CN109299485B - 一种cmp仿真模型的建立方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种CMP仿真模型的建立方法，包括：根据研磨液中化学组分的化学反应以及研磨颗粒的机械去除机理，建立化学动力去除模型，所述化学动力去除模型的去除速率至少与化学组分的浓度以及机械研磨速率相关；根据晶圆表面和研磨颗粒的受力分析以及研磨垫的形变分析，建立晶圆与研磨颗粒及研磨垫的接触力学模型；建立研磨液化学组分在晶圆表面不同区域的浓度分布模型；根据所述接触力学模型和所述浓度分布模型，通过所述化学动力去除模型建立多物理去除模型。该模型可以深刻阐释晶圆表面材质的多物理去除机制，进而实现晶圆表面形貌以及工艺偏差的动态模拟，为CMP工艺中参数设置以及设计优化提供指导。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路仿真建模技术领域，特别涉及一种CMP仿真模型的建立方法及系统。
背景技术
化学机械研磨(Chemical Mechanical Planarization，CMP)是半导体制造技术中精细表面加工的重要环节，已成为甚大规模集成电路时代使用最广泛的平坦化技术，通过结合研磨液化学腐蚀和研磨颗粒机械去除的方法，使得研磨表面达到纳米级的光滑程度。
在集成电路的制造过程中，CMP工艺的控制难度是极大的，平坦化的缺陷会直接影响到器件的性能和芯片的良率。CMP仿真可以辅助CMP工艺控制精度的提高和良率的提升，目前，主要是采用描述版图几何拓扑结构的经验模型的方式进行仿真，而这种方法主要用于对设计版图进行优化，无法应用于晶圆级的CMP工艺动态仿真，尤其难以指导工艺参数的优化和配置。
发明内容
本发明旨在至少解决上述问题之一，提供一种CMP仿真模型的建立方法及系统，建立多物理角度的仿真模型。
为实现上述目的，本发明有如下技术方案：
一种CMP仿真模型的建立方法，其特征在于，包括：
根据研磨液中化学组分的化学反应以及研磨颗粒的机械去除机理，建立化学动力去除模型，所述化学动力去除模型的去除速率至少与化学组分的浓度以及机械研磨速率相关；
根据晶圆表面和研磨颗粒的受力分析以及研磨垫的形变分析，建立晶圆与研磨颗粒及研磨垫的接触力学模型；
建立研磨液化学组分在晶圆表面不同区域的浓度分布模型；
根据所述接触力学模型和所述浓度分布模型，通过所述化学动力去除模型建立多物理去除模型。
可选地，根据研磨垫表面分形表征，建立研磨液有效化学组分在晶圆表面不同区域的浓度分布模型包括：
对研磨垫表面进行分形表征，通过求解雷诺方程，建立研磨液流体动压模型；
根据研磨液流体动压模型和纳维斯托克斯方程，获得研磨液流场分布；
根据研磨液流场分布以及质量传递及浓度扩散方程，建立研磨液有效化学组分在晶圆表面不同区域的浓度分布模型。
可选地，还包括：调整设计版图中的图形以及CMP工艺参数，获得调整设计和工艺参数后的接触力学模型。
可选地，还包括：基于所述多物理去除模型，进行晶圆表面CMP形貌仿真。
一种CMP仿真模型的建立系统，包括：
化学动力去除模型确定单元，用于根据研磨液中化学组分的化学反应以及研磨颗粒的机械去除机理，建立化学动力去除模型，所述化学动力去除模型的去除速率至少与化学组分的浓度以及机械研磨速率相关；
接触力学模型确定单元，用于根据晶圆表面和研磨颗粒的受力分析以及研磨垫的形变分析，建立晶圆与研磨颗粒及研磨垫的接触力学模型；
浓度分布模型确定单元，用于建立研磨液化学组分在晶圆表面不同区域的浓度分布模型；
多物理去除模型确定单元，用于根据所述接触力学模型和所述浓度分布模型，通过所述化学动力去除模型建立多物理去除模型。
可选地，浓度分布模型确定单元包括：
研磨液流体动压模型确定单元，用于对研磨垫表面进行分形表征，通过求解雷诺方程，建立研磨液流体动压模型；
研磨液流场分布确定单元，用于根据研磨液流体动压模型和纳维斯托克斯方程，获得研磨液流场分布；
分布模型确定单元，用于根据研磨液流场分布以及质量传递及浓度扩散方程，建立研磨液有效化学组分在晶圆表面不同区域的浓度分布模型。
