第一章 研究動機
現今積體電路的趨勢，是往較大尺寸矽晶片及較小的線寬
發展，以臺灣半導體產業來說，目前臺灣半導體量產最先進的 製程是使用 12 吋晶圓，線寬為 65 奈米或 65 奈米微縮版 55 奈 米為最小線寬，用銅做為連接導線的製程。一般是 0.13 微米 以下的製程才會使用銅來做為金屬導線材料。
依目前全球前二大的晶圓代工廠(Foundry)第二季季報中 可發現，臺灣積體電路公司(台積電)和聯華電子公司(聯電)其 線寬大於 0.13 微米的比重仍超過 50%。換言之使用鋁做為金屬 導線製程仍占絕大部份 。但由於鋁製程技術日趨成熟，平均 銷售單價 ASP(Average Selling Price)快速下滑，為維持競爭 力，各晶圓代工廠莫不努力降低成本及增加良率來爭取 IC 設 計公司(IC design house Fabless company )或整合元件製造 公司(IDM Integrated Device Manufacturer)之代工定單。
本論文中，將針對鋁銅導線製程做改善，其方向有兩個:
一為增加鋁銅薄膜的覆蓋面積，藉以增加小 dice 產品位於晶 圓邊緣之良率。二為鋁銅薄膜缺陷的改善，論文中將針對兩種 缺陷做改善，其分別為＂鬍鬚狀缺陷＂(whisker defect)及＂
薄膜內微粒缺陷＂(in film particles defect)做改善並探討 其對產品良率之影響。
在這論文中主要分做幾個章節。第一章為研究動機。第二 章為文獻回顧及問題描述。第三章為實驗方法與量測。第四章 為結論。
表 1-1 臺積電不同製程所佔出貨比重 (資料來源 臺積電 2007 年第二季財務季報)
表 1-2 聯電不同製程所佔出貨比重 (資料來源 聯電 2007 年第二季財務季報)
第二章 文獻回顧及問題描述
2.1 陰影效應(shadowing effect)成因
一 般 半 導 體 廠 均 是 用 物 理 氣 相 沈 積 法 (PVD Physical Vapor Deposition)來 沈 積 鋁 銅 薄 膜 ， 雖 然 化 學 氣 相 沈 積 法 (CVD Chemical Vapor Deposition)也可用來沈積鋁銅薄膜，
但因為 PVD 鋁的品質較高且其導線電阻率較低，及最重要的 PVD 沈積法較易沈積鋁銅合金，所以 PVD 鋁被廣泛應用於半 導體工業。
鋁銅薄膜中，銅所佔的比例約是 0.5%，銅的濃度越高，
電子遷移(Electromigation)的抵抗力就愈佳。然而較高的銅 濃 度 會 讓 金 屬 蝕 刻 製 成 更 為 困 難 。 因 為 金 屬 蝕 刻 製 程 中 銅 的 副 產 品 — 氯 化 銅 (Copper Chloride) ， 其 揮 發 性 很 低 且 容 易 停留在晶圓表面而形成不需要的殘餘物(圖 2-1)。蝕刻殘餘物 會造成晶圓的缺陷並影響 IC 晶片的生產良率，通常需要額外 的濕式去除浮渣步驟來移除這些殘餘物。
圖 2-1 銅殘留缺陷
美 商 應 用 材 料 公 司 (APPLIED MATERIALS) 所 生 產 的 Endura VHP Al-PVD (圖 2-2)系統廣泛被晶圓代工廠所使用，
但其鋁銅合金沈積反應室是用夾鉗(Clamp)來固定晶圓，為避 免 沈 積 鋁 銅 薄 膜 時 ， 鋁 銅 薄 膜 沈 積 到 Clamp， 造 成 晶 圓 和 Clamp 相連接而導致傳送晶圓時黏片甚至是破片問題，所以會 有一個類似屋簷的設計來避免上述情形。見圖 2-3
圖 2-2 Endura VHP PVD 的俯視圖 (資 料 來 源 美 商 應 材 )
圖 2-3 clamp 屋簷示意圖
因為屋簷的設計會造成＂陰影效應＂(shadowing effect) 圖 2-4。 陰 影 效 應 使 位 於 晶 圓 邊 緣 的 鋁 銅 薄 膜 偏 薄 而 造 成 小 dice的產品位於晶圓邊緣的良率下降。圖 2-5~2-8 是用SEM檢 查鋁銅薄膜位於晶圓邊緣沈積 8000Ao的厚度。
位於晶圓 2mm處完全沒有鋁銅薄膜。位於晶圓 2.5mm處鋁 銅薄膜厚度為斷斷續續厚度約為 0~1500Ao。位於 3mm處厚度 為 4000Ao。位於 4mm厚度則為 8000Ao。
