基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧化工艺的方法技术

本发明专利技术提供了一种基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧化工艺的方法，涉及微电子和器件工艺模拟技术领域。包括如下步骤：构建碳化硅晶体的模型，在模型中的碳化硅晶体表面设置真空层，采用反应力场分子动力学方法使碳化硅晶体处于初始状态；加热碳化硅晶体至反应温度，在恒温状态下，间隔第一预设时间，重复在随机位置将一组O2分子以反应温度下所对应的气体速率向碳化硅晶体表面发射，至碳化硅晶体表面发生氧化反应；待氧化反应结束并达到平衡状态后，对模型退火，优化后得到氧化样品；获取氧化样品的结构特征参数。本发明专利技术能够模拟干氧热氧化工艺方法形成的氧化样品中的界面缺陷的产生过程，有利于获得界面缺陷产生及消减的控制方法。制方法。制方法。

【技术实现步骤摘要】
基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧化工艺的方法


[0001]本专利技术涉及微电子和器件工艺模拟
，具体而言，涉及一种基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧化工艺的方法。

技术介绍

[0002]硅基半导体器件在20世纪的迅猛发展，得益于人们对材料及界面结构的深入研究，但是硅材料自身物理性质的限制使得Si功率器件达到理论极限。新一代的宽带隙半导体碳化硅(SiC)因为其卓越的物理化学特性，被认为是制作高功率器件的理想候选材料，在微电子领域，尤其是航空航天、新能源汽车和高铁、工业电机以及智能电网等领域备受关注。目前MOSFET器件的主要故障机制之一是氧化物降解引起的介电击穿，介电击穿的强弱与界面处的模型结构具有很大的相关性，因此针对半导体界面模型的研究是科研工作者广泛关注的科学问题。在碳化硅MOSFET最重要的部分是SiC/SiO2界面结构，由于二氧化硅中Si
‑
O成键灵活，二氧化硅通常以不同密度的非晶形态存在。界面和绝缘层内存在大量界面态，在距离界面3
‑
5nm范围内存在一个组分变化且包含不同结构缺陷的过渡层，其中很多电活性缺陷结构是导致器件性能退化的根本原因。在MOSFET器件制备过程中，界面态、缺陷的类型和浓度与实际生产工艺密切相关。探索SiC/SiO2界面缺陷的形成机理，明确界面态的起源和消减技术具有重要的科学和工程实用价值。SiC材料获得氧化绝缘栅(SiO2)的方法主要是热氧化法，但是碳化硅热氧化过程中涉及的化学反应和形成的界面结构都比Si/SiO2更复杂，其中还有许多重大科学问题亟待解决。
[0003]因此，发展可靠的模拟方法将MOSFET界面微观结构和真实工艺过程建立联系，探索界面结构与器件性能关系，可为开发更有效的半导体器件制备方法提供有力保障。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的问题是如何掌握热氧化法形成的界面缺陷的起因和消减问题。
[0005]为解决上述问题，本专利技术提供一种基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧化工艺的方法，包括如下步骤：
[0006]步骤S1：构建碳化硅晶体模型，在所述模型中的所述碳化硅晶体表面设置真空层，采用反应力场分子动力学方法使所述碳化硅晶体处于初始状态；
[0007]步骤S2：加热所述碳化硅晶体至反应温度，在恒温状态下，间隔第一预设时间，重复在随机位置将一组O2分子以所述反应温度下所对应的气体速率向所述碳化硅晶体表面发射，至所述碳化硅晶体表面发生氧化反应；待所述氧化反应结束并达到平衡状态后，对所述模型退火，优化后得到氧化样品；
[0008]步骤S3：获取所述氧化样品的结构特征参数。
[0009]进一步地，步骤S1中，所述模型的形状为长方体形状。
[0010]进一步地，步骤S1中，所述碳化硅晶体处于初始状态包括对所述碳化硅原子位置进行优化，弛豫到常压状态后，使每个原子的受力状态为零。
[0011]进一步地，步骤S2中，所述加热所述碳化硅晶体至反应温度包括：从300K开始缓慢加热至反应温度，并维持所述反应温度至所述模型平衡。
[0012]进一步地，步骤S2中，所述在随机位置将一组O2分子以所述反应温度下所对应的气体速率向所述碳化硅晶体表面发射，至所述碳化硅晶体表面发生氧化反应，包括如下步骤：
[0013]所述在随机位置将一组O2分子以所述反应温度下所对应的气体速率向所述碳化硅晶体表面发射，使所述O2分子与所述碳化硅晶体表面的原子发生碰撞并等待第二预设时间，若所述O2分子与所述碳化硅晶体表面的原子发生反应，则保留所述若所述O2分子，若所述O2分子与所述碳化硅晶体表面的原子未发生反应，则移除未反应的所述O2分子；再重复上述步骤至所述碳化硅晶体表面发生氧化反应。
[0014]进一步地，步骤S2中，所述平衡状态包括所述模型的氧化反应结束后，保持所述反应温度300ps，并弛豫后的状态。
[0015]进一步地，步骤S2中，所述氧化样品包括未被氧化的碳化硅晶体、过渡层和氧化层。
