반도체 8대 기술 - CMP 공정

1. CMP

  CMP 란 무엇일까요? Chemical Mechanical Poslishing의 약자입니다. 즉 Wafer의 표면의 굴곡을 매끈하게 다듬는 공정이라고 할 수 있습니다. 요철이나 굴곡이 발생한 Wafer의 Film 표면을 화학적/기계적 요소를 통해 연마(Polishing)을 해서 평탄화(Planarization)하는 공정을 말합니다. 칩 제작 과정에서 특정 단차로 인해 발생하는 불량들을 개선하기 위해서 진행을 하는데, 하부층의 단차가 존재한다면 증착 공정 시 Step Coverage가 우수하지 않아서 상부층의 두께가 변할 수 있습니다. 

 

Chip 내 각각의 다른 높이를 갖는 부위가 패드와 접촉하면 서로 다른 압력을 받아 상대적으로 높게 솟은 부위가 높은 압력에 의해 먼저 연마되는 원리를 활용하는데 웨이퍼 스크래치를 방지하기 위해 Slurry라는 연마액을 접촉면에 분포한 상태에서 공정을 진행합니다.

 

CMP는 크게 Pad, Slurry, Conditionar로 구성되어 있습니다. Pad는 폴리우레탄, 용도에 따라 sOFT, hARD Stack type의 Pad로 나뉩니다. Pad는 Mechaical Force를 직접 제공하는 구성 요소입니다.

 

Slurry는 Chemical Reaction을 일으키는 물질로 크게 Oxide용과 Metal용으로 나뉘는데 Metal 연마 시 표면을 산화 시키기 위해 Acid, Oxidizer를 사용하고  Oxide용은 표면에 Hydroxide를 형성하여 Soft하게 만듭니다. Slurry는 입자가 0.1um 정도로 매우 작으며 Agglometrate(덩어리)되면 스크레치가 발생하기 때문에 교반(액체를 휘젓는것 )을 통해 온전한 Slurry 상태를 유지하는 것이 중요합니다. 

 

Conditionar는 Grazing Residual로 인해 Pad 표면에 축정되면서 Removal 능력이 떨어 집니다. 사포질을 할 때 표면에 이물질에 의해 연마력이 저하되는 원리로 Glazing Residual이 축척된 Pad 표면을 Diamond grit으로 인공적으로 깍아서 원상태로 복원하는 유지보수가 중요합니다.

 

 

1-1.Dishing, Erosion

   Dishing과 Erosion의 현상은 Removal Rate가 다른 두 박막이 만나면 선택비에 의해 발생하는 현상입니다. Dishing이란 CMP되는 Target Film에 단차가 발생하는 것을 말하며, Erosion은 Target이 아닌 박막의 두께가 얇아 지는 것을 말합니다. 동일한 Oxide Film을 제거할 때는 나타나지 않지만, Metal or STI CMP진행시 주로 나타납니다. 

 

Oxide 사이에 Cu가 gapfill 되어 있을 때 초반에는 Cu만 연마되다가 어느 순간 Removal Rate이 높은 Metal이 Oxide보다 더 많이 제거가 되서 Dishing이 발생합니다. 그로 인해 Metal 저항이 증가하는 이슈가 발생합니다. STI CMP의 경우 Active Domain에 Damage가 발생할 수 있습니다. 같은 Oxide라도 Erosion이 발생해 Bulk영역보다 Pattern 영역의 Oxide와 Metal이 전체적으로 더 많이 되는 현상입니다. 

 

대표적인 CMP 공정의 종류는 재료에 따라 Oxide, Metal, Poly CMP로 구분할 수 잇습니다. Oxide CMP는 STI CMP와  ILD/IMD CMP로 구분되며 소자간 분리막인 Isolation을 목적으로 형성한 산화막을 연마하고 층간 절연막 ILD/IMD Layer를 연마합니다. 질화막을 하부막에 두어 선택비를 이용해 공정 Stop timing을 결정합니다. 

 

Metal CMP는 W-CMP, Cu-CMP가 대표적인데 Contact/Via에 W을 Gapfill한 후 CMP공정을 거쳐 W Plug을 형성합니다. 이는 산화막과 Metal의 선택비를 이용 Stop Timing이 결정됩니다. 

 

Poly -Si CMP는 Poly-Si와 Plug 사이에 Contact 형성시 적용됩니다. CMP는 Removal Rate이 다른 두 물질 간 선택비를 활용하기 때문에 Dishing이나 Erosion 현상을 피할 수 없는데 ILD/IMD CMP는 Metal이 닿기 전 공정이 끝나서 두 현상이 발생하지 않습니다.

 

참고 문헌 :

sshmyb.tistory

news.skhynix.co.kr/post/cleaning-and-cmp-technical-manager