圖 2-4 陰影效應示意圖
沒 有 鋁 銅 薄 膜
圖 2-5 距晶圓邊緣 2mm 處(center)
有 些 微 鋁 銅 薄 膜
圖 2-6 距晶圓邊緣 2.5mm 處(center)
鋁 銅 薄 膜 偏 薄
圖 2-7 距晶圓邊緣 3mm 處(center)
正 常 厚 度 鋁 銅 薄 膜
圖 2-8 距晶圓邊緣 4mm 處(center)
圖 2-9 和 2-10 是夾鉗於機器手臂將晶圓送入反應室和加 熱板升起準備沈積鋁銅薄膜的示意圖，圖中可看出夾鉗遮蔽的 地方鋁銅薄磨將無法覆蓋，而形成所謂的陰影效應 圖 2-11。
陰影效應將造成晶圓邊緣的產品良率下降
圖 2-9 機器手臂將晶圓送入沈積反應室
圖 2-10 加熱板升起夾鉗固定晶圓
圖 2-11 陰影效應
2.2 鬍鬚狀缺陷(whisker defect)生成機制探討
我們在鋁銅薄膜沈積後，在缺陷檢查時發現於鋁銅薄膜會 有鬍鬚狀缺陷(whisker defect)(圖 2-12) 。鬍鬚狀缺陷是由 於收縮應力(compressive stress)而產生，其生成原因是二氧 化矽(SiO2)的熱膨脹係數為
α(SiO2)=0.5X10-60C-1而鋁的膨脹係數為
α(Al)=23.2X10-60C-1在較高的沈積溫度下沈積鋁銅薄膜，例如 在攝氏 300 度，當晶圓冷卻至室溫時，鋁銅薄膜會比二氧化矽 收縮的更多，因為鋁的膨脹係數較高。鋁銅薄膜受到收縮應力 影響，鬍鬚狀缺陷便會由晶粒(grain size)和晶粒之間生成(圖 2-13)，我們發現鬍鬚狀缺陷於較大的鋁銅合金晶粒才較易會 發生，而合金晶粒的大小和鋁銅薄膜的沈積溫度有關。溫度越 高顆粒越大，或是鋁銅薄膜的厚度越厚， 鬍鬚狀缺陷也就越 容易發生。
圖 2-12
鬍鬚狀缺陷照片
圖 2-13
鬍鬚狀缺陷生成機制圖
2.3 薄膜內微粒缺陷(In film particle defect) 生成 機制探討
我們在鋁銅薄膜沈積後，在缺陷檢查時發現於鋁銅薄膜會 有如圖 2-14，缺陷。經用能量色散 X 射線分析(EDX energy dispersive X-ray analysis) 其成份為 Ti 和 TiN。(圖 2-15) 故薄膜內微粒缺陷是 Ti 靶材於沈積 Ti/TiN 薄膜時所落下。
圖 2-14 鋁銅薄膜 In film particle
圖 2-15 鋁銅薄膜 In film particle EDX
第三章 實驗方法與量測
3.1 鋁銅薄膜陰影效應改善
這次改善的機台是美商應用材料 Endura HP system PVD。
3.1.1 鋁銅薄膜製程介紹
由 圖 3-1 可 看 出 鋁 銅 薄 膜 的 沈 積 是 由 多 腔 室 (Cluster Chamb
一個標準的 PVD 的連線金屬化製程涵蓋了下列幾個步驟:
用於濺鍍鋁銅合金，本節中會介紹濺鍍鋁銅合金製程及沈積反 應室的改造過程。並比較新的反應室夾鉗和舊的反應室夾鉗對 產品良率的影響。
ers)所 共 同 組 成 的 ， 這 是 因 為 PVD於 沈 積 鋁 銅 薄 膜 時 反 應室需要達到高度的真空狀態，以將污染物降到最低限度，而 完整的鋁銅薄膜一共有五層薄膜，共需要至少三個反應室來完 成 ， 特 別 是 鋁 銅 沈 積 製 程 的 時 候 。 必 須 要 達 到 超 高 真 空 (低 於 10-9 torr)的壓力來沈積鋁銅薄膜。所以使用多腔室反應室來沈 積鋁銅薄膜。
圖 3-1 美商應材 PVD 機台示意圖
1. 除氣(De-gas)步驟(Chamber E or F):
在開始 PVD 製程之前，將晶圓加熱至夠高的溫度，
以 驅 除 吸 附 在 晶 圓 表 面 的 氣 體 與 濕 氣 ， 否 則 ， 在 沈 積 製 程 期 間 所 吸 附 的 氣 體 與 濕 氣 會 逐 漸 逸 出 (Outgassing)，
會 引 起 嚴 重 的 污 染 進 而 導 致 所 沈 積 的 金 屬 薄 膜 帶 有 高 電 阻率。
2. 預洗(預先清洗)(Pre-clean Chamber E or F )步驟：
