一种W CMP多物理工艺仿真方法及系统技术方案

本申请提供一种W CMP多物理工艺仿真方法及系统，通过考虑钨金属与研磨液之间的化学反应，以及钨金属和研磨垫间的机械去除反应，建立W CMP化学反应动力学模型和流体动力学模型，然后求解力平衡方程，最终建立一种W CMP多物理工艺仿真方法。本发明专利技术主要揭示了W CMP过程中的多种物理化学关系，从而更加真实地模拟CMP的去除过程，相比于现有CMP技术，模型更加合理和精确，物理意义更加明确。

A Multi-Physical Process Simulation Method and System for W CMP

This application provides a W CMP multi-physical process simulation method and system. By considering the chemical reaction between tungsten metal and abrasive fluid, and the mechanical removal reaction between tungsten metal and abrasive pad, a W CMP chemical reaction dynamics model and a hydrodynamic model are established. Then the force balance equation is solved, and finally a W CMP multi-physical process simulation method is established. The invention mainly discloses various physical and chemical relationships in the W CMP process, thus more truly simulates the removal process of CMP. Compared with the existing CMP technology, the model is more reasonable and accurate, and the physical meaning is more clear.

【技术实现步骤摘要】
一种WCMP多物理工艺仿真方法及系统
本专利技术涉及化学机械研磨仿真建模
，具体涉及一种WCMP多物理工艺仿真方法及系统。
技术介绍
化学机械研磨(ChemicalMechanicalPlanarization,CMP)作为集成电路制造工艺的重要制程之一，现成为甚大规模集成电路时代使用最广泛的平坦化技术，该技术原理为：采用研磨液的化学腐蚀作用和研磨颗粒的机械去除作用，使得研磨材质表面达到纳米级光滑表面。作为一种接触金属，WCMP工艺于1995年被引入集成电路领域，并成为0.35微米工艺的必备制程，进入16纳米工艺节点，由于AlPVD难以有效填入沟槽，高k金属栅工艺中的铝栅被钨栅代替，WCMP成为三维器件FinFET(FinField-EffectTransistor，鳍式场效应晶体管)CMP工艺中的关键步骤，栅表面高度最终由WCMP决定，因此，钨栅的研磨平坦性对FinFET器件性能和良率具有重要影响。尽管CMP被引入集成电路领域已有30多年历史，但CMP机理极其复杂，涉及众多物理化学原理，工程师对CMP体系研磨接触形态、研磨液化学属性等不甚了解，欲获得超光滑平坦表面，工艺控制的难度极大。为了实现研磨平坦性的有效控制和可制造性设计优化，CMP建模仿真技术不可或缺，尤其，对于W金属CMP工艺而言，需要建立与WCMP工艺相适应的多物理仿真模型，才能满足WCMP工艺参数和设计优化的迫切需求。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种WCMP多物理工艺仿真方法及系统，以得到与WCMP工艺相适应的多物理仿真模型，从而满足WCMP工艺参数和设计优化的需求。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种WCMP多物理工艺仿真方法，包括：根据W金属与研磨液的化学反应和机械去除反应，建立WCMP化学反应动力学方程；根据所述WCMP化学反应动力学方程、质量平衡原理及表面组成关系，建立WCMP表面动力学模型；根据浓度扩散传质速率方程、研磨液边界层厚度、以及所述研磨液中的氧化剂与钨金属的一级化学反应速率方程，建立研磨液动力传质模型，并计算得到研磨液的传质表面浓度；根据钨金属表面接触应力和流体应力，以及接触应力和钨金属机械去除反应常数间关系，建立WCMP流固耦合模型，计算获得钨金属表面所受到的机械应力；根据所述钨金属机械去除反应常数、所述机械应力和所述研磨液的传质表面浓度，以及所述WCMP表面动力学模型，计算得到W研磨去除速率。优选地，所述WCMP化学反应动力学方程具体为：其中，Oxi为氧化剂，WOxn为钨氧化物，WOxn为研磨产物，W为未参与氧化的钨，k1为钨金属与研磨液的化学反应速率常数，k2、k3为钨金属机械去除反应常数。