CN108491662B - 一种cmp工艺仿真方法和系统 - Google Patents

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CN108491662B CN201810290687.5A CN201810290687A CN108491662B CN 108491662 B CN108491662 B CN 108491662B CN 201810290687 A CN201810290687 A CN 201810290687A CN 108491662 B CN108491662 B CN 108491662B
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Abstract

本申请实施例公开了一种CMP工艺仿真方法和系统，该方法根据研磨材质表面受到的接触应力、研磨垫与研磨材质间的流体动压、研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布以及研磨去除率计算模型，获取研磨去除率。其中，研磨去除率计算模型是综合研磨液与研磨材质间化学反应、界面接触作用、研磨液流动润滑作用和传质的多体协同耦合去除作用构建得到的，因此，该CMP工艺仿真方法充分考虑了CMP过程中研磨垫与研磨材质之间的多物理耦合作用对研磨材质表面平坦性的影响，因此，该CMP工艺方法能够真实模拟CMP工艺过程，进而能够指导CMP工艺参数和可制造性设计优化。

Description

一种CMP工艺仿真方法和系统
技术领域
本申请涉及化学机械研磨仿真技术领域，尤其涉及一种CMP工艺仿真方法和系统。
背景技术
化学机械研磨(Chemical Mechanical Planarization,CMP)采用研磨液的化学腐蚀作用和研磨颗粒的机械去除作用使研磨材质表面达到纳米级光滑表面，现已成为甚大规模集成电路时代使用最广泛的平坦化技术。
由于CMP机理极其复杂，工程师对CMP的过程参数、研磨接触形态、化学反应机制及研磨液性质了解甚微，对不同材料的抛光机理研究不够充分，不同工艺参数对抛光效果的影响还缺乏深入研究，抛光过程中的碟形凹陷和过度抛光等问题还需有效控制和解决。欲获得超光滑平坦表面，工艺控制的难度极大。
为了获得更好的研磨平坦性和实现可制造性设计对CMP建模仿真的技术需求，CMP模型和仿真技术研发伴随集成电路CMP工艺的发展取得了长足进展，呈现出各学科CMP模型百花齐放的发展态势。然而，由于CMP涉及摩擦学、接触力学、流体力学、分子动力学、传质传热学、化学动力学、电化学、材料科学及集成电路技术等众多学科，基于单一学科领域建立的CMP仿真模型尽管能在一定程度上反映CMP的研磨特征，但要真实模拟各种多物理耦合作用对研磨材质表面平坦性的影响，需要建立与CMP工艺相适应的工艺耦合模型，才能更为真实的模拟CMP的工艺过程，从而指导CMP工艺参数和可制造性设计优化。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了一种CMP工艺仿真方法和系统，以更为真实地模拟CMP工艺过程，从而指导CMP工艺参数和可制造性设计优化。
为了达到上述发明目的，本申请实施例采用了如下技术方案：
一种CMP工艺仿真方法，包括：
获取研磨液各组分初始浓度、研磨材质参数、研磨垫参数、研磨粒子参数、研磨液参数、CMP工艺参数以及研磨参数；
根据研磨垫参数、研磨材质参数、研磨粒子参数和CMP工艺参数以及研磨材质表面受到的接触应力模型，计算研磨材质表面受到的接触应力；
根据所述CMP工艺参数、研磨液参数、液膜厚度以及研磨垫和研磨材质间流体动压模型，计算研磨垫与研磨材质间的流体动压；
根据所述研磨材质表面受到的接触应力、研磨垫参数、CMP工艺参数、研磨参数以及流固耦合模型，更新计算液膜厚度；
根据研磨液各组分初始浓度以及研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布模型计算研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布；
根据研磨材质表面受到的接触应力、研磨垫与研磨材质间的流体动压、研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布以及研磨去除率计算模型，获取研磨去除率；所述研磨去除率计算模型是综合研磨液与研磨材质间化学反应、界面接触作用、研磨液流动润滑作用和传质的多体协同耦合去除作用构建得到的。
