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 往負的方向作移動，同時導致晶圓翹曲更甚，即嚴重影響了CMP 拋光時的接觸 壓力分佈。以上結果顯示，在CMP 對薄膜厚度不斷減少的過程當中，晶圓翹曲 的程度會隨著拋光時間而改變，進而影響MRR 或 N.U.的結果。

另外，本部分亦針對 CMP 後的試片進行量測，結果發現在 CMP 後可能因 為製程應力於薄膜表層的附加，即附加了張應力或壓應力，使得晶圓曲率變化有 著往正及負的方向作移動的兩種情形，如 Fig.5-25 所示，在此並無法找出其與 CMP 實驗條件的相關性，並且當中造成的原因可能亦包含著試片間的變異，故 若要進一步探討CMP 製程對次表面晶體曲率半徑的影響，則必須先排除上述的 試片間變異。

  Fig.5-24 蝕刻實驗的次表面晶體曲率半徑量測結果

~1617 nm  Cu Film 

SiO

2

 Film 

63

  Fig.5-25 蝕刻及 CMP 實驗的次表面晶體曲率半徑量測結果 5.3.1.3 基材對薄膜殘留應力分佈的影響 

在針對經過不同 CMP 實驗條件的銅薄膜晶圓進行薄膜殘留應力分佈量測 後，關於薄膜、基材及 CMP 製程對薄膜殘留應力分佈的影響可見於 Fig.5-26，

當中差異性的來源會有薄膜厚度、CMP 實驗條件及晶圓整體厚度等，可從其殘 留應力分佈間看出相當大的差異，各應力分佈散佈的範圍約為400 MPa，並且，

可發現各分佈間具有垂直方向作偏移的關係，此外，可從特定取樣深度(入射角 0.8 度)所得薄膜殘留應力與晶圓厚度的關係，發現到特定取樣深度的薄膜殘留應 力量測會受到晶圓整體厚度的影響，並且兩者有似線性的變化關係，即當晶圓厚 度較薄時，所得薄膜殘留應力會較小，而晶圓厚度較厚時，則所得薄膜應力較大，

如Fig.5-27 所示。

Fig.5-26 銅薄膜、基材厚度與 CMP 製程對薄膜殘留應力分佈的影響

64

Fig.5-27 晶圓整體厚度對銅薄膜殘留應力的影響 5.3.1.4 次表面晶體曲率半徑量測能力評估 

次表面晶體曲率半徑量測方面，針對不同試片進行量測，所量測的試片類型 及結果如Tab.5-4 所示，結果可發現到該量測方法的負曲率半徑可量測範圍約為 14 m 至 975 m，分別為由 2 吋雙面拋光矽晶圓及 SEMETECH/MIT 854AZ 圖案晶 圓量測所得，前者量測結果如Fig.5-28(a-b)所示，結果可發現其繞射峰偏移較大，

後者量測結果如Fig.5-29(a-b)所示，結果可發現其繞射峰幾乎沒有偏移發生，其 表示晶圓曲率半徑相當大，晶圓相當平坦而無翹曲。比較特別的是，可從部分量 測結果發現到晶圓正面與背面量測所得的曲率半徑，並不是呈現 Inverse 的關 係，而是取決於各自表面的狀態，即受到薄膜應力或表面加工的影響。

 

Fig.5-28(a) 雙面拋光矽晶圓次表面晶體曲率半徑量測之繞射峰偏移結果

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Fig.5-28(b) 雙面拋光矽晶圓次表面晶體曲率半徑量測之線性擬合結果

 

Fig.5-29(a) 854AZ 圖案晶圓次表面晶體曲率半徑量測之繞射峰偏移結果

 

Fig.5-29(b) 854AZ 圖案晶圓次表面晶體曲率半徑量測之線性擬合結果

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Tab.5-4 次表面晶體曲率半徑量測能力評估結果 Curvature Radius (m)

Case Sillicon

2" Bare Wafer (100)

Sillicon

6" Bare Wafer (100) Sample No. Sample A Sample B Sample C Sample D

Condition Polishing / Lapping

Double Side Polishing

Lapping/

Lapping Grinding/ Lapping Thickness (μm) 370 358 766 708

Front Side 69.21 (P) -17.97 (P) -149.08 (L) -88.96 (G) Back Side 194.1 (L) -14.38 (P) - -

Curvature Radius (m) Case Cu/TaN/SiO2/Si

2" Blanket Wafer (100)