在 金 屬 沈 積 之 前 ， 需 要 用 一 個 射 頻 蝕 刻 的 步 驟 來 移 除 在 金 屬 表 面 上 的 原 生 氧 化 層 以 降 低 接 觸 窗 電 阻 。 移 除 原 生 氧 化 層 是 很 重 要 的 ， 因 為 金 屬 氧 化 物 像 是 氧 化 鋁 (Al2O3)和 氧 化 鎢 (WO4) ， 就 有 非 常 高 的 電 阻 率 。 若 沒 有 一 個 濺 射 蝕 刻 製 程 來 移 除 原 生 氧 化 層 ， 則 接 觸 窗 電 阻 會 變得很高，而這將影響IC晶片的性能和可靠度。(圖 3-2)
圖 3-2 預洗製程示意圖
3.氬濺射(Argon Sputtering Chamber C or D):
是 射 頻 蝕 刻 製 程 的 標 準 步 驟 。 在 氬 電 漿 中 ， 氬 離 子 會 受 到 射 頻 功 率 而 加 速 。 氬 離 子 會 轟 離 。 這 個 步 驟 會 使 金 屬 暴 露 在 高 真 空 之 下 ， 同 時 高 晶 圓 準 備 進 行 金 屬 沈 積 。 射 頻 蝕 刻 製 程 也 可 以 把 接 觸 窗 ／ 金 屬 層 間 之 接 觸 窗 孔 底 部 和 側 壁 的 聚 合 體 殘 餘 物 移 除 。 在 矽 玻 璃 蝕 刻 製 程 中 使 用 氟 碳 化 合 物 的 蝕 刻 氣 體 時 ， 氟 化 碳 聚 合 體 殘 餘 物 是 常 見 的 副 產 品 。 射 頻 蝕 刻 中 的 離 子 轟 擊 通 常 會 從 接 觸 窗 ／ 金 屬 層 間 之 接 觸 窗 孔 上 層 的 墮 落 剥 除 一 部 份 的 氧 化 物 ， 以 便 在 金 屬 沈 積 製 程 之 前 將 洞 口 傾 斜擴大來改進階梯覆蓋和栓塞填充。
4. PVD Button Ti/ TiN (Chamber C or D) 焊接層(welding layer)/阻擋層(barrier layer)/附著層(adhesion layer)沈 積:
在鋁銅薄膜 PVD 製程之前，會沈積一個鈦的薄層以降低 接 觸 電 阻 ， 因 為 鈦 可 以 補 捉 氧 ， 並 且 防 止 氧 與 鎢 或 是 鋁 產 生 鍵 結 而 行 成 高 電 阻 率 的 氧 化 鋁 或 是 氧 化 鎢 。 因 為 氮 化 鈦 有 低
的電阻率和良好的階梯覆蓋(step coverage)所以是被用來當 作附著層。
5.鋁銅薄膜 PVD:(Chamber 2 or 3):
鋁 銅 薄 磨 沈 積 需 要 一 個 超 高 的 真 空 狀 態 以 達 到 低 的 薄 膜 電 阻 率 。 在 反 應 室 的 幫 浦 一 開 始 運 做 時 ， 空 氣 會 自 真 空 反 應 室 中 抽 出 。 在 反 應 室 內 部 的 氣 體 殘 餘 物 主 要 來 自 大 氣 ， 如 氮 氣(N2)和氧氣質O2) 。當反應室壓力銳減到毫托(mTorr)的 範 圍 時 ， 大 部 份 的 氣 體 殘 餘 物 將 不 再 是 來 自 空 氣 ， 而 是 來 自 反 應室壁之吸附氣體的釋氣做用(Outgassing) 。濕氣是這些氣 體 的 殘 餘 物 之 一 ， 也 是 最 難 被 消 除 的 。 假 如 濕 氣 在 鋁 銅 薄 膜 濺鍍沈積製程期間就存在的話，鋁原子將會和H2O殘餘物產生 反應而形成氧化鋁(Al2O3) ，它是很好的絕緣體。微量的氧和 鋁 銅 合 金 薄 膜 結 合 會 顯 著 地 增 加 薄 膜 的 電 阻 率 。 因 此 ， 為 了 達 到 高 品 質 低 電 阻 的 鋁 銅 薄 膜 ， 製 程 反 應 室 要 達 到 非 常 高 的 真 空 狀 態 ， 以 將 反 應 室 內 部 的 濕 氣 降 到 最 低 的 程 度 。 圖 3-3 為PVD Chamber 構造圖。
圖 3-3 物理氣相沈積反應室構造圖
6. PVD Top Ti/ TiN (Chamber 1 or 4)由於鋁的反射係 數 很 高 會 造 成 鋁 銅 薄 膜 於 定 義 導 線 範 圍 時 解 析 度 下 降 ， 故 用 較低反射係數氮化鈦來做為抗反射層。
3.1.2 新 的 物 理 氣 象 沈 積 反 應 室 夾 鉗 (New PVD Chamber Clamp)