可选地，所述根据研磨垫参数、研磨材质参数、研磨粒子参数和CMP工艺参数以及研磨材质表面受到的接触应力模型，计算研磨材质表面受到的接触应力，具体包括：
根据研磨垫参数和CMP工艺参数以及研磨垫形变与研磨材质间的接触应力模型计算研磨垫与研磨材质间的接触应力；
根据研磨垫参数、研磨粒子参数和CMP工艺参数以及研磨粒子与研磨材质间的接触应力模型计算研磨粒子与研磨材质间的接触应力；
将所述研磨垫与研磨材质间的接触应力以及研磨粒子与研磨材质间的接触应力相加，得到的结果为研磨材质表面受到的接触应力。
可选地，所述研磨材质与研磨垫形变之间的接触应力模型，具体为：
Figure BDA0001617422550000021
其中，w为研磨垫形变函数，PCpad为研磨垫和研磨材质间的接触应力，υ为研磨垫的泊松比，E为研磨垫的弹性模量，I为研磨垫与研磨材质的实际接触面积，K(x-ξ,y-η)为核函数，x,y,ξ,η为函数变量。
可选地，所述研磨材质与研磨粒子之间的接触应力模型，具体为：
Figure BDA0001617422550000031
其中，PCp研磨粒子与研磨材质间的接触应力，υ为研磨垫的泊松比，E为研磨垫的弹性模量，N0为研磨液的单位体积研磨粒子数，rp为研磨粒子半径，fp(-εS)为单研磨粒子接触应力，εS为平均压缩应力，Φp(rp)为概率密度函数。
可选地，所述研磨垫与研磨材质间流体动压模型具体为：
Figure BDA0001617422550000032
其中，r为研磨体系计算坐标径向分量，PF为流体动压，h为液膜厚度，η为研磨液粘性系数，vr(a)和vr(b)分别为研磨垫和研磨材质表面径向速率，vθ(a)和vθ(b)分别为研磨垫和研磨材质表面切向速率，θ为研磨体系计算坐标切向分量。
可选地，所述流固耦合模型具体为：
Fz＝∫I(PF+PCpad+PCp)dA-FN＝0,
Figure BDA0001617422550000033
Figure BDA0001617422550000034
其中，Fz代表法向应力，Mx和My分别是x轴方向和y轴方向上的力矩，FN为法向外部施加压力，dF为万向节点与接触界面的间距，μ为研磨材质的摩擦系数，A为积分变量，θ为研磨体系计算坐标切向分量，PF为流体动压，PCpad为研磨垫和研磨材质间的接触应力，PCp为研磨粒子与研磨材质间的接触应力。
可选地，所述研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布模型具体为：
Figure BDA0001617422550000035
其中，vz为研磨液z方向流动速率，Ci为研磨液各组分表面浓度，D为扩散系数，r为研磨体系计算坐标系径向分量，θ为研磨体系计算坐标系切向分量，z为z方向分量。
可选地，所述研磨材质表面动力学去除模型具体为：
Figure BDA0001617422550000041
其中，M为研磨材质的分子量，ρ0为研磨材质的质量密度，MRR为研磨去除率，[In]为研磨液抑制剂浓度，[Oxi]为氧化剂浓度，[CA]为研磨液螯合剂浓度，k1，k2，k3，k4分别为研磨材质表面与研磨液的化学反应常数，k5和k6分别为研磨材质表面与研磨液的机械去除反应常数。
可选地，所述根据整个研磨材质表面受到的接触应力、研磨垫与研磨材质间的流体动压、研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布以及研磨材质表面动力学去除模型，获取研磨去除率，具体为：
通过以下公式计算研磨去除率；
Figure BDA0001617422550000042
其中，MRR为研磨去除率，
Ci为研磨液各组分分布在研磨材质表面的浓度，
F为最终建立的研磨去除率函数，
k为Preston常数，
PC为研磨材质表面受到的接触应力，
PF为研磨垫与研磨材质间的流体动压，
I为研磨垫与研磨材质间的实际接触面积，
IT为研磨垫与研磨材质间的名义接触面积，
V为研磨垫和研磨材质间相对滑动速率。
可选地，所述获取研磨去除率之后，还包括：
根据所述研磨去除率计算研磨材质表面形貌的实时变化；
输出所述研磨材质表面形貌的实时变化。
一种CMP工艺仿真系统，包括：
获取模块，用于获取研磨液各组分初始浓度、研磨材质参数、研磨垫参数、研磨粒子参数、研磨液参数、CMP工艺参数以及研磨参数；
接触应力计算模块，用于根据研磨垫参数、研磨材质参数、研磨粒子参数和CMP工艺参数以及研磨材质表面受到的接触应力模型，计算研磨材质表面受到的接触应力；
