1.本發(fā)明涉及模擬仿真技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種不同摻雜體系器件的缺陷演化模擬方法及系統(tǒng)。


背景技術(shù)：

2.在空間輻照過(guò)程中，由空間高能量、大質(zhì)量帶電粒子輻射半導(dǎo)體電子器件造成的損傷主要表現(xiàn)為位移損傷，為清楚理解位移缺陷的產(chǎn)生與形成機(jī)制，需研究在缺陷演化中的初級(jí)撞出粒子的級(jí)聯(lián)碰撞、高溫退火、最后趨于穩(wěn)定的全過(guò)程，具體地，射線在材料中產(chǎn)生的位移效應(yīng)通常為初級(jí)撞出粒子的直接產(chǎn)生與級(jí)聯(lián)，初級(jí)撞出粒子輸運(yùn)早期由于能量高使得其碰撞平均自由程較大，隨著級(jí)聯(lián)碰撞過(guò)程的發(fā)展，末端初級(jí)撞出粒子在短距離內(nèi)可以與較多晶格原子碰撞，直至其能量不足以使點(diǎn)陣原子移位。此外，熱效應(yīng)引起的擴(kuò)散與退火也會(huì)影響缺陷結(jié)構(gòu)，因此整個(gè)初級(jí)撞出粒子的級(jí)聯(lián)過(guò)程從初期的激烈碰撞，到隨后高溫退火，最后趨于平衡。
3.現(xiàn)階段在對(duì)半導(dǎo)體器件輻照缺陷進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)采用的模擬方法較為粗略，例如模擬計(jì)算所采用的模型通常為類似于單晶硅的單一元素體系，與半導(dǎo)體器件的真實(shí)情況差距較大，無(wú)法準(zhǔn)確模擬出半導(dǎo)體器件的輻射缺陷演化過(guò)程。


技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

4.本發(fā)明解決的問(wèn)題是現(xiàn)階段對(duì)于器件輻照缺陷的模擬計(jì)算所采用的模型與實(shí)際情況差距較大，無(wú)法準(zhǔn)確模擬輻照缺陷演化過(guò)程。
5.為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種不同摻雜體系器件的缺陷演化模擬方法，包括：
6.步驟s1，建立純硅體系模型；
7.步驟s2，向所述純硅體系模型中引入摻雜元素，得到摻雜體系模型；
8.步驟s3，基于所述摻雜體系模型，將入射粒子輻照器件后產(chǎn)生的初級(jí)撞出粒子的信息作為輸入條件，利用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬所述器件的缺陷演化過(guò)程，輸出演化結(jié)構(gòu)；
9.步驟s4，統(tǒng)計(jì)所述演化結(jié)構(gòu)中的缺陷信息，并獲取所述缺陷信息與所述摻雜體系模型中的摻雜信息、所述初級(jí)撞出粒子的信息之間的關(guān)系。
10.較佳地，所述摻雜元素包括c、o、b和p元素中的至少一種，其中c和o元素以間隙原子方式摻雜進(jìn)所述純硅體系模型中，b和p元素以替位原子方式摻雜進(jìn)所述純硅體系模型中。
11.較佳地，所述c和o元素的摻雜濃度均為10
12
/cm3—10
14
/cm3，和/或，所述b和p元素的摻雜濃度均為10
18
/cm3—10
20
/cm3。
12.較佳地，所述初級(jí)撞出粒子的信息包括所述初級(jí)撞出粒子的能量，所述缺陷信息包括所述缺陷的數(shù)量。
13.較佳地，所述利用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬所述器件的缺陷演化過(guò)程包括：初級(jí)演化階段、次級(jí)演化階段和終極演化階段，其中，所述初級(jí)演化階段的時(shí)間步長(zhǎng)為0.01fs，所述
次級(jí)演化階段的時(shí)間步長(zhǎng)為0.1fs，所述終極演化階段的時(shí)間步長(zhǎng)為1fs，且所述初級(jí)演化階段、所述次級(jí)演化階段和所述終極演化階段的演化時(shí)間共20ps。
