一种单晶硅湿氧热氧化工艺的模拟方法

1.本发明涉及硅工艺的模拟技术技术领域，具体而言，涉及一种单晶硅湿氧热氧化工艺的模拟方法。


背景技术：

2.在硅表面生成氧化层的方法较多，其中应用较多的是热氧化法。热氧化法包括干氧热氧化法和湿氧热氧化法，通常干氧热氧化法当硅表面生长的氧化层达到一定厚度时生长速率会急速下降，常导致氧化层厚度达不到要求；而湿氧热氧化法生成氧化层的速率较快，能够满足生成具有一定厚度的氧化层的要求。但是由于在硅的湿氧热氧化过程中元素h易进入到氧化层内部，影响氧化层的结构和相应器件的性能，因此对于氧化层中元素h的存在形式及其电子性质的研究是优化硅基器件的重要方面。但是，实验中对于元素h的存在形式及其物理性质的测定非常困难。无法深层次分析并控制元素h的存在形式及其电子性质等，达到经济高效地预测和优化器件的目的。


技术实现要素：

3.本发明解决的问题是如何实现对湿氧热氧化工艺生成的氧化层中h的存在形式和电子性质的获取分析。
4.为解决上述问题，本发明提供一种单晶硅湿氧热氧化工艺的模拟方法，包括如下步骤：
5.步骤s1：构建表面带有真空层的单晶硅的模型，在所述模型中，采用反应力场分子动力学方法使所述单晶硅的原子位置和受力状态处于起始状态后，加热所述模型至反应温度使所述模型处于平衡状态；
6.步骤s2：在恒温条件下，间隔预设反应时间，重复在所述真空层的随机位置将o2分子和h2o分子以该温度所对应的气体速率向所述单晶硅表面发射，使所述单晶硅表面发生氧化反应，反应完成后保持所述模型在恒温条件下至所述模型状态平衡，退火后，得到氧化试样；所述氧化试样包括氧化层；
7.步骤s3：获取所述氧化层的结构参数，重复步骤s1至步骤s2，获取并分析所述氧化层的结构参数，所述结构参数至少包括si-h键、si-o-h键的数目。
8.进一步地，步骤s1中，所述真空层设置于所述单晶硅的任意面上。
9.进一步地，步骤s1中，所述采用反应力场分子动力学方法使所述单晶硅的原子位置和受力状态处于起始状态后包括：
10.采用所述反应力场分子动力学方法使所述单晶硅的原子位置优化，且弛豫后使每个所述原子的受力为零。
11.进一步地，步骤s1中，所述反应温度的范围为1000-1300k。
12.进一步地，步骤s2中，所述在所述真空层的随机位置将o2分子和h2o分子以该温度所对应的气体速率向所述单晶硅表面发射，使所述单晶硅表面发生氧化反应，包括如下步
骤：
13.在所述真空层的随机位置将所述o2分子和所述h2o分子以该反应温度所对应的气体速率向所述单晶硅表面发射，使所述o2分子和/或所述h2o分子与所述单晶硅的原子发生碰撞，若所述o2分子或所述h2o分子与所述单晶硅的原子未发生反应，则移除未反应的所述o2分子或所述h2o分子；重复上述步骤至所述单晶硅表面的氧化反应完全。
14.进一步地，步骤s2中，所述o2分子和所述h2o分子的比例为(1-2)：(1-4)。
15.进一步地，步骤s2中，所述重复次数的范围为500-2000次。
16.进一步地，步骤s2中，所述反应完成后保持所述模型在恒温条件下的保持时间的范围为300-600ps。
17.进一步地，步骤s1中，所述真空层的厚度范围为3-6nm。
18.进一步地，步骤s3中，所述退火方式包括退火到室温后再冷却至0k。
19.本发明所述的单晶硅湿氧热氧化工艺的模拟方法相对于现有技术的优势在于，通过构建单晶硅的模型，在真空层模拟o2分子和h2o分子与单晶硅表面的原子发生反应，生成氧化试样的过程，实现了模拟实际的单晶硅湿氧热氧化工艺方法，且通过上述模拟过程获取的原子及分子层面的氧化层生成过程的工艺数据，得到所述氧化层的结构参数中关于h的结构参数，包括si-h键、si-o-h键的数目，实现对湿氧热氧化工艺生成的氧化层中h的存在形式和电子性质的获取，多次重复后，通过获取的氧化层中h的存在形式和电子性质实现对其的深层次分析，达到经济高效地预测和优化相应使用器件的目的。本发明从微观角度出发，通过掌控和分析氧化层中h的存在形式和电子性质，进而避免和控制h进入到氧化层内部的数量及形式，为实际的湿氧热氧化工艺的优化提供理论指导。
附图说明
20.图1为本发明实施例中的单晶硅湿氧热氧化工艺的模拟方法流程图；
21.图2为本发明实施例中的单晶硅湿氧热氧化前的组态结构图；
22.图3为本发明实施例中的单晶硅湿氧热氧化过程中的组态结构图；
23.图4为本发明实施例中的单晶硅湿氧热氧化后的组态结构图；
24.图5为本发明实施例中氧化层中各种缺陷的浓度分布及si-h和o-h的浓度分布统计图；
25.图6为本发明实施例中氧化层中成键的原子键角统计分析图；
