[딴딴's 직무 Master] Session 1-2. CMP공정에서 단차를 제어하는 원리와 방법

CMP 공정에서 가장 중요한 기능은 평탄화와 Isolation입니다.
두 공정은 서로 목적이 다르고 공정에 요구되는 슬러리 특성도 다르죠.
평탄화의 경우 고단차를 얼마나 효율적으로 제거하느냐가 관건이고, 소자를 분리하는 Isolation은 어떤 막질에서 정확히 공정을 Stop하는지가 핵심이라 할 수 있죠.

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[기초 3] 반도체 제조 공정에서 단차는 왜 발생하며, 왜 제거를 해야 하는지 그 필요성에 대해서 말씀해주세요.

반도체 제조 공정에서 단차가 발생하는 이유는 바로 하부막에 패턴 막질의 존재 여부 입니다. 반도체는 전기적 성질이 서로 다른 막질 패턴을 적층하여 반도체 Chip의 특정 Function을 구현한 것이죠. 하부에 패턴이 형성된 Wafer 위에 막질을 증착하면 패턴이 있는 곳과 없는 영역과의 높이 차이 즉, 단차가 발생하게 됩니다. 이러한 단차는 막질이 쌓이면 쌓이수록 단차가 누적되면서 더욱 커지게 됩니다. 특히 3D NAND처럼 수직으로 여러 층을 적층하는 구조에서는 단차의 정도가 극도로 심화됩니다. 이러한 단차를 간과할 경우, Photo 공정에서 Defocus 이슈가 발생하면서 Pattern의 축소나 Bridge 등이 발생하여 원하는 패턴을 형성할 수 없게 됩니다.

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[기초 3-1] CMP 공정에서 Loading Effect를 설명해주세요.

(Loading Effect는 Depo.와 Etch 공정에서는 쉽게 접하였는데, CMP에서 Loading Effect 질문이 들어와서 당황하였다. 그래도 원리는 동일할 것으로 생각되어 답변함) 
Loading Effect는 Pattern Density에 따라 Removal Rate의 차이가 발생하면서 CMP Uniformity가 저하되는 이슈입니다. High Pattern Density 영역은 Slurry와 Pad가 맞닿는 유효 면적이 줄어 들어 연마 속도가 느려지고, 반대로 Iso. Pattern 영역의 경우 연마속도가 상대적으로 빨라집니다. 이로 인해, Chip 간 두께 Variation이 발생하며, 공정 제어가 어려워지면서 Device의 성능 Mismatch와 심하면 Yield Loss로 이어질 수 있습니다. 

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[기초 3-2] CMP 공정에서 Loading Effect를 개선하기 위해 어떤 작업을 하는 지 알고 있나요.

Loading Effect은 Pattern Density 차이로 인해 발생하는 이슈이기 때문에 Pattern Density를 동등 수준으로 맞추어 주기 위해 Dummy Pattern을 채워줍니다. 실제로 Metal 배선 공정에서 OPC Rule 기반 Metal Fill을 진행하고, Rule base로 Dummy Pattern Fill을 진행함으로써 Loading Effect을 개선할 수 있습니다. 실제로 개발 제품 진행 시 BEOL Mask를 사전에 Fab-in 하여, CMP Target을 잡기 위한 Pave Lot을 운영하는 것으로 알고 있습니다. Pattern Density에 따라 R/R과 EPD의 차이가 있기 때문에 사전 Wafer를 투입하여 공정 조건을 보정하고 최적화시키는 작업을 진행합니다. 

※ Pave Lot
Pave Lot은 보통 여러 장의 Wafer(보통 20장 내외)를 연속적으로 공정에 투입하여, 장비와 공정 조건을 안정화 시키는 목적으로 공정을 진행합니다. Pad Conditioning, Slurry 유량, 압력 등 초기 조건을 균일하게 맞추어 장비 상태를 안정화 시키고, 다양한 Pattern Density를 가진 Wafer를 처리하면서 평균적인 Removal Rate을 확보하여 공정 조건을 최적화 합니다. Pave Lot을 운영하여 실제 Main LOT에서 공정을 진행할 때 균일한 공정 결과를 얻기 위해서 사전에 진행하는 필수적인 단계라고 할 수 있습니다. 

