CN111291483A - Cmp研磨率的优化方法和优化控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CMP研磨率的优化方法和优化控制系统，该优化方法包括：设置CMP研磨的外部实施条件；调节该外部实施条件，计算不同条件下的CMP研磨率及其对应的晶圆表面的一致性；选择一致性最高时的外部实施条件及对应的CMP研磨率作为优化的CMP研磨率。本发明提供的CMP研磨率的优化方法和优化控制系统，一方面可以高效获取晶圆表面研磨去除速率分布；另一方面可以实现晶圆表面一致性的优化和控制，从而辅助CMP实验和工艺的开发。
Description
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CMP研磨率的优化方法和优化控制系统。
背景技术
化学机械研磨(Chemical Mechanical Planarization，CMP)主要利用研磨液的化学腐蚀作用和研磨机械切削作用使晶圆表面达到足够光滑和平整，自首次引入集成电路以来，CMP已广泛应用于研磨工艺的各个阶段，对集成电路器件和芯片良率的提升发挥了重要的作用。在实现晶圆表面全局平坦化的过程中，CMP功不可没并且不可替代，然而，由于CMP机理极其复杂，化学反应、流体润滑和机械切削循环作用于晶圆表面从而使晶圆表面的平坦性控制极其艰难，CMP工艺优化更多依赖于经验控制。
为了获得更好的研磨一致性，CMP工艺仿真是不可或缺的。通过仿真获取晶圆表面研磨去除速率分布，可以真实刻画CMP过程中晶圆表面的形貌变化，从而辅助实现CMP工艺的表面平坦性控制，这对节约CMP工艺开发成本、提高产品良率具有重要意义。现有CMP工艺仿真方法存在的问题主要有以下两个方面：一是CMP模型比较复杂，偏重于从机理角度阐释CMP的作用过程，精度高，但计算效率比较低；二是CMP模型比较简单，但模型精度主要依赖于拟合数据，缺乏坚实的物理基础，模型的可扩展性比较低，难以适应工艺参数的变化。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种CMP研磨率的优化方法和优化控制系统，以至少部分解决上述技术问题。
(二)技术方案
本发明一方面提供了一种CMP研磨率的优化方法，包括：
设置CMP研磨的外部实施条件；
调节该外部实施条件，计算不同条件下的CMP研磨率及其对应的晶圆表面的一致性；
选择一致性最高时的外部实施条件及对应的CMP研磨率作为优化的CMP研磨率。
一些实施例中，上述外部实施条件包括CMP研磨时的外部压力、晶圆和研磨垫的转速和/或研磨液的浓度。
一些实施例中，上述计算不同条件下的CMP研磨率包括：
获取研磨垫和晶圆表面间解析形式的接触应力，进一步的，该解析形式的接触应力为：
其中，PC(x，y)和PC(r，θ)为研磨垫和晶圆表面间的接触应力，υ为研磨垫泊松比，E为弹性模量，κ为研磨垫粗糙峰曲率，η为粗糙峰密度，a为分布参数，σ为衰减长度，h(x，y)为研磨垫与晶圆表面的间隔，x，y为函数变量，r，θ为极坐标函数变量，δ0为晶圆中心点表面间隔高度，φ为倾斜角，γ为旋转角；
获取研磨液和晶圆表面间解析形式的流体应力，进一步的，该解析形式的流体应力为：
其中，PF为研磨垫和晶圆表面间的流体应力，kn为幂级数系数，R为晶圆半径；
将解析形式的接触应力和解析形式的流体应力带入受力平衡条件，获取受力平衡状态下的晶圆和研磨垫间的液膜厚度参数，进一步的，该受力平衡条件为：
