基于分子动力学的辐照缺陷演化注量率模拟方法及系统

1.本发明涉及模拟仿真技术领域，具体而言，涉及一种基于分子动力学的辐照缺陷演化注量率模拟方法及系统。


背景技术：

2.在空间环境中，半导体器件易受空间带电粒子的辐射而产生损伤。尤其是高能量入射粒子，与器件材料之间相互作用，产生初级碰撞粒子及其级联碰撞过程，造成器件辐照损伤。初级碰撞粒子的级联损伤为微观尺度，实验上较难观测，存在例如所需周期长、费用高、方法复杂、条件苛刻等不足，分子动力学是在原子水平上求解多体问题的重要计算机模拟方法，为了能够精确描述初级碰撞粒子的级联微观动态演化过程，可采用分子动力学方法。
3.但现阶段对于半导体器件辐照缺陷的模拟计算一般都是采用比较粗略的模拟方法，例如计算输入的辐照粒子流的相关信息往往只有粒子数、粒子能量，而由试验结果可知，辐照粒子的注量率对半导体器件的辐照缺陷的演化也有着极为重要的影响，致使现有方法的模拟准确性较低。


技术实现要素：

4.本发明解决的是如何方便且准确地模拟半导体器件缺陷演化模拟中注量率效应的问题。
5.为解决上述问题，本发明提供一种基于分子动力学的辐照缺陷演化注量率模拟方法，包括：
6.步骤s1，获取单个入射粒子辐照半导体器件产生的初级碰撞粒子的数量；
7.步骤s2，对所述半导体器件进行网格划分，获取每个网格中所述初级碰撞粒子的数量ni。
8.步骤s3，建立与所述网格等大小的仿真体系模型；
9.步骤s4，基于所述仿真体系模型，利用分子动力学方法和动力学蒙特卡罗方法对所述网格进行缺陷演化模拟，并获取所述入射粒子标定注量率下所述网格中的缺陷信息；
10.步骤s5，对所有所述网格中的缺陷信息进行汇总，得到所述半导体器件的综合缺陷信息。
11.较佳地，所述利用分子动力学方法和动力学蒙特卡罗方法对所述网格进行缺陷演化模拟包括：
12.步骤s41，利用分子动力学方法对所述初级碰撞粒子在所述半导体器件中的产生过程进行模拟，输出分子动力学时间尺度下的稳态结构；
13.步骤s42，利用动力学蒙特卡罗方法对所述稳态结构进行模拟，模拟时长为相邻两个批次的所述初级碰撞粒子产生的时间；
14.重复所述步骤s41和所述步骤s42。
15.较佳地，所述相邻两个批次的所述初级碰撞粒子产生的时间为δt，δt按照式(1)和式(2)获得；
[0016][0017][0018]
其中，为所述入射粒子标定注射率下所述网格中每秒产生的所述初级碰撞粒子的数量，fr为所述入射粒子的标定注射率，s为与所述入射粒子入射方向垂直的所述网格截面面积，ni为第i个网格中产生的所述初级碰撞粒子的数量，n为所述入射粒子的总数。
[0019]
较佳地，所述获取单个入射粒子辐照半导体器件产生的初级碰撞粒子的数量包括：
[0020]
获取不同数量的入射粒子分别辐照所述半导体器件后产生的初级碰撞粒子的数量，且随着所述入射粒子数量的增加，所述入射粒子辐照所述半导体器件后产生的所述初级碰撞粒子的数量趋于收敛值；
[0021]
统计所有所述入射粒子产生的所述初级碰撞粒子的数量之和；
[0022]
将所述初级碰撞粒子的数量之和除以所述入射粒子的总数n，得到单个入射粒子产生的初级碰撞粒子的数量。
[0023]
较佳地，所述建立仿真体系模型包括：在lammps中建立纯硅模型，并向所述纯硅模型引入掺杂元素；
[0024]
其中，所述掺杂元素包括c、o、b和p元素中的至少一种，c和o元素的掺杂方式为间隙原子方式掺杂，掺杂率为10
12
/cm3—10
14
/cm3，b和p元素的掺杂方式为替位原子方式掺杂，掺杂率为10
18
/cm3—10
20
/cm3。
[0025]
