TW515001B - Method of chemical mechanical polishing - Google Patents
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Description
515001 A7 B7 五、發明説明（]) 靈il背景 1·發明之技術領域 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明係有關於半導體晶圓或基板之化學機械拋光（ chemical mechanical polishing，CMP)的領域。詳而言之 本發明涉及一種半導體晶圓或基板之化學機械拋光的方 法。 2.相關技藝之敘述 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 對於高性能微電子裝置的需求不斷增加，促進了半導 體工業設計並且製造出極大型積體電路（ULSI)，其具 有較小特徵尺寸、較高解析度、較密集封裝、以及多層互 連金屬。ULSI技術對於包括電路的多重層，稱爲層間介 電層（ILD )，之整體平整度具有嚴苛的要求。相較於其 他平坦化技術，化學機械拋光（CMP )製程可以用低成本 產生優質的局部與整體平坦化，因此廣泛被應用於許多用 來將層間介電層平坦化的後段製程中，該層間介電層通常 爲二氧化矽（Si〇2)。除了完成整體平坦化之外，CMP對 於許多新興的製程技術而言，亦是不可或缺的，例如銅鑲 嵌圖案、低K (介電係數）介電質、淺溝渠隔絕結構（ STI)之拋光（Landis et al·，1992; Peters，1998)。然而 ，同時或依序進行拋光之各種材料增加了 CMP製程的複 雜性，並且需要對於基本製程的了解，以達到最佳製程 設計與控制。 雖然CMP在ULSI製造上被廣泛使用，其基本的材料 本紙張尺度適用中國國家標準（ CNS ) A4規格（210X297公釐） 515001 A7 B7 五、發明説明（2) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 移除機制尙未被完全了解。在以前，p r e s t ο η憑其經驗在 玻璃拋光過程中發現材料移除速率（MRR )正比於所施壓 力與相對速度的乘積（Preston，1972 ) 。Preston方程式可 以寫成 其中Γ爲所移除之材料的深度，t爲拋光時間，p爲壓力 ’ vr爲相對速度，以及kP爲Preston常數。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 近年來，在許多的硏究中顯示上述的關係式亦適用於 金屬（Steigerwald et al·，1 994 ; Stavreva et al.，1 995 and 1997)以及陶瓷（Nakamura etal·，1985; Komanduri et al., 1 996 )。爲了解釋這個比例關係，硏究者努力硏究在CMP 製程中的材料移除機制，而且若干硏究者提出了微粒磨蝕 (Brown et al·，1981 ; Liu et al·，1996 )以及墊粗糙接觸 (pad asperity contact)模型（Yu et al.，1993)以說明 CMP製程中的材料移除機制。假設晶圓/磨触劑或晶圓 /墊緊密接觸，靠近晶圓表面的所施應力場造成表面層的 彈性-塑性變形並且產生磨損。另一個領域的硏究則是聚 焦於該指製程的化學機制（Cook et al.，1 990 ; Luo et al.， 1 99 8 ) Cook首先探討玻璃拋光的化學製程。他認爲微粒 撞擊下所產生的表面分解與在泥漿狀微粒上之磨損微粒的 吸收與分解將決定玻璃的拋光速率。最近，根據潤滑理論 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -5- 515001 A7 B7 五、發明説明（3) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) (Runnels and Eyman, 1994 )與物質傳送（mass transport )的—維晶圓尺寸模型已被提出（Sundarajanetal.，1999 )。在本模型中，假設晶圓在墊表面上爲液面滑動（ hydroplane)者，而且垂直負載係由黏稠泥漿薄膜的流體 動力壓力所支撐。拋光速率則由化學物質的物質傳送所決 定。 無論材料移除係由CMP製程中的機械、化學、或化 學機械交互作用所完成，對於晶圓/墊介面之接觸情形的 了解對於製程特性、模擬與最佳化來說是很重要的。然而 ’至今爲止，在CMP文獻中尙未有明確的方法來以製程 參數說明晶圓尺寸之介面情形的特徵。有些硏究者假設在 進行拋光時，晶圓爲液面滑動者，因而解出Reynolds方 程式，以決定晶圓曲度、所施壓力、相對速度、泥漿黏稠 度、泥漿薄膜厚度與晶圓表面上壓力分布的關係（Runnel， 1994 ； Runnels and Eyman, 1 994 )。另一組硏究者則假設 晶圓與墊爲接觸或部分接觸，提出墊彈性係數與晶圓位移 量的關係，並且以古典接觸力學模型解出應力場（ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
