JP3264323B2 - リバースプロファイリング方法 - Google Patents
リバースプロファイリング方法Info
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- H01L22/14—Measuring as part of the manufacturing process for electrical parameters, e.g. resistance, deep-levels, CV, diffusions by electrical means
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Description
イリング方法に関する。
その素子の電気的特性を決定する重要なパラメータであ
る。このため、半導体素子を設計、製造する上で、不純
物濃度分布を測定することは、非常に重要である。しか
しながら、半導体素子の不純物濃度を直接測定すること
は非常に困難である。このため、製造プロセスにおける
各種条件と素子の電気的特性とに基づいてシミュレーシ
ョンを行ない、不純物濃度分布を求めるリバースプロフ
ァイリング方法が開発された。
例えば、Z.K.Lee等による「Inverse Modeling o
f MOSFETs using I-V Characteristics in the Subthre
shold Region」IEDM Tech.Dig.,pp683-
686,1997.に記載されているように、MOSFET内部
の不純物プロファイルを、図5に示すようにガウス(Ga
uss)関数などの解析式で近似し、シミュレーションに
よるMOSFETの電気特性と実測値とが一致するよう
に、解析式のパラメータをフィッティングすることによ
り、チャネル内部の2次元的不純物分布を求めるアプロ
ーチが取られている。
おいて、チャネル不純物の注入と活性化を行った後に、
ソース/ドレイン不純物の注入(S/D注入)を行い、
熱処理を行うと、ソース/ドレイン近傍のチャネル不純
物が、増速拡散する(即ち、チャネル不純物分布が部分
的に変調される)ことが知られている。そして、従来の
リバースプロファイリング方法では、最終的な不純物濃
度分布を近似的に得ることができる。
リング方法では、S/D注入及びその後の熱処理によっ
て生じるチャネル不純物濃度の変調効果を定量的に把握
することができないという問題点がある。
ている一種類のMOSFETの電気特性に基づいてい、
プロファイルを求めているからである。
法には、シミュレーションによる電気的特性と実測値の
間のフィッティング作業に手間と時間を要するという問
題点もある。
方法では、シミュレーションによる電気的特性と実測値
とが一致するまで、解析式のパラメータを変えて、何回
もシミュレーションを行う必要があるからである。
方法には、得られたプロファイルが、必ずしも一意に求
められる解であるとは限らないという問題点もある。
方法では、S/D部のプロファイルと、チャネル部のプ
ロファイル等、複数のプロファイルを同時に抽出しよう
として、複数のプロファイルパラメータを同時に変更す
るからである。
易に、定量的に、かつ一意に求めることができるリバー
スプロファイリング方法を提供することを目的とする。
Si/SiO2界面付近の不純物濃度プロファイルを正
確に求める半導体特性測定システムが、開示されている
が、不純物濃度の変調量分布を求めることや、2つの方
法で作製したデバイスを使用することについては全く開
示されていない。特開平10−41365号公報や特開
平10−125914号公報に記載されたプロファイル
測定方法及びプロセスシミュレーション方法についても
同様である。
ゲート長水準Lgnを定め、第1の製造方法で製造される
逆短チャネル効果の大きい第1のMOSFETのしきい
値電圧VthPRE(Lgn)を前記複数のゲート長水準にお
いて測定するとともに、前記第1の製造方法とは異なる
第2の製造方法で製造される逆短チャネル効果の小さい
前記第1のMOSFETと同構造の第2のMOSFET
