本發(fā)明涉及模擬仿真，具體而言，涉及一種mosfet柵氧化層輻照位移損傷及影響的模擬方法。

背景技術(shù)：

1、在太空中充滿了大量的高能帶電粒子，如重離子、質(zhì)子等。這些粒子會對航天電子器件造成各種影響，會導(dǎo)致設(shè)備失效甚至損壞，給航天工程帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。輻射環(huán)境對半導(dǎo)體器件或電路造成的輻射損傷主要表現(xiàn)為電離損傷和位移損傷，這兩種損傷均會在器件內(nèi)部產(chǎn)生輻照誘導(dǎo)缺陷，產(chǎn)生缺陷的類型、濃度、陷阱能級、俘獲截面等參數(shù)共同決定了其對器件電學(xué)性能的具體影響。半導(dǎo)體器件在太空環(huán)境中受到各種輻射效應(yīng)，其中較為典型的便是位移損傷，這種損傷將會在半導(dǎo)體器件的氧化層與襯底中產(chǎn)生大量缺陷，嚴(yán)重影響器件的電學(xué)性能。

2、目前，現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展僅關(guān)注到了輻照后器件在襯底中產(chǎn)生缺陷的陷阱類型、濃度及它們對器件的影響，并沒有考慮氧化層缺陷，更沒有考慮對器件特性影響極為重要的柵氧化層缺陷的俘獲截面和陷阱能級。例如公開號為cn?115186536?a的專利文獻(xiàn)中，提供了一種半導(dǎo)體器件中輻照缺陷演化的模擬方法及系統(tǒng)，其采用分子動力學(xué)對半導(dǎo)體材料進(jìn)行缺陷演化模擬，得到缺陷的愈合率與穩(wěn)定缺陷濃度，在此基礎(chǔ)上完成了器件性能模擬。該方法獲得了半導(dǎo)體器件的初始缺陷濃度與缺陷愈合后的缺陷濃度，將缺陷濃度輸入到tcad中，從而獲得了缺陷愈合率與穩(wěn)態(tài)缺陷濃度對半導(dǎo)體器件性能的影響，但該方案只考慮了襯底內(nèi)部缺陷的愈合率和穩(wěn)態(tài)時(shí)缺陷濃度對器件電學(xué)性能的關(guān)系，并沒有考慮到柵氧化層中缺陷的陷阱能級與俘獲截面及它們的影響。公開號為cn?115130306?a的專利文獻(xiàn)中，提出了半導(dǎo)體器件中輻照缺陷演化的仿真方法及系統(tǒng)，其基于分子動力學(xué)和動力學(xué)蒙特卡洛實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體器件中輻照缺陷的產(chǎn)生及演化全過程的時(shí)空跨尺度模擬計(jì)算，該方法可獲得半導(dǎo)體器件中輻照誘導(dǎo)的不同種類的缺陷信息，如缺陷的類型、濃度、空間位置等參數(shù)，然而也并沒有獲得缺陷的陷阱能級及俘獲截面，更沒有考慮到柵氧化層中缺陷的陷阱能級與俘獲截面等參數(shù)信息。