优选地，所述WCMP表面动力学模型具体为：其中，M为钨分子量，ρ0为钨的质量密度，Cs为研磨液传质表面浓度，MRR为研磨去除率，k1为钨金属与研磨液的化学反应速率常数，k2、k3为钨金属机械去除反应常数。优选地，所述根据浓度扩散传质速率方程、研磨液边界层厚度、以及所述研磨液中的氧化剂与钨金属的一级化学反应速率方程，建立研磨液动力传质模型，其中：所述浓度扩散传质速率方程具体为：其中，C为研磨液浓度，t为研磨时间，Cb为研磨液的体相浓度，Ds为扩散系数，A为相界面面积，V为研磨液体积，δ为研磨液边界层厚度；所述研磨液边界层厚度δ的计算方式具体为：其中，Rw为钨金属所在晶圆半径，为无量纲常量，hmin为晶圆与研磨垫间最小间距，x为晶圆坐标，U为晶圆与研磨垫间相对滑动速率；所述研磨液中的氧化剂与钨金属的一级化学反应速率方程具体为：其中，k为钨金属与研磨液的一阶化学反应速率常数。优选地，所述计算得到研磨液的传质表面浓度，具体为：其中，Ds为扩散系数，δ为研磨液边界层厚度，Cb为研磨液的体相浓度，V为研磨液体积，A为相界面面积，k为钨金属与研磨液的一阶化学反应速率常数。优选地，所述WCMP流固耦合模型具体为：其中，P(x)为机械应力，PC(x)为晶圆表面接触压力，PH(x)为流体应力；θ为研磨垫接触比，η为研磨垫粗糙峰密度，κ为研磨垫粗糙峰曲率，E和υ分别为研磨垫弹性模量和泊松比，σ为研磨垫粗糙峰特征参数，P0为晶圆所受应用压力。优选地，根据所述钨金属机械去除反应常数、所述机械应力和所述研磨液的传质表面浓度，以及所述WCMP表面动力学模型，计算得到W研磨去除速率，所述研磨去除速率具体为：其中，MRR为研磨去除率，M为钨分子量，ρ0为钨的质量密度，k1为钨金属与研磨液的化学反应速率常数；k20和k30为钨金属机械去除常数；P(x)为机械应力，k为钨金属与研磨液的一阶化学反应速率常数；Ds为扩散系数，V为研磨液体积，δ为研磨液边界层厚度，A为相界面面积；Cb为研磨液的体相浓度。优选地，在所述计算得到W研磨去除速率之后，还包括：根据所述W研磨去除速率计算W表面形貌的实时变化；输出所述W表面形貌的实时变化。本专利技术还提供一种WCMP多物理工艺仿真系统，用于实现权利要求1所述的WCMP多物理工艺仿真方法，所述WCMP多物理工艺仿真系统包括：WCMP化学反应动力学方程建立模块，用于根据W金属与研磨液的化学反应和研磨机械去除反应，建立WCMP化学反应动力学方程；W表面动力学模型建立模块，用于根据所述WCMP化学反应动力学方程、质量平衡原理及表面组成关系，建立WCMP表面动力学模型；研磨液的传质表面浓度计算模块，用于根据浓度扩散传质速率方程、研磨液边界层厚度、以及所述研磨液中的氧化剂与钨金属的一级化学反应速率方程，建立研磨液动力传质模型，并计算得到研磨液的传质表面浓度；机械应力计算模块，用于根据钨金属表面接触应力和流体应力，以及接触应力和钨金属机械去除反应常数间关系，建立WCMP流固耦合模型，计算获得钨金属表面所受到的机械应力；W研磨去除速率计算模块，用于根据所述钨金属机械去除反应常数、所述机械应力和所述研磨液的传质表面浓度，以及所述WCMP表面动力学模型，计算得到W研磨去除速率。优选地，还包括：形貌仿真模块，用于根据所述W研磨去除速率计算W表面形貌的实时变化；输出模块，用于输出所述W表面形貌的实时变化。经由上述的技术方案可知，本专利技术提供的WCMP多物理工艺仿真方法及系统，通过考虑钨金属与研磨液之间的化学反应，以及钨金属和研磨垫间的机械去除反应，建立WCMP化学反应动力学和流体动力学模型，然后求解力平衡方程，最终建立一种WCMP多物理工艺仿真方法。本专利技术主要揭示了WCMP过程中的多种物理化学关系，从而更加真实地模拟WCMP的去除过程，相比于现有CMP技术，模型会更加合理和精确，物理意义更加明确。本专利技术建立了一种具体实现WCMP工艺表面形貌及工艺偏差动态模拟的多物理方法，可辅助WCMP工艺参数和可制造性设计优化。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的一种WCMP多物理工艺仿真方法流程图；图2为本专利技术实施例提供的另一种WCMP多物理工艺仿真方法流程图；图3为本专利技术实施例提供的一种WCMP本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种W CMP多物理工艺仿真方法，其特征在于，包括：根据W金属与研磨液的化学反应和机械去除反应，建立W CMP化学反应动力学方程；根据所述W CMP化学反应动力学方程、质量平衡原理及表面组成关系，建立W CMP表面动力学模型；根据浓度扩散传质速率方程、研磨液边界层厚度、以及所述研磨液中的氧化剂与钨金属的一级化学反应速率方程，建立研磨液动力传质模型，并计算得到研磨液的传质表面浓度；根据钨金属表面接触应力和流体应力，以及接触应力和钨金属机械去除反应常数间关系，建立W CMP流固耦合模型，计算获得钨金属表面所受到的机械应力；根据所述钨金属机械去除反应常数、所述机械应力和所述研磨液的传质表面浓度，以及所述W CMP表面动力学模型，计算得到W研磨去除速率。

