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硅半导体离子/中子辐照效应的多尺度模拟

李鹏迪  
【摘要】:硅基半导体器件被广泛应用于国防所需的高性能微电子和光电子器件等领域。在这些应用场景中,载能粒子辐射不可避免。尤其在高能离子/中子辐照下,硅基半导体器件将发生严重的电离和位移损伤,导致器件光电性能退化甚至失效,对整个电子系统造成难以估量的损坏。因此,有必要弄清离子/中子辐照下器件中杂质/缺陷发生的微观动力学物理行为,以揭示辐照后缺陷演化机理和器件失效机制。然而,辐照缺陷演化是一个跨越多个时间和空间尺度的复杂的动力学行为,目前仍然缺乏表征半导体离子注入/辐照效应的手段和方法,该过程的实验测量和表征也非常复杂且不能揭示其微观物理机理。因此,发展半导体离子注入/中子辐照的理论模拟方法迫在眉睫。为此,本文提出了一套跨越原子-介观-宏观的多尺度理论模型,包含蒙特卡洛(MC)、实体动力学蒙特卡洛(OKMC)和速率理论连续模型(RTCM)三种方法的顺序耦合。基于此理论框架,我们研究了硼离子注入、硅离子自辐照和中子辐照下硅基半导体材料中缺陷和载流子的动力学演化过程,实现了对半导体材料辐照缺陷演化这一复杂微观物理过程的完整描述。主要内容如下:1.为了准确描述硼离子注入硅后缺陷/杂质的动力学物理过程,定量获得硼浓度空间分布及其演化行为,我们耦合了蒙特卡洛(MC,IM3D程序)和速率理论连续模型(RTCM,IRad Mat程序),构建了一个跨越原子尺度(埃)到宏观尺度(米)的带电缺陷动力学模型,更加全面地考虑了离子注入缺陷的产生及其演化的多种微观过程,特别是包括了缺陷电荷态和带电缺陷间的反应、硼—自间隙团簇(BICs)演化以及缺陷与载流子相互作用等物理过程。模拟得到了与实验一致的硼浓度深度分布。结果表明,BICs对硼浓度的深度分布起主要作用,而间隙硼(BI)导致硼浓度分布向深处扩展;计及缺陷的不同电荷态修正了自间隙(I)和硼间隙(BI)的扩散系数,从而更准确地描述了硼浓度分布行为。我们的模型揭示了缺陷发生的真实物理过程和微观机理,证明了BICs和缺陷真实的电荷态是准确描述硼浓度分布的重要因素,可为半导体器件制造与研发提供理论指导。2.我们耦合MC和实体动力学蒙特卡洛(OKMC,MMon Ca程序),构建了跨越原子尺度(埃)到介观尺度(微米)的模型,通过在MMon Ca程序中包含电势的泊松方程求解,实现了硅材料中带电缺陷与载流子协同作用的动力学模拟。计算模拟中采用定温退火方法描述硅自离子辐照硅材料内部缺陷的演化和电荷态的变化,模拟结果与实验瞬态增强扩散结果一致。该模型准确地描述了实验中发现地{311}缺陷在不同温度下的溶解与过饱和造成的瞬态增强现象。此外,模型中更为全面地考虑了多种不同类型缺陷相互反应事件,得以准确地描述不同电荷态的缺陷团簇对硅中电荷分布以及载流子分布和输运行为的影响,为后续中子辐照模拟研究奠定基础。3.在统一框架下耦合MC-OKMC-RTCM这三种方法,构建了中子辐照下半导体材料辐照损伤的顺序多尺度模型框架,实现了包含多种微观介观过程的从原子尺度到宏观尺度的半导体带电缺陷动力学的跨尺度模拟研究。计算模拟给出了中子辐照硅中深能级缺陷的种类、分布及其演化,载流子俘获和辐照失效等微观机制。研究结果指出杂质氧和硅空位的复合团簇(VO)和硅双空位(V2)双缺陷捕获机制,即深能级瞬态光谱(DLTS)的第二峰位不仅与V2(2-/-)的俘获中心有关,还与VO(-/0)的捕获效应有关,从而修正了理论模拟与实验之间存在的误差,使得深能级缺陷充电的模拟结果与实验测量结果更加一致,并且给出了载流子演化与VO/VP(掺杂磷和硅空位的复合团簇)缺陷产生过程的对应关系,进一步解释了器件宏观电学性能退化的原因。最后,通过耦合缺陷动力学和平衡态电荷模型,成功实现了对DLTS的定量模拟。相关结果直接为理解中子辐照下材料带电缺陷动力学行为、半导体材料辐照失效机理及服役性能预测提供理论指导。本论文研究工作通过建立半导体材料辐照损伤的跨尺度耦合方法,探索了微观/介观过程对宏观性能的影响,阐明了影响半导体空间电荷和载流子分布与输运的关键深能级缺陷种类及其电荷态转变过程,为半导体辐照损伤和性能失效提供了理论指导。


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