[发明专利]基于离子注入技术模拟硅表面氧化层生长的方法

说明书

本发明提供了一种基于离子注入技术模拟硅表面氧化层生长的方法，涉及半导体材料制备技术领域，包括如下步骤：步骤S1：构建单晶硅的模型，在模型中的单晶硅表面设置真空层，采用反应力场分子动力学方法使单晶硅处于初始平衡状态；步骤S2：加热单晶硅至反应温度，间隔预设时间，重复在随机位置将O原子向单晶硅表面发射，至单晶硅表面发生氧化反应；待氧化反应结束并达到平衡状态后，对模型退火，得到氧化层；步骤S3：获取并评估氧化层的组织形态参数，若组织形态参数未满足预设要求，重复并优化步骤S1和步骤S2直到组织形态参数达到预设要求。本发明通过获取的工艺参数指导实际离子注入技术，实现低成本高效率的指导作用。

技术领域

本发明涉及半导体材料制备技术领域，具体而言，涉及一种基于离子注入技术模拟硅表面氧化层生长的方法。

背景技术

通常半导体器件的顶层硅和硅衬底间需设置一层埋氧化层(SOI)，也即二氧化硅绝缘层，其对某些杂质具有掩蔽作用，有利于选择扩散。因此，结合光刻和扩散工艺，才发展起来平面工艺和超大规模集成电路。为了在硅衬底上制造埋氧化层，可将高能量、高电流的氧离子注入到硅衬底形成富含氧的硅层，高温退火过程可以引起硅与氧原子的化学反应从而形成二氧化硅绝缘层。这个工艺过程称为注氧技术。注氧技术具有很多优点，如注氧可在较低温度下进行、能精确控制掺入硅基片的氧浓度和注入深度、可实现大面积均匀氧化，且重复性好、氧化层纯度高、横向扩散小、工艺条件容易控制等等。但是，在实验的注氧工艺过程难免在SiO₂氧化层中引入点缺陷，这些点缺陷的存在会影响器件的性能，甚至危及器件的工作稳定性和寿命。通过实验手段可以优化分析工艺条件对生成缺陷的类型和浓度，但是难以在原子层面去掌握缺陷形成的微观机理。

因此，如果能够发展一种准确模拟实际的注氧工艺方法，通过调节不同的工艺条件，模拟得到氧化后的氧化层和过渡层中缺陷类型及浓度，反过来优化实际的工艺条件使缺陷到达实际的要求，从而对器件的氧化工艺给予合理优化指导，将具有重要的工程价值和科学意义。

发明内容

本发明解决的问题是如何指导优化工艺条件以使注氧工艺产生的点缺陷满足要求。

为解决上述问题，本发明提供一种基于离子注入技术模拟硅表面氧化层生长的方法，包括如下步骤：

步骤S1：构建单晶硅的模型，在所述模型中的所述单晶硅表面设置真空层，采用反应力场分子动力学方法使所述单晶硅处于初始平衡状态；

步骤S2：加热所述单晶硅至反应温度，间隔预设时间，重复在随机位置将O原子向所述单晶硅表面发射，至所述单晶硅表面发生氧化反应；待所述氧化反应结束并达到平衡状态后，对所述模型退火，得到氧化层；

步骤S3：获取并评估所述氧化层的组织形态参数，若所述组织形态参数未满足预设要求，重复并优化步骤S1和步骤S2直到所述组织形态参数达到所述预设要求。

进一步地，步骤S1中，所述单晶硅的模型为具有金刚石晶体结构的单晶硅方胞模型。

进一步地，步骤S1中，所述单晶硅的所述初始平衡状态包括：对所述单晶硅原子位置进行优化后，弛豫到常压状态，使所述单晶硅原子的受力为零的状态。

进一步地，步骤S1中，所述真空层厚度的范围为2-5nm。

进一步地，步骤S2中，所述反应温度的范围为500-800K。

进一步地，步骤S2中，所述预设时间的范围为5-10ps。

进一步地，步骤S2中，所述发射速度的范围为1500-3000m/s，发射方向为沿逆[100]晶向的方向。

进一步地，步骤S2中，所述退火温度的范围为1000-1300K。

进一步地，步骤S3中，所述优化步骤S1和S2包括：优化所述步骤S2的所述反应温度、所述预设时间、所述发射方式和所述退火方式。