여러분들, 면접을 앞두고 시간이 없으신가요? 속성 시리즈로 포스팅을 시작하려고 합니다! 금일은 미세화에 따라 점점 더 중요해진 CMP 공정에 대해서 다루도록 하겠습니다.
질문 0. Chemical Mechanical Polishing 공정에 대해서 설명하세요.
CMP 공정은 Chemical Mechanical Polishing의 약자로 물리화학적으로 패터닝된 Wafer 표면을 연마하는 공정입니다. 반도체 제조 공정에서 Polishing Slurry를 이용하여 표면을 화학적인 반응과 기계적인 힘을 이용하여 Wafer 표면을 평탄화 하거나, 소자배선을 분리하는 기술입니다.
질문 1. Chemical Mechanical Polishing 공정이 중요성에 대해서 설명하세요.
집적도가 향상되면서 Pattern Density가 증가하고 Pitch는 점점 미세해지며, RC Delay 개선하기 위해 Metal의 Thickness는 두꺼워지며 Metal Layer 또한 증가하고 있습니다. 그로 인해, Hills 혹은 Valley 같은 단차로 인해 후속공정인 증착 공정에서는 Step Coverage 개선이 요구됐으며, 포토공정에서 Focus Margin이 Tight 해짐에 따라 Defocus 이슈로 명확한 패턴 형성이 어려워졌습니다. CMP 공정을 통해 반도체 공정 중에 발생한 여러 Film 들의 구조적 단차를 제거해줌으로써 Defocus에 의한 패턴 불량을 개선할 수 있습니다.VLSI, ULSI로 고집적화 됨에 따라 포토공정 기술이 허용하는 초점심도가 단차 이상으로 감소하는 문제를 극복하기 위해서 CMP 평탄화 공정의 비중이 점점 더 커지고 있습니다.
꼬리 1.1. Defocus Issue가 무엇인지 설명 좀 해주시겠어요.
DOF는 Depth of Focus의 약자라 포토공정에서 수직공정 마진으로 작용됩니다. Wafer 상에 명확한 패턴을 형성하기 위해서는 초점이 정확하게 맞아야 합니다. 이때, 초점이 맞는 거리 Margin을 DoF로 정의하여, 공정을 최적화 시킵니다. 하지만 반도체 미세화에 따라 점점 더 높은 해상도를 요구하면서 그와 반비례 관계인 DoF Margin이 줄어들고 있습니다. 이에 따라 Pattern이 Define 되지 않거나, Missing되면서 패턴 불량을 야기하게 됩니다.
꼬리 1.2. Defocus Issue를 해결하기 위해서는 어떤 방법이 있죠.
앞서 설명드린 것과 같이 Defocus는 수직공정 마진이 부족해지면서 발생하는 패턴 불량입니다. 이를 개선시키기 위해서는 공정 중에 발생한 Film 간의 단차를 제거해주어야 합니다. 따라서 공정이 점점 더 미세해짐에 따라 표면을 연마하는 CMP 공정의 비중이 점점 커지고 있습니다.
질문 2. CMP 설비에 대해서 설명 부탁드립니다.
CMP 설비는 크게 Polisher Module과 Cleaner Module로 구성되어 있습니다. Polisher Module은 Wafer 표면을 연마하는 모듈로 Wafer 표면 연마를 위한 우레탄 소재의 Pad와 Pad를 회전시키는 Platen이 존재합니다. Wafer를 로딩할 수 있는 Wafer Carrier가 존재하며, 연마 과정에서 발생한 이물이 Pad 표면에 끼면서 연마 성능이 저하되는 것을 방지하기 위한 Conditioner가 존재합니다. 또한, Polishing의 Mechanical & Chemical Reaction 향상을 위해 Nozzle을 통해 Slurry를 주입해줍니다. Main Polishing 공정이 끝나면 Cleaning Module로 이동하여 CMP 설비 내에서 각종 이물 및 Defect을 제거해주는 과정을 거칩니다.
꼬리 2.1. Conditioner의 역할은 뭐죠.
Conditioner는 Diamond가 박혀있는 Disk입니다. Conditioner는 연마 과정에서 발생한 이물이 Pad에 끼게 되면서 연마성능이 저하되고 Pad의 수명이 저하됩니다. 이를 방지하기 위해서 Conditioner를 이용하여 Pad 표면을 문질러줌으로써 Pad 표면의 이물을 제거하고 연마 성능을 향상시킵니다.
꼬리 2.2. Cleaning Module은 왜 필요한 것이죠.
