Design of experimental optimization for ULSI CMP process applications

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,* ADepartment of Electrical Engineering , Daebul University , 72- 1, Sanho , Samho , Youngam , Chonnam , 526- 702, South Korea BDong 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) 。

Design of experimental optimization for ULSI CMP process applications