CMP 공정

기출문제 풀이

기출문제 ❶

CMP 공정에 대해 설명하시오.

STEP1 접근 전략

• 설명형 문제이며 난이도는 중 수준으로 CMP 공정 전반에 대한 지식을 묻는 문제이다.

• CMP 공정의 정의 및 도입 배경에 대해 설명하고, CMP 장치의 주요 구성 요소 및 공정 원리를 설명한다.

• 주요 공정 변수(Parameter)에 대해 설명하고 CMP 공정의 문제점과 해결책을 제시한다.

STEP2 답안 구조화 TIP

Q CMP 공정?

• 정의: 화학 · 물리적 연마 → 단차 제거 → 평탄화

• 도입: DOF↑, STI, 다마신

• 설비/자재: 플래튼, 캐리어, (슬러리)공급장치, 패드, 패드 컨디셔너

• 원리: 화학 약품 → 표면 개질 → 미세 입자의 표면 흡착 → 물리적 연마 → 탈착 → 박막 제거

• 주요 파라미터: R/R(연마 속도), 평탄도, 균일성, 선택비

• 문제점

- 일반 불량(파티클, 스크래치) → 압력, 컨디셔닝, 패드

- CMP 고유 불량(디싱, 침식) → 패턴 밀도, 선택비

STEP3 모범답안

화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, CMP) 공정은 화학 및 물리적 작용을 이용하여 이전 공정에서 형성된 구조물에 의한 웨이퍼 상의 단차를 제거하여 평탄화시키거나 불필요한 박막을 제거하는 공정입니다. CMP 공정은 반도체의 미세화에 따라 포토 공정의 초점 심도 여유 확보와, 구리(Cu) 다마신(Damascene) 공정 도입 등의 글로벌 평탄화에 대한 요구에 부응하기 위해 도입되었습니다. CMP 설비는 회전 테이블 모양의 플래튼(Platen)이 몸체가 되고, 그 위에 사포의 역할을 하는 패드(Pad)가 부착되어 있습니다. 그리고 패드 위에 웨이퍼 캐리어(Carrier)와 슬러리 공급장치, 컨디셔너(Conditioner) 등이 있습니다. 웨이퍼 캐리어는 웨이퍼의 표면이 아래를 향하도록 장착되어 있으며 플래튼과 같이 회전하면서 수직으로 누르는 힘이 작용합니다. 미세입자 및 수용액 화학 약품으로 구성되어 연마 시 윤활제 및 연마제 역할을 하는 약품을 슬러리(Slurry)라고 하는데, 이 슬러리를 공급하는 노즐을 포함한 장치를 슬러리 공급장치(Dispenser)라고 하고, 컨디셔너는 연마 시 가공 잔류물 등의 제거 및 무뎌진 패드를 원상태로 회복시키는 역할을 합니다.

CMP 공정은 슬러리 내 산화제 등의 화학 약품이 피 연마 박막의 표면 특성을 변화시키면 역시 슬러리 내에 포함된 미세입자가 피 연마 박막의 표면에 흡착되고 물리적 연마를 통해 이들이 표면으로부터 탈착되면서 피 연마 박막이 제거되는 원리입니다. CMP 공정의 주요 파라미터로는 연마 제거 속도(Removal Rate, R/R), CMP 평탄도(Planarity), 균일도(Uniformity) 및 선택비(Selectivity) 등을 들 수 있습니다.

CMP 공정의 문제점은 연마 공정의 한계로 발생되는 파티클이나 스크래치 등의 일반적인 불량과 과도 연마 시 패턴의 밀도 차이 및 부적절한 선택비에 의해 생기는 디싱(Dishing) 및 침식(Erosion)과 같은 CMP 공정의 고유 불량으로 나눌 수 있습니다. 일반적인 불량은 적절한 CMP 공정조건의 선택 및 CMP 후 세정 등을 통해 개선할 수 있으며, 디싱 및 침식 불량은 패턴의 밀도 및 선택비의 조절을 통해 개선이 가능합니다.

기출문제 풀이

기출문제 ❷

CMP 공정에서 발생할 수 있는 문제와 이에 대한 해결책을 설명해 보시오.

STEP1 접근 전략

• 솔루션형으로, 난이도는 중상 수준이며 CMP 공정 영역에서의 출제 빈도가 높다.

• CMP 공정에서 발생되는 문제를 CMP 공정 특유의 문제와 그 외 일반적인 불량으로 분류해 설명한다.