PVD 鋁銅合金 Chamber 一共有六個夾鉗(圖 3-4) ，這 六 個 夾 鉗 因 為 是 和 反 應 室 加 熱 板 為 一 模 組 設 計 ， 所 以 無 法 變 更 其 數 量 和 大 小 面 積 。 故 主 要 改 變 的 是 屋 簷 的 長 度 由 原 來 的 3mm(直徑 194mm)改為 1mm(直徑 198mm) (圖 3-5)如此便可減 少陰影效應，增加鋁銅薄膜覆蓋的面積，改善小 dice 產品於 晶圓邊緣產品良率。
圖 3-4 PVD Chamber 示意圖 實際 Chamber
圖 3-5 PVD Clamp 由 3mm 改為 1mm 示意圖
為 達 到 鋁 銅 薄 膜 最 大 面 積 覆 蓋 率 ， 期 間 曾 嘗 試 將 直 徑 長 度由 194mm 增加到 199mm(8 吋晶圓直徑長為 200mm 因此距晶 圓邊緣為 0.5mm)，但實驗發現鋁銅薄膜會沈積到反應室的加 熱板上(圖 3-6)如此會有晶圓和加熱板黏片及破片的疑慮，故 最後是以直徑 198mm(距晶圓邊緣 1mm)為實際可用的長度。圖 3-7 是新舊夾鉗鋁銅薄膜沈積比較圖，由晶圓邊緣鋁銅薄膜邊 緣顏色上的差異可很明顯地看出新舊夾鉗的差益。
圖 3-6 鋁銅薄膜沈積在加熱板
圖 3-7 新舊 Clamp 鋁銅薄膜沈積比較圖
3.1.3 鋁銅薄膜厚度量測
由圖 3-7 可藉由晶圓表面的顏色看出新舊夾鉗鋁銅薄膜 面積上的差異，我們將利用四點探針來量測新舊 Clamp 所沈 積鋁銅薄膜厚度的差異。
導 電 薄 膜 通 常 是 多 晶 態 結 構 。 金 屬 導 電 率 以 及 反 射 係 數 跟 晶 粒 尺 寸 (grain size)有 關 ， 通 常 較 大 的 晶 粒 會 有 較 高 的 導 電 率 及 較 低 的 反 射 係 數 。 本 節 中 將 用 測 試 片 來 量 測 薄 膜 厚 度。
要 直 接 非 破 壞 性 且 精 確 地 量 測 不 透 明 薄 膜 (如 鋁 銅 薄 膜 )的 厚 度 是 相 當 困 難 的 ， 在 聲 學 (Acoustic Measurement)方 法 被 引 進 之 前 ， 金 屬 薄 膜 厚 度 量 測 通 常 需 要 破 壞 性 的 量 測 方 法 在 測 試晶圓上執行。
薄 片 電 阻 (Sheet Resistance)是 傳 導 性 材 料 最 重 要 的 特 性 之 一 ， 尤 其 是 導 電 薄 膜 。 它 常 被 利 用 來 監 測 導 電 薄 膜 沈 積 製 程 與 沈 積 反 應 室 的 表 現 。 就 已 知 其 導 電 率 的 導 電 薄 膜 而 言 ， 其 薄 片 電 阻 的 量 測 廣 泛 的 被 用 來 確 定 薄 膜 厚 度 ， 因 為 薄 片 電 阻 的 量 測 比 起 實 際 的 厚 度 量 測 要 更 快 。 電 阻 率 是 材 料 最 基 本 的 一 種 特 性 。 就 一 個 電 薄 膜 而 言 ， 其 電 阻 可 以 藉 著 薄 膜 之薄片電阻與膜厚電阻的乘積而計算出來。
薄 片 電 阻 (Rs)是 一 種 定 義 的 參 數 。 四 點 探 針 是 最 常 使 用 的 工 具 ， 它 可 以 測 量 電 壓 與 電 流 並 且 計 算 出 薄 片 電 阻 。 藉 著 量測薄片電阻，我們可以計算出已知電阻率的薄膜厚度。
圖 3-8 長方體(a)和圓柱型(b)導線剖面圖
由圖 3-8(a) 所顯示的傳導線而言，其電阻可由以下計算出
R=ρ
L
A
其中 R 是電阻，ρ是導體的電阻率，L 是傳導線的長度，A 是 線的截面面積。假如電線是長方形的，如圖 3-8(a)所示，則 其橫截面的面積只需簡單地改變成寬度和厚度
(W x t)的乘積即可。
線電阻就可以表示成:
R=ρ
L
Wt
對一個方形的薄片而言，長度就等於寬度，L=W，因此它 們 會 互 相 抵 消 。 所 以 一 個 正 方 形 傳 導 薄 片 的 電 阻 ， 就 定 義 為 薄片電
阻(Rs)，可以表示成
Rs=ρ/ t
薄片電阻的單位是每平方歐姆(Ω / □ ) 。這裡的平方記號 (□ )只 是 表 示 它 是 一 個 方 形 的 電 阻 ； 與 方 形 的 尺 寸 並 沒 有 關 係 。 假 如 金 屬 薄 膜 的 厚 度 是 完 全 的 均 勻 ， 則 每 邊 長 度 為 一 微 米 之 方 形 薄 片 的 薄 片 電 阻 ， 將 會 與 每 邊 長 度 為 一 英 吋 的 方 形 薄片一樣。
