四. 研究方法
4.4 建立薄膜晶圓之塑性能計算方法
41
Fig.4-4 塑性變型能示意圖 4.5 建立薄膜晶圓之殘留應力量測方法
殘留應力估算理論架構[9]，當薄膜受到外力之後，原子平面間距會發生改 變，透過XRD 繞射儀(如 Fig.4-5)，將改變的距離的量測出進而計算出其應變量 如式4-2 所示：
(4.2) 若薄膜材料為等向性的彈性體，根據虎克定律如式4-3 所示：
(4.3) 則薄膜材料雙軸向平面殘留應力可以表示為4-4 所示：
(4.4)
Fig.4-5 PANalytical X’PRO XRD
42
4.5.1 具有方向性的薄膜殘留應力量測及薄膜應力致晶圓曲率的估算方法
透過對稱及非對稱式的X 光繞射量測方法來達成(如 Fig.4-6)。前者利用量測 織構方向晶面間距的變化，在獲得薄膜錯配(mismatch)應變後，如式 4.5，則可直 接透過 Stoney 方程式，間接的進行晶圓曲率的估算(如 Fig.4-7)。後者利用非對 稱式繞射方法，以single 及 multiple {hkl}繞射面(如 Fig.4-8 及 Fig.4-9)的方法進 行薄膜應力的量測，前者利用試片載台的偏斜直接改變繞射幾何配置，而後者透
43
Fig.4-8 Single {hkl}方法 (特定結晶面)
Fig.4-9 Multiple {hkl}方法 (不同結晶面)
4.6 建立 AF‐ECMP 系統
設計AF-ECMP 專用之晶圓載具於 Logitech, PM5 拋光機上進行製程研究與 分析，系統包含拋光機、導電夾具及恆電位儀(如 Fig.4-10)，並透過電壓控制與 電流控制法分別進行Contact 與 Noncontact Mode 的比較，同時進行加工機制的 驗證。期間使用恆電位儀進行電源供應及製程之監控。
Fig.4-10 AF-ECMP 系統架構
44
4.7 研磨液電化學特性分析
透過恆電位儀(如 Fig.4-11)進行動電位極化曲線掃瞄，了解研磨液的鈍化效 果，以便界定出 AF-ECMP 所工作的鈍化區域(如 Fig.4-12)，此分析結果有利於 研磨液化學組成的開發及鈍化特性研究。
Fig.4-11 恆電位儀(Jiehan 5600)
Fig.4-12 動電位極化曲線
4.8 鈍化層成分鑑定方法
以X 光電子能譜儀(如 Fig.4-13)，X 光反射率及 X 光低掠角繞射儀分析不同 偏壓下銅膜上的氧化物，可用來驗證研磨液的鈍化層生成機制及厚度。
45
Fig.4-13 X 射線光電子能譜儀
4.9 探討不同平坦化製程或製程參數對薄膜殘留應力的影響
透過磨粒壓深估算模型[9]的文獻進行估算，如式4.6 及 Fig.4-14，並透過實 驗設計比較不同CMP 製程參數及耗材對薄膜殘留應力的影響。所需參數有下壓 力(P)、拋光墊楊氏係數(Ep)、薄膜硬度(Hc)、磨粒粒徑(R)、粗糙度峰間距(λa)及 磨粒間距(λp)。
(4.6)
Fig.4-14 磨粒壓深估算模型[9]
4.10 建立薄膜晶圓之接觸應力有限元素分析
ANSYS 模擬當中透過施加熱應力的方式來對(晶圓/薄膜)作預應力，方法為 將矽晶圓及薄膜施以特定溫度來獲得特定的晶圓翹曲程度，如Fig.4-15 所示，再 藉由晶圓邊緣翹曲量以畢氏定理反推得其晶圓曲率，如Fig.4-17 所示，施加溫度 及所對應的翹曲程度，如Tab.4-2 所示。
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Pad Copper Silicon Template Carrier Soft Hard
Young’s Modulus
(MPa) 3.585 500 1.30E+05 1.81E+07 0.26 1.81E+07 Poission’s Ratio 0.1 0.1 0.34 0.28 0.1 0.28
α/10-6℃-1 1.69E-05 3.08E-06
Thickness (mm) 1.4 1.4 0.0016 0.76 0.6 6 Diameter (mm) 27.4 27.4 25.4 25.4 26.4 27.4
47
Fig.4-15 以熱應力對(薄膜/晶圓)作預應力之晶圓翹曲示意圖
Fig.4-16 ANSYS 軸對稱 2D 模型
Fig.4-17 晶圓邊緣翹曲量估算晶圓曲率半徑的模型
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Tab.4-2 預應力之施加溫度與晶圓翹曲及曲率半徑的關係 Applied