• 각 불량별 원인, 불량 양상 및 대책에 대해 설명한다.

STEP2 답안 구조화 TIP

Q CMP 공정 불량 및 대책?

STEP3 모범답안

CMP 공정은 박막 표면의 이물질 등의 결함을 제거하여 수율을 개선시키기도 하지만 공정 과정에서 긁힘 불량(Scratch), 이물질(Particles) 및 침식(Erosion), 디싱(Dishing) 등의 다양한 불량을 야기하기도 합니다. 이러한 불량의 원인으로는 부적당한 수직 압력 및 슬러리 화학 조성, 패드 상태의 불량, 불충분한 패드 컨디셔닝, 슬러리의 건조 등을 들 수 있습니다. 이러한 불량들은 적절한 CMP 공정조건의 선택과 패드 관리, 그리고 CMP 후 세정 등을 통해 개선할 수 있습니다.

이러한 일반적이고 기본적인 불량 외에도 CMP 공정 특유의 대표적인 불량인 디싱(Dishing)과 침식(Erosion) 불량이 있습니다. 일반적으로 CMP 공정 시, 패턴의 밀도가 낮은 곳의 연마 제거 속도가 빨라 고밀도 패턴부의 잔류막을 제거하기 위해 연마를 계속하게 되면 저밀도 부분이 과도 연마(Over-Polishing)되면서 연마되지 않아야 할 정지층(Stopping layer)까지 연마되어 버리는 침식 현상이 발생하게 됩니다. 이는 연마할 물질과 연마되지 않고 남아 있어야 할 정지층과의 연마 선택비가 낮을 경우에 발생 가능성이 높습니다. 한편, 상대적으로 패턴이 넓은 부분은 연마 제거 속도가 빨라 중앙부가 푹 내려 앉는 불량이 생기는데, 불량 형상이 접시와 닮았다 하여 디싱 불량이라 합니다. 이러한 CMP 고유의 불량인 침식과 디싱 불량을 줄이기 위해 슬러리 조성 성분 및 CMP 공정 조건의 조절을 통한 선택비 최적화와 함께 패턴의 선폭, 밀도 조정 등의 설계적 대책들도 병행되어야 합니다.

핵심 이론 정리

1. CMP 공정의 개요

[그림 3-53]과 같이 반도체 공정 과정을 거치면, 웨이퍼에는 패턴에 의한 단차가 발생한다. 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, CMP) 공정은 화학 및 물리(기계)적 작용을 모두 이용하여 이러한 단차를 완화(평탄화)하거나 불필요한 박막을 제거하는 공정이다.

2. CMP 공정의 도입 배경 및 장단점

반도체 소자의 고집적화, 고속화에 따라 공정 진행 전에 웨이퍼의 완벽한 평탄화가 요구되었다. 이에 따라 [그림 3-54]와 같이 ⓐ 얕은 트렌치 소자 격리 기술(Shallow Trench Isolation, STI)의 도입, ⓑ 포토 공정의 초점 심도 여유 확보, ⓒ Cu 다마신 공정 도입, ⓓ 다층 배선 공정 도입에 의한 층간 절연막 평탄화 등의 다양한 목적으로 CMP 공정이 도입되었다. CMP 공정은 광역 평탄화가 가능하고, 공정 단계를 단순화할 수 있으며 막 표면에 존재하는 이물질의 제거가 가능하다는 장점이 있는 반면, 패턴 밀도나 형상의 영향을 받고, 공정 특성 상 이물질이나 긁힘(Scratch) 등의 불량 발생 가능성이 높다는 단점이 있다.

3. CMP 설비

[그림 3-55]에 CMP 설비 구조를 도시하였다. 먼저 회전 테이블 모양의 플래튼(Platen)이 몸체가 되고, 그 위에 사포 역할을 하는 패드(Pad)가 부착되어 있다. 패드 위에는, [그림 3-55]의 좌측 그림과 같이 웨이퍼 표면이 아래를 향하도록 장착된 웨이퍼 캐리어(Carrier), 슬러리 공급장치, 컨디셔너 등이 있는데, 각각의 역할은 다음과 같다.

• 웨이퍼 캐리어(Carrier): 플래튼과 같이 회전하면서, 웨이퍼를 수직으로 누르는 힘이 작용한다.