854AZ Pattern Wafer Square 40mm (100) Sample No. Sample E Sample F Sample G

Condition Before CMP

After

Cu-CMP Without CMP After Cu-CMP Thickness (μm) 738 718 718 Back Side -77.35 (bottom) -56.43

(bottom)

CMP 製程特性與鈍化層生成相關的部分，則透過 X 光反射率(XRR)、GIXRD 及X 光電子能譜儀(XPS)的鈍化層厚度量測、奈米壓痕硬度量測、CMP 即時動態

67

XRR  ≒4.2 nm  ≒7.4 nm  ≒4.2 nm  0 

GIXRD  ≒2.87 nm －  －  － 

Surface Quality  Mirror  Mirror  Mirror  Little Mirror

 

XRR  ≒2.5 nm  ≒2.8 nm  ≒5.0 nm  ≒5.8nm 

GIXRD  ≒3.93 nm －  －  － 

Surface Quality  Mirror  Mirror  Mirror  Mirror 

5.3.2.2 銅薄膜奈米壓痕硬度量測 

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Tab.5-6 奈米壓痕硬度量測結果 Number Film Thickness

(nm)

Indentation Depth (nm)

Hardness

(GPa) Stdev.

Initial 1560.0 100-600 1.75 0.721 A-S4 1204.6 100-450 1.75 0.657 A-S5 887.1 100-350 1.72 0.833 A-S6 651.6 100-250 1.65 0.818 A-S8 480.3 100-190 1.62 0.925

Fig.5-30 銅薄膜奈米壓痕硬度與殘留應力之關係 5.3.2.3 拋光液特性對 PD‐Curve 的影響 

透過ECMP 系統執行 CMP 即時動態電化學分析實驗後，結果可發現兩款拋 光液呈現出不一樣的結果。拋光液(S-G-M)，當下壓力超過 2.5psi 以後，其腐蝕 電位不再隨著下壓力作改變，如Fig.5-31(a)所示，可能意味著其鈍化層幾乎被移 除或移除機制有所不同。而拋光液(Cabot C7092)，其腐蝕電位在下壓力高達 7.0 psi 時，其仍是隨著下壓力的增加作減少，如 Fig.5-31(b)，其表示鈍化層在此下 壓力操作範圍內仍是持續生成並被移除的。

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(a)

(b)

Fig.5-31 下壓力對拋光液極化曲線的影響(a) S-G-M (b) Cabot C7092 5.3.2.4 拋光墊硬度對 PD‐Curve 的影響 

比較軟拋光墊(Politex)及硬拋光墊(SC1345T)CMP 實驗的 PD-Curve 量測結 果，可觀察到兩者下壓力對腐蝕電位及電流密度的影響及差異，如Fig.5-32(a-b) 所示。腐蝕電位方面，即使在不同下壓力的條件下，兩者腐蝕電位變化的趨勢仍 是相當，而腐蝕電流密度方面，則可明顯的發現到硬拋光墊(SC1345T)實驗結果 的差異，其腐蝕電流密度較軟拋光墊(Politex)來的低，構成此結果的因素為拋光 墊太硬導致變形不易，使得拋光均勻度、拋光墊中的粗度峰有效接觸面積及數目 低落，從而導致移除率較軟拋光墊來的低的結果，並且，因鈍化層未被刮除，其 被鈍化層涵蓋及保護的區域較大，使得腐蝕電流較小所致。同時，結果當中可在 較低下壓力區間發現兩者腐蝕電流密度相當的現象，此即表示在低下壓力的條件 下，CMP 製程的表現對於拋光墊性質的敏感度較低所致。

70

   

Fig.5-32 拋光墊及下壓力對(a)腐蝕電位 (b)腐蝕電流密度的影響 5.3.3  晶圓翹曲對 CMP 製程 MRR 及 N.U.的影響 

本實驗使用了兩個銅薄膜晶圓，以四點探針階段性的量測個別CMP 累積拋 光時間的材料移除率分佈，探討軟拋光墊(Politex)及硬拋光墊(IC1000)對 MRR 及 拋光不均勻度(N.U.)的影響，實驗結果可發現軟拋光墊(Politex)的移除率分佈會 呈現出與拋光接觸壓力分佈相關的分佈，如Fig.5-33(a)所示，而硬拋光墊(IC1000) 的MRR 則皆是呈現如 U 形的分佈，此現象可能為晶圓翹曲(正的晶圓曲率)的影 響，導致其邊緣應力較大而移除率較高所致，如Fig.5-33(b)所示，但是，亦可能 是由於拋光盤面的平行度不佳所造成。

