專利名稱：一種等離子干法三維刻蝕模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子加工中刻蝕過程模擬領(lǐng)域，提供了一種用蒙特卡羅(MC)和元胞自動機(CA)技術(shù)實現(xiàn)的等離子干法三維刻蝕過程的模擬方法。
背景技術(shù)：
隨著技術(shù)的進步，單個元器件的尺寸不斷縮小，而單片集成電路芯片的面積越來越大，這使得集成電路的集成度越來越高，使得集成電路系統(tǒng)向著更復(fù)雜、更高性能和更經(jīng)濟的方向發(fā)展。目前，集成電路的應(yīng)用涉及各個領(lǐng)域，集成電路產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為未來經(jīng)濟發(fā)展的基本組成部分，全球競爭日益激烈。這些無疑給大規(guī)模集成電路發(fā)展的帶來新的挑戰(zhàn)。隨著集成電路的特征尺寸不斷縮小，刻蝕技術(shù)面臨新的挑戰(zhàn)，也對刻蝕模擬提出了新的要求?？涛g是微電子加工過程中的重要步驟?？涛g過程的模擬是通過一定的工藝相關(guān)參數(shù)來預(yù)測刻蝕對象的形貌，對刻蝕加工工藝中降低試驗成本、優(yōu)化工藝參數(shù)、提高生產(chǎn)效率都非常重要。因此，刻蝕過程的模擬是指導(dǎo)和制作高質(zhì)量集成電路的重要方法。目前，刻蝕過程模擬主要集中于滿足各向同性條件的濕法刻蝕，且針對于刻蝕的剖面進行模擬，模擬方法主要是線算法、射線算法和元胞自動機等，目前已經(jīng)從二維模擬發(fā)展到三維模擬，來模擬復(fù)雜刻蝕圖形的刻蝕過程。但對于等離子干法刻蝕來說，由于刻蝕機理相對復(fù)雜，各種因素相互耦合，同時由于等離子刻蝕呈各向異性的特點，刻蝕表面演化復(fù)雜，相對來講研究成果較少，且主要集中于二維剖面的模擬，對刻蝕圖形的三維模擬很少。由于二維模擬只能顯示簡單剖面的刻蝕過程，也就是說只能模擬無限長條帶的演化過程，因此只能應(yīng)用于簡單刻蝕圖形的模擬，不能應(yīng)用于復(fù)雜的刻蝕對象中去，尤其是在刻蝕器件的邊緣，并不符合無限長剖面假設(shè)，所以目前二維刻蝕模擬無法滿足實際對復(fù)雜刻蝕圖形準(zhǔn)確模擬的要求，限制了模擬的應(yīng)用范圍。而目前刻蝕過程的三維模擬，主要是根據(jù)濕法刻蝕各向同性的特點，假設(shè)刻蝕劑中各點刻蝕速率滿足相等的條件下實現(xiàn)的，但等離子干法刻蝕機理與其不同，它利用了等離子對離子加速作用來增強刻蝕，因此刻蝕表面呈各向異性，即同一點在各個方向刻蝕速率不一致，這就需要計算刻蝕表面不同方向刻蝕情況，由于等離子干法的刻蝕機理不同于濕法刻蝕，目前的三維模擬方法也不能滿足當(dāng)前等離子干法刻蝕模擬的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決二維模擬僅能模擬簡單圖形和三維模擬方法僅適用于濕法刻蝕過程的問題，提出一種用MC和CA的等離子干法三維刻蝕過程模擬方法，以實現(xiàn)復(fù)雜刻蝕圖形的三維等離子刻蝕過程的模擬，為刻蝕參數(shù)配置提供指導(dǎo)，降低生產(chǎn)成本，提高加
