研究動機與目的

由於IC產品的尺寸日漸縮小以及層次越來越多，而黃光製程對景 深(Depth of Focus)有一定的限制，故對平坦化有一定的要求，再加 上晶圓的製成過程頗為繁雜，如圖1.1；特別是多層的晶圓，更是對

解晶圓表面材料是如何被移除。

此外，化學機械研磨是半導體製程中相當重要的一道製程；。因 為機制簡單，但由於大多為耗材性元件，所以製程中會有相當大的變 異，而用來拋光晶圓表面的研磨墊就是其中之一。然而，目前大晶圓 廠的化學機械研磨的製程部門，仍舊只是運用控片來決定是否應該更 換研磨墊。但是，若能直接找出樣片與控片之間的移除率的關係，就 可以在固定的製程參數下的控片移除率，推算出在同樣條件下樣片的 移除率，也能夠大量減少研磨控片所浪費的時間，以及晶圓。

1.2 文獻回顧

化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing, CMP)在半導體製 程技術中已經被大家公認為最有效之全面性平坦化(Global

Planarization)的技術。關於 CMP 製程，最早起源於 IBM，大約在 1980 年代初期，最早 IBM 是為了解決製造 IC 時，因為晶圓的表面線路圖 案會引起鍍膜後表面的高低起伏，進而導致微影製程聚焦不良的問 題，因此 IBM 開發了此項平坦化技術。

不久後，IBM 提出了金屬鑲嵌(Damascene)的概念，促使 CMP 技

其中T_f 為研磨時間的方程式。

使 用 的 研磨漿料是不同的，其中無法使用研磨二氧化矽的研磨漿料 來研磨銅，而研磨銅的研磨漿料是由三氧化二鋁以及硝酸以一定比例 配置而成，而且目前不確定是否有可以同時研磨銅與二氧化矽的研磨 漿料，必須從新配置。在此決定以銅的研磨漿料三氧化二鋁和硝酸在 不同比例下配置出使銅以及二氧化矽的研磨率非常接近的研磨漿料 來研磨樣片。

在 得 知 控 片 及 樣 片 的 移 除 率 之 後 ， 就 可 以 最 小 平 方 法 建 立 控 片 及 樣 片 的 模 型 ， 也 可 求 出 控 片 及 各 式 樣 片 的 不 平 坦 度 ， 最 後 即 可 瞭 解 控 片 及 樣 片 的 移 除 率 及 不 平 坦 度 之 間 的 關 係 。

1.4 本文組織架構

首先在第二章提出有關於化學機械研磨機台的基本架構，以及用 來量測樣片的量測機台熱場發射掃描式電子顯微鏡，和用來量測控片

的量測機台n&k-薄膜測厚儀的基本架構，晶圓與化學機械研磨之間的 關係參數，以及機台的哪些製程參數是主要參數。第三章先提出最小 平方法的基本原理，再以其作出預測模型來找出樣片與控片之間的關 係。第四章以實驗來收集樣片及控片的移除率及不平坦度數據，和預 測模型相互印證。第五章則是對此研究作出結論，並且於第六章提出 未來之工作展望。

第二章 機台介紹

2.1 化學機械研磨基本架構介紹

化學機械研磨(Chemical-Mechanical Polish)簡稱 CMP，整體 機台如圖 2.1，其中是使用含有微細研磨拋光粉粒之拋光研磨液，配

研磨墊材料的不同以及表面構造形狀的相異，會使得研磨有著不 同的效果。然而研磨墊是一消耗品，隨著研磨時間的增加，研磨墊長 時間受到壓力的壓擠以及與晶片之間之磨耗都會使得研磨墊產生鈍 化現象，這時研磨墊的修整(Conditioning)就很重要。而本研究所探討 的就是如何在不作修整(Conditioning)研磨墊條件下，來控制輸入之研 磨時間，以達到相同的目標移除厚度；因此，觀察研磨墊不作修整 (Conditioning)時之移除率變化情形也是本論文重點。

(4) 研磨漿料(Slurry):

研磨漿料(Slurry)主要由微細研磨顆粒與化學溶液組成。研磨顆 粒的種類、大小、形狀、PH 值與溫度等因素都會對研磨的效果產生 影響，亦有許多人從事研磨漿料(Slurry)調配之研究。

2.2 熱場發射掃描式電子顯微鏡介紹

熱場發射掃描式電子顯微鏡簡稱 TFSEM[8]，機台外型如圖 2.3。

其量測方式可分為二種：

SEI（二次電子影像）掃描式電子顯微鏡電子槍產生電子束後，

經電子光學系統，使電子數縮小，再照射試片表面，而激發二次電子。

這些二次電子被偵測器偵測後，再經由訊號處理放大送到 CRT，即可 看到表面形貌。

BEI（反射電子影像）電子束照射試片表面後，亦會激發反射電 子（也較背向散設電子）。試片中平均原子序越高的區域，是放出的 反射電子越多，因此利用反射電子影像來觀察表面平滑無明顯特徵，

