一种考虑抛光液影响的特征尺寸级化学机械抛光工艺仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明属半导体制造工艺可制造性设计领域，具体涉及一种考虑抛光液影响的特 征尺寸级化学机械抛光工艺仿真方法，该方法中采用计算流体力学方法对化学机械抛光工 艺中的流体效应和颗粒磨损进行建模，以预测化学机械抛光材料的移除速率。
【背景技术】
[0002] 随着纳米集成电路制造工艺特征尺寸不断下降，芯片版图图案越来越难以精 确制造，由此导致工艺偏差日益严重、成品率急剧下降。化学机械抛光工艺（Chemical Mechanical Polishing，CMP)是集成电路制造过程中导致工艺偏差的关键工艺之一，对CMP 材料移除机理进行深入研究，建立精确的数学物理模型以提高芯片成品率，已成为本领域 重要研究方向之一。
[0003] 化学机械抛光工艺是一种超精密的表面加工技术，被广泛地应用于集成电路制造 工艺中各个阶段的硅片表面全局平坦化。图1显示了一种旋转式化学机械抛光的工作原 理，抛光头（carrier)将抛光娃片（wafer)正面朝下压在抛光垫（pad)上，娃片和抛光垫之 间充满了研磨液（slurry);在抛光过程中，抛光垫与娃片同向旋转，依靠抛光垫、娃片、研 磨液以及研磨颗粒之间复杂的机械摩擦和化学腐蚀作用，实现硅片表面的平坦化。
[0004] 现有技术公开了 CMP抛光效果具有很强的材料选择性，同时芯片上版图模式 (layout patterns)的存在，使得CMP抛光效果难以达到完全平整。图2是典型的铜互连线 CMP工艺抛光后的表面形貌示意图，其中显示了 CMP工艺抛光之后芯片表面的不平整性具 体表现为金属碟陷（dishing)与介质侵蚀（erosion);芯片表面不平坦会引起光刻对焦偏 差和互连线电学特性变化，如何提高CMP抛光后芯片表面平整性是CMP建模与仿真工具的 最终目标。
[0005] 虽然CMP工艺已广泛应用于集成电路制造产业，但其抛光过程中的材料移除机理 一直是研究难点，主要困难在于：（1)硅片和抛光垫之间的摩擦涉及微观尺度下复杂的化 学物理作用，实验观测较为困难和昂贵；（2)大量工艺参数和复杂抛光机理的存在导致CMP 建模十分复杂；（3)半导体工艺实验成本极其高昂；这些困难使得CMP工艺参数控制缺乏完 备的理论支撑，并导致对实际工艺生产的精确控制相当困难。
[0006] 由于存在上述困难，目前主要依赖经验模型（Stine 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.)对化学机械抛光进行仿真，用以分析及改善化学机械抛 光工艺的成品率。该类模型主要在芯片级（chip scale)对CMP抛光机理进行分析。此类模 型考虑芯片版图模式对CMP抛光后芯片形貌影响，并建立版图模式与材料移除速率（MRR， Material Removal Rate)之间的统计关系，根据获得的关系式预测芯片抛光效果。但该类 模型所获得的MRR只与特定工艺参数下的芯片模式相关。随着工艺参数的改变，模型与图 案几何形状之间的相关性会随之发生变动，因此缺乏普遍适用性。当新的工艺条件引入时， 需要投入大量测试芯片用于掩模制造及光刻、电镀和抛光工艺实验，导致极其高昂的研发 成本。
[0007] 针对经验模型存在的不足，已有诸多学者研究直接考虑材料物理机理的CMP仿真 方法。Feng等提出了一种特征尺寸级的广义粗糙抛光垫（general rough pad)模型，该模型 结合接触力学计算系统下压力在抛光垫微凸峰与硅片接触之处产生的形变和应力大小，并 据此建立硅片材料移除模型，用以预测硅片抛光效果；但该方法未考虑研磨液和研磨颗粒 对抛光的影响；Ye等提出了一种特征尺寸级研磨颗粒（slurry particle)模型，该模型采用 分子动力学（MolecularDynamics)方法模拟研磨粒对娃片表面材料的切削过程，但抛光垫 和研磨液均未纳入模型范围；Hocheng等考虑研磨液流体作用提出了一种特征尺寸级材料 移除模型，但该模型同样未考虑抛光垫的影响。虽然这些模型对CMP复杂磨削机理中的部 分机理进行建模，但由于未能对硅片、抛光垫、抛光液和研磨颗粒完整建模，因此较难对CMP 抛光机理进行全面的解释。
[0008] 本申请的发明人针对上述方法存在的不足，拟提供一种考虑抛光液影响的特征尺 寸级化学机械抛光工艺仿真方法。
[0009] 与本发明相关的参考文献有：
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