工效率。本發(fā)明提出了一種用MC和CA實現(xiàn)的等離子干法三維刻蝕過程的模擬方法，其特征在于，該方法主要包括1)輸入初始參數(shù)根據(jù)實際加工設(shè)備和刻蝕劑相關(guān)參數(shù)，估計鞘層的相關(guān)信息和具體反應(yīng)，輸入不同粒子運用麥克思韋速度分布所需的各種參數(shù)；輸入刻蝕晶片上要模擬區(qū)域中不同部分的尺寸和形狀來得到鞘層信息；輸入格子邊長1，以將鞘層和刻蝕晶片細(xì)分分成邊長為1的元胞；輸入模擬的粒子數(shù)總數(shù)，刻蝕總時間及滿足刻蝕精度要求時間間隔；2)用MC方法獲得到達刻蝕晶片表面的刻蝕元胞中積累的粒子數(shù)和流量；利用鞘層邊界條件和電場的拉普拉斯方程計算鞘層中各點的電勢；根據(jù)不同粒子所占濃度比和麥克斯韋速度分布，隨機產(chǎn)生要模擬的粒子，模擬每個粒子在鞘層中的輸運過程，以計算刻蝕晶片表面刻蝕元胞中積累的粒子數(shù)和粒子流量；3)根據(jù)刻蝕元胞中積累的粒子數(shù)和粒子流量，根據(jù)中性活性粒子和離子關(guān)系，選擇相應(yīng)刻蝕模型計算每個刻蝕元胞各方向刻蝕速率；具體根據(jù)刻蝕元胞各個方向中性活性粒子流量和離子流量的比值，來決定采用哪種刻蝕模型計算刻蝕速率；4)根據(jù)得到的刻蝕元胞的刻蝕速率，利用元胞自動機方法計算整個表面元胞的刻蝕速率，再根據(jù)刻蝕時間間隔計算刻蝕量，改變表面元胞的狀態(tài)，實現(xiàn)刻蝕對象表面演化；
5)更新并標(biāo)記表面元胞，計算新鞘層邊界條件，重復(fù)執(zhí)行步驟2、-3)，直到達到總時間，三維刻蝕過程模擬結(jié)束。本發(fā)明的特點和效果本發(fā)明采用MC方法，實現(xiàn)刻蝕表面粒子濃度，速度和能量的獲取，根據(jù)等離子體中粒子速度分布，再現(xiàn)了粒子的輸運過程，得到了到達刻蝕晶片表面粒子的流量，避免了刻蝕速率計算的盲目性；本發(fā)明采用CA實現(xiàn)三維刻蝕過程的模擬，實現(xiàn)復(fù)雜刻蝕圖形的模擬，解決了以往二維模擬中存在的問題。


圖1為本發(fā)明方法的總體流程圖；圖2為系統(tǒng)所處坐標(biāo)系；圖3為元胞自動機馮諾伊曼(Von Neumann)鄰域結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式本發(fā)明提出了一種用MC和CA實現(xiàn)的等離子干法三維刻蝕過程的模擬方法結(jié)合附圖及實施詳細(xì)說明如下本發(fā)明利用元胞自動機方法來模擬刻蝕過程，用有限差分方法計算鞘層內(nèi)部各點的電勢，用蒙特卡羅方法實現(xiàn)粒子的輸運過程。為了實現(xiàn)上述任務(wù)，需要將刻蝕晶片和其表面鞘層空間中要模擬區(qū)域用邊長為1的正方體分割成三維格子，其中刻蝕晶片由掩膜(刻蝕圖形)、薄膜(刻蝕主對象)和襯底組成。用有限差分技術(shù)計算三維格子各頂點的電勢來實現(xiàn)粒子運動的模擬，在元胞自動機技術(shù)中，每個格子稱為元胞，是模擬和刻蝕的基本單位；每個元胞用一個標(biāo)志位flag區(qū)分不同的部分(flag = 0表示掩膜；1表示薄膜；2表示襯底，3表示鞘層區(qū)域)，刻蝕氣體對不同的材料有不同的刻蝕效果，通過刻蝕參數(shù)體現(xiàn)。