可能增加設(shè)計的時間周期、設(shè)計單元的大小、以及其他不利因素，并最終使得生產(chǎn)出來的集成電路在市場上缺乏足夠的競爭力。另一方面，對于漲落的過低的估計，將會導(dǎo)致對產(chǎn)品質(zhì)量的低估，過量的生產(chǎn)等其他不利的因素。總之，漲落的高估會導(dǎo)致集成電路的設(shè)計難度增大、漲落的低估導(dǎo)致集成電路生產(chǎn)的難度增大。因此準確的預(yù)測集成電路相關(guān)參數(shù)的漲落的意義變得越發(fā)的重大。漲落大體可以分為兩種單元間(Dieto Die)漲落和單元內(nèi)(within Die)漲落。單元間漲落是不同批次、不同晶片、同一晶片不同單元之間，由于工藝不穩(wěn)定而產(chǎn)生的漲落。單元內(nèi)漲落則主要包括線條的漲落和離子注入的摻雜漲落。線條的漲落是由于光刻膠材料在晶片上的厚度不均勻、光刻膠材料本身不均勻、光刻工藝不穩(wěn)定而產(chǎn)生的；摻雜漲落是源自離子注入和退火后，摻雜離子在空間上分布的不均勻性，摻雜空間越小，摻雜漲落就越發(fā)明顯。對于采用離子注入方法制造的集成電路，其模內(nèi)漲落主要是摻雜漲落。
目前集成電路的特征尺寸不斷縮小，預(yù)計到2010年前后就可以達到50納米，而制造超深亞微米器件的關(guān)鍵技術(shù)之一就是超淺結(jié)的形成，而低能離子注入是最有效和可行性最高的形成超淺結(jié)的技術(shù)手段。對于特征尺寸較大的集成電路來說，單元間漲落是構(gòu)成其性能漲落的主要影響因素。而隨著集成電路特征尺寸的減小，單元內(nèi)漲落對集成電路性能的影響變得越發(fā)突出，而且離子注入的漲落具有本征性，即只要使用離子注入，就必然存在這種漲落，無法通過改進工藝消除離子注入的漲落。因此，需要充分認識離子注入摻雜漲落本身的特性，并研究離子注入摻雜漲落對集成電路性能的影響，從而減小集成電路制造過程中單元內(nèi)漲落的影響。
目前，大量的工作都集中在研究離子注入摻雜漲落對集成電路性能的影響上，由于對離子注入摻雜濃度隨深度變化的認識不夠，以及計算能力的限制，一直沒有比較系統(tǒng)的辦法對離子注入摻雜漲落本身進行足夠準確的描述。在實驗方法上，由于實驗成本，實驗條件的穩(wěn)定性、樣品測試等諸多方面的限制，使得摻雜漲落不可能通過實驗方法準確獲得。
而現(xiàn)有的漲落模擬方法，如文獻IEDM Tech.Dig.，705 1993記載的、由Hon-Sum Wong和Yuan Taur提出的模擬漲落方法，由于模擬模型和統(tǒng)計技術(shù)過于粗糙，使得獲得的摻雜漲落數(shù)據(jù)缺乏足夠的準確性和可靠性。圖1是采用上述模擬方法獲得的摻雜漲落分布示意圖，其橫坐標表示摻雜離子數(shù)，縱坐標表示摻雜離子數(shù)目出現(xiàn)的相對頻率。該方法通過研究150nm×50nm×80nm區(qū)域中均勻摻雜的離子數(shù)目，統(tǒng)計了1000個樣本的摻雜離子的分布，發(fā)現(xiàn)在均勻摻雜的假設(shè)下，上述區(qū)域內(nèi)部雜質(zhì)離子的幾率分布符合泊松分布。由于該模擬方法將摻雜區(qū)域假定為均勻摻雜，因此只能給出總體的漲落分布，無法給出摻雜漲落隨深度的變化結(jié)果。在實際的離子注入過程中，摻雜的雜質(zhì)離子在靶材料硅中的分布是非均勻的，這種分布的非均勻性會明顯影響半導(dǎo)體器件的性能(如閾值電壓等)，同時由于不同深度摻雜濃度對半導(dǎo)體器件和電路性能的影響程度不同，不同深度的摻雜漲落對于器件以及電路的性能的影響是不同的。離子注入摻雜漲落依賴于離子注入深度的變化，并間接依賴于不同深度處濃度的分布。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提出一種離子注入漲落的模擬方法，可以獲得離子注入漲落與深度的變化關(guān)系，準確可靠地分析離子注入漲落。
本發(fā)明離子注入漲落的模擬方法，根據(jù)離子注入模擬方法獲得N次離子注入后，注入離子在靶材料中的最終三維位置，然后在垂直于靶材料表面的方向進行柵格劃分，獲取單次離子注入后在每個柵格內(nèi)的停留離子的數(shù)目以及N次離子注入后總的停留離子的數(shù)目，進而采用統(tǒng)計的方法獲得摻雜離子的漲落分布，最后根據(jù)摻雜離子的漲落分布獲得半導(dǎo)體器件及集成電路的參數(shù)的漲落分布。