• 슬러리 공급장치(Dispenser): 미세 입자 및 수용액 화학 약품으로 구성되어 윤활 및 연마제 역할을 하는 약품을 슬러리(Slurry)라고 하는데, 이 슬러리를 공급하는 노즐을 포함한 장치이다.

• 컨디셔너(Conditioner): 연마 시 잔류물 등의 제거 및 무뎌진 패드를 원상태로 회복시키는 역할을 한다.

4. CMP 소모성 자재

(1) CMP 패드(Pad)

패드는 연마 제거 속도와 균일도, 결함(Defect) 발생과 같은 CMP 공정의 성능에 직접적인 영향을 미치는 소모성 자재 중 하나이다. 패드는 [그림 3-56]과 같이 40~50μm 수준의 미세한 기공이 많고 유연한 고분자 물질로 이루어졌으며, 통상 폴리우레탄(Polyurethane) 계열의 물질로 만들어진다. 기공 구조의 흡착 능력 덕분에 연마 시 연마 슬러리를 흡수하여 기계적 연마 특성이 향상된다.

(2) 패드 컨디셔너(Conditioner)

공정 진행에 따라 슬러리 및 연마 잔유물에 의해 패드 표면의 기공이 막히는 현상이 발생하거나 패드 표면이 초기보다 부드러워져 [그림 3-57(a)]와 같이 CMP 연마 제거 속도가 급속히 저하되는 현상이 나타나기도 하는데, 이를 복구하기 위해 사용되는 것이 패드 컨디셔너이다. 패드 컨디셔너는 [그림 3-57(b)]와 같이 원판(Disk) 기판 위에 다이아몬드 알갱이를 성장시킨 구조로, 이를 이용해 [그림 3-57(a)]와 같이 열화된 패드 표면의 거칠기 회복과 기공의 슬러리 제거가 이루어져 일정한 연마 제거 속도를 유지할 수 있게 된다.

(3) CMP 슬러리(Slurry)

CMP 슬러리는 CMP 공정에 사용되는 연마 재료로서, 화학 첨가물을 포함한 수용액과 미립자로 분산된 연마 입자로 구성된다. 슬러리는 연마 대상 물질의 막질에 따라 성분이 다르며, 조성에 따라 연마 제거 속도와 선택비, 평탄도, 균일도 등에 영향을 미친다. 슬러리는 산화막 연마용과 금속 연마용 슬러리로 양분되는데, 먼저 산화막용 슬러리는 연마 입자, 초순수(DIW), 수산화암모늄(\text{NH}_4\text{OH}) 등의 알칼리 화학 약품(케미칼)으로 구성된다. 그리고 연마 입자에는 [그림 3-58]과 같은 실리카(\text{SiO}_2) 또는 세리아(Ceria, \text{CeO}_2)가 사용된다. 금속용 슬러리는 연마 입자, 초순수, 산화제 및 산성 케미칼로 구성된다. 연마 입자에는 알루미나(\text{Al}_2\text{O}_3), 이산화망간(\text{MnO}_2), 실리카(\text{SiO}_2) 등이 있다.

5. CMP 공정의 원리

(1) \text{SiO}_2 CMP 공정

\text{SiO}_2 표면이 연마 슬러리에 접촉되면 연마되기 용이한 수화물인 \text{Si(OH)}_4로 변화되고, 이 수화물이 실리카 연마 입자에 의해 연삭되는 원리이다. 일반적으로 알칼리성 슬러리인 경우가 빠른 연마 속도를 나타낸다([그림 3-59] 참조).

(2) 금속 CMP 공정

텅스텐(W) 등 금속의 화학적 기계적 연마의 경우는 슬러리에 연마 입자(실리카 또는 알루미나 분말)와 함께 산화제(질산철이나 과산화수소)가 첨가된다. W막의 표면이 슬러리에 함유된 산화제에 의해 취성의 산화물로 되고 이 산화물층이 연마 입자에 의해 연삭되는 원리이다. Cu CMP의 경우에는 또한 슬러리에는 산화제와 함께 구리 표면의 보호를 위한 방식제 등이 첨가되며, 확산방지(TaN) 및 접착층(Ta)과 같은 경도가 높은 물질의 제거를 위해서는 2가지 Type의 슬러리를 사용한다([그림 3-60] 참조).