∫I(PF+PC)rdrdθ-FN＝0，
其中，PC为极坐标解析形式的接触应力，FN为晶圆外部作用力，I为晶圆表面积；
根据该液膜厚度参数获取受力平衡状态下的接触应力；
根据该受力平衡状态下的接触应力获得解析形式的CMP研磨率，进一步的，该解析形式的CMP研磨率为：
其中，MRR为CMP研磨去除率，k1和k2为模型参数，C为反应物浓度，P＇C(x，y)为受力平衡状态下的接触应力，V为相对滑动速度，ωp为研磨垫转速，ωw为晶圆转速。
基于上述CMP研磨率的优化方法，本发明另一方面提供了一种实现其的CMP研磨率的优化控制系统，包括：
参数设置模块，内置计算CMP研磨率的初始参数；
控制模块，控制CMP研磨时的外部实施条件；
计算模块，基于参数设置模块的初始参数和控制模块的外部实施条件计算优化的CMP研磨率；以及
输出显示模块，用于显示不同外部实施条件下的CMP研磨率。
一些实施例中，该控制模块包括：
外部压力调节子模块，用于调节外部压力；
晶圆和研磨垫转速调节子模块，用于调节晶圆和研磨垫的转速；
研磨液浓度调节子模块，用于调节研磨液的浓度。
一些实施例中，该计算模块包括：
接触应力计算子模块，用于计算研磨垫和晶圆表面间的接触应力；
流体应力计算子模块，用于计算研磨液与晶圆表面间的流体应力；
力平衡判别子模块，内置受力平衡条件，并结合接触应力计算子模块和流体应力计算子模块的输出值计算受力平衡状态下的接触应力；
研磨率计算子模块，基于所述受力平衡状态下的接触应力、流体应力和研磨液浓度计算CMP研磨率。
(三)有益效果
本发明提出的CMP研磨率的优化方法和优化控制系统，具有以下有益效果：
(1)本发明建立了基于多种物理作用的接触应力和流体应力模型，从而可获取解析形式的研磨去除速率公式，这为CMP工艺的快速精确仿真和优化提供了一种可行的模拟方法和手段；
(2)本发明提出的CMP研磨率的优化方法，一方面可以高效获取晶圆表面研磨去除速率分布；另一方面可以实现晶圆表面一致性的优化和控制，从而辅助CMP实验和工艺的开发。
附图说明
图1是本发明实施例中CMP研磨率的优化方法流程图；
图2是本发明实施例中CMP研磨率的优化控制系统模块图。
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，对本发明作进一步的详细说明。
针对现有CMP工艺仿真中存在的问题，要实现CMP工艺的精确快速仿真，一方面需要深入研究CMP的研磨机理，从而建立依赖于物理机理的模型公式，另一方面还需加速CMP模型的求解过程，开发与之相应的建模仿真技术，以期获得更好的晶圆表面研磨平坦性控制。本发明通过考虑研磨液与晶圆表面间的化学反应机理和流体动力效应以及晶圆与研磨垫间的接触行为，提出一种CMP研磨率的优化方法和优化控制系统，从而指导CMP工艺过程和参数优化。
具体地，在该CMP研磨率的优化方法中，优选地包括一种CMP研磨率的快速计算方法，包括：首先，本发明通过分析研磨垫与晶圆间的接触行为，建立晶圆表面与研磨垫间相互作用的接触应力模型；其次，通过分析研磨液的流动行为，求解雷诺方程获取晶圆表面所受流体应力分布；然后结合晶圆表面化学机械协同去除机理，最终得到该CMP研磨率的快速计算方法。
有鉴于此，本发明一实施例提供了一种该CMP研磨率的优化方法，包括：
首先，设置CMP研磨的外部实施条件。
一些实施例中，该外部实施条件包括但不限于如CMP研磨时的外部压力、晶圆和研磨垫的转速、或研磨液的浓度。