Chekina et al.，1998)。相對於墊的晶圓垂直位移量之量 測成爲判定接觸情形與決定泥漿薄膜厚度之最直接的先前 技藝（Mess et al.，1 997 )。然而，對於墊材料以及晶圓 承載器之背薄膜的遷就使得這種量測並不穩當。有些液面 滑動模式的實驗已經在較小樣本上進行（Nakamura et al·， 1 985 )，然而將該結果放大至大尺寸晶圓的可行性卻飽受 質疑。一般而言，不同硏究者所使用的不同所施壓力、速 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐] ' -6- 515001 A7 B7 五、發明説明（4) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 度、與其他實驗情形會造成對於與介面接觸模式有關之結 論難以採信的困境。因此，非常有必要決定並且說明 CMP製程之主要的材料移除機制的特徵，並且提供一種 可以提升從晶圓表面移除材料之材料移除速率（MRR )的 C.MP製程。 發明之槪述 因此，本發明之一目的在於提供一種化學機械拋光（ CMP )之方法，其提升材料移除速率（MRR )。詳而言之 ，本發明之一目的在於提供一種方法，其以接觸模式操作 於CMP拋光墊與晶圓或基板表面之介面處。此外，本發 明提供一種方法，其辨識較佳之CMP製程參數以增加 MRR。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 如以下所將說明者，本發明者發現，爲了增加材料移 除速率，CMP製程必須以_觸模式操作於CMP拋光墊與 晶圓或基板表面之介面處。介面處的液面滑動（ hydroplaning )在平衡點位置、晶圓曲度與泥漿流動的波 動等方面並不是穩定的製程模式。因此，CMP製程設計 之重要課題在於j翠製程參數以維持該製程於穩定接觸方 5。此外，本發明者發現，在接觸模式中，較佳的製程參 數可以根據以下所述之數學推導而被辨識。 一般來說，本發明提供一種化學機械拋光具有拋光墊 之晶圓表面的方法，包括以下步驟：以相對速度v R旋轉 拋光墊與晶圓之任一者或兩者；以所施壓力P朝拋光墊壓 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公董) 一 -- -7- 515001 A7 B7 五、發明説明（5) 擠晶圓；其中p與v R的値使得晶圓與拋光墊處於接觸模 式。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 在本發明之一方面，係提供一種化學機械拋光之方法 ’其滿足以下方程式： vr/p « Ci/η (i) 其中VR爲拋光墊與晶圓之相對速度，p爲所施加至晶圓的 壓力，Cl爲與拋光表面圖案與機械設計有關之常數，以 及η爲cmp製程中所使用之泥漿的黏稠度，如下文中所 述。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在本發明之另一方面，係提供一種化學機械拋光之方 法’其中，介面磨擦係數在CMP製程中被監視，·以維持 晶JB -與拋光墊之接的介面於接觸方式，而且較佳地維持該 CMP製程於較佳的操作參數。舉例來說，化學機械拋光 具有拋光墊之晶圓表面的方法，包括以下步驟：以相對速 度ν R旋轉拋光墊與晶圓之任一者或兩者；以所施壓力ρ 朝拋光墊壓擠晶圓；量測拋光時之拋光墊與晶圓所產生之 摩擦力；從該磨擦量測中決定磨擦係數；以及控制ρ與 V R的値，以維持磨擦係數於拋光時的値大約爲Q . 1或更大 〇 圖式之簡要說明 本發明之其他目的與優點將在下文中陳述，而 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -8- 515001 A7 B7 五、發明説明（6) 種程度上從以下說明中被理解，或者藉由本發明之實現而 被明白。本發明之目的與優點可以藉由參照以下的說明與 附錄之申請專利範圍的圖式而被解釋明白，其中： 圖1 A至1 C分別爲晶圓/墊介面於接觸模式、混合 模式與液面滑動（hydroplaning)模式之示意圖； 圖2係爲一圖表，顯示能量通量對於銅移除速率之效 應； 圖3係爲一圖表，顯示能量通量對於Preston常數之 效應； 圖4A顯示尺寸參數對於正規化之銅移除速率之效應 圖4B顯示尺寸參數對於Preston常數之效應； 圖5係爲一圖表，顯示尺寸參數對於磨擦係數之效應 j 圖6顯示Preston常數與磨擦係數之相關；以及 圖7描述速度與壓力之關係，並且顯示可以選擇之較 佳參數。 空^明細說明 以下的術語在本發明之說明中被使用’並且係定義爲 kP = Preston 常數（m2/N ) p = 由於磨擦之熱能產生速率（W) p 晶圓上之垂直壓力（N/m2 ) 本紙張尺度適用中國國家樣率（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -9- 515001 A7 ______ B7 五、發明説明（7) * P = 最 佳 垂 直 壓 力 (N/m2 ) rp， r w = 晶 圓 上 之 一 給 定點以 及晶 圓與拋 中 心的距離 (m ) Vr = η = 取 佳相 對 速 度 (m/s ) V R = 相 對 速 度 ( ml s ) η = 泥 漿 黏 稠 度 ( Pa . s ) μ = 庫 倫 磨 擦 係 數 Ma ，μ ι，μ p = 磨擦係 數 ζ = 晶 圓 表 面 上 所 移除材 料的 厚度（ c = 固 有 熱 ( J/kg* K)
