用于半导体器件重离子潜径迹损伤分析的方法和装置与流程

本申请涉及半导体器件重离子辐照的数值分析方法，尤其涉及用于半导体器件重离子潜径迹损伤分析的方法和装置。

背景技术：

随着微电子制造工艺的不断成熟，硅材料的瓶颈日益突出，特别是在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。

在航空航天领域半导体器件也有广泛应用，空间环境中的高能重离子尽管通量较低，但其极强的能量损失特性使得沿离子径迹对器件产生的损伤不可忽略。

对于重离入潜径迹损伤过程的分析研究通常是以实际半导体器件辐照条件下的研究为主，但基于实物的研究通常会有很多条件限制，比如，至少要重离子辐照的环境和过程,而且不能为重离入潜径迹损伤的预判和预研提供更为灵活和广泛适应的研究条件。

技术实现要素：

(一)发明目的

本申请要解决的技术问题是提供一种半导体器件重离子潜径迹损伤的分析方法，通过构建半导体器件模型，绘制入射粒子在器材模型中的运动轨迹来分析重离子潜径迹损伤情况。

(二)技术方案

第一方面，本申请实施例提供了一种用于半导体器件重离子潜径迹损伤的分析方法，包括：

确定所述半导体器件的基本结构；

根据所述半导体器件的基本结构建立其器件模型；

确定所述半导体器件模型中每层材料的种类和厚度参数，以及每层材料中入射粒子的类型和能量参数；

根据所述每层材料的种类及厚度参数，定义所述半导体器件模型的底色和框架结构；

根据所述入射粒子的类型和能量参数，定义所述半导体器件模型中表示所述入射粒子的线型、线条颜色和线条走向；

根据定义的所述入射粒子的线型、线条颜色和线条走向，以及定义的所述半导体器件模型的底色和框架结构，在所述半导体器件模型中绘制所述入射粒子的运动轨迹。

上述实施中通过构建半导体器件模型，并基于所述器件模型绘制入射粒子在器材模型中的运动轨迹来分析重离子潜径迹损伤情况，避免了基于实物的研究产生的条件限制，方便了更为广泛和普适的模拟研究。

一些实施例中，所述根据所述入射粒子的类型和能量参数，定义所述半导体器件模型中表示所述入射粒子的线型、线条颜色和线条走向，包括：

用线条颜色定义所述入射粒子的能量大小；

用线条走向定义所述入射粒子的能量方向。

一些实施例中，根据定义的所述入射粒子的线型、线条颜色和线条走向，以及定义的所述半导体器件模型的底色和框架结构，在所述半导体器件模型中绘制所述入射粒子的运动轨迹的过程包括：

基于蒙特卡罗方法模拟所述入射粒子在所述器件模型中的运动轨迹；

根据模拟的所述运动轨迹，利用定义的所述入射粒子的线型、线条颜色和线条走向，绘制所述入射粒子在所述器件模型中运动轨迹的分布情况。

一些实施例中，还包括：

基于蒙特卡罗方法模拟所述入射粒子在所述器件模型中运动时的次级粒子的运动轨迹；

根据模拟的所述次级粒子的运动轨迹，利用定义的所述入射粒子的线型、线条颜色和线条走向，绘制所述次级粒子在所述器件模型中运动轨迹的分布情况；

根据绘制的所述次级粒子的运动轨迹的分布情况，确定造成潜径迹损伤的所述次级粒子的类型。

一些实施例中，还包括：

根据所述入射粒子在所述器件模型中运动轨迹的分布情况，从时间上对所述入射粒子在所述器件模型中的能量沉积的产生过程进行仿真模拟，计算随时间变化所述器材模型中电子空穴对的累积增量。

另一方面，本申请实施例提供了一种用于半导体器件重离子潜径迹损伤的分析装置，包括：

器件模型构建模块，用于根据所述半导体器件的基本结构建立其器件模型；

模型参数确定模块，用于确定所述半导体器件模型中每层材料的种类和厚度参数，以及每层材料中入射粒子的类型和能量参数；

模型框架定义模块，用于根据所述每层材料的种类及厚度参数，定义所述半导体器件模型的底色和框架结构；

粒子参数定义模块，用于根据所述入射粒子的类型和能量参数，定义所述半导体器件模型中表示所述入射粒子的线型、线条颜色和线条走向；

粒子轨迹绘制模块，用于根据定义的所述入射粒子的线型、线条颜色和线条走向，以及定义的所述半导体器件模型的底色和框架结构，在所述半导体器件模型中绘制所述入射粒子的运动轨迹。

