공정 엔지니어라면 공정 중 발생하는 주요 Defect 이슈 사항에 대해서는 숙지하고 계셔야겠죠. 오늘은 CMP 공정 주요 Defect 요소에 대해서 다루어보도록 하겠습니다.
[기초 5] CMP 공정에서 발생하는 대표적인 Defect 2가지는 무엇인지 알고 있나요.
네. 말씀드리겠습니다. CMP 공정에서 발생하는 2가지의 주요 Defect은 Residue와 Scratch 입니다. Slurry 입자나 CMP 공정 이후 부산물이 Wafer 표면에 흡착되면서 발생하는 불량입니다. CMP 공정 중 많은 부산물들이 발생하는데, 세정 공정의 조건이나 시간이 충분하지 않아 이 Residue가 탈착되지 않고 표면에 남아 있는 문제입니다. 두 번째는 이러한 Particle들이 Wafer와 Pad 접촉 계면에 개입되었을 때, Wafer에 가해지는 압력과 회전 같은 물리적 힘에 의해 Wafer 표면이 긁히는 이슈입니다.
[기초 5-1] Residue와 Scratch가 어떤 이슈로 이어질 지 설명해주세요.
넵. Residue가 표면에서 완전히 제거되지 않을 경우, 후속 공정에서 이물질로 작용하여 후속 공정인 Etch나 Depo. 공정의 Uniformity를 저하시키고 Photo 공정에서는 이물이 있는 영역에 Pattern 형성 시 Pattern 불량을 야기할 수 있습니다. Scratch의 경우, 예를 들어 BEOL 금속 배선 공정 시 저항 증가 또는 Open 불량이 발생할 수 있습니다. FEOL 회로 영역에서 Scratch 발생 시 소자 특성 저하 및 소자 파괴의 원인이 될 수 있고, 후속 공정에서 Scratch 영역에 오염이 집중되는 2차 결함을 유발할 수 있습니다.
[기초 5-2] CMP 공정에서 Defect은 어떻게 검사하는지 알고 있나요.
CMP 공정 후 Inspection 장비를 통해 Wafer 표면 결함을 검사합니다. 광학적인 방법으로는 Defect의 위치와 밀도를 Map 형태로 확인하고, 특정 결함은 SEM을 통해 정확하게 검사할 수 있습니다. Scratch는 Line 형태로 나타나며, Residue는 Point 성으로 나타납니다. 그리고 두 결함의 분포 패턴으로 원인을 예측할 수 있습니다. 예를 들어, 동심원 Pattern의 Scratch는 Pad의 이물질, 방사형 Pattern Defect은 Slurry의 Flow 이슈로 원인을 진단할 수 있습니다.
[기초 5-3] Residue 발생 원인과 개선 방법에 대해서 설명해주세요.
앞서 설명드렸듯이, Residue의 경우 세정 공정에서 Chemical 농도, 온도 등 조건 최적화 및 세정 시간이 충분하지 않아 공정 부산물들이 표면에 탈착되지 않아 생기는 이슈입니다. 특히, Slurry 입자가 표면에 강하게 흡착되거나, 부산물이 Dry되서 굳어 버린 경우 표면에서 제거하기가 매우 어렵습니다.
Residue 유형의 Defect을 개선하기 위해서는 Chemical이 Residue와 충분히 반응할 수 있도록 세정 시간을 늘립니다. 하지만, 막연하게 세정 시간을 증가시킬 경우 생산성 저하를 초래하기 때문에 Chemical 농도 최적화, Megasonic 공정 추가, Post-Cleaning을 도입하는 것이 Residue Defect을 개선하는데 유효하다고 생각됩니다.
[기초 5-4] Scratch가 발생하는 메커니즘과 Pad 상태와 어떤 관계가 있는지 알고 있나요.
Scratch의 발생 경로는 Wafer와 Pad 접촉 계면에 Slurry 입자나 연마 부산물 중 비교적으로 큰 입자가 개입된 상태에서 연마가 진행될 때 발생하게 됩니다. 이 큰 입자가 Wafer와 Pad 사이에 끼인 상태에서 압력과 회전이 가해지면서 Wafer 표면에 Defect을 발생시키게 됩니다. CMP를 진행하면 할수록 Pad 표면의 미세 구멍(Pore)에 Slurry 입자와 연마 부산물들이 축적되고, Pore가 막혀 Pad 표면이 미끄러워지는 Glazing 현상이 발생하는데, 이때 Pad 표면 Pore로부터 쌓여 있던 이물이 Pad 표면으로부터 이탈하면서 Scratch를 유발할 수 있습니다. 즉, 소모성인 Pad의 사용 주기가 길어질수록 Scratch 발생 빈도가 증가하게 되는 관계가 있습니다.
[기초 5-5] 그럼 Scratch 불량을 최소화 하기 위해서는 어떤 방법이 있는지 설명해주세요.
앞서 설명드렸듯이 Pad 사용 주기가 길수록 Scratch 발생 빈도가 증가하게 됩니다. 따라서, Pad Conditioning을 통해 Pad Pore에 침적된 Slurry 입자와 부산물을 제거함으로써 Scratch Defect을 줄일 수 있다고 생각합니다. 실제로 이러한 이유로 CMP 공정에서 Pad Conditioning은 CMP 연마와 병행하여 In-situ Conditioning을 진행하거나 연마 공정 Step 사이 사이에 공정을 배치시켜, Pad 상태를 최적화 하여 연마 효율을 높이고 Scrate Defect을 최소화 할 수 있습니다.