14.較佳地，所述利用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬所述器件的缺陷演化過(guò)程包括：使用lammps進(jìn)行缺陷演化模擬計(jì)算。
15.較佳地，所述分子動(dòng)力學(xué)方法的模擬系綜包括nve系綜。
16.較佳地，所述分子動(dòng)力學(xué)方法的模擬力場(chǎng)包括sw勢(shì)、morse勢(shì)、tersoff勢(shì)和l-j勢(shì)中的一種。
17.較佳地，在所述利用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬所述器件的缺陷演化過(guò)程之前還包括：使用雙溫度弛豫模型對(duì)所述摻雜體系模型進(jìn)行溫度控制，以使所述摻雜體系模型能量最小化。
18.本發(fā)明相較于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：
19.在空間輻照過(guò)程中，入射粒子輻照器件材料后產(chǎn)生初級(jí)撞出粒子，初級(jí)撞出粒子與材料中的晶格原子相互作用產(chǎn)生移位級(jí)聯(lián)，從而造成材料的輻照損傷，器件中存在的摻雜元素也會(huì)對(duì)缺陷演化產(chǎn)生重要的影響，而現(xiàn)有技術(shù)在模擬缺陷演化時(shí)往往采用類似單晶硅的單一元素體系模型，忽略了器件中摻雜元素對(duì)缺陷演化的影響，因此，為了考察不同摻雜體系對(duì)器件缺陷演化的影響，本發(fā)明提供了一種可以體現(xiàn)摻雜元素效應(yīng)影響的模擬方法，具體是將模擬體系按真實(shí)情況進(jìn)行摻雜，使得模擬條件與試驗(yàn)條件更為接近，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)也較為貼合，并利用分子動(dòng)力學(xué)方法實(shí)現(xiàn)不同摻雜體系的器件缺陷演化情況的模擬，通過(guò)缺陷信息與摻雜信息和初級(jí)撞出粒子信息之間的關(guān)系，體現(xiàn)器件中摻雜元素對(duì)缺陷演化的影響。
20.本發(fā)明在使用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬器件缺陷演化時(shí)，考慮了器件中摻雜元素的影響，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同摻雜體系的半導(dǎo)體器件缺陷演化情況的模擬，且模擬過(guò)程極盡地貼合實(shí)際情況，模擬結(jié)果可與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相互對(duì)比，且計(jì)算方法邏輯清晰，步驟簡(jiǎn)單且易于操作。
21.本發(fā)明還提供一種不同摻雜體系器件的缺陷演化模擬系統(tǒng)，包括：
22.建模模塊，用于建立純硅體系模型；
23.摻雜模塊，用于向所述純硅體系模型中引入摻雜元素，得到摻雜體系模型；
24.分子動(dòng)力學(xué)模塊：用于對(duì)所述摻雜體系模型進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，并輸出演化結(jié)構(gòu)；
25.獲取模塊，用于統(tǒng)計(jì)所述演化結(jié)構(gòu)的缺陷信息，并獲取所述缺陷信息與所述摻雜體系模型的摻雜信息、入射粒子輻照器件后的初級(jí)撞出粒子的信息之間的關(guān)系。
26.本發(fā)明的不同摻雜體系器件的缺陷演化模擬系統(tǒng)相較于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與不同摻雜體系器件的缺陷演化模擬方法相同，在此不再贅述。
附圖說(shuō)明
27.圖1為本發(fā)明實(shí)施例中不同摻雜體系器件的缺陷演化模擬方法流程圖；