一些实施例中，所述粒子参数定义模块，用线条颜色定义所述入射粒子的能量大小；用线条走向定义所述入射粒子的能量方向。

一些实施例中，所述粒子轨迹绘制模块，是基于蒙特卡罗方法模拟所述入射粒子在所述器件模型中的运动轨迹；并根据模拟的所述运动轨迹，利用定义的所述入射粒子的线型、线条颜色和线条走向，绘制所述入射粒子在所述器件模型中运动轨迹的分布情况。

一些实施例中，所述粒子轨迹绘制模块，还包括基于蒙特卡罗方法模拟所述入射粒子在所述器件模型中运动时的次级粒子的运动轨迹；根据模拟的所述次级粒子的运动轨迹，利用定义的所述入射粒子的线型、线条颜色和线条走向，绘制所述次级粒子在所述器件模型中运动轨迹的分布情况；根据绘制的所述次级粒子的运动轨迹的分布情况，确定造成潜径迹损伤的所述次级粒子的类型。

一些实施例中，所述粒子轨迹绘制模块，还包括根据所述入射粒子在所述器件模型中运动轨迹的分布情况，从时间上对所述入射粒子在所述器件模型中的能量沉积的产生过程进行仿真模拟，计算随时间变化所述器材模型中电子空穴对的累积增量。

在上述实施例中本申请在器件模型中通过所定义的入射粒子，弄清潜径迹损伤的微观起源，得到辐照情况下损伤的时间和空间演化，可得到具体的能量损失和时间参数，为宏观分析器件的损伤提供准确的微观参数。

在一些实施例中通过更改器件模型尺寸，可以对应不同特征尺寸或不同生长方式的半导体器件，开展重离子辐照实验的评估研究，与开展实物的重离子辐照实验相比，在节省大量的时间和经费的同时可以对器件的抗辐照性能进行很好的预测和评估。

附图说明

图1a为聚焦离子束fib制样位置示意图；

图1b为图1a的局部放大图；

图2为离子入射径迹示意图；

图3为离子入射产生的电离能损随入射深度的变化示意图；

图4为不同类型粒子产生的电离能损及其随入射时间的变化示意图；

图5为离子入射产生的电离能损的空间分布示意图；

图6为重离子致电离能损的空间分布随时间的演化示意图；

图7为本申请实施例用于半导体器件重离子潜径迹损伤的分析方法流程示意图；

图8为本申请实施例用于半导体器件重离子潜径迹损伤的分析装置结构框图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本申请进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本申请的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本申请的概念。

在附图中示出了根据本申请实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下文中描述了本申请的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本申请。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本申请。除非在下文中特别指出，半导体器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成。

图7为本申请实施例用于半导体器件重离子潜径迹损伤的分析方法流程示意图。

如图7所示，用于半导体器件重离子潜径迹损伤的分析方法，包括：

s110：确定所述半导体器件的基本结构；

s120：根据所述半导体器件的基本结构建立其器件模型；

s130：确定所述半导体器件模型中每层材料的种类和厚度参数，以及每层材料中入射粒子的类型和能量参数；

s140：根据所述每层材料的种类及厚度参数，定义所述半导体器件模型的底色和框架结构；

s150：根据所述入射粒子的类型和能量参数，定义所述半导体器件模型中表示所述入射粒子的线型、线条颜色和线条走向；

s160：根据定义的所述入射粒子的线型、线条颜色和线条走向，以及定义的所述半导体器件模型的底色和框架结构，在所述半导体器件模型中绘制所述入射粒子的运动轨迹。

一些实施例中，步骤s150中根据所述入射粒子的类型和能量参数，定义所述半导体器件模型中表示所述入射粒子的线型、线条颜色和线条走向，包括：

s151:用线条颜色定义所述入射粒子的能量大小；

s152:用线条走向定义所述入射粒子的能量方向。

比如，用红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色彩定义入射粒子的七个能量等级。代理入射粒子运动轨迹的线条在每一个点的走向就是该入射粒子在该点的能量方向。

