一種考慮拋光液影響的特征尺寸級(jí)化學(xué)機(jī)械拋光工藝仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬半導(dǎo)體制造工藝可制造性設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種考慮拋光液影響的特 征尺寸級(jí)化學(xué)機(jī)械拋光工藝仿真方法，該方法中采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光工 藝中的流體效應(yīng)和顆粒磨損進(jìn)行建模，以預(yù)測化學(xué)機(jī)械拋光材料的移除速率。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著納米集成電路制造工藝特征尺寸不斷下降，芯片版圖圖案越來越難以精 確制造，由此導(dǎo)致工藝偏差日益嚴(yán)重、成品率急劇下降?；瘜W(xué)機(jī)械拋光工藝（Chemical Mechanical Polishing，CMP)是集成電路制造過程中導(dǎo)致工藝偏差的關(guān)鍵工藝之一，對(duì)CMP 材料移除機(jī)理進(jìn)行深入研究，建立精確的數(shù)學(xué)物理模型以提高芯片成品率，已成為本領(lǐng)域 重要研究方向之一。
[0003] 化學(xué)機(jī)械拋光工藝是一種超精密的表面加工技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用于集成電路制造 工藝中各個(gè)階段的硅片表面全局平坦化。圖1顯示了一種旋轉(zhuǎn)式化學(xué)機(jī)械拋光的工作原 理，拋光頭（carrier)將拋光娃片（wafer)正面朝下壓在拋光墊（pad)上，娃片和拋光墊之 間充滿了研磨液（slurry);在拋光過程中，拋光墊與娃片同向旋轉(zhuǎn)，依靠拋光墊、娃片、研 磨液以及研磨顆粒之間復(fù)雜的機(jī)械摩擦和化學(xué)腐蝕作用，實(shí)現(xiàn)硅片表面的平坦化。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)公開了 CMP拋光效果具有很強(qiáng)的材料選擇性，同時(shí)芯片上版圖模式 (layout patterns)的存在，使得CMP拋光效果難以達(dá)到完全平整。圖2是典型的銅互連線 CMP工藝拋光后的表面形貌示意圖，其中顯示了 CMP工藝拋光之后芯片表面的不平整性具 體表現(xiàn)為金屬碟陷（dishing)與介質(zhì)侵蝕（erosion);芯片表面不平坦會(huì)引起光刻對(duì)焦偏 差和互連線電學(xué)特性變化，如何提高CMP拋光后芯片表面平整性是CMP建模與仿真工具的 最終目標(biāo)。
[0005] 雖然CMP工藝已廣泛應(yīng)用于集成電路制造產(chǎn)業(yè)，但其拋光過程中的材料移除機(jī)理 一直是研究難點(diǎn)，主要困難在于：（1)硅片和拋光墊之間的摩擦涉及微觀尺度下復(fù)雜的化 學(xué)物理作用，實(shí)驗(yàn)觀測較為困難和昂貴；（2)大量工藝參數(shù)和復(fù)雜拋光機(jī)理的存在導(dǎo)致CMP 建模十分復(fù)雜；（3)半導(dǎo)體工藝實(shí)驗(yàn)成本極其高昂；這些困難使得CMP工藝參數(shù)控制缺乏完 備的理論支撐，并導(dǎo)致對(duì)實(shí)際工藝生產(chǎn)的精確控制相當(dāng)困難。
[0006] 由于存在上述困難，目前主要依賴經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停⊿tine B E, Ouma D 0, Divecha R Rj et al. Rapid characterization and modeling of pattern-dependent variation in chemical-mechanical polishing[J]. IEEE Transactions on Semiconductor Manufact uring，1998, 11 (I):129 - 140. ;Gbondo_Tugbawa T E. Chip-Scale Modeling of Pattern Dependencies in Copper Chemical Mechanical Polishing Processes[D]. Massachusetts Institute of Technology，2002.)對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光進(jìn)行仿真，用以分析及改善化學(xué)機(jī)械拋 光工藝的成品率。該類模型主要在芯片級(jí)（chip scale)對(duì)CMP拋光機(jī)理進(jìn)行分析。此類模 型考慮芯片版圖模式對(duì)CMP拋光后芯片形貌影響，并建立版圖模式與材料移除速率（MRR， Material Removal Rate)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，根據(jù)獲得的關(guān)系式預(yù)測芯片拋光效果。但該類 模型所獲得的MRR只與特定工藝參數(shù)下的芯片模式相關(guān)。隨著工藝參數(shù)的改變，模型與圖 案幾何形狀之間的相關(guān)性會(huì)隨之發(fā)生變動(dòng)，因此缺乏普遍適用性。當(dāng)新的工藝條件引入時(shí)， 需要投入大量測試芯片用于掩模制造及光刻、電鍍和拋光工藝實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致極其高昂的研發(fā) 成本。
[0007] 針對(duì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛嬖诘牟蛔?，已有諸多學(xué)者研究直接考慮材料物理機(jī)理的CMP仿真 方法。Feng等提出了一種特征尺寸級(jí)的廣義粗糙拋光墊（general rough pad)模型，該模型 結(jié)合接觸力學(xué)計(jì)算系統(tǒng)下壓力在拋光墊微凸峰與硅片接觸之處產(chǎn)生的形變和應(yīng)力大小，并 據(jù)此建立硅片材料移除模型，用以預(yù)測硅片拋光效果；但該方法未考慮研磨液和研磨顆粒 對(duì)拋光的影響；Ye等提出了一種特征尺寸級(jí)研磨顆粒（slurry particle)模型，該模型采用 分子動(dòng)力學(xué)（MolecularDynamics)方法模擬研磨粒對(duì)娃片表面材料的切削過程，但拋光墊 和研磨液均未納入模型范圍；Hocheng等考慮研磨液流體作用提出了一種特征尺寸級(jí)材料 移除模型，但該模型同樣未考慮拋光墊的影響。雖然這些模型對(duì)CMP復(fù)雜磨削機(jī)理中的部 分機(jī)理進(jìn)行建模，但由于未能對(duì)硅片、拋光墊、拋光液和研磨顆粒完整建模，因此較難對(duì)CMP 拋光機(jī)理進(jìn)行全面的解釋。
[0008] 本申請(qǐng)的發(fā)明人針對(duì)上述方法存在的不足，擬提供一種考慮拋光液影響的特征尺 寸級(jí)化學(xué)機(jī)械拋光工藝仿真方法。
[0009] 與本發(fā)明相關(guān)的參考文獻(xiàn)有：
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