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[기초 3-3] SSP (Self Stop Polishing) 공정에서 Slurry는 어떤 원리로 고단차를 제어하는지 설명해주세요.

단차가 심한 공정에서 일반 Slurry를 사용하게 될 경우 단차가 높은 부분이 빠르게 제거되거나 낮은 단차 부분도 과도하게 연마되어 균일한 두께 제어가 어렵습니다. 이를 해결하기 위해 도입된 것이 바로 Self Stop Polishing 기능을 가진 Slurry 입니다. SSP의 원리는 단차에 의해 Slurry 입자에 인가되는 압력 차이를 이용하여, 단차가 높은 Pattern 영역에서는 Pad와의 접촉 압력이 높아 연마 속도가 빠릅니다. 단차가 낮은 Pattern 영역은 Pad와의 접촉 압력이 낮아 연마 속도가 저절로 느려집니다. 이 압력 차이에 의해 Removal Rate이 자동적으로 조절되며, 단차가 심한 곳을 우선 제거하고, 단차가 없어지면 자연스럽게 연마 속도가 느려지면서 Sefl-Stop 효과가 발생합니다. SSP 슬러리는 높은 Removal Rate과 Self Stop Polshing 기능을 동시에 가지는 소재로 개발되어, 3D 구조의 고단차를 효과적으로 제어할 수 있게 됩니다.

Springer Nature. Vol.79, pages 44-48(2021)

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[기초 3-4] 그럼 Single Slurry와 Multi-Platen (Dual Slurry) 방식의 차이를 알고 있나요.

단일 슬러리로 모든 공정 요구를 충족하기는 어렵습니다. 특히 CMP 장비에서 Platen 마다 다른 Slurry와 공정 조건을 적용하는 Multi Platen 방식을 적용하여 공정 조건을 최적화 시키는 것이 표준으로 알고 있습니다. Multi-Platen은 각 Platen 별 Slurry를 달리하여 첫 번째 Platen에서는 상대적으로 거친 Slurry를 사용함으로써 빠른 Removal Rate을 확보할 수 있습니다. 두 번째는 미세한 Slurry를 사용함으로써 Wafer 표면 Roughness를 개선하고 Defect을 저감시킬 수 있습니다.

예를 들어, Cu나 Tungsten 같은 금속 패턴의 연마의 경우 산화제 농도가 다른 Slurry를 단계적으로 적용하고, Oxide나 STI 같은 절연막의 CMP 경우, 초기 빠른 속도로 제거한 후 후반부에 평탄화와 Defect을 저감시키는 단계를 거칩니다. 실제 Multi-platen 장비는 3개 이상의 Platen을 사용하고 있으며 고품질, 고속 연마 성능, Defect 감소 그리고 다양한 Pattern Density에도 대응 가능하여 공정 윈도우가 확보된다고 할 수 있습니다. 

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[기초 3-5] Isolation CMP에서 Stopper는 어떤 막질을 왜 사용하며, 어떤 역할, 어떤 요구사항을 가지는지 설명해주세요.

대표적인 Isolation CMP 공정 Step 중 하나인 STI 공정을 예시로 설명드리겠습니다. Isolation CMP의 목적은 Pattern을 Gap Fill한 후 표면을 평탄화 하되, 패턴 자체를 노출 시키고 주변은 완전히 분리된 상태로 만드는 것을 말합니다. STI 공정에서 Si 기판에 Trench를 형성하고, 산화막을 Gap Fill 해줍니다. 이때 Trench 형성을 위한 식각 전에 질화막 (Si3N4)이 Si 기판 표면에 증착되어 있는 상태입니다. 이 질화막이 바로 Isolation CMP에서 Stopper 역할을 합니다. 
 고선택비 Slurry를 사용하면 산화막의 연마 속도는 높고 질화막의 연마 속도는 상대적으로 매우 낮습니다. STI CMP 진행 시 먼저 SiO2가 빠르게 연마 되고, 질화막 표면이 노출되는 순간부터 연마 속도는 급격하게 감소하게 됩니다. 질화막이 천천히 연마되는 동안 Trench 내부 산화막을 제외한 표면에 산화막은 모두 제거되어 소자 간 전기적 Isolation이 완성됩니다. 이때의 시점을 EPD(End Point Detection)으로 감지하여 CMP 공정이 종료 됩니다. 이때, 정확한 End Point를 정확히 감지하기 위해서 고선택비의 Stopper 막질을 적용해야 합니다.