可选地，还包括：
设计调整单元，用于调整设计版图中的图形以及CMP工艺参数，获得调整设计和工艺参数后的接触力学模型。
可选地，还包括：
仿真单元，用于基于所述多物理去除模型，进行晶圆表面CMP形貌仿真。
本发明实施例提供了一种CMP仿真模型的建立方法及系统，分别建立晶圆表面化学动力去除模型、多体接触力学模型、流体动压模型、研磨液有效化学组分在晶圆表面的浓度分布模型，基于这些模型，建立晶圆表面多物理去除模型。这样，在模型中综合考虑到研磨液的化学反应、颗粒动力去除、接触性态和流体传质等多个方面的因素，建立了全面的多物理去除模型，可以深刻阐释晶圆表面材质的多物理去除机制，进而实现晶圆表面形貌以及工艺偏差的动态模拟，为CMP工艺中参数设置以及设计优化提供指导。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例的CMP仿真模型的建立方法的流程示意图；
图2示出了根据本发明实施例的CMP仿真模型的建立系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明实施例提供了一种CMP仿真方法，参考图1所示，包括：
根据研磨液中化学组分的化学反应以及研磨颗粒的机械去除机理，建立化学动力去除模型，所述化学动力去除模型的去除速率至少与化学组分的浓度以及机械研磨速率相关；
根据晶圆表面和研磨颗粒的受力分析以及研磨垫的形变分析，建立晶圆与研磨颗粒及研磨垫的接触力学模型；
建立研磨液化学组分在晶圆表面不同区域的浓度分布模型；
根据所述接触力学模型和所述浓度分布模型，通过所述化学动力去除模型建立多物理去除模型。
在该方法中，在模型中综合考虑到研磨液的化学反应、颗粒动力去除、接触性态和流体传质等多个方面的因素，建立了全面的多物理去除模型，可以深刻阐释晶圆表面材质的多物理去除机制，进而实现晶圆表面形貌以及工艺偏差的动态模拟，为CMP工艺中参数设置以及设计优化提供指导。
为了更好地理解本发明的技术方案和技术效果，以下将结合具体的实施例进行详细的说明。
在步骤S01，根据研磨液中化学组分的化学去除反应以及研磨颗粒的机械去除作用，建立化学动力去除模型，所述化学动力去除模型的去除速率至少与化学组分的浓度以及机械研磨速率相关。
研磨液是化学溶液与研磨颗粒的混合物，其中的化学溶液由各种化学组分组成，用于与晶圆表面进行化学反应，通过化学反应对晶圆表面材质进行改性；研磨颗粒在研磨垫的压力下，与晶圆表面发生摩擦，通过机械摩擦去除晶圆表面材质。
晶圆表面材料不同时，研磨液中的化学组分会有所不同，研磨颗粒也可能有所不同，根据所选择的研磨液，进行去除速率的建模，可以采用不同的建模思想来建立该化学动力学模型，该化学动力学模型为去除速率与研磨液成分的间的函数关系。
具体的，根据研磨液化学组分与晶圆表面的化学反应以及研磨颗粒的机械去除机理，来建立去除速率与化学反应以及机械研磨间的函数关系。在该模型中，去除速率至少与化学组分的浓度以及机械研磨速率相关，而机械研磨速率与研磨垫、研磨颗粒以及晶圆的受力相关，在具体的应用中，根据不同的建模思想，去除速率还与一些化学反应常数以及机械去除常数相关。
在步骤S02，根据晶圆表面和研磨颗粒的受力分析以及研磨垫的形变分析，建立晶圆与研磨颗粒及研磨垫间的接触力学模型。
在研磨过程中，研磨垫、研磨颗粒和晶圆之间相互作用，研磨垫的形变、研磨颗粒的受力以及晶圆的受力是研磨去除时的关键因素，通过研磨垫的形变分析、晶圆表面以及研磨颗粒的受力分析，可以建立晶圆、研磨颗粒及研磨垫的接触力学模型。
具体的，对晶圆受到的研磨垫和研磨粒子的作用力的分析，获得晶圆的接触应力，从而建立接触力学模型，该接触力学模型充分体现了晶圆、研磨垫和研磨粒子之间的相互作用力，该模型与接触力学参数相关，接触力学参数例如可以包括研磨垫弹性模量、泊松比、外部压力、研磨粒子数、研磨粒子半径等参数中的一种或多种。该接触力学模型从研磨体系的受力机理进行分析，充分考虑各方面的机械去除作用。
