(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210759784.0 (22)申请日 2022.06.30 (71)申请人 哈尔滨工业大 学 地址 150000 黑龙江省哈尔滨市南岗区西 大直街92号 (72)发明人 李兴冀　杨剑群　刘中利　李伟奇　 吕钢　 (74)专利代理 机构 北京隆源天恒知识产权代理 有限公司 1 1473 专利代理师 万娟 (51)Int.Cl. G16C 60/00(2019.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 111/06(2020.01) G06F 113/26(2020.01)G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧 化工艺的方法 (57)摘要 本发明提供了一种基于流动气体法模拟单 晶碳化硅干氧热氧化工艺的方法， 涉及微电子和 器件工艺模拟技术领域。 包括如下步骤： 构建碳 化硅晶体的模 型， 在模型中的碳化硅晶体表面设 置真空层， 采用反应力场分子动力学方法使碳化 硅晶体处于初始 状态； 加热碳化硅晶体至反应温 度， 在恒温状态下， 间隔第一预设时间， 重复在随 机位置将一组O2分子以反应温度下所对应的气 体速率向碳化硅晶体表面发射， 至碳化硅晶体表 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， 优化后得到氧化样品； 获取氧 化样品的结构特征参数。 本发明能够模拟干氧热 氧化工艺方法形成的氧化样品中的界面缺陷的 产生过程， 有利于获得界面缺陷产生及消减的控 制方法。 权利要求书1页 说明书5页 附图6页 CN 115206462 A 2022.10.18 CN 115206462 A 1.一种基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧化工艺的方法， 其特征在于， 包括如 下步骤： 步骤S1： 构建碳化硅晶体的模型， 在所述模型中的所述碳化硅晶体表面设置真空层， 采 用反应力场分子动力学 方法使所述 碳化硅晶体处于初始状态； 步骤S2： 加热所述碳化硅晶体至反应温度， 在恒温状态下， 间隔第一预设时间， 重复在 随机位置将一组O2分子以所述反应温度下所对应的气体速率向所述碳化硅晶体表面发射， 至所述碳化硅晶体表面发生氧化反应； 待所述氧化反应结束并达到平衡状态后， 对所述模 型退火， 优化后得到氧化样品； 步骤S3： 获取 所述氧化样品的结构特 征参数。 2.根据权利要求1所述的基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧化工艺的方法， 其 特征在于， 步骤S1中， 所述模型的形状为长方体形状。 3.根据权利要求1所述的基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧化工艺的方法， 其 特征在于， 步骤S1 中， 所述碳化硅晶体处于初始状态包括对 所述碳化硅原子位置进 行优化， 弛豫到常压状态后， 使每 个原子的受力状态为 零。 4.根据权利要求1所述的基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧化工艺的方法， 其 特征在于， 步骤S2中， 所述加热所述碳化硅晶体至 反应温度包括： 从300K开始缓慢加热至 反 应温度， 并维持所述反应温度至所述模型平衡。 5.根据权利要求1所述的基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧化工艺的方法， 其 特征在于， 步骤S2中， 所述在随机位置将一组O2分子以所述反应温度下所对应 的气体速率 向所述碳化硅晶体表面发射， 至所述 碳化硅晶体表面发生氧化反应， 包括如下步骤： 所述在随机位置将一组O2分子以所述反应温度下所对应的气体速率向所述碳化硅晶体 表面发射， 使所述O2分子与所述碳化硅 晶体表面的原子发生碰撞并等待第二预设时间， 若 所述O2分子与所述碳化硅晶体表 面的原子发生反应， 则保留所述若 所述O2分子， 若所述O2分 子与所述碳化硅 晶体表面的原子未发生反应， 则移除未反应 的所述O2分子； 再重复上述步 骤至所述 碳化硅晶体表面发生氧化反应。 6.