CMP(Chemical Mechanical Planarization)

지금까지 발표를 들어주셔서 감사합니다.

CMP 주요 공정 변수

1. 평탄도

일반적으로 층간절연막 CMP 공정에서 중요한 평가지표로써 반도체 소자네 셀과 주변회로 간 광역적 단차감소 정도로 표현되며, 관계하는 공정 변수로는 연마 PAD의 탄성 변형성, Slurry 공급의 균일성, Device의 패턴 형상, 연마 압력 및 연마의 상대속도 등이 있습니다.

2. 균일성

연마 후 웨이퍼 내, Lot 내, Lot 별 잔류막 두께의 편차로 정의되며,

공정 변수로는 연마 압력의 분포 , 연마의 Head의 형상 및 연마 Platen의 형상, Slurry 공급의 균일성 등이 관계합니다.

3. 연마속도

단위 시간당 제거되는 막의 두께로 정의되며, 공정 변수로는

연마 압력, 연마의 상대 속도, Slurry 내 연마(Abrasive)의 크기와

함량, Chemical Slurry 유량, 연마 Head의 표면 상태 등이 관여 합니다.

4. Dishing & Erosion

STI CMP, Plug Isolation CMP 공정후 회로 배선내 recess 정도로 정의 하며, 연마되는 두 물질간의 연마속도, Pad 특성, Slurry chemistry에

의해 유발되는 미시적인 현상으로 Defect 및 소자의 전기적 특성 차이 유발 합니다.

5. Defect

연마 후 웨이퍼 표면에 잔류하는 Particle, Residue성 물질과 Scratch 및 Metal Impurity로 Slurry와 Mechanical Process에 의해 공정을 진행하는 CMP 공정에 있어서는 반드시 유발되는 현상 으로 이에 대한 정확한 제어가 필요하며, 이를 위해서 CMP System은 연마 후 Wet 상태에서 웨이퍼를 세정할 수 있는 Post CMP Cleaner System을 동반합니다.

CMP 장비 영상

CMP의 정의

CMP란?

웨이퍼를 연마패드(Pad)의 표면 위에 접촉하도록 한 상태에서 슬러리를 공급하여 웨이퍼 표면을 화학적으로 반응시키면서 플래튼(platen)과 연마헤드(Polishing Head)를 상대운동시켜 기계적으로 웨이퍼 표면의 요철부분을 평탄화하는 기술입니다.

CMP의 사용 이유

CMP를 안 했을 경우

CMP를 했을 경우

1. 실리콘 웨이퍼 제조 응용

3. 금속막 CMP 공정

단결정 또는 폴리 실리콘 박막 연마 메커니즘은 SI-SI 결합으로 이루어진 실리콘 박막을 슬러리 내 함유된 H2O가 SI-SI 결합에 침투하여

SI-OH 결합으로 변화시켜 박막의 표면 경도를 약화시키며 이러한

낮은 경도의 박막 표현을 연마제의 물리적인 마찰에 의해

SI-OH 결합을 이탈시킴으로써 연마하는 것입니다.

금속막용 슬러리는 희석된 산화제에 연마제가 분산되어 있으며,

산성(PH 2~4)을 나타냅니다. 금속막 연마 모델은 Kaufuman이 제시한 것으로 산화제가 금속막 표면을 산화시키고, 산화막 금속막 표면을 연마제의 물리적 마찰에 의해 제거해내는 반응을 반복해서 발생함으로써 연마가 진행되는 것입니다.

CMP 공정기술 및 응용

일반적인 CMP 공정 기술 분류 방법은 연마 대상 막질 또 연마 후 표면 형상에 따라 구분합니다. 먼저 연마 대상 막질에 따라 단결정 또는 폴리 실리콘 막(Si, Poly Si), 불순물 종류에 의해 구분되는 산화막, 금속막 CMP공정으로 분류할 수 있습니다. 그리고 연마 후 표면 형상에 따라 기판 표면의 거칠기를 완화시키는 실리콘 웨이퍼 제조 공정, 다층 회로 배선으로 인해 발생되는 단차를 평탄화하는 공정, 연마 후 회로 배선을 선택적으로 형성하기 위한 소자 분리 공정으로 분류할 수 있습니다. 그리고 고집적 디바이스 제조에 있어 일반적인 CMP 공정 기술의 한계를 극복하기 위해 슬러리, 연마 패드 등은 또 다른 관점에서 주목할 만한 대상입니다.

2. 산화막 CMP 공정 응용

4. 금속막 CMP 공정 - W PLUG CMP 응용

메모리 반도체소자 제조공정 중에 METAL CMP로 가장 일반적으로 사용되고 있는 W PLUG CMP 공정의 개략도를 DISHING이나 EROSION의 최소화가 중요하며 특히 METAL이라는 특수한 상황에 기인한 CORROSION, PITTING 억제를 위한 후세정 기술도 중요합니다.

반도체 디바이스 제조에 있어 산화막용 슬러리의 연마제로 주로 사용되고 있는 실리카(SIO2) 입자의 산화막 연마 원리에 대해서는 COOK의 연마 이론이 일반적으로 적용되는데 슬러리 내의 알칼리 수용액의 작용으로 물분자가 산화막 표면으로 침투하기 쉬운 상태로 변환되고 이렇게 침투한 물분자는 수화작용으로 SI-O 결합력을 약화시킵니다. 이 때 연마제인 실리카 입자 표면의 실리콘에 연결된 수산기(OH)와 산화막 표면의 수산기(OH)가 결합하여 실리콘 표면의 SI-OH결하ㅂ이 되고 실리카 입자의 물리적 마찰에 의해 산화막 표면의 SI-OH 결합이 이탈되면서 산화막 표면이 제거되는 것입니다.

CMP 장비

위 그림은 CMP 를 위한 기계를 나타낸 것입니다.

우선 위 그림에서 보듯이 원하는 웨이퍼(wafer)를 sample carrier라는 원통에 붙입니다.

그리고 polishing 판(polishing plate)에는 고운 사포처럼 약간 거칠거칠한 polishing pad를 붙입니다.

그리고 polishing plate와 sample carrier를 서로 반대로 돌립니다. 즉 매우 고운 사포에 웨이퍼 표면을 갈아 낸다고 생각하시면 됩니다. 이때, polishing plate에 slurry(슬러리)라는 연마제를 뿌려주는데 이 슬러리는 입자로 되어 있으며 위에서 말씀드린 polishing pad 돌기와 같이 돌면서 기계적으로 웨이퍼를 갈게 됩니다. 또 이때 슬러리 자체에 화학적 성분에 의해 화학적으로 연마를 동시에 수행합니다. 따라서 웨이퍼마다 사용하는 슬러리가 조금씩 다를 수 있습니다.

CMP (Chemical Mechanical Polishing)

조정환, 이계진