进一步地，在建立接触力学模型之后，可以将该接触模型应用于多材质的研磨行为分析，例如铜或二氧化硅等不同材质的研磨，在仿真中，可以通过调整设计图形及CMP工艺参数，获得设计和工艺参数调整后的接触力学模型，从而研究设计图形效应对晶圆表面接触压力、研磨垫形变及粒子受力的影响。
在步骤S03，将研磨垫表面进行分形表征，建立研磨液化学组分在晶圆表面不同区域的浓度分布模型。
在CMP工艺中，研磨垫和晶圆表面之间的研磨液流动，会影响晶圆表面研磨液组分的浓度分布，这与晶圆表面的化学反应进程相关，导致研磨速率的变化。因此，在该步骤中，将研磨垫表面进行分形表征，进而，建立了研磨液化学组分在晶圆表面不同区域的浓度分布模型，也就是晶圆表面各不同区域研磨液化学组分的浓度分布情况，可以采用合适的建模思想建立该模型，该模型与研磨垫转速、晶圆转速、晶圆半径、研磨液粘性系数、研磨垫与晶圆圆心距离等参数中的一种或多种相关。
在一个优选的实施例中，通过以下方法来建立研磨液化学组分在晶圆表面的浓度分布模型。
首先，将研磨垫表面进行分析表征，通过求解雷诺方程，建立研磨液流体动压模型。
接着，根据研磨液流体动压模型和纳维斯托克斯方程，获得研磨液流场分布。
而后，根据研磨液流场分布以及质量传递及浓度扩散方程，建立研磨液有效化学组分在晶圆表面的浓度分布模型。
其中，分形表征，是通过分形技术将研磨垫的表面生成粗糙表面，该粗糙表面可以更真实的体现研磨垫的表面特征。雷诺方程是流体力学中的重要方程之一，通过求解雷诺方程，可以获得研磨液流体动压。根据研磨液流体动压和纳维斯托克斯方程，通过计算，可以获得研磨液流场分布。最后通过研磨液流场分布，结合质量传递以及浓度扩散方程，就可以建立起晶圆表面液体流动的浓度分布模型。在该步骤中，充分考虑了晶体表面流场分布以及传质效应。
在步骤S04，根据所述接触力学模型和所述浓度分布模型，通过所述化学动力去除模型建立多物理去除模型。
在化学动力去除模型中，去除速率与化学组分的浓度以及机械研磨速率相关，在步骤S02和S03中分别建立了接触力学模型和浓度分布模型，这样，化学组分的浓度可以通过浓度分布模型来表征，机械研磨速率与接触应力相关，其中的接触应力可以通过接触力学模型来表征，这样，通过化学动力去除模型，结合接触力学模型和浓度分布模型，就建立了多物理去除模型，在多物理去除模型中，充分考虑了摩擦、接触、流动、传质、化学反应等CMP去除机理，构建了一个综合考虑多种物理化学因素的多物理CMP模型。
在步骤S05，基于所述多物理去除模型，进行晶圆表面CMP形貌仿真。
利用该多物理去除模型，可以进行晶圆表面CMP形貌仿真，在仿真时实现晶圆表面形貌及工艺偏差的动态模拟，为工艺参数配置及设计优化提供指导。
此外，本发明还提供了实现上述方法的系统，参考图2所示，包括：
化学动力去除模型确定单元100，用于根据研磨液中化学组分的化学反应以及研磨颗粒的机械去除机理，建立化学动力去除模型，所述化学动力去除模型的去除速率至少与化学组分的浓度以及机械研磨速率相关；
接触力学模型确定单元110，用于根据晶圆表面和研磨颗粒的受力分析以及研磨垫的形变分析，建立晶圆与研磨颗粒及研磨垫的接触力学模型；
浓度分布模型确定单元120，用于建立研磨液化学组分在晶圆表面不同区域的浓度分布模型；
多物理去除模型确定单元130，用于根据所述接触力学模型和所述浓度分布模型，通过所述化学动力去除模型建立多物理去除模型。
进一步地，浓度分布模型确定单元120包括：
研磨液流体动压模型确定单元，用于对研磨垫表面进行分形表征，通过求解雷诺方程，建立研磨液流体动压模型；
研磨液流场分布确定单元，用于根据研磨液流体动压模型和纳维斯托克斯方程，获得研磨液流场分布；
浓度分布模型确定单元，用于根据研磨液流场分布以及质量传递及浓度扩散方程，建立研磨液有效化学组分在晶圆表面不同区域的浓度分布模型。
进一步地，还包括：
设计调整单元，用于调整设计版图中的图形以及CMP工艺参数，获得调整设计和工艺参数后的接触力学模型。
进一步地，还包括：
仿真单元，用于基于所述多物理去除模型，进行晶圆表面CMP形貌仿真。
