JPH10178173A - 半導体装置のシミュレーション方法、装置および記録媒体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡便で高速に逆短チャネル効果のシミュレー
ションを行なう。 【解決手段】 第１導電型の不純物が半導体基板に導入
される際、既に導入されている第２導電型の不純物が再
配置されるときの偏りを示す再配置分布データを生成し
(ST11)、生成した再配置分布データを、入力される不純
物分布データに加えて新たな不純物分布データを合成し
た後(ST12)、当該新たな不純物分布データを用いて所定
の物理方程式または特性方程式を解き、所望の特性を算
出する(ST9) 。また、ゲート長等に応じて再配置分布デ
ータを更新する(ST14)。再配置分布データの加算といっ
た簡単な手順によって、点欠陥による不純物の再配置を
デバイスシミュレーションに反映させることが可能とな
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、半導体装置のシミ
ュレーション方法に係わり、とくに、例えばゲート閾値
電圧のゲート長依存性等、電界効果トランジスタ等にお
ける電気特性または物理量のデバイスシミュレーション
に関する。また、本発明は、このシミュレーション方法
を好適に実施できる半導体装置のシミュレーション装
置、および当該シミュレーション方法のプログラムが格
納された記録媒体に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体装置の高集積化と微細化に
伴い、絶縁ゲート電界効果トランジスタ、例えばＭＯＳ
ＦＥＴ(Mental Oxide Semiconductor Field Effect Tra
nsistor)のゲート長の短縮化が進んでいる。ＭＯＳＦＥ
Ｔにおいてゲート長さが短縮化すると、一般に、あるゲ
ート長から急にゲート閾値電圧が減少する傾向が現れ
る。この減少はロールオフ(roll-off)と称され、短チャ
ネル効果の代表的な現象として比較的古くから知られて
いる。

【０００３】しかし、半導体装置の更なる微細化によっ
て、ＭＯＳＦＥＴのゲート長の短縮化が更に進むと、ゲ
ート長短縮化にともなってゲート閾値電圧が一旦上昇し
た後、短チャネル効果に従って急に減少するという現象
が見られる。この短チャネル効果によってゲート閾値電
圧が減少する直前のゲート閾値電圧上昇を、ロールアッ
プ(roll-up) または逆短チャネル効果と呼んでいる。

【０００４】図１１は、短チャネル効果および逆短チャ
ネル効果が現れる場合のゲート長とゲート閾値電圧の関
係を模式的に示したグラフである。このグラフ中、実線
は逆短チャネル効果が現れる場合を示し、破線は現れな
い場合を示す。実線の場合も破線の場合も、ＭＯＳＦＥ
Ｔのゲート長が短縮化するにつれ、全体としてはゲート
閾値電圧は低下する傾向にある。この減少は、一般に知
られている短チャネル効果によるものである。さらに詳
細にみると、破線の場合が単純な減少傾向をたどるのに
対し、実線の場合はゲート長の短縮化につれてゲート閾
値電圧が一旦上昇した後、急激に低下している。この急
激な低下直前の上昇が、逆短チャネル効果によるもので
ある。

【０００５】ゲート長の短縮化が要求されるＭＯＳＦＥ
Ｔにおいて、このような逆短チャネル効果が生じると、
ゲート閾値電圧のバラツキ要因となり、トランジスタの
電気特性をデバイス内またはデバイス間で均一に制御す
ることが困難になり、大きなノイズマージン確保等を強
いられて高集積化の阻害要因となる。このため、逆短チ
ャネル効果および短チャネル効果を効果的に予測するシ
ミュレーション技術に対する要望は増大している。

【０００６】短チャネル効果は、通常の微細ゲートＭＯ
ＳＦＥＴにおいては、程度の差はあれほぼ常に現れる現
象である。ところが、逆短チャネル効果は全ての場合に
おいて現れるとは限らず、またトランジスタ構造、製造
条件等によって発生の程度も大きく異なっている。どの
ような場合に顕著になるかは、現在はっきりと解明され
てれいない。これに関しては、多くの報告があり、半導
体基板表面近傍に電流経路を有する表面チャネル型にお
いて主に観測され、このため逆短チャネル効果は電流経
路のポテンシャル分布がゲート長さによって一律に変化
しないために起こる現象であるとの認識は共通してい
る。ポテンシャル分布がゲート長さによって変化する原
因については、ゲート端部における微細なゲートバーズ
ビーク(Gate Bird's Beak)の形状効果に起因するとの報
告例もある。しかし、最近の報告とみると、イオン注入
時等に生じる点欠陥によってチャネル形成領域のソース
またはドレイン領域近傍で導入不純物が再配置し、ゲー
ト電極下のチャネル形成領域の不純物分布に偏りを生じ
るためであるという考え方が近年の主流を占めてきてい
る。この考え方は、点欠陥（例えば、空孔または割込み
欠陥）と不純物のペアによって拡散が進むといった点欠
陥−不純物ペアの拡散モデルにもとづくものである。

【０００７】図１２および図１３は、ＮチャネルＭＯＳ
ＦＥＴを例に、Ｐ型のチャネル形成領域端の不純物再配
置を、そのＰ型不純物濃度が周囲より大きくなる部分に
着目して説明するための模式図である。図１２は、ゲー
ト両端下方にソースまたはドレイン領域が配置された通
常の表面チャネル型の場合、図１３は、ゲート中心側に
低濃度なＬＤＤ(Lightly Doped Drain) 領域を配置させ
た表面チャネル型の場合である。なお、不純物の再配置
は、ソース側とドレイン側では対称となることから、こ
れらの図ではソース側のみ示し、以下の説明ではソース
側について行なう。また、再配置であるから周囲に不純
物濃度が低い部分ができることが予想されるが、簡略化
のために図示を省略している。図１２および図１３の上
部に示す指図中、符号１００は半導体基板、１０１は高
濃度にＮ型不純物が導入されたソース領域、１０２はチ
ャネル形成領域、１０３はゲート絶縁膜、１０４はゲー
ト電極、１０５は比較的低濃度にＮ型不純物が導入され
たＬＤＤ領域、１０６はサイドウォールスペーサ、Ｓは
ソース電極端子、Ｇはゲート電極端子である。各図の不
純物濃度分布中、符号１０７は、ソース領域１０１（お
よびＬＤＤ領域１０５）のＮ型不純物濃度分布、１０８
はチャネル形成領域１０２のＰ型不純物濃度分布を示
す。

