[딴딴's 직무 Master] Session 1-7. CMP 공정 Slurry의 모든 것

 

이번엔 CMP 공정에서 정말 중요한 Slurry에 대해서
한 번 다루어보도록 하겠습니다.

화학 관련 전공 지원자 분들 중 특히 CMP 공정을 희망하신다면
Slurry 내용은 꼭 숙지하셔야겠죠!

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[기초 7-1] Slurry의 구성 성분과 각각의 기능을 간략하게 설명해주세요.

CMP Slurry는 연마제, 첨가제, 분산제, 산화제, pH조절제 그리고 Slurry의 매질인 물로 구성되어 있는 콜로이드 용액입니다.

① 연마제(Abrasive)는 수십~수백 nm 크기의 고체 입자로 주로 Silica(SiO2), 세리아(CeO2), 알루미나(Al2O3)가 대표적이며, 화학 반응으로 약해진 Target 막질 표면을 기계적으로 연마하는 역할을 합니다.
② 첨가제(Additive)는 막질 표면에 선택적으로 흡착하여 특정 막질의 연마를 억제하거나 촉진시키는 역할을 합니다. 즉, CMP 연마의 Selectivity를 제어하는 핵심 물질입니다.
③ 산화제(Oxidizer)는 Metal 막질 CMP 연마 시 금속 표면을 산화시켜 단단한 산화막을 표면에 형성함으로써 기계적 연마효율을 높이는 역할을 합니다. 주로 과산화수소수가 대표적인 산화제 물질입니다.
⑤ 분산제(Dispersant)는 연마제 입자들이 서로 응집하는 것을 방지하여, 연마 균일도 향상 및 Scratch과 같은 Defect 발생 경로를 차단합니다. Slurry 내 입자에 전하를 부여하여 입자 간의 반발력을 유지시켜 응집을 방지하는 역할을 수행합니다.
⑥ pH조절제는 슬러리의 pH를 최적 범위로 유지합니다. pH는 연마제의 안정적으로 분산시키며, 막질과의 반응성, 선택비에 직접적인 영향을 줍니다. 
마지막으로 ⑦ 물(H2O) 입니다. 물은 Slurry의 기반 매질로 90~99% 비중으로 구성하고 있으며, 화학 반응의 매개체이며 연마제의 안정적인 이동 경로를 제공합니다.   

※ 연마제(Abrasitve)의 다양성
연마재의 경우, 연마하고자 하는 Target 막질에 따라 연마제가 구분됩니다. 실리카(SiO2)의 경우 산화막, 질화막 막질을 주로 연마할 때 사용되며, 세리아(CeO2)는 STI CMP에서 산화막 연마율이 매우 높고, 질화막은 연마율이 낮아 높은 선택비의 연마제로 알려져 있습니다. 알루미나(Al2O3)는 소재 자체 경도가 높아 단단한 금속막질을 연마할 때 적합합니다.

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[기초 7-2] Target 막질과 공정 목적에 따른 Slurry 분류 방식에 대해서 설명해주세요.

CMP Slurry는 크게 두 가지 기준으로 분류할 수 있습니다. 첫 번째는 연마하고자 하는 막질에 따른 Slurry 분류입니다. 
막질에 따라 Oxide용, Metal용, Si Wafer 전용 Slurry로 분류할 수 있습니다. Oxide Slurry는 보통 SiO2 산화막 연마용으로 ILD, IMD 평탄화, STI Isolation CMP에 적용되며 염기성의 Slurry 입니다. Metal Slurry는 Tungsten(W), Cu, Al 등 금속막질을 연마하는 Slurry로 산화제가 포함된 산성성질을 가집니다. Si Wafer Slurry는 말 그대로 Bare Si Wafer 표면을 연마 시 사용되는 Slurry 입니다. 

두 번째는 공정 목적에 따른 Slurry 분류입니다. 일반적으로 지속적인 연마가 진행되는 용도의 Continuous CMP Slurry 입니다. 지속적으로 연마를 진행하기 때문에 높은 연마율이 요구되는 Slurry 입니다. 다음은 Stopping CMP Slurry 입니다. 특정 막질에서 연마 공정을 Stopping 하는 요도로 고선택비가 요구되는 Slurry 입니다. 