较佳地，所述获取所述入射粒子标定注量率下所述网格中的缺陷信息包括：
[0026]
获取所述网格中同一批次产生的各个所述初级碰撞粒子所对应的缺陷信息，
[0027]
获取各个所述初级碰撞粒子所对应的所述缺陷信息的平均值，得到所述入射粒子标定注量率下所述网格中的缺陷信息。
[0028]
较佳地，所述缺陷信息包括缺陷的类型以及每类缺陷的数量或浓度。
[0029]
较佳地，所述对所有所述网格中的缺陷信息进行汇总包括：
[0030]
按比例抽取含有相同数量所述初级撞出原子的网格；
[0031]
获取抽取的网格中缺陷的类型和每类缺陷的数量，按比例进行加和，获得所有所述网格的缺陷类型和每类缺陷的总量。
[0032]
较佳地，所述对所有所述网格中的缺陷信息进行汇总还包括：
[0033]
将每类缺陷的总量除以所述半导体器件的总体积，得到所述半导体器件中缺陷的类型及每类缺陷的浓度。
[0034]
本发明的基于分子动力学的辐照缺陷演化注量率模拟方法相较于现有技术的优势在于：
[0035]
在空间辐照过程中，入射粒子流的各参数均会对半导体器件的辐照缺陷演化产生重要的影响，现有技术中关注比较多的是入射粒子的数量和能量，本发明的模拟方法可考擦入射粒子的注量率对辐照缺陷演化的影响，从而解决半导体器件缺陷演化模拟中注量率
效应无法体现的问题，该模拟方法结合分子动力学和动力学蒙特卡罗方法，实现在不同注量率下，整个半导体器件的缺陷演化过程的模拟计算。该计算逻辑清晰，步骤简单易操作，且该方法在整个模拟过程中均极尽地贴合实际情况，模拟结果与实验数据接近。
[0036]
本发明还提供一种基于分子动力学的辐照缺陷演化注量率模拟系统，包括：
[0037]
网格划分模块，所述网格划分模块用于对所述半导体器件进行网格划分；
[0038]
获取模块，所述获取模块用于获取单个入射粒子辐照半导体器件产生的初级碰撞粒子的数量；
[0039]
所述获取模块还用于获取每个网格中所述初级碰撞粒子的数量ni；
[0040]
所述获取模块还用于获取所述入射粒子标定注量率下所述网格中的缺陷信息；
[0041]
建模模块，所述建模模块用于建立与所述网格等大小的仿真体系模型；
[0042]
模拟模块，所述模拟模块用于对所述仿真体系模型进行分子动力学模拟和动力学蒙特卡罗模拟；
[0043]
统计模块，所述统计模块用于对所有所述网格中的缺陷信息进行汇总，得到所述半导体器件的综合缺陷信息。
[0044]
本发明的基于分子动力学的辐照缺陷演化注量率模拟系统相较于现有技术的优势与基于分子动力学的辐照缺陷演化注量率模拟方法相同，在此不再赘述。
附图说明
[0045]
图1为本发明实施例中基于分子动力学的辐照缺陷演化注量率模拟方法的流程图；
[0046]
图2为本发明实施例中不同入射粒子注射率下的缺陷演化计算结果图。
具体实施方式
[0047]
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。
[0048]
请参阅图1所示，本发明实施例的一种基于分子动力学的辐照缺陷演化注量率模拟方法，包括：
[0049]
步骤s1，获取单个入射粒子辐照半导体器件产生的初级碰撞粒子的数量；
[0050]
步骤s2，对半导体器件进行网格划分，获取每个网格中初级碰撞粒子的数量ni。
[0051]
步骤s3，建立与网格等大小的仿真体系模型；
[0052]
步骤s4，基于仿真体系模型，利用分子动力学方法和动力学蒙特卡罗方法对网格进行缺陷演化模拟，并获取入射粒子标定注量率下网格中的缺陷信息；
[0053]
步骤s5，对所有网格中的缺陷信息进行汇总，得到半导体器件的综合缺陷信息。
[0054]
