CMP 공정

1 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정

반도체 공정 과정을 여러 차례 거치면, 웨이퍼에는 패턴 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. 기계(물리)적 연마 단독으로도 평탄화가 가능하긴 하지만 표면에 손상이 발생하는 단점이 있다. 반면 화학적 연마는 표면 손상은 없지만, 대부분이 등방성¹ 특성을 가져 평탄화가 어렵다. 이러한 이유로 CMP 공정에서는 화학 및 물리(기계)적 작용을 모두 사용하는 것이다.

등방성¹: 한 쪽 방향이 아닌 모든 방향으로 증착이나 식각이 일어나는 특성

CMP 공정은 오래 전부터 웨이퍼 제작 공정에 사용되던 공정 방법이었으며, CMP 공정의 도입 이전에도 [그림 9-2]와 같이, BPSG 리플로(Boro-Phospho-Silicate Glass reflow), SOG(Spin On Glass)등의 다른 표면 평탄화 공정이 있었다. 하지만 국소 평탄화(Local planarization)가 아닌 웨이퍼 전면에 걸친 광역 평탄화(Global planarization)가 요구되어, CMP 공정의 도입이 필요하게 된 것이다.

2 CMP 공정의 도입 배경 및 장단점

반도체 소자의 고 집적화, 고속화에 따라 공정 진행 전에 웨이퍼의 완벽한 평탄화가 요구되었다. 이에 따라 [그림 9-3]과 같이 다양한 방식의 CMP 공정이 도입되었다.

ⓐ 얕은 트렌치 소자 격리 기술(Shallow Trench Isolation, STI) 도입

ⓑ 포토 공정의 초점 심도 여유 확보

ⓒ 구리(Cu) 다마신(Damascene) 공정 도입

ⓓ 다층 배선 공정 도입에 의한 금속배선 층간절연막(Inter Layer(or Metal) Dielectric, IL(M)D) 평탄화 및 텅스텐 콘택 플러그 형성

ⓐ 항은 산화 공정 단원에서 다루었고, ⓑ 항은 포토 공정에서, ⓒ, ⓓ 항은 금속배선 공정에서 이미 다루었다. 이에 대한 상세 내용은 해당 단원을 참고하기 바란다. CMP 공정은 다층배선 및 광역 평탄화가 가능하고, 공정 단계를 단순화할 수 있으며 막 표면에 존재하는 이물질의 제거가 가능하다는 장점이 있다. 반면, 패턴 밀도나 형상을 설계 단계에서 고려하여야 하고, 공정 특성상 이물질이나 긁힘(Scratch)등의 불량 발생 가능성이 높다. 또 기존 평탄화 공정 대비 생산 비용이 높다는 단점이 있어 이에 대한 개선 및 보완이 이루어지고 있다.

3 CMP 장비

[그림 9-4]에 CMP 장비의 구조를 도시하였다. 먼저 회전 테이블 모양의 플래튼(Platen)이 몸체가 되고, 그 위에 사포 역할을 하는 패드(Pad)가 부착되어 있다. 패드 위에는 [그림 9-4]의 좌측 그림과 같이 웨이퍼 표면이 아래를 향하도록 장착된 웨이퍼 캐리어(Carrier), 슬러리 공급장치, 컨디셔너 등이 있는데, 각각의 역할은 다음과 같다.

4 CMP 소모성 자재

다양한 CMP 소모성 자재가 있으나 CMP 공정에 영향을 많이 주는 패드, 컨디셔너, 슬러리, 이 세 가지에 대해 알아보자.

(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 9-5]와 같이 40~50μm 수준의 미세한 기공이 많고² 유연한 고분자 물질로 이루어졌으며, 통상 폴리우레탄(Polyurethane) 계열의 물질로 만들어진다. 기공 구조의 흡착 능력 덕분에, 연마 시 연마 슬러리를 흡수하여 기계적 특성이 향상될 수 있다.

