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半導體設備:提升研磨墊與調節器作用效率 實現CMP製程最佳化

2006/1  Annette Crevasse/Drew Chambers
化學性機械研磨法(Chemical Mechanical Polishing, CMP)過程中主要的消耗性材料包括研磨墊、研磨液和研磨墊調節器。在CMP製程中,研磨墊和鑽石調節器間的交互作用是個複雜的過程,對CMP製程模組的成本有重要的影響...
化學性機械研磨法(Chemical Mechanical Polishing, CMP)過程中主要的消耗性材料包括研磨墊、研磨液和研磨墊調節器。在CMP製程中,研磨墊和鑽石調節器間的交互作用是個複雜的過程,對CMP製程模組的成本有重要的影響。  

在健全的研磨過程中,主要是包括在晶片研磨過程與研磨墊調節過程這兩種相互抵觸的過程間,取得平衡的研磨墊-晶片介面。在研磨過程中,晶片會磨耗研磨墊粗糙的表面,在此同時,因為研磨墊粗糙凸起的表面與晶片接觸,進而造成較低或不規則的研磨速率。研磨墊調節器在晶片被研磨墊平坦化的過程中扮演調和的角色,調節器使用工業級鑽石對研磨墊的表面進行磨耗,這些鑽石會移除CMP製程中所產生的附產物及部分的研磨墊材質。這種對研磨墊表面的磨耗,不但有助於創造新的粗糙表面,還可移除研磨墊表面的附產物,達到維持CMP製程表現的一致性。調節器與研磨墊間的交互作用也同時定義了研磨墊粗糙表面的結構,這點對研磨特性也有重大的影響。  

設計研磨墊調節配方參數  

在製程成本上,有兩項競爭性的觀點必須先妥協,然後才能設計出研磨墊調節配方參數,在達到可接受的晶片品質的同時,耗材的使用壽命也達到最大極限。在極端的情況下,採用研磨墊調節配方參數顯著地增加研磨墊及調節器使用壽命時,可能也會造成整體CMP製程中產生其他變數,進而使生產的晶片品質與一致性受到影響。從另一方面而言,研磨墊調節配方參數也可以非常具有侵略性,經由大量移除研磨墊材質,使研磨墊表面結構維持一致性,進而達到整體製程的穩定。無論如何,對於不同的CMP製程的穩定性、平坦化效能和耗材使用壽命間的反應,是可以相互調整及變更的。  

調節配方參數的設計可以是一種交互作用的過程,過程中除了需要對CMP耗材間的交互作用有所了解之外,對於因製程表現和製程成本考量,而進行改變製程參數與耗材後,所可能造成的衝擊也是必須注意。由於調節器的種類繁多,勢必要加以仔細地過濾篩選,才能找到與特定研磨墊表面結構形成最佳的組合方式。影響調節器表現的各種參數都以研磨墊調節時的被侵略程度,以及研磨墊結構最終的表面粗糙度來測定。調節器侵略性之定義,是指其將研磨墊材質磨除的速率,基本上,愈是具侵略性的調節器,愈是會導致研磨墊粗糙表面結構「更粗糙」。調節器強度在不同的製程中會有所不同,如此就可以對研磨時的研磨速率、非一致性、平坦化的表現以及缺陷率進行微調。  

慎選調節器鑽石結構  

研磨墊調節器鑽石的表面配置是以鑽石最基本的結構來作區分。主要有兩種典型的鑽石種類:不規則形與八角立方體形。不規則形的鑽石,由於其不規則的形狀,因而侵略性較大;反之,八角立方體形的鑽石,由於較圓滑,因此單位時間中所能移除的研磨墊材料較少,對研磨墊的磨耗也就較輕微。調節器上鑽石的大小和排列密度都是相互關連的參數,鑽石的實際排列密度和位置,會因調節器生產廠商使用技術不同而各異。先進的廠商會將特定的鑽石放置在固定的格子或矩陣中,以達到最佳的調節器表面結構控制。由於現有的可用表現範圍廣泛,針對每一製程中調節器鑽石結構的選擇一定要慎重,才能確保達到最理想的製程表現。篩選過程會消耗不少機具運作的時間,但在生產工廠中機具空閒的時間極短,能用於測試的時間更是有限。幸運的是,藉由對製程變數有更基本的瞭解,不僅能提供更深刻的理解,也加速了設計和解決問題的時程。  

