Sumit Guha, Anantha Sethuraman, KLA-Tencor Corp., San Jose, California
Yehiel Gotkis, Rodney Kistler, Lam Research Corp., Fremont, California
Scott Steckenrider, Cabot Corp., Aurora, Illinois

化學機械研磨銅製程(Copper CMP)階段會產生許多類型的缺陷，所以了解這些缺陷的仔細檢驗與其破壞機制有助於製程的改善，以降低缺陷程度。在化學機械研磨銅製程階段出現的一些缺陷，實際上是由前面的製程所造成的，因此正確的檢驗程序與分析方法能夠改善整個製程模組。

自從三年前，IBM正式對外公佈銅雙嵌製程(Copper Dual Damascene, CuDD)技術後，半導體業界即開始了銅雙嵌製程的競賽，然而銅雙嵌製程的技術難度遠超過當初的預期，其中一個原因是銅製程會產生數量驚人的缺陷，因此為了讓銅雙嵌製程能真正的上生產線並且量產，必須要對缺陷更留心，進行更多的研究。

由化學機械研磨所導致限制良率的因子
化學機械研磨為銅雙嵌製程技術裡的一個重要程序[1]，因為良率對化學機械研磨的結果極為敏感，也因此化學機械研磨會移除原先沉積的金屬層，所以化學機械研磨製程代表一種可以回溯的製程。由此觀之，化學機械研磨可作為一種研究工具，能從前面的製程程序找出問題之癥結所在，對製程模組裡原有的問題解決之後，製造程序即會進入較成熟的階段，下一階段的程序統合或模組互制問題就必須再解決，解決的成功關鍵在於引導問題上溯至其發生根源，而根源常來自前面的模組步驟，因此需要盡力去找出問題發生的根源而非對研磨結果進行補正。
在銅雙嵌製程技術裡，許多錯誤的缺陷觀念都沿襲自二氧化矽與鎢金屬的化學機械研磨製程結果，即使在今日，化學機械研磨製程缺陷的量化方法，經常是在一序列的銅膜片之間加入一層毯覆性二氧化矽，再對此晶圓片進行顆粒缺陷的量測。同時化學機械研磨製程業界對缺陷的看法一直是「淺碟化(dishing)與侵蝕(erosion)為重，其他的問題次之」，然而金屬層或二氧化矽層的耗損與顆粒缺陷，並不是僅有的良率影響參數。銅膜圖案化晶圓在化學機械研磨後的其他良率影響參數包括：銅與阻障層的金屬殘留物、在金屬層與二氧化矽層表面的刮痕(scratching)、在銅晶粒邊界會造成腐蝕的針孔(pin-holes)與微裂縫(microcracks)、影響內部連線長期完整性的腐蝕(corrosion)及孔穴(pitting)、影響阻障層整體性的損傷與二氧化矽的凹陷(depressions)、附帶產生物的再沉積與顆粒的沾染，以及由上一個製程所導致而會影響下道製程的模組交互影響缺陷。
本篇報告主旨在敘述與銅製程化學機械研磨有關的各類缺陷，這些缺陷會影響傳統型旋轉平台式研磨機的良率，報告也討論一些由前道模組製程產生的缺陷與其對化學機械研磨所造成的影響。

無法移除的金屬殘留物
金屬殘留物由於會導致電流短路，所以影響了良率。即使由於銅金屬與阻障層和介電層的顏色差異性，使得銅容易被檢測，然而對銅金屬殘留物的主要挑戰在於如何將內連接線路上的銅金屬殘留物與小的銅斑點分離出來。圖一a與一b分別顯示大塊與小面積的殘留銅金屬斑點。
#F#圖一以KLA 2135量測儀具檢測到的銅金屬殘留物，a)大的殘留斑點，b)小的殘留斑點。