Temperatu re (℃)
Wafer Edge Deflection
(mm)
Estimated Wafer Curvature
(m) 0 3.03E-15 ∞
10 9.24E-04 -349.1126 25 0.002311 -139.5846 50 0.004614 -69.91331 80 0.007382 -43.69818 120 0.01145 -28.17293 160 0.014708 -21.93228 200 0.018386 -17.54487 240 0.022868 -14.10617 300 0.028563 -11.29363 400 0.037991 -8.490958 450 0.042524 -7.585834 500 0.047198 -6.834612
Applied Temperat
ure (℃)
Wafer Edge Deflection
-450 -0.036381 8.8667161 -400 -0.032339 9.9749528 -375 -0.031318 10.300147 -350 -0.028297 11.399795 -325 -0.026271 12.278939 -300 -0.02425 13.302268 -240 -0.0194 16.627835 -200 -0.016167 19.952991 -160 -0.012931 24.946253 -120 -0.009697 33.265959 -80 -0.006461 49.927256 -65 -0.00525 61.44381 -50 -0.004038 79.886082 -25 -0.002019 159.77216 -10 -8.08E-04 399.23267
Fig.4-18 手動選取節點定義接觸壓力分佈資訊的路徑
49
五. 結果與討論
5.1 第一年(96 年)計畫研究成果5.1.1 單層與複合層拋光墊彈性模數量測結果
拋光墊經過化學機械拋光之後，表面形貌分佈經共軛焦顯微鏡量測結果如 Fig.5-1 所示。由於一般用於半導體製程的拋光墊通常採用多層結構(結構層→硬 質層→軟質層)，一般結構層硬度為 Shore D 40~80 左右，因此對於結構的硬度需 再加強改善，以期能夠得到好的耐用度。蕭氏硬度值與楊氏係數關係如 Fig.5-2 所示，由結果可看出拋光墊經壓縮之後，楊氐模數與硬度值之間的關係，當蕭氏 硬度值在80 以下，兩者呈線性關係，一旦硬度超過 80 之後，兩者呈非線性關係。
Fig.5-1 拋光墊表面形貌(共軛焦顯微鏡)
Fig.5-2 蕭氏硬度值與楊氏係數之關係
50
5.1.2 奈米壓痕硬度量測結果
利用奈米壓痕實驗模擬拋光過程中，磨粒對材料壓深之影響，研究結果顯示 壓痕器移除負載後，表面材料達80-90%彈性回復如 Fig.5-3 所示，顯示材料硬度 大，抵抗塑變能力較強，因此推測不同類型的磨料在相同負載下對材料造成的移 除量亦有差異，奈米壓痕硬度量測摩擦係數結果如Fig.5-4 及 Tab.5-1 所示。
Fig.5-3 薄膜奈米壓痕結果
Fig.5-4 鎢薄膜磨擦係數量測結果
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Average 6.21 167.90
5.1.3 薄膜晶圓之拋光平坦化實驗結果
52
Fig. 5-5 塑性變型能估算程式結果 5.1.5 薄膜晶圓之殘留應力量測結果
將 TiN 與 Tungsten 薄膜試片放置機台內，進行量測，對位完畢後，入射角 度ω=1°掃描範圍由 10°到 130°，以 2θ 模式開始第一次的掃描。掃描結果如 Fig.5-6 及 Fig.5-7 所示，圖中顯示所有偵測到的繞射波峰的強度及位置。將掃描出來的 結果，開始進行殘留應力分析與計算，首先設定所要分析的元素基本性質，Fig.5-8 及Fig.5-9 中顯示 dφψ vs. sin2ψ 之間線性關係，最後估算出 TiN 與 Tungsten 薄膜 殘留應力為張應力而且大小為：σRS=3000.1±130.2MP 與 σRS=1312.8±126.1MP。
Fig.5-6 TiN 2θ 掃描結果
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Fig.5-7 Tungsten 2θ 掃描結果.