四點探針(圖 3-9)是最常用來量測薄片電阻的工具。一個 電 量 的 電 流 會 施 加 在 兩 個 探 針 之 間 ， 而 電 壓 則 在 另 外 兩 個 探
個 常 數 項 ， 這 取 決 於 所 使 用 的 探 針 。 兩 個 探 針 之 間 的 距 離 為 S1=S2=S3=1mm。假如一個電流 I 被加在 P1 和 P4 之間，則 Rs=4.53 V/I 。在此 V 是 P2 和 P3 之間的電壓。假如電流是 加在 P1 與 P3 之間，則 Rs=5.75 V/I。
在此 V 是 P2 與 P4 之間的電壓。
圖 3-9 四點探針
鋁 銅 薄 膜 的 電 阻 率 是 已 知 的 ， 而 且 在 特 定 的 沈 積 狀 況 下 相 當 的 穩 定 。 因 此 ， 薄 片 電 阻 的 量 測 可 以 提 供 一 個 快 速 且 又 方便的方法來量測鋁銅薄膜的厚度。圖 3-10 是新舊夾鉗鋁銅 薄膜厚度的比較圖，於直徑 200mm 的晶圓上，量測 121 點，
相當於每點間距約 1.67mm 可看出新的夾鉗可將鋁銅薄膜沈積 在離晶圓邊緣 1.67mm 處， 舊的可沈積在約 3.3mm 處。晶圓 中間部份新舊夾鉗厚度幾乎無差異,新夾鉗約可增加( 99X99X π- 97X97Xπ)/ 97X97XπX100%=4.2%的鋁銅薄膜覆蓋面積。
圖 3-10 新舊夾鉗鋁銅薄膜厚度比較圖
3.1.4 SEM 量測新夾鉗所沈積之鋁銅薄膜厚度
圖是用 SEM CHECK 新 CLAMP 沉積 8000 埃厚度的鋁銅薄 膜，一共量三個點。分別取晶圓最邊緣處 0mm,1mm 和 2mm 處 可發現 0mm 處完全沒有鋁銅薄膜(圖 3-11)。1mm 處有約有數 百埃的厚度(圖 3-12)。2mm 處則約有 8000 埃，(圖 3-13)因此 新的 clamp 確實較舊的 clamp 濺鍍覆蓋較廣的鋁銅薄膜。
沒 有 鋁 銅 薄 膜
圖 3-11 距晶圓邊緣 0mm 處(center)
圖 3-12 距晶圓邊緣 1mm 處(center)
有 些 微 鋁 銅 薄 膜
正 常 厚 度 鋁 銅 薄 膜
圖 3-13 距晶圓邊緣 2mm 處(center)
3.1.5 新夾鉗沈積之鋁銅薄膜反射係數量測
反 射 係 數 是 金 屬 薄 膜 的 一 項 重 要 特 性 。 就 一 個 穩 定 的 金 屬 化 製 程 而 言 ， 沈 積 薄 膜 的 反 射 係 數 應 該 要 保 持 在 接 近 常 數 的 範 圍 之 內 。 反 射 係 數 在 製 程 期 間 的 改 變 即 表 示 製 程 狀 況 的 一 個 走 勢 。 反 射 係 數 是 薄 膜 的 晶 粒 尺 寸 與 表 面 平 滑 度 的 函 數 ， 而 且 需 要 加 以 控 制 。 一 般 而 言 ， 晶 粒 尺 寸 較 大 則 反 射 係 數 較 低 。 而 愈 平 滑 的 金 屬 表 面 就 會 有 愈 高 的 反 射 係 數 。 反 射 係數的量測是一種簡單、快速且非破壞性的步驟。
反 射 係 數 對 微 影 技 術 製 程 而 言 是 相 當 重 要 的 ， 因 為 它 會 引 起 駐 波 效 應 ， 所 謂 駐 波 效 應 便 是 當 曝 光 的 光 線 從 光 阻 和 基 片 的 界 面 反 射 時 ， 它 會 與 入 射 進 來 的 曝 光 光 線 產 生 干 涉 (interference) ，並且會因為在不同的深度的建設性干涉及 破壞性干涉而產生駐波效應(Standing Wave Effect) ，駐波 的圖形在圖 3-14 中說明。
圖 3-14 駐波效應引起的光強度變化
駐 波 效 應 會 在 整 個 光 阻 產 生 週 期 性 的 過 度 曝 光 (Overexposure)與 曝 光 不 足 (Underexposure) ， 會 在 光 阻 側 壁上製造出起伏的波紋，如圖 3-15 所示。兩個波峰之間的距 離 就 是 曝 光 光 線 的 波 長 ( λ ) 除 以 2 乘 上 光 阻 的 折 射 率 ( 即 2nPR) 。