6. CMP 공정 주요 변수(Parameter)

(1) CMP 연마 제거 속도(Removal rate)

CMP 연마 제거 속도는 단위 시간당 제거되는 막의 두께로 정의되며, 연마 압력, 연마의 상대 속도, 슬러리 내 연마 입자의 크기와 함량, 케미칼, 슬러리 유량 등의 영향을 받는다.

(2) CMP 평탄도(Planarity)

CMP 평탄도는 광역적(Global) 단차 감소 정도로 표현된다. 관련 공정 변수로는 연마 패드의 탄성 변형성, 슬러리 공급의 균일성, 연마 압력 및 연마의 상대 속도 등이 있다. 평탄도에 대한 판단 기준은 [그림 3-61]과 같이 R와 θ로 표시하거나 특정 위치에서의 단차의 변화량을 정량화시켜 나타내기도 한다.

(3) 균일성(Uniformity)

균일성은 연마 후 웨이퍼 내, 웨이퍼 간, 로트 간 잔류막 두께의 편차로 정의된다. 공정 변수인 연마 압력의 분포, 상대 속도, 슬러리 공급의 균일성 등의 영향을 받는다.

(4) 선택비(Selectivity)

CMP의 선택비는 상이한 물질의 연마 제거 속도(R/R)의 비율로 정의된다. 이는 침식(Erosion) 및 디싱(Dishing) 불량에 영향을 주는 인자이며, 슬러리의 화학적 조성에 크게 영향을 받는다. 또한 선택비는 설계 레이아웃(Layout) 상 패턴의 밀도(Pattern density)와도 관계된다.

7. CMP 공정의 문제점

CMP 공정은 이물질 등의 결함을 제거하여 수율을 개선시키기도 하지만, 공정 과정에서 새로운 이물질과 결함을 유발하기도 한다.

(1) 일반적 불량

[그림 3-62]와 같은 긁힘성 불량(Scratch), 슬러리 잔류물, 이물질, 금속 CMP 공정에서의 금속 부식, 박막 박리(Delamination) 등의 불량이며 매우 큰 외인성 이물이나 하드 패드는 긁힘 불량을 초래할 수 있고, 이러한 긁힘성 불량은, 예를 들어, W CMP의 경우 절연막 표면에 긁힘 자국을 따라 W 입자들이 남아 회로적으로 배선 간 의도하지 않은 연결로 전기적 불량이 발생하여 제품의 수율 저하를 가져올 수 있다. 원인으로는 부적절한 수직 압력 및 슬러리 화학 조성, 패드의 닳음, 불충분한 패드 컨디셔닝 및 슬러리의 건조, 박막 간 접착력 약화 등을 들 수 있으며, 웨이퍼 표면의 슬러리 잔류물 또한 오염원이 될 수 있다. 하지만 적절한 CMP 공정 조건의 선택 및 CMP 후 세정 등을 통해 이를 개선할 수 있다.

(2) CMP 공정 특유의 불량

일반적으로 CMP 공정 시, [그림 3-63(a)]와 같이 패턴의 밀도가 낮은 곳의 연마 제거 속도가 빨라 고밀도 패턴부의 잔류막을 제거하기 위해 연마를 계속하게 되면, 이 경우 저밀도 부분이 과도 연마(Over-Polishing)되므로 연마되지 않아야 할 정지층(Stopping layer)까지 연마되는, [그림 3-63(b), (c)]와 같은 침식(Erosion) 현상이 발생하게 된다. 이 현상은 연마할 물질과 정지층 간의 연마 선택비가 낮을 경우에 발생할 확률이 높다. 한편 상대적으로 패턴이 넓은 부분은 연마 제거 속도가 빨라 중앙부가 푹 내려 앉는 불량이 생기는데, 이때의 불량 형상이 접시와 닮았다 하여 디싱(Dishing) 불량이라 한다. 이러한 디싱 불량이 STI CMP 후에 생기면, 후속 게이트 등의 포토 공정시에 초점 심도 부족에 의한 패터닝 불량을 발생시킬 위험이 있고 Cu CMP에서 발생하는 경우 웨이퍼 본딩(Bonding) 과정에서 범프(Bump) 간의 충분한 결합이 이루어지지 않아 본딩 불량이 발생할 수 있다. 이러한 침식과 디싱 불량을 줄이기 위해서는, CMP 장비, 소모품 및 CMP 공정 조건의 최적화와 함께 [그림 3-63(d)]와 같은 패턴의 선폭, 밀도 조정 등의 설계적 대책들이 병행되어야 한다.