Design of experimental optimization for ULSI CMP process applications

Sung-Woo Park a , Chul-Bok Kim b , Sang-Yong Kim c , Yong-Jin Seo a,*

A Department of Electrical Engineering , Daebul University , 72- 1, Sanho , Samho , Youngam , Chonnam , 526- 702,

South Korea

B Dong Sung A &T Co ., Kyunggi 429- 450, South Korea

cFAB . Division , ANAM Semiconductor Co ., Inc ., Kyunggi 420- 040, South Korea

Content

• Abstract

• Introduction

• Experimental

• Results and discussion

• Conclusions

Abstract

• 當電子元件收縮到深次微米區域，化學機械拋光 （ CMP ）在 ULSI 製程變得較必要的技術。 • 針對多層次連接的平坦度要求只有 CMP 製程能達到。• 製程變數是在決定移動率 (remove rate) 和非均一性 (non-uniformity) 方面

是非常重要的參數 。• 運用實驗設計方法的將 CMP 儀器參數最佳化。• 以高移動率和較低的非均一性觀點檢查製程參數，並決定最佳的 CMP

參數。

Introduction

• 增加元件製造產量和安定可以藉由化學機械拋光 （ CMP ）製程應用到一個 0.18 公釐半導體元件。

• 特別是針對介電金屬 (inter-metal dielectric; IMD ) 介電層 (inter-level dielectric ;ILD) 及之間連接層的完全平坦度只有 CMP 製程能作到。

• 但是它仍然有各種不同的問題 。如碟型效果 , 腐蝕和薄膜損害，輕微擦傷等。

• 也有一些問題依據 CMP 製程部份解決。 那是， CMP 消耗品，系統設備的問題 , 在 CMP 之後的清潔 和各種不同的變數必須被改良。

• 在上述的 CMP 成份， slurry 和儀器控制變數是在決定移動率和非均一性方面非常重要的參數 。

• 用 DOE 手法去獲得 CMP 的控制參數。

Experimental

• 實驗機台 :CMP polisher ( 精拋機 )

• 控制因子 : Slurry flow rate : 以含有 SiO 顆粒及 KOH 填補研磨空隙 , 防止應力破壞。 研磨後，以純水及旋轉方式清洗表面。 Table and Head speed : 兩者研磨轉速。 Down force : 將晶圓下壓的力量。

Results and discussion

• 精拋率 (polish rate) 的表達是參考的普勒斯頓方程式﹐精拋率依照向下壓力及兩者研磨轉速速度。

• 光澤率若為零﹐表示缺乏其中一項。• Table speed :Fig. 2) 當速度增加﹐ remove rate 呈線性增加， 非均一性先

減少後增加。• Head speed :(Fig. 3) 轉速在 52 rpm 時 ﹐ remove rate 上升幅度變大。速

度增加， slurry 粒子的旋轉速度在與晶圓表面的接觸也增加，如此 remove rate 及非均一性增加。所以 , 52rpm 是關鍵點 。

• Relative velocity (vh/ vt ) :Figs. 4 ,head to table speed ratio , 相關的速度增加，移動率不斷地減少 非均一性從 1.14 快速地增加 . 結論應該在 1 和 2 之間 .

• Down force :(Fig. 6) 在 8.5psi 的條件下有最大 remove rate(2800 °A/min埃 ) 及最小非均一性。

• Slurry flow rate :Fig 7 。

Flow rate>90 阻礙 remove rate

Flow rate>60 非均一性變大

Conclusions

• 經過 DOE 之後 ,CMP 參數最佳化非均一性在 4% 以 下﹐ Remove rate 超過 2000° A/min 。

• 必須小心地設計 Head/Table speed 比例 (1~2 倍 ) 。