CMP 공정은 반도체 Chip 제작 과정에서 특정 단차로 인해 발생하는 불량이슈를 개선하기 위해 적용하는 평탄화 공정입니다. 하부층의 단차가 존재하면 증착공정 시 Step Coverage가 우수하지 않아, 상부층의 두께가 변할 수 있습니다. 또한, 에칭 공정 시 제거되어야 할 부분이 완전히 제거되지 않아 불량을 야기할 수 있습니다. 이렇게 단차에 의해 발생하는 문제를 개선하기 위해서 평탄화 공정은 매우 중요한 공정이라 할 수 있습니다. CMP를 간단하게 설명하자면, 고속으로 회전하는 Plate 위에 CMP용 Slurry 용액을 뿌린 후 Wafer에 압력을 가하면서 Slurry에 의한 Chemical Reaction과 회전과 압력에 의한 Physical 작용에 의해 평탄화가 진행됩니다.
[꼬리 1.1]. CMP 기법 이전에 Thermal Reflow 평탄화 기법에 대해서 설명하세요.
평탄화 공정은 크게 CMP, Thermal Reflow, Etch Back 3가지로 구분할 수 있습니다. Thermal Reflow는 높은 온도를 가하여 웨이퍼 표면을 Melting 시켜 흐르게 함으로써 평탄화 시키는 기법입니다. 순수한 SiO2의 Melting Point는 1300℃ 정도이므로 이보다 적은 Melting Point를 가지는 PSG나 BSG 상부막의 평탄화를 진행할 때 주로 사용되었습니다. (PSG : Phosphorus-doped Silica Glass, BSG : Boron-Doped Silica Glass). Thermal Reflow 기법
[꼬리 1.2]. Etch Back 기법에 대해서 설명하세요.
Etch Back 기법은 Wafer 상의 단차를 감소시키는 평탄화를 목적으로 PR에 의한 패터닝 없이도 전체적으로 식각해 내려가는 공정입니다. 증착공정에서 상부의 Corner를 식각함으로써 Gap-Fill 능력을 개선하고 증착과 에칭이 반복할수록 평평해지는 효과가 있습니다. 한 예로 PR Etch Back은 평탄화하고 싶은 박막에 PR을 코팅한 후 CF4/O2를 이용하여 화학적으로 Plasma Etch를 진행합니다. Oxide 층은 F에 의해서 Etch되고, PR은 Oxygen에 의해서 Etch됩니다. CF4와 O2의 비율을 적절히 조절하여, Oxide와 PR의 Etch Rate을 선택적으로 조절하여, 평탄화 할 수 있습니다. Etch Back 공정으로 미세한 패턴을 구현하기는 어렵지만 생산성이 높은 장점이 있습니다.
[질문 2]. 포토 공정에서 CMP 공정이 중요한 이유를 설명해주세요.
후속공정이 포토공정이라면 단차를 제거하는 것은 매우 중요합니다. 첫 번째로 단차로 인해 상부막에 PR 유기박막의 Thickness가 변할 수 있습니다. 두께가 균일하지 않다면 두꺼운 영역은 동일한 Expose Time 내에서 잔여물이 생길 수 있어, 후속공정인 에치나 증착에 영향을 미칠 수 있습니다. 두께가 얇다면, Over Exposure로 인해 Pattern의 CD가 얇아져서 Spec-out 될 수 있습니다. 또한, 노광 시 단차가 생기면 하부막에서 난반사가 일어나면서 Standing Waver Effect에 의해 LER 특성이 저하되거나 Pattern 불량이 발생할 수 있습니다.
마지막으로 CMP 공정은 Focusing 문제를 해결할 수 있습니다. 포토공정에서 Resolution과 Depth of Focus (DOF)는 Trade-off 관계에 있습니다. 미세패턴을 구현하기 위해서 Resolution을 향상시키기 위해 점점 더 짧은 파장의 광원을 사용하다 보니 DoF 수직공정마진이 턱없이 부족한 상황에 봉착했습니다. 작은 단차에도 불구하고 Focusing이 되지 않아 원하는 패턴을 구현할 수 없는 이슈가 발생했습니다. CMP 공정을 통해 단차를 줄임으로써 Focusing 문제를 개선할 수 있습니다.