本發(fā)明漲落模擬方法不僅考慮影響半導(dǎo)體摻雜漲落的摻雜離子數(shù)目，而且充分考慮了摻雜離子所處的深度的因素，通過本發(fā)明，基于現(xiàn)有的模擬數(shù)據(jù)，可以獲得離子注入半導(dǎo)體摻雜的細致漲落，獲得摻雜漲落與深度的變化關(guān)系，本發(fā)明提出的對摻雜漲落的標定方法，更加有利于數(shù)據(jù)的分析和后續(xù)的應(yīng)用。


圖1是現(xiàn)有離子注入漲落模擬方法獲得的漲落分布示意圖；圖2是本發(fā)明離子注入漲落模擬方法的流程圖；圖3是采用本發(fā)明方法獲得的20keV離子注入單晶硅的射程分布示意圖；圖4是采用本發(fā)明方法獲得的3keV離子注入單晶硅的射程分布示意圖；圖5是采用本發(fā)明方法獲得的3keV離子注入單晶硅在峰值深度處的粒子數(shù)目的概率分布圖；圖6是采用本發(fā)明方法獲得的3keV離子注入單晶硅在射程分布尾部(18nm)處的粒子數(shù)目的概率分布圖；圖7是采用本發(fā)明方法獲得的3keV離子注入單晶硅的標準方差RMS隨深度變化的示意圖；圖8是采用本發(fā)明方法獲得的3keV離子注入單晶硅的歸一化標準方差NRMS隨深度變化的示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明方法做進一步的詳細描述。
本發(fā)明的基本思想是通過離子注入模擬方法獲得注入離子在靶材料中的最終的三維位置(x、y、z)分布，然后在垂直于靶材料表面的方向(z方向)劃分柵格，經(jīng)過對柵格內(nèi)停留離子數(shù)目的統(tǒng)計分析，獲得離子注入的射程分布，即摻雜離子在靶材料中的濃度分布，實現(xiàn)對離子注入漲落的高精度、高可靠性分析。
在本發(fā)明中，采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計的方法，獲得離子注入漲落與深度的變化關(guān)系。注入離子在不同深度上的分布可以用離散型隨機變量來描述，通過計算該離散性隨機變量的數(shù)學(xué)期望、方差及均方差分析注入離子與深度的變化關(guān)系。隨機變量的數(shù)學(xué)期望標志了離子注入在某一深度上的平均濃度，而方差以及均方差則可以用來表征離子注入的濃度漲落。
如圖2所示的本發(fā)明的模擬方法，首先進行N次離子注入模擬，對于每一次的離子注入，均通過蒙特卡羅MC或分子動力學(xué)MD方法獲得注入離子在靶材料中的最終停留位置(xi，yi，zi)，然后進行獲取漲落的流程。
掃描N次離子注入后的所有注入離子的最終停留位置，獲得注入離子在深度z方向的最大深度zMAX和最小深度zMIN。定義深度z方向的柵格數(shù)目為mdiv，則z方向柵格的大小zdiv為zdiv＝(zMAX-zMIN)×(1+Δ/mdiv)/mdiv，
其中Δ為一個無量綱的不大于0.01的值，在本實施例中，Δ的取值為百萬分之一。對于x方向柵格的大小xdiv和y方向柵格的大小ydiv，其值不易過大，可以取為20a，其中a的大小為晶體硅原胞的邊長，即5.432埃。因此，每個柵格的大小為(xdiv×ydiv×zdiv)。
根據(jù)每個注入離子的最終停留位置，計算出該離子所處的柵格grid(1≤grid≤mdiv)位置，柵格的深度depthgrid的大小為zMIN+zdiv·(grid+0.5)。然后獲得單次離子注入在每個柵格內(nèi)部的停留離子數(shù)目ngridtemp以及N次離子注入后，每個柵格內(nèi)部總的停留離子數(shù)目ngrid，n‾grid=1NΣngridtemp.]]>此時每個柵格內(nèi)部的摻雜濃度為cgrid＝ngrid/(xdiv×ydiv×zdiv)。根據(jù)每個柵格內(nèi)部總的停留離子數(shù)目ngrid可以獲得經(jīng)過N次離子注入后的每個柵格中所含注入離子數(shù)目的平均值，即注入離子數(shù)目在某一深度的數(shù)學(xué)期望。