接著，透過材料移除率分佈可以評估拋光墊硬度對N.U.的影響，如 Fig.5-34 所示，結果顯示 N.U.會隨著剩餘薄膜厚度的減少及拋光時間的增加而提高，此 項結果可能與前述的薄膜應力特性會隨薄膜厚度變化有關係，並且，可發現硬拋 光墊均勻度較差，並且會與剩餘薄膜厚度有所關係。

(a) (b)

Fig.5-33 銅薄膜經(a) Politex 及(b)IC1000 拋光後殘留厚度分佈

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Fig.5-34 剩餘銅薄膜厚度與 N.U.的關係 5.3.4 ANSYS 模擬晶圓翹曲對 CMP 接觸壓力分佈的影響 

本模擬旨在探討晶圓曲率半徑、下壓力及拋光墊性質對接觸壓力分佈的影 響。首先針對軟拋光墊及硬拋光墊的接觸壓力分佈作模擬，軟拋光墊及不同晶圓 翹曲程度的接觸壓力分佈，模擬結果如Fig.5-35(a-c)所示，硬拋光墊及不同晶圓 翹曲程度的接觸壓力分佈，模擬結果如Fig.5-36(a-c)所示，以上模擬結果可發現 較硬的拋光墊會使得接觸壓力分佈對晶圓翹曲更為敏感，同時，晶圓的翹曲會造 成晶圓邊緣與中心接觸壓力分佈的差異，使得拋光均勻度變差，更值得注意的 是，當晶圓翹曲達一定程度時會使得晶圓邊緣發生與拋光墊未接觸的現象及明顯 的邊緣應力集中現象，如Fig.5-36(b)所示。

在有了不同晶圓翹曲程度所對應的接觸壓力分佈模擬結果後，即可探討晶圓 曲率半徑對平均接觸壓力的影響，平均接觸壓力為晶圓徑向接觸壓力分佈的平均 值。模擬結果可發現正及負的晶圓曲率半徑都有助於平均接觸壓力的提高，即有 助於MRR 的提升，但兩者各有不同的變化趨勢，應是由於晶圓翹曲導致接觸面 積變小所致，並且接觸壓力分佈及 N.U.會受到晶圓翹曲的影響。上述的晶圓曲 率半徑對平均接觸壓力的影響，即正曲率半徑範圍內的平均接觸壓力會隨著晶圓 曲率半徑變小而提高，而負曲率半徑範圍內的平均接觸壓力則會隨晶圓曲率半徑 的變大而提高，如Fig.5-37(a-b)所示。

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  Fig.5-35(a) 軟拋光墊(Politex)接觸壓力分佈模擬結果(1)

  Fig.5-35(b) 軟拋光墊(Politex)接觸壓力分佈模擬結果(1)

  Fig.5-35(c) 軟拋光墊(Politex)接觸壓力分佈模擬結果(2)

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Fig.5-36(a) 硬拋光墊(IC1000)接觸壓力分佈模擬結果(1)

  Fig.5-36(b) 硬拋光墊(IC1000)接觸壓力分佈模擬結果(1)

  Fig.5-36(c) 硬拋光墊(IC1000)接觸壓力分佈模擬結果(2)

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Fig.5-37 (a)軟拋光墊(Politex)晶圓曲率半徑對平均接觸壓力的影響

Fig.5-37 (b)軟拋光墊(Politex)翹曲量對平均接觸壓力的影響

75 塑性能大小為2359.99mm．N。

(5) 以 XRD 進行 Titanium Nitride 與 Tungsten 薄膜殘留應力量測，經程式估算結 為σRS=3000.1±130.2MPa 與 σRS=1312.8±126.1MP。

(6) 隨著拋光時間或薄膜厚度減少，薄膜應力及晶圓曲率會隨之改變，這將會造 除率實驗結果 MRR (AF-ECMP)=26.5 nm/min，與純銅板的移除率 27.7

(6) 隨著拋光時間或薄膜厚度減少，薄膜應力及晶圓曲率會隨之改變，這將會造 除率實驗結果 MRR (AF-ECMP)=26.5 nm/min，與純銅板的移除率 27.7

在文檔中 多層異質薄膜晶圓平坦化加工分析研究 (頁 66-0)