• j-------— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁J -訂- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明者發現，化學機械拋光（CMP)製程之材料移 除速率（MRR )在製程進行使得晶圓或基板表面與CMP 拋光墊之間的介面（晶圓/墊介面）之介面情形處於接觸 模式或接觸方式時增加了。尤其，如以下將更詳細描述者 ，在CMP製程時，有三種模式存在於晶圓與墊之間的介 面；分別是接觸模式、混合模式與液面滑動（ hydroplaning)模式。參閱圖1A至圖1C，其分別顯示在 接觸模式、混合模式與液面滑動（hydroplaning )模式之 晶圓/墊介面的示意圖。如一般所熟知的CMP機台係用 來拋光晶圓或基板。一般而言，CMP·機台通常包括一或 多個拋光站，其支撐拋光墊與支撐晶圓之晶圓承載組件。 可以使用來實現本發明方法之CMP機台的例子係描述於 美國專利申請序號 09/628,563 ( Attorney Docket. No· A- 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -10- 515001 A7 B7 五、發明説明（8) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 69 1 75/MSS )。在一特定範例給定之後，熟習此項技藝者 將明白任何適合之CMP機台可以被使用來實現本發明之 方法。 經濟部智慧財產局Μ工消費合作社印製 爲了平坦化與/或拋光晶圓表面，晶圓以所施壓力P 被擠壓向拋光墊。拋光墊具有一硏磨表面，而且在該拋光 墊上放置一種泥漿，.以輔助材料從晶圓表面移除。晶圓係 典型地旋轉，而且拋光墊以線性或旋轉方式移動，使得晶 圓具有VR之相對速度。當晶圓被施壓向拋光墊並且靠著 中間的流體層（晶圓/墊介面的拋光泥漿）滑動時，介面 情形之特徵可以被描述爲··接觸模式、混合模式與液面滑 動（hydroplaning)模式。在圖1A中所示的接觸模式中， 相對表面的粗糙度、以及晶圓/墊或晶圓/微粒彼此產生 力學上的交互作用。通常，實際接觸面積遠小於外觀上的 接觸面積。塑性變形產生於接觸點的兩個表面。在接觸模 式中，中間的流體薄膜係爲非連續而且在橫跨晶圓直徑之 該流體薄膜中將不會產生顯著的壓力梯度，以支撐垂直負 載。這種接觸模式發生於當相對速度偏低或所施壓力過高 時之CMP進行中。由於需要一股正切力以切入表面之粗 糙部分，磨擦係數係相對高於另外兩種模式者。在接觸模 式中，磨擦係數通常約爲0.1或者更高。 相對地，當速度夠高或所施壓力相對地低時，晶圓將 滑動於流體薄膜上，而不會直接碰觸拋光墊。此爲液面滑 動模式，如圖1C所示。由於晶圓與墊表面之間並沒有接 觸，摩擦力係由黏稠流體薄膜之正切力所致，而且摩擦係 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -11 - 515001 A7 _______B7 五、發明説明（9) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 數遠小於接觸模式者。在液面滑動模式中，摩擦係數通常 W於0 · 0 0 1至0 · 0 1的範圍內。進行拋光時，壓力在黏稠流 體薄膜中建立，以支撐晶圓上的正向負載。必須注意到， 壓力梯度對於晶圓侵襲角度（wafer attack angle)非常敏 感。侵襲角度的微小改變、不穩定的泥漿流動、或是由於 機械震動所導致的部分晶圓/墊接觸，都可能使其從液面 滑動模式偏移，即使速度與正向壓力均符合要求。 在接觸模式與液面滑動模式之間，會產生混合模式於 速度增加或壓力減少時。在此一如圖1 B所示的混合模式 中，速度不夠高、壓力也不夠低，以建立厚的黏稠流體薄 膜’以支撐正向負載。這會造成墊粗糙處與晶圓表面之間 的接觸。摩擦力係爲用來使在晶圓/墊與晶圓/微粒接觸 之表面粗糙處變形所需之力的加權總和，而該力來自黏稠 泥漿薄膜之正切力。混合模式中的磨擦係數通常介於0.01 \ 至0·1的範圍內。本發明者發現，由於磨擦係數在不同接 觸模式中有一或二個10之冪次的大小差異，磨擦係數可 以被用來作爲晶圓/墊接觸情形的指標。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 摩擦係數與Preston常數kP有相關。此意謂著液面滑 動模式中的kP顯著地減少，且由於kP之明顯變動，並不 符合混合模式之要求。基於這番考量，本發明被提出以實 現接觸模式中的CMP製程，以增加晶圓表面處之材料移 除速率。