【０００８】通常、ソース領域１０１（およびＬＤＤ領
域１０５）の不純物導入はイオン注入法で行なわれ、こ
のとき基板構成原子（Ｓｉ）の点欠陥が半導体基板１０
０に導入される。この点欠陥は、これら不純物領域の活
性化アニールやサイドウォールスペーサ１０６形成時の
成膜等の加熱工程で不純物領域の周囲に拡散する。そし
て、前記点欠陥−不純物ペアによる拡散モデルにおいて
は、この点欠陥の拡散によって不純物拡散が引き起こさ
れるとされる。その結果、図１２および図１３で破線で
示すように最初フラットな分布をしていたＰ型不純物濃
度１０８が、例えば実線で示すように、点欠陥が拡散し
た付近のチャネル形成領域１０２からソース領域１０１
側にかけて高くなると一般に考えられる。この高濃度化
は、ゲート電極１０４下のチャネル形成領域１０２と同
型のＰ型不純物が、ソース領域１０１（およびＬＤＤ領
域１０５）側、チャネル形成領域１０２のゲート中心
側、あるいはチャネル形成領域１０２より深い領域から
ゲート電極１０４直下の浅いチャネル形成領域１０２へ
拡散してくる現象に起因する。また、この高濃度化は、
ＰＮ接合近傍のＮ型不純物がソース領域１０１（および
ＬＤＤ領域１０５）へ拡散していく結果、再配置がない
場合にくらべ当該ＰＮ接合近傍が相対的にＰ型化すると
いった現象をも表している。

【０００９】この現象が生じると、ゲート長によってゲ
ート電極１０４下のチャネル形成領域１０２のＰ型不純
物濃度分布が変化し、それにともなってゲート電極１０
４下のポテンシャル分布が変化するため、チャネル形成
領域１０２を流れるキャリアの様子も変化するようにな
る。この結果、ゲート閾値電圧がゲート長によって変化
し、逆短チャネル効果が現れる。以上説明してきた機
構、即ち点欠陥の拡散に起因する不純物の再配置によっ
てチャネル形成領域の不純物に偏りを生じ、これが逆短
チャネル効果を引き起こすという考え方が一般に受け入
れられつつある。

【００１０】この逆短チャネル効果の認識を踏まえ、近
年、点欠陥と不純物の相互作用の計算モデルの研究およ
び開発が進み、点欠陥モデルを有したシミュレーション
により、以上に記述してきた逆短チャネル効果の現象を
反映できるようになってきた。そして、逆短チャネル効
果の実測値とシミュレーション結果がよく一致するとい
う報告例が増えている。このような報告例として、例え
ば、以下のようなものが挙げられる。 H.I.Hanafi, et al. "A Model for Anomalous Short-Ch
annel Behavier in Submicron MOSFET's "IEEE EDL-14,
pp.575, 1993.（文献１） C.S.Rafferty, et al. "Explanation of Reverse Short
Channel Effect by Defect Gradients " IEDM93, pp.3
11, 1993. （文献２） T.Kunikiyo, et al. " Reverse Short-Channel Effect
Due to Lateral Diffusion of Point-Defect Induced b
y Source/Drain Ion Implantation " IEEE CAD-13, pp.
507, 1994.（文献３）

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】最初に記述した如く、
点欠陥を考慮しない従来の古典的なシミュレーション方
法を用いることによっては、点欠陥に起因して起こると
される逆短チャネル効果まで考慮し精度が高いシミュレ
ーションを行うことはできない。

【００１２】また、最近開発されつつある点欠陥モデル
を有するシミュレーション方法を用いた場合は、逆短チ
ャネル効果のシミュレーションを行うことは可能ではあ
るものの、その計算モデルが複雑で、パラメータ数も多
くなるために扱いも難しくなり、シミュレーション時間
も非常に長くなるという解決課題が残されている。たと
えば、上記文献１では、ソース領域またはドレイン領域
に近いチャネル形成領域両端に、それぞれ不純物再配置
による濃度が高い凸部と濃度が低い凹部を設け、全体の
不純物濃度を一定としながら凸部と凹部の高さ、幅およ
び形状等を変化させており、このような複雑なモデルを
数値計算に反映させることは容易でない。また、上記文
献３では、モンテカルロ法を用いており、このような粒
子化モデルでは条件設定が容易でなく、また電荷ごとの
計算を行なう必要性からシミュレーション時間が長くな
ることは避けられない。なお、上記文献２では具体的な
計算モデルは示されていない。したがって、従来の点欠
陥モデルを有するシミュレーション方法は、開発グルー
プや生産ラインなどへの供与には未だ適しておらず、研
究範囲での使用に留まっているのが現状である。