采用Von Neumann鄰域結(jié)構(gòu)，由一個中心元胞和六個相鄰元胞構(gòu)成；由于襯底的刻蝕是自頂而下的，且各向異性，因此在刻蝕模擬中，主要是對表面元胞進行刻蝕模擬。表面元胞由相鄰的6個元胞至少有一個為空元胞(是完全被刻蝕的元胞)的元胞組成。該元胞的刻蝕受到位于相鄰元胞中刻蝕氣體的影響，這里假定，相鄰的元胞只有完全被刻蝕才對該元胞有影響。每個待刻蝕元胞(表面元胞)可看成6個相鄰空元胞對它的刻蝕，規(guī)定在任一時刻， 待刻蝕元胞的狀態(tài)用此時元胞被刻蝕體積和整個元胞體積之比r表示，0 < r < 1，0表示完全未刻蝕元胞，初始設(shè)置為此值；1表示成為空元胞；其它值表示部分被刻蝕表面元胞。在空元胞中，與表面相鄰的元胞稱之為刻蝕元胞，它記錄著從等離子體中輸運的各種粒子流量，根據(jù)各種粒子流量的關(guān)系得到和其相鄰的表面元胞相應(yīng)方向的刻蝕速率。本發(fā)明方法的總體流程如圖1所示，詳細(xì)說明如下1)輸入初始參數(shù)根據(jù)實際加工設(shè)備和刻蝕劑相關(guān)參數(shù)，估計鞘層的相關(guān)信息和具體反應(yīng)，輸入不同粒子運用麥克思韋速度分布所需的各種參數(shù)；輸入刻蝕晶片上要模擬區(qū)域中不同部分的尺寸和形狀來得到鞘層信息；輸入格子邊長1，以將鞘層和刻蝕晶片細(xì)分分成邊長為1的元胞；輸入模擬的粒子數(shù)總數(shù)，刻蝕總時間及滿足刻蝕精度要求時間間隔；a.輸入刻蝕晶片要模擬區(qū)域中不同部分的尺寸和形狀，包括掩膜尺寸和形狀、薄膜和襯底的尺寸；b.根據(jù)實際刻蝕設(shè)備尺寸和射頻發(fā)生器等信息，估計鞘層高度和自給偏壓，來生成刻蝕晶片表面鞘層參數(shù)，包括鞘層尺寸和邊界條件，為利用有限差分方法計算鞘層內(nèi)部各點電勢作準(zhǔn)備；c.根據(jù)刻蝕精度輸入格子邊長1，將刻蝕晶片和其鞘層空間分成邊長為1的正方體格子，用于計算鞘層各點的電勢和作為刻蝕的元胞；d.根據(jù)實際參與刻蝕的氣體及電離特點，得到反應(yīng)生成的不同粒子類型，輸入根據(jù)麥克思韋速度分布進行計算所必需的粒子參數(shù)，包括粒子質(zhì)量，粒子濃度比，粒子的溫度等參數(shù)，以能夠生成滿足不同條件的模擬粒子；e.輸入模擬粒子數(shù)總數(shù)，刻蝕總時間，根據(jù)刻蝕速率計算滿足刻蝕精度要求時間間隔；2)用MC方法獲得到達刻蝕晶片表面的刻蝕元胞中積累的粒子數(shù)和流量；利用鞘層邊界條件和電場的拉普拉斯方程計算鞘層中各點的電勢；根據(jù)不同粒子所占濃度比和麥克斯韋速度分布，隨機產(chǎn)生要模擬的粒子PiUi, Vi, Si),模擬每個粒子PiUi, Vi, Si)在鞘層中的輸運過程，以計算刻蝕晶片表面刻蝕元胞中積累的粒子數(shù)和粒子流量；具體步驟如下(21)根據(jù)當(dāng)前鞘層尺寸和邊界條件，利用現(xiàn)有的有限差分方法，計算鞘層內(nèi)各點電勢的值；根據(jù)電磁場理論中的麥克斯韋方程得到電場滿足的泊松方程為W = ，由于穩(wěn)定狀態(tài)下鞘層局部區(qū)域內(nèi)容正電荷和電子電量和接近0，電場可簡化為拉普拉斯方程 W = ο來求解，這樣可以利用現(xiàn)有的有限差分方法，利用邊界條件來求得到鞘層內(nèi)容各點電勢。