流体动压计算模块，用于根据所述CMP工艺参数、研磨液参数、液膜厚度以及研磨垫和研磨材质间流体动压模型，计算研磨垫与研磨材质间的流体动压；
液膜厚度计算模块，用于根据所述研磨材质表面受到的接触应力、研磨垫参数、CMP工艺参数、研磨参数以及流固耦合模型，更新计算液膜厚度；
浓度分布计算模块，用于根据研磨液各组分初始浓度以及研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布模型计算研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布；
研磨去除率计算模块，用于根据研磨材质表面受到的接触应力、研磨垫与研磨材质间的流体动压、研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布以及研磨去除率计算模型，获取研磨去除率；所述研磨去除率计算模型是综合研磨液与研磨材质间化学反应、界面接触作用、研磨液流动润滑作用和传质的多体协同耦合去除作用构建得到的。
可选地，所述系统还包括：
形貌仿真模块，用于根据所述研磨去除率计算研磨材质表面形貌的实时变化；
输出模块，用于输出所述研磨材质表面形貌的实时变化。
相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：
基于以上技术方案可知，本申请实施例提供的CMP工艺仿真方法根据研磨材质表面受到的接触应力、研磨垫与研磨材质间的流体动压、研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布以及研磨去除率计算模型，获取研磨去除率。其中，研磨去除率计算模型是综合研磨液与研磨材质间化学反应、界面接触作用、研磨液流动润滑作用和传质的多体协同耦合去除作用构建得到的，因此，该CMP工艺仿真方法综合考虑了研磨液与研磨材质间化学反应、界面接触作用、研磨液流动润滑作用和传质的多体协同耦合去除作用。如此，该CMP工艺仿真方法充分考虑了CMP过程中研磨垫与研磨材质之间的多物理耦合作用对研磨材质表面平坦性的影响，因此，该CMP工艺方法能够真实模拟CMP工艺过程，进而能够指导CMP工艺参数和可制造性设计优化。
附图说明
为了清楚地理解本申请的具体实施方式，下面将描述本申请具体实施方式时用到的附图做一简要说明。
图1是本申请实施例提供的研磨去除率计算模型的建立方法流程示意图；
图2是本申请实施例提供的CMP工艺仿真方法流程示意图；
图3是本申请实施例提供的CMP工艺仿真系统结构示意图。
具体实施方式
本申请研究CMP的研磨机理，为了能够真实模拟CMP的工艺过程，综合考虑了研磨液与研磨材质间化学反应、界面接触作用、研磨液流动润滑和传质的多体协同耦合去除作用，建立了研磨去除率计算模型。
下面结合附图介绍研磨去除率计算模型的建立方法的具体实现方式。
请参见图1，本申请实施例提供的研磨去除率计算模型的建立方法包括以下步骤：
S101：根据研磨材质表面与研磨液的化学反应和机械去除反应，建立研磨材质表面动力学去除模型；所述研磨材质表面动力学去除模型包括化学反应因素和机械去除因素。
在CMP过程中，研磨液与研磨材质表面会发生化学反应，同时，研磨材质还会受到一定的机械作用，该机械作用也会影响研磨材质的去除。因此，在研磨材质表面存在化学反应和机械去除反应，并且化学反应和机械去除反应之间存在一定的协同作用。因此，根据研磨材质表面与研磨液化学反应和机械去除反应，可以建立出如下研磨材质CMP表面动力学方程：
Figure BDA0001617422550000071
其中，M为研磨材质，In为研磨液抑制剂，[Oxi]为氧化剂浓度，MxOy为表面材质氧化物，CA为螯合剂，δ和δ'为研磨产物，ki(i＝1,...,6)为反应速率常数，k1，k2，k3，k4分别为研磨材质表面与研磨液的化学反应常数，k5和k6分别为研磨材质表面与研磨液的机械去除反应常数。
然后结合研磨材质表面反应和去除机理，求解反应平衡方程，建立研磨材质表面动力学去除模型，其中，建立的研磨材质表面动力学去除模型可以表示如下：
Figure BDA0001617422550000072
MRR为研磨去除率，M为研磨材质的分子量，ρ0为研磨材质的质量密度，[In]为研磨液抑制剂浓度，[Oxi]为氧化剂浓度，[CA]为研磨液螯合剂浓度，k1，k2，k3，k4分别为研磨材质表面与研磨液的化学反应常数，k5和k6分别为研磨材质表面与研磨液的机械去除反应常数。
S102：根据研磨材质分别与研磨垫和研磨粒子之间的相互作用，建立研磨材质表面受到的接触应力模型。