該CMP製程藉由操作於高kP範圍而被實現，並 且全程被維持於接觸模式中。在一具體實施例中，爲了實 現接觸模式中的CMP製程，本發明之方法被提供以最大 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) ~ -12- 515001 A7 B7 五、發明説明（β 化所施加壓力與相對速度的乘積Ph。根據本發明，一範 圍內的壓力與速度可被使用。特別地，所施壓力p介於 14至70kPa的範圍內，且較佳者介於14至57kPa的範圍 內。相對速度vr介於0.05至4.0m/s的範圍內，且較佳者 介於0.4至2.Om/s的範圍內。 爲了更加了解接觸模式的機制，吾人再次參考 Preston方程式。從實驗（該實驗將在下文中詳細說明） 所推導出的材料移除速率（MRR)與乘積pVR之關係圖係 如圖2所示。關於銅拋光之文獻資料（Stavrevaetal.， 1 99 5 & 97; Luo et al.，1998 )亦被包括於圖中，而且相對 應情形係顯示於實驗部分中的表6中。然而，必須強調的 是，本發明之資料係藉由大範圍pvR値的中性泥漿而獲得 ，而文獻資料呈現較窄範圍之P與vR値的化學機械拋光 。然而，接觸模式不該取決於泥漿的化學特性。因此，如 果材料移除的機制不受P、或Ph之變動的影響，資料 的漂移將非常的小，而且沿著資料點所繪成的直線之斜率 即爲Preston常數。資料之明顯漂移淸楚地顯示Preston 常數實際上並非爲定値。圖3顯示對於本實驗資料與從文 獻中所獲得者之preston常數與pVR之關係圖。很明顯地 ，資料大幅漂移，因爲對於大部分的pVR値而言，晶圓/ 墊之介面並未接觸。 因此，爲了更加描述接觸情形的效應’正規化之材料 移除速率（NMRR) 'Preston常數kP與尺寸參數nvR/p之 關係分別被繪示於圖4A與4B中，其中Π係爲泥漿黏稠 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） J---------------衣-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -13- 515001 A7 ___B7 五、發明説明（彳)| 度。NMRR爲每單位滑動距離之材料移除厚度，或表示爲 MRR/vr。很明顯地，NMRR與Preston常數kP在ην“ρ很 小時並不取決於所施壓力與速度。其在14kPa時大約爲 0.2X10·0 MPa·1，在 48kPa 時大約爲 0·1χι〇_6 MPa-!。
Preston「常數」在低ηνκ/ρ時維持高檔，即爲接觸模式， 而在關鍵値（ηvR/p)。之後降下來。實驗結果顯示對於兩種 壓力而言，在相同的（ην“ρ)。附近產生過渡現象（ transition )。此意謂著Preston常數在晶圓/墊介面於接 觸模式時係與壓力及速度無關。在過渡點（transition point)之後，Preston常數隨著^之增加或p之下降而下 降。很明顯地，Preston常數顯示與磨擦係數相同的趨勢 (如圖5所示），而且Preston常數kP的過渡現象出現於 相同的ηνΟρ値。在過渡模式中，Preston常數並不獨立於 壓力與速度。吾等可發現，在混合模式中，kP在14kPa時 隨著（ηνκ/ρ)·1而在48kPa時隨著（riVR/p)·15·5而改變。 kP的改變可以由以下的偏移介面情形來解釋。在混和 模式中，磨擦係數隨著HvR/p減小，此意謂著晶圓/墊接 觸面積亦隨著nvR/p減小。由於不連續流體薄膜內之流體 切力與脫落微粒之運動無法施加足夠的壓力於晶圓表面進 而移除材料，接觸面積的減少進一步降低材料移除速率。 隨著ηνκ/ρ的增加，微粒滾動將增加而且微粒變形將減少 。事實上，有些硏究者藉由使用PVR乘積的多項式函數（ Zhao and S hi，1999)，或者引用Preston方程式中的壓力 與/或速度項（Luo et al.，1 99 8 )，嘗試以數値方式分析 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ~~" -14- J.^ —------衣-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、?τ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 515001 A7 B7 i、發明説明（ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
Preston「常數」在低壓力或高速度情形時的變動。他們 提出介面切應力與微粒速度將增強化學反應速率或晶圓表 面的質量傳送。然而’ kP的變動可能只是由於圖4A所示 之介面接觸模式的改變，因此每一接觸模式具有不同之 Preston 常數。