邊界條件除考慮鞘層自給偏壓影響外，可根據(jù)實際情況可有選擇考慮由于晶片掩膜絕緣層正電荷的積累而引起的充電效應(yīng)的瞬時影響。(22)在鞘層上邊界，根據(jù)不同粒子所占濃度比和麥克斯韋速度分布，隨機產(chǎn)生要模擬的粒子Pi (Xi, Vi, Si)，i代表不同粒子的序號，Xi代表粒子Pi的位置，由于粒子初始位置位于鞘層上表面上各點分布相同的特點，隨機產(chǎn)生粒子的位置Xi = (x, y, ζ)，χ，y，ζ是三個坐標(biāo)值，初始設(shè)置ζ =固定值，表示鞘層上表面，χ，y根據(jù)模擬區(qū)域尺寸利用MC方法隨機產(chǎn)生，坐標(biāo)系如圖2所示，Si表示粒子的類型，根據(jù)不同粒子濃度比通過MC方法計算，Vi 代表粒子Pi的速度，根據(jù)粒子類型Si和麥克斯韋速度分布產(chǎn)生粒子的速度，利用MC方法計算；所述類型可以是中性活性粒子和離化的離子(如在用C2F6刻蝕S^2時，等離子體中含有CF2+、CF3+等離子，F(xiàn)原子，還有CF2、CF等分子)；等離子體中的粒子以各向同性的麥克斯韋速度分布/(K) = n% ^7ν/從鞘層邊界
進入，其中Vi = (Vix，Viy, Viz) Vi鞘層邊緣第i類粒子初速度，Vix, Viy, Viz分別是坐標(biāo)系X， y，ζ三個方向的分速度，且-vix, viy, Viz < +①，Mi為粒子質(zhì)量，k為玻爾茲曼常數(shù)，Ti 是粒子溫度叫為鞘層邊緣粒子密度；隨后，粒子無碰撞地經(jīng)過鞘層向襯底輸運，直到到達刻蝕晶片表面；(23)然后根據(jù)粒子Pi的類型Si,實現(xiàn)相應(yīng)的粒子輸運過程；a.若SiG離子，貝丨JI.根據(jù)鞘層電場計算粒子Pi受到和電場力和洛倫茲力F ；II.再根據(jù)牛頓運動定律F = ma和計算其加速度a和新速度；III.接下來由當(dāng)前粒子Pi的位置Xi,速度Vi和加速度a，通過牛頓運動方程 χΓ=、+ViUmvr=V1 +Λ咁算下一時刻的位置χ廠和速度ντ，口 t表示粒子輸運時間間隔，若粒子Pi穿過模擬區(qū)域邊界，按反射規(guī)律處理；IV.重復(fù)此過程(I-III)直到Pi達到刻蝕表面，再根據(jù)粒子Pi入射到刻蝕表面的角度θ，若θ < 0^(15 4 θ ^ <30，表示反射閥值)時，根據(jù)表面反射規(guī)律，計算反射后粒子？1的位置、速度，轉(zhuǎn)I繼續(xù)執(zhí)行，否則，成為達到表面元胞的粒子，更新該元胞中相應(yīng)類型粒子的數(shù)量隊、對應(yīng)方向上的流量Γ^ ；b.若Si e中性活性粒子，則在輸運過程中粒子速度和方向不變，按= Xi +V1Ut 計算新位置，若粒子Pi穿過模擬區(qū)域邊界，按反射規(guī)規(guī)律處理；重復(fù)此過程直到達到刻蝕表面，再根據(jù)吸咐概率模型P決定該粒子是吸咐還是散射，若P > P0 (Po為吸咐概率且0 < Ptl < 1)為散射，則隨機生成散射角，以原來速率按上述過程輸運直到達到刻蝕表面；否則更新該元胞中相應(yīng)類型粒子的數(shù)量N。、對應(yīng)方向上的流量Γ。；(24)重復(fù)步驟02)-03)直到達到規(guī)定的粒子數(shù)；(3)根據(jù)刻蝕元胞中積累的粒子數(shù)和粒子流量，根據(jù)中性活性粒子和離子關(guān)系，選擇相應(yīng)刻蝕模型計算每個刻蝕元胞各方向刻蝕速率；具體根據(jù)刻蝕元胞各個方向中性活性粒子流量和離子流量的比值，來決定采用哪種刻蝕模型計算刻蝕速率；P，q代表進行化學(xué)刻蝕和離子濺射的比率閥值(0 < q < ρ)；對于每個刻蝕元胞每個方向，按下面情況之一執(zhí)行GDgryriSp則按化學(xué)線性刻蝕模型計算刻蝕速率，采用公式(1)計算