需要说明，在CMP过程中，研磨材质表面不仅与研磨垫接触，还与研磨粒子接触，因此，研磨材质与研磨垫之间存在相互作用，而且研磨材质与研磨粒子之间也存在相互作用。
如此，S102可以具体包括：
S1021：根据研磨材质与研磨垫形变之间的相互作用机理，构建研磨材质与研磨垫形变之间的接触应力模型。
作为示例，构建得到的研磨材质与研磨垫形变之间的接触应力模型可以如下所示：
Figure BDA0001617422550000081
其中，w为研磨垫形变函数，PCpad为研磨垫和研磨材质间的接触应力，υ为研磨垫的泊松比，E为研磨垫的弹性模量，I为研磨垫与研磨材质的实际接触面积，K(x-ξ,y-η)为核函数，x,y,ξ,η为函数变量。
S1022：根据研磨材质与研磨粒子之间的相互作用机理，构建研磨材质与研磨粒子之间的接触应力模型。
作为示例，构建得到的研磨材质与研磨粒子之间的接触应力模型可以如下所示：
Figure BDA0001617422550000082
其中，PCp研磨粒子与研磨材质间的接触应力，υ为研磨垫的泊松比，E为研磨垫的弹性模量，N0为研磨液的单位体积研磨粒子数，rp为研磨粒子半径，fp(-εS)为单研磨粒子接触应力，εS为平均压缩应力，Φp(rp)为概率密度函数。
S1023：联立所述研磨材质与研磨垫形变之间的接触应力模型和研磨材质与研磨粒子之间的接触应力模型，建立研磨材质表面受到的接触应力模型。
因研磨材质不仅与研磨垫之间存在接触作用，还与研磨粒子之间存在接触作用，因此，研磨材质的整个研磨表面受到的接触应力为研磨材质与研磨垫之间的接触应力和与研磨材质与研磨粒子之间的接触应力之和，因此，在建立研磨材质表面受到的接触应力模型时，需要联立研磨材质与研磨垫形变之间的接触应力模型和研磨材质与研磨粒子之间的接触应力模型，根据该两个接触应力模型来建立研磨材质表面受到的接触应力模型。
S103：结合流体润滑边界条件，求解通用雷诺方程，建立研磨垫与研磨材质间流体动压模型。
作为示例，构建得到的研磨垫与研磨材质间流体动压模型可以如下所示：
Figure BDA0001617422550000083
其中，r为研磨体系计算坐标径向分量，PF为流体动压，h为液膜厚度，η为研磨液粘性系数，vr(a)和vr(b)分别为研磨垫和研磨材质表面径向速率，vθ(a)和vθ(b)分别为研磨垫和研磨材质表面切向速率，θ为研磨体系计算坐标切向分量。
S104：根据力平衡条件，将研磨材质表面受到的接触应力以及研磨垫与研磨材质间流体动压分别融入CMP的机械去除过程中，建立流固耦合模型。
作为示例，构建得到的流固耦合模型可以如下所示：
Figure BDA0001617422550000091
其中，Fz代表法向应力，Mx和My分别是x轴方向和y轴方向上的力矩，FN为法向外部施加压力，dF为万向节点与接触界面的间距，μ为研磨材质的摩擦系数，A为积分变量，θ为研磨体系计算坐标切向分量，PF为流体动压，PCpad为研磨垫和研磨材质间的接触应力，PCp为研磨粒子与研磨材质间的接触应力。
S105：结合研磨垫和研磨材质间流场分布与研磨液流动压力间的内在关系，建立受限空间研磨液流场分布模型，结合质量传递及浓度扩散方程，建立研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布模型。
作为示例，构建得到的研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布模型可以如下所示：
Figure BDA0001617422550000092
其中，vz为研磨液在z方向的流动速率，Ci为研磨液各组分表面浓度，D为扩散系数，r为研磨体系计算坐标系径向分量，θ为研磨体系计算坐标系切向分量，z为z方向分量。
S106：联立研磨材质表面动力学去除模型、流固耦合模型以及研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布模型，构建研磨去除率计算模型。
因研磨去除率是研磨液与研磨材质间化学反应、界面接触作用、研磨液流动润滑作用和传质的多体协同耦合去除作用的结果，因此，为了能够实现研磨表面平坦性精确仿真，在构建研磨去除率计算模型时，要基于研磨材质表面动力学去除模型、流固耦合模型以及研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布模型，将这些模型联立求解，从而得到研磨去除率计算模型。
作为示例，构建获得的研磨去除率计算模型如下所示：
Figure BDA0001617422550000101
其中，MRR为研磨去除率，