26.图7为本发明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
27.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
28.需要说明的是，在本技术实施例的描述中，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发明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。
29.如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种单晶硅湿氧热氧化工艺的模拟方法，包括如下步骤：
30.步骤s1：构建表面带有真空层的单晶硅的模型，在模型中，采用反应力场分子动力学方法使单晶硅的原子位置和受力状态处于起始状态后，加热模型至反应温度使模型处于平衡状态；
31.步骤s2：在恒温条件下，间隔预设反应时间，重复在真空层的随机位置将o2分子和h2o分子以该温度所对应的气体速率向单晶硅表面发射，使单晶硅表面发生氧化反应，反应完成后保持模型在恒温条件下至模型状态平衡，退火后，得到氧化试样；氧化试样包括氧化层；
32.步骤s3：获取氧化层的结构参数，重复步骤s1至步骤s2，获取并分析氧化层的结构参数，结构参数至少包括si-h键、si-o-h键的数目。
33.本发明实施例所述的单晶硅湿氧热氧化工艺的模拟方法通过构建单晶硅的模型，在真空层模拟o2分子和h2o分子与单晶硅表面的原子发生反应，生成氧化试样的过程，实现了模拟实际的单晶硅湿氧热氧化工艺方法，且通过上述模拟过程获取的原子及分子层面的氧化层生成过程的工艺数据，得到所述氧化层的结构参数中关于h的结构参数，包括si-h键、si-o-h键的数目，实现对湿氧热氧化工艺生成的氧化层中h的存在形式和电子性质的获取，多次重复后，通过获取的氧化层中h的存在形式和电子性质实现对其的深层次分析，达到经济高效地预测和优化相应使用器件的目的。本发明实施例从微观角度出发，通过掌控和分析氧化层中h的存在形式和电子性质，进而避免和控制h进入到氧化层内部的数量及形式，为实际的湿氧热氧化工艺的优化提供理论指导。
34.本实施例的步骤s1中，采用lammps程序软件构建单晶硅的模型，并对单晶硅及其表面的真空层采用反应力场分子动力学方法进行初始的单晶硅原子的位置优化，平衡原子受力状态后，再将模型提升到反应温度后再弛豫到平衡状态，保证各阶段的模型的稳定性和可重复性。
35.本实施例的步骤s2中，在达到反应温度后，恒定温度，在真空层的随机位置将具有一定比例的o2分子和h2o分子以该温度所对应的气体速率向单晶硅表面发射，发射方向优选为沿垂直于单晶硅表面向下的方向，重复上述发射步骤，使单晶硅表面发生氧化反应并生成一定厚度氧化层。继续保持温度恒定，待模型的反应体系状态平衡后，进行退火操作，最终得到氧化试样，氧化试样中包括氧化层，还包括未氧化的硅、介于未氧化的硅与完成生成的氧化层之间的过渡层。在模拟得到的氧化试样中，能够清晰的查看氧化试样中的结构情况，属于原子层面的微观数据，极大提高了可分析的深度，有利于对氧化试样的全面掌握。
36.本实施例的步骤s3中，具体获取氧化层的结构参数，特别是涉及h的相关数据，包括si-h键、si-o-h键的数目等，通过重复试验，调整模型模拟过程中的工艺参数，可以对h进入到氧化层的相应具有影响作用的工艺参数进行统计分析，进而总结出相应规律，对实际操作中通过湿氧热氧化工艺方法制备单晶硅的氧化层中的h含量和分布等起到指导意义。
37.在一些具体的实施例中，步骤s1中，真空层设置于单晶硅的任意面上。由此，可是根据需要灵活设置真空层所处位置，有利于直观观测到反应过程中的变化并获取相应结构参数或工艺参数数据。
38.在一些具体的实施例中，步骤s1中，采用反应力场分子动力学方法使单晶硅的原
子位置和受力状态处于起始状态后包括：
39.采用反应力场分子动力学方法使单晶硅的原子位置优化，且弛豫后使每个原子的受力为零。
40.由此，控制并精确初始状态下原子的受力状态，减少初始状态对后续氧化过程的干扰，同时精确反应过程中各项工艺参数对最终氧化试样的影响作用。
41.在一些具体的实施例中，步骤s1中，反应温度的范围为1000-1300k。由此，使氧化反应中的各反应分子或原子处于活化状态，有利于反应的顺利进行。
42.在一些具体的实施例中，步骤s2中，在真空层的随机位置将o2分子和h2o分子以该温度所对应的气体速率向单晶硅表面发射，使单晶硅表面发生氧化反应，包括如下步骤：