3、目前大多數(shù)學(xué)者關(guān)注的是整個(gè)器件體系中的所有缺陷的演化行為，并沒有關(guān)注柵氧化層缺陷對器件電學(xué)性能的影響；或是考慮器件在輻照后產(chǎn)生缺陷的類型及相應(yīng)的濃度、空間位置參數(shù)，并沒有關(guān)注到氧化層缺陷的陷阱能級位置及俘獲截面的影響。然而對mosfet的柵氧化層缺陷而言，除了需要明確輻照位移損傷缺陷類型及濃度對器件電學(xué)性能的影響，還需要明確陷阱能級與俘獲截面及它們的影響。因此亟需一種能全面描述輻照后柵氧化層缺陷參數(shù)對器件電學(xué)性能影響的技術(shù)方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種mosfet柵氧化層輻照位移損傷及影響的模擬方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)忽略輻照誘發(fā)的柵氧化層缺陷及其對器件性能的影響，導(dǎo)致輻照缺陷演化參數(shù)描述不全面，模擬結(jié)果不準(zhǔn)確的問題。本發(fā)明考慮輻照在柵氧化層中誘發(fā)的穩(wěn)定缺陷、缺陷的數(shù)量、能級以及俘獲截面等的理論計(jì)算，及其對器件性能帶來的影響，從微觀角度入手，采用分子動力學(xué)模擬位移損傷在氧化物薄膜中產(chǎn)生的穩(wěn)定缺陷類型與數(shù)量，針對不同類型的輻照誘發(fā)缺陷運(yùn)用第一性原理計(jì)算缺陷的能級與俘獲截面，將輻照誘發(fā)各種缺陷的數(shù)量、能級與俘獲截面作為輸入開展器件模擬，得到輻照位移損傷對器件電學(xué)特性的影響。

2、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的具體步驟如下：

3、(1)通過分子動力學(xué)模擬，獲取輻照后柵氧化層中產(chǎn)生的陷阱類型及數(shù)量：

4、(1.1)構(gòu)建柵氧化層超胞，并采用勢函數(shù)表征超胞中原子間的相互作用力；

5、(1.2)使用等溫等壓npt系綜作為初始體系，將體系溫度平衡至常溫t′，距離晶胞邊界范圍設(shè)置為恒溫層，通過連接nose-hoova恒溫器保持恒溫層溫度為t′，并將內(nèi)部區(qū)域設(shè)置為模擬區(qū)，模擬過程采用微正則nve系綜；

6、(1.3)粒子沿晶胞表面法向方向且從晶胞的正上方中心入射；

7、(1.4)從體系中隨機(jī)選取一個(gè)原子作為初級沖撞原子，當(dāng)初級沖撞原子獲取的動能大于其位移閾能時(shí)，離位生成缺陷；

8、(1.5)得到輻照后柵氧化層中產(chǎn)生的陷阱類型及數(shù)量；

9、(2)將陷阱類型輸入到第一性原理軟件中，獲取陷阱的能級位置及俘獲截面：

10、(2.1)利用第一性原理軟件構(gòu)造一個(gè)原子個(gè)數(shù)不超過300且結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的柵氧化層超胞，并引入步驟(1)得到的任意一種或多種陷阱類型，獲得包含缺陷的超胞；

11、(2.2)通過第一性原理軟件對包含缺陷超胞進(jìn)行處理，得到缺陷的能級位置；

12、(2.3)計(jì)算俘獲截面σ：

13、

14、其中，c表示缺陷的俘獲系數(shù)，為載流子速率；

15、(3)將陷阱的類型、數(shù)量、能級位置以及俘獲截面作為輸入?yún)?shù)，通過半導(dǎo)體器件仿真軟件進(jìn)行半導(dǎo)體器件的性能模擬，獲得輻照后柵氧化層中陷阱電荷對器件電學(xué)性能的影響。

16、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

17、第一、由于本發(fā)明采用分子動力學(xué)獲取輻照位移損傷的缺陷類型與數(shù)量，從而能夠快速獲得穩(wěn)定的缺陷類型與數(shù)量；

18、第二、本發(fā)明考慮到分子動力學(xué)在獲取陷阱能級及俘獲截面較為困難，因此針對不同類型缺陷，在計(jì)算其能級與俘獲截面時(shí)引入第一性原理，從而能夠通過計(jì)算得到缺陷的能級與俘獲截面；

19、第二、本發(fā)明將分子動力學(xué)與第一性原理相結(jié)合，通過聯(lián)動模擬獲得輻照后柵氧層中產(chǎn)生的缺陷及其相應(yīng)的陷阱能級、俘獲截面等參數(shù)，并將所得缺陷參數(shù)輸入到半導(dǎo)體工藝模擬以及器件模擬工具中，從而能夠更全面、準(zhǔn)確地描述輻照位移損傷對柵氧層的影響，進(jìn)而描述輻照后產(chǎn)生的柵氧層缺陷對器件電學(xué)性能產(chǎn)生的影響，為進(jìn)一步指導(dǎo)優(yōu)化半導(dǎo)體器件性能提供可靠依據(jù)。