Fig.5-8 TiN 殘留應力程式估算結果
54
Fig.5-9 Tungsten 殘留應力程式估算結果
5.2 第二年(97 年)計畫研究成果
5.2.1 具有方向性的薄膜殘留應力量測及薄膜應力致晶圓曲率的估算
透過實驗設計得到不同CMP 製程參數及加工後不同薄膜厚度的試片後，透 過XRD 進行殘留應力量測，可發現薄膜厚度與薄膜應力及晶圓曲率間變化的關 係(如 Fig.5-10 及 Fig.5-11)，可從結果發現隨著薄膜厚度減少，其殘留應力會有 上升得趨勢。晶圓曲率方面，由於晶圓厚度(Cu /TaN /SiO2 /Si)約略 750μm，經過 Stoney 公式可估算得其曲率半徑變化範圍約為 57~133m (如 Tab.5-3)。
由於薄膜製程在適當條件下會造成薄膜的材料方向性，可從對稱式繞射方法 所得的繞射圖譜中的相對強度得知，該銅薄膜具有(111)的結構方向。方向性的 薄膜由於彈性非等向性，在量測時會使用X 光彈性係數(Single {hkl})或將材料近 似成彈性等向性(multiple {hkl}繞射面)的方法 (如 Fig.5-12 及 Fig.5-13)。
55
Fig.5-10 薄膜厚度變化與晶圓曲率關係
Fig.5-11 薄膜厚度變化與薄膜應力的關係
Tab. 5-3 對稱式 XRD 薄膜殘留應力量測及晶圓曲率估算結果
56
5.2.2 研磨液電化學特性分析結果
比較了KOH 及 H3PO4 Based 的研磨液，發現在電壓控制模式下 KOH 電解 液能夠產生抑制移除電流能力較強的鈍化層，且其鈍化區域可明顯地從動電位極 化曲線上界定出，稱之為完全鈍化(Complete Passivation)，如 Fig.5-12 所示。H3PO4
Based 電解液所產生的鈍化膜僅能夠抑制部份電流通過，稱之為不完全鈍化或半 鈍化(Uncomplete Passivation)，如 Fig.5-13 所示。
Fig.5-12 不同濃度 KOH 電解液的動電位極化曲線
Fig.5-13 H3PO4 Based slurry PD curve 5.2.3 鈍化層成分鑑定結果
根據動電位極化曲線(PD Curve)在 0.5 V 的偏壓下經 KOH 電解液作用後試片 表面的氧化物以CuO、Cu(OH)2為主。而經H3PO4電解液作用後試片表面的氧化
57
物以CuO、Cu(OH)2與Cu2O 為主(如 Fig.5-14)。
Fig.5-14 不同外加偏壓下鈍化層成分分析 5.2.4 AF‐ECMP 理論驗證與移除率結果
透過Contact mode 與 Noncontact mode，證明本研究是建立在鈍化膜生成與 移除的機制上，而非 ECP 所造成的高移除率，並透過製程移除電流訊號(如 Fig.5-15)，可以用來判斷在該偏壓下材料移除的機制是否符合 AF-ECMP 的原 理。透過 X-ray 光電子能譜圖比較不同偏壓下銅薄膜表面所生成的氧化物，
SEM(如 Fig.5-16)觀察出凹陷處確實受到鈍化膜的保護(如 Fig.5-17)，因此 AF-ECMP 理論上擁有較佳的平坦化效率。但是，使用電流控制的方法不能使銅 膜表面有效生成鈍化膜。透過銅板及銅薄膜進行AF-ECMP，在 1.0V 的偏壓下，