當 圖 型 尺 寸 較 大 時 ， 駐 波 效 應 就 不 是 一 個 主 要 的 關 鍵 。 當 最 小 尺 寸 縮 小 時 ， 有 幾 種 方 法 可 以 用 來 降 低 反 射 所 導 致 的 駐 波 效 應 。 (1)在 光 阻 內 添 加 染 料 以 減 少 反 射 強 度 。 (2)在 晶
圓 表 面 沈 積 金 屬 薄 膜 當 做 抗 反 射 層 (Anti-reflection coating layer) ，以減少及降低來自晶圓表面的反射。鋁銅 薄膜便是採用第二種方法，於鋁銅薄膜沈積後再沈積 Ti/TiN 層，良做為抗反射層。
抗 反 射 層 鍍 膜 (ARC)在 金 屬 圖 案 化 製 程 中 是 非 常 必 要 的 ， 特別是鋁的圖案化製程，因為鋁有非常高的反射係數（180 至 220%，相對於矽）。
圖 3-15 駐波在光阻上的效應
反 射 係 數 可 以 藉 著 集 中 一 道 光 束 照 在 薄 膜 表 面 上 ， 來 量 測 反 射 光 束 的 強 度 。 反 射 係 數 的 量 測 結 果 通 常 是 採 用 以 矽 為 基礎的相對值。
這次反射係數量測是由晶緣邊緣開始量起 ，每 0.5mm 量 測一次共量 10 點後於晶圓中央取一點後再依相同方式於晶圓 另半邊取 10 點。新舊夾鉗的反射係數比較圖(如圖 3-16)。可 看出新的夾鉗確實可增加鋁銅薄膜沈積的面積，且反射係數和
圖 3-16 新舊夾鉗鋁銅薄膜反射係數比較圖
3.1.6 WAT 開路良率量測
本節是實際量測 WAT(wafer acceptance test)測試項目 中 ， 第 一 層 金 屬 導 線 有 關 的 開 路 良 率 測 試 。 這 種 測 試 線 路 是 為 於 晶 圓 切 割 道 上 (Scribeline),一 般 金 屬 導 線 測 試 電 路 有 兩種(圖 3-17 ,圖 3-18) 。圖 3-17 為蛇型測試電路，其測試 方試很簡單，便是直接將探針於 PAD 中量測電路有無導通。
其 導 線 線 寬 及 導 線 間 距 會 隨 著 不 同 金 屬 層 及 不 同 製 程 技 術 而 有 不 同 ， 一 般 是 寫 在 設 計 準 則 中 (Design Rule) 為 半 導 體 廠 的機密之一。
圖 3-17 WAT 金屬導線開路測試電路(蛇型)
圖 3-18 是半導廠較常用的測試電路，其圖案像是互相交 錯的梳子，所以其電路稱之為梳子結構(Comb) 。這種結構的 好處是一種電路可測試短路(Short)和開路。在寶貴的晶圓上 此種測試電路可減少測試面積。
若是要測開路良率，其測試方法便是將探針置於 PAD1 和 PAD2 中量測。若是測有無短路則將一隻探針放於 PAD1 或 PAD2 另一隻探針則置於 PAD3 便可測試有無短路。
圖 3-18 WAT 金屬導線開短路測試電路(梳子型)
我們取六片(新舊夾鉗各三片)0.16μm 製程的產品來量 測開路良率可發現新的夾鉗開路 bin 良率高約 0.77%~1.25%
見 表 4-1。 由 於 鋁 銅 薄 膜 的 覆 蓋 面 積 增 加 ， 減 少 了 開 路 的 機 會。由表中可看出新的夾鉗的確能提升金屬導線開路 Bin 的 良率。
metal open yield
Slot 1 Slot 2 Slot 3
New Clamp 99.12% 99.62% 98.87%
Old Clamp 97.87% 98.50% 98.10%
Yield gain 1.25% 1.12% 0.77%
表 3-1 新舊夾鉗金屬導線開路良率比較表
3.1.7 產品良率量測
我們選取了 0.15 製程的產品 11 片當作實驗組(A 組 6 片 B 組 5 片)用 0.1mm 的夾鉗，32 片(A 組 16 片 B 組 16 片)用 原來 0.3mm 夾鉗當作對照組。實驗結果用新的夾鉗產品良率 約較使用舊的夾鉗高約 1.1%~4.5% 。可看出新夾鉗可增加產 品良率 ,若以分區來看良率其差益則更為顯著。
表 3-2 新舊夾鉗產品良率比較表
圖 3-19 A 組良率 trend chart 紅圈表示用新的夾鉗
圖 3-20 B 組良率 trend chart 紅圈表示用新的夾鉗
若是分區來比較良率便可明顯看出，新的夾鉗確實能大 幅改善晶圓邊緣產品的良率。
圖 3-21 晶圓分區圖