[0016]进一步地，步骤S3中，所述氧化样品的结构特征参数至少包括所述氧化层的密度、硅氧比、缺陷类型和缺陷浓度。
[0017]进一步地，步骤S2中，所述反应温度的范围为900
‑
1100℃。
[0018]进一步地，步骤S2中，所述第一预设时间和/或所述第二预设时间为0.3
‑
1ps。
[0019]本专利技术所述的基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧化工艺的方法相对于现有技术的优势在于，通过构建碳化硅晶体模型，并采用反应力场分子动力学方法在所述模型的真空层中重复在随机位置将一组O2分子以反应温度下所对应的气体速率向所述碳化硅晶体表面发射，模拟实际的干氧热氧化工艺方法实验中流动气体与碳化硅晶体表面发生反应的过程，适当增加O2分子中活化分子的数目，从而增加其与碳化硅晶体表面中原子有效碰撞的概率，达到提高反应速率的目的，多次循环添加O2分子即可实现快速氧化的目的，效率高，待所述氧化反应结束并达到平衡状态后，对所述模型退火，优化后得到氧化样品；再获取所述氧化样品的结构特征参数，进而掌握通过干氧热氧化工艺方法形成的氧化样品的结构特征参数。通过过程控制及氧化样品的结构特征参数分析，能够精确掌控干氧热氧化工艺方法形成的所述氧化样品中的界面缺陷的产生原因，通过重复模拟验证，即可掌控界面缺陷消减的过程控制的工艺方法。本专利技术通过模拟实际的干氧热氧化工艺方法，掌握氧化样品原子结构层的形成过程及结果，实现深层次的分析控制，同时避免进行实际干氧热氧化工艺实验，降低了成本，提高了效率，并适于规模化运用。
附图说明
[0020]图1为本专利技术实施例中的基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧化工艺的方法流程图；
[0021]图2为本专利技术实施例中的碳化硅晶体干氧热氧化前的组态结构图；
[0022]图3为本专利技术实施例中的碳化硅晶体干氧热氧化过程中的组态结构图；
[0023]图4为本专利技术实施例中的碳化硅晶体干氧热氧化后的组态结构图；
[0024]图5为本专利技术实施例中1300K下氧化层中各种缺陷的浓度统计图；
[0025]图6为本专利技术实施例中氧化层中成键的原子键角统计分析图；
[0026]图7为本专利技术实施例中氧化层中成键的原子键长的统计分析图。
具体实施方式
[0027]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施例做详细的说明。
[0028]需要说明的是，在本申请实施例的描述中，术语“一些具体的实施例”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本专利技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0029]如图1所示，本专利技术实施例提供了一种基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧化工艺的方法，包括本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧化工艺的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：构建碳化硅晶体的模型，在所述模型中的所述碳化硅晶体表面设置真空层，采用反应力场分子动力学方法使所述碳化硅晶体处于初始状态；步骤S2：加热所述碳化硅晶体至反应温度，在恒温状态下，间隔第一预设时间，重复在随机位置将一组O2分子以所述反应温度下所对应的气体速率向所述碳化硅晶体表面发射，至所述碳化硅晶体表面发生氧化反应；待所述氧化反应结束并达到平衡状态后，对所述模型退火，优化后得到氧化样品；步骤S3：获取所述氧化样品的结构特征参数。2.根据权利要求1所述的基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧化工艺的方法，其特征在于，步骤S1中，所述模型的形状为长方体形状。3.根据权利要求1所述的基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧化工艺的方法，其特征在于，步骤S1中，所述碳化硅晶体处于初始状态包括对所述碳化硅原子位置进行优化，弛豫到常压状态后，使每个原子的受力状态为零。4.根据权利要求1所述的基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧化工艺的方法，其特征在于，步骤S2中，所述加热所述碳化硅晶体至反应温度包括：从300K开始缓慢加热至反应温度，并维持所述反应温度至所述模型平衡。5.根据权利要求1所述的基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧化工艺的方法，其特征在于，步骤S2中，所述在随机位置将一组O2分子以所述反应温度下所对应的气体速率向所述碳化硅晶体表面发射，至所述碳化硅晶体表面发生氧化反应，包括如...

【专利技术属性】
技术研发人员：李兴冀，杨剑群，刘中利，李伟奇，吕钢，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：