※ 고선택비 Slurry 사용 시 주의사항
- 선택비 (Selectivity) = 산화막 SiO2 연마 속도 / 질화막 Si3N4 연마 속도.
일반적으로 고선택비의 Slurry는 Stopper 막질에서 멈추는 능력이 뛰어납니다. 하지만, 대체로 Removal Rate이 느린 경우가 많습니다. 또한, 이러한 기능들을 극대화 시키기 위해 Slurry 내에 첨가제가 많아 Slurry 비용이 증가합니다. 이 때문에 CMP 공정 초반에는 고선택비 Slurry를 사용하기 보다는 일반 Slurry로 Wafer 표면을 Global Polishing을 통해 막질을 제거하고, 마지막 단계에서 고선택비로 전환하여 연마하는 Mutli-platen (Multi-step) CMP 공정이 표준으로 적용되고 있죠.

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[기초 3-6] CMP 공정 이슈 중 Dishing과 Erosion은 무엇이고, 왜 발생하는 지에 대해서 설명해보세요.

Dishing과 Erosion은 CMP 공정에서만 발생하는 Defect으로, Slurry의 선택비 차이로 인해 발생하는 이슈입니다. Dishing 부터 설명드리자면, Pattern이 넓은 영역에서 특정 막질이 주변보다 더 깊게 파이는 현상입니다. 마치 그 Profile이 접시처럼 움푹 들어간 모양이라 Dishing이라 명명합니다. Dishing의 경우, 넓은 Iso. Pattern에서 Pad가 Pattern의 내부까지 눌러 연마가 진행되고, 그로 인해 연마속도가 빠른 패턴 물질이 Stopper 보다 더 빠르게 제거되어 오목한 형태가 되는 것이죠. 보통 물성이 연한 금속 막질 연마 과정에서 Dishing 현상을 확인 할 수 있습니다.

Erosion은 반대로 Pattern Density가 큰 영역에서 Over Polishing 진행 시 Stopper 막질도 함께 과도하게 연마가 되어 전체 영역이 꺼지는 현상입니다. Pattern Density가 높은 영역에서는 Slurry가 더 많이 공급되고, 연마 효율이 높아져서 Stopper까지 침범하게 되죠. 그로 인해 후속 공정의 전체적인 평탄도를 저하시킵니다.

Dishing은 Iso Pattern / Erosion은 Dense Patten

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[기초 3-7] Dishing과 Erosion이 소자에 미치는 영향은 무엇이 있을까요.

음. 아무래도 Metal Layer에서 CMP 공정 시 Metal의 Pattern Density에 따라 Dishing과 Erosion이 발생할 수 있습니다. Dishing이 발생할 경우 Metal 배선의 단면적이 설계값보다 작아지면서 저항이 증가하게 되고 이는 RC Delay 증가와 그로 인한 소자의 동작속도 저하를 야기할 수 있습니다. Erosion의 경우 주변 평탄도 자체를 저하시키기 때문에, 후속 Photo, Etch 공정의 공정 Variation을 유발할 수 있습니다. 따라서 Dishing과 Erosion을 정확하게 제어하지 못할 경우 소자 특성의 Variation 증가와 심할 경우 제품 Yield Loss까지 이어질 수 있습니다.

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[기초 3-8] Dishing과 Erosion을 개선하기 위해서는 어떻게 해야 하는데요?

