[发明专利]一种刻蚀和沉积工艺三维元胞信息存储结构及操作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子加工过程中对刻蚀和沉积过程模拟技术领域，特别涉及提出一种三维元胞信息存储结构，用于实现半导体制造过程中刻蚀和沉积过程三维元胞自动机模拟。

背景技术

沉积与刻蚀是集成电路制作过程的关键步骤，其质量决定最终集成电路的性能和集成度。而沉积与刻蚀工艺过程的仿真是指导和制作高质量集成电路的有力工具，也是更好地理解和认识刻蚀和沉积原理的重要方法。

元胞自动机是一种时间、空间、状态都离散的动力学系统，是非线性科学的一种重要研究方法，特别适合于对复杂时空演化过程进行动态模拟研究。它是将d维仿真区域离散成大量网格（2维为正方形、3维为立方体），称为元胞，每个元胞被赋予一种或几种状态，每个元胞按照特定的演化规则从当前状态向下一状态演化，这样实现对复杂现象的模拟，广泛地应用到社会、经济、军事和科学研究的各个领域。演化规则是根据元胞当前状态及其邻居状态，确定下一时刻该元胞状态的函数，也称为局部状态转移函数，它是元胞自动机的灵魂。由于元胞自动机具有结构简单,鲁棒性高，稳定性好，无维度的限制，并能方便表达复杂的表面结构和形貌的优点，使其成为当前进行沉积与刻蚀工艺仿真的最有效方法之一。刻蚀或沉积过程的元胞自动机模拟就是将到达刻蚀或沉积表面的不同粒子与表面元胞作用结果转化为演化规则，实现表面元胞状态变化，从而模拟表面元胞不断刻蚀或沉积。图1所示刻蚀过程三维元胞自动机模型,它将仿真区域(Length×Width×Height)划分为边长为a的立方体格子的集合。每个立方体格子称为元胞，它是元胞自动机最基本的操作单元，也是刻蚀与沉积基本对象。每个元胞可看作三维离散欧几里得空间中的点(x,y,z),x∈[0..l-1]，y∈[0..w-1]，z∈[0..h-1]，x、y和z分别表示该元胞在x轴、y轴和z轴上坐标位置，l、w和h分别代表沿x轴、y轴和z轴三个方向元胞划分的数量，即l＝Length/a，w＝Width/a，h＝Height/a，c(x,y,z)用于描述元胞(x,y,z)的对应状态。对刻蚀或沉积工艺元胞自动机模型中，元胞状态c(x,y,z)，由材料属性flag（0:空；1：掩膜；2：基底材料）、不同材料原子、分子的含量和其它附加信息等组成。这里采用VonNeumann邻域结构，它由一个中心元胞和六个相邻元胞构成；当某一元胞中材料含量为0时，该元胞称为空元胞（如图1中的白色小立方体所示）。根据元胞(x,y,z)与相邻元胞的关系，非空元胞可分为：表面元胞（如图1中的带小点的小立方体）和内部元胞（如图1中的包括由具有小网格的小立方体的掩膜元胞和具有斜线的小立方体的材料元胞）。当某一元胞相邻的6个元胞至少有一个为空元胞时，该元胞称为表面元胞；当某一元胞相邻的6个元胞都不为空元胞时，该元胞称为内部元胞。仿真区域中所有表面元胞组成刻蚀或沉积表面。根据沉积或刻蚀过程，刻蚀或沉积仅发生刻蚀或沉积表面区域，因此，元胞状态的变化仅发生在表面元胞上。

由于加工工艺达到纳米尺度，这样对刻蚀和沉积技术提出了更高的要求，剖面演化和局部微观特征(表面粗糙度、均匀性和曲率等)的准确控制尤为重要。因此，为了研究特殊的刻蚀与沉积结果（尖角，底部突起），复杂槽形（圆形等）、表面粗糙度等现象，简单的二维元胞自动机无法满足对复杂刻蚀图形准确模拟的要求，三维元胞自动机成为研究半导体沉积与刻蚀过程仿真的重要工具。但是，由于元胞自动机根据每个元胞的当前状态，按照演化规则进行演化，因此，要想用元胞自动机实现复杂过程的模拟就需要选择合适数据表示方法来表示所有的元胞的信息。要想模拟表面特殊微观现象，元胞自动机模型应该能够再现微观效果，这样就需要减小元胞尺度，提高仿真区域的分辨率，为了实现这个目的，甚至有的研究人员实现原子尺度下的元胞自动机来模拟等离子体刻蚀过程。随着仿真区域分辨率的提高，元胞数量增长迅速，对元胞信息存储方法提出了更高的挑战。