43.在真空层的随机位置将o2分子和h2o分子以该反应温度所对应的气体速率向单晶硅表面发射，使o2分子和/或h2o分子与单晶硅的原子发生碰撞，若o2分子或h2o分子与单晶硅的原子未发生反应，则移除未反应的o2分子或h2o分子；重复上述步骤至单晶硅表面的氧化反应完全。
44.由此，提高有效反应的分子概率，移除后，减少对重复发射的o2分子和/或h2o分子的发射路径以及移动路径的影响，进一步提高反应发生的概率。
45.在一些具体的实施例中，步骤s2中，o2分子和h2o分子的比例为(1-2)：(1-4)。本实施例中的o2分子和h2o分子在同样的温度下，通常h2o分子的移动速率是o2分子移动速率的1.33倍。因此根据移动速率对发生碰撞次数以及发生反应的概率的影响，对o2分子和h2o分子的比例进行了优选，有利于提高反应速率。
46.在一些具体的实施例中，步骤s2中，重复次数的范围为500-2000次。由此，使得o2分子和h2o分子与单晶硅的原子发生充分反应，获得具有合适厚度要求的氧化试样。
47.在一些具体的实施例中，步骤s2中，反应完成后保持模型在恒温条件下的保持时间的范围为300-600ps。由此，给与反应体系合理的弛豫时间，有利于反应后模型中结构状态的平衡，以及最后获取分析时的结构参数的准确性和可重复性。
48.在一些具体的实施例中，步骤s1中，真空层的厚度范围为3-6nm。由此，使o2分子和h2o分子与单晶硅的原子发生反应具有充分的移动空间，有效模拟实际湿氧热氧化工艺方法，实现模拟单晶硅表面氧化层的生成过程。
49.在一些具体的实施例中，步骤s3中，退火方式包括退火到室温后再冷却至0k。由此，优化氧化试样的结构，有利于减少结构中的缺陷。
50.实施例1
51.本实施例单晶硅湿氧热氧化工艺的模拟方法，包括如下步骤：
52.采用lammps软件构建单晶硅的模型，原子间的相互作用采用分子动力学的反应力场描述，以湿氧热氧化工艺对构建的3.3nm
×
3.3nm
×
3.3nm的单晶硅进行流动热氧气的氧化模拟，共包含3456个si原子，并在添加6nm厚的真空层，如图2所示。o2分子和h2o分子入射的方向沿着逆[100]晶向的方向，即垂直于硅表面向下运动，总共进行了500个循环，反应温度控制在1300k，湿氧的o2分子和h2o分子的比例为1：2，注入反应中的组态图片如图3所示。采用湿氧热氧化工艺的最终原子组态如图4所示，得到的sio2氧化层的厚度为4.8nm。对氧化后的氧化层的原子状态进行了统计分析，各种缺陷的密度如图5所示，明显可以看出其中的si-h键和si-o-h键的数量相对较多。键角的分析如图6所示，图中的蓝色和红色分别表示
o-si-o和si-o-si键角的分布特征，可以看出o-si-o的键角主要分布在95.55度附近，而si-o-si键角的分布则主要在142.64度附近。键长的分布如图7所示，si-o键的键长主要分布在1.55附近。
[0053]
实施例2
[0054]
本实施例单晶硅湿氧热氧化工艺的模拟方法，包括如下步骤：
[0055]
采用lammps软件构建单晶硅的模型，原子间的相互作用采用分子动力学的反应力场描述，以湿氧热氧化工艺对构建的3.3nm
×
3.3nm
×
3.3nm的单晶硅进行流动热氧气的氧化模拟，共包含3456个si原子，并在添加3nm厚的真空层。o2分子和h2o分子入射的方向沿着逆[100]晶向的方向，即垂直于硅表面向下运动，总共进行了2000个循环，反应温度控制在1000k，湿氧的o2分子和h2o分子的比例为1：1。采用湿氧热氧化工艺的最终得到的sio2氧化层的厚度为4.8nm。对氧化后的氧化层的原子状态进行了统计分析，得出其中的si-h键和si-o-h键的数量及o-si-o和si-o-si键角的分布特征。
[0056]
实施例3
[0057]
本实施例单晶硅湿氧热氧化工艺的模拟方法，包括如下步骤：
[0058]
采用lammps软件构建单晶硅的模型，原子间的相互作用采用分子动力学的反应力场描述，以湿氧热氧化工艺对构建的3.3nm
×
3.3nm
×
3.3nm的单晶硅进行流动热氧气的氧化模拟，共包含3456个si原子，并在添加5nm厚的真空层，如图2所示。o2分子和h2o分子入射的方向沿着逆[100]晶向的方向，即垂直于硅表面向下运动，总共进行了1200个循环，反应温度控制在1200k，湿氧的o2分子和h2o分子的比例为1：4，采用湿氧热氧化工艺的最终得到的sio2氧化层的厚度为4.8nm。对氧化后的氧化层的原子状态进行了统计分析，得出其中的si-h键和si-o-h键的数量及o-si-o和si-o-si键角的分布特征。
[0059]
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。