のしきい値電圧VthPOST(Lgn)を前記複数のゲート長
水準において測定し、電子電荷をq、ゲート酸化膜の誘
電率をεox、ゲート酸化膜の厚さをtox、とした場合
に、ドレイン側またはソース側のゲート端からチャネル
に沿ってゲート内部へ向かう距離をxとして、前記第1
のMOSFETのチャネル不純物濃度の変調量分布Nmo
d(x)を数式1に基づいて求めることを特徴とするリ
バースプロファイリング方法が得られる。
ネル不純物の注入と活性化を行った後に、ソース/ドレ
イン不純物の注入と熱処理を行う方法であり、前記第2
の製造方法は、チャネル不純物を注入する前にソース/
ドレイン不純物の注入と熱処理を行う方法である。
ル不純物とソース/ドレイン不純物の注入の後、さらに
アクセプタにもドナーにもならない元素を追加注入する
方法であり、前記第2の製造方法は、チャネル不純物と
ソース/ドレイン不純物の注入の後、前記元素の追加注
入を行わない方法である。
実施の形態について詳細に説明する。
ファイリング方法では、まず、同一構造の半導体素子
(MOSFET)を、図1に示す2種類の製造方法によ
り製造する。
上にゲート酸化膜及びゲートを形成したあと、ソース/
ドレイン(S/D)イオン注入と熱処理とを行う。それ
から、高エネルギーイオン注入によってチャネル不純物
をドーピングし、それに引き続き、短時間高温熱処理
(RTA)により不純物の活性化を行って、MOSFE
Tとしている。この方法により得られたMOSFETを
S/D先行注入デバイスと呼ぶ。
上にゲート酸化膜及びゲートを形成した後、チャネル不
純物を高エネルギーイオン注入によりドーピングし、R
TAで不純物の活性化を行う。その後、S/Dイオン注
入と活性化熱処理を行ってMOSFETとしている。こ
の方法により得られたMOSFETをチャネル先行注入
デバイスと呼ぶ。
スとチャネル先行注入デバイスのそれぞれについて、ゲ
ート長の異なる複数のMOSFETを製造した後、S/
D先行注入デバイスとチャネル先行注入デバイスのしき
い値電圧(Vt)対ゲート長(Lg)特性を、それぞれ
求める。
ン注入によって発生する点欠陥は、チャネルイオン注入
前の熱処理によって消滅している。従って、この方法で
製造されたMOSFETでは、S/Dイオン注入によ
り、その後注入されるチャネル不純物が変調されること
はない。また、チャネルイオン注入による点欠陥は、チ
ャネル内に一様に分布しているため、RAT時のチャネ
ル不純物の増速拡散は一様に生じ、これもチャネル不純
物の部分的変調をもたらす原因とはならない。従って、
S/D先行注入デバイスのVt−Lg特性は、図1左側
最下段及び図2に示すように、ハンプの無いグラフとな
っている。即ち、S/D先行注入デバイスでは、逆短チ
ャネル効果は見られない。
では、S/Dイオン注入時に発生した点欠陥によって、
その後の活性化熱処理中にソース領域及びドレイン領域
近傍のチャネル不純物が増速拡散し、チャネル不純物分
布が部分的に変調される。この変調は、一般的には、シ
リコン−酸化膜界面(ゲート酸化膜)へ向かってのチャ
ネル不純物のパイルアップとなるため、変調を受けた部
分のみ局所的にしきい値電圧が上昇する。その結果、チ
ャネル先行注入デバイスのVt−Lg特性は、図1右側
最下段及び図2に示すようにハンプを有するグラフとな
る。即ち、チャネル先行注入デバイスには、逆短チャネ
ル効果が見られる。
ャネル不純物の変調量が、チャネル長に依存せず、ソー
ス側のゲート端からチャネル内部側へ向かう場合とドレ
イン側のゲート端からチャネル内部側へ向かう場合とで
対称な、ゲート端からの距離xの関数である、面密度分
布Nmod(x)を持つと仮定する。この場合、ゲート長
LgにおけるS/D先行注入デバイスとチャネル先行注
入デバイスとのしきい値の差は、数式3により表わされ
る。
のゲート長Lgにおけるしきい値電圧、VthPOSTは、S
/D先行注入デバイスのゲート長Lgにおけるしきい値
電圧を示す。また、qは、電子電荷、toxは、ゲート酸
化膜厚、εoxは、ゲート酸化膜の誘電率である。
接する2つのゲート長水準Lgn-1とLgn(n=3,4,
