CN110323147A - 一种cmp后表面形貌预测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种CMP后表面形貌预测方法及装置，获得待去除材料的研磨去除率时，采用的接触压力模型为研磨颗粒的接触压力分布与台阶高度差、线宽以及间距之间的数值模型，充分考虑了研磨颗粒对待去除材料的去除速率的影响，从而，能够更加客观真实地描述CMP的实际工艺情况，从而，可以实现更为精确的CMP后表面形貌预测及缺陷预测，提高CMP后表面形貌预测的精度，尤其适用于小尺寸器件晶元的CMP后表面形貌预测，为CMP工艺中参数设置以及设计优化提供指导。

Description

一种CMP后表面形貌预测方法及装置
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后表面形貌预测方法及装置。
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。
随着器件特征尺寸的不断缩小，制造工艺进入28纳米级以下工艺节点之后，晶元的平坦性问题日益凸显，工艺容错也随之降低到纳米量级。通过预测CMP后的芯片表面形貌，可以获得研磨晶元表面的报读变化，给出芯片表面的实时轮廓和缺陷分布情况，计算结果可以应用于版图设计、电特性分析等应用流程中。采用目前的CMP后表面形貌预测方法，对小尺寸器件的晶元的平坦化形貌进行预测时，预测存在较大偏差，难以应用于小尺寸器件晶元的CMP后表面形貌预测。
发明内容
本发明旨在至少解决上述问题之一，提供一种CMP后表面形貌预测方法及装置，提高CMP后表面形貌预测的精度。
为实现上述目的，本发明有如下技术方案：
一种CMP后表面形貌预测方法，包括：
根据接触压力模型，获得待去除材料的研磨去除率，所述接触压力模型为研磨颗粒的接触压力分布与台阶高度差、线宽以及间距之间的模型；
根据所述研磨去除率，获得CMP后晶元的表面形貌；
根据所述CMP后晶元的表面形貌，进行缺陷分析。
可选地，所述接触压力分布为当研磨颗粒处于研磨垫与待去除材料表面之间且研磨垫上施加指向待去除材料表面的压力时，通过对研磨颗粒的受力分布进行计算而获得。
可选地，所述计算为有限元分析。
可选地，所述接触压力模型的建立方法包括：
固定线宽和间距，获得不同台阶高度对应的接触压力分布，以获得第一接触压力离散数组；
固定线宽和台阶高度，获得不同间距对应的接触压力分布，以获得第二接触压力离散数组；
固定间距，获得不同线宽对应的接触压力分布，以获得第三接触压力离散数组；
根据所述第一接触压力离散数组、第二接触压力离散数组以及第三接触压力离散数组，获得接触压力模型。
可选地，所述接触压力分布包括台阶上表面接触压力分布以及台阶下表面接触压力分布，所述接触压力模型包括台阶上表面接触压力模型和台阶下表面接触压力模型。
可选地，所述根据接触压力模型，获得材料的研磨去除率，包括：
分别通过所述台阶上表面接触压力模型和所述台阶下表面接触压力模型，获得台阶上表面去除率和台阶下表面去除率；则，
所述根据所述研磨去除率，获得CMP后晶元的表面形貌，包括：
根据所述台阶上表面去除率和台阶下表面去除率，获得CMP后晶元的表面形貌。
一种CMP后表面形貌预测装置，包括：
研磨去除率获取单元，用于根据接触压力模型，获得待去除材料的研磨去除率，所述接触压力模型为研磨颗粒的接触压力分布与台阶高度差、线宽以及间距之间的模型；
表面形貌获取单元，用于根据所述研磨去除率，获得CMP后晶元的表面形貌；
缺陷分析单元，用于根据所述CMP后晶元的表面形貌，进行缺陷分析。
可选地，所述接触压力分布为当研磨颗粒处于研磨垫与台阶表面之间且研磨垫上施加指向台阶表面的压力时，通过对研磨颗粒的受力分布进行计算而获得。
可选地，所述计算为有限元分析计算。
可选地，还包括：
接触压力模型建立单元，用于固定线宽和间距，分别获得不同台阶高度对应的台阶上表面接触压力分布以及台阶下表面接触压力分布，以获得第一接触压力离散数组；固定线宽和台阶高度，分别获得不同间距对应的台阶上表面接触压力分布以及台阶下表面接触压力分布，以获得第二接触压力离散数组；固定间距，分别获得不同线宽对应的台阶上表面接触压力分布以及台阶下表面接触压力分布，以获得第三接触压力离散数组；根据所述第一接触压力离散数组、第二接触压力离散数组以及第三接触压力离散数组，获得接触压力模型。