패드는 일반적으로, 한 물질이 가진 전체 구멍의 부피에서 약 30% 정도의 다공도(Porosity)를 가짐²

패드 물질은 공정 환경에서 내구성과 회복성(Reproducible), 압축성(Compressible)이 있어야 한다. 강도가 높은 하드(Hard) 패드는 연마 제거 속도가 빠르고 다이 내(With-In-Die, WID) 균일도가 좋은 장점이 있으나, 긁힘 불량이 생길 수 있다. 반면, 강도가 약한 소프트(Soft) 패드는 웨이퍼 내(With-InWafer, WIW) 균일도가 우수하다. 이때 패드의 강도는 화학적 조성 또는 다공질(Cellular)³ 구조에 영향을 받게 되는데, 용도에 따라 강도가 다른 개별 패드를 사용하거나 위, 아래에 다른 강도의 패드를 붙여 혼합 사용하는 경우가 있다. 또한 패드의 조도(거칠기)도 평탄도에 영향을 주는데, 조도가 높은 패드일수록 평탄도 특성이 좋다.

다공질³: 작은 구멍이 많이 있는 물질

(2) 패드 컨디셔너(Conditioner)

CMP 공정이 진행됨에 따라 슬러리 및 연마 잔유물에 의해 패드 표면의 기공이 막히는 눈막힘(Clogging) 현상이 발생한다. 또 패드 표면이 초기보다 부드러워져 [그림 9-6(c)]와 같이 CMP 연마 제거 속도(Removal Rate, R/R)가 급속히 저하되는 현상이 나타나기도 하는데, 이를 복구하기 위해 사용되는 것이 [그림 9-6(a)]의 패드 컨디셔너이다. 패드 컨디셔너는 [그림 9-6(b)]와 같이 원판(Disk)형의 스테인리스 스틸 기판 위에 다이아몬드 또는 니켈(Ni) 도금된 다이아몬드 알갱이를 성장시킨 구조이다. [그림 9-6(a)]와 같이 패드 컨디셔너를 이용하면 열화⁴된 패드 표면의 거칠기 회복과 기공의 슬러리 제거가 이루어지고, 일정한 연마 제거 속도를 유지할 수 있게 되는데, 이러한 과정을 컨디셔닝 Conditioning)이라고 부른다.

열화⁴: 내·외부적인 영향에 따라 화학적·물리적 성질이 나빠지는 현상

(3) CMP 슬러리(Slurry)

CMP 슬러리는 CMP 공정에 사용되는 연마 재료로서, 화학 첨가물을 포함한 수용액과 미립자로 분산된 연마 입자로 구성된다. 구성 성분들은 분리하여 보관하고 있다가 사용 전에 혼합해 사용한다. 슬러리는 연마 대상 물질의 막질⁵에 따라 성분이 다르며, 조성에 따라 연마 제거 속도(Removal Rate, R/R)와 선택비(Selectivity)⁶, 평탄도(Planarity), 균일도(Uniformity) 등에 영향을 미친다. 슬러리는 산화막 연마용과 금속 연마용 슬러리로 양분되는데, 먼저 산화막용 슬러리는 연마 입자, 초순수(DIW), 알칼리 화학약품(케미칼)으로 구성된다. 이 중 초순수는 산화막 내부에 침투하여 산화막을 수화⁷시키는 역할을 하고, 알칼리 케미칼은 적정한 pH 조절(pH 10~12)을 통해 슬러리의 안정성 및 CMP 후 세정 효과를 개선시킨다. 주로 수산화암모늄(NH₄OH)과 수산화칼륨(KOH) 등이 사용된다. 연마 입자에는 주로 실리카(SiO₂) 또는 세리아(Ceria, CeO₂)가 사용되는데, 수화된 산화막을 전위차(Potential)에 의해 결합·이동시키거나 기계적으로 제거하는 역할을 한다. 가장 일반적으로 사용되는 산화막용 슬러리 구성 입자는 실리카이다. 세리아는 실리카에 비해 입자 크기가 커서 연마 제거 속도가 3배 이상 높고 양산성 측면에서 유리한 장점이 있으나, 긁힘 불량에 취약하여 초기에는 사용이 불가능하였다. 하지만 이후 실리콘 질화막(Si₃N₄)에 대한 연마 선택비가 높은 물질이 필요하게 되었고, 상기와 같은 문제를 개선함으로써 현재는 소자 격리 기술인 STI(Shallow Trench Isolation) 공정에서 일반적으로 사용되고 있다.