5,...)を、それぞれ代入する。このゲート長水準
は、任意に定めることができる。そして、選られた2つ
の式の差分を取ると、数式4のようになる。
(x)の値が定数であるとみなすと、数式4は、数式5の
ように近似することができる。
られる。
値電圧を、ゲート長水準の小さいほうから順番に代入し
ていけば、(変調不純物)面密度分布Nmod(x)を求
めることができる。
布を図3に一点鎖線で示す。なお、図3には、参考まで
に、プロセスシミュレーションにより求めた、変調を受
ける前の、チャネル不純物及びS/D不純物の体積濃度
分布を実線で示してある。
チャネル効果をもたらす不純物濃度の変調量分布を、定
量的かつ一意に求めることができる。
施の形態について説明する。
うに、通常のMOSFET作製工程により作製したMO
SFETと、チャネルイオン及びS/Dイオンの注入終
了後、さらに、それ自身はアクセプタにもドナーにもな
らないが、イオン注入により点欠陥を引き起こす元素、
例えばシリコン等、を追加注入したMOSFETとを作
製する。
特性を求め、求めたVt−Lg特性と上記の数式6とを用
いて、追加注入による変調チャネル不純物面密度分布を
求めることができる。
及び右側最下段にそれぞれ示されているように、2つの
工程で作製されたMOSFETは、ともに逆短チャネル
効果を生じるが、第1の実施の形態の場合と同様に、工
程の違いから生じる不純物濃度の変調量分布を求めるこ
とができる。
程により製造された半導体素子の特性を求め、それを利
用することにより、逆短チャネル効果をもたらす不純物
濃度の変調量分布を、定量的かつ一意に求めることがで
きる。
ャネル先行注入デバイスのしきい値電圧の差分をとって
不純物濃度変調量分布を評価しているからである。ま
た、変調不純物濃度を面密度分布として評価しており、
一意性に関して不確定要素のある体積濃度分布にまで、
あえて結果を分解して求めていないからである。
FETの製造工程を示す図である。
い値対ゲート長を示すグラフである。
物濃度変調量分布を示すグラフである。
FETの製造工程を示す図である。
するための不純物プロファイルを示す図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 複数のゲート長水準Lgnを定め、第1の
製造方法で製造される逆短チャネル効果の大きい第1の
MOSFETのしきい値電圧VthPRE(Lgn)を前記複
数のゲート長水準において測定するとともに、前記第1
の製造方法とは異なる第2の製造方法で製造される逆短
チャネル効果の小さい前記第1のMOSFETと同構造
の第2のMOSFETのしきい値電圧VthPOST(Lgn)
を前記複数のゲート長水準において測定し、電子電荷を
q、ゲート酸化膜の誘電率をεox、ゲート酸化膜の厚さ
をtox、とした場合に、ドレイン側またはソース側のゲ
ート端からチャネルに沿ってゲート内部へ向かう距離を
xとして、前記第1のMOSFETのチャネル不純物濃
度の変調量分布Nmod(x)を数式1に基づいて求める
ことを特徴とするリバースプロファイリング方法。 【数1】 - 【請求項2】 前記第1の製造方法が、チャネル不純物
の注入と活性化を行った後に、ソース/ドレイン不純物
の注入と熱処理を行う方法であり、前記第2の製造方法
が、チャネル不純物を注入する前にソース/ドレイン不
純物の注入と熱処理を行う方法であることを特徴とする
請求項1記載のリバースプロファイリング方法。 - 【請求項3】 前記第1の製造方法が、チャネル不純物
とソース/ドレイン不純物の注入の後、さらにアクセプ
タにもドナーにもならない元素を追加注入する方法であ
り、前記第2の製造方法が、チャネル不純物とソース/
ドレイン不純物の注入の後、前記元素の追加注入を行わ
ない方法であることを特徴とする請求項1記載のリバー
スプロファイリング方法。 - 【請求項4】 前記元素がシリコンであることを特徴と
する請求項3記載のリバースプロファイリング方法。
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