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研究生: 曾生雄
Tseng, Sheng-hsiung
論文名稱: 提升深次微米金氧半銅製程化學機械研磨(CMP)的厚度移除率及改善均勻度的細拋研磨系統最佳化之研究
Enhancing Remove Rate and Uniformity of The Deep Submicron CMOS Copper CMP Technology with Optimizing Soft Landing Polish System
指導教授: 方炎坤
Fang, Yean-kuen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 電腦與通信工程研究所
Institute of Computer & Communication Engineering
論文出版年: 2009
畢業學年度: 97
語文別: 中文
論文頁數: 100
中文關鍵詞: 研磨平台研磨墊溝槽銅製程化學機械研磨研磨壓力
外文關鍵詞: polishing platen leveling, polish pad grooves, Cu CMP, polishing pressure
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  • 本論文研究利用最佳化銅製程化學機械研磨的細拋研磨步驟,改善和提升化學機械研磨系統最重要研磨均勻度。在適當的研磨移除率下,獲取較佳的研磨均勻度,並改善銅金屬殘留、銅碟陷與氧化層侵蝕等。銅化學機械研磨含粗磨及細磨兩步驟;同時含有化學反應和機械力學兩大部分,是一個非常複雜的動態反應機制。利用粗磨步驟快速移除大部分銅金屬層,剩下的殘留的銅層則由細磨步驟負責精細的去除。但在細磨的部驟中將同時面對研磨金屬銅/阻障層/介電層及氧化物等不同材料的挑戰,因此細磨具有高度的挑戰性。本文係針對這個挑戰性作系統化最佳化的研究。吾人利用晶圓半導體廠八吋和十二吋所使用的美商應用材料所生產的銅製程化學研磨機(Mirra-Mesa),配合半導體廠的晶片生產製程技術,研究細磨製程研磨效率的改善;包括(1) 研磨壓力對研磨移除率和均勻度的影響,(2) 研磨平台對研磨移除率和均勻度的影響,(3) 研磨墊溝槽深度對研磨移除率和均勻度的影響。研究結果得到一個極佳化的細磨製程,歷經半導體工廠一年的實地驗證,確實有效。值得一提的是,這些研磨壓力的變更、研磨平台的平整度和研磨墊溝槽深度的控制,對厚度和均勻的最佳化改善並不需要重新研發設計機台設備或研磨材料,就可執行。

    In this thesis, we focused on the optimization of the soft landing polish step in a Cu chemical mechanical planarization (Cu CMP) process. With the optimized soft landing polish, one can achieve a better uniformity and less Cu residue, dishing, erosion, etc.
    Cu CMP has both bulk polishing and soft landing polish steps to flat wafer surface. During the CMP process, bulk polishing step removes the most Cu layer firstly, then using the soft landing polish step to eliminate the Cu residue preciously. However, the soft landing polish would face various materials such as Cu metal layer, barrier, dielectric layer and oxide during etc in the same time, thus should be paid more attention.
    In this work, we adopted the Cu CMP machine (Mirra Mesa, Applied Materials) commonly used in an 8” and 12” foundry for study. The optimization study includes (1) the effect polishing pressure on uniformity; (2) the effect of polishing platen leveling on uniformity; (3) the effect depth of polish pad grooves on remove rate and uniformity. After study in a production line for more than one year, we obtained an applicable and better procedure for the soft landing polish. It is worthy to note, the polishing working pressure modify and PAD platen surface leveling control and PAD surface groove depth control the remove rate and uniformity that be improved in the optimized procedure can be executed without change the design of CMP equipment.