可选地，所述接触压力模型包括台阶上表面接触压力模型和台阶下表面接触压力模型。
可选地，所述研磨去除率获取单元中，分别通过所述台阶上表面接触压力模型和所述台阶下表面接触压力模型，获得台阶上表面去除率和台阶下表面去除率；
所述表面形貌获取单元中，根据所述台阶上表面去除率和台阶下表面去除率，获得CMP后晶元的表面形貌。
本发明实施例提供了一种CMP后表面形貌预测方法及装置，获得待去除材料的研磨去除率时，采用的接触压力模型为研磨颗粒的接触压力分布与台阶高度差、线宽以及间距之间的数值模型，充分考虑了研磨颗粒对待去除材料的去除速率的影响，从而，能够更加客观真实地描述CMP的实际工艺情况，从而，可以实现更为精确的CMP后表面形貌预测及缺陷预测，提高CMP后表面形貌预测的精度，尤其适用于小尺寸器件晶元的CMP后表面形貌预测，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后表面形貌预测方法的流程示意图；
图2示出了根据本发明实施例的预测方法中研磨颗粒的物理模型示意图；
图3示出了根据本发明实施例的CMP后表面形貌预测方法装置的结构示意图。
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。
正如背景技术中的描述，随着器件特征尺寸的不断缩小，制造工艺进入28纳米级以下工艺节点之后，采用目前的CMP后表面形貌预测方法，对小尺寸器件的晶元的平坦化形貌进行预测时，预测存在较大偏差，难以应用于小尺寸器件晶元的CMP后表面形貌预测。
为此，本发明提出了一种CMP后表面形貌预测方法及装置，获得待去除材料的研磨去除率时，采用的接触压力模型为研磨颗粒的接触压力分布与台阶高度差、线宽以及间距之间的数值模型，充分考虑了研磨颗粒对待去除材料的去除速率的影响，从而，能够更加客观真实地描述CMP的实际工艺情况，从而，可以实现更为精确的CMP后表面形貌预测及缺陷预测，提高CMP后表面形貌预测的精度，尤其适用于小尺寸器件晶元的CMP后表面形貌预测，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。
参考图1所示，在步骤S01，根据接触压力模型，获得待去除材料的研磨去除率，所述接触压力模型为研磨颗粒的接触压力分布与台阶高度差、线宽以及间距之间的数值模型。
在CMP工艺中采用研磨液对待去除材料进行去除，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，用于与晶元表面进行化学反应，通过化学反应对晶元表面材质进行改性；研磨颗粒在研磨垫的压力下，与晶元表面发生摩擦，通过机械摩擦去除晶元表面材质。研磨的速率同机械受力以及化学反应相关。
在本申请实施例中，分析机械受力的接触压力模型是以研磨颗粒的接触压力为研究对象，建立了研磨颗粒的接触压力分布与台阶高度差、线宽以及间距之间的数值模型。其中，台阶高度差是需要研磨的台阶的上表面与下表面的高度差，线宽是指台阶的宽度，间距是指台阶之间的距离。
在具体的应用中，可以分别建立台阶上表面接触压力模型和台阶下表面接触压力模型，台阶上表面接触压力模型为研磨颗粒在台阶上表面的接触压力同台阶高度差、线宽以及间距之间的数值模型，台阶下表面接触压力模型为研磨颗粒在台阶下表面的接触压力同台阶高度差、线宽以及间距之间的数值模型。
在具体分析时，研磨颗粒的接触压力分布为当研磨颗粒处于研磨垫与待去除材料表面之间且研磨垫上施加指向待去除材料表面的压力时，通过对研磨颗粒的受力分布进行计算而获得。
在更优的实施例中，此处将待研磨材料的接触表面划分为台阶上表面和台阶下表面分别来进行分析，使得受力分析更为精确，从而获得更为准确的预测结果。参考图2所示，其中(a)和(b)分别是研磨颗粒在台阶上表面和台阶下表面的物理模型，可以知道，在CMP工艺中，研磨颗粒位于研磨垫与待研磨材料之间，在研磨垫上施加有朝向晶元的外加压力，可以通过有限元分析即可以获得研磨颗粒的接触压力的分布情况。
在进行有限元分析时，具体的，首先，可以根据材料特性和技术参数进行设定，具体包括：晶元、研磨垫、研磨颗粒他们的弹性模量和泊松比，以及外加压力；而后，设定物理特征，包括晶元的待研磨结构的结构特征和研磨粒子粒径，结构特征包括台阶高度差、线宽以及间距；而后，基于以上的设置，采用有限元分析即可以分别获得研磨颗粒在台阶上表面的压力分布Fu和台阶下表面的压力分布Fb。