然后，调节该外部实施条件，计算不同条件下的CMP研磨率及其对应的晶圆表面的一致性。
一些实施例中，上述计算不同条件下的CMP研磨率进一步包括：
获取研磨垫和晶圆表面间解析形式的接触应力；
获取研磨液和晶圆表面间解析形式的流体应力；
将所述解析形式的接触应力和所述解析形式的流体应力带入受力平衡条件，获取受力平衡状态下的晶圆和研磨垫间的液膜厚度参数；
根据所述液膜厚度参数获取受力平衡状态下的接触应力；
根据所述受力平衡状态下的接触应力获得解析形式的CMP研磨率。
为更好地说明以上技术方案，图1给出了详细的CMP研磨率快速计算流程，具体的，其表现为：
1、CMP接触行为建模(获取研磨垫和晶圆表面间解析形式的接触应力)
由于研磨垫与晶圆表面间的接触行为对CMP去除率具有重要作用，因此，获取准确的接触应力是开展CMP接触行为建模的关键。
事实上，研磨垫与晶圆表面间的接触应力PC(x，y)可以通过GW模型获取：
其中，PC(x，y)为研磨垫和晶圆表面间的接触应力，υ为泊松比，E为弹性模量，κ为研磨垫粗糙峰曲率，η为粗糙峰密度，h(x，y)为研磨垫与晶圆表面间隔，x，y为函数变量，z为粗糙峰表面高度，
为粗糙峰表面高度概率密度函数。
假设研磨垫粗糙峰服从指数分布，则
可以表示为：
其中，a为分布参数，σ为衰减长度。
联立求解方程(1)和(2)式，可以获得晶圆表面受到的接触应力：
可见，晶圆表面接触应力PC(x，y)与表面间隔h(x，y)间呈非线性指数关系。其中，表面间隔以极坐标(r，θ)形式可以表示为：
h(r，θ)＝δ0-(tanφcosγ)r cosθ-(tanφsinγ)rsinθ (4)
其中，δ0为晶圆中心点表面间隔高度，φ为倾斜角，γ为旋转角。
相应地，可以将(3)表示为极坐标形式：
2、CMP流体动力学建模(获取研磨液和晶圆表面间解析形式的流体应力)
流体应力在CMP过程中具有举足轻重的作用，它可以通过求解雷诺方程获得：
其中，PF为流体应力，h为液膜厚度，也即晶圆和研磨垫间的接触间隔，由(4)式给出，μ为研磨液粘性系数，ωp和ωw分别为研磨垫和晶圆的转速，e为研磨垫和晶圆中心点间的距离。
将(6)式表示为极坐标(r，θ)形式，则有：
进一步地，为了获得解析形式的流体应力表达式，将流体应力PF表示为幂级数形式，则有：
其中，kn为幂级数系数，它是参数θ的函数。相应地，流体应力的偏导数形式可以表示为：
将(8)和(9)式带入(7)式两端，然后比较r幂级数系数，通过求解常数项以及r、r2、r3系数，可以获得：
其中，R为晶圆半径，系数kn可以表示为：
3、液膜厚度参数求解(获取受力平衡状态下的晶圆和研磨垫间的液膜厚度参数)
将(4)式以及(5)和(10)中的接触应力和流体应力解析表达式带入受力平衡条件，可以获得受力平衡状态下的液膜厚度参数(δ0，φ，γ)：
∫I(PF+PC)rdrdθ-FN＝0 (12)
其中，FN为晶圆外部作用力，I为晶圆表面积。
一旦获得液膜厚度参数，即可获得受力平衡状态下的接触应力P＇C(x，y)。
4、研磨去除率建模(获得解析形式的CMP研磨率)
在CMP过程中，化学反应和机械研磨共同作用于晶圆表面，研磨去除率MRR与反应物浓度C、接触应力P＇C(x，y)和相对滑动速度V之间可以表示为如下函数关系：
其中，k1和k2为模型参数，V与研磨垫、晶圆转速间的关系可以表示为：
其中，ωp为研磨垫转速，ωw为晶圆转速，将平衡状态下的接触应力P′C(x，y)带入(13)式即可获得解析形式的CMP研磨去除率。