Preston常數與磨擦係數之關係圖被繪示於圖6中。 在過渡點（transition point )之前，即混合模式之起始點 ，Preston常數與磨擦係數係爲正相關；其相關係數爲1。 然而，在混和模式中，隨著ηνκ/ρ的增加，prest〇n常數與 磨擦係數的相關係數減少。圖4 B更是強調材料移除速率 對於不同接觸模式之改變。因此，相對於先前技藝與習知 技術’ P r e s t 〇 n常數在不R接觸模式中並非爲定値。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 較佳者，本發明之方法使用尺寸參數ηνκ/ρ對於磨擦 係數與Preston常數之效應，以提昇CMP製程之材料移除 速率。對於一特定泥漿黏稠度而言，不同的晶圓/墊接觸 模式被描述於圖7所示之VR-p空間中。對應於從接觸模 式到混合模式之過渡範圍的點（ηνκ/ρ)。（參見圖5 )，斜率 爲（ηvR/p)。的線L!被繪於圖7中，以呈現對於不同壓力與 速度的過渡點。L!與p-軸所包圍的區域代表接觸模式。 同樣地，具有較大斜率以表示從混合模式到液面滑動（ hydroplane )模式之過渡區域的另一條線亦被繪於圖7 中。L2與VR-軸所包圍的區域代表液面滑動模式。Ll與L2 所包圍的區域代表混合模式。根據本發明，CMP製程被 實現於接觸模式中，亦即圖7中由L!與p -軸所包圍的區 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -15- 515001 A7 ______B7_ 五、發明説明（ 域。尤其，本發明之方法根據下列方程式提供實現CMP 的製程： (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) vr/p » Ci/η (1) 其中vR爲拋光墊與晶圓之相對速度，P爲所施加至晶圓的 壓力，G爲與拋光表面圖案與機械設計有關之常數，以 及η爲CMP製程中所使用之泥獎的黏稠度。在本發明之 一範例中，C!介於1Μ(Τ7至lxl(T6m的範圍中。 在較佳具體實施例中，除了增加MRR之外，本發明 被提供以降低晶圓內之不均勻度（within-wafer nonuniformity ， WIWNU ) 。WIWNU係爲橫跨晶圓表面之材料 層的不均勻程度。再次參考方程式（1)，pVR乘積必須盡可 能提高，以增加MRR値，換言之，對於一給定之壓力， 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在接觸模式中之最高速度係爲最佳者，反之亦然。此意謂 著，較佳的製程情形係位於b上。然而，高壓需要強而 有力的機器結構，其通常具有較高之可施壓力限制。再者 ，在高壓時，機器之微小震動可能對於晶圓/墊接觸介面 處之正向負載與摩擦力造成巨大的變動，因而增加 WIWNU。這些考量顯示壓力不能無限制地增力Π。同樣地 ，超高之速度並不需要，因爲很難在高速時保持流體泥漿 於平台上。
本發明者發現，對於壓力與速度之製程參數的另一重 要的考量在於熱產生。由於磨擦所產生的熱能產生速率P 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -16 - 515001 A7 _B7_ 五、發明説明（ 可被表示成 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} P=pni*w2pVR (2) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 因此，乘積値pvR越高，熱產生的量越大。根據本發 明者所進行的實驗，·對於拋光於48kPa之正向壓力與 〇.5m/s之速度的100mm直徑銅晶圓而言，其熱產生速率 的典型値爲80W。磨擦之熱產生將會提高溫度並且局部地 改變化學反應速率，並且因而惡化拋光平均度。在接觸模 式中，所產生的熱無法藉由泥漿傳送而有效除去，因爲穿 透介面之體積流動速率非常低。即使藉由拋光墊與晶圓承 載器之外部冷卻，熱移除速率會由於矽晶圓與通常由聚氨 酯（polyurethane)所構成的拋光墊之低熱傳導係數而受 限制。爲了因應熱產生之問題，本發明之一具體實施例被 提供以建立可使用的pw乘積之一上限。對於熱產生之此 一上限被設定爲pvR=C2，其中Cs係爲一常數，其決定 於介面磨擦係數、背面薄膜與拋光熱之熱導係數、以及拋 光頭與平台之冷卻系統。該pvR = C 2之限制係如圖7中 之雙曲線所爲成的區域所示。 一較佳之製程情形（P*，VR*)可以藉由pvR = C 2 *與 之交點而被定義。由先前的討論，混合與液面滑動模式之 CMP製程的操作並非是最佳者。應該了解的是，常數C2 並非是定値，而且適當的外加冷卻系統可以被安裝於拋光 頭與平台內，以改善熱移除效率並且提高常數C2，而且 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -17- 515001 A 7 B7 五、發明説明（彳》 使得確實的較佳製程情形根據c2的改變而改變。隨著c， 因爲額外的冷卻構件如外加冷卻系統而提高，可以因爲 p、/乘積的提高而獲得較高的MRR値。再者，由於其他 實際操作的原因（如機器震動、泥漿滯留與類似者），實 際上最佳的壓力及速度可能與〆及v/略有不同。然而， 這種實際上的最佳値可以由根據本發明所揭之原理所進行 的例行實驗而決定。