28.圖2為本發(fā)明實(shí)施例中向純硅體系模型進(jìn)行元素?fù)诫s后的體系示意圖；
29.圖3為本發(fā)明實(shí)施例1和實(shí)施例3中只考慮b摻雜或p摻雜時(shí)缺陷演化計(jì)算結(jié)果圖；
30.圖4為本發(fā)明實(shí)施例3-5中考慮c、o、b、p摻雜時(shí)缺陷演化計(jì)算結(jié)果圖；
31.圖5為本發(fā)明實(shí)施例6和實(shí)施例7中pn結(jié)摻雜時(shí)缺陷演化計(jì)算結(jié)果圖。
具體實(shí)施方式
32.在空間輻照過(guò)程中，入射粒子輻照器件材料后產(chǎn)生初級(jí)撞出粒子(pka)，pka與材料中的晶格原子相互作用產(chǎn)生移位級(jí)聯(lián)，從而造成材料的輻照損傷，pka級(jí)聯(lián)損傷為微觀尺度，因此為了能夠精確描述pka級(jí)聯(lián)微觀動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，包括pka的級(jí)聯(lián)輸運(yùn)、體系能量的平衡、弛豫過(guò)程等，可采用包括缺陷識(shí)別的分子動(dòng)力學(xué)方法。但現(xiàn)有技術(shù)中在模擬缺陷演化時(shí)往往采用類似單晶硅的單一元素體系模型，忽略了器件中摻雜元素對(duì)缺陷演化的影響，而器件中存在的摻雜元素實(shí)際上會(huì)對(duì)缺陷演化產(chǎn)生重要的影響，且由于摻雜體系的不同，進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)用于體現(xiàn)多元素之間相互作用的力場(chǎng)也不同。但目前缺少能在建模時(shí)準(zhǔn)確的引入摻雜元素的方法，亦沒(méi)有可以描述多元素共同存在時(shí)元素之間相互作用的力場(chǎng)。因此，為了考察不同摻雜體系對(duì)器件缺陷演化的影響，本發(fā)明提供了一種可以體現(xiàn)器件尤其是半導(dǎo)體器件缺陷演化時(shí)摻雜元素影響的模擬方法，并試圖找尋可以描述多摻雜元素存在時(shí)各元素相互作用的準(zhǔn)確力場(chǎng)，以體現(xiàn)器件中摻雜元素對(duì)缺陷演化的影響。
33.為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例做詳細(xì)的說(shuō)明。
34.請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的一種不同摻雜體系器件的缺陷演化模擬方法，包括：
35.步驟s1，建立純硅體系模型；
36.步驟s2，向純硅體系模型中引入摻雜元素，得到摻雜體系模型；
37.步驟s3，基于摻雜體系模型，將入射粒子輻照器件后產(chǎn)生的初級(jí)撞出粒子的信息作為輸入條件，利用分子動(dòng)力學(xué)方法(md)模擬器件的缺陷演化過(guò)程，輸出演化結(jié)構(gòu)；
38.步驟s4，統(tǒng)計(jì)演化結(jié)構(gòu)中的缺陷信息，并獲取缺陷信息與摻雜體系模型中的摻雜信息、初級(jí)撞出粒子的信息之間的關(guān)系。
39.本實(shí)施例在使用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬器件缺陷演化時(shí)，考慮了器件中摻雜元素的影響，將模擬體系按真實(shí)情況進(jìn)行摻雜，使得模擬條件與試驗(yàn)條件更為接近，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)也較為貼合。利用分子動(dòng)力學(xué)方法實(shí)現(xiàn)了不同摻雜體系的器件缺陷演化情況的模擬，并通過(guò)缺陷信息與摻雜信息和初級(jí)撞出粒子信息之間的關(guān)系，體現(xiàn)器件中摻雜元素對(duì)缺陷演化的影響，計(jì)算方法邏輯清晰，步驟簡(jiǎn)單且易于操作。