除了銅金屬殘留物外，阻障層殘留物也經常被視為良率殺手，然而不像銅金屬一般，在介電層表面的阻障層殘留物會視介電層的厚度而難以檢測，對某一個厚度的二氧化矽層而言，介電層表面會處於反射光的黑暗邊緣內，讓阻障層殘留物的檢測變得更困難[2]。不充分的研磨時間會造成阻障層的殘留，例如一道阻障層移除程序由於其對研磨時間的限制，會產生研磨非均勻性；或是由於前一個層次的凹陷形狀，在下一個層次會造成阻障層的淺漥狀缺陷(barrier pools)，因此產生表面的不平坦。當阻障層的淺漥狀缺陷與銅墊接觸時，這些缺陷即會成為良率殺手，如圖二所示。
#f#圖二：由於前一層的非平面度所造成的阻障層淺漥缺陷。二氧化矽沉積物對下一層重現了凹陷的表面，因此閜對於二氧化矽層，阻障層發生下陷現象，使得阻障層難以移除。

刮痕(scratches)
由於銅金屬較二氧化矽與鎢金屬軟，所以在化學機械研磨銅製程階段更容易發生刮痕，在銅金屬表面的一般刮痕可以概分成三類，剃刀狀刮痕(razor scratches) 、顫振狀刮痕(chatter scratches)及跳躍狀刮痕(skipping scratches)，這些刮痕的分類例子如圖三所示。當刮痕很深的穿入表面層下的二氧化矽，而且超過二氧化矽層的範圍，在銅金屬被移除後，刮痕的較深區域仍會留在表面，所以看起來不像連續性的刮痕；圖三c所示的刮痕可視為銅金屬沿著刮痕路徑所產生的晶粒間失效缺陷，但是前述的三類刮痕其發生機制尚未建立。除了此三類泛分的刮痕外，在二氧化矽層內也可見到相當數量的短刮痕。於銅金屬層的刮痕如果在後續的介電層產生複製現象，就會造成問題，因為介電層內的刮痕在金屬沉積與隨後的化學機械研磨製程後，會造成金屬枝狀突出物(metal stringers)，在介電層內的深刮痕會以同樣的方式造成圖案扭曲，對刮痕的一般預防方法是以二氧化矽研磨劑緩擦(buff)介電層來移除深的刮痕。
#f#圖三：銅金屬刮痕實例(以AIT II檢測獲得)，a)剃刀狀刮痕(razor scratches)，b)顫振狀刮痕(chatter scratches)，c)跳躍狀刮痕(skipping scratches)。

針孔(pin-holes)與微刮痕(microcracks)
鍍銅(plated copper)是一種複晶物質，電鍍過程中的電化學特性更增加了對化學機械研磨製程的挑戰，典型的電鍍電解液是由硫酸銅/硫酸/去離子水、加速劑(例如二硫化物)、抑制劑、含氮化合物及以ppm計量的鹽酸所組成[3, 4]，這些混有多種添加物的電解液，其產生的淨效應讓晶粒邊界，特別是三點交界處，更容易遭受機械及化學作用的傷害。化學機械研磨過程在晶粒上產生顯著的剪應力，會讓材料破裂(特別是晶粒間的破裂)並產生應力作用下的化學腐蝕(晶粒間腐蝕)，類似的晶粒邊界微裂縫如圖四所見。
#f#圖四：光學顯微影像顯示電鍍銅薄膜在CMP後的晶粒間破裂。

除了在沉積階段發生的添加物吸收與晶粒邊界鍵結減弱外，第二種讓晶粒鍵結變弱的來源為回火(annealing)，電鍍銅薄膜幾乎是一種非晶同性物質，回火製程無論是自我回火(self-annealing)或熱回火(thermal)，都會讓薄膜轉變成晶體結構[5] ，熱回火也同時增加添加物與銅金屬交互作用的可能性，因此會形成表面薄膜與減弱晶粒間的鍵結力，上述機制都增加了在晶粒邊界造成裂縫的風險程度。
微裂縫由於毛細作用力會只留住化學機械研磨製程階段的化學物質，在化學機械研磨後的清洗階段，想要從微裂縫中完全移除這些殘留化學物質是相當困難的，因此任何被留住的化學物質都會繼續擴展晶粒邊界的損傷。
對0.25微米線寬技術而言，晶粒間分離數目對低的銅雜質包含等級而言，會高至108-109[6]，即使只有一個分離數會讓腐蝕擴展到金屬線的底部，晶片(chip)也會被刮傷，相對於其他的金屬薄膜，此種現象會讓化學機械研磨銅製程有更顯著的腐蝕高風險。
除了在應力狀態下會產生晶粒間的裂縫外，電鍍薄膜層的針孔也有增加腐蝕的風險，針孔隨處可見(例如在晶片的銅墊接點上、在銅線內)，同時針孔也會深入薄膜內，即使不是在化學機械研磨製程階段，也能以毛細作用留住腐蝕性的化學物質進而腐蝕薄膜，這些針孔的發生機制目前仍然不清楚。