技術(shù)特征：

1.一種mosfet柵氧化層輻照位移損傷及影響的模擬方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬方法，其特征在于：步驟(1.1)中構(gòu)建柵氧化層超胞，超胞所包含的原子個(gè)數(shù)通過下式確定：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬方法，其特征在于：步驟(1.1)中所述勢函數(shù)，包括深度學(xué)習(xí)勢函數(shù)、經(jīng)驗(yàn)勢函數(shù)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬方法，其特征在于：步驟(2.2)所述通過第一性原理軟件對包含缺陷超胞進(jìn)行處理，得到缺陷的能級位置；具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的模擬方法，其特征在于：步驟(2.1)和步驟(2.2.2)中所述結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是指通過在第一性原理軟件中調(diào)整相關(guān)參數(shù)使原子達(dá)到各自平衡位置，獲得穩(wěn)定的晶胞結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化；所述相關(guān)參數(shù)包括超胞優(yōu)化情況、結(jié)構(gòu)優(yōu)化精度、原子運(yùn)動軌跡和自治優(yōu)化收斂能量標(biāo)準(zhǔn)，其中超胞優(yōu)化情況包含超胞體積、形狀及原子位置。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的模擬方法，其特征在于：所述第一性原理軟件包括siesta、vasp、wien2k、pwscf、materials?studio。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的模擬方法，其特征在于：步驟(2.2.4)中通過態(tài)密度計(jì)算提取態(tài)密度圖，實(shí)現(xiàn)如下：首先將結(jié)構(gòu)文件轉(zhuǎn)化為靜態(tài)計(jì)算文件，再進(jìn)行靜態(tài)自洽計(jì)算，用于調(diào)整體系中電子達(dá)到體系最低能量狀；同時(shí)，修改k點(diǎn)并進(jìn)行非自洽計(jì)算，獲取精確的態(tài)密度；最后計(jì)算并處理態(tài)密度數(shù)據(jù)得到態(tài)密度圖。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬方法，其特征在于：步驟(2.3)中所述缺陷的俘獲系數(shù)c和載流子速率分別根據(jù)下式得到：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬方法，其特征在于：步驟(3)中所述輻照后柵氧化層中陷阱電荷對器件電學(xué)性能的影響，根據(jù)如下步驟獲取：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的模擬方法，其特征在于：所述半導(dǎo)體器件仿真軟件包括sentaurus?tcad、silvaco?tcad、ansys、comsol。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種MOSFET柵氧化層輻照位移損傷及影響的模擬方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)輻照缺陷演化參數(shù)描述不全面，模擬結(jié)果不準(zhǔn)確的問題。包括：1)通過分子動力學(xué)模擬，獲取輻照后柵氧化層中產(chǎn)生的陷阱類型及數(shù)量；2)利用第一性原理軟件構(gòu)造柵氧化層超胞并引入陷阱類型；3)對包含缺陷的超胞運(yùn)用第一性原理獲取陷阱的能級位置并計(jì)算俘獲截面；4)將陷阱的類型、數(shù)量、能級位置以及俘獲截面輸入半導(dǎo)體器件仿真軟件進(jìn)行性能模擬；5)獲得輻照后柵氧化層中陷阱電荷對器件電學(xué)性能的影響。本發(fā)明能夠全面、準(zhǔn)確地描述輻照位移損傷對柵氧化層的影響，明確其中缺陷對器件電學(xué)性能產(chǎn)生的影響，為進(jìn)一步指導(dǎo)優(yōu)化半導(dǎo)體器件性能提供可靠依據(jù)。

技術(shù)研發(fā)人員：陳華,喬彬,周益春,廖敏,廖佳佳
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2