40.其中一些實(shí)施方式中，在步驟s1建模之前還包括：獲取入射粒子輻射器件后產(chǎn)生的pka的信息，并根據(jù)pka的信息對(duì)整個(gè)器件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，示例性地，設(shè)置網(wǎng)格(box)尺寸為70nm*70nm*70nm，然后統(tǒng)計(jì)入射粒子入射后每個(gè)box中所包含的pka的信息，包括pka的數(shù)量、能量、位置和入射方向等。
41.其中一些實(shí)施方式中，步驟s1中建立純硅體系模型包括：在lammps中建立純硅體系模型，并將si單胞在x、y、z三個(gè)方向均擴(kuò)充適當(dāng)倍數(shù)，以建立與box等大小的si結(jié)構(gòu)，用于后續(xù)模擬過(guò)程。例如為了獲得70nm*70nm*70nm的純si模型，將si單胞在x、y、z三個(gè)方向均擴(kuò)充129倍。其中，lammps為大規(guī)模原子分子并行模擬器，主要用于分子動(dòng)力學(xué)相關(guān)的一些計(jì)算和模擬工作。
42.其中一些實(shí)施方式中，器件包括各類半導(dǎo)體器件，摻雜元素包括c、o、b和p元素中的至少一種。為了使得摻雜更能貼近實(shí)際情況，在步驟s2中，要按照各類元素實(shí)際的摻雜方式和摻雜率(也可稱為摻雜濃度)向純硅體系中引入摻雜元素。在摻雜方式方面，c和o元素
以間隙原子方式摻雜進(jìn)純硅體系中，b和p元素以替位原子方式摻雜進(jìn)純硅體系中，兩種摻雜方式均在lammps中易于實(shí)現(xiàn)。摻雜率采用下述方式進(jìn)行計(jì)算，具體地，設(shè)某元素?fù)诫s率為d，單位是/cm3，首先將摻雜率單位換算至/nm3，si體系中每nm3中包含50個(gè)si原子，然后以換算之后的數(shù)值除以每nm3中包含的si原子個(gè)數(shù)，即可得到按百分比表示的摻雜率n，摻雜率的計(jì)算公式如下式所示：
[0043][0044]
本實(shí)施例中，c和o元素的摻雜濃度均為10
12
/cm3—10
14
/cm3，b和p元素的摻雜濃度均為10
18
/cm3—10
20
/cm3，摻雜后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
[0045]
其中一些實(shí)施方式中，步驟s3中，使用lammps進(jìn)行缺陷演化模擬計(jì)算，選擇nve(模擬體系粒子數(shù)、體積和能量不變)系綜為模擬系綜，設(shè)定pka信息、系綜、模擬步長(zhǎng)和演化時(shí)間等參數(shù)，通過(guò)給予pka不同能量值來(lái)賦予pka速度，通過(guò)隨機(jī)數(shù)設(shè)置pka速度與xyz軸的夾角來(lái)調(diào)控其速度方向。在分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算過(guò)程中，設(shè)置輸出演化區(qū)域的每個(gè)原子的坐標(biāo)、動(dòng)能和位移等參數(shù)，以方便步驟s4中統(tǒng)計(jì)工作的進(jìn)行。
[0046]
優(yōu)選實(shí)施方式中，在輸入pka信息后，首先對(duì)摻雜體系能量最小化以及弛豫，以確保體系是穩(wěn)定的，例如使用雙溫度弛豫模型(ttm模型)進(jìn)行體系溫度控制，然后再進(jìn)行md缺陷演化計(jì)算。
[0047]
md缺陷演化計(jì)算包括初級(jí)演化階段、次級(jí)演化階段和終極演化階段，其中，初級(jí)演化階段的時(shí)間步長(zhǎng)為0.01fs，次級(jí)演化階段的時(shí)間步長(zhǎng)為0.1fs，終極演化階段的時(shí)間步長(zhǎng)為1fs，且三個(gè)階段共計(jì)演化時(shí)間20ps左右便達(dá)到md時(shí)間尺度下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)。
[0048]