在具体的应用中，可以在材料特性和技术参数进行设定后，设定初始的结构特征，例如线宽W为50nm，间距S为950nm，台阶高度差△H为3nm，研磨颗粒的粒径R为25nm。
而后，固定线宽和间距，获得不同台阶高度对应的接触压力分布Fu、Fd，以获得第一接触压力离散数组M1。
以及，固定线宽和台阶高度，获得不同间距对应的接触压力分布Fu、Fd，以获得第二接触压力离散数组M2。
以及，固定间距，获得不同线宽对应的接触压力分布Fu、Fd，以获得第三接触压力离散数组M3。
而后，通过上述获得的第一接触压力离散数组M1、第二接触压力离散数组M2以及第三接触压力离散数组M3，获得接触压力模型。
具体的，可以通过第一接触压力离散数组M1确定出接触压力分布Fu、Fd与台阶高度△H的模型，具体表达式如下：
Fu＝fu(ΔH)
Fd＝fd(ΔH)
可以通过第二接触压力离散数组M2确定出接触压力分布Fu、Fd与线宽W的模型，具体表达式如下：
Fu＝fu(W)
Fd＝fd(W)
可以通过第二接触压力离散数组M3确定出接触压力分布Fu、Fd与间距S的模型，具体表达式如下：
Fu＝fu(S)
Fd＝fd(S)
之后，通过上述模型，即可获得接触压力与台阶高度差、线宽以及间距之间的的模型，具体表达式如下：
Fu＝fu(ΔH,W,S)
Fd＝fd(ΔH,W,S)
以上就建立了研磨颗粒的接触压力模型，研磨颗粒的接触压力体现了研磨的机械去除机理，充分考虑研磨颗粒的受力，可以更为精确地体现机械去除在研磨速率中的贡献，从而获得更为精确的研磨去除率。
具体的计算表达式如下：
其中，k为常数，可以根据实验来确定，Hw为晶圆材料硬度，R为研磨粒子半径。
可以理解的是，上述的接触压力模型体现的是机械去除对研磨速率的贡献，在具体的应用中，可以进一步叠加化学反应对去除速率的贡献，或者综合上述接触压力以及化学反应，获得研磨速率。
在步骤S02，根据所述研磨去除率，获得CMP后晶元的表面形貌。
在确定了研磨去除率之后，基于该研磨去除率，可以通过计算获得CMP之后晶元的表面形貌。在优选的实施例中，可以根据所述台阶上表面去除率和台阶下表面去除率，获得CMP后晶元的表面形貌。
在具体的应用中，首先，可以通过实验的方法，确定CMP工艺之前晶元的初始表面形貌，并将该初始表面形貌进行模型化，得到初始表面形貌的分布模型H0(x)，其中，x为晶元上的各位置点的坐标；而后，利用上述获得的研磨去除率，获得CMP后晶元的表面形貌。
在步骤S03，根据所述CMP后晶元的表面形貌，进行缺陷分析。
通过CMP后晶元的表面形貌，可以进行结构内部的缺陷计算和分析，获得缺陷分布情况。在具体的应用中，可以通过台阶上表面和下表面研磨后的高度与特定高度阈值进行对比，获得超出高度阈值的位置，进而，可以进一步进行CMP机理分析、版图设计以及缺陷分析等工作提供积极的指导，为工艺参数配置及设计优化提供参考。
以上对本发明实施例的CMP后表面形貌预测方法进行了详细的描述，此外，本申请还提出了实现上述方法的CMP后表面形貌预测装置，参考图3所示，包括：
研磨去除率获取单元100，用于根据接触压力模型，获得待去除材料的研磨去除率，所述接触压力模型为研磨颗粒的接触压力分布与台阶高度差、线宽以及间距之间的模型；
表面形貌获取单元110，用于根据所述研磨去除率，获得CMP后晶元的表面形貌；
缺陷分析单元120，用于根据所述CMP后晶元的表面形貌，进行缺陷分析。
进一步地，所述接触压力分布为当研磨颗粒处于研磨垫与台阶表面之间且研磨垫上施加指向台阶表面的压力时，通过对研磨颗粒的受力分布进行计算而获得。
进一步地，所述计算为有限元分析计算。
进一步地，还包括：
接触压力模型建立单元，用于固定线宽和间距，分别获得不同台阶高度对应的台阶上表面接触压力分布以及台阶下表面接触压力分布，以获得第一接触压力离散数组；固定线宽和台阶高度，分别获得不同间距对应的台阶上表面接触压力分布以及台阶下表面接触压力分布，以获得第二接触压力离散数组；固定间距，分别获得不同线宽对应的台阶上表面接触压力分布以及台阶下表面接触压力分布，以获得第三接触压力离散数组；根据所述第一接触压力离散数组、第二接触压力离散数组以及第三接触压力离散数组，获得接触压力模型。
进一步地，所述接触压力模型包括台阶上表面接触压力模型和台阶下表面接触压力模型。
进一步地，所述研磨去除率获取单元中，分别通过所述台阶上表面接触压力模型和所述台阶下表面接触压力模型，获得台阶上表面去除率和台阶下表面去除率；
