[딴딴's 직무 Master] Session 1-6. CMP 공정 APC System & Uniformity

오늘은 CMP 공정의 성능 지표인 Uniformity에 대해서 다루어 보겠습니다.

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[중급 6-1] CMP 공정의 Uniformity에 대해서 설명하고, Uniformity가 수율 저하에 미치는 영향을 말씀해주세요.

CMP Uniformity는 Wafer 전체 영역에서의 얼마나 균일한 양을 연마했는지에 대한 지표입니다. Wafer 영역을 크게 Center, Edge, Extreme Edge 세 구역으로 나누고, 세 영역 모두 균일한 양의 연마가 이루어지면 Uniformity가 우수하다고 판단할 수 있습니다. Pad 상태 불량, Slurry 공급 및 유량 불균일 등의 요인으로 CMP Uniformity가 저하될 경우, 후속 공정의 이슈로 이어지게 됩니다. 예를 들어, Center 대비 Edge의 연마량이 클 경우 Edge Die의 막질이 얇아지게 되어 절연 불량이나 Short가 발생할 수 있습니다. 반대로 Edge 대비 Center의 연마량이 클 경우 Photo 공정에서 Defocus가 발생하여 Resolution가 저하되거나 Pattern 불량이 발생할 수 있습니다. 즉, 공정이 미세해지고 적층 단수가 높아지면서 CMP Uniformity는 최종적으로 제품 Yield Loss까지 이어질 수 있기 때문에 정말 중요한 지표라고 생각합니다.

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[중급 6-2] CMP Uniformity가 저하되는 요인이 무엇이라고 생각하시나요.

CMP Uniformity를 저하시키는 요인 중 가장 영향이 큰 요인을 말씀드리자면 바로 Pad의 성능 저하입니다. Pad의 경우 공정이 진행되면서 Wafer와의 물리적인 접촉으로 시간이 지날수록 Pad의 마모, Glazing이 진행됩니다. 그에 따라 Pad의 탄성도가 변하여 Wafer에 가해지는 실질적인 압력의 분포에 변화가 발생하면서 Wafer 전체에 균일한 연마가 제한됩니다. 이를 개선하기 위해서는 Pad의 사용 최적 시간을 설정하고 APC 도입함으로써 개선할 수 있습니다.

[복습] Pad의 사용 주기를 결정하는 방법
Pad는 소모품이라고 다들 아실 것입니다. Pad는 사용하면 할수록 Pad 자체 성능 저하가 일어나기 때문에 성능이 저하되기 전에 교체해야 하죠. 사용 주기는 이전 게시글에서도 잠깐 언급했지만, 실제 Pad가 연마에 사용된 시간을 기준으로 설정합니다. Pad의 열화를 나타내는 지표인 Removal Rate의 이상 변화, Uniformity 저하 등을 지속적으로 모니터링하여 허용 범위를 벗어나기 전에 교체해야 하죠. 이러한 Pad 교체 주기는 연마 Target 막질 마다 별도의 교체 주기를 가진답니다. 직관적으로 단단한 Dielectric과 무른 Metal 막질의 Pad 교체 주기가 같지는 않겠죠~

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[중급 6-3] APC(Advanced Process Control)가 CMP 공정에서 어떻게 동작하는지 말씀해주세요.

APC는 CMP 공정 데이터와 과거 이력을 기반으로 공정 조건을 자동으로 조정하여 연마 균일도를 실시간으로 최적화하는 시스템입니다. 먼저 연마 이후에 Wafer의 두께와 균일도를 계측합니다. 과거 데이터에서 Pad의 사용 시간, 연마량, 균일도 간의 Trend를 찾아 Modeling 하고 도출된 규칙에 따라 다음 Lot 공정 조건에 Head Zone 별 압력, 연마 시간 등을 APC가 자동으로 조정합니다. 만일 Pad 성능 열화로 Wafer Edge 연마량이 부족할 경우, APC가 Pad 사용 시간에 따라 자동으로 Edge Zone의 압력을 증가시키고, 동시에 Center Zone의 압력을 낮춤으로써 전체적인 CMP Uniformity를 조정합니다.

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[중급 6-4] SPC(Statistical Process Control)과 APC는 어떤 차이가 있는지 알고 있나요.

SPC는 통계적 분석을 기반으로 공정이 Abnormal 상태인지 감지하고 공정 엔지니어에게 알리는 시스템입니다. SPC는 공정 이상 감지 후 단순히 엔지니어에게 이상 상태를 인지시키는 시스템으로 이슈 대응은 엔지니어가 수동적으로 진행합니다. APC는 공정 이상 상태에 대해서 단순 감지를 넘어 자동으로 공정 조건을 Tuning하는 시스템입니다. 즉, APC는 SPC의 자동화된 버전이라고 생각합니다. 그래서 CMP에서 APC는 Pad 성능 열화처럼 느리게 진행되는 변화를 자동으로 추적, 보정하는 데 강점이 있습니다.

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[중급 6-5] APC의 제어 방식에 대해서 알고있나요.

APC의 제어 방식은 Feedforward 제어 방식으로 사전 공정의 측정 결과나 경향성을 공정에 미리 반영하는 방식입니다. 예를 들어, CMP 이전 공정으로 CVD 증착 공정이 진행되었고 Wafer Edge 영역에 막질이 더 두껍게 증착되는 경향이 있었다면, CMP에서 Edge Zone 압력을 "미리" 높여 더 많은 연마를 진행합니다. Feedforward 방식의 강점은 이전 공정인 CVD의 Depo. Uniformity 불량이 CMP에서 보정되어 최종적으로 Thickness의 Uniformity를 향상시킬 수 있다는 점입니다. 