막질⁵: 박막의 성질 또는 품질

선택비⁶: 여러 물질이 동시에 노출되어 있을 때, 한 물질에 대해서만 반응이 일어나는 정도

수화⁷: 어떤 물질이 물과 회합하거나 결합하여 수화물이 되는 현상

금속용 슬러리는 연마 입자, 초순수, 산화제 및 산성 케미칼로 구성된다. 이 중 연마 입자는 산화제에 의해 산화된 금속 산화막을 기계적으로 제거하는 작용을 하고, 알루미나(Al₂O₃), 이산화망간(MnO₂), 실리카(SiO₂) 등이 있다. 주로 연마 제거 속도가 빠르고 충분한 선택비를 얻을 수 있는 알루미나(Al₂O₃)를 사용한다. 다음 초순수는 연마된 산화 금속막과 연마입자를 이동시키는 역할을 하고, 산화제는 금속 표면을 산화시켜 연마가 용이하도록 한다.

5 CMP 공정의 원리

CMP 장비의 구성에 대해 알아보았으니, 이제는 일반적인 CMP 공정의 원리를 설명하겠다. 이 내용은 CMP 슬러리에 따라 산화막과 금속 박막 CMP로 나누어 설명하도록 한다.

(1) 산화막 CMP의 원리

[그림 9-8]과 같이 먼저 ① 슬러리 내 염기성 수용액의 작용으로 물 분자가 산화막 표면에 침투하는 것이 용이해지고, ② 침투한 물 분자의 수화작용(OH)으로 실리카 연마 입자(SiO₂)의 OH와 웨이퍼 산화막(SiO₂) 표면의 OH가 수소 결합을 이룬다. 그 결과 ③ 반응 부산물로 H₂O가 분리되면서 연마 입자와 웨이퍼 표면 분자가 결합한 형태(Si-O-Si)가 되고, ④ 실리카 입자의 물리적 마찰에 의해 원자 또는 분자 수준으로 산화막 표면이 제거된다.

(2) 금속 CMP의 원리

① 텅스텐(W) CMP

[그림 9-9]에 텅스텐(W) CMP의 원리를 나타내었다. 먼저 ① 텅스텐(W) 금속을 단차가 있는 하부 구조에 증착한 상태에서 ② 산화제를 사용해 텅스텐 표면을 WO3로 산화시킨다. 다음 ③ 연마제를 이용해 벌크 텅스텐 대비 기계적 강도가 낮은 텅스텐 산화막을 상대적으로 쉽게 연마하고, ④ 드러난 텅스텐 금속 표면을 화학약품으로 식각한다. 이때 낮은 높이의 드러나지 않은 텅스텐은 산화막(WO3)으로 덮여 있어 식각 시 보호된다. ⑤ 이후 다시 텅스텐 금속이 드러난 표면을 산화시키고, 상기 ②~⑤를 반복하면 ⑥과 같은 평탄한 구조를 얻게 된다. 통상 텅스텐(W) CMP는 슬러리 내 pH를 조절하여 두 단계로 진행되는데, pH < 4에서는 벌크 텅스텐(W)의 식각이 일어나고, pH > 9에서는 확산 방지층/접착력 강화층(Barrier/Adhesion)인 Ti/TiN이 제거된다.

② 구리(Cu) CMP

금속배선 공정 단원에서도 설명했듯이, 구리(Cu)는 휘발성의 반응 부산물 생성이 어려워 식각되지 않는다. 때문에 구리(Cu) CMP에 의한 다마신(Damascene) 공정이 도입되었고, 산화제에는 과산화수소(H₂O₂) 또는 과산화질산(HNO₄)이, 연마 입자로는 알루미나(Al₂O₃)가 사용된다. CMP 과정에서 만들어진 다공성 물질의 산화구리(CuO₂)는 계속 진행되는 산화에 대해 보호막 역할을 하기 어렵기 때문에, 암모니아(NH₃), 수산화암모늄(NH₄OH), BTA(Benzotriazole) 등을 첨가제(Additive)로 사용한다. 이로써 후속 산화나 습식 식각량을 줄일 수 있다. 구리 다마신 공정에서는 구리와 확산 방지층으로 사용되는 탄탈륨(Ta) 계열의 금속이 CMP에 의해 동시 제거되지만, 통상의 구리 CMP에서는 탄탈륨(Ta)을 효과적으로 제거하지 못한다. 따라서 연마 시간을 길게 하여 제거하는 과도 연마(Over polishing)가 이루어지고, 이 때문에 상대적으로 넓은 영역에서의 디싱(Dishing)⁸ 불량이 발생된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 구리 CMP에서는 두 종류의 슬러리를 사용한다. 즉, [그림 9-10]과 같이 벌크 구리를 제거한 후 탄탈륨(Ta)층을 제거함으로써 디싱이나 침식(Erosion)⁹ 불량을 감소시킨다.