CMP 공정은 다른 공정 대비 오염에 매우 취약합니다. 공정 자체적 Defect 발생률이 높기 때문에 설비 내에 설비 내 Cleaning Module을 배치하여 연마공정 과정에서 발생할 수 있는 이물 불량을 최소화 시키기 위함입니다. Cleaner Module에 Wafer를 Loading 하면 양 측면에 스펀지 소재의 Brush가 Wafer 표면의 이물을 제거하는 방식입니다.
[상세 살명] CMP설비는 주로 멧돌에 비유할 수 있습니다. CMP 설비는 Polisher Module과 Cleaner Module로 구성되어 있는데, Polisher Module에는 직접적으로 Wafer 표면을 연마하기 위한 여러 Component가 존재합니다. 우선 멧돌의 아랫돌의 역할을 하는 Table (Platen) 그리고 Table 위에는 우레탄 소재의 Pad가 위치합니다. 멧돌의 윗돌에 해당하는 Wafer Carrier가 존재하며, Wafer Carrier에 Wafer를 표면이 아래를 향하도록 로딩합니다. 이후, 멧돌의 '어이'라고 하는 손잡이 역할의 Motor가 Wafer Carrier 위에 위치합니다. Platen과 Wafer Carrier가 회전하면서 Wafer 표면 연마가 진행됩니다.
멧돌에 콩을 갈면 돌가루나 이물들이 포함될 수 있기 때문에 물을 흘려주는데, CMP도 마찬가지로 Slurry를 Wafer와 Pad 사이에 흘려줌으로써 연마를 진행합니다. Conditioner는 표면에 Diamond가 박혀 있는 Disk입니다. Table 위에 위치한 Pad는 소모성으로 표면에 연마 잔해 이물질이 끼면 연마성능이 저하되기 때문에, Conditioner를 이용하여 Pad를 문질러줌으로써 Pad 성능을 회복시켜줍니다.
Main Polishing 공정이 끝나면 Cleaning Module로 이동합니다. CMP 공정은 다른 공정 Step과 달리 오염에 취약하고 자체적으로 많은 Defect이 발생하기 때문에 CMP 설비 내에서 추가적인 Cleaning을 진행한 후에 후속 공정으로 Flow 됩니다. Cleaning Module에서는 HF나 Ammonium 용액으로 세정해주고 외부 Cleaning 장비로 이동합니다.
CMP 공정은 In-situ Cleaning Single type으로 Wafer를 세로로 세워 회전시킴으로써 진행합니다. 이때, 양 Side에 스펀지 재질의 브러시로 표면을 문질러줌으로써 오염물이 제거되고, 노즐에서 DIW를 뿌려줌으로써 세정이 완료됩니다.
꼬리 2.3. Hard/Soft Pad의 차이에 대해서 설명해주세요.
Polishing Pad는 Wafer의 표면을 직접 물리적으로 연마를 진행하기 때문에 CMP 성능에 큰 영향을 미칩니다. 명칭 그대로 Pad의 단단한 정도의 차이를 가집니다. 결론부터 말씀드리자면, Hard Pad의 경우 Wafer 내 Die에서 우수한 Uniformity를 가집니다. Pad가 Hard 할 경우 외부 압력에 의해 틀어지거나 흔들리는 불필요한 움직임이 최소화 되는 장점이 있죠. 반대로 Soft Pad의 경우, 연마를 진행할 때 외부 압력에 의해 틀어짐이 존재할 수 있기에 Die 내에서는 정교한 Uniformity를 확보하지 못합니다. 따라서 Wafer 전체적으로 러프하게 Uniformity가 요구되는 Layer에서 적용됩니다. Hard Pad의 경우는 Scratch가 발생할 수 있는 문제가 있죠.
꼬리 2.4. Pad가 CMP 성능에 중요하겠네요? 또 다른 중요한 요구사항이 있을까요.
음.. Pad의 경우, 표면 Roughness가 CMP 성능에 영향을 미칠 수 있다고 생각합니다. 우리가 일상에서 접할 수 있는 Polishing은 사포를 떠올릴 수 있습니다. 사포 또한 얼마나 곱게 연마를 할 지 결정할 때, 사포의 표면의 Roughness가 영향을 미칩니다. 마찬가지로 Pad의 Roughness가 거칠수록 Polishing의 Removal Rate이 높습니다. 하지만 Wafer 전체 영역에 대해서 CMP Conformality는 저하될 것으로 생각됩니다. 표면 Roughness가 Smooth한 경우, Removal Rate은 상대적으로 적겠지만 우수한 CMP Conformality 특성을 보입니다. 이 또한 CMP Target에 따라 목적과 기능에 맞게 Pad Type을 결정해야 한다고 생각합니다.