本实施例的模拟方法结合分子动力学和动力学蒙特卡罗方法，实现在不同注量率下，整个半导体器件的缺陷演化过程的模拟计算，解决了现有技术中半导体器件缺陷演化模拟无法体现注量率效应的问题，该模拟方法该计算逻辑清晰，步骤简单易操作，且该方法在整个模拟过程中均极尽地贴合实际情况，模拟结果与实验数据接近。
[0055]
一些实施例中，步骤s1中获取单个入射粒子辐照半导体器件产生的初级碰撞粒子的数量包括：
[0056]
获取不同数量的入射粒子分别辐照半导体器件后产生的初级碰撞粒子的数量，且随着入射粒子数量的增加，入射粒子辐照半导体器件后产生的初级碰撞粒子的数量趋于收敛值；
[0057]
统计所有入射粒子产生的初级碰撞粒子的数量之和；
[0058]
将初级碰撞粒子的数量之和除以入射粒子的总数n，得到单个入射粒子产生的初级碰撞粒子的数量。
[0059]
具体地，对某一种入射粒子，使用montecarlo方法计算某一确定能量下的入射粒子所产生的初级碰撞粒子(pka)的个数。计算时需对不同数量的入射粒子进行计算以保证准确性。计算过程不断增加入射粒子数量，直至入射粒子产生的pka数目趋于一个收敛值，然后进行归一化处理，使用所产生的pka总数除以入射粒子总数，获得收敛的单个入射粒子产生pka的数量。
[0060]
其中，收敛的单个入射粒子产生的pka数量指的是，对于相同能量、同一种类的入射粒子，辐照产生的pka总数t
pka
与入射粒子总数n的比值不随入射粒子的增加而出现较大的变化。使用收敛值是因为montecarlo方法计算时无论入射粒子个数，都等效成单粒子计算，因此使用一个收敛的归一化值更好描述。
[0061]
一些实施例中，步骤s2中对半导体进行网格划分，为使得半导体器件中网格密度适中和后续计算方便，设置网格box尺寸为70nm*70nm*70nm。网格划分完成后，清除没有pka的网格box，并将含有pka的网格box保留。统计入射粒子入射半导体器件后每个box中所包含的pka信息，包括pka的数量、能量、位置和入射方向等。
[0062]
一些实施例中，建立仿真体系模型包括：首先，在lammps中建立纯硅模型，并将si单胞在x、y和z三个方向均扩充适当倍数，以形成与网格大小相等的硅结构，本实施例中，由于网格的大小为70nm*70nm*70nm，因此，将si单胞在x、y和z三个方向均扩充129倍，以形成70nm*70nm*70nm的si结构。
[0063]
然后，为了保证仿真模型与实际的贴合性，向纯硅模型中引入掺杂元素。具体地，按照实际的掺杂方式和掺杂浓度向纯si体系中引入各类存在的掺杂元素，如c、o、b和p等。其中c和o元素以间隙原子方式掺杂进si中，掺杂率为10
12
/cm3—10
14
/cm3，b和p元素以替位原子方式掺杂进si中，掺杂率为10
18
/cm3—10
20
/cm3。
[0064]
一些实施例中，步骤s4中模拟注量率效应时，需保持注量不变。注量率实现方法是，设第i个box中存在的pka个数为ni，入射粒子的标定注量率为fr，与入射粒子入射方向垂直的box截面面积为s，则对于该box，在该标定注量率下每秒下落的pka个数的计算方式如下式(2)：
[0065][0066]
其中，n为入射粒子的总数。
[0067]
根据每秒下落的pka个数计算相邻批次下落的pka之间的时间间隔δt，计算方式如下式(1)：
[0068][0069]
即，根据单个入射粒子辐照所示半导体器件后网格中产生的初级碰撞粒子的数
量、入射粒子的标定注量率以及网格的面积，可以获取入射粒子标定注射率下网格中每一批次产生的初级碰撞粒子的数量以及初级碰撞粒子的总量。
[0070]