舉例而言，藉由在CMP製程中使用 摩擦力量測並且應用方程式（2)，吾人可以分析接觸模式 ，接著判定從接觸模式到混合模式之過渡點，並且決定對 於特定之CMP機器的最佳壓力與速度。 因此，在本發明之另一具體實施例中，化學機械拋光 之方法被實現，使得下列方程式被滿足： VRp ^ Ci (3) 其中VR與p係如上所述，而C2則決定於介面磨擦係數、 背面薄膜與拋光墊之熱導係數、以及拋光頭與平台之冷卻 系統。如上所述，C2係爲由於熱產生而限制所施壓力與 相對速度參數的上限。較佳者，此一上限C 2被選擇，使 得由於從vRp乘積所產生之熱所上升之溫度不會超過10 度K (或°C )，較佳者爲不超過5度K。 常數C2決定於CMP機器的架構，而且依每一機具而 有所不同。影響C2之機器架構的變數係有關於熱產生， 而且基本上是介面磨擦係數、背面薄膜與拋光墊之熱導係 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I裝------訂-------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -18- 515001 Α7 Β7 五、發明説明（4 數、以及拋光頭與平台之冷卻系統（即熱性質）。 C2如何被決定的範例係如以下所述。必須注意上述 之c2將根據每一特定之CMP機具架構而有所不同，因此 不受以下之範例所限，而且C2可以根據本發明所揭者而 被決定。 假設磨擦熱之一部份aQ被傳送至拋光墊，其中α爲 分星（〇<α<1)而且Q爲所產生之總能量（Q = p.t，其中 t爲CMP製程之總時間）。此外，拋光墊被假設爲隔熱的 ，即所有被傳送入拋光墊的熱將被儲存於墊中，使得溫度 上升而不被釋放至外界環境中。這是一種「較差情形」的 估算。可以更進一步假設拋光墊中的溫度上升△ τ係爲均 勻，並且如以下方程式所示：
Q = mC Δ T (4) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 其中m爲墊之質量，而且C爲墊之固有熱。 結合方程式（2)，用來定義最大pvR乘積的方彳呈$ 之常數Ο可被寫成：
mCAT (5) 其中所使用的參數係如上所定義者。介於〇與i之間白 數α必須由實驗量測所決定。在CMP製程中，大％分 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐 • i -19- 515001 A7 B7 五、發明説明（〇 熱被傳送至泥漿中，而且α很小。舉例來說，如果我們 假設對於300mm ( 12吋）、α = 〇.1且m = 0.1kg的墊而言， C = 2l〇〇J/kg，K、△ T 小於 5K (或 t )且 t = 2 分鐘，那麼 Ca 値，即最大之PVr乘積，大約爲27W/m2。 因此，綜言之，C:係用來決定最大的kP與vR/p比， 其實現接觸模式之製程；而且C2提供pvR乘積之上限， 以限制熱產生的量。藉此，我們的目的在於提昇材料移除 速率並且維持WIWNU於一所欲之低位準。 在本發明之另一方面，磨擦係數被量測與監控，以維 持CMP製程於接觸模式中。如上所述，磨擦係數在不同 接觸模式中有一或二個10之冪次的大小差異。通常，對 於接觸模式而言，磨擦係數大約在〇. 1或更大的範圍內； 對於混合模式而言，大約在〇. 〇 1至〇. 1的範圍內；而對 於液面滑動模式而言，大約在0.001至0.01的範圍內。根 據本發明，磨擦係數之大範圍可被用來監控CMP製程中 之晶圓/墊接觸介面處的接觸情形。尤其，系統內的磨擦 可以直接由感應系統內的負載及/或轉矩而被量測。轉矩 感應器可以被安裝來量測馬達的轉矩，其旋轉晶圓承載器 頭。可替代地，或額外地，轉矩感應器可以被安裝來量測 馬達的轉矩，其旋平台。此外，負載感應器可以被安裝於 晶圓承載器上，以量測系統中的負載。較佳地，負載感應 器被安裝，以量測平行於墊表面之平面上之兩正交方向的 摩擦力。從這些感應器所得到的量測結果接著被處理，以 藉由使用習知構件來提供磨擦係數。爲了維持在接觸模式 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、τ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -20- 515001 A7 B7_ 五、發明説明（j ，可以使用控制器，其調整易受轉矩與負載感應器量測影 響的相對速度及/或所施壓力。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 實驗 以下之實驗已被進行。這些實驗基於說明之目的而被 提供，且不被用來作爲本發明之限制。在銅所覆蓋之晶圓 上使用Al2〇3泥漿之實驗已被進行以證明適用於廣大範圍 之壓力與速度設定之模型。. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 習知技藝中所熟知的轉子型（rotary-type)拋光器被 使用於拋光實驗中。不鏽鋼承載器藉由一平衡機構被連接 至頭馬達（head motor)，以將晶圓平行對準至平台表面 。