    目錄 中文摘要 I 英文摘要 III 誌謝 V 目錄 VII 圖表目錄 X 第一章 導論 1 1-1 前言 1 1-2 研究動機 4 1-3 論文架構 4 第二章 化學機械研磨系統及量測系統 6 2-1化學機械研磨系統 6 2-1-1實驗設備 7 2-1-2細拋研磨化學機械研磨技術 7 2-2 銅製程設備的細拋研磨特性改善 8 2-2-1影響銅製程化學機械研磨特性主要因素 9 2-2-2銅化學機械研磨設備對細拋研磨特性之改善技術 9 2-2-3銅製程研磨設備製程評量條件及定義 9 2-3化學機械研磨量测儀器及原理簡介 11 2-3-1 API ( After Polish Inspection ) (顯微鏡)檢視 11 2-3-2 OnmiMap RS75/tc (厚度量測) 11 2-3-3研磨終點偵測(End point detect) 13 第三章 化學機械研磨頭施壓(Down force)的影響及設定最佳化 15 3-1化學機械研磨操作原理模型 15 3-2化學機械研磨頭分類 15 3-3研磨頭的結構 16 3-4研磨頭研磨壓力(Down force)影響理論 16 3-5研磨頭研磨壓力對晶片表面移除效率實驗 17 3-5-1研磨壓力對晶片表面研磨移除效率實驗 18 3-5-2研磨壓力對晶片厚度WIWNU/WTWNU實驗 19 第四章 化學機械研磨盤(Platen)平整度的影響及最佳化 24 4-1晶片與研磨平台研磨軌跡摹擬分析 24 4-1-1晶片與研磨平台研磨軌跡分析 24 4-1-2晶片與研磨平台研磨軌跡摹擬 25 4-1-3晶片研磨製程軌跡模擬 26 4-2研磨平台平坦特性對晶片表面移除效率實驗 27 4-2-1標準型研磨平台對晶片移除效率實驗 28 4-2-2非正常性研磨平台對晶片移除效率實驗 29 4-2-3特製研磨平台對晶片移除效率實驗 31 4-2-4 研磨平台研磨實驗結果 32 第五章 化學機械研磨墊(Polish PAD)表面溝槽深度的影響及最佳化 34 5-1化學機械研磨 (Polish PAD)主要功能 34 5-2化學機械研磨墊(Polish PAD)表面溝槽深度的影響 35 5-2-1化學機械研磨墊表面溝槽深度比對分析 35 5-2-2化學機械研磨墊溝槽深度對晶片厚度移除最佳化 36 第六章 結論及展望 39 6-1 結論及展望 39 參考文獻 41 ※ 附表 43 ※ 附圖 48 圖表目錄 表3-1 CMP研磨實驗參數表 43 表3-2 Retaining Ring 壓力變動壓力實驗結果表 43 表4-1 研磨平台#2研磨參數(1 psi) 44 表4-2 研磨平台研磨率直徑式量測比較表 44 表4-3 研磨平台研磨輪廓圖(Contour Map)研磨移除率量測比較表 45 表5-1 研磨墊(PAD) IC1010規格表 46 表5-2研磨實驗參數表 46 表5-3研磨液的成分 47 表5-4 PAD Groove實驗量測項目 47 表5-5 PAD的研磨片數效益比對表 47 圖1.1大馬士格法流程圖 48 圖1.2金屬導線研磨結構示意圖 48 圖1.3化學機械研磨前後的比較圖 49 圖1.4化學機械研磨步驟圖 49 圖2.1化學機械研磨系統簡圖 50 圖2.2化學機械研磨平台合和運動軌跡圖 50 圖2.3旋轉式化學機械研磨系統(Rotary)簡圖 51 圖2.4直線式化學機械研磨系統(Linear)簡圖 51 圖2.5 AMAT Mirra-Mesa機型簡圖 52 圖2.6 化學機械研磨模組簡圖 53 圖2.7 化學機械研磨平台(Platen)製程簡圖 54 圖2.8 化學機械研磨平台(Platen)功能圖 55 圖2.9 化學機械研磨平坦化影響要因圖 56 圖2.10 晶片表面檢驗點圖 56 圖2.11 RS75/tc 機台簡圖 57 圖2.12 長方形導線量測片電阻線路 58 圖2.13 四點直線陣列量測 58 圖2.14 49-Site Contour Map 59 圖2.15 Diameter Scan , Major Directions 59 圖2.16 雷射模組側視圖 60 圖2.17 視窗與研磨平台的上視圖 60 