一些实施例中，步骤s160根据定义的所述入射粒子的线型、线条颜色和线条走向，以及定义的所述半导体器件模型的底色和框架结构，在所述半导体器件模型中绘制所述入射粒子的运动轨迹，包括：

s161:基于蒙特卡罗方法模拟所述入射粒子在所述器件模型中的运动轨迹；

s162:根据模拟的所述运动轨迹，利用定义的所述入射粒子的线型、线条颜色和线条走向，绘制所述入射粒子在所述器件模型中运动轨迹的分布情况。

其中，基于蒙特卡罗方法模拟所述入射粒子在所述器件模型中的运动轨迹，是指利用geant4建立入射粒子与器件材料的物理作用过程，该作用过程包括大量实验数据整合的入射粒子与材料的反应截面。geant4软件在模拟入射粒子在材料中的运动过程时可以编写程序对入射粒子的特定运动过程进行追踪及提取对应的数据信息。入射粒子在材料中运动时其能量和运动角度会发生改变，利用geant4中最小追踪单位step对入射粒子的整个运动过程细分化，得到入射粒子每一个step的时间、空间坐标以及运动方向，进一步对step信息进行整合得到入射粒子的运动轨迹。

geant4(geometryandtracking，几何和跟踪)是由cern(欧洲核子研究组织)基于c++面向对象技术开发的蒙特卡罗应用软件包，用于模拟粒子在物质中输运的物理过程。

一些实施例中，步骤s160还包括：

s163:基于蒙特卡罗方法模拟所述入射粒子在所述器件模型中运动时的次级粒子的运动轨迹；

s164:根据模拟的所述次级粒子的运动轨迹，利用定义的所述入射粒子的线型、线条颜色和线条走向，绘制所述次级粒子在所述器件模型中运动轨迹的分布情况；

s165:根据绘制的所述次级粒子的运动轨迹的分布情况，确定造成潜径迹损伤的所述次级粒子的类型。

入射粒子材料中运动时，有一定几率与材料发生相互作用产生次级粒子，利用geant4对次级粒子从产生到能量耗尽停止运动整个过程进行同步追踪，基于geant4最小追踪单位step，对次级粒子每一个step的能量和运动方向进行统计并整合分析，最后整理得到次级粒子的运动轨迹。

一些实施例中，步骤s160还包括：

步骤s166:根据所述入射粒子在所述器件模型中运动轨迹的分布情况，从时间上对所述入射粒子在所述器件模型中的能量沉积的产生过程进行仿真模拟，计算随时间变化所述器材模型中电子空穴对的累积增量。

一些实施例中，以sicmosfet半导体器件为例。

首先通过geant4来构建sicmosfet器件的几何模型,具体通过对sicmosfet器件进行纵向剖切，获得各层材料以及其对应厚度。

然后在geant4中对器件结构、物理过程、入射离子设定等进行编程，最后对重离子辐射sicmosfet器件后产生的潜径迹损伤进行数值模拟。

快重离子轰击靶材料时，主要是通过离子与靶材料中核外电子的非弹性碰撞损失能量，除离子射程末端以外电子能损在整个离子路径上起主导作用。快重离子沿入射路径沉积的能量局限在很小的区域，可能导致空间有限的区域形成永久性的结构改变，即产生潜径迹。各种材料中潜径迹的形成是一个非常普遍的现象，形成潜径迹的缺陷可以是点缺陷、缺陷团，也可能是局部非晶化或重结晶产生相变。

潜径迹通常有如下特点：1)大小约为几个纳米至十几纳米的量级；2)形貌可能是孤立的球缺陷、椭球形缺陷、不连续的圆柱形缺陷或连续的圆柱形缺陷。潜径迹是电子能损在凝聚态物质中引起的一个重要辐照效应。潜径迹的形成及形貌不仅依赖于入射粒子的种类和能量，也依赖于靶材料的类型。实际上，高let值的重离子在半导体材料中的电子能损密度非常之高，这种极高能量密度的电子能损和晶格相互作用，造成沿着离子入射方向产生潜径迹。潜径迹的产生在不同的材料中存在不同的阈值，只有电离能损超过一定数值才能在特定的材料中产生潜径迹。潜径迹局部区域可能出现晶体材料的非晶化，严重影响器件的电学工作特性。贯穿势垒层的潜径迹起到新增漏电通道的作用，导致栅出现严重退化。

一些实施例中，仍以sicmosfet半导体器件为例。

首先利用fib(聚焦离子束，focusedionbeam)进行对器件进行纵向切割，对器件各层的成分进行标定，确定器件的基本结构与材料组成，如图1a、图1b所示，器件基本单元为典型的平面型vdmos结构。这里以218mev的br(溴)离子为例，在geant4中对入射粒子进行设定。高能重离子从栅极上方垂直入射sicmosfet器件，重离子与器件材料发生相互作用。除了重离子外还有大量次级粒子在重离子径迹周围产生并向远离径迹的方向运动，重离子潜径迹在此过程中出现。如图2所示是218mev的br(溴)离子入射sicmosfet器件时重离子及次级粒子的径迹分布。高能重离子在射程前端能量较高且其径迹接近直线，次级粒子在重离子径迹周围产生，次级粒子主要是电子，电子再与碳化硅材料发生相互作用直至能量耗尽停止运动。假设一个运动的原子撞击了一个靶原子，并且传递给后者超过edisp(移位能)的能量，那么靶原子将会被撞击出其晶格位置。在重离子射程末端，重离子能量较低不足以与碳化硅材料反应产生大量的次级电子，此时的能量损失主要由于重离子与碳化硅原子发生碰撞，当材料中的空位数量足够多时，会导致材料非晶化进而影响材料的电学性能。