而卻有微區化學組成差異的試片特別有用。其形貌觀測圖如圖 2.4。

其量測出之圖型如圖 2.5 分析技術特性：

(1) 解析度：1.5nm at 25kev(SEI)；3nm at 15kev（BEI）。

(2) 放大倍率：20~300000 倍。

(3) 限制：粉末、揮發性物質、磁性物質、高分子無法觀測。

(4) 缺點：電荷蓄積效應，樣品需導電性良好，對導電性差的 樣品，可度上導電性佳的金屬於表層，增加其導電性。

2.3 n&k-薄膜測厚儀介紹

n&k-薄膜測厚儀[8]機台外型如圖 2.6。

量測方式為，以光線打在晶圓上，藉由光線的折射及反射，量測 出晶圓各層的厚度，再將資料送回電腦之 n&k 程式，並加以整理顯 示。分析隻晶圓基層為 si，可量測單層至多層，N、K 量測的基礎數 值包含：Ⅱ-Ⅵ化合物; Ⅲ-Ⅴ化合物; Al 化合物; Ge 化合物; 玻璃 ; 金 屬; Nirtrides; Oxides; Oxynitrides; Silicides; Si; Si 化合物; 混合

物……等。

前述之 n&k-薄膜測厚儀為舊廠之機台，現新廠已有一台新的 NK1500-薄膜厚度分析儀，其可選定固定點來量測（舊廠之 n&k-薄膜 測厚儀機需用手移位抓點），故較舊廠機台更為精準且方便其機台外 型如圖 2.7。

2.4 化學機械研磨基本參數

(5) 研磨墊清洗頻率、時間、速度(Pad Conditioning Frequency, Time, Velocity)。

(6) 研磨墊壓縮性(Pad Compressibility)。

(7) 研磨墊彈性模數(Elastic Modulus)。

(8) 研磨墊硬度、厚度(Pad Hardness / Thickness)。

(9) 拋光擺動模式(Polish Oscillation Pattern)。

(10)背壓(Back Pressure)。

(11)薄膜應力(Film Stress)。

(12)薄膜硬度(Film Hardness)。

(13)摩擦力(Frictional Forces)…等等。

化學參數主要影響來自研磨漿料(slurry)，主要參數有[1]:

(1) 研磨漿料之成分(Slurry Composition)。

(2) 研磨漿料之顆粒大小分佈(Slurry particle size distribution)。

(3) 研磨漿料之 PH 值。

(4) 研磨漿料之黏滯性(Viscosity)。

(5) 研磨粉體之硬度(Abrasive Hardness)。

(6) 研磨漿料之顆粒懸浮穩定度(Stability of the abrasive suspension)。

(7) 研磨墊材質(Pad composition)。

(8) 晶圓薄膜之成分(Film Composition) …等等。

後產生晶圓周圍與晶圓中間不平坦的移除問題。

再加上對於不同的研磨材料，必須使用不同的研磨漿料，而如何 控制研磨漿料的成分及濃度，也就成為一極需解決的問題。故不同的 研磨材料，其主要的猜數就有所不同，而參數間也會產生交互作用，

亦增加 CMP 製程的困難度，控制參數，進而得到最大的研磨效益也就 成為值得研究的主題之一。

2.5 研磨漿料的配置

化學機械研磨機台在研磨不同的材料時，必須使用不同的研磨漿 料，如：二氧化矽需用 PS2515＋DI Water 來研磨，銅需用三氧化二 鋁 3%＋硝酸 2%＋DI Water 來研磨……等，但是目前卻沒有可用以同 時研磨二氧化矽和銅的研磨漿料。其中銅的研磨漿料可以研磨二氧化 矽，而返之則否，因此工程師建議以銅的研磨漿料的配方加以改變比 例（其中由於機台耐酸性的問題，必須將硝酸的濃度配置在 7%以下，

以免造成機台毀損），使之可以在研磨銅及二氧化矽時的移除率可以 極為接近，配置流程圖如圖 2.8。

第三章 實驗設計法與模型建立

響極小。

應，則重複使得實驗者可以得到更精確的效應估計值。

隨機化是實驗設計中使用統計方法的背後基石。所謂的隨機化，

我們是指實驗材料的配置及各個試驗的進行順序二者。統計方法要求 觀測值(或誤差值)為分配獨立的隨機變數。隨機化的過程通常可以確 保這個假設成立。實驗透過適當的隨機化，亦有助於（平均消除 (average out)）可能出現的外來因子的干擾。一般而言，隨機實驗 順序可由亂數產生器(random number generator)產生。