가장 먼저 생각나는 개선 방법은 바로 Dummy Pattern 삽입을 통해 Pattern Density를 동등 수준으로 맞추는 것이 유효하다고 생각됩니다. 실제 회로에 사용되지 않는 Dummy Pattern을 삽입하여 동일 Pattern Density를 맞추어 줌으로써 Dishing을 방지할 수 있고, Dummy Patten이 절연막 대신 연마됨으로써 Stopper가 과도하게 연마되는 것을 방지하여 Erosion을 개선할 수 있습니다. 반도체 공정에서 Dummy Pattern을 삽입하여 Pattern Density를 균일하게 유지하는 것이 Rule로 정의되어 있을 정도로 공정 안정성을 확보하기 위해 핵심이라고 할 수 있습니다.  

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[기초 3-9] 설비 관점에서 개선할 수 있는 방법은 없을까요?

설비 관점에서 Dishing과 Erosion을 개선하기 위한 방법은 Soft Pad를 사용하는 방법이 유효하다고 생각됩니다. 경도(Hardness)가 낮은 Soft Pad는 패턴 Density와 상관없이 Pad가 패턴 내부로 파고 들어가지 않습니다. 일반 Hard Pad의 경우 Iso. Pattern 위에서 Pad가 아래로 눌려 Pattern 아래까지 Over-Polishing 되지만, Soft Pad는 형태가 달라져 내부 연마를 최소화 합니다. 결과적으로 Dishing을 개선할 수 있는 셈이죠. 단, Soft Pad의 경우 CMP Uniformity가 Hard Pad보다는 낮을 수 있어 Trade-off가 있습니다.

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[기초 3-10] Soft Pad와 Hard Pad의 개념도 알고 있군요. Soft Pad와 Hard Pad를 어떻게 구분할 수 있죠?

Soft Pad와 Hard Pad를 구분하는 방법은 CMP Pad 재질의 단단함을 수치화된 지표로 Short 경도를 통해 구분할 수 있습니다. Shore 경도는 CMP Pad 같은 Polymer 재질의 단단함 정도를 측정하는 표준 지표입니다. CMP Pad의 경우 Shore A 60~90 범위의 경도를 주로 사용하는데, Soft Pad의 경우 Shore A 60~70, Hard Pad의 경우 Shore A 80~90 정도인 것으로 알고 있습니다. 그래서 CMP Pad의 Short 경도에 따라 연마 균일성과 Removal Rate, Defect 발생과 같은 Trade-off가 존재합니다.

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[기초 3-11] Soft Pad와 Hard Pad의 Trade-off라고 하셨는데 그 관계를 설명해주시죠.

앞서 설명드렸다시피 Soft Pad를 사용할 경우 경도가 낮은 Soft Pad는 내부 막질의 Over Polishing을 방지하여 Dishing을 개선할 수 있다고 말씀드렸습니다. 또한 Soft Pad의 경우, CMP 공정 과정에서 스크래치나 Particle과 같은 Defect 발생률이 적습니다. 하지만, Soft Pad의 경우 물성 자체가 탄성이 크기 때문에 Wafer 표면의 미세한 높낮이 단차에 따라 쉽게 변형됩니다. 그 결과 국소적으로 압력이 집중되거나 혹은 분산 되면서 균일한 압력 전달이 어려워 CMP Uniformity가 Hard Pad 대비 저하되는 Trade-off 관계가 있다고 말씀드렸던 사항입니다. 

※ Soft Pad vs. Hard Pad
① Soft Pad는 물성 자체가 연하여 쉽게 변형되는 특징이 있습니다. Wafer 표면의 요철을 따라가면서 접촉면적이 넓어지고 그로 인해 Pattern Density에 따라 Removal Rate의 차이가 커지는 이슈가 있습니다. (Loading Effect 취약) Hard Pad의 경우 단단한 물성으로 접촉 면적이 일정하게 유지되기 때문에 압력 전달 또한 균일하고 Pattern Density 변화에도 상대적으로 균일한 Removal Rate 특징을 가집니다.

② Pad Groove 와 Slurry Flow
Soft Pad는 변형이 쉽게 된다고 말씀드렸죠. Pad 변형으로 인해 Groove가 쉽게 막히거나 Slurry Flow 자체가 불균일해집니다. 그 결과 국소적으로 연마 속도의 차이가 발생하죠. Hard Pad는 반대로 Groove 유지력이 좋아 Slurry 공급 또한 균일하기에 화학적/기계적으로 공정이 안정적이죠.