圖2.18 類比訊號系統簡圖 61 圖2.19 數位訊號系統簡圖 61 圖2.20 ISRM光學原理 62 圖2.21 ISRM 運作概要圖 62 圖3.1化學機械研磨操作模型示意圖 63 圖3.2化學機械研磨巨觀(Macro)及微觀(Micro)的簡圖 64 圖3.3研磨製程概要圖 65 圖3.4研磨頭分類圖 65 圖3.5晶背氣墊加壓方式的研磨頭結構圖 66 圖3.6研磨頭壓力分佈概要圖 66 圖3.7 CMP研磨頭載器之設計與晶圓邊緣之非均一性 67 圖3.8 CMP研磨頭壓力曲線圖 67 圖3.9 CMP研磨頭載器沒有固持環壓力PAD Edge承受壓力圖 68 圖3.10 CMP研磨頭載器有固持環壓力PAD Edge承受壓力圖 68 圖3.11 CMP研磨厚度去除率和均勻度趨勢圖 69 圖3.12 晶片直徑掃描厚度移除率剖面(圖) 70 圖3.13 晶片AM & Wafer ID 與銅殘留圖 70 圖3.14 Retaining Ring 壓力變動晶片表面厚度直徑量測圖 71 圖3.15 Retaining Ring 壓力變動晶片表面厚度移除3D量測圖 72 圖3.16 △P=1 psi,研磨厚度移除率剖面Box-plot圖 74 圖3.17 API邊緣缺陷點檢視圖 74 圖3.18 △P=3 psi,研磨厚度移除率剖面Box-plot圖 75 圖3.19 API部份缺陷點檢視圖 75 圖3.20 Cu CMP Cu-Total Loss 圖 76 圖3.21 Cu SEM Center & Edge Remaining THK差異 77 圖4.1 Kinematics of the Polisher 78 圖4.2 Platen 研磨運動模擬圖 78 圖4.3 Platen研磨軌跡模擬圖 79 圖4.4晶片研磨製程軌跡模擬圖 79 圖4.5研磨平台與晶片圖案研磨微觀圖式 80 圖4.6研磨平台結構圖式 80 圖4.7研磨平台平整度圖式 81 圖4.8正常研磨平台與軌跡模擬圖 82 圖4.9正常研磨平台平整度量測值 82 圖4.10正常研磨平台研磨移除率Diameter Scan Trend chart 83 圖4.11正常研磨平台研磨移除率輪廓和3D圖 84 圖4.12非正常研磨(Low edge)平台與軌跡模擬圖 85 圖4.13非正常研磨(Low edge)平台平整度量測值 85 圖4.14 非正常研磨平台研磨移除率Diameter Scan Trend chart 86 圖4.15非正常研磨(Low edge)平台研磨移除率輪廓和3D圖 87 圖4.16特製研磨(High edge)平台與軌跡模擬圖 88 圖4.17特製研磨(High edge)平台平整度量測值 88 圖4.18特製研磨平台研磨移除率Diameter Scan Trend chart 89 圖4.19特製研磨平台研磨移除率輪廓和3D圖 90 圖4.20研磨機ISRM reference signal 91 圖4.21研磨機Remove & Remain Thickness Diameter scan 92 圖4.22研磨機Remove & Remain Thickness 3D Map 92 圖5.1氧化物CMP 之機制 93 圖5.2 CMP Pad Type 94 圖5.3 CMP Pad Surface Patterning 94 圖5.4研磨墊與量測溝槽深度的位置 95 圖5.5研磨墊溝槽深度與研磨片數的變化 95 圖5.6延長研磨片數移除率比對趨勢圖 96 圖5.7研磨移除率與均勻度趨勢圖 96 圖5.8晶片研磨剖面圖 97 圖5.9研磨晶片1800片,晶片研磨剖面圖 97 圖5.10最佳晶片研磨剖面圖 97 圖5.11 Slurry particle impact map 98 圖5.12 PAD Life particle performance trend chart 99 圖5.13 PAD 延長片數與現行研磨缺陷數比對 99 圖5.14研磨墊溝槽深度與橫切圖 100

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