在该模型的建立系统中，模型综合考虑到研磨液的化学反应、颗粒动力去除、接触性态和流体传质等多个方面的因素，建立了全面的多物理去除模型，可以深刻阐释晶圆表面材质的多物理去除机制，进而实现晶圆表面形貌以及工艺偏差的动态模拟，为CMP工艺中参数设置以及设计优化提供指导。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (6)
1.一种CMP仿真模型的建立方法，其特征在于，包括：
根据研磨液中化学组分的化学反应以及研磨颗粒的机械去除机理，建立化学动力去除模型，所述化学动力去除模型的去除速率至少与化学组分的浓度以及机械研磨速率相关；
根据晶圆表面和研磨颗粒的受力分析以及研磨垫的形变分析，建立晶圆与研磨颗粒及研磨垫的接触力学模型；
建立研磨液化学组分在晶圆表面不同区域的浓度分布模型；
根据所述接触力学模型和所述浓度分布模型，通过所述化学动力去除模型建立多物理去除模型；
根据研磨垫表面分形表征，建立研磨液有效化学组分在晶圆表面不同区域的浓度分布模型包括：
对研磨垫表面进行分形表征，通过求解雷诺方程，建立研磨液流体动压模型；
根据研磨液流体动压模型和纳维斯托克斯方程，获得研磨液流场分布；
根据研磨液流场分布以及质量传递及浓度扩散方程，建立研磨液有效化学组分在晶圆表面不同区域的浓度分布模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：调整设计版图中的图形以及CMP工艺参数，获得调整设计和工艺参数后的接触力学模型。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：基于所述多物理去除模型，进行晶圆表面CMP形貌仿真。
4.一种 CMP仿真模型的建立系统，其特征在于，包括：
化学动力去除模型确定单元，用于根据研磨液中化学组分的化学反应以及研磨颗粒的机械去除机理，建立化学动力去除模型，所述化学动力去除模型的去除速率至少与化学组分的浓度以及机械研磨速率相关；
接触力学模型确定单元，用于根据晶圆表面和研磨颗粒的受力分析以及研磨垫的形变分析，建立晶圆与研磨颗粒及研磨垫的接触力学模型；
浓度分布模型确定单元，用于建立研磨液化学组分在晶圆表面不同区域的浓度分布模型；
多物理去除模型确定单元，用于根据所述接触力学模型和所述浓度分布模型，通过所述化学动力去除模型建立多物理去除模型；
浓度分布模型确定单元包括：
研磨液流体动压模型确定单元，用于对研磨垫表面进行分形表征，通过求解雷诺方程，建立研磨液流体动压模型；
研磨液流场分布确定单元，用于根据研磨液流体动压模型和纳维斯托克斯方程，获得研磨液流场分布；
浓度分布模型确定单元，用于根据研磨液流场分布以及质量传递及浓度扩散方程，建立研磨液有效化学组分在晶圆表面不同区域的浓度分布模型。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括：
设计调整单元，用于调整设计版图中的图形以及CMP工艺参数，获得调整设计和工艺参数后的接触力学模型。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括：
仿真单元，用于基于所述多物理去除模型，进行晶圆表面CMP形貌仿真。
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| A Material Removal Rate Model for Aluminum Gate Chemical Mechanical Planarization;Xu Qinzhi等;《ECS Journal of Solid State Science and Technology》;20150204;第4卷(第3期);全文 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109299485A (zh) | 2019-02-01 |
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