실제 공정에서는 한 가지의 슬러리로 모든 요구 조건을 충족시키기는 어렵습니다. 따라서, Multi-Platen CMP 방식으로 각 Platen 별로 공정 목적에 맞는 Slurry를 조합하여 사용하는 것으로 알고 있습니다.

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[기초 7-3] 산화막 연마는 염기성 Slurry, 금속막 연마는 산성 Slurry를 사용한다고 말씀해주셨는데, 그 이유에 대해서 여쭤봐도 될까요.

네. 답변 드리겠습니다. 산화막(SiO2)의 경우 염기성 환경에서 Si-O 결합이 수산화 이온(OH-)에 의해 더 잘 용해 되기에 연마효율이 좋습니다. 금속막의 경우 산성 환경에서 표면 산화와 용해가 잘 일어납니다. 특히 Cu의 경우 산성 Slurry에서 Cu2+으로 산화되어 제거됩니다. 이와 같이 막질의 화학적 성질에 맞게 Slurry의 pH 조건을 만드는 것이 CMP Slurry의 핵심 요소 중 하나라고 할 수 있습니다.

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[중급 7-4] Slurry로 고선택비 연마가 가능하다고 말씀해주셨는데, Slurry의 선택비는 어떻게 정의하는지 설명해주시고 Slurry로 어떻게 선택비를 제어할 수 있나요.

네. 우선 Slurry의 선택비를 정의 드리자면 동일한 Slurry를 적용했을 때, 서로 다른 두 막질의 연마 속도의 비율로 정의할 수 있습니다. (Slurry 선택비 = 막질 A의 연마 속도 / 막질 B의 연마 속도). Slurry의 선택비를 제어하는 방법은 첨가제(Additive) 활용할 수 있습니다. 산화막(SiO2)과 질화막(Si3N4)을 예로 들어 설명드리면, 음전하 성질을 띠는 특정 첨가제를 Slurry에 넣으면 이 첨가제가 질화막 표면에만 선택적으로 흡착됩니다. 질화막 표면 전체에 첨가제가 흡착되면서 연마제(Abrasive)는 직접적으로 질화막과 접촉하지 못하게 되고, 결과적으로 질화막의 연마 속도가 억제되어 산화막과 질화막의 연마 선택비가 높아지게 됩니다.

첨가제 농도를 높이며 높일수록 선택비를 향상시킬 수 있으며, 이러한 원리로 STI Isolation CMP 공정 시 산화막을 연마하는 동안 질화막 Stopper가 높은 선택비로 남게 됩니다.

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[중급 7-5] 그러면 선택비는 높을수록 좋으니깐 첨가제를 많이 넣으면 무조건 좋은 거겠네요. 맞나요?
그리고 Slurry 선택비가 낮으면 어떤 문제가 발생하는지도 한 번 얘기해주세요.

음.. 첨가제를 많이 넣을수록 선택비가 향상된다는 것은 맞습니다. 하지만, Slurry 내 첨가제의 비중이 크다 보니 연마 속도가 저하되면서 생산성을 저하시킬 수 있습니다. 따라서 최적화가 필요한 부분이라고 말씀드립니다. 그리고 Slurry의 선택비가 낮은 경우 산화막을 완전히 제거하는 과정에서 Stopper 역할인 질화막도 상당량 제거될 수 있습니다. 그로 인해 전체 영역이 꺼지는 Erosion 불량이 발생할 수 있습니다. (Good!)

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[중급 7-6] Metal CMP에서 산화제는 왜 필수적인가요. 산화제의 기능과 연마 메커니즘을 설명해주세요.

텅스텐이나 구리 같은 금속막은 소재 자체의 기계적 강도가 높아 단순히 기계적 마찰만으로는 충분한 연마 속도를 확보하기 어렵습니다. 그래서 산화제(H2O2)를 첨가하여 금속을 산화시켜 표면에 산화막을 형성합니다. (Cu+H2O2=CuO) CuO의 경우, Cu 대비 훨씬 부드럽고 화학적으로 불안정한 상태이기에 연마제에 의해서 쉽게 제거됩니다. Slurry 내 산화제가 공정이 진행되는 동안 지속적으로 표면을 산화시키고, 연마제가 이 산화층을 제거하는 싸이클이 반복되면서 Metal CMP가 효율적으로 진행되게 됩니다. 