Ci为研磨液各组分分布在研磨材质表面的浓度，
F为最终建立的研磨去除率函数，
k为Preston常数，
PC为研磨材质表面受到的接触应力，
PF为研磨垫与研磨材质间的流体动压，
I为研磨垫与研磨材质间的实际接触面积，
IT为研磨垫与研磨材质间的名义接触面积，
V为研磨垫和研磨材质间相对滑动速率。
以上为本申请实施例提供的研磨去除率计算模型的建立方法的具体实现方式。在该计算模型的建立过程中，综合考虑了研磨液与研磨材质间化学反应、界面接触作用、研磨液流动润滑作用和传质的多体协同耦合去除作用，如此，由该研磨去除率计算模型得到的研磨去除率能够准确地描述研磨材质的表面形貌。
基于上述建立的研磨材质表面动力学去除模型，请参见图2，本申请实施例提供的CMP工艺仿真方法包括以下步骤：
S201：获取研磨液各组分初始浓度、研磨材质参数、研磨垫参数、研磨粒子参数、研磨液参数、CMP工艺参数以及研磨参数。
作为示例，研磨液各组分初始浓度为未进行CMP之前的研磨液各组分的本体浓度。研磨液各组分可以包括抑制剂、氧化剂和螯合剂等。
研磨材质参数可以包括研磨材质的分子量、研磨材质的质量密度等；
研磨垫参数可以包括研磨垫的弹性模量、泊松比等；
研磨粒子参数可以包括单位体积研磨液中包含的研磨粒子数、粒子半径等；
研磨液参数可以包括研磨液粘性系数、扩散系数、化学反应系数等；
CMP工艺参数以及研磨参数可以包括外部压力、转速、摩擦系数、Preston常数等。
S202：根据研磨垫参数、研磨材质参数、研磨粒子参数和CMP工艺参数以及研磨材质表面受到的接触应力模型，计算研磨材质表面受到的接触应力。
需要说明，在本申请实施例中，研磨材质不仅与研磨垫接触，还与研磨粒子接触，因此研磨材质表面受到的接触应力为研磨垫与研磨材质间的接触应力以及研磨粒子与研磨材质间的接触应力的总和。如此，S202可以具体包括以下步骤：
S2021：根据研磨垫参数和CMP工艺参数以及研磨垫形变与研磨材质间的接触应力模型计算研磨垫与研磨材质间的接触应力；
本步骤可以具体为：将研磨垫的泊松比和弹性模量以及CMP工艺参数代入到公式(3)计算研磨材质表面受到的接触应力PCpad。
S2022：根据研磨垫参数、研磨粒子参数和CMP工艺参数以及研磨粒子与研磨材质间的接触应力模型计算研磨粒子与研磨材质间的接触应力PC；
本步骤可以具体为：将研磨垫的泊松比和弹性模量、研磨液的单位体积研磨粒子数和研磨粒子半径以及CMP工艺参数代入到公式(4)中，计算研磨粒子与研磨材质间的接触应力PCp。
S2023：将所述研磨垫与研磨材质间的接触应力以及研磨粒子与研磨材质间的接触应力相加，得到的结果为研磨材质表面受到的接触应力。
本步骤用公式表示为：
PC＝PCpad+PCp (9)
其中，PC为研磨材质表面受到的接触应力。
S203：根据所述CMP工艺参数、研磨液参数、液膜厚度以及研磨垫和研磨材质间流体动压模型，计算研磨垫与研磨材质间的流体动压。
本步骤可以具体为：将CMP工艺参数、研磨液参数、液膜厚度代入公式(5)中，计算研磨垫与研磨材质间的流体动压。
S204：根据所述研磨材质表面受到的接触应力、流体动压、研磨垫参数、CMP工艺参数、研磨参数以及流固耦合模型，更新计算液膜厚度。
因研磨液具有流动性，在CMP过程中，研磨垫与研磨材质间的研磨液的液膜厚度会发生变化，而研磨垫与研磨材质间的流体动压与液膜厚度有关，因此，为了计算流体动压，需要不断对液膜厚度进行修正。也就是说，为了获取到当前时刻的平衡流体动压，需要迭代更新当前时刻的液膜厚度。
本步骤可以具体为：将研磨材质表面受到的接触应力、流体动压、研磨垫参数、CMP工艺参数、研磨参数代入公式(6)中，更新计算当前时刻的液膜厚度。
S205：根据研磨液各组分初始浓度以及研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布模型计算研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布。
本步骤可以具体为：将研磨液各组分初始浓度、研磨液速度分布U＝(vr,vθ,vz)代入公式(7)中，计算研磨垫与研磨材质间的浓度分布。其中，研磨液速度分布可由研磨液流体动压、液膜厚度和连续性方程获得：
Figure BDA0001617422550000121
其中，Ur,θ为研磨液速度水平方向向量，U1和U2分别为研磨材质和研磨垫水平方向速度向量。
S206：根据研磨材质表面受到的接触应力、研磨垫与研磨材质间的流体动压、研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布以及研磨去除率计算模型，获取研磨去除率。