【００１３】本発明は、上記実情に鑑みてなされたなさ
れたものであり、点欠陥を考慮しない従来の古典的なシ
ミューション方法を基本とし、これに点欠陥によるチャ
ネル変調を考慮した改良を加えることにより、簡便でか
つ高速に逆短チャネル効果のシミューションを行なえる
半導体装置のシミュレーション方法を新たに提供するこ
とを目的とする。加えて、本発明は、このシミュレーシ
ョン方法の実施に好適なシミュレーション装置およびシ
ミュレーションプログラム内蔵の記録媒体を提供するこ
とを他の目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上述した従来技術の課題
を解決し、上記目的を達成するために、本発明者は、点
欠陥を考慮しない従来の古典的なシミュレーションに点
欠陥の要素を計算モデルを複雑化しない範囲で効果的に
取り入れるに際し、まず、不純物の再配置を考慮した分
布（本発明では、再配置分布という）を半導体製造の不
純物導入シミュレーション（プロセスシミュレーショ
ン）で付加することを考え、その内容については既に特
許出願した。本発明は、より直接的に、プロセスシミュ
レーションまたは実測などからの不純物分布データを用
いて、半導体装置の諸特性（例えば、ゲート閾値電圧Ｖ
th、相互コンダクタンスｇm 等）や物理量（移動度μ、
電位または電界強度等）を算出するシミュレーション
（デバイスシミュレーション）に適用したものである。
その際、チャネル変調の面では、チャネル形成領域にの
み濃度を高くした部分を設けることで十分であり、その
方がソースおよびドレイン領域や実効チャネル長に与え
る影響がすくないであろうとの考えに至った。

【００１５】すなわち、本発明の半導体シミュレーショ
ン方法では、半導体装置の所定の特性を見積もる半導体
装置のシミュレーション方法であって、第１導電型の不
純物が半導体基板に導入される際、既に導入されている
第２導電型の不純物が再配置されるときの偏りを示す再
配置分布データを生成し、生成した再配置分布データ
を、デバイスシミュレーションに入力される不純物分布
データに加えて新たな不純物分布データを合成した後、
当該新たな不純物分布データを用いて所定の物理方程式
または特性方程式を解き、前記所定の特性を算出するこ
とを特徴とする。

【００１６】これにより、デバイスシミュレーションを
行なう直前で、例えばプロセスシミュレーションから得
られる不純物分布データに対し、第１導電型の不純物導
入時に第２導電型（即ち、チャネル形成領域と同じ導電
型）の不純物の偏りを示す再配置分布データを加算する
といった簡単な手順によって、点欠陥による不純物の再
配置をデバイスシミュレーションに反映させることが可
能となる。一方、プロセスシミュレーションに再配置分
布を付加する方法は、不純物の拡散などの半導体装置製
造工程を再配置分布形状に反映できるという利点がある
一方で、拡散計算モデルに沿った不純物濃度分布データ
しかできないので、とりうる分布形状が限られてしま
う。本発明では、再配置分布データの形成工程をシミュ
レーション過程とは別個に有しており、このため逆短チ
ャネル効果といった複雑な現象を実測値と合わせ込むた
めの入力分布データが得やすい利点がある。また、再配
置分布データの変更も容易で、全体のシミュレーション
時間が短くて済む。

【００１７】好ましくは、前記不純物分布データの合成
では、前記再配置分布データを、前記入力した不純物分
布データ中の前記第１導電型の不純物分布に位置的に分
離したかたちで加えるとよい。なぜなら、再配置分布が
ソースおよびドレイン領域（またはＬＤＤ領域）まで及
んでいると、ＰＮ接合位置を動かして実効チャネル長を
大きくし、短チャネル効果が出にくい方向に系を変化さ
せる傾向があるからである。

【００１８】不純物の再配置は、チャネル形成領域の表
面近傍に集中すると一般に考えられていることを考慮す
ると、前記再配置分布データは、その不純物濃度が半導
体基板表面で最大値をとるようにするとよい。ゲート長
を短くして逆短チャネル効果が発生する過程を具体的に
表現する方法として、好ましくは、不純物濃度の分布の
広がり具合を変化させるとよい。たとえば、前記分布の
広がり具合を示す値は、不純物濃度の最大値を示す位置
からゲート中心方向にかけて、ゲート長の任意の値以上
では一定とし、ゲート長が当該任意の値より短くなるに
したがって徐々に小さくなるように変更する。このよう
にすることによって、ゲート長が極めて短くなりソース
側とドレイン側の両再配置分布が重なる場合であっても
不純物濃度の最大値を一定に保つことができ、好まし
い。なぜなら、ゲート長を短くしてゆき、逆短チャンネ
ル効果が大きく見えている領域から短チャネル効果が支
配的となる極微細ゲート領域へ移行する段階で再配置分
布濃度が見かけ上急激に増大すると、実際のゲート閾値
電圧の振る舞いからはかけ離れてしまうことが経験的に
認められるからである。

【００１９】本発明の半導体装置のシミュレーション装
置では、半導体装置の所定の特性を見積もる半導体装置
のシミュレーション装置であって、半導体基板に導入さ
れる不純物の不純物分布データと、当該不純物のうち第
１導電型の不純物が半導体基板に導入される際、既に導
入されている第２導電型の不純物が再配置されるときの
偏りを示す再配置データとを入力する入力手段と、当該
入力手段からの前記再配置データにもとづいて、前記再
配置分布データを生成しする分布設定手段と、前記入力
手段からの前記不純物分布データに対し、前記分布設定
手段からの再配置分布データを加えて新たな不純物分布
データを合成する分布合成手段と、前記分布合成手段か
らの前記新たな不純物分布データを用いて、所定の物理
方程式または特性方程式を解くことにより前記所定の特
性を算出する解析手段と、前記再配置データにもとづい
て、前記再配置分布データを変化させ、前記分布合成手
段から前記解析手段に出力される前記新たな不純物分布
データを更新させる分布更新手段と、を有することを特
徴とする。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る半導体装置の
シミュレーション装置およびシミュレーション方法を添
付図面を参照にして詳細に説明する。なお、本発明に係
る記録媒体は、本発明のシミュレーション方法の手順を
示すプログラムが記憶されているものであることから、
ここでの説明は省略する。本発明は、不純物の再配置が
影響すると考えられる様々なデバイスシミュレーション
において適用できるが、ここではＭＯＳＦＥＴのゲート
閾値電圧のゲート長依存性における逆短チャネル効果を
見積もる場合を例に本発明を説明する。また、Ｎ型チャ
ネルＭＯＳＦＥＴ（ＮＭＯＳＦＥＴ）を例として説明す
るが、Ｐ型チャネルＭＯＳＦＥＴ（ＰＭＯＳＦＥＴ）に
ついては、全ての導電型を逆にすることで同様に適用で
きる。