根據(jù)上述過程中獲得的ngridtemp和ngrid，遞歸計算漲落的中間變量sigmagrid，sigmagrid=sigmagrid+(ngridtemp/n‾grid-2)2,]]>sigmagrid的初值取為0。
因此，歸一化后的方差NRMSgrid為NRMSgrid=sigmagrid/(N-1),]]>每個柵格的摻雜濃度的方差RMSgrid的計算公式為RMSgrid＝NRMSgrid·cgrid。
最后，輸出柵格的大小(xdiv，ydiv，zdiv)、每個柵格的深度坐標depthgrid、摻雜濃度cgrid、漲落的標志量歸一化方差NRMSgrid，以及方差RMSgrid。
將上述數(shù)據(jù)輸入半導(dǎo)體器件的模擬軟件，可以獲得半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵參數(shù)(如閾值電壓)的漲落，再將這些漲落數(shù)據(jù)輸入集成電路的模擬軟件中，可以獲得進一步的集成電路參數(shù)的漲落。
圖3是采用本發(fā)明方法獲得的20keV能量1e13cm-2劑量砷注入到晶體硅以后的射程分布圖，橫坐標表示深度，單位是納米(nm)，縱坐標表示注入離子的濃度，單位是cm-3。從圖中可以看到，曲線的峰值位置在17.17nm深度處，峰值處的砷離子濃度為1e18.58cm-3；在峰值位置以后的深度處，注入離子的濃度迅速減小。
圖4是采用本發(fā)明方法獲得的3keV的5e13cm-2劑量離子注入單晶硅的射程分布圖，橫坐標表示深度，單位是納米(nm)，縱坐標表示注入離子的濃度，單位是cm-3。從圖中可以看到，曲線的峰值位置在4.47nm深度處，峰值處的砷離子濃度為6e19cm-3；在峰值位置以后的深度處，注入離子的濃度迅速減小。
圖5是采用本發(fā)明方法獲得的3keV的5e13cm-2劑量離子注入單晶硅在峰值深度(4nm)處的注入離子數(shù)目的概率分布，橫坐標為離子的數(shù)目，縱坐標為相應(yīng)的離子數(shù)目出現(xiàn)的概率。從圖中可以看到，在峰值深度離子數(shù)目的概率分布符合正態(tài)分布。
圖6是采用本發(fā)明方法獲得的3keV的5e13cm-2劑量離子注入單晶硅在射程分布尾部(18nm)處的注入離子數(shù)目的概率分布，橫坐標為離子的數(shù)目，縱坐標為相應(yīng)的離子數(shù)目出現(xiàn)的概率。從圖中可以看到，在峰值深度離子數(shù)目的概率分布相對于正態(tài)分布更加符合二項分布。
圖7是采用本發(fā)明方法獲得的3keV的5e13cm-2劑量離子注入單晶硅的標準方差RMS分布圖，橫坐標表示深度，單位是納米(nm)，縱坐標表示注入離子漲落的方差RMS值，單位是cm-3。從圖中可以看到，曲線的峰值位置在4.47nm深度處，峰值處的砷離子濃度為2.8e19cm-3。漲落RMS值的峰值深度和離子注入的射程分布的峰值深度基本相同。在峰值位置以后的深度處，注入離子的漲落迅速減小。
圖8是采用本發(fā)明方法獲得的3keV的5e13cm-2劑量離子注入單晶硅的歸一化方差NRMS分布圖，橫坐標表示深度，單位是納米(nm)，縱坐標表示注入離子漲落的NRMS，無量綱單位。從圖中可以看到，NRMS分布曲線的最小值位置在4.47nm深度處，最小值的大小為0.47。漲落的NRMS值的最小值深度和離子注入的射程分布的峰值深度基本相同。在最小值位置以后的深度處，注入離子漲落的NRMS經(jīng)過一個緩慢的平滑期后，迅速增大。
最后所應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