디싱(Dishing)⁸: 패턴 면적에 따라 웨이퍼가 파이는 깊이가 달라지고, 국부적으로만 살짝 파이는 현상

침식(Erosion)⁹: CMP를 통해 연마하고자 하는 물질 외에 다른 물질이 같이 연마되는 현상

7 CMP 공정의 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 입자(Abrasive)의 크기와 함량, 케미칼, 슬러리 유량 등의 영향을 받는다. 연마 제거 속도는 프레스톤(Preston) 방정식을 통해 구할 수 있으며, 이 식을 통해 평탄화의 원리를 생각해 볼 수 있다. 즉, CMP 과정에서 웨이퍼 내 돌출된 부분은 상대적으로 높은 압력(P)을 받게 되어 연마 제거 속도가 빠르다는 것이다.

R = \frac{\Delta h}{\Delta t} = K_P \cdot P \cdot \Delta v \quad \text{<프레스톤 방정식>}

(Δh: 연마 전후의 막 두께, Δt: 연마 시간,K_P: 프레스톤 계수,P: 연마 시 수직 방향의 압력, Δv: 웨이퍼와 패드의 상대 속도)

(2) CMP 평탄도(Planarity)

CMP 평탄도는 배선층간절연막 CMP 공정의 중요한 평가 지표로서, 특히 메모리 반도체 소자 내의 셀과 주변 회로 간 광역적(Global) 단차¹⁰ 감소 정도로 표현된다. 관련 공정 변수로는 연마 패드의 탄성 변형성, 슬러리 공급의 균일성, 소자의 패턴(Pattern) 형상, 연마 압력 및 연마의 상대 속도 등이 있다. 평탄도에 대한 정량적 판단 기준을 [그림 9-12]에 광역(글로벌), 국소(로컬) 평탄화별로 도시하였다.\

단차¹⁰: 높낮이의 차

그림 9-12 CMP 평탄도에 대한 정량적 판단 기준

(3) 균일성(Uniformity)

균일성은 연마 후 웨이퍼 내(With-In Wafer, WIW), 웨이퍼 간(Wafer To Wafer, WTW), 로트¹¹ 간(Lot-To-Lot) 잔류막 두께의 편차로 정의된다. 공정 변수인 연마 압력의 분포, 연마 헤드 및 플래튼의 형상(상태), 상대 속도, 슬러리 공급의 균일성 등의 영향을 받는다. 통상 웨이퍼 내 49점(Points)의 3σ(표준편차)¹²로 정의된다.

로트¹¹: 정해진 기간이나 동일한 조건에서 만들어진 균일한 특성 및 품질을 갖는 제품

3σ¹²: 평균에서 양쪽으로 ±3σ 값을 말하며, 약 99.7%

(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. 전술한 STI(Shallow Trensh Isolation) CMP의 경우에는 실리콘 산화막(SiO₂) 대비 실리콘 질화막(Si₃N₄)의 선택비가 100 :1~300 :1로 매우 높은 선택비를 요구한다. 선택비는 설계 레이아웃(Layout)상 패턴의 밀도(Pattern density)와도 관계되어, 밀도가 낮고 선택비가 낮은 경우에 침식 불량이 발생할 수 있다.

8 CMP 공정의 문제점

CMP 공정은 이물질 등의 결함을 제거하여 수율을 개선시키기도 하지만, 공정 과정에서 [그림 9-13]과 같은 새로운 이물질과 결함을 유발하기도 한다. 예를 들어 긁힘성 불량(Scratch)과 슬러리 잔유물, 이물질(Particles), 금속 CMP 공정에서의 금속 부식, 박막 박리(Delamination)¹³, 침식(Erosion), 디싱(Dishing) 등이 있다.