至此，基于该步骤1～4可完成CMP研磨率的快速计算。
最后，对不同的外部实施条件(如对CMP研磨时的外部压力、晶圆和研磨垫的转速、或研磨液的浓度等进行调节)下结合该CMP研磨率的快速计算方式计算得到的晶圆表面的一致性效果进行比较，选择一致性最高时的外部实施条件作为最优的外部实施条件，选择相对应的CMP研磨率作为优化的CMP研磨率。
针对上述CMP研磨率的优化方法，本发明另一实施例提供了一种CMP研磨率的优化控制系统，为了更好地说明该系统，图2给出了具体的CMP研磨率优化控制系统模块图，具体的，其表现为：
该CMP研磨率的优化控制系统包括：参数设置模块，计算模块(包括接触应力计算子模块、流体应力计算子模块、力平衡判别子模块、研磨率计算子模块)，控制模块(包括外部压力调节子模块、晶圆和研磨垫转速调节子模块、研磨液浓度调节子模块)，输出显示模块。
具体地：
参数设置模块：用于配置计算CMP研磨率的初始模型参数，具体包括研磨垫泊松比、弹性模量、粗糙峰曲率和密度、分布参数和衰减长度、研磨液粘性系数、研磨垫和晶圆中心点间的距离、晶圆半径及研磨率参数。
控制模块：用于控制作用于CMP系统的外部实施条件(本实施例中，该外部实施条件例如包括外部压力、晶圆和研磨垫转速及研磨液浓度)，其中：
外部压力调节子模块：通过调节外部压力，可以获得不同压力状态下的研磨去除率分布，再求解整个晶圆表面的一致性(晶圆表面不同区域研磨率的标准差与平均研磨率之比)，进而确定不同外部压力状态下的最优压力设置；
晶圆和研磨垫转速调节子模块：通过调节晶圆和研磨垫转速，可以获得不同转速条件下的研磨去除率分布，再求解整个晶圆表面的一致性，进而确定不同晶圆和研磨垫转速条件下的最优转速设置；
研磨液浓度调节子模块：通过调节研磨液浓度，可以获得不同研磨液浓度状态下的研磨去除率分布，再求解整个晶圆表面的一致性，进而确定不同研磨液浓度状态下的最优研磨液浓度设置。
计算模块：基于上述参数设置模块的初始模型参数和控制模块的外部实施条件计算优化的CMP研磨率，具体地，包括计算晶圆表面与研磨垫间的接触应力、研磨液与晶圆表面间的流体应力、平衡状态下晶圆表面和研磨垫间的接触应力及晶圆表面去除速率，其中：
接触应力计算子模块：用于计算晶圆表面与研磨垫间的接触应力；
流体应力计算子模块：用于计算研磨液与晶圆表面间的流体应力；
力平衡判别子模块：用于判别力平衡条件，修正液膜厚度参数，结合接触应力计算子模块和流体应力计算子模块的输出值获得平衡状态下晶圆表面和研磨垫间的接触应力；
研磨率计算子模块：基于受力平衡状态下的接触应力、流体应力和研磨液浓度计算晶圆表面研磨去除速率(即CMP研磨率)。
输出显示模块：用于显示不同外部实施条件下的研磨去除速率分布，便于通过直观的分布显示选择最优的CMP研磨率情况。
本发明提供的CMP研磨率的优化方法，通过求解晶圆表面所受接触应力和研磨液流体应力，再结合力平衡方程，可以获得平衡状态下的接触应力和流体应力，结合CMP化学机械协同去除机理，可以建立解析形式的研磨去除率公式。同时，结合该方法中CMP研磨率的快速求解方法，本发明提供的CMP研磨率的优化控制系统，可以获得更好的研磨表面平坦性。
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，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 (10)