由于本實(shí)施例在建模時(shí)向純硅體系中摻雜了不同元素，因此需要根據(jù)不同體系最終包含的元素類型選擇合適的力場(chǎng)，本實(shí)施例在lammps中選擇hybrid力場(chǎng)形式，使用不同力場(chǎng)相互耦合來(lái)表征不同元素之間的相互作用。例如：可使用sw勢(shì)描述si-si的相互作用和si-b的相互作用，使用morse勢(shì)描述si-p的相互作用和p-p的相互作用，si-c的相互作用、si-o的相互作用、c-c的相互作用和o-o的相互作用則使用tersoff勢(shì)描述，其余的相互作用可以使用l-j勢(shì)進(jìn)行描述。
[0049]
其中一些實(shí)施方式中，步驟s4統(tǒng)計(jì)演化結(jié)構(gòu)中的缺陷信息中，缺陷信息包括缺陷的類型及數(shù)量，或者缺陷的類型和濃度。
[0050]
下面以具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。
[0051]
實(shí)施例1
[0052]
一種不同摻雜體系器件的缺陷演化模擬方法，包括：
[0053]
步驟s1：在lammps中建立純si體系模型，將si單胞在x、y和z三個(gè)方向均擴(kuò)充129倍，形成box大小為70nm*70nm*70nm的si結(jié)構(gòu)。
[0054]
步驟s2：向純si體系中引入b元素，其中，b元素以替位原子方式摻雜進(jìn)si中，摻雜濃度為10
18
/cm3—10
20
/cm3。
[0055]
步驟s3：設(shè)定pka信息、系綜、模擬步長(zhǎng)和演化時(shí)間等參數(shù)，選擇nve系綜為模擬系綜，使用ttm模型進(jìn)行體系溫度控制，使用sw勢(shì)描述si-si和si-b的相互作用，使用lammps進(jìn)行缺陷演化模擬計(jì)算。
[0056]
實(shí)施例2
[0057]
與實(shí)施例1的不同之處在于：
[0058]
步驟s2中，向純si體系中引入p元素，其中，p元素以替位原子方式摻雜進(jìn)si中，摻雜濃度為10
18
/cm3—10
20
/cm3。
[0059]
步驟s3中，使用morse勢(shì)描述si-p之間的相互作用以及p-p之間的相互作用。
[0060]
實(shí)施例3
[0061]
與實(shí)施例1的不同之處在于：
[0062]
步驟s2中，向純si體系中引入c和o元素，其中，c和o元素以間隙原子方式摻雜進(jìn)純硅體系中，c和o元素的摻雜濃度均為10
12
/cm3—10
14
/cm3。
[0063]
步驟s3中，使用tersoff勢(shì)描述si-c的相互作用、si-o的相互作用、c-c的相互作用和o-o的相互作用。
[0064]
實(shí)施例4
[0065]
與實(shí)施例1的不同之處在于：
[0066]
步驟s2中，向純si體系中引入b、c和o元素，其中，c和o元素以間隙原子方式摻雜進(jìn)純硅體系中，b元素以替位原子方式摻雜進(jìn)純硅體系中，c和o元素的摻雜濃度均為10
12
/cm3—10
14
/cm3，b元素的摻雜濃度為10
18
/cm3—10
20
/cm3。
[0067]
步驟s3中，使用tersoff勢(shì)描述si-c的相互作用、si-o的相互作用、c-c的相互作用和o-o的相互作用，使用sw勢(shì)描述si-si的相互作用和si-b的相互作用。
[0068]
實(shí)施例5
[0069]
與實(shí)施例1的不同之處在于：
[0070]
步驟s2中，向純si體系中引入p、c和o元素，其中，c和o元素以間隙原子方式摻雜進(jìn)純硅體系中，p元素以替位原子方式摻雜進(jìn)純硅體系中，c和o元素的摻雜濃度均為10
12
/cm3—10
14
/cm3，p元素的摻雜濃度為10
18
/cm3—10
20
/cm3。
[0071]
步驟s3中，使用tersoff勢(shì)描述si-c的相互作用、si-o的相互作用、c-c的相互作用和o-o的相互作用，使用morse勢(shì)描述si-p的相互作用和p-p的相互作用。
[0072]