根据权利要求1所述的基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧化工艺的方法， 其 特征在于， 步骤S2中， 所述平衡状态包括所述模型的氧化反应结束后， 保持所述反应温度 300‑600ps， 并弛豫后的状态。 7.根据权利要求1所述的基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧化工艺的方法， 其 特征在于， 步骤S2中， 所述氧化样品包括未被氧化的碳 化硅晶体、 过渡层和氧化层。 8.根据权利要求1所述的基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧化工艺的方法， 其 特征在于， 步骤S3中， 所述氧化样品的结构特征参数至少包括所述氧化层的密度、 硅氧比、 缺陷类型和缺陷浓度。 9.根据权利要求1所述的基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧化工艺的方法， 其 特征在于， 步骤S2中， 所述反应温度的范围为90 0‑1100℃。 10.根据权利要求5所述的基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧化工艺的方法， 其 特征在于， 步骤S2中， 所述第一预设时间和/或所述第二预设时间为0.3 ‑1ps。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115206462 A 2基于流动气体法模拟单晶碳 化硅干氧热氧化工艺的方 法 技术领域 [0001]本发明涉及微电子和器件工艺模拟技术领域， 具体而言， 涉及一种基于流动气体 法模拟单晶碳 化硅干氧热氧化工艺的方法。 背景技术 [0002]硅基半导体器件在20世纪的迅猛发展， 得益于人们对材料及界面结构的深入研 究， 但是硅材料自身物理性质的限制使得Si功率器件达到理论极限。 新一代的宽带隙半导 体碳化硅(SiC)因为其卓越的物理化学特性， 被认 为是制作高功 率器件的理想候选材料， 在 微电子领域， 尤其是航空航天、 新能源汽车和高铁、 工业电机以及智能电网等领域备受关 注。 目前MOSFET器件的主要故障机制之一是氧化物降解引起的介电击穿， 介电击穿的强弱 与界面处的模型结构具有很大的相关性， 因此针对半导体界面模型的研究是科研工作者广 泛关注的科学问题。 在碳化硅MOSFET最重要的部分是SiC/SiO2界面结构， 由于二氧化硅中 Si‑O成键灵活， 二氧化硅通常以不同密度的非晶形态存在。 界面和绝缘层内存在大量界面 态， 在距离界面3 ‑5nm范围内存在一个组分变化且包含不同结构缺陷的过渡层， 其中很多电 活性缺陷结构是导致器件性能退化的根本原因。 在MOSFET器件制备过程中， 界面态、 缺陷的 类型和浓度与实际生产工艺密切相关。 探索SiC/SiO2界面缺陷的形成机理， 明确界面态的 起源和消减技术具有重要的科学和工程实用价值。 SiC材料获得氧化绝缘栅(SiO2)的方法 主要是热氧化法， 但是碳化硅热氧化过程中涉及的化学反应和形成的界面结构都比Si/ SiO2更复杂， 其中还有许多重大 科学问题亟 待解决。 [0003]因此， 发展可靠的模拟方法将MOSFET界面微观结构和真实工艺过程建立联系， 探 索界面结构与器件性能关系， 可为 开发更有效的半导体 器件制备 方法提供有力保障。 发明内容 [0004]本发明解决的问题是如何掌握热 氧化法形成的界面 缺陷的起因和 消减问题。 [0005]为解决上述问题， 本发明提供一种基于流动气体法模拟单晶碳化硅干氧热氧化工 艺的方法， 包括如下步骤： [0006]步骤S1： 构建碳化硅晶体模型， 在所述模型中的所述碳化硅晶体表面设置真空层， 采用反应力场分子动力学 方法使所述 碳化硅晶体处于初始状态； [0007]步骤S2： 加热所述碳化硅晶体至反应温度， 在恒温状态下， 间隔第一预设时间， 重 复在随机位置将一组O2分子以所述反应温度下所对应的气体速率向所述碳化硅晶体表面 发射， 至所述碳化硅晶体表面 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， 优化后得到氧化样品； [0008]步骤S3： 获取 所述氧化样品的结构特 征参数。 [0009]进一步地， 步骤S1中， 所述模型的形状为长方体形状。 [0010]进一步地， 步骤S1中， 所述碳化硅 晶体处于初始状态包括对所述碳化硅原子位置 进行优化， 弛豫到常压状态后， 使每 个原子的受力状态为 零。说　明　书 1/5 页 3 CN 115206462 A 3