腐蝕(corrosion)與凹痕(pitting)
圖五顯示了銅導線結所以讓腐蝕的肇因分析與腐蝕控制變得更困難，雖然人們經常將腐蝕的發生歸咎於化學機械研磨的研磨劑化學性質，但是也不可忽略電鍍薄膜層品質的影響。
#F#圖五：Cu CMP的導線腐蝕實例(缺陷係以AIT II檢測獲得)。

除了上述的導線腐蝕(line corrosion)外，另外一種可見的腐蝕為邊緣腐蝕(edge corrosion)，邊緣腐蝕經常被限制在多層材料的介面間，例如二氧化矽/阻障層與填充銅之間的介面。任何介面間的分離都會造成缺口，並且留住殘留的化學機械研磨化學物質，繼續形成腐蝕，這種形式的腐蝕能很清楚的由介電質與阻障層介面間的波浪狀銅金屬辨識出來。另外一種腐蝕缺陷被稱之為「鼠咬」(mouse-bites)，也就是一條完整金屬線小的部份邊緣會消失不見，鼠咬也許與邊緣腐蝕類同，也發生在多層材料的表面，然而此種缺陷的產生原因至今仍然不明。
除了腐蝕以外，凹痕經常發生於研磨後的晶圓表面，凹痕會隨著銅線寬度而增加，所以在晶片的銅墊接點上凹痕最嚴重，在窄線結構裡凹痕即隨之減少，因為窄線結構與寬線結構的晶粒成長與填充化學性(填充物濃度)都不相同，所以意味著凹痕與添加物濃度或晶粒大小有關，越大的晶粒越容易發生凹痕。
一些化學機械研磨程序除了腐蝕外，也會形成無法控制的金屬蝕刻(metal etch)，因而產生不平坦的銅表面，如圖六所見，在銅墊接點上會產生更顯著的蝕刻，因為沉積的薄膜基本上擁有涉及回火處理的紋理、金屬蝕刻與研磨劑或特殊的紋理結構有關，紋理結構會造成多晶粒間的不同蝕刻速率[7]。
#F#圖六：銅墊接點上金屬蝕刻的AFM影像。

阻障層完整性的損壞(barrier integrity damage)與二氧化矽凹陷(oxide depressions)
阻障層完整性的損壞與二氧化矽凹陷發生的主要原因，是由於電鍍層與化學機械研磨或化學機械研磨與阻障層沉積的交互作用，化學機械研磨後介電層表面的凹陷在晶圓檢測階段可以檢測出來，如圖七所示，因為凹陷是由二氧化矽層的過磨經由穿孔所導致的，而且其350到600埃的深度一般都超過阻障層厚度，所以在移除過程不同的時間階段對阻障層表面進行檢驗，會發現凹陷是在移除過程的早期階段發生於阻障層的，在介電層表面的深孔也顯示了前面對刮痕所討論的相同問題。
#F#圖七：不完全的阻障層移除會造成深入二氧化矽層的針孔。

附帶產生物的再沉積與顆粒沾染
在缺陷的檢測及分類階段，附帶產生物的再沉積經常無法與顆粒分別出來，因為兩者對良率的衝擊幾乎相同。對研磨劑、附帶產生物殘留