表 3-3 分區良率比較表
3.2 鬍鬚狀缺陷(Whisker Defect) 改善
我們發現 whisker defect 都發生於鋁銅薄膜厚度超過 8000 埃的產品上，由於鬍鬚狀缺陷於較大的鋁銅合金晶粒才較 易會發生。而合金晶粒的大小和鋁銅薄膜的沈積溫度及反應室 壓力有關(圖 3-21)。溫度越高顆粒越大(圖 3-22)，反應室壓 力升高，較大的合金晶粒也會增加(圖 3-23)，或是鋁銅薄膜的 厚度越厚， 鬍鬚狀缺陷也就越容易發生。
圖 3-22 鋁銅薄膜於攝氏 250 度反應室不同壓力晶粒大小分 佈比較圖
(資料來源 AMAT)
圖 3-23 鋁銅薄膜沈積溫度和晶粒大小趨勢圖 (資料來源 AMAT)
3-24 鋁銅薄膜晶粒大小和鋁銅薄膜厚度關係圖
3.2.1 反應室壓力和溫度對鬍鬚狀缺陷數目之影響
根據上節推論，我們檢查 PVD 機台參數後，發現 Whisker defect 數量和 PVD 機台晶圓背面壓力及晶圓背面溫度呈現強 烈的正相關。(圖 3-25，圖 3-26)
圖 3-25 鬍鬚狀缺陷數目和晶圓背面壓力關係圖
圖 3-26 鬍鬚狀缺陷數目和晶圓背面溫度關係圖
3.2.2 Thermal budget 對鬍鬚狀缺陷數目之影響實驗
因為PVD反應室於沈積鋁銅薄膜時整個反應室是處於高度 的真空狀態，所以晶圓背面的溫度是藉由介質氮氣(N2)來達到 晶圓升溫的目地，所以可以確認 “溫度＂是造成whisker defect的主因。因此控制溫度(thermal budget)是解決whisker defect主要研究方向。
由表 3-4 可發現 晶圓於鋁銅薄膜沈積前靜置於反應室 10 分鐘不僅 whisker defect 數目大幅增加，whisker defect size 也較其餘兩個條件大了許多。因此如何於沈積鋁銅薄膜前降低 晶圓溫度便是我們努力的目標。
表 3-4 熱累積對胡鬍狀缺陷的影響
3.2.3 使用冷卻製程對鬍鬚狀缺陷數目之影響實驗
沈積鋁銅薄膜前會先沈積鈦(Ti)/氮化鈦(TiN) 之後便會 沈積鋁銅薄膜，我們於沈積鋁銅薄膜前將沈積完 Ti/TiN 的晶 圓於 buffer chamber A 冷卻 30 秒後再沈積鋁銅薄膜，其示意 圖 3-27 。
圖 3-27 增加冷卻製程示意圖
表 3-5 為使用 cooling step 和使用原來製程 whisker defect 生成數目比較表。由表中可發現使用 cooling step 沈 積鋁銅薄膜即使靜置於反應室五分鐘仍完全沒有 whisker defect 的產生。
表 3-5 使用冷卻製程靜置反應室五分鐘和標準製程靜置反應室 五分鐘胡鬍狀缺陷數目比較表
我們取 50 片晶圓 分 2 組(C 組和 D 組)實驗，其中 12 片為 實驗組 38 片為對照組，發現用 cooling step 製程的實驗組 whisker defect 的數量都大幅的少於對照組(標準製程)(圖 3-28,圖 3-29,表 3-6)，因此增加 cooling step 製程確實可 有效減少 whisker defect 的數目。
圖 3-28 實驗 C 組標準製程和使用增加冷卻製程鬍鬚狀缺 陷數目比 較圖
圖 3-29 實驗 D 組標準製程和使用增加冷卻製程鬍鬚狀缺陷數
表 3-6 冷卻製程和標準製程鬍鬚狀缺陷數目比較表
3.2.4 Cooling step 製程其 Rs 及良率和標準製程比 較
在 WAT 測試項目中，我們主要是看金屬 Rs 值會不會因為 用 cooling step 製程後而有差異，由於晶圓背會中央會有 35sccm(Standard Cubic Centimeter per Minute)的氮氣流出 所以晶圓中央的溫度會較邊緣來的略低一些，故晶圓的中央處 Rs 值會較晶圓邊緣略高，可參考圖 3-30
圖 3-30 鋁銅薄片電阻分佈圖
我們將一片晶圓測五個點 (圖 3-31)由表可看出 cooling step 製程和標準製程其 Rs 值幾乎是沒有差異的。
圖 3-31 Rs 測試圖
圖 3-32 實驗 C 組 鋁銅薄膜 Rs trend chart
圖 3-33 實驗 D 組 鋁銅薄膜 Rs trend chart
表 3-7 冷卻製程和標準製程 Rs 值比較表