兩個負載感應器與一個轉矩感應器被安裝來量測兩正交 方向之摩擦力以及頭馬達的轉矩。負載感應器與轉矩感應 器之容限分別爲222N與5.65Ν·ιη，而且解析度分別爲 0.067Ν與0.001Ν·ιη。頭單元係由氣動活塞所驅動，以進 行垂直運動並且施加正向壓力。平台單元則由可分離之 3 00mm直徑的鋁平台與平台馬達所組成。鋁平台與基底之 表面被硏磨，以獲得高度的平坦性與表面拋光。拋光器係 由電腦控制，使得所施加的負載、晶圓承載器與平台的旋 轉速度可被獨立控制，而且晶圓上的壓力與轉矩可被即時 獲得。整套設備被裝設於流體模組中，其係由HEPA過濾 器所構成，以確保無污染的環境。 被覆蓋一層20nm之氮化鈦（TiN )以作爲黏附層以 及一 ίμιη之PVD銅於上方之直徑爲i〇〇mm的矽晶圓基板 本紙張尺度適用中國國家標準（ CNS ) A4規格（210X297公釐） ----- -21 - 515001 A7 ___B7 五、發明説明（以 被使用來作爲測試晶圓。覆蓋材料之密度與硬度係如表工 中所列。一種具有Ah〇3硏磨微粒的中性泥漿（pH = 7 )被 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 使用。泥漿之黏稠度大約爲〇 · 〇 3 P a。其他的性暂係如表2 中所列。 表1 材料之密度與硬度 材料 密度（kg/m3) 硬度（MPa ) 銅（Cu) 8,920 1，220±50 氮化鈦（TiN ) 5,430 17,640±1，235 矽（Si) 2,420 8,776±570 表2 泥漿性質 硏磨劑 Q - A12 〇 3 微粒尺寸（μιη) 0.3 微粒硬度（MPa) 20,500 濃度（vol·% ) 2〜3 黏稠度（P a · s ) 0.03 pH値 7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 市面上可買到的組合墊（RodelIC1400 )被使用於拋 光實驗中。該墊包括一微多孔聚氨酯（polyurethane)上 層（RodellClOOO)以及一高密度氨基鉀酸酯 (urethane) 泡沬下層。上墊與組合墊之室溫彈性係數分別大約爲 500MPa與60MPa。該墊之詳細規格係如表3中所列。 ^氏張尺度適用中國國家標準（ CNS ) A4規格（210X297公釐） " -22- 515001
A B 五、發明説明（2¾ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 表3 墊性質 墊 Rodel IC 1400 ( k-溝槽） 材料 聚氨酯 厚度（mm ) 2.61(1.27*) 密度（kg/m3 ) · 750* 硬度_ 57 岸 D* 毛孔尺寸（μιη) 20〜60 (隔絕）‘ 溝槽圖案 250μιη 寬、375μιη 深、1.5mm 長，同心 上墊（Rodel IC 1 000 ) 表4列出本硏究所使用的實驗情形： 正向負載（N ) 108379 正向壓力（kPa ) 14, 48 角速度（rpm ) 5 〜240 線性速度（m/s ) 0.05〜3.91 泥漿流體速率（ml/min) 150〜250 持續時間（m i η ) 2 滑動距離（m ) 6 〜469 環境溫度（°C ) 22 相對溼度（％ ) 35 〜45 每一晶圓在拋光之前與之後被秤重，以計算平均材料 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -23- 515001 A7 B7 五、發明説明（2)| 移除速率（MRR)。磨損之墊表面與銅覆蓋之晶圓表面藉 由掃描式電子顯微鏡（SEM )的觀察，以描繪出CMP之 後的墊外觀與晶圓表面之刮痕。 製程參數對於材料移除速率之效應、以及摩擦係數與 Preston常數之間的關係在本說明書中被檢視。結果顯示 只有在接觸模式中的Preston常數獨立於壓力與速度。此 外’接觸模式中之摩擦係數與Preston常數之間的高度相 關使得摩擦係數之現場監控（in-situ )可以監控CMP製 程中的材料移除速率。如上所述，當操作於本發明所提供 之接觸模式時，材料移除速率得以提高。 本發明之圖式與描述以較佳實施例說明如上，僅用於 藉以幫助了解本發明之實施，非用以限定本發明之精神， 而熟悉此領域技藝者於領悟本發明之精神後，在不脫離本 發明之精神範圍內，當可作些許更動潤飾及同等之變化替 換’其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領 域而定。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -24-
Claims (1)