박막 박리¹³: 박막이 떨어져 나가는 현상

매우 큰 외인성¹⁴ 이물질이나 CMP 장비의 하드 패드는 긁힘성 불량을 초래할 수 있다. 예를 들어 텅스텐(W) CMP의 경우는 텅스텐을 절연막 표면에 생긴 긁힘 자국을 따라 남게 만들고, 회로적으로 배선 간 의도치 않은 연결이 생겨 전기적 불량을 발생시킨다. 이는 곧 제품의 수율 저하를 가져오기도 한다. 이러한 불량의 원인으로는 부적당한 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. 적절한 CMP 공정 조건의 선택 및 CMP 후 세정 등을 통해 이를 개선할 수 있으며, 슬러리가 건조되어 딱딱한 이물질 형태로 웨이퍼에 떨어져 긁힘 불량 등을 야기시키는 문제는 슬러리가 정체되어 굳지 않도록 슬러리 공급 배관 설계를 최적화하여야 한다.

외인성¹⁴: 외부로부터 기인한 물질

이러한 기본적인 불량 외에도 CMP 공정 특유의 불량인 디싱(Dishing)과 침식(Erosion) 불량이 있다. 일반적으로 CMP 공정 시, [그림 9-14]와 같이 패턴의 밀도가 낮은 곳의 연마 제거 속도가 빨라 고밀도 패턴부의 잔류막을 제거하기 위해 연마를 계속하게 되는데, 이 경우 저밀도 부분이 과도 연마(Overpolishing)되므로연마되지 않아야 할 정지층(Stopping layer)까지 연마되는 침식(Erosion) 현상이 발생한다. 이 현상은 연마할 물질과 정지층 간의 연마 선택비가 낮을 경우 발생할 확률이 높다. 이렇게 침식 불량이 발생할 경우에는 [그림 9-15]와 같이 패턴 단차가 발생하고, 후속 콘택(Contact) 공정이 진행되더라도 상하층이 전기적으로 도통(ON)¹⁵되지 않는 오픈(Open) 불량이 발생할 수 있다.

도통¹⁵: 반도체 소자나 금속배선 간에 전류가 흐르는 상태

상대적으로 패턴이 넓은 부분은 연마 제거 속도가 빨라 중앙부가 푹 내려 앉는 불량이 생기는데, 이때의 불량 형상이 접시와 닮았다 하여 디싱(Dishing) 불량이라 한다. 디싱 불량은 과도 연마(Overpolishing)시 연마할 물질과 정지층 간의 연마 선택비가 너무 높을 때 발생하며, 정지층은 연마되지 않고 연마될 물질만 계속 연마되어 발생하는 현상이다. 이러한 디싱 불량이 STI CMP 후에 생기면, 후속 게이트 등의 포토 공정 시에 초점 심도 부족에 의한 패터닝 불량을 발생시킬 위험이 있다. 또 [그림 9-16]과 같이 구리 CMP에서 발생한 디싱(Dishing)으로 인해, Cu - Cu 본딩(Bonding) 공정 과정에서 범프(Bump)¹⁶ 표면 전체가 아닌 범프 테두리만 본딩되는 문제가 발생된다. 이 경우에, 충분한 Cu - Cu 본딩 강도를 얻을 수 없어 연삭¹⁷과 같은 후속 공정에서 웨이퍼가 떨어지는 등의 심각한 문제를 야기하게 된다.

범프¹⁶: 구리(Cu) 간의 서로 닿는 부분

연삭¹⁷: 고체의 표면을 다른 고체의 모서리나 표면으로 문질러 매끈하게 하는 것

CMP 고유의 불량인 침식과 디싱 불량을 줄이기 위해서는, CMP 장비, 소모품 및 CMP 공정 조건의 최적화와 함께 패턴의 선폭, 밀도 조정 등의 설계적 대책들이 병행되는데, 이러한 생산성을 위한 설계를 DFM(Design For Manufacturing)이라 칭한다. [그림 9-17]은 STI CMP의 디싱 불량을 개선한 레이아웃(Layout) 설계의 한 예를 보여주고 있다. 넓은 필드(산화막) 부분을 실리콘 질화막의 더미 패턴으로 채워 패턴 밀도를 조정하는 방법으로 디싱 불량을 개선하였다. 또한 연마 중에 웨이퍼 잔막 두께를 측정하는 인라인(In-line) 두께 측정 시스템의 정밀도를 향상시켜 과도 연마를 방지하는 것도 매우 중요하다.