一些实施例中，通过geant4编写程序对单位深度的电离能损数据进行抽取并保存。经整理得到重离子入射产生的电离能损随入射深度的变化如图3所示，单位深度的电离能损在10um入射深度处达到峰值，约为14.2kev/nm。在射程末端重离子的能量较低因而电离能损急剧下降，重离子在入射深度为18.213um时能量耗尽停止运动。经数据处理得到重离子在sicmosfet器件中的总能量沉积、重离子造成的能量沉积、次级电子造成的能量沉积三者随时间的变化，如图4所示。

重离子的电离能损是能量沉积的主要来源。在一些实施例中，利用蒙特卡罗方法的随机性，经过多次模拟得到重离子入射产生的能量沉积密度在器件中的空间分布如图5所示。能量沉积密度向远离重离子径迹中心方向逐渐降低，最大能量沉积密度约为9.35×1014mev/cm3。当在栅极随机垂直入射一个18mev的br(溴)离子，通过数据提取程序，得到能量沉积的空间分布随时间的变化关系。由于蒙特卡罗方法的随机性，入射的离子其能量沉积分布主要集中在重离子径迹的一侧。重离子在入射过程中能量逐渐损伤，运动方向也由于与材料原子发生碰撞出现一定的偏移。0-50fs时能量沉积分布在0-2um深度范围内，沿离子径迹处的能量沉积最高。由于重离子自身的能量较高其产生的次级粒子具有较高的能量，能在器件中横向运动较远的距离，从而能量沉积有较宽的横向分布范围。能量沉积随时间的递增在器件中分布的深度越深，其横向分布范围也随重离子自身能量、次级粒子的能量减小逐渐变窄。

图8为本申请实施例用于半导体器件重离子潜径迹损伤的分析装置结构框图。

如图8所示，用于半导体器件重离子潜径迹损伤的分析装置，包括：

器件模型构建模块01，用于根据所述半导体器件的基本结构建立其器件模型；

模型参数确定模块02，用于确定所述半导体器件模型中每层材料的种类和厚度参数，以及每层材料中入射粒子的类型和能量参数；

模型框架定义模块03，用于根据所述每层材料的种类及厚度参数，定义所述半导体器件模型的底色和框架结构；

粒子参数定义模块04，用于根据所述入射粒子的类型和能量参数，定义所述半导体器件模型中表示所述入射粒子的线型、线条颜色和线条走向；

粒子轨迹绘制模块05，用于根据定义的所述入射粒子的线型、线条颜色和线条走向，以及定义的所述半导体器件模型的底色和框架结构，在所述半导体器件模型中绘制所述入射粒子的运动轨迹。

一些实施例中，粒子参数定义模块04中用线条颜色定义所述入射粒子的能量大小；用线条走向定义所述入射粒子的能量方向。

一些实施例中，粒子轨迹绘制模块05是基于蒙特卡罗方法模拟所述入射粒子在所述器件模型中的运动轨迹；并根据模拟的所述运动轨迹，利用定义的所述入射粒子的线型、线条颜色和线条走向，绘制所述入射粒子在所述器件模型中运动轨迹的分布情况。

一些实施例中，粒子轨迹绘制模块05还包括基于蒙特卡罗方法模拟所述入射粒子在所述器件模型中运动时的次级粒子的运动轨迹；根据模拟的所述次级粒子的运动轨迹，利用定义的所述入射粒子的线型、线条颜色和线条走向，绘制所述次级粒子在所述器件模型中运动轨迹的分布情况；根据绘制的所述次级粒子的运动轨迹的分布情况，确定造成潜径迹损伤的所述次级粒子的类型。

一些实施例中，粒子轨迹绘制模块05还包括根据所述入射粒子在所述器件模型中运动轨迹的分布情况，从时间上对所述入射粒子在所述器件模型中的能量沉积的产生过程进行仿真模拟，计算随时间变化所述器材模型中电子空穴对的累积增量。

应当理解的是，本申请的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本申请的原理，而不构成对本申请的限制。因此，在不偏离本申请的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。此外，本申请所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。