本步骤可以具体为：将研磨材质表面受到的接触应力PC、研磨垫与研磨材质间的流体动压PF、研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布Ci代入到公式(8)中，计算研磨去除率。
为了能够更为方便地实现研磨材质表面的平坦性检测，用于辅助CMP实验及工艺开发及优化，本申请实施例提供的CMP工艺仿真方法还可以包括：
S207：根据所述研磨去除率计算研磨材质表面形貌的实时变化。
本步骤可以具体为：根据研磨去除率的定义以及S206计算得到的研磨去除率，计算研磨材质表面形貌的实时变化。
其中，研磨去除率的定义为单位时间内去除的研磨材质表面高度，用公式表示为：
Figure BDA0001617422550000131
其中，S(r,θ,t)为研磨材质表面形貌高度，t为研磨时间。
S208：输出所述研磨材质表面形貌的实时变化。
本步骤可以通过显示装置输出该研磨材质表面形貌的实时变化。
以上为本申请实施例提供的CMP工艺仿真方法的具体实现方式。该CMP工艺仿真方法根据研磨材质表面受到的接触应力、研磨垫与研磨材质间的流体动压、研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布以及研磨去除率计算模型，获取研磨去除率。其中，研磨去除率计算模型是综合研磨液与研磨材质间化学反应、界面接触作用、研磨液流动润滑和传质的多体协同耦合去除作用构建得到，因此，该CMP工艺仿真方法综合考虑了研磨液与研磨材质间化学反应、界面接触作用、研磨液流动润滑作用和传质的多体协同耦合去除作用。如此，该CMP工艺仿真方法充分考虑了在CMP过程中，研磨垫与研磨材质之间的多物理耦合作用对研磨材质表面平坦性的影响，因此，该CMP工艺仿真方法能够真实模拟CMP工艺过程，从而使得该方法能够指导CMP工艺参数和可制造性设计优化。
而且，将该方法与现有芯片设计技术现结合，能够检测芯片表面敏感区域，指导修复设计缺陷。
以上为本申请实施例提供的CMP工艺仿真方法的具体实现方式。基于该CMP工艺仿真方法的具体实现方式，本申请实施例还提供了CMP工艺仿真系统的具体实施方式。
请参见图3，本申请实施例提供的CMP工艺仿真系统包括以下模块：
获取模块31，用于获取研磨液各组分初始浓度、研磨材质参数、研磨垫参数、研磨粒子参数、研磨液参数、CMP工艺参数以及研磨参数；
接触应力计算模块32，用于根据研磨垫参数、研磨材质参数、研磨粒子参数和CMP工艺参数以及研磨材质表面受到的接触应力模型，计算研磨材质表面受到的接触应力；
流体动压计算模块33，用于根据所述CMP工艺参数、研磨液参数、液膜厚度以及研磨垫和研磨材质间流体动压模型，计算研磨垫与研磨材质间的流体动压；
液膜厚度计算模块34，用于根据所述研磨材质表面受到的接触应力、研磨垫参数、CMP工艺参数、研磨参数以及流固耦合模型，更新计算液膜厚度；
浓度分布计算模块35，用于根据研磨液各组分初始浓度以及研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布模型计算研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布；
研磨去除率计算模块36，用于根据研磨材质表面受到的接触应力、研磨垫与研磨材质间的流体动压、研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布以及研磨去除率计算模型，获取研磨去除率；所述研磨去除率计算模型是综合研磨液与研磨材质间化学反应、界面接触作用、研磨液流动润滑作用和传质的多体协同耦合去除作用构建得到的。
作为本申请的一可选实施例，为了能够更为方便地实现研磨材质表面的平坦性检测，用于辅助CMP实验及工艺开发及优化，本申请实施例提供的系统还可以包括以下模块：
形貌仿真模块37，用于根据所述研磨去除率计算研磨材质表面形貌的实时变化；
输出模块38，用于输出所述研磨材质表面形貌的实时变化。
以上为本申请实施例提供的CMP工艺仿真系统的具体实现方式。在该CMP工艺仿真系统中，根据研磨材质表面受到的接触应力、研磨垫与研磨材质间的流体动压、研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布以及研磨去除率计算模型，获取研磨去除率。其中，研磨去除率计算模型是综合研磨液与研磨材质间化学反应、界面接触作用、研磨液流动润滑作用和传质的多体协同耦合去除作用构建得到的，因此，该CMP工艺仿真系统充分考虑了在CMP过程中，研磨垫与研磨材质之间的多物理耦合作用对研磨材质表面平坦性的影响，因此，该CMP工艺仿真系统能够真实模拟CMP工艺过程，从而使得该方法能够指导CMP工艺参数和可制造性设计优化。