在良率比較方面 ，C 組 cooling step 製程較標準製程少 0.15%，D 組 cooling step 製程則較標準製程增加 0.09%， 兩 種製程其良率幾無差異 ，由此可知 whisker defect 並不是 殺手缺陷(Killer defect) ，不會造成良率損失 。
雖然 whisker defect 目前對於良率並沒有影響，但在缺 陷檢查時，少了 Whisker defect 的干擾，可讓我們易找出會 影響良率的缺陷，並針對這些缺陷加以改善以增加產品良率。
圖 3-34 實驗 C 組 良率 trend chart
表 3-8 冷卻製程和標準製程良率比較表
3.3 薄膜內微粒缺陷(In film particle defect)改善
由 2.3 可知薄膜內微粒缺陷其主要成份是 Ti 和 TiN，我們 研究方向主要是針對薄膜內微粒缺陷移除來做研究。
3.3.1 使用 2step 製程對薄膜內微粒缺陷數目之影 響實驗
鋁銅薄膜的結構如圖 3-36 這五層薄膜都是在 PVD 多腔反應 室由下至上依序完成。為改善缺陷數目，我們把 bottom Ti/TiN 完成的晶圓移出 PVD 反應室後送進晶圓清洗機台，晶圓清洗製 程完成後再送回 PVD 機台完成剩下的三層薄膜。 如圖 3-37
圖 3-36 鋁銅薄膜結構示意圖
圖 3-37 2 step 製程示意圖
我們取 69 片晶圓分 E F G 三組實驗，其中 E 組有 10 片為 實驗組 13 片為對照組，F 組有 11 片為實驗組 10 片為對照組，
G 組有 12 片為實驗組 13 片為對照組。實驗後發現用 2step 製 程的實驗組，缺陷數目都少於對照組(表 3-9 表 3-10)。
表 3-9 鋁銅薄膜薄膜內微粒缺陷數目
表 3-10 E F G 組 鋁銅薄膜薄膜內微粒缺陷 數目比較 表
3.3.2 晶圓清洗製程介紹
我們所使用的晶圓清洗是屬於濕式清潔法來清除薄膜內 微粒缺陷。其方式便是以一個會旋轉的真空夾頭吸住晶圓，同 時噴出高壓去離子水於晶圓上，利用液體與微粒間的應剪力將 微粒清除。
3.3.3 2step 製程和標準製程良率比較
在產品良率部份:使用 2step 製程的良率約較 1step 製程 的良率高 0.72%~1.57%。由實驗結果可以確認 ，使用 2step 的 鋁銅薄膜沈積製程可減少 In-film particle 的數目 ，並能增 加產品良率。(表 3-11)
表 3-11 E F G 組 2step 和 1step 製程良率比較表
第四章 結論
在 本 研 究 中 ， 藉 由 改 造 鋁 銅 薄 膜 沈 積 反 應 室 夾 鉗 的 設 計 我 們 有 效 減 少 了 ＂ 陰 影 效 應 ＂ 影 響 的 面 積 ， 使 鋁 銅 薄 膜 的 覆 蓋面積增加 4.1%，減少金屬導線斷線的機率 1%，增加了位於 晶圓邊緣的產品良率 1.1%~4.5%。在鋁銅薄膜缺陷改善方面:
藉 由 製 程 的 修 改 可 有 效 降 低 ,whisker defect 和 in-film particle 的產生，進而增加產品良率 0.72%~1.57%。
在 技 術 已 相 當 成 熟 的 鋁 銅 製 程 中 唯 有 成 本 控 制 及 良 率 提 昇 才 有 辦 法 替 公 司 創 造 更 大 的 利 潤 。 此 次 研 究 中 也 發 現 六 個 夾鉗會影響最接近 dice 的良率(視不同產品而定) 。以這次 實驗的產品為例，約會影響 8 個 dice(圖 4-1) 若在進沈積反 應室前將晶圓轉個 30 度，被夾鉗影響的 dice 便會減少為 4 個(圖 4-2) 。
圖 4-1 不轉角度受影響的 dice 達到 8 個
圖 4-2 轉 30 度受影響的 dice 減少為 4 個
由 於 夾 鉗 會 影 響 到 良 率 ， 所 以 減 少 夾 鉗 數 目 便 是 下 一 階 段努力的目標。目前是計畫將 6 個夾鉗改為 4 個。但由於夾 鉗 數 量 的 修 改 會 影 響 到 整 個 反 應 室 模 組 的 設 計 ， 如 加 熱 板 等，耗費較大。因此在效益上仍有待評估。
圖 4-3 6 個夾鉗位置
圖 4-4 4 個夾鉗位置