區集劃分是一個設計技巧，它用於眾多因子比較時，改善比較的 精確度。區集劃分常用於減低或者消除干擾因子(nuisance factors) 形成的變異。干擾因子影響實驗結果，但是這種影響並不是我們所關 心的。一般而言，區集是一組相對均齊的實驗條件，干擾因子的每一 個水準為一個區集。最後，實驗者基於統計設計，將觀察值分為若干 組，每一組在一個區集實驗。

以上所提的三個實驗設計的基本原理是每一個實驗必須包含的 重要部份[9]。

3.2 最小平方誤差法原理

2~6psi 之間、轉速設定在 20~40rpm 之間、而流速設定在

150~250ml/min 之間，其中壓力以 2psi 為弱、4 psi 為中、6 psi 為

為弱、200ml/min 為中、250ml/min 為強，以此為輸入再以 MATLAB7.0 建立模型。如圖 3.2。

第四章 實驗概況

研磨二氧化矽時為 PS2515(Planar Sorf 2515)是一種鹼性研磨液，

全名二氧化矽化學機械研磨液，其主要成分有：二氧化矽、氫氧 化鉀和水；而研磨銅時則使用三氧化二鋁、硝酸和水配置出之研 磨液。

（2） 化學機械拋光後清洗機 (無塵室 10K 級)

本機台為美國 Solid State Equipment Corporation (SSEC)公司 所生產，型號為 50 Evergreen Cleaner 機台，以 DI water 清洗然後 高速旋乾研磨後之晶圓。

（3） 熱場發射掃描式電子顯微鏡（非無塵室）

本機台（圖 2.3）量測方式如第二章所述，可量測晶圓的純 粹厚度（由於折射之原因，n&k 無法樑側較厚之金屬厚度），但 由於必須先行破片，故量測完之晶圓無法繼續使用。

（4） n&k 薄膜測厚儀(無塵室 10 級)

本機台（圖 2.5）是利用光學波長的原理來量出薄膜之厚度，

具有 3 個光學頭，機器型號為 n&k analyzer 1200，可量測 6 吋以 下，單/雙層之晶圓，其缺點為量測點必須用手移動，因此研磨 前後之量測，不易取到同一點，而取點法如圖 4.1。

（5） NK1500-薄膜厚度分析儀（無塵室 100 級）

本機台（圖 2.6）量測原理同前述之機台，但由於可以使用 機台鎖定量測點，故較前述之機台準確。本機台未近數月新開放 之機台，開放前敝人實驗已有部分完成，固本論文同時使用新舊 2 種機台。

4.2 實驗材料

二氧化矽之控片使用 PS2515(Planar Sorf 2515)溶液以一比 一的比例來與去離子水(DI Water)混和調配來研磨，而控片之研

4.3 實驗規劃及步驟

第五章 各模型製作及比較

5.2 移除率下降率的模型建立

5.3 SiO

2

控片的移除率模型建立

2.28281 0.10372 0.00988 0.05756 * 0.00006 *

0.00132 * 0.26817 0.00368 0.0000001 7.31771

0.092

表 5.31，所得之實驗數據如表 5.32~表 5.58。

0.22706 0.00041 0.00658 0.00151 * 0.00024 * 0.00002 * 0.02097 0.00034 0.00005 1.02829 0.116

RR F S R F S S R

2

ˆ

2

ˆ

0.93541 即為 93.5%，而樣片的適配度為 0.95794 即為 95.8%，由此 是配度可得知此二模型均為非常接近實驗之模型。

SiO2

5.6 不平坦度之研究

0.00007 0.00008 0.00002 0.00001 * 0.0000003 * 0.000002 * 0.00004 0.000001 0.00000001 17.8529

NPI F S R F S S R

2 2 2

0.00081 0.00001 0.00001 0.00001 * 0.000002 * 0.000001 * 0.00007 0.000001 0.00000004 22.0972

NPI F S R F S S R

F R F S R δ

= − − − − −

+ + + + + +

在此中 NPI 為移除率、F 為正壓力、S 為轉速而 R 為研磨液流速。

而兩種晶圓之不平坦度由公式可得知，除了常數項為二位數外，

其餘皆為小數點後四位以後，相比之下之值極小，故可忽略。

因此可得知不平坦度與改變之變數之關係極小，因此可以忽略不 計。

5.7 模型間關係概況

由前述之兩大模型可得知，由於有三種不同的變換參數，而參數 間又互相影響，再加上移除率的下降，造成有十種以上不同且無方程

由前述之兩大模型可得知，由於有三種不同的變換參數，而參數 間又互相影響，再加上移除率的下降，造成有十種以上不同且無方程

在文檔中 化學機械研磨製程之控片與樣片之移除率及不平坦度預測與分析 (頁 16-0)