[꼬리 2.1]. 식각 공정에서 CMP 공정이 중요한 이유를 설명해주세요.
Metalization 공정에서 단차가 존재하면 Open/Short 항목에 Fail이 발생할 수 있습니다. 혹은 Under Etching으로 인해 소자 Saturation Current가 감소하여, Output Performance가 감소할 수 있습니다. 만일 단차가 존재하는 하부막 위에 Metal을 증착한다 했을 때, 상부 금속 박막의 Thickess에 영향을 줄 수 있습니다. 만일 금속 박막 Thickness가 얇다면 소자 동작시 Bias에 의해 쉽게 Damage를 받아 회로가 Open될 수 있습니다. 반대로 Etching이 완벽하게 되지 않아 Metal 잔여물이 존재하면 회로가 Short 될 수 있습니다. 더 나아가 Via Hole 형성 시 단차가 존재하여Etching Uniformity가 좋지 않아, Under-Etch로 인해 제대로 Contact이 이루어지지 않는 이슈가 발생할 수 있습니다.
[질문 3]. CMP 공정의 메커니즘에 대해서 간략하게 설명해주세요.
CMP 공정은 화학적 기계적 방법을 통하여 Wafer 표면의 단차를 제거하거나 Film을 제거하는 공정 기술입니다. Chemical Reaction에 의해 Film 표면이 연마하기 쉬운 Soft한 상태로 변하고, Soft 해진 표면을 고속으로 회전하는 Pad를 이용하여 기계적 연마로 제거합니다. CMP 공정은 Pad와 Slurry 그리고 Conditionar가 있습니다. Pad 쪽은 Carrier의 압력으로 Mechanical Force를 제공합니다. Groove와 Pore를 통해 Wafer 표면으로 Slurry를 균일하게 전달하는 역할을 합니다.
[추가 설명] Preston's Equation CMP의 기본 공정 컨셉은 Preston's Equation을 따릅니다. [ R = △h/△t=KpPVpad ] R은 Removal Rate, P는 Pressure, Vpad는 Pad의 Velocity입니다. 연마 시 단차가 존재하는 표면을 압력을 가해 Pad가 맞닿아 있다면, 단차에 따라 가해지는 P (Pressure)가 달라집니다. 그에 따라 P가 높은 영역은 Removal Rate가 높고, P가 낮은 영역은 Removal Rate이 작기 때문에 Removal Rate 차이에 의해 표면이 평탄화 되는 원리입니다.
[꼬리 3.1]. CMP 공정의 구성과 역할에 대해서 간략하게 설명해주세요.
CMP는 크게 Pad, Slurry, Conditionar로 구성되어 있습니다. Pad는 폴리우레탄 재질로, 용도에 따라 Soft, Hard, Stack Type에 Pad로 나누어져 있습니다. Pad는 Mechanical Force를 직접적으로 제공하는 구성요소입니다. Slurry는 Chemical Reaction을 일으키는 물질로 크게 Oxide용과 Metal 용으로 구분됩니다. Metal 연마 시 표면을 산화시키기 위해 Acid와 Oxidizer를 사용하고, Oxide 용은 표면에 Hydroxide를 형성하여 Soft하게 만듦니다. Slurry는 입자 사이즈가 0.1um 정도로 매우 작으며, Agglomerate되면 스크래치가 발생할 수 있기 때문에 교반을 통해 온전한 Slurry 상태를 유지하는 것도 중요한 기술입니다. Conditionar는 Grazing Residual로 인해 Pad 표면에 축적되면서 Removal 능력이 저하됩니다. 이는 사포질을 할 때, 표면에 이물에 의해 연마력이 저하되는 것과 동일한 것입니다. 그래서 Glazing Residual이 축적된 Pad 표면을 Diamond grit으로 인공적으로 깎아냄으로써 원상태로 복원하는 유지보수가 중요합니다.