1.一種離子注入漲落的模擬方法，其特征在于，包括以下步驟首先進行N次離子注入，獲得注入離子在靶材料中的最終三維位置；其次在垂直于靶材料表面的方向進行柵格劃分，獲取單次離子注入后在每個柵格內(nèi)的停留離子數(shù)目以及N次離子注入后每個柵格內(nèi)總的停留離子數(shù)目；然后采用統(tǒng)計方法獲得摻雜離子的漲落分布；最后根據(jù)摻雜離子的漲落分布獲得半導(dǎo)體器件及集成電路的參數(shù)的漲落分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子注入漲落的模擬方法，其特征在于，所述N次離子注入后，注入離子在靶材料中的最終三維位置(xi，yi，zi)是通過蒙特卡羅或分子動力學(xué)方法獲得的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子注入漲落的模擬方法，其特征在于，所述在垂直于靶材料表面的方向進行柵格劃分進一步包括根據(jù)N次離子注入后的所有注入離子的最終停留位置，獲得注入離子在垂直于靶材料表面的方向z方向的最大值zMAX和最小值zMIN；確定z方向的柵格數(shù)目mdiv；計算每個柵格在z方向的值zdiv為zdiv＝(zMAX-zMIN)×(1+Δ/mdiv)/mdiv，其中Δ為一個無量綱的不大于0.01的值；每個柵格的體積為(xdiv×ydiv×zdiv)，其中xdiv為靶材料表面x方向柵格的大小，ydiv為靶材料表面y方向柵格的大小。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的離子注入漲落的模擬方法，其特征在于，所述Δ的值為百萬分之一；所述xdiv和ydiv的值為20a，其中a表示晶體硅原胞的邊長。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子注入漲落的模擬方法，其特征在于，所述獲取單次離子注入后在每個柵格內(nèi)的停留離子數(shù)目以及N次離子注入后每個柵格內(nèi)總的停留離子數(shù)目進一步包括根據(jù)每個注入離子的最終停留位置，計算出該離子所處的柵格grid的位置，柵格在z方向距離原點的深度depthgrid的大小為zMIN+zdiv·(grid+0.5)；然后獲得單次離子注入在每個柵格內(nèi)部的停留離子數(shù)目ngridtemp以及N次離子注入后，每個柵格內(nèi)部總的停留離子數(shù)目ngrid，n‾ngrid=1NΣngridtemp;]]>最后獲得每個柵格內(nèi)部的摻雜濃度為cgrid＝ngrid/(xdiv×ydiv×zdiv)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子注入漲落的模擬方法，其特征在于，所述采用統(tǒng)計方法獲得摻雜離子的漲落分布進一步包括根據(jù)每個柵格內(nèi)部總的停留離子數(shù)目ngrid獲得經(jīng)過N次離子注入后的每個柵格中所含注入離子數(shù)目的平均值；根據(jù)上述步驟獲得的ngridtemp和ngrid，遞歸計算漲落的中間變量sigmagrid，公式為sigmagrid=sigmagrid+(ngridtemp/n‾grid-1)2,]]>其中sigmagrid的初值取為0；計算歸一化后的方差NRMSgrid，公式為NRMSgrid=sigmagrid/(N-1);]]>計算每個柵格的摻雜濃度的方差RMSgrid；公式為RMSgrid＝NRMSgrid·cgrid。
全文摘要
本發(fā)明提供一種離子注入漲落的模擬方法，該方法根據(jù)離子注入模擬方法獲得N次離子注入后，注入離子在靶材料中的最終三維位置，然后在垂直于靶材料表面的方向進行柵格劃分，獲取單次離子注入后在每個柵格內(nèi)的停留離子的數(shù)目以及N次離子注入后總的停留離子的數(shù)目，進而采用統(tǒng)計的方法獲得摻雜離子的漲落分布。本發(fā)明漲落模擬方法不僅考慮影響半導(dǎo)體摻雜漲落的摻雜離子數(shù)目，而且充分考慮了摻雜離子所處的深度的因素，通過本發(fā)明，基于現(xiàn)有的模擬數(shù)據(jù)，可以獲得離子注入半導(dǎo)體摻雜的細致漲落，獲得摻雜漲落與深度的變化關(guān)系，本發(fā)明提出的對摻雜漲落的標定方法，更加有利于數(shù)據(jù)的分析和后續(xù)的應(yīng)用。
文檔編號H01L21/02GK1585098SQ03153740
公開日2005年2月23日 申請日期2003年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月19日
發(fā)明者施小康, 于民, 石浩, 黃如, 張興 申請人:北京大學(xué)