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研究生：	陳奕任 Chen, Yi-Ren
論文名稱：	金屬銅化學機械研磨之腐蝕缺陷量測與模型化 Erosion defect measurement and modeling of the copper CMP
指導教授：	李文熙 Lee, Wen-Shi
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	電機資訊學院 - 電機工程學系 Department of Electrical Engineering
論文出版年：	2007
畢業學年度：	95
語文別：	中文
論文頁數：	132
中文關鍵詞：	化學機械研磨、腐蝕模型
外文關鍵詞：	CMP, Erosion model
相關次數：	點閱：69 下載：13
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化學機械研磨後，常伴隨著碟型凹陷（dishing）和腐蝕（erosion）缺陷的產生。針對此兩種缺陷目前已有相當多的文獻來探討及研究，但至今尚未有一個較完整精確的模型可以來監控這些缺陷，因此本文將提出一個簡單且精確的腐蝕模型。
本文主要分為兩大部分。首先，本實驗分別測試1.不同的金屬線寬。2.不同的圖形密度。3.不同的晶圓位置。4.不同的研磨參數（分別增加下壓力與轉速）對實際腐蝕量的關係，並探討其原因。
第二，本文將提出一種簡單且精確的化學機械研磨-腐蝕模型，此模型是利用量測金屬線的電阻值並搭配簡單數學公式來對腐蝕（erosion）缺陷進行監控。原理是利用化學機械研磨後金屬線厚度和電阻值的關係來推導腐蝕的量。此外，本文也提出用簡單的電阻串並聯來模擬兩側的阻障層。此方法可適用於不同的金屬線寬、圖騰密度
和金屬層且準確性相當高，誤差大約都小於100Å。
最後，本實驗再分別改變下壓力與轉速來印證此模型的準確性，實驗結果也證明準確性很高。此模型對於分秒必爭的IC製造業尤其適合，因為其製程參數和線寬通常是固定的，因此對於兩側阻障層修正表也是固定的。

Chemical mechanical polishing (CMP) always accompany some defects – dishing and erosion. There are many papers talking about these two defects. However, for these two defects, there isn't a completed model to monitor them yet. Therefore, we will propose a simple and accurate erosion model in this thesis.
The thesis is composed of two parts. The first, each condition including different metal line widths, pattern density, wafer positions and polish recipes will be tested to verify the relation with erosion.
The second, we propose a new and accurate erosion model of the copper CMP –by measuring metal line resistance and taking it into some simple mathematic equations. This model uses the relation between metal line resistance and its thickness to calculate the value of erosion. Besides, we offer a new idea using resistance in parallel and series to simulate the barrier effects, too. This model is suitable for different metal line widths, pattern densities and process recipe. Additionally, its accuracy is high which the difference is less than 100Å.
Finally, we increase down-force and rotation speed to double check the accuracy of our model. The accuracy is still high. This model is suitable for mass-production especially because their metal line width and process is constant which deviation factor is constant either.

摘要（中文摘要）
摘要（英文摘要）
致謝
目錄
表目錄
圖目錄
第一章 緒論
1.1引言-為何需要化學機械研磨 ………………………… 1
1.2 研究動機、目的  ……………………………………… 3
1.3 文獻回顧  ……………………………………………… 6
第二章 半導體平坦化及化學機械研磨技術
2.1 化學機械研磨應用種類 ……………………………… 11
2.2 化學機械研磨技術 …………………………………… 12
2.2.1 化學機械研磨機制 ………………………………… 12
2.2.1.1 研磨墊介紹 ……………………………………… 13
2.2.1.2 研磨液介紹 ……………………………………… 17
2.2.1.3 研磨終點偵測（End point detect）……………… 23
2.2.1.4 磨後清洗 ………………………………………… 23
第三章 實驗規劃
3.1 實驗設備 ………………………………………………25
3.1.1 研磨墊 ……………………………………………… 26
3.1.2 研磨液 ……………………………………………… 27
3.1.3 整理器 ……………………………………………… 27
3.2 實驗晶圓製程與結構 ………………………………… 28
3.3 CMP研磨參數的設定 ………………………………… 30
3.4 實驗規劃 ……………………………………………… 34