在微調的過程中,變數量測的正確與否對確保擁有健全的CMP製程來說極為重要。對CMP製程進行任何的調整後,其影響的標準評量方式,是評估經此調整後製程所生產出的晶片品質。了解CMP研磨墊表面的狀況,對確保調節條件的健全性也是極具重要性的。  

確保研磨墊粗糙一致性  

研磨後晶片品質的好壞將是研磨墊調節過程的最終評斷標準,對CMP研磨墊的直接量測則是決定反覆調節過程中製程表現的快速方法,其測量的方法有很多種,研磨墊被調節器磨耗的速率可利用裁切率測試來計算。在CMP製程中,研磨墊使用壽命期間,固定時間間隔來測量研磨墊的實際厚度,與確定研磨墊的期望壽命有一定的相關性。表面掃描技術是了解研磨墊及調節器間交互作用的有利工具。垂直掃描繞射法已證實可用於研磨墊表面的定量分析,由於此種測量方法是屬於非破壞性檢測,因此在研磨墊的使用壽命時程中,隨時都可對研磨墊調節過程以及晶片研磨過程時研磨墊的表面變化情形進行量測。在200mm至300mm的製程轉換應用過程中,確保研磨墊粗糙度的一致性特別重要。這就像監控薄膜厚度對所有CMP製程都很重要是一樣的。監控研磨墊表面對創造一個穩定的製程具有一定的重要性,而一個穩定的製程則可創造出研磨墊表面粗糙度及粗糙高度分布之間的平衡。  

一旦建立研磨墊調節過程後,有能力且有效地解決製程表現上的疑難,對維持生產效率而言,是不可或缺的。本文將提供生產過程中所出現有關製程表現的系列案例研究,一開始,這些狀況似乎與研磨墊及調節器間的交互作用無直接相關,但經由調節器種類的改變,或研磨墊調節配方參數的變更,都順利解決這些問題。  

案例1:間歇性低移除速率  

客戶W在氧化層研磨製程中遭遇到間歇性低研磨速率問題。客戶在每次事件後都會進行研磨速率問題根本成因調查。事件後所有耗材量測的結果都在規格範圍內,但問題仍不能因為改變耗材使用量或使用壽命而得到解決。  

因此,在間歇性低研磨速率變異發生時,提供正在使用的研磨後研磨墊樣品來進行表面分析,並進行研磨墊表面掃描來測量粗糙顆粒高度的分布,將有助於工程師了解研磨墊—調節器間交互作用的力學。經過正確調節過程後的研磨墊其粗糙顆粒分布的變化應是平順如圖1的狀況,調節器得以在良好控制狀態下作用並更新研磨墊表面。  

在此情況下,回收的低研磨速率研磨墊樣品,其粗糙的表面呈現出多重形狀(圖2)。這是因為晶片占據整體研磨墊表面,使得粗糙的表面在晶片研磨後未適當的更新到最理想狀況,或者是由於晶片將研磨墊的粗糙表面磨平了。粗糙顆粒在表面的分布呈現重要的第二峰,這些數據是藉由直接測量研磨墊表面粗糙量所得的結果。  

在試圖延長研磨墊使用壽命的努力中,客戶的研磨墊曾有調節不足的現象出現。研磨液中磨料顆粒的消耗導致研磨墊與晶片的接觸,破壞了調節器所應維持的一致性粗糙分布情形。因此在使用一段時間後,研磨墊表面有不對稱、多形態的現象出現,造成間歇性低研磨速率的問題產生。這種狀態的另一例證顯示於圖3。此圖的重點強調在沒有調節的狀況下,引人注目的粗糙磨損突然增加,並造成研磨墊表面粗糙分布的改變。  

在客戶W使用更積極的研磨墊磨合程序,搭配更高的調節器下壓力擺動配方參數後,使出現的問題獲得解決。這種更具侵略性的磨合程序使研磨墊的整個使用壽命期間有更穩定的過程,因而解決間歇性低研磨速率的問題。  

案例2:晶片中的不一致性  

客戶X在CMP過程中出現了研磨不一致性的問題,客戶經由調整研磨頭壓力,試圖改善晶片的輪廓,並檢查研磨墊襯墊來改善晶片邊緣移除的問題。  

在客戶的調查中也包括以垂直掃描繞射來分析研磨墊,測量粗糙表面的分布。結果顯示,在研磨墊表面的粗糙度呈不均勻分布(圖4),這樣的結果造成研磨墊表面有局部發亮的現象出現,因此造成晶片研磨的不一致性。調節器臂的擺動並不是造成研磨墊表面材質不一致的成因。由此總結道,製程中調節器的侵略性不足以維持研磨墊邊緣粗糙度的一致性。  