其移除率約為 27nm/min.，並可達到優異的平坦化效果，粗糙度 Ra 可由初始狀 態5nm 改善至約 1nm，也可從 Fig.5-18 中比較不同偏壓下的鏡面效果。
Fig.5-15 AF-ECMP 製程控制方法
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Fig.5-16 掃描式電子顯微鏡
Fig.5-17 銅膜表面生成物及鈍化後的形貌
Fig.5-18 H3PO4 Based 電解液於不同外加偏壓下進行 AF-ECMP 後試片鏡面效果
59
60
Fig.5-20 CMP 的接觸應力分析
5.3 第三年(98 年)計畫研究成果
5.3.1 薄膜應力特性對薄膜殘留應力量測的影響
根據薄膜與基材間的力平衡關係及鑑於先前研究經驗可發現到似乎薄膜厚 度會影響到殘留應力的量測，而鈍化層厚度(hp)及銅薄膜厚度(hf)遠小於矽晶圓基 板厚度(hs)，即 hs>>hf>hp，故本研究以等效膜厚(heq)的概念來探討薄膜及基材對 薄膜殘留應力量測的影響，如Fig.5-21 所示，在透過實驗方法找出各種變異對殘 留應力量測的影響後，將能有效的用來探討CMP 製程對薄膜進行表面加工時所 會造成的影響。
Fig.5-21 修正 Stoney 公式，銅薄膜與基材內部殘留應力分佈示意圖
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5.3.1.1 薄膜厚度對薄膜殘留應力分佈量測的影響
透過CMP 製備出不同銅薄膜厚度的試片後，改變入射角量測銅薄膜殘留應 力分佈，結果如 Fig.5-22(a)所示，在此因無法發現薄膜應力分佈與 CMP 製程的 相關性，故僅作薄膜厚度對其影響之探討，可從入射角0.4 及 5.0 度量測所得薄 膜殘留應力與剩餘薄膜厚度的關係，可發現到特定取樣深度(即入射角)的薄膜殘 留應力會隨著剩餘薄膜厚度的減少而有著減少的趨勢，並且於入射角0.4 度時，
其變化趨勢會較明顯，如Fig.5-22(b)所示，即表示薄膜殘留應力的量測對於薄膜 較表層的殘留應力變化較敏感，造成此變化趨勢的原因可能為薄膜殘留應力的改 變，或是由於力平衡的關係導致薄膜內部殘留應力分佈重新分佈所致。另外，銅 薄膜厚度驗證方面，FESEM 觀察與四點探針量測所得膜厚相當，兩者各為 1617 nm 及 1560 nm，誤差約 3.5%，說明了四點探針量測的可行性，如 Fig.5-23 所示。
(a) 銅薄膜厚度對薄膜殘留應力分佈的影響
(b) 特定取樣深度所得薄膜殘留應力與剩餘薄膜厚度的關係 Fig.5-22 銅薄膜厚度對薄膜殘留應力分佈及特定取樣深度的關係
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Fig.5-23 銅薄膜厚度 FESEM 檢測 5.3.1.2 薄膜厚度對晶圓翹曲的影響
蝕刻實驗的次表面晶體曲率半徑量測結果如Fig.5-24 所示，可從結果發現到 次表面晶體曲率半徑會隨著剩餘薄膜厚度的減少，而有變小的趨勢，其原因可能 為受到底層二氧化矽薄膜殘留壓應力的影響所導致，使得晶圓整體的曲率趨向於
蝕刻實驗的次表面晶體曲率半徑量測結果如Fig.5-24 所示，可從結果發現到 次表面晶體曲率半徑會隨著剩餘薄膜厚度的減少，而有變小的趨勢，其原因可能 為受到底層二氧化矽薄膜殘留壓應力的影響所導致，使得晶圓整體的曲率趨向於