③ Defect vs. Uniformity Trade-off
Soft Pad는 물성이 연하기에 CMP 공정 과정 중 스크래치나 Particle과 같은 Defect은 적지만 앞서 설명드렸듯이 Uniformity 자체는 Hard Pad 대비 나쁩니다. 반대로 Hard Pad는 Uniformity는 우수하지만, Defect 발생 가능성이 상대적으로 크다는 Trade-off 특징을 가집니다. 실제 양산에서는 공정의 목적과 Target 막질, Pattern Density 등에 따라 Soft/Hard Pad를 선택적으로 사용하거나, Hybrid Pad를 운영한답니다. 

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[기초 3-12] Touch CMP와 Bevel CMP는 어떤 상황에서 주로 사용하는지, 어떤 이슈를 개선할 수 있는지 알고 있나요.

Touch CMP의 경우 막질의 Topology를 완화하고 표면의 Defect을 제거하기 위한 CMP 공정입니다. 앞서 말씀드렸던 평탄화, Isolation CMP의 목적과는 달리 이전 공정에서 발생한 표면 Defect이나, 미세 단차를 제거하여 후속 공정의 안정성을 높이는 목적으로 진행되는 공정입니다. 표면 개선을 하는 것이기에 연마량이 적어야 하므로 낮은 압력과 짧은 연마 시간으로 진행되어야 하며 특히, Photo 공정 이전에 표면 Roughness를 낮추기 위한 용도로 자주 활용되는 것으로 알고 있습니다.

Bevel CMP 공정은 Wafer의 Edge 영역의 불량 막질을 제거하는 공정입니다. Edge는 증착공정에서 두께 불규일이 심하거나 불필요한 막질이 형성되어 Particle 소스가 되거나, Photo 공정에서 Edge Die의 수율을 저하시킵니다. 공정 미세화로 인해 Edge Die의 수율의 중요성이 극대화 되면서 Bevel CMP 공정의 중요도 역시 높아지고 있습니다.

※ Touch CMP 정말 중요함!!
소자가 미세화 되면서 기존에 허용되던 표면 Defect이나 미세단차가 이제는 더 이상 허용할 수 없게 되면서 Yield Loss로 이어지게 되었습니다. 예를 들어 100nm 공정에서 무시할 수 있던 10nm 표면 거칠기가 10nm 공정에서는 매우 치명적이게 된 것이죠. 이에 따라 Advanced Tech의 경우, 각 주요 공정 Step 사이에 Touch CMP 공정을 삽입하여 표면 상태를 리셋하는 절차가 필수적으로 적용되고 있습니다. 

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[기초 3-13] CMP 공정에서 Over Polishing이 불가피한 경우는 언제이고, 어떻게 제어해야 할까요.

CMP 공정에서 Over Polishing을 하는 경우는 표면 상에 Target 막질을 완전히 제거하기 위한 목적으로 적용됩니다. Over Polishing이 필요한 이유는 바로 Wafer 전체에서 Removal Rate이 완벽하게 균일할 수는 없기 때문이라고 생각됩니다. Wafer Edge나 Pad 성능이 낮은 영역에서 Target 막질이 남아 있는 경우가 있습니다. 연마가 빠른 Center 영역의 경우, 이미 Target 막질이 모두가 제거가 된 상태입니다. 이 상태에서 추가로 Over Polishing을 진행함으로써 표면 상에 존재하는 막질을 완전히 제거할 수 있습니다. 하지만, Over-Polishing의 경우, R/R이 높은 영역에서 Stopper 막질 까지 연마 되면서 Erosion이 발생할 가능성이 높습니다. 

따라서, Over-Polishing 시 고선택비 Slurry를 사용하여 Stopper 막질에서 연마율을 제어하고 연마율 변화를 실시간으로 모니터링하여 Over Polishing 시간을 최소화함으로써 End Point를 제어하여야 합니다.