Tip : PCR (Pad Cutting Rate) Diamond Disk가 Pad를 절삭하는 양을 수치화한 지표에요! Disk 내 Diamond 역시 마모 되면 PCR이 저하되므로 Disk의 교체 주기도 매우 중요하다고 인지하시면 되겠습니다. (CMP는 그냥 다 소모품이구먼유~)
Tip : Diamond Disk 여러분들 Diamond Disk도 CVD로 증착하는 것을 알고 계셨나요. 기존 Diamond Disk는 금속판에 천연 다이아몬드를 부착하는 방식이었는데, 이 경우 다이아몬드 깨짐으로 인해 Scratch Defect 발생이 심화되고, Disk 제작 과정에서 Diamond의 불균한 단차로 인해 연마 균일도가 저하되는 문제가 있었죠. 그래서 CVD 증착을 통해 Diamond를 일정한 Groove에 균일하게 증착하여 제작하는 것이 중요합니다. 그래야 Diamond 간 단차 없이 균일한 PCR을 달성하고, Diamond의 깨짐으로 인해 Scratch Defect 발생을 개선할 수 있쬬.
[기초 5-6] 말씀하신 Pad Conditioning을 진행하더라도 Scratch 불량은 빈번하게 발생합니다. 또 다른 관점에서 고려해야 할 점이 무엇이 있을까요.
(같은 질문이 반복되면 이전 답변에서 더 Develop된 답변이 나와야 합니다. 알고 있는 CMP 공정 변수 다 가지고 나오셔야 해요.) Scratch Defect의 발생 경로를 단순히 Pad 표면의 이물로만 정의할 수는 없습니다. Slurry의 입자 Size, Pad의 상태, 공정 조건 등CMP 공정 간에 복잡한 상호작용에 의해서 발생할 수 있습니다. 따라서 앞서 말씀드린 Pad Conditioning 외에 Slurry 입자의 Agglomeration(응집)을 방지하기 위해 분산제를 적절히 사용하여, Slurry 필터를 통해 Size가 큰 입자를 제거해줌으로써 Scratch Defect 발생을 줄일 수 있습니다. 또한 CMP 연마 중 발생하는 부산물들이 계면에서 빠르게 배출될 수 있도록 Slurry의 유량과 Pad Groove를 최적화 시키고 Polishing 직후 즉각적인 세정 공정으로 잔류 입자가 굳기 전에 빠르게 제거 해야 합니다.
[기초 5-7] Scratch Defect은 어떤 방식으로 검사를 진행하는지 알고 있나요.
CMP 공정 후 Scratch 불량을 감지하고 원인을 진단하는 것이 바로 공정 품질 관리의 핵심입니다. 제가 CMP 공정 프로젝트 기준으로 말씀드리자면, 우선 광학 Inspection 장비로 Wafer 전면을 Scan 하여 Defect의 위치와 Density를 Wafer Map으료 표현합니다. 이후 표면을 검사하는데 Scratch의 경우 Line 형태, Residue는 Point 형태로 구분되는데, Map 상의 Defect 형태를 보고 Scratch 불량을 판단할 수 있습니다. Defect 유형을 더 정밀하게 보기 위해서 전자현미경(SEM)으로 표면 분석을 진행하기도 합니다.
[기출 ★] 방사형 Scratch 의 원인을 규명했다고 명시해주셨는데, 그렇게 판단하게 된 이유를 설명해주세요.
CMP 공정 프로젝트에서 표면 분석 결과 Wafer 회전 방향으로 방사형 Scratch Pattern을 확인했습니다. 제가 CMP 불량 Pattern을 모두 경험해본 것은 아니지만 방사형 Scratch의 경우 Slurry 공급이 불균일하거나 Pad의 특정 영역이 오염됐을 경우 발생할 수 있는 Pattern임을 논문을 통해서 확인할 수 있었습니다. 그래서, Slurry 유량 점검과 Pad 교체를 통해 해당 이슈를 트러블 슈팅할 수 있었습니다.
CMP Scratch 불량 유형 ① 방사형 Scratch 패턴 : 방사형 Scratch 패턴의 경우 Wafer 표면으로 흘러들어가는 Slurry의 공급이 균일하지 못하여 발생할 수 있는 이슈 입니다. 위 답변과 같이 Pad의 오염을 의심할 수도 있구요. Slurry 공급을 확인하고 Pad 교체했다는 Action은 적절한 판단이죠.
② 동심원 Scratch 패턴 : 동심원 특정 반경에서 원형으로 Scratch가 집중되는 형상인데, 해당 위치에 Pad 이물질이 존재하거나 특정 Zone의 압력이 과도할 경우 발생할 수 있는 현상입니다. 역시 Pad 상태를 점검하고 Pad Conditioning 조건을 강화하는 것이 Solution이겠죠.
③ Wafer 전면에 발생 : 이 같은 경우는 Slurry 내 응집 입자가 Scratch 발생 경로일 확률이 매우 높습니다. 따라서, 해당 패턴을 인지한 경우 즉시, Slurry 필터를 교체하는 조치를 취하시면 될 것 같습니다.
CMP 공정 Pad PM 주기 최적화 Pad를 교체한 후 설비엔지니어는 Defect / Scratch 발생 추이를 지속적으로 모니터링 해야 합니다. Scratch의 발생 빈도가 기준 Target 값을 초과하기 직전의 시간을 교체 주기로 설정해야 하죠. 하지만 설비 엔지니어의 Role이 또 무엇이겠습니다. 안정적인 공정 품질을 유지하면서 PM 주기를 길게 함으로써 원가 절감을 해야 하지 않겠습니까. 그러기 위해서는 공정엔지니어와 협업하여 In-situ Conditioning 강화하여 Pad 상태를 최적화 하고, APC를 통해 Pad 사용 시간별 공정 조건을 자동적으로 보정하면 동일 CMP 공정 연마 품질을 오랫동안 더 긴 주기로 유지할 수 있게 되겠죠.
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