碟陷(Dishing)是指 CMP(化學機械研磨)製程後,導線或插塞等金屬圖案(特別是寬幅圖案)的中央部分被過度研磨而產生凹陷的現象。由於研磨後的金屬表面截面看起來像盤子(dish)一樣凹陷,因而得名。在銅鑲嵌導線製程的銅(Cu)CMP 中特別明顯,是導線電阻增加、寄生電容變化,以及後續製程對焦裕度下降的原因。
碟陷的發生機制在於 CMP 研磨墊具有柔軟性,在填入金屬的溝槽上方會優先接觸金屬,使金屬比周圍絕緣膜更快被去除。特別是越寬的導線(數 μm~數十 μm),研磨墊越容易在導線上方大幅彎曲,碟陷量也有越大的傾向。典型的 Cu 碟陷約為數十 nm~200nm,依製程條件、研磨液與研磨墊而異。
碟陷的影響包括:①電性影響:導線截面積減少造成電阻(R)增加、RC 延遲增大;②形狀影響:後續曝光製程中晶圓表面平坦度下降,對焦裕度減少;③可靠度影響:碟陷量的面內差異會直接造成邏輯與記憶體晶片的效能差異。特別是在先進 CMOS 中,需要將碟陷控制在10nm以下。
降低碟陷的技術對策有:①最佳化研磨液選擇比(調整金屬與絕緣膜的研磨速率比);②化學添加劑(添加腐蝕抑制劑 BTA:苯并三唑等,抑制銅的過度溶解);③選擇研磨墊硬度(硬研磨墊的段差追隨性低,可抑制碟陷);④控制研磨時間與壓力;⑤圖案密度的設計規則(在寬導線中插入開槽/虛擬圖案,降低有效導線寬度)。
碟陷的量測使用 AFM(原子力顯微鏡)或光學式段差計(表面輪廓儀),由晶圓面內多點的量測值評估均勻性。碟陷與侵蝕(導線密集區的過度研磨)一同作為 CMP 品質的主要指標進行管理。應用材料(Applied Materials,Reflexion)、荏原製作所(EBARA,FREX)與 KCTech 在先進 CMP 的碟陷控制技術上相互競爭。