第四章 腐蝕模型建立
4.1 腐蝕模型介紹 ………………………………………… 35
4.1.1 碟形凹陷及腐蝕之定義 …………………………… 35
4.1.2 腐蝕模型簡介 ……………………………………… 36
4.2	金屬厚度之修正……………………………………… 38
4.3 電阻率之修正 ………………………………………… 47
4.4 阻障層電阻率說明 …………………………………… 51
4.5 金屬面積之修正 ……………………………………… 52
4.6 腐蝕模型流程圖 ……………………………………… 54

第五章 實驗結果與討論
5.1	電路參數與腐蝕量的相關性 ……………………… 55
5.1.1	金屬線寬與腐蝕量的關係圖………………………55
5.1.2	圖形密度與腐蝕量的關係圖………………………57
5.1.3	晶圓位置與腐蝕量的關係圖………………………61
5.2	研磨參數與腐蝕量的關係圖  ………………………63
5.3  腐蝕模型實驗結果 …………………………………65
5.3.1 第一層金屬實驗結果 …………………………… 65
5.3.1.1 第一層金屬阻障層修正表………………………65
5.3.2第二層金屬實驗結果……………………………… 78
5.3.2.1 第二層金屬阻障層修正表……………………..78
5.3.3第八層金屬實驗結果……………………………… 91
5.3.3.1 第八層金屬阻障層修正表………………………91
5.3.4 改變研磨參數的實驗結果…………………………105
5.3.4.1研磨參數及晶圓測試位置………………………105
5.3.4.2 阻障層修正表 ………………………………… 105

第六章 結論

表目錄

表 2.1  現行市場上最常用的一些研磨墊參………………………16
表 2.2  研磨材料與使用之研磨液…………………………………17
表 3.1  IC1010規格表………………………………………………26
表 3.2  研磨液的成分……………………………………………  27
表 3.3  第一層金屬研磨參數-第一個研磨墊…………………… 32
表 3.4  第一層金屬研磨參數-第二個研磨墊…………………… 32
表 3.5  第一層金屬研磨參數-第三個研磨墊…………………… 33
表 3.6  改變研磨墊二，金屬銅研磨參數 ……………………… 33
表 4.1  大線寬阻障層模擬情形……………………………………43
表 4.2  小線寬阻障層模擬情形……………………………………44
表 4.3  大線寬阻障層修正表 …………………………………….45
表 4.4  小線寬阻障層修正表………………………………………46
表 4.5  電阻率修正表………………………………………………49
表 4.6  電阻率實際量測表…………………………………………50
表 5.1  大線寬阻障層修正表………………………………………69
表 5.2  小線寬阻障層修正表………………………………………70
表 5.3  第一層金屬中央位置實驗結果……………………………71
表 5.4  第一層金屬左一位置實驗結果……………………………72
表 5.5  第一層金屬左二位置實驗結果……………………………73
表 5.6  第二層金屬大線寬修正表…………………………………80
表 5.7  第二層金屬小線寬修正表…………………………………81
表 5.8  第二層金屬實驗結果，中央位置。………………………82
表 5.9  第二層金屬實驗結果，右一位置。………………………83
表 5.10 第二層金屬實驗結果，右二位置。………………………84
表 5.11 第二層金屬實驗結果，左一位置。………………………85
表 5.12 第二層金屬實驗結果，左二位置。………………………86
表 5.13 第八層金屬大線寬修正表…………………………………93
表 5.14 第八層金屬小線寬修正表…………………………………94
表 5.15 第八層金屬實驗結果，位置中央…………………………95
表 5.16 第八層金屬實驗結果，位置右一…………………………96
表 5.17 第八層金屬實驗結果，位置右二…………………………97
表 5.18 第八層金屬實驗結果，位置右三…………………………98
表 5.19 第二層金屬大線寬阻障層修正表  （使用研磨參數A）107
表 5.20 第二層金屬小線寬阻障層修正表  （使用研磨參數A）108
表 5.21 第二層金屬的實驗結果，位置中央（使用研磨參數A）109
表 5.22 第二層金屬的實驗結果，位置右一（使用研磨參數A）110
表 5.23 第二層金屬的實驗結果，位置右二（使用研磨參數A）111
表 5.24 第二層金屬的實驗結果，位置右三（使用研磨參數A）112
表 5.25 第二層金屬的實驗結果，位置中央（使用研磨參數B）113
表 5.26 第二層金屬的實驗結果，位置右一（使用研磨參數B）114
表 5.27 第二層金屬的實驗結果，位置右二（使用研磨參數B）115
表 5.28 第二層金屬的實驗結果，位置右三（使用研磨參數B）116
表 5.29 第二層金屬的實驗結果，位置中央（使用研磨參數C）117
表 5.30 第二層金屬的實驗結果，位置右一（使用研磨參數C）118
表 5.31 第二層金屬的實驗結果，位置右二（使用研磨參數C）119
表 5.32 第二層金屬的實驗結果，位置右三（使用研磨參數C）120