而且，与现有芯片设计技术相结合，利用该CMP工艺仿真系统能够检测芯片表面敏感区域，指导修复设计缺陷。
以上为本申请实施例的具体实现方式。

Claims (12)

1.一种CMP工艺仿真方法，其特征在于，包括：
获取研磨液各组分初始浓度、研磨材质参数、研磨垫参数、研磨粒子参数、研磨液参数、CMP工艺参数以及研磨参数；
根据研磨垫参数、研磨材质参数、研磨粒子参数和CMP工艺参数以及研磨材质表面受到的接触应力模型，计算研磨材质表面受到的接触应力；
根据所述CMP工艺参数、研磨液参数、液膜厚度以及研磨垫和研磨材质间流体动压模型，计算研磨垫与研磨材质间的流体动压；所述液膜厚度根据所述研磨材质表面受到的接触应力、研磨垫参数、CMP工艺参数、研磨参数以及流固耦合模型更新计算；所述流固耦合模型包含法向应力和力矩；
根据研磨液各组分初始浓度以及研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布模型计算研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布；
根据研磨材质表面受到的接触应力、研磨垫与研磨材质间的流体动压、研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布以及研磨去除率计算模型，获取研磨去除率；所述研磨去除率计算模型是综合研磨液与研磨材质间化学反应、界面接触作用、研磨液流动润滑作用和传质的多体协同耦合去除作用构建得到的，所述研磨去除率计算模型的参数包含研磨垫与研磨材质间的实际接触面积、名义接触面积和相对滑动速率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据研磨垫参数、研磨材质参数、研磨粒子参数和CMP工艺参数以及研磨材质表面受到的接触应力模型，计算研磨材质表面受到的接触应力，具体包括：
根据研磨垫参数和CMP工艺参数以及研磨垫形变与研磨材质间的接触应力模型计算研磨垫与研磨材质间的接触应力；
根据研磨垫参数、研磨粒子参数和CMP工艺参数以及研磨粒子与研磨材质间的接触应力模型计算研磨粒子与研磨材质间的接触应力；
将所述研磨垫与研磨材质间的接触应力以及研磨粒子与研磨材质间的接触应力相加，得到的结果为研磨材质表面受到的接触应力。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述研磨材质与研磨垫形变之间的接触应力模型，具体为：
Figure FDA0003338470060000021
其中，w为研磨垫形变函数，PCpad为研磨垫和研磨材质间的接触应力，υ为研磨垫的泊松比，E为研磨垫的弹性模量，I为研磨垫与研磨材质的实际接触面积，K(x-ξ,y-η)为核函数，x,y,ξ,η为函数变量。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述研磨材质与研磨粒子之间的接触应力模型，具体为：
Figure FDA0003338470060000022
其中，PCp研磨粒子与研磨材质间的接触应力，υ为研磨垫的泊松比，E为研磨垫的弹性模量，N0为研磨液的单位体积研磨粒子数，rp为研磨粒子半径，fp(-εS)为单研磨粒子接触应力，εS为平均压缩应力，Φp(rp)为概率密度函数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述研磨垫与研磨材质间流体动压模型具体为：
Figure FDA0003338470060000023
其中，r为研磨体系计算坐标径向分量，PF为流体动压，h为液膜厚度，η为研磨液粘性系数，vr(a)和vr(b)分别为研磨垫和研磨材质表面径向速率，vθ(a)和vθ(b)分别为研磨垫和研磨材质表面切向速率，θ为研磨体系计算坐标切向分量。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流固耦合模型具体为：
Fz＝∫I(PF+PCpad+PCp)dA-FN＝0,
Figure FDA0003338470060000024
Figure FDA0003338470060000025