[질문 4]. Dishing 과 Erosion 현상에 대해서 설명해주세요.
Dishing 과 Erosion 현상은 Removal Rate이 다른 두 박막이 만났을 때 선택비에 의해 발생하는 현상입니다. Dishing은 CMP 되는 Target Film에 단차가 나타나는 현상이며, Erosion은 Target이 아닌 박막의 두께가 얇아지는 현상입니다. 동일한 Oxide Film을 제거할 때는 나타나지 않지만, Metal 또는 STI CMP시 주로 나타납니다. Metal CMP에서 Oxide 사이에 Metal을 Deposition 했을 때, 초반에는 Metal만 연마되다가, 어느 순간 Removal Rate이 더 큰 Metal 쪽이 Oxide 보다 더 많이 제거 됩니다. 이러한 현상을 Dishing 현상이라고 합니다. 그로 인해 Metal 저항이 증가하는 이슈가 발생할 수 있습니다. STI CMP 경우 Active Domain에 Damage가 발생할 수 있습니다. 또한, 같은 Oxide라 하더라도, Erosion이 발생하여 Bulk Oxide와 Pattern이 있는 영역의 Oxide와 Metal이 전체적으로 더 많이 연마되는 현상입니다. (a) CMP 공정 이전 Profile, (b) 이상적인 연마 이후 표면, (c) Dishing & Erosion
[질문 5]. CMP 공정의 장단점에 대해서 설명해주세요.
CMP 공정은 Global Planaization이 가능하다는 장점이 있습니다. 일반적으로 모든 종류의 Film을 에 대해서 평탄화가 가능하며, 특히 쉽게 Etching 할 수 없는 Cu와 같은 물질을 패터닝할 수 있습니다. 부수적으로 Film 표면의 Defect을 제거하는 효과 또한 있습니다. 하지만 CMP 공정은 기초적인 이해도가 아직 부족한 공정입니다. 그렇기 때문에 많은 모델들이 현재 가정에 기초되고 있으며, 명확한 이론적인 모델이 부족합니다. 따라서 잠재적인 Defect 위험에 노출된 공정으로 많은 연구가 진행되어야 됩니다.
[질문 6]. CMP 공정의 종류에 대해서 설명해주세요.
대표적인 CMP 공정의 종류는 재료에 따라 Oxide CMP, Metal CMP, Poly CMP로 구분할 수 있습니다. Oxide CMP는 STI CMP와 ILD/IMD CMP로 구분되며 소자간 분리막인 Isolation을 목적으로 형성한 산화막을 연마하고 층간절연막인 ILD/IMD Layer를 연마합니다. 이때, 질화막을 하부막에 두어 선택비를 이용하여 공정 Stop Timing을 결정합니다. Metal CMP는 W-CMP, Cu-CMP가 대표적입니다. Contact/Via에 W를 매립한 후 CMP공정을 거쳐 W Plug를 형성합니다. 이는 산화막과 Metal의 선택비를 이용하여 Stop Timing이 결정됩니다. 마지막으로 Poly-Si CMP로 Poly-Si와 Plug 사이에 Contact을 형성할 때 적용됩니다. CMP는 Removal Rate이 다른 두 물질 간에 선택비를 활용하기 때문에 Dishing이나 Erosion 현상을 피할 수 없는데, ILD/IMD CMP는 Metal이 닿기 전에 공정이 끝나므로 Dishing과 Erosion 현상이 나타나지 않습니다.
오늘은 CMP 공정에 대해서 다루어보았습니다. 소재부분까지 다루려고 했는데 카페 영업시간이 방해하네요.. 그건 다음 시간에 다시 다루어보도록 하겠습니다!
최근댓글