- 515001 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1 · 一種使用拋光墊之化學機械拋光晶圓表面的方法 ，其包括以下步驟： (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 以相對速度vR來旋轉拋光墊與晶圓之一或二者；以 及 以施加壓力P朝彼此之方向擠壓拋光墊與晶圓； 其中vR與p之値使得墊與晶圓之間的介面處於接觸 模式。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，更包括： 量測拋光過程中由墊與晶圓所產生的摩擦力。 · 3. 如申請專利範圍第2項之方法，更包括： 從該摩擦力量測步驟中決定摩擦係數；以及 控制vR與P之値，以維持摩擦係數爲0· 1或更大値。 4 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中p値介於大 約14至70kPa的範圍內。 5 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中p値介於大 約14至57kPa的範圍內。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 6.如申請專利範圍第1項之方法，其中vR値介於大 約0.0 5至4.0 m / s的範圍內。 7 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中v R値介於大 約0.4至2.0m/s的範圍內。 8 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中p與v R値被 選擇，使得晶圓拋光時所產生的熱不會超過大約1 0度K 〇 9.如申請專利範圍第1項之方法，其中p與VR値被 本紙張尺度適用中國國家梂準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -25- 515001 A8 B8 C8 _____ D8 六、申請專利範圍 選擇’使得晶圓拋光時所產生的熱不會超過大約5度κ。 10. —種在CMP機器中使用拋光墊與泥漿於拋光介 面處之化學機械拋光晶圓表面的方法，其包括以下步驟： 以相對速度v R來旋轉拋光墊與晶圓之一或二者；以 及 以施加壓力p朝彼此之方向擠壓拋光墊與晶圓； 其中VR與p之値滿足以下關係式： vr/p « Ci/η (1) 其中匕爲與拋光介面圖案與CMP機器設計有關之常數， 以及η爲CMP製程中所使用之泥漿的黏稠度； 使得墊與晶圓之間的介面處於接觸模式。 11 ·如申請專利範圍第1 〇項之方法，其中Cl介於大 約1χΐ(Γ7至lxl〇_6m的範圍內。 12.如申請專利範圍第1〇項之方法，更包括： 從量測晶圓與墊之間的摩擦力中決定摩擦係數；以及 控制vR與p之値，以維持摩擦係數爲〇. 1或更大値。 1 3 ·如申|靑專利範圍弟10項之方法’其中p値介於 大約14至70kPa的範圍內。 14 ·如申請專利範圍第10項之方法，其中p値介於 大約14至57kPa的範圍內。 1 5 .如申請專利範圍第1 0項之方法，其中v R値介於 大約0.0 5至4.0 m / s的範圍內。 本&張尺度適用中關家揉準（CNS ) ( 210X297公釐） '~ -26- I m II I— -I - ----- I I- - - - - I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、lT 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 515001 A8 B8 C8 D8六、申請專利範圍 16.如申請專利範圍第1〇項之方法，其中VR値介於 大約0.4至2.0m/s的範圍內。 17 · —種使用包括有拋光墊與泥漿之CMP機器之化 學機械拋光晶圓表面的方法，其包括以下步驟： 以相對速度vR來旋轉拋光墊與晶圓之一或二者；以 及 以施加壓力P朝彼此之方向擠壓拋光墊與晶圓； 其中VR與p之値滿足以下關係式： vr/p « Cl/Π (1) 其中C!爲與拋光介面圖案與CMP機器設計有關之常數， 以及η爲CMP製程中所使用之泥漿的黏稠度；而且 VRp ^ 〇2 (3) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁}訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 其中VR與P係如上所定義，而C2被選擇，使得從晶圓/ 墊介面所產生之熱所上升之溫度不會超過10度K。 ‘18. —種使用拋光墊之化學機械拋光晶圓表面的方& ，其包括以下步驟： 以相對速度h來旋轉拋光墊與晶圓之一或二者； 以施加壓力P朝彼此之方向擠壓拋光墊與晶圓； 量測拋光過程中由墊與晶圓所產生的摩擦力； 從該摩擦力量測步驟中決定摩擦係數；以及 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -27- 515001 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 控制v R與p之値，以維持摩擦係數爲0.1或更大値 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -28-
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