질문 3. CMP Polishing Mechanism에 대해서 설명 부탁드립니다.
CMP는 물리화학적 연마 공정입니다. Slurry를 이용하여 화학적 반응을 일으켜 표면을 약하게 만든 후에 Head로 Wafer에 압력을 가하면서 회전시켜 물리적인 힘으로 표면을 연마합니다. Slurry는 주로 산화제와 DI Water로 구성되어 있으며, 화학적 반응을 일으키고 연마제가 물리적 반응을 도와줍니다. 그리고 특정 단차의 패턴이 존재하는 Wafer 표면에 압력이 가해지면 높은 단차는 압력이 가중되면서 Removal Rate 차이가 발생하여 표면이 평탄화 되는 원리입니다. Platen과 Head의 회전 속도와 압력, Conditioner의 Pressure, Slurry의 Flow Rate 등이 주요 변수로서 연마속도와 표면 Profile을 제어할 수 있습니다.
꼬리 3.1. Slurry에 대해서 설명 부탁드립니다.
Slurry는 반도체 표면을 화학적 또는 기계적 방법으로 연마하여 평탄화 하는 CMP 공정에 사용되는 연마 재료입니다. 화학첨가물을 포함한 수용액과 미립자로 분산된 연마입자를 말합니다. CMP Slurry는 기계적 화학적 연마가 일어나는데 필수적인 요소입니다.
꼬리 3.2. Slurry의 구성 성분에 대해서 설명 부탁드립니다.
CMP Slurry는 연마하고자 하는 Target 막질에 따라 목적과 기능에 맞게 성분을 조합해서 사용합니다. 우선 비교적 막질이 단단한 산화막/질화막을 연마하는 경우, 30-300nm 크기의 SiO2 나노입자인 Silica를 가장 일반적으로 사용합니다. 하지만, 점점 더 고평탄도, 고선택비를 요구하는 Oxide 막질을 연마가 요구되면서 CeO2와 같은 Ceria 계열의 연마제를 사용합니다. 연성이 약한 무른 Metal의 막질의 경우 산화제를 사용하여, 금속표면을 산화시키고 착화제와 반응시켜 표면을 연마합니다. 그 외에도 선택비, Removal Rate, Scratch 억제, pH Control, 분산제 등 다양한 기능의 성분들이 포함되어 있습니다.
2. Metal 연마 -. Metal + 산화제 → 금속산화물 -. 금속산화물 + 착화제 → DIW 용해 -. 금속 표면이 산화제와 반응하면서 금속 표면에 금속산화물이 형성되고, 산화물은 착화제와 반응하여 DIW로 용해, Chemical Polishing이 지배적.
질문 4. Silicon 공정에서 CMP 공정이 적용되는 단계에 대해서 설명 부탁드립니다.
CMP 공정이 적용되는 것은 크게 3가지로 구분할 수 있습니다. 첫 번째는 막질을 평탄화 하는 Back-end 공정에서 Global Planarization, 두 번째는 소자간 분리를 위한 Trench를 형성하는 STI 공정, Cu Metal 공정을 위한 다마신 공정, 세 번째는 Surface Cleaning 목적을 위한 Buffing CMP입니다.
꼬리 4.1. Planarization 목적과 적용 방식에 대해서 구체적으로 설명 부탁드립니다.
우선 Global Planarization의 경우, Back-end 공정에서 Metal간 절연을 위한 IMD 층 그리고 층간 절연을 위한 ILD 층 형성 시 적용됩니다. 그 이유는 Gate로 적용되는 Poly-Si의 Thickness로 인해, ILD층의 단차가 존재하게 되면서 공정미세화가 되면서 점점 더 얇아지는 Metal1 Layer에는 엄격한 패턴 형성이 요구됩니다. 따라서 Defocusing 이슈와 Metal Thickness의 Uniformity 이슈를 해결하기 위해서 연마 공정이 요구됩니다. 마찬가지로 미세화에 따라 Metal 저항이 점점 증가하면서 Metal Thickness가 두꺼워지고 그로 인해 후속 Layer에서 단차가 발생하면서 공정이슈가 발생할 수 있습니다. 이를 개선하기 위해 Planarization 목적으로 CMP 공정을 적용합니다.
꼬리 4.2. Isolation CMP 방식에 대해서 설명 부탁드립니다.