1.一种CMP研磨率的优化方法，其特征在于，包括：
设置CMP研磨的外部实施条件；
调节所述外部实施条件，计算不同条件下的CMP研磨率及其对应的晶圆表面的一致性；
选择一致性最高时的外部实施条件及对应的CMP研磨率作为优化的CMP研磨率。
2.根据权利要求1所述的CMP研磨率的优化方法，其特征在于，所述外部实施条件包括CMP研磨时的外部压力、晶圆和研磨垫的转速和/或研磨液的浓度。
3.根据权利要求2所述的CMP研磨率的优化方法，其特征在于，所述计算不同条件下的CMP研磨率包括：
获取研磨垫和晶圆表面间解析形式的接触应力；
获取研磨液和晶圆表面间解析形式的流体应力；
将所述解析形式的接触应力和所述解析形式的流体应力带入受力平衡条件，获取受力平衡状态下的晶圆和研磨垫间的液膜厚度参数；
根据所述液膜厚度参数获取受力平衡状态下的接触应力；
根据所述受力平衡状态下的接触应力获得解析形式的CMP研磨率。
4.根据权利要求3所述的CMP研磨率的优化方法，其特征在于，所述解析形式的接触应力为：
其中，PC(x，y)和PC(r，θ)为研磨垫和晶圆表面间的接触应力，υ为研磨垫泊松比，E为弹性模量，κ为研磨垫粗糙峰曲率，η为粗糙峰密度，a为分布参数，σ为衰减长度，h(x，y)为研磨垫与晶圆表面的间隔，x，y为函数变量，r，θ为极坐标函数变量，δ0为晶圆中心点表面间隔高度，φ为倾斜角，γ为旋转角。
5.根据权利要求4所述的CMP研磨率的优化方法，其特征在于，所述解析形式的流体应力为：
其中，PF为研磨垫和晶圆表面间的流体应力，kn为幂级数系数，R为晶圆半径。
6.根据权利要求5所述的CMP研磨率的优化方法，其特征在于，所述受力平衡条件为：
∫I(PF+PC)rdrdθ-FN＝0，
其中，PC为极坐标解析形式的接触应力，FN为晶圆外部作用力，I为晶圆表面积。
7.根据权利要求6所述的CMP研磨率的优化方法，其特征在于，所述解析形式的CMP研磨率为：
其中，MRR为CMP研磨去除率，k1和k2为模型参数，C为反应物浓度，P′C(x，y)为受力平衡状态下的接触应力，V为相对滑动速度，ωp为研磨垫转速，ωw为晶圆转速。
8.一种CMP研磨率的优化控制系统，其特征在于，用于实现权利要求1至7中任一所述的CMP研磨率的优化方法，该系统包括：
参数设置模块，内置计算CMP研磨率的初始参数；
控制模块，控制CMP研磨时的外部实施条件；
计算模块，基于所述参数设置模块的初始参数和所述控制模块的外部实施条件计算优化的CMP研磨率；以及
输出显示模块，用于显示不同外部实施条件下的CMP研磨率。
9.根据权利要求8所述的CMP研磨率的优化控制系统，其特征在于，所述控制模块包括：
外部压力调节子模块，用于调节外部压力；
晶圆和研磨垫转速调节子模块，用于调节晶圆和研磨垫的转速；
研磨液浓度调节子模块，用于调节研磨液的浓度。
10.根据权利要求8所述的CMP研磨率的优化控制系统，其特征在于，所述计算模块包括：
接触应力计算子模块，用于计算研磨垫和晶圆表面间的接触应力；
流体应力计算子模块，用于计算研磨液与晶圆表面间的流体应力；
力平衡判别子模块，内置受力平衡条件，并结合接触应力计算子模块和流体应力计算子模块的输出值计算受力平衡状态下的接触应力；
研磨率计算子模块，基于所述受力平衡状态下的接触应力、流体应力和研磨液浓度计算CMP研磨率。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |