CN111046565B - 一种两组分研磨粒子cmp建模仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种两组分研磨粒子CMP建模仿真方法,首先针对两组分研磨液第一研磨粒子受力行为建立第一研磨粒子力平衡方程,获取研磨粒子在晶圆表面的嵌入深度,其次根据晶圆受力行为建立不同研磨粒子在晶圆表面嵌入深度间的内在关联,然后求解研磨粒子接触面积,再建立研磨粒子接触面积与晶圆表面研磨去除速率间函数关系,最终结合新建立的研磨去除率公式,建立一种两组分研磨粒子CMP研磨率优化方法和表面形貌仿真方法。

Description

一种两组分研磨粒子CMP建模仿真方法
技术领域
本发明涉及化学机械研磨仿真建模技术领域,尤其涉及一种两组分研磨粒子CMP建模仿真方法。
背景技术
化学机械研磨(Chemical Mechanical Planarization,CMP)通过利用研磨液的化学腐蚀作用和研磨颗粒的机械切削作用使晶圆表面达到足够光滑,现已广泛应用于集成电路制造工艺的各个流程,包括浅沟道隔离、层间介质、高k金属栅、钨接触、穿硅孔、铜制程及III-V族化合物等工艺。
然而,由于CMP工艺研磨材质的多样化及各种随机和系统偏差的影响,晶圆表面的平坦性控制尤为艰难,各类研磨缺陷(刮擦划痕、碟形、侵蚀、凹陷和粒子玷污等)对器件性能和电路良率具有重要影响,如何克服各类研磨缺陷并显著提高芯片表面的研磨去除速率(MRR)是CMP相关产业链各环节需要克服的重要难题。通过产业链各环节的协同攻关,研磨晶圆表面的平坦性显著提高。为了进一步提高研磨率并控制好表面平坦性,两组分研磨粒子研磨液应运而生,其研磨效果对CMP表面平坦性具有显著影响。鉴于以仿真为主要手段的建模技术在CMP平坦性控制中的重要作用,需要开展两组分研磨粒子的平坦性工艺建模,建立两组分研磨粒子CMP研磨去除率及形貌仿真模型,以期指导实验设计多组分研磨粒子研磨液,获得更好的研磨表面平坦性,进而指导和优化CMP工艺过程控制。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种两组分研磨粒子CMP建模仿真方法,目前关于两组分研磨粒子CMP体系的建模仿真技术未见报道,本发明针对这一现实问题,给出一种两组分研磨粒子CMP研磨率优化方法和表面形貌仿真方法,以期指导和优化多组分研磨粒子体系的表面平坦性控制。
(二)技术方案
本发明提供了一种两组分研磨粒子CMP建模仿真方法,包括:
步骤S1:进行第一研磨粒子晶圆表面嵌入深度的计算;
步骤S2:进行第二研磨粒子晶圆表面嵌入深度与直径比的计算;
步骤S3:进行两组分研磨粒子接触面积的计算;
步骤S4:进行两组分研磨粒子研磨率的计算;
步骤S5:两组分研磨粒子CMP体系研磨率优化;
步骤S6:晶圆表面形貌仿真。
在步骤S1中,第一研磨粒子受到晶圆对其的塑性接触应力和研磨垫的弹性接触应力,二者处于力平衡状态,受力平衡方程为:
第一研磨粒子在研磨垫和晶圆表面的嵌入深度满足:
Δw1p1=2R1
其中,尺1为第一研磨粒子半径,Eps为第一研磨粒子与研磨垫间的复合杨氏模量,Δp1为第一研磨粒子在研磨垫中的嵌入深度,Hw为晶圆表面硬度,Δw1为第一研磨粒子在研磨材质中的嵌入深度。
在步骤S2中,研磨粒子均匀分布在研磨垫和晶圆表面之间,且晶圆处于力平衡状态,晶圆受力平衡方程为:
P0S0=πdHwΔw1N1+πDHwΔw2N2
其中,P0为外部压力,S0为晶圆面积,d为第一研磨粒子直径,D为第二研磨粒子直径,Δw2为第二研磨粒子在晶圆表面的嵌入深度;设第一研磨粒子的体积浓度为C1,则晶圆表面参与研磨去除的第一研磨粒子数N1可以表示为:
其中,Sr为晶圆表面真实接触面积;第二研磨粒子的体积浓度为C2,第二研磨粒子在晶圆表面的嵌入深度与直径比:
在步骤S3中,单个第一研磨粒子的接触面积Sc1如下:
单个第二研磨粒子的接触面积Sc2如下:
在步骤S4中,研磨去除率与研磨粒子的接触面积成线性关系,第一研磨粒子的去除率如下:
第二研磨粒子的去除率如下:
其中,K为研磨常数。
在步骤S4中,两组分研磨粒子的去除率如下:
步骤S5分为如下两步进行:
步骤S5-1:通过减小研磨粒子直径,增加研磨去除率;
步骤S5-2:优化两种研磨粒子的浓度和大小,增加研磨去除率。
在步骤S6中,可以获得两组分研磨粒子CMP体系晶圆表面高度如下:
其中,t为时间,S为晶圆表面高度。
(三)有益效果
本发明提供了一种两组分研磨粒子CMP体系研磨率优化方法和表面形貌仿真方法,可实现两组分研磨粒子CMP体系晶圆研磨去除率的优化和表面形貌的工艺仿真,为CMP表面平坦性控制及研磨液设计提供仿真优化策略。
附图说明
图1为本发明两组分研磨粒子CMP建模仿真方法流程图。
图2为第一研磨粒子嵌入深度横截面积图。
图3为两组分研磨粒子CMP研磨率优化及形貌仿真方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。需要说明的是,在附图或说明书描述中,相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式,为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外,虽然本文可提供包含特定值的参数的示范,但应了解,参数无需确切等于相应的值,而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语,例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等,仅是参考附图的方向。因此,使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
本发明首先针对两组分研磨液小研磨粒子受力平衡方程,获取研磨粒子在晶圆表面的嵌入深度,其次建立不同研磨粒子在晶圆表面嵌入深度间的内在关联,然后求解研磨粒子接触面积,再建立接触面积与晶圆表面研磨去除速率间函数关系,最终建立一种两组分研磨粒子研磨率优化和形貌仿真方法。
本发明提供了一种两组分研磨粒子CMP建模仿真方法,其中研磨粒子由两种组分组成,根据其直径相对大小区分为“小研磨粒子”与“大研磨粒子”,本发明将“小研磨粒子”称为第一研磨粒子,将“大研磨粒子”称为第二研磨粒子。
如图1所示,步骤如下:
步骤S1:进行第一研磨粒子晶圆表面嵌入深度的计算。
第一研磨粒子受到晶圆对其的塑性接触应力和研磨垫的弹性接触应力,二者处于力平衡状态,根据弹性接触力学公式,第一研磨粒子的受力平衡方程如式(1):
其中,R1为第一研磨粒子半径,Eps为第一研磨粒子与研磨垫间的复合杨氏模量,Δp1为第一研磨粒子在研磨垫中的嵌入深度,Hw为晶圆表面硬度,Δw1为第一研磨粒子在研磨材质中的嵌入深度。
第一研磨粒子在研磨垫和晶圆表面的嵌入深度满足以下关系如式(2):
Δw1p1=2R1 (2)
将式(1)和式(2)求解,得到第一研磨粒子在晶圆表面的嵌入深度Δw1
步骤S2:进行第二研磨粒子晶圆表面嵌入深度与直径比的计算。
设第一研磨粒子的体积浓度为C1,则晶圆表面参与研磨去除的第一研磨粒子数N1可以表示为式(3):
其中,Sr为晶圆表面真实接触面积。由于研磨粒子均匀分布在研磨垫和晶圆表面之间,且晶圆处于力平衡状态,因此,根据晶圆受力平衡方程可得式(4):
P0S0=πdHwΔw1N1+πDHwΔw2N2 (4)
其中,P0为外部压力,S0为晶圆面积,d为第一研磨粒子直径,D为第二研磨粒子直径,且满足d<D,Δw2为第二研磨粒子在晶圆表面的嵌入深度,N2可以表示为式(5):
根据式(3)、式(4)、式(5),可获得第二研磨粒子在晶圆表面的嵌入深度与直径比如式(6):
其中,A可以表示为式(7):
步骤S3:进行两组分研磨粒子接触面积的计算。
如图2所示,阴影部分为第一研磨粒子嵌入晶圆中的横截面积,r为第一研磨粒子与晶圆间的接触半径,因此,单个第一研磨粒子的接触面积Sc1如式(8)所示:
单个第二研磨粒子的接触面积Sc2如式(9)所示:
步骤S4:进行两组分研磨粒子研磨率的计算。
由于研磨去除率与研磨粒子的接触面积成线性关系,因此,第一研磨粒子的去除率如式(10)所示:
其中,K为研磨常数。
第二研磨粒子的去除率如式(11)所示:
两组分研磨粒子的去除率如式(12)所示:
将式(6)代入式(12)可得式(13):
步骤S5:两组分研磨粒子CMP体系研磨率优化。
步骤S5-1:通过减小研磨粒子直径,增加研磨去除率。
如式(10)、式(11)所示,固定研磨粒子浓度,研磨率MRRd和MRRD是一元二次函数,由于研磨粒子嵌入深度相比于粒子直径非常小,因此,Δw1/d大于Δw2/D,并且MRRd大于MRRD,因此,通过减小研磨粒子直径可以增大研磨去除率。
步骤S5-2:优化两种研磨粒子的浓度和大小,增加研磨去除率。
如式(10)、式(13)所示,混合研磨率MRRm与第一研磨粒子去除率MRRd的差可以表示为式(14):
由于Δw1/d值非常小,参数A小于1,C2 2/3大于1,因此,MRRm大于MRRd。这说明研磨粒子混合以后研磨率高于单组分研磨粒子的去除率,我们利用混合研磨率公式(13)可以调整两种研磨粒子的浓度和大小,从而获得两组分研磨粒子CMP体系的最优研磨去除率。
步骤S6:晶圆表面形貌仿真。
结合研磨率公式(13),建立晶圆表面研磨去除率方程,可以获得两组分研磨粒子CMP体系晶圆表面高度如式(15):
其中,t为时间,S为晶圆表面高度。
如图3所示,为两组分研磨粒子CMP研磨率优化方法及形貌仿真方法流程。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种两组分研磨粒子CMP建模仿真方法,其特征在于,包括:
步骤S1:进行第一研磨粒子晶圆表面嵌入深度的计算;
在步骤S1中,第一研磨粒子受到晶圆对其塑性接触应力和研磨垫的弹性接触应力,二者处于力平衡状态,受力平衡方程为:
第一研磨粒子在研磨垫和晶圆表面的嵌入深度满足:
Δw1p1=2R1
其中,R1为第一研磨粒子半径,Eps为第一研磨粒子与研磨垫间的复合杨氏模量,Δp1为第一研磨粒子在研磨垫中的嵌入深度,Hw为晶圆表面硬度,Δw1为第一研磨粒子在研磨材质中的嵌入深度;
步骤S2:进行第二研磨粒子晶圆表面嵌入深度与直径比的计算,其中,所述第二研磨粒子晶圆表面嵌入深度是根据晶圆受力平衡方程计算得到的;
步骤S3:进行两组分研磨粒子接触面积的计算;
步骤S4:进行两组分研磨粒子研磨率的计算;
在步骤S4中,研磨去除率与研磨粒子的接触面积成线性关系,第一研磨粒子的去除率如下:
第二研磨粒子的去除率如下:
其中,K为研磨常数;
在步骤S4中,两组分研磨粒子的去除率如下:
步骤S5:两组分研磨粒子CMP体系研磨率优化;
步骤S5分为如下两步进行:
步骤S5-1:通过减小研磨粒子直径,增加研磨去除率;
步骤S5-2:优化两种研磨粒子的浓度和大小,增加研磨去除率;
步骤S6:晶圆表面形貌仿真。
2.根据权利要求1所述的一种两组分研磨粒子CMP建模仿真方法,其特征在于,在步骤S2中,研磨粒子均匀分布在研磨垫和晶圆表面之间,且晶圆处于力平衡状态,晶圆受力平衡方程为:
P0S0=πdHwΔw1N1+πDHwΔw2N2
其中,P0为外部压力,S0为晶圆面积,d为第一研磨粒子直径,D为第二研磨粒子直径,Δw2为第二研磨粒子在晶圆表面的嵌入深度;设第一研磨粒子的体积浓度为C1,则晶圆表面参与研磨去除的第一研磨粒子数Nl表示为:
其中,Sr为晶圆表面真实接触面积;第二研磨粒子的体积浓度为C2,N2表示为:
第二研磨粒子在晶圆表面的嵌入深度与直径比:
其中,A表示为:
3.根据权利要求1所述的一种两组分研磨粒子CMP建模仿真方法,其特征在于,在步骤S3中,单个第一研磨粒子的接触面积Sc1如下:
单个第二研磨粒子的接触面积Sc2如下:
4.根据权利要求1所述的一种两组分研磨粒子CMP建模仿真方法,其特征在于,在步骤S6中,获得两组分研磨粒子CMP体系晶圆表面高度如下:
其中,t为时间,S为晶圆表面高度。
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