【技术特征摘要】
1.一种WCMP多物理工艺仿真方法，其特征在于，包括：根据W金属与研磨液的化学反应和机械去除反应，建立WCMP化学反应动力学方程；根据所述WCMP化学反应动力学方程、质量平衡原理及表面组成关系，建立WCMP表面动力学模型；根据浓度扩散传质速率方程、研磨液边界层厚度、以及所述研磨液中的氧化剂与钨金属的一级化学反应速率方程，建立研磨液动力传质模型，并计算得到研磨液的传质表面浓度；根据钨金属表面接触应力和流体应力，以及接触应力和钨金属机械去除反应常数间关系，建立WCMP流固耦合模型，计算获得钨金属表面所受到的机械应力；根据所述钨金属机械去除反应常数、所述机械应力和所述研磨液的传质表面浓度，以及所述WCMP表面动力学模型，计算得到W研磨去除速率。2.根据权利要求1所述的WCMP多物理工艺仿真方法，其特征在于，所述WCMP化学反应动力学方程具体为：其中，Oxi为氧化剂，WOxn为钨氧化物，WOxn为研磨产物，W为未参与氧化的钨，k1为钨金属与研磨液的化学反应速率常数，k2、k3为钨金属机械去除反应常数。3.根据权利要求1所述的WCMP多物理工艺仿真方法，其特征在于，所述WCMP表面动力学模型具体为：其中，M为钨分子量，ρ0为钨的质量密度，Cs为研磨液传质表面浓度，MRR为研磨去除率，k1为钨金属与研磨液的化学反应速率常数，k2、k3为钨金属机械去除反应常数。4.根据权利要求1所述的WCMP多物理工艺仿真方法，其特征在于，所述根据浓度扩散传质速率方程、研磨液边界层厚度、以及所述研磨液中的氧化剂与钨金属的一级化学反应速率方程，建立研磨液动力传质模型，其中：所述浓度扩散传质速率方程具体为：其中，C为研磨液浓度，t为研磨时间，Cb为研磨液的体相浓度，Ds为扩散系数，A为相界面面积，V为研磨液体积，δ为研磨液边界层厚度；所述研磨液边界层厚度δ的计算方式具体为：其中，Rw为钨金属所在晶圆半径，为无量纲常量，hmin为晶圆与研磨垫间最小间距，x为晶圆坐标，U为晶圆与研磨垫间相对滑动速率；所述研磨液中的氧化剂与钨金属的一级化学反应速率方程具体为：其中，k为钨金属与研磨液的一阶化学反应速率常数。5.根据权利要求4所述的WCMP多物理工艺仿真方法，其特征在于，所述计算得到研磨液的传质表面浓度，具体为：其中，Ds为扩散系数，δ为研磨液边界层厚度，Cb为研磨液的体相浓度，V为研磨液体积，A为相界面面积，k为钨金属与研磨液的一阶化学反应速率常数。6.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐勤志，陈岚，曹鹤，刘建云，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11