【００２１】図１および図２は、本発明によってシミュ
レーションを行なう表面チャネル型ＮＭＯＳＦＥＴの概
略断面図である。図１は、ゲート両端下方にソースまた
はドレイン領域が配置された通常の場合、図２は、ゲー
ト中心側にＬＤＤを配置させた場合である。図１および
図２中、符号１は半導体基板、２および３はそれぞれ高
濃度にＮ型不純物が導入されたソース領域およびドレイ
ン領域、４はチャネル形成領域、５はゲート絶縁膜、６
はゲート電極、７は比較的低濃度にＮ型不純物が導入さ
れたＬＤＤ領域、８はサイドウォールスペーサ、Ｓはソ
ース電極端子、Ｄはドレイン電極端子、Ｇはゲート電極
端子である。なお、以下の説明では、図２のＬＤＤ構造
の場合を例に説明するが、図１の場合もほぼ同様に本発
明を適用できる。

【００２２】図３は、本発明のシミュレーション装置の
概略構成を示すブロック図である。このシミュレーショ
ン装置１０は、大まかにはトランジスタのモデル化と、
各種データの加工を行なうプリプロセッサ１１と、所定
の基本方程式をといて解を求めるメインプロセッサ１２
と、メインプロセッサ１２の結果を所定の出力形式に適
合したかたちに変換し、出力するポストプロセッサ１３
と、図示せぬ入出力装置とから構成されている。また、
プロセスシミュレータ１４が、プリプロセッサ１１にオ
ンライン又はオフラインで接続されている。

【００２３】本実施形態におけるプロセスシミュレータ
１４は、半導体ウェーハ工程における所定の製造条件下
での半導体基板に導入される不純物分布を見積もる不純
物シミュレータである。この不純物分布を見積もる手段
は、プロセスシミュレータ１４に限定されず、例えば実
測等によって不純物分布データなどのプロセスパラメー
タをプリプロセッサ１１に提供するものであればよい。
プリプロセッサ１１内には、不純物データやパラメータ
を含む各種データを入力する入力部１５と、各種データ
から解析モデルを作成し、また境界やバイアス等の条件
を策定するモデル・条件設定手段１６を有する。本発明
では、この外、実デバイスの現象（この場合、逆短チャ
ネル効果）に応じて前記分布データを調整する手段、即
ち分布生成手段１７、分布合成手段１８および分布更新
手段１９を新たに備えている。これらの各手段の機能お
よび動作については、つぎのシミュレーション方法にお
いて説明する。

【００２４】図４は、本発明のシミュレーション方法の
全体の流れを示すフローチャートである。まず、図３の
プロセスシミュレータ１４（または実測を行う装置など
でも可）で不純物の分布データを作成する。具体的に
は、図２に示す半導体基板１に導入されチャネル形成領
域４の濃度を決めるＰ型不純物濃度と、ソース領域２お
よびドレイン領域３及びその対向間隔内向きに延在する
ＬＤＤ領域７のＮ型不純物濃度との位置と濃度との関係
を求め、不純物分布データとして出力する。

【００２５】当該デバイスシミュレーションが開始され
ると、ステップＳＴ１でパラメータが前記プリプロセッ
サ１１の入力部１５に入力される。このパラメータに
は、ＮＭＯＳＦＥＴの構造パラメータ、不純物分布以外
のプロセスパラメータ等が含まれる。ステップＳＴ２〜
ステップＳＴ４では、前記モデル・条件設定部１６にお
いて、入力したパラメータにもとづき、解析点の離散化
等のモデル化と、境界条件やバイアス条件等の設定が常
法にしたがって行なわれる。

【００２６】一方、シミュレーションが開始と同時に、
前記プリプロセッサ１１の入力部１５には、プロセスシ
ミュレータ１４からの不純物分布データと、再配置デー
タとが入力され（ステップＳＴ５）、この不純物分布デ
ータに対し、再配置データにもとづく調整がかけられ
（ステップＳＴ６）。この分布調整は、逆短チャネル効
果を考慮して、点欠陥による不純物再配置を不純物分布
データに反映させるためのもので、詳しくは後で述べ
る。

【００２７】つぎのステップＳＴ７〜ステップＳＴ９で
は、図３のメインプロセッサ１２において、通常のデバ
イスシミュレータと同様な方法を用いて数値計算が実行
される。すなわち、ポアソンの方程式や電流連続の式と
いった基本方程式（物理方程式）が、例えば差分法等で
規格化（離散化）され（ステップＳＴ７）、初期値設定
（ステップＳＴ８）後、個々の離散点ごとに数値計算が
行なわれる（ステップＳＴ９）。この数値計算では、基
本方程式から求まる中間変数（例えば、移動度や電界強
度）によって、最終的には、特性方程式の解が求められ
る。本実施形態では、特性方程式として、ゲート長Ｌg
をパラメータとしてもつゲート閾値電圧Ｖthの式が必要
である。また、この特性方程式に関与した物理量、例え
ば仕事関数やゲート容量を前記構造パラメータを用いて
算出する式も必要となる。その後は、前記ポストプロセ
ッサ１３によって計算結果のデータが所定の形式で出力
されると（ステップＳＴ１０）、当該シミュレーション
が終了する。

【００２８】本発明では、先の従来技術で記述した逆短
チャネル効果は点欠陥による不純物の再配置という現象
に起因する、といった前提にたっている。具体的に図２
でいうと、ソースおよびドレイン領域２，３またはＬＤ
Ｄ領域７の形成を目的としてＮ型不純物の導入を行なう
イオン注入時に、半導体基板１に点欠陥が導入され、こ
れが熱工程で既に導入されているＰ型不純物領域（チャ
ネル形成領域４）に拡散され、その結果、Ｐ型不純物が
再配置を引き起こす。そして、不純物が再配置によっ
て、チャネル形成領域４のポテンシャルが一様に変化し
ない、一種のチャネル変調によって逆短チャネル効果が
引き起こされると考えられる。

【００２９】以下、この不純物の再配置を加味して不純
物分布データを調整するステップＳＴ６の内容を詳述す
る。この分布調整では、先のステップＳＴ５で入力した
再配置データにもとづいて、この再配置後の分布を表す
データ（再配置分布データ）を作成し、これをプロセス
シミュレータ１４から得られる不純物分布データに加算
して新たな不純物分布データを合成するものである。

【００３０】まず、ステップＳＴ１１で、再配置分布デ
ータの作成を行なう。ここで、本実施形態で作成される
再配置分布データは、再配置データに含まれる以下の条
件を満たしている。 （１）再配置分布を構成する不純物の導電型は、ゲート
電極６下の不純物と同じであること、（２）再配置分布
は、ゲート電極６下のチャネル形成領域４内でＰＮ接合
に隣接して位置し、当該ＰＮ接合と重ならないこと、
（３）再配置分布は、チャネル面方向と基板深さ方向に
なめらかな分布、例えばガウス分布とすること、（４）
再配置分布の不純物濃度の最大値は、ゲート長によらず
一定とすること、（５）再配置分布の不純物濃度は、半
導体基板表面で最大値をとること、（６）再配置分布の
最大濃度点からゲート中心方向への広がり具合いは、ゲ
ート長Ｌg が任意の値（以下、“Ｌgx”と表記する）以
上では一定とし、ゲート長がＬg がＬgxより短くなるに
したがって徐々に小さくすること、（７）再配置分布に
おける上記（６）以外の広がり（例えば、三次元シミュ
レータでは、ゲート外側、基板深さ方向およびチャネル
幅方向）は、ゲート長Ｌgによらず一定であること、と
する。

【００３１】つぎのステップＳＴ１２で、ゲート長Ｌg
を次第に短くしていったときに最初に逆短チャネル効果
が現れる時点における不純物分布データを、合成によっ
て求める。図５および図６は、この合成後の不純物分布
の濃度プロファイルを、ソース側を例に模式的に示すグ
ラフであり、図５は図２のＡ−Ａ線に沿った水平方向の
断面を示し、図６は図２のＢ−Ｂ線に沿った基板深さ方
向の断面を示す。図５および図６中、符号２０は、ソー
ス領域２とＬＤＤ領域７のＮ型不純物濃度、２１はチャ
ネル形成領域４のＰ型不純物濃度、２１ａは本発明で付
加された再配置濃度分布である。なお、図中、破線は、
参考のため付した、点欠陥による不純物再配置を考慮し
ない従来の古典的シミュレーションのＰ型不純物濃度で
ある。

【００３２】図５から明らかなように、本発明で付加さ
れたＰ型不純物濃度部分、すなわち再配置分布２１ａ
は、これと逆導電型のＮ型不純物濃度２０と位置的に離
れており、このためＰＮ接合位置に影響を与えない。こ
のようにしたのは、再配置分布２１ａがＮ型不純物濃度
２０と重なると、ＰＮ接合位置をゲート外寄りに移動さ
せて実効ゲート長が大きくなることから、短チャネル効
果が出にくい方向へのモデル変動を防止するためであ
る。したがって、モデルの実効ゲート長をこの変動を見
込んで調整する場合では、このような制約（前記条件
（２））は必ずしも必要ない。また、図６から明らかな
ように、本発明では半導体基板表面でＰ型不純物濃度を
最大となるように位置させている。これはソースおよび
ドレイン領域近傍の基板表面に、点欠陥による不純物の
パイルアップ(pile-up) が形成されるといった、従来技
術の前記文献２、および（清水、他、”デープサブミク
ロンＣＭＯＳＦＥＴ設計における高温ＲＴＡのインパク
ト”電子情報通信学会論文誌Vol.J79-CII, No.6, pp.25
2, 1996. ）の報告内容にもとづいたものである。な
お、図２のドレイン側は、図５を左右に折り返したもの
となる。また、深さ方向の分布に関しては、図６と全く
同様である。

【００３３】以上述べてきたような再配置分布の生成
（ステップＳＴ１１）と分布合成（ステップＳＴ１２）
は、ステップＳＴ１３で分布調整の終了が判断されるま
で、ゲート長Ｌg ごとに、ステップＳＴ１４の分布条件
の変更を経て繰り返し実行される。この分布調整の終了
が判断と分布条件の変更は、図３の分布更新手段１９に
おいて、再配置データにもとづいて制御される。ステッ
プＳＴ１３で分布調整終了と判断されると、ステップＳ
Ｔ１５では、複数の合成後不純物分布のデータが前記ス
テップＳＴ７に出力され、前記した手順で数値計算が実
行される。なお、この調整終了の判断（ステップＳＴ１
３）は、ステップＳＴ９の後に行い、数値計算と分布調
整を交互に繰り返す構成でもかまわない。この分布調整
に要する積算時間が、モデル化および条件設定に要する
時間と同じか短ければ、図４の手順のほうが効率的であ
る。

【００３４】以下、上記ステップＳＴ１４における分布
条件変更について、詳細に説明する。図７および図８
は、ゲート長Ｌg が短くなって左右の再配置分布が重な
った時点以後の濃度分布を模式的に示す。図７（ａ）→
図７（ｂ）→図８（ｃ）→図８（ｄ）の順にゲート長Ｌ
g が短くなっている。図７（ａ）は、左右の再配置分布
２１ａ，２１ａが重なり始めた時点を、前記ゲート長の
任意の値Ｌgxと定義する。この値Ｌgxになる以前は、再
配置分布２１ａの形状はゲート長Ｌg によらず一定とす
る。再配置分布２１ａの重なり部分は、不純物の合成に
よって単純加算されると、この重なり部分の濃度は、元
の再配置分布の濃度より高くなる。この急激な高濃度化
は、実デバイスにおける極微細ゲート領域の現象に反す
ることとなる。すなわち、図１１に示すように、“逆短
チャネル効果でゲート閾値電圧が上昇する箇所より更に
ゲート長が短い極微細ゲート領域では、短チャネル効果
が支配的となる”といった現象に再配置分布の挙動を合
わせ込むには、高濃度化は望ましくないことが経験的に
認めらる。

【００３５】そこで、前記した条件（６）に示すよう
に、重ね合わせた再配置分布の濃度が元の濃度より高く
なり始めるゲート長Ｌgxから、そのゲート中心方向への
広がり具合いを、ゲート長Ｌｇが短くなるに従って徐々
に小さくすることとした。図７（ｂ）は、図７（ａ）よ
りゲート長Ｌg が短くなった場合であり、両図を比較す
れば、ゲート中心側の広がり具合が小さく（即ち、急峻
に）なっていることが伺える。

【００３６】さらにゲート長Ｌg が短くなって、左右の
再配置分布２１ａ，２１ａ同士が完全に重なった場合が
図８（ｃ）である。この時点以後は、再配置分布２１ａ
のゲート中心方向への広がりをなくし、ゲート外側の広
がりだけを加える。したがって、図８（ｄ）に示すよう
に、更にゲート長Ｌg が短くなった場合は、２つのゲー
ト外側の広がりの交差点が徐々に下方に移動し、再配置
分布２１ａ全体が次第に小さくなって、最後には消滅す
る。実デバイスとの対比は明確ではないが、シミュレー
ションでは前記した極微細ゲート領域において、次第に
短チャネル効果が支配的になる過程が良く表現できるこ
とから、このような操作を行なうこととした。

【００３７】次に、再配置分布２１ａのゲート中心方向
への広がり具合いの変化について、更に詳細に説明す
る。図９は、ゲート長に対する再配置分布のゲート中心
方向への広がり具合いの変化を示すグラフの例である。
最初の再配置分布２１ａに、以下の式で表されるガウス
分布を用いている。

【数式１】 Ｃ（ｘ）＝Ｃmax ×ｅｘｐ（−ｘ² ／２σ_x ² ） …（１） ここで、Ｃ（ｘ）は再配置分布の不純物濃度、Ｃmax は
再配置分布の不純物濃度の最大値、ｘはＣmax の位置か
らゲート中心方向への距離、σ_x は広がり具合いを示す
パラメータである。図９では、その縦軸はσ_x の値を、
横軸はゲート長さＬ_g を示している。また、図９におけ
るσ_x の傾斜部３０は、任意の定数ａ，ｂ，ｃ，ｄを用
いて、以下の式で表される。

【数式２】 σ_x ＝ａ×（ｂ−Ｌg ）^d ＋ｃ …（２） 具体的に、図９に示す傾斜部３０では、ａ＝−０．３４
８３２，ｂ＝０．７４５，ｃ＝１．５である。また、Ｌ
_g ＞０．７４５μｍではσ_x は一定である。

【００３８】シミュレーション結果 図１０は、図９に示す式を用いて、また上記条件下でＮ
ＭＯＳＦＥＴのゲート閾値電圧のゲート長依存性をシミ
ュレーションした結果を示すグラフである。図１０でで
は、ドレイン電圧が０．１Ｖの時と２．５Ｖの時のシミ
ュレーション結果を、それぞれ実測値と比較して示す。
図１０中、符号４０はシミュレーション結果、４１は実
測値である。また、比較のために、点欠陥による拡散や
異なる不純物同士の相互拡散等を考慮しない従来の古典
的なシミュレーションの結果を、符号４２に示す。な
お、この実測値における半導体装置は、図３に示す構造
のＮＭＯＳＦＥＴを基本としているが、それに加えてＬ
ＤＤ領域７を覆うようにＬＤＤ領域７よりも低濃度のＰ
型の不純物が注入されている。このため、図１０で符号
４２で示す従来の古典的なシミュレーションの結果にお
いて、わずかながら逆短チャネル効果が現れている。し
かし、実測値とは大きな差がある。

【００３９】図１０のグラフから明らかなように、本発
明シミュレーション結果４０は、実測値４１に対して、
ゲート長Ｌg が０．２μｍ〜５μｍの範囲で、ドレイン
電圧が異なる何れの場合でも一致度が高く、逆短チャネ
ル効果および短チャネル効果の傾向を良く表している。
これに対し、従来の古典的なシミュレーション結果４２
は、実測値に対して大きくかけ離れ、逆短チャネル効果
をシミュレーションできないことがわかる。

【００４０】このように本発明に係るシミュレーション
方法によれば、通常の不純物シミュレーションの結果に
対し、点欠陥による不純物の再配置を想定した調整を行
った後、この調整後の不純物分布データを用いてデバイ
スシミュレーションを行うことにより、ＭＯＳＦＥＴに
おいて、より実測値に近い逆短チャネル効果のシミュレ
ーションが可能となる。また、不純物分布の調整は、新
たに生成した分布（再配置分布）を、不純物シミュレー
ション等による分布に単に加算するだけで行なうことが
できる。このような簡単なデータ加工でも、逆短チャネ
ル効果および短チャネル効果を精度よくシミュレーショ
ンできることが実証された。

【００４１】また、本発明に係るシミュレーション装置
では、通常のデバイスシミュレーション装置の前処理部
（プリプロセッサ１１）内に、それぞれ簡単な計算また
は制御を行なう分布調整のための手段１７，１８，１９
を付加するだけでよく、装置構成が簡素である。また、
上記分布調整のためのデータ加工が容易な上、これに変
更をかける際にプロセスシミュレーションから繰り返す
必要がないため、これにより余り処理時間を長くするこ
となく高精度化を図ることが可能となった。とくに、本
実施形態のシミュレーション装置１０では、分布調整の
データ加工が、他の前処理（モデル化および条件設定
等）と並列に処理されるため、従来のシミュレーション
装置と同等な処理時間で逆短チャネル効果のシミュレー
ションも可能である。

【００４２】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明に係る
半導体装置のシミュレーション方法によれば、点欠陥を
考慮しない従来の古典的なシミューション方法を基本と
し、これに点欠陥によるチャネル変調を考慮した改良を
加えることにより、簡便でかつ高速に逆短チャネル効果
のシミューションを行なえる半導体装置のシミュレーシ
ョン方法を提供することができる。また、このシミュレ
ーション方法の実施に好適なシミュレーション装置およ
びシミュレーションプログラム内蔵の記録媒体を提供す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体装置のシミュレーション方法に
好適な表面チャネル型ＮＭＯＳＦＥＴの概略断面図であ
り、ゲート両端下方にソースまたはドレイン領域が配置
された通常の場合を示す。

【図２】本発明の実施形態に係る表面チャネル型ＮＭＯ
ＳＦＥＴの概略断面図であり、ゲート中心側にＬＤＤを
配置させた場合を示す。

【図３】本発明の実施形態に係るシミュレーション装置
の概略構成を示すブロック図である。

【図４】本発明の実施形態に係るシミュレーション方法
の全体の流れを示すフォローチャートである。

【図５】図４の分布合成（ステップＳＴ１４）後の不純
物分布の濃度プロファイルを、ソース側を例に模式的に
示すグラフであり、図２のＡ−Ａ線に沿った水平方向の
断面を示す。

【図６】図５と同様に不純物分布の濃度プロファイルを
模式的に示すグラフであり、図２のＢ−Ｂ線に沿った基
板深さ方向の断面を示す。

【図７】図７（ａ），図７（ｂ）は、ゲート長が短くな
って左右の再配置分布が重なり始めた時点以後の濃度分
布を模式的に示す図である。

【図８】図８（ｃ），図８（ｄ）は、図７（ｂ）に続い
てゲート長が更に短くなって、再配置分布が完全に重な
った時点以後の濃度分布を模式的に示す図である。

【図９】ゲート長に対する再配置分布のゲート中心方向
への広がり具合いの変化例を示すグラフである。

【図１０】図９に示す式を用いて、本実施形態の条件下
でＮＭＯＳＦＥＴのゲート閾値電圧のゲート長依存性を
シミュレーションした結果を示すグラフである。

【図１１】短チャネル効果および逆短チャネル効果が現
れる場合のゲート長とゲート閾値電圧の関係を模式的に
示したグラフである。

【図１２】従来から逆短チャネル効果の要因とされるチ
ャネル形成領域端の不純物再配置を、ＮＭＯＳＦＥＴを
例に、そのＰ型不純物濃度が周囲より大きくなる部分に
着目して説明するための模式図であり、ゲート両端下方
にソースまたはドレイン領域が配置された通常の表面チ
ャネル型の場合を示す。

【図１３】図１２と同様に、チャネル形成領域端の不純
物再配置を説明するための模式図であり、ゲート中心側
に低濃度なＬＤＤ領域を配置させた表面チャネル型の場
合を示す。

【符号の説明】

１…半導体基板、２…ソース領域、３…ドレイン領域、
４…チャネル領域、５…ゲート絶縁膜、６…ゲート電
極、７…ＬＤＤ領域、８…サイドウォールスペーサ、１
０…シミュレーション装置、１１…プリプロセッサ、１
２…メインプロセッサ、１３…ポストプロセッサ、１４
…プロセスシミュレータ（不純物導入についてシミュレ
ーションを行なう手段）、１５…入力部（入力手段）、
１６…モデル・条件設定手段、１７…分布生成手段、１
８…分布合成手段、１９…分布更新手段、２０…Ｎ型不
純物濃度分布、２１…Ｐ型不純物濃度分布、２１ａ…再
配置分布、３０…再配置分布のゲート中心方向の広がり
具合、４０…本発明のシミュレーション結果、４１…実
測値、４１…従来の古典的なシミュレーション結果、Ｓ
…ソース電極端子、Ｄ…ドレイン電極端子、Ｇ…ゲート
電極端子。

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体装置の所定の特性を見積もる半導
   体装置のシミュレーション方法であって、 第１導電型の不純物が半導体基板に導入される際、既に
   導入されている第２導電型の不純物が再配置されるとき
   の偏りを示す再配置分布デ−タを生成し、生成した再配
   置分布データを、入力される不純物分布データに加えて
   新たな不純物分布データを合成した後、当該新たな不純
   物分布データを用いて所定の物理方程式または特性方程
   式を解き、前記所定の特性を算出する半導体装置のシミ
   ュレーション方法。
2. 【請求項２】 前記不純物分布データの合成では、前記
   再配置分布データを、前記入力した不純物分布データ中
   の前記第１導電型の不純物分布データに位置的に分離し
   たかたちで加える請求項１に記載の半導体装置のシミュ
   レーション方法。
3. 【請求項３】 半導体製造工程の不純物導入についてシ
   ミュレーションを行い、当該シミュレーション結果から
   前記不純物分布データを得る請求項１に記載の半導体装
   置のシミュレーション方法。
4. 【請求項４】 所定のパラメータを変化させるごとに、
   前記再配置分布データを更新し、前記新たな不純物分布
   データの合成と所定の特性の算出を繰り返し行なう請求
   項１に記載の半導体装置のシミュレーション方法。
5. 【請求項５】 前記再配置分布データの生成は、その半
   導体基板内における位置、不純物量、不純物濃度の最大
   値および分布の広がり具合を示す値にもとづいて行い、 前記再配置分布データの更新では、分布の広がり具合を
   示す値を前記所定のパラメータの変化に応じて変更する
   請求項４に記載の半導体装置のシミュレーション方法。
6. 【請求項６】 前記再配置分布データでは、その不純物
   濃度が半導体基板表面で最大値をとる請求項５に記載の
   半導体装置のシミュレーション方法。
7. 【請求項７】 前記所定のパラメータは、絶縁ゲート電
   界効果トランジスタのゲート長であり、 当該パラメータの依存性を見積もる前記所定の特性は、
   当該トランジスタのゲートしきい値電圧であり、 前記分布の広がり具合を示す値は、不純物濃度の最大値
   を示す位置からゲート中心方向にかけて、ゲート長の任
   意の値以上では一定とし、ゲート長が当該任意の値より
   短くなるにしたがって徐々に小さくなるように変更する
   請求項５に記載の半導体装置のシミュレーション方法。
8. 【請求項８】 前記分布の拡がり具合を示す値は、不純
   物濃度の最大値を示す位置からゲート外側方向、半導体
   基板の深さ方向およびチャネル幅方向には、ゲート長に
   よらず一定とする請求項７に記載の半導体装置のシミュ
   レーション方法。
9. 【請求項９】 半導体装置の所定の特性を見積もる半導
   体装置のシミュレーション装置であって、 半導体基板に導入される不純物の不純物分布データと、
   当該不純物のうち第１導電型の不純物が半導体基板に導
   入される際、既に導入されている第２導電型の不純物が
   再配置されるときの偏りを示す再配置データとを入力す
   る入力手段と、 当該入力手段からの前記再配置データにもとづいて、前
   記再配置分布データを生成し出力する分布設定手段と、 前記入力手段からの前記不純物分布データに対し、前記
   分布設定手段からの再配置分布データを加えて新たな不
   純物分布データを合成する分布合成手段と、 前記分布合成手段からの前記新たな不純物分布データを
   用いて、また所定のパラメータを変化させて所定の物理
   方程式または特性方程式を解くことにより、前記所定の
   特性を算出する解析手段と、 前記再配置データにもとづいて、前記再配置分布データ
   を変化させ、前記分布合成手段から前記解析手段に出力
   される前記新たな不純物分布データを更新させる分布更
   新手段と、を有する半導体装置のシミュレーション装
   置。
10. 【請求項１０】 前記分布合成手段は、前記再配置分布
    データを、前記入力した不純物分布データ中の前記第１
    導電型の不純物分布に位置的に分離したかたちで加える
    請求項９に記載の半導体装置のシミュレーション装置。
11. 【請求項１１】 半導体製造工程の不純物導入について
    シミュレーションを行う手段を更に有し、 前記入力手段は、当該シミュレーションを行う手段から
    前記不純物分布データを入力する請求項９に記載の半導
    体装置のシミュレーション装置。
12. 【請求項１２】 前記所定のパラメータは、絶縁ゲート
    電界効果トランジスタのゲート長であり、 当該パラメータの依存性を見積もる前記所定の特性は、
    当該トランジスタのゲートしきい値電圧であり、 前記入力手段は、前記再配置分布データについて、その
    半導体基板内における位置、不純物量、不純物濃度の最
    大値、不純物分布の広がり具合を示す値を前記再配置デ
    ータとして入力し、 前記分布更新手段は、不純物分布の拡がり具合を示す値
    を、不純物濃度の最大値を示す位置からゲート中心方向
    にかけて、ゲート長の任意の値以上では一定とし、ゲー
    ト長が当該任意の値よりより短くなるにしたがって徐々
    に小さくなるように前記再配置分布データを変更する請
    求項９に記載の半導体装置のシミュレーション装置。
13. 【請求項１３】 前記不純物濃度の最大値は、半導体基
    板表面で最大値をとる請求項１２に記載の半導体装置の
    シミュレーション装置。
14. 【請求項１４】 半導体装置の所定の特性を見積もるに
    際して、第１導電型の不純物が半導体基板に導入される
    際、既に導入されている第２導電型の不純物が再配置さ
    れるときの偏りを示す再配置分布データを生成し、また
    生成した再配置分布データを所定のパラメータに応じて
    変更し、この生成され変更された複数の再配置分布デー
    タそれぞれを、入力される不純物分布データに加えて複
    数の新たな不純物分布データを合成し、当該複数の新た
    な不純物分布データを用いて、所定の物理方程式または
    特性方程式を繰り返し解き、前記所定の特性を算出する
    半導体装置のシミュレーション用プログラムが格納され
    ている記録媒体。
15. 【請求項１５】 前記不純物分布データの合成では、前
    記再配置分布データを、前記入力した不純物分布データ
    中の前記第１導電型の不純物分布に位置的に分離したか
    たちで加える請求項１４に記載の記録媒体。
16. 【請求項１６】 前記再配置データは、前記再配置分布
    データについて、その半導体基板内における位置、不純
    物量、不純物濃度の最大値および分布の広がり具合を示
    す値を含み、 前記再配置分布データの更新では、分布の広がり具合を
    示す値を前記所定のパラメータの変化に応じて変更する
    請求項１４に記載の記録媒体。
17. 【請求項１７】 前記所定のパラメータは、絶縁ゲート
    電界効果トランジスタのゲート長であり、 当該パラメータ変化の影響を見積もる前記所定の特性
    は、当該トランジスタのゲートしきい値電圧であり、 前記分布の広がり具合を示す値を、不純物濃度の最大値
    を示す位置からゲート中心方向にかけて、ゲート長の任
    意の値以上では一定とし、ゲート長が当該任意の値より
    短くなるにしたがって徐々に小さくなるように変更する
    請求項１６に記載の記録媒体。