要解決上述的問題,過程中需選擇使用更具侵略性的調節器,使用相同研磨墊調節配方參數時,不同的調節器會產生不同的晶片表面不一致性結果。因此,客戶在不改變其他參數,只改變使用不同的調節器形式後,就可達到所要求的晶片表面不一致性。這種更具侵略性的調節器使研磨墊直徑大小範圍內都受到調節,也就解決了晶片表面不一致性的問題,更改善了製程良率。  

案例3:高缺陷率  

客戶Y在淺溝槽隔離層(STI)製程步驟中發現間歇性缺陷數的增加。在檢查所有耗材後,發現只要更換CMP研磨墊,就可顯著改善缺陷數增加的問題,在客戶進行內部檢查期間,發現研磨墊表面粗糙程度高於平均的現象是造成高缺陷率出現的主因,在與其他CMP製程小組研討後,STI製程小組中發現高研磨墊粗糙度的問題僅出現在STI層。  

有兩個尚未使用的研磨墊被送至供應商處進行掃描,以測量研磨墊粗糙顆粒的分布。這些尚未使用的研磨墊,是在客戶處被檢測出具有較高的研磨墊表面粗糙度。因此客戶認為較大的研磨墊表面粗糙度與缺陷率是相關的。因此設計一控制實驗,檢查研磨墊磨合過程對具有正常變異狀態的研磨墊表面所造成的影響。  

只要使用較長的研磨墊磨合時間,就可使此問題獲得了改善(圖5)。這種製程的修改就足以創造出一致性的研磨墊表面粗糙分布來降低研磨墊表面粗糙變異的影響,因此也就降低缺陷率。  

案例4:在研磨墊使用期限中的移除率穩定性  

客戶Z經歷在研磨墊使用壽命中研磨速率衰退的狀況。在製程開發時,速率都在正常參數值內,但在實際應用於生產上時,研磨速率快速降低至期望值以下,並且研磨墊和調節器在預計的使用壽命尚未到達前就變得無法控制,這不僅造成必須提早更換研磨墊和調節器,同時也會使機台停機的時間增加,提升耗材成本。  

根據氧化層基本研磨製程的發展過程,供應商發現較不具侵略性的調節器會造成研磨墊粗糙表面的提早磨平,繼而造成研磨速率的降低(圖6)。此相同的調節器,但使用較大的向下壓力,並不足以更新研磨墊表面至可接受的狀態,此外,這還會造成研磨墊使用壽命的縮減。  

對此情形的建議解決方案是保持現在所使用的過程狀態,但將調節器以更具侵略性的種類取代。更換調節器後,使客戶在達到所預期的生產力同時,得以減少問題的發生率,也不會犧牲耗材的使用壽命。  

提升研磨墊與調節器交互作用  

許多CMP製程中所面臨的問題,都可借由提升CMP研磨墊與研磨墊調節器交互作用的最佳狀態來獲得解決。最佳化調節器和研磨墊調節過程,有助於晶圓廠達成所要求的作業時間、生產產能以及生產成本。在處理與研磨墊調節過程有關的問題上,量度工具如表面掃描,是非常有用的設備。  

調節器本身在維持穩定CMP製程上獨具威力,為特定的製程選擇最佳的調節器時,必須在選定CMP製程配方參數後,由各種不同的調節器中篩選出所需。調節器的設計必須與所選擇的研磨墊種類和研磨液種類達到平衡,才能使最終的表現達到最佳化狀態。在為特定的製程選定所需的調節器後,使用同步調節器擺動配方參數、下壓力及調節時間,可將調節器的表現調整至最理想狀況。  

值得注意的是,就如過程參數或要求改變會隨著時間變化一般,調節器也會需要隨時調整才能與新的過程搭配得完美無缺。如果因為製程的改變使用了不同的研磨墊或研磨液,這時就有可能需要變更研磨墊調節程序,甚至包括更換不同型號的調節器。這不僅對現階段的CMP研磨墊是不爭的事實,就算對下一代科技環節要達到最適表現也是非常重要的。  

(本文作者任職於羅門哈斯電子材料CMP技術事業部)  

(詳細圖表請見新電子237期12月號)

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