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 Q. 기존의 Feedback 제어 방식 대비 Feedforward 제어 방식의 장점
Feedback 제어는 현재 공정이 끝난 후 공정 특성을 측정하고 다음 공정에 반영하는 제어 방식으로 공정이 지연되는 문제가 있습니다. Feedforward 방식은 사전 공정 데이터를 미리 반영하므로, 지연 없이 보정 효과를 발휘할 수 있쬬. 사전 공정의 막질 두께 데이터 이력이 APC 시스템에 연동되어 자동으로 지연없이 보정이 이루어지는 것이죠.

 

 Q. APC의 공정 모델 (Process Model)
APC가 보정값을 계산하려면 압력, 연마 시간과 같은 입력값이 필요하죠. 이러한 공정 변수를 기반으로 연마 균일도, 두께와의 관계를 수학적으로 표현한 모델이 필요합니다. 예를 들어, y=ax+b라는 선형적인 모델이 있다고 가정해보면 x가 Zone별 압력, y가 연마량이라 할 때, 목표 Target 연마량에 맞는 압력 x를 역산할 수 있죠. 실제 CMP Model은 Model 자체가 Multi-Zone별 압력과 같이 다양한 변수들의 복잡한 관계식으로 구성되어 있습니다. 그리고 이 Model을 기반으로 지속적으로 실험적인 데이터를 축적해나가면서 APC 공정 Model을 개선시켜 CMP 균일도를 개선하는 것이죠.

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[기초 6-6] CMP Uniformity 불량이 발생했다고 가정해봅시다. 공정엔지니어로서 어떤 액션을 취하실 것인지 설명해주세요.

먼저, CMP Uniformity의 원인을 분석하기 위해 Pre / Post CMP 두께 Map을 비교 분석을 진행할 것 같습니다. Pre CMP 단에서 Uniformity 저하 이슈가 있었다면, 사전 공정의 문제로 증착 공정에서 이미 Zone 별 두께 Uniformity 이슈가 발생한 것으로 판단할 수 있습니다. 이 경우 CMP 공정 조건을 Tuning 하기 보다는 Feedforward 제어 방식을 통해 사전 공정의 두께 균일도 저하 이슈를 보상할 수 있습니다. 반대로 Post CMP에서만 Uniformity 이슈가 발생했다면 CMP 공정 자체 문제로 판단할 수 있습니다. Pad의 성능 열화, Slurry 분포의 불균일, Head Zone의 압력 오류, Conditioning 효과 저하 등 다양한 경로로 문제 원인을 파악해 나갈 것 입니다. CMP 전후 두께 차이를 Zone 별로 검토하고 Zone별 압력 재설정, Pad 교체, Conditioning 강화 조치를 검토하겠습니다. 

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[중급 6-7] CMP Uniformity를 수치로 정량화 하는 방법을 설명해주세요..

CMP Uniformity를 측정하기 위한 방법은 대체로 2가지가 있습니다. 첫 번째는 4-Point Probe 기법으로 Wafer 전면에 다수 Point에서 Rs를 측정합니다. 이 Rs 값을 기반으로 간접적으로 연마 Uniformity를 산출할 수 있습니다. 두 번째는 빛 반사율로 Wafer 막질 두께를 비접촉으로 측정하여 균일도를 산출하는 방법입니다. Uniformity는 Wafer의 각 위치에서 CMP 전후 두께를 측정하여 Zone별 연마량을 계산하고 최대 연마량과 최소 연마량을 통해 Uniformity를 산출할 수 있습니다.
([→ Uniformity = (Max. - Min.) / (2×Mean.)×100] Uniformity 수치(%)가 작을수록 균일도가 우수하며, 일반적으로 ±3~5%의 Spec.을 요구합니다.  

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[중급 6-8] EM BOX (Etch Monitor Box)에 대해서 알고 있나요?

EM Box는 Etch Monitor Box로 양산 공정에서 실제 Cell Pattern과 유사하게 설계된 Monitoring TEG를 측정함으로써 공정 지표들을 평가할 수 있는 TEG Pattern입니다. 실제 회로 IC Pattern은 매우 복잡하여 계측 장비의 접근이 어렵습니다. EM BOX는 실제 IC 내 회로 Pattern 구조와 유사하게 설계된 Monitoring TEG로 Scribe Lane 내에 탑재됩니다. 이 TEG를 측정함으로써 CMP 연마량을 간접적으로 측정할 수 있습니다. 하지만 Monitoring TEG와 실제 Pattern 간의 Density 차이에 의한 Loading Effect로 EM BOX의 측정값과 실제 Cell의 연마량이 다를 수 있어 보정이 필요합니다.

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[중급 6-9] Multi-Platen CMP에서 Uniformity는 어떻게 분석하나요?

Multi-Platen CMP 공정의 최종 Uniformity는 여러 Platen에서의 연마가 누적된 결과입니다. 따라서 각각의 Platen 별로 Step-by-step으로 두께를 측정하는 방식으로 각 Platen의 연마량 균일도를 개별적으로 확인해야 합니다. 또는 각 Platen에서의 EPD 신호 패턴을 분석하여 연마 진행의 균일도를 간접적으로 파악할 수 있습니다. Multi-Platen의 경우 CMP Uniformity가 저하됐을 때, 어느 Platen에서 Uniformity 저하가 발생했는지 파악하는 것이 매우 중요합니다. 따라서, 각 Platen의 Uniformity를 파악하여 APC에서는 Platen 별 Zone 압력을 독립적으로 최적화 합니다. 
(APC에서 Platen1에서 불균일이 발생하면 Platen2에서 이를 보정하도록 설계할 수도 있습니다!!)

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오늘은 CMP Uniformity와 APC 시스템에 대해서 간략하게 다루어보았습니다!
다음은 Slurry에 대해서 다루어볼까요!