圖目錄

圖 1.1  大馬士格法流程圖 ……………………………………… 3
圖 1.2  金屬導線結構示意圖……………………………………. 4
圖 1.3  化學機械研磨前後的比較………………………………. 4
圖 2.1  CMP研磨系統………………………………………………13
圖 2.2  二氧化矽研磨機制示意圖……………………………… 18
圖 2.3  金屬之Pourbaix圖…………………………………………19
圖 2.4  鎢金屬之Pourbaix圖………………………………………21
圖 2.5  銅金屬之Pourbaix圖………………………………………22
圖 2.6  金屬之研磨機制示意圖………………………………… 22
圖 3.1  CMP研磨機台機台示意圖……………………………… 25
圖 3.2  IC1010外觀圖…………………………………………… 26
圖 3.3  鑽石整理器……………………………………………… 27
圖 3.4  為了提高準確性，此實驗分別測試不同位置………….29
圖 3.5  金屬層一與二的結構…………………………………… 29
圖 3.6  第八層金屬的結構……………………………………… 30
圖 4.1  碟形凹陷及腐蝕示意圖………………………………… 36
圖 4.2  腐蝕模型示意圖………………………………………… 37
圖 4.3  金屬線橫截面結構圖…………………………………… 38
圖 4.4  阻障層固定，不同線寬相對的片電阻值……………… 39
圖 4.5  阻障層修正模型………………………………………… 40
圖 4.6  阻障層修正後得到的新模型…………………………… 47
圖 4.7  公式4.2證明示意圖………………………………………48
圖 4.8  量測電阻率所使用的晶圓結構………………………….50
圖 4.9  電阻率隨電漿轟擊量而改變…………………………… 51
圖 4.10 大線寬面積差異 ………………………………………  52
圖 4.11 小線寬面積差異 ………………………………………  53
圖 4.12 腐蝕模型流程圖………………………………………… 54
圖5.1 第一層金屬，線寬與腐蝕量的相關性…………………  55
圖5.2 第二層金屬，線寬與腐蝕量的相關性…………………  56
圖5.3 第八層金屬，線寬與腐蝕量的相關性…………………  56
圖5.4 第一層金屬圖騰密度和腐蝕量的相關性…………………58
圖5.5 第二層金屬圖騰密度和腐蝕量的相關性…………………59
圖5.6 第二層金屬圖騰密度和腐蝕量的相關性…………………60
圖5.7 腐蝕量與不同圖形密度之示意圖…………………………61
圖5.8  晶圓位置和腐蝕量的相關性…………………………….62
圖5.9  標準研磨參數與增加下壓力對腐蝕量的比較………… 64
圖 5.10  標準研磨參數與增加轉速對腐蝕量的比較………………64
圖 5.11  第一層金屬測試位置………………………………………65
圖 5.12  第一類金屬線示意圖………………………………………66
圖 5.13  第二類金屬線示意圖………………………………………66
圖 5.14  第一類和第二類金屬線阻障層厚度（金屬層一）………67
圖 5.15  第一層金屬，第一類金屬實際腐蝕量測圖形……………74
圖 5.16  第一層金屬，第二類金屬實際腐蝕量測圖形……………75
圖 5.17  使用SEM拍攝第一層金屬晶圓中央大線寬介電層厚度.76
圖 5.18  使用SEM拍攝大線寬介電層厚度（往左移動30um）..76
圖 5.19 使用SEM拍攝大線寬介電層厚度（往左移動45um）… 76
圖 5.20 使用SEM拍攝大線寬介電層厚度（往左移動50um）… 76
圖 5.21 使用SEM拍攝第一層金屬晶圓邊緣小線寬介電層厚度..77
圖 5.22 使用SEM拍攝小線寬介電層厚度（往左移動100um）..77
圖 5.23 使用SEM拍攝小線寬介電層厚度（往左移動120um）..77
圖 5.24 使用SEM拍攝小線寬介電層厚度（往左移動140um）..77
圖 5.25 第二層金屬測試位置……………………………………… 78
圖 5.26第一類和第二類金屬阻障層厚度（金屬層二）………… 78
圖 5.27 第二層金屬，第一類金屬實際腐蝕量測圖形…………… 87
圖 5.28 第二層金屬，第二類金屬實際腐蝕量測圖形…………….88