其中，Fz代表法向应力，Mx和My分别是x轴方向和y轴方向上的力矩，FN为法向外部施加压力，dF为万向节点与接触界面的间距，μ为研磨材质的摩擦系数，A为积分变量，θ为研磨体系计算坐标切向分量，PF为流体动压，PCpad为研磨垫和研磨材质间的接触应力，PCp为研磨粒子与研磨材质间的接触应力，η为研磨液粘性系数，r为研磨体系计算坐标径向分量，νθ为研磨液的切向流动速率，h为液膜厚度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布模型具体为：
Figure FDA0003338470060000031
其中，vz为研磨液z方向流动速率，Ci为研磨液各组分表面浓度，D为扩散系数，r为研磨体系计算坐标系径向分量，θ为研磨体系计算坐标系切向分量，z为z方向分量，νr为研磨液的径向流动速率，νθ为研磨液的切向流动速率。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述研磨去除率计算模型是基于研磨材质表面动力学去除模型、流固耦合模型以及研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布模型联立求解得到的；所述研磨材质表面动力学去除模型具体为：
Figure FDA0003338470060000032
其中，M为研磨材质的分子量，ρ0为研磨材质的质量密度，MRR为研磨去除率，[In]为研磨液抑制剂浓度，[Oxi]为氧化剂浓度，[CA]为研磨液螯合剂浓度，k1，k2，k3，k4分别为研磨材质表面与研磨液的化学反应常数，k5和k6分别为研磨材质表面与研磨液的机械去除反应常数。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据整个研磨材质表面受到的接触应力、研磨垫与研磨材质间的流体动压、研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布以及研磨去除率计算模型，获取研磨去除率，具体为：
通过以下公式计算研磨去除率；
Figure FDA0003338470060000033
其中，MRR为研磨去除率，
Ci为研磨液各组分分布在研磨材质表面的浓度，
F为最终建立的研磨去除率函数，
k为Preston常数，
PC为研磨材质表面受到的接触应力，
PF为研磨垫与研磨材质间的流体动压，
I为研磨垫与研磨材质间的实际接触面积，
IT为研磨垫与研磨材质间的名义接触面积，
V为研磨垫和研磨材质间相对滑动速率。
10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，所述获取研磨去除率之后，还包括：
根据所述研磨去除率计算研磨材质表面形貌的实时变化；
输出所述研磨材质表面形貌的实时变化。
11.一种CMP工艺仿真系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取研磨液各组分初始浓度、研磨材质参数、研磨垫参数、研磨粒子参数、研磨液参数、CMP工艺参数以及研磨参数；
接触应力计算模块，用于根据研磨垫参数、研磨材质参数、研磨粒子参数和CMP工艺参数以及研磨材质表面受到的接触应力模型，计算研磨材质表面受到的接触应力；
流体动压计算模块，用于根据所述CMP工艺参数、研磨液参数、液膜厚度以及研磨垫和研磨材质间流体动压模型，计算研磨垫与研磨材质间的流体动压；
液膜厚度计算模块，用于根据所述研磨材质表面受到的接触应力、研磨垫参数、CMP工艺参数、研磨参数以及流固耦合模型，更新计算液膜厚度；
浓度分布计算模块，用于根据研磨液各组分初始浓度以及研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布模型计算研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布；
研磨去除率计算模块，用于根据研磨材质表面受到的接触应力、研磨垫与研磨材质间的流体动压、研磨液各组分在研磨材质表面的浓度分布以及研磨去除率计算模型，获取研磨去除率；所述研磨去除率计算模型是综合研磨液与研磨材质间化学反应、界面接触作用、研磨液流动润滑作用和传质的多体协同耦合去除作用构建得到的。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
形貌仿真模块，用于根据所述研磨去除率计算研磨材质表面形貌的实时变化；
输出模块，用于输出所述研磨材质表面形貌的实时变化。
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