所述表面形貌获取单元中，根据所述台阶上表面去除率和台阶下表面去除率，获得CMP后晶元的表面形貌。
本发明实施例的CMP后表面形貌预测方法及装置，获得待去除材料的研磨去除率时，采用的接触压力模型为研磨颗粒的接触压力分布与台阶高度差、线宽以及间距之间的数值模型，充分考虑了研磨颗粒对待去除材料的去除速率的影响，从而，能够更加客观真实地描述CMP的实际工艺情况，从而，可以实现更为精确的CMP后表面形貌预测及缺陷预测，提高CMP后表面形貌预测的精度，尤其适用于小尺寸器件晶元的CMP后表面形貌预测，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 (10)

1.一种CMP后表面形貌预测方法，其特征在于，包括：
根据接触压力模型，获得待去除材料的研磨去除率，所述接触压力模型为研磨颗粒的接触压力分布与台阶高度差、线宽以及间距之间的模型；
根据所述研磨去除率，获得CMP后晶元的表面形貌；
根据所述CMP后晶元的表面形貌，进行缺陷分析。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接触压力分布为当研磨颗粒处于研磨垫与待去除材料表面之间且研磨垫上施加指向待去除材料表面的压力时，通过对研磨颗粒的受力分布进行计算而获得。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算为有限元分析。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述接触压力模型的建立方法包括：
固定线宽和间距，获得不同台阶高度对应的接触压力分布，以获得第一接触压力离散数组；
固定线宽和台阶高度，获得不同间距对应的接触压力分布，以获得第二接触压力离散数组；
固定间距，获得不同线宽对应的接触压力分布，以获得第三接触压力离散数组；
根据所述第一接触压力离散数组、第二接触压力离散数组以及第三接触压力离散数组，获得接触压力模型。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述接触压力分布包括台阶上表面接触压力分布以及台阶下表面接触压力分布，所述接触压力模型包括台阶上表面接触压力模型和台阶下表面接触压力模型。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据接触压力模型，获得材料的研磨去除率，包括：
分别通过所述台阶上表面接触压力模型和所述台阶下表面接触压力模型，获得台阶上表面去除率和台阶下表面去除率；则，
所述根据所述研磨去除率，获得CMP后晶元的表面形貌，包括：
根据所述台阶上表面去除率和台阶下表面去除率，获得CMP后晶元的表面形貌。
7.一种CMP后表面形貌预测装置，其特征在于，包括：
研磨去除率获取单元，用于根据接触压力模型，获得待去除材料的研磨去除率，所述接触压力模型为研磨颗粒的接触压力分布与台阶高度差、线宽以及间距之间的模型；
表面形貌获取单元，用于根据所述研磨去除率，获得CMP后晶元的表面形貌；
缺陷分析单元，用于根据所述CMP后晶元的表面形貌，进行缺陷分析。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述接触压力分布为当研磨颗粒处于研磨垫与台阶表面之间且研磨垫上施加指向台阶表面的压力时，通过对研磨颗粒的受力分布进行计算而获得。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，还包括：
接触压力模型建立单元，用于固定线宽和间距，分别获得不同台阶高度对应的台阶上表面接触压力分布以及台阶下表面接触压力分布，以获得第一接触压力离散数组；固定线宽和台阶高度，分别获得不同间距对应的台阶上表面接触压力分布以及台阶下表面接触压力分布，以获得第二接触压力离散数组；固定间距，分别获得不同线宽对应的台阶上表面接触压力分布以及台阶下表面接触压力分布，以获得第三接触压力离散数组；根据所述第一接触压力离散数组、第二接触压力离散数组以及第三接触压力离散数组，获得接触压力模型。
10.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述接触压力模型包括台阶上表面接触压力模型和台阶下表面接触压力模型。
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