圖 5.29 使用SEM拍攝第二層金屬大線寬介電層厚度………… 89
圖 5.30 使用SEM拍攝大線寬介電層厚度（往左移動20um）..89
圖 5.31 使用SEM拍攝大線寬介電層厚度（往左移動40um）..89
圖 5.32 使用SEM拍攝大線寬介電層厚度（往左移動45um）..89
圖 5.33 使用SEM拍攝第二層金屬小線寬介電層厚度………… 90
圖 5.34 使用SEM拍攝小線寬介電層厚度（往左移動100um）..90
圖 5.35 使用SEM拍攝小線寬介電層厚度（往左移動120um）..90
圖 5.36 使用SEM拍攝小線寬介電層厚度（往左移動140um）..90
圖 5.37 第八層金屬測試位置………………………………………91
圖 5.38 第一類和第二類金屬阻障層厚度值（第八層金屬）……91  
圖 5.39 第八層金屬，第一類金屬實際腐蝕量測圖形……………99
圖 5.40 第八層金屬，第二類金屬實際腐蝕量測圖形………….100
圖 5.41 使用SEM拍攝第八層金屬層大線寬介電層厚度………101
圖 5.42 使用SEM拍攝大線寬介電層厚度（往右移動20um）..101
圖 5.43 使用SEM拍攝大線寬介電層厚度（往右移動30um）..102
圖 5.44 使用SEM拍攝大線寬介電層厚度（往右移動40um）..102
圖 5.45 使用SEM拍攝第八層金屬層小線寬介電層厚度………103
圖 5.46 使用SEM拍攝小線寬介電層厚度（往左移動100um）103
圖 5.47 使用SEM拍攝小線寬介電層厚度（往左移動120um）104
圖 5.48 使用SEM拍攝小線寬介電層厚度（往左移動140um）104
圖 5.49 第二層金屬測試位置（改變研磨參數）……………… 105
圖 5.50 第一類和第二類金屬阻障層厚度（使用參數A研磨）.106 
圖 5.51 第二層金屬，第一類金屬實際腐蝕量測圖形（改變研磨參數）………………………………………………………………… 121
圖 5.52 第二層金屬，第二類金屬實際腐蝕量測圖形（改變研磨參數）………………………………………………………………… 122
圖 5.53 使用SEM拍攝第二層金屬層大線寬介電層厚度（使用參數A研磨）…………………………………………………………… 123
圖 5.54 使用SEM拍攝第二層金屬層大線寬介電層厚度（往左移動10um）……………………………………………………………  123
圖 5.55 使用SEM拍攝第二層金屬層大線寬介電層厚度（往左移動20um）……………………………………………………………  123
圖 5.56 使用SEM拍攝第二層金屬層大線寬介電層厚度（往左移動40um）……………………………………………………………  123
圖 5.57 使用SEM拍攝第二層金屬層大線寬介電層厚度（使用參數B研磨）…………………………………………………………… 124
圖 5.58 使用SEM拍攝第二層金屬層大線寬介電層厚度（往左移動20um）……………………………………………………………  124
圖 5.59 使用SEM拍攝第二層金屬層大線寬介電層厚度（往左移動30um）…………………………………………………………… 124
圖 5.60 使用SEM拍攝第二層金屬層大線寬介電層厚度（往左移動40um）…………………………………………………………… 124
圖 5.61 使用SEM拍攝第二層金屬層大線寬介電層厚度（使用參數C研磨）……………………………………………………………125
圖 5.62 使用SEM拍攝第二層金屬層大線寬介電層厚度（往左移動20um）…………………………………………………………… 125
圖 5.63 使用SEM拍攝第二層金屬層大線寬介電層厚度（往左移動30um）…………………………………………………………… 125
圖 5.64 使用SEM拍攝第二層金屬層大線寬介電層厚度（往左移動40um）…………………………………………………………… 125
                                    

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校內：2008-07-02公開
校外：2008-07-02公開

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