實(shí)施例6
[0073]
與實(shí)施例1的不同之處在于：
[0074]
步驟s2中，純硅體系中，上半部分摻雜b元素，下半部分摻雜p元素，其中，b和p元素以替位原子方式摻雜進(jìn)純硅體系中，b和p元素的摻雜濃度均為10
18
/cm3—10
20
/cm3。
[0075]
步驟s3中，使用sw勢(shì)描述si-si的相互作用和si-b的相互作用，使用morse勢(shì)描述si-p的相互作用和p-p的相互作用。
[0076]
實(shí)施例7
[0077]
與實(shí)施例6的不同之處在于：
[0078]
步驟s2中，純硅體系中，上半部分摻雜p元素，下半部分摻雜b元素。
[0079]
實(shí)施例8
[0080]
在實(shí)施例1-7的基礎(chǔ)上，分別統(tǒng)計(jì)實(shí)施例1-7經(jīng)分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算完成后體系中包含的缺陷數(shù)目，并獲取缺陷數(shù)據(jù)與摻雜元素和pka信息之間的關(guān)系，結(jié)果如圖3-5所示。其中，圖3展示了器件中分別摻雜b元素和p元素時(shí)，器件中缺陷數(shù)量與pka能量之間的關(guān)系，圖4展示了器件中摻雜c和o元素、摻雜b、c和o元素、摻雜p、c和o元素時(shí)，器件中缺陷數(shù)量與pka能量之間的關(guān)系，圖5展示了器件中不同部位摻雜b和p時(shí)的缺陷數(shù)量與pka能量之間的關(guān)
系。由此可以獲得摻雜體系對(duì)半導(dǎo)體器件缺陷演化的影響。
[0081]
需要說(shuō)明的是，再統(tǒng)計(jì)缺陷信息與摻雜信息、pka信息之間的關(guān)系時(shí)，缺陷信息也可以采用其它參數(shù)，例如缺陷類型和濃度，pka信息也可以采用其它參數(shù)，例如pka數(shù)量、位置或入射方向等。
[0082]
本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同摻雜體系的半導(dǎo)體器件缺陷演化情況的模擬，模擬體系按真實(shí)情況考慮摻雜，使得模擬條件與試驗(yàn)條件更為接近，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)亦較為貼合。本方法計(jì)算邏輯清晰，步驟簡(jiǎn)單且易于操作，在整個(gè)模擬過(guò)程中均極盡的貼合實(shí)際情況，模擬結(jié)果可于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相互對(duì)比，在不同半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究中，有著明顯的優(yōu)勢(shì)和廣泛的前景。
[0083]
本發(fā)明另一實(shí)施例提供一種不同摻雜體系器件的缺陷演化模擬系統(tǒng)，包括：
[0084]
建模模塊，用于建立純硅體系模型；
[0085]
摻雜模塊，用于向純硅體系模型中引入摻雜元素，得到摻雜體系模型；
[0086]
分子動(dòng)力學(xué)模塊：用于對(duì)摻雜體系模型進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，并輸出演化結(jié)構(gòu)；
[0087]
獲取模塊，用于統(tǒng)計(jì)演化結(jié)構(gòu)的缺陷信息，并獲取缺陷信息與摻雜體系模型的摻雜信息、入射粒子輻照器件后的初級(jí)撞出粒子的信息之間的關(guān)系。
[0088]
雖然本公開(kāi)披露如上，但本公開(kāi)的保護(hù)范圍并非僅限于此。本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本公開(kāi)的精神和范圍的前提下，可進(jìn)行各種變更與修改，這些變更與修改均將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。