进一步地，根据δt来判断第二批次pka下落时的结构状态。这个过程需要紧密联合分子动力学和动力学蒙特卡罗方法(kinetic montecarlo)。一般来说，分子动力学的时间尺度多为皮秒量级，此处的δt多为秒量级。因此利用分子动力学方法和动力学蒙特卡罗方法对网格进行缺陷演化模拟包括：
[0071]
步骤s41，利用分子动力学方法对初级碰撞粒子在半导体器件中的产生过程进行模拟，输出分子动力学时间尺度下的稳态结构；
[0072]
步骤s42，利用动力学蒙特卡罗方法对稳态结构进行模拟，模拟时长为相邻两个批次的初级碰撞粒子产生的时间；
[0073]
重复步骤s41和步骤s42。
[0074]
具体地，使用分子动力学方法先演化至分子动力学时间尺度下的稳态，演化时间约为100ps左右。然后把结构在kinetic montecarlo方法下演化至δt时刻，再把kinetic montecarlo方法演化后的结构返回分子动力学方法计算第二批pka的缺陷演化过程。若pka批数增多，则重复上述过程即可。
[0075]
一些实施例中，步骤s4中获取入射粒子标定注量率下网格中的缺陷信息包括：
[0076]
获取网格中同一批次产生的各个初级碰撞粒子所对应的缺陷信息，
[0077]
获取各个初级碰撞粒子所对应的缺陷信息的平均值，得到入射粒子标定注量率下网格中的缺陷信息。
[0078]
一些实施例中，由于算力的原因，步骤s5中可能不能对所有box都进行计算，只能对含有同样数量pka的box进行按比例抽样计算统计之后，在按比例加和后除以器件总体积便可得到整个器件的缺陷种类和每种缺陷的浓度。
[0079]
一种示例中，缺陷信息包括缺陷的类型以及每类缺陷的数量，因此，对所有网格中的缺陷信息进行汇总包括：按比例抽取含有相同数量初级撞出原子的网格；获取抽取的网格中缺陷的类型和每类缺陷的数量，按比例进行加和，获得所有网格的缺陷类型和每类缺陷的总量。如图2所示，显示了不同注量率下，入射粒子辐照半导体器件后产生的空位缺陷数。可以看出，不同注量率下产生的缺陷数量不同，由此，本实施例实现了以montecarlo、分子动力学和kinetic montecarlo三种方法相结合的方式对整个半导体器件进行不同注量率下的缺陷演化仿真计算。通过模拟注量率效应，可以了解注量率对半导体器件缺陷演化的影响。
[0080]
另一种示例中，缺陷信息包括缺陷的类型以及每类缺陷的浓度。因此，对所有网格中的缺陷信息进行汇总包括：按比例抽取含有相同数量初级撞出原子的网格；获取抽取的网格中缺陷的类型和每类缺陷的数量，按比例进行加和，然后将每类缺陷的总量除以半导体器件的总体积，得到半导体器件中缺陷的类型及每类缺陷的浓度。
[0081]
本发明另一实施例的一种基于分子动力学的辐照缺陷演化注量率模拟系统，包括：
[0082]
网格划分模块，网格划分模块用于对半导体器件进行网格划分；
[0083]
获取模块，获取模块用于获取单个入射粒子辐照半导体器件产生的初级碰撞粒子的数量；
[0084]
获取模块还用于获取每个网格中初级碰撞粒子的数量ni；
[0085]
获取模块还用于获取入射粒子标定注量率下网格中的缺陷信息；
[0086]
建模模块，建模模块用于建立与网格等大小的仿真体系模型；
[0087]
模拟模块，模拟模块用于对仿真体系模型进行分子动力学模拟和动力学蒙特卡罗模拟；
[0088]
统计模块，统计模块用于对所有网格中的缺陷信息进行汇总，得到半导体器件的综合缺陷信息。
[0089]
虽然本公开披露如上，但本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。