權(quán)利要求
1. 一種用蒙特卡羅(MC)和元胞自動機(CA)的等離子干法三維刻蝕過程模擬方法，其特征在于，該方法主要包括1)輸入初始參數(shù)根據(jù)實際加工設(shè)備和刻蝕劑相關(guān)參數(shù)，估計鞘層的相關(guān)信息和具體反應(yīng)，輸入不同粒子運用麥克思韋速度分布所需的各種參數(shù)；輸入刻蝕晶片上要模擬區(qū)域中不同部分的尺寸和形狀來得到鞘層信息；輸入格子邊長1，以將鞘層和刻蝕晶片細(xì)分分成邊長為1的元胞；輸入模擬的粒子數(shù)總數(shù)，刻蝕總時間及滿足刻蝕精度要求時間間隔；2)用MC方法獲得到達刻蝕晶片表面的刻蝕元胞中積累的粒子數(shù)和流量；利用鞘層邊界條件和電場的拉普拉斯方程計算鞘層中各點的電勢；根據(jù)不同粒子所占濃度比和麥克斯韋速度分布，隨機產(chǎn)生要模擬的粒子，模擬每個粒子在鞘層中的輸運過程，以計算刻蝕晶片表面刻蝕元胞中積累的粒子數(shù)和粒子流量；3)根據(jù)刻蝕元胞中積累的粒子數(shù)和粒子流量，根據(jù)中性活性粒子和離子關(guān)系，選擇相應(yīng)刻蝕模型計算每個刻蝕元胞各方向刻蝕速率；具體根據(jù)刻蝕元胞各個方向中性活性粒子流量和離子流量的比值，來決定采用哪種刻蝕模型計算刻蝕速率；4)根據(jù)得到的刻蝕元胞的刻蝕速率，利用元胞自動機方法計算整個表面元胞的刻蝕速率，再根據(jù)刻蝕時間間隔計算刻蝕量，改變表面元胞的狀態(tài)，實現(xiàn)刻蝕對象表面演化；5)更新并標(biāo)記表面元胞，計算新鞘層邊界條件，重復(fù)執(zhí)行步驟幻_3)，直到達到總時間，三維刻蝕過程模擬結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明屬于微電子加工中刻蝕過程模擬領(lǐng)域，提供了一種用蒙特卡羅(MC)和元胞自動機(CA)技術(shù)實現(xiàn)的等離子干法三維刻蝕過程的模擬方法。該方法從模擬刻蝕復(fù)雜刻蝕圖形的角度出發(fā)，采用蒙特卡羅方法計算等離體中各種粒子輸運到表面元胞的流量，利用表面刻蝕模型來計算刻蝕對象表面的刻蝕速度，再用元胞自動機方法實現(xiàn)復(fù)雜刻蝕圖形表面輪廓刻蝕過程的模擬，為準(zhǔn)確模擬三維復(fù)雜圖形的刻蝕過程提供了一個方法。本發(fā)明可實現(xiàn)模擬復(fù)雜的刻蝕圖形的刻蝕過程，為刻蝕參數(shù)配置提供指導(dǎo)，降低生產(chǎn)成本，提高加工效率。
文檔編號G06F17/50GK102194031SQ201110135120
公開日2011年9月21日 申請日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月24日
發(fā)明者孫曉民, 宋亦旭, 楊宏軍, 翟偉明, 賈培發(fā) 申請人:清華大學(xué)