평탄화라는 목적은 같지만, Isolation CMP의 경우, 상부막을 평탄화 하는 것에서 끝내는 것이 아니라, 하부막의 막질이 드러날 때까지 연마를 진행하는 방식입니다. 노출된 하부 막질을 기준으로 상/하부 Layer를 구분한다고 하여 Isolation CMP라고 명칭하는 것으로 알고 있습니다. 이 같은 경우는 앞서 말씀 드렸다시피 Silicon 공정에서 소자간 분리를 위해 Trench를 형성하는 STI 공정, 그리고 Metal Line 패턴을 미리 형성하고 이를 전해도금으로 채워넣는 다마신 공정에서 주로 적용되는 방식입니다. Isolation CMP의 경우, 하부막 노출 시 공정이 Stop되어야 하기 때문에 엄격한 Selectivity가 요구됩니다.
꼬리 4.3. Buffing의 목적에 대해서 설명 부탁드립니다.
Buffing은 평탄화의 목적보다는 Cleaning의 목적이 강합니다. 일반적으로 막질 내부 깊히 박혀 있는 Defect들은 소자의 전기적 특성에 지대한 영향을 미치며 이를 Cleaning 공정에서 제대로 제거 혹은 Test에서 제대로 Screen 하지 못한다면 소자의 잠재적인 불량을 야기하고 신뢰성 문제를 일으킬 수 있습니다. 따라서 CMP 공정을 통해 막질과 Defect들을 통째로 제거하여 표면의 Quality를 높이기 위한 방법입니다. 일반적으로는 CMP 공정이 고가의 공정이기 때문에, 엄격한 막질이 요구되는 경우에 적용되며 일반적으로는 Cleaning Recipe를 강화합니다.
[부연 설명] CMP가 적용되는 Layer는 구체적으로 하기와 같습니다. -. STI Formation, Dielectric Layer Planarization, Tungsten Plug Fomration, Deep Trench Capacitor.
1. STI (Shallow Trench Isolation) STI는 모두가 아시다시피 Shallow Trench Isolation 공정으로 소자간의 분리막으로 사용됩니다. 이전에는 Wafer의 Align을 위한 Key layer가 존재했다면 현재는 STI가 Align의 역할을 함으로써 STI 공정이 선행되면서 Key Mask 비용을 절감하기도 하죠. STI 형성 시 깊은 Trench를 형성하고 우수한 Gapfill 성능의 HDPCVD로 Dielectric을 채워넣을 때, 상/하부막의 큰 단차가 발생합니다. 이러한 단차 제거 없이 후속공정을 진행할 경우, 명확한 Pattern을 형성할 수 없게 되겠죠.
2.Tungsten Plug (Contact/VIA Hole), ILD/IMD Dielectric Layer. 이 부분은 Back end 공정에서 Contact/Hold VIA 형성하는 단계입니다. 현재 CMP 공정이 점점 더 중요해지고 있는 이유죠. 공정미세화에 따라 Back end 공정의 Metal Line은 점점 더 미세해지고 있고 그에 따라 Contact/Hold VIA의 Profile 역시 점점 더 좁고 깊은 High Aspect Ratio의 Profile이 요구 됩니다. High Aspect Ratio의 Profile을 형성하기 위해서는 3박자가 맞아야 합니다.
-. High Aspect Ratio의 Vertical Profile 구현을 위한 고도의 에칭공정 기술 -. 우수한 Gap fill 능력으로 Step Coverage를 확보하기 위한 증착공정 기술 -. 후속 공정으로 명확하고 Conformal한 패턴을 형성하기 위한 포토 공정 기술
세 가지의 고도의 기술이 요구되는 데, 전제 조건이 있습니다. 바로 우수한 CMP 공정이죠. 하부막의 단차가 존재하면 Wafer 전체의 Conformal한 박막을 형성할 수 가 없습니다. 이 상태로 후속공정을 진행하게 되면 Etch Rate이 아무리 Uniformity 하더라도 Contact/Via 를 형성 시 Not Open이 발생하거나 혹은 Tr.의 S/D의 Recess가 발생하면서 S/D 저항이 커져 Gds가 감소하는 이슈가 발생할 수 있죠.
그리고 앞서 설명드린 것처럼 포토공정에서 Defocusing 이슈로 패턴이 명확히 형성되지 않거나 Missing되는 이슈가 발생할 수 있죠. 그렇기 때문에 아주 우수한 CMP 공정 능력은 필수가 되는 것입니다.
여러분들 오늘은 면접 속성 특강 목적으로 CMP 공정을 다루어보았습니다. 추가적으로 더 다루고 싶은 내용이나 질문사항이 있으면 댓글을 이용해주시길 바랍니다. 오늘 하루도 고생 많으셨습니다.
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