※ 혼동 금지! 금속은 무르다! vs. 기계적 강도가 강하다!
두 표현 모두 맞는 표현입니다. 금속 막질은 무르면서 기계적 강도가 높은 성질을 가집니다. 두 표현의 차이를 짚고 넘어가자면, 무르다는 것은 국소적으로 눌렀을 때, 쉽게 변형되는 성질 즉, 경도(Hardness)가 낮다는 의미입니다. 연구실에서 Au이나 Al 막질 증착을 해보신 분이라면 손톱으로도 쉽게 긁히거나 눌리는 경험을 해보셨을 것입니다.

기계적 강도가 높다는 것은, 인장이나 압축과 같은 외부 하중을 받았을 때 파괴되지 않고 견디는 능력을 의미합니다. 즉 외부 하중이 가해져도 전체 구조가 쉽게 파괴되지 않는다는 의미입니다. 정리하자면, 금속막은 무르지만 원자 결합이 강해 구조적으로 높은 기계적 강도를 가진다. 또는 결합이 쉽게 끊어지지 않아 전체적으로 높은 기계적 강도를 보인다. 요정도로만 구분해도 될까요?

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[중급 7-7] Cu CMP 실습 경험이 있네요. Cu CMP 공정 시 어려운 점은 무엇인지 알고 있나요.

네. Cu는 물성 자체가 연성이 높아 연마 시 표면이 밀려 소성 변형이 발생하면서 Scratch Defect을 발생시킬 수 있습니다. 또한, Cu 이온은 확산 속도가 빠르기 때문에 Cu CMP 이후에 세정 공정이 엄격하게 관리되어야만 합니다. Cu 연마 공정 시 Slurry에 Cu 확산을 억제하는 부식 방지제(Corrosion Inhibitor)를 추가하는 이유도 이러한 Cu 재료 본연의 성질 때문입니다.

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[중급 7-8] Slurry 내 분산제가 없으면 어떤 이슈가 발생할 수 있는지 설명해주세요.

앞서 말씀드렸듯이, Slurry 내 연마제 입자들은 수십~수백 nm 크기의 미세 입자들입니다. 이러한 입자들은 표면에 전하를 띠고 있는데 서로 반발하면서 용액 내 분산 상태를 유지합니다. 안정적으로 분산을 유지할 수 있는 이유는 분산제 분자들이 연마제 표면에 흡착해서 입자 표면의 전하를 안정적으로 유지하고 입자 간 전기적 반발력을 유지시키기 때문입니다. 만일 Slurry 내에 분산제가 없으면, 입자 표면의 전하 값이 작아지게 되면서 입자 간의 반발 에너지가 감소하고 입자 간에 서로 잡아 당기려는 인력이 증가하게 됩니다. 그로 인해 입자들이 서로 응집(Agglomeration) 되면서 Particle을 형성하고 CMP 연마 공정이 진행되면서 이 Particle이 Scratch Defect을 발생시킬 수 있습니다. 

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[중급 7-9] 그럼 Slurry 의 분산제만 적절하게 조절하면 Scratch 이슈를 크게 개선할 수 있겠네요?

네 맞습니다. Slurry의 연마제가 응집하지 않고 안정적으로 분산 상태를 유지한다면 Scratch를 개선 효과를 볼 수 있습니다. 하지만, 분산제가 응집을 방지하는 기능을 한다고 하더라도 100% 완전히 응집을 막기는 어렵습니다. 따라서, CMP 공정에서는 Slurry Filter를 적용하며 이미 형성된 대형 Size의 응집 입자들을 걸러냅니다. 즉, 분산제를 통해 사전에 입자들의 응집을 예방하고, 필터를 통해 사후 제거 하는 조합으로 슬러리 내 대형입자를 최소화하여 Scratch Defect을 억제할 수 있습니다. 

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[중급 7-10] 이전에 공정 목적에 따라서 Slurry를 구분해주셨는데, Continuous CMP와 Stopping CMP Slurry에 대해서 좀 더 설명해주실 수 있겠습니까.

네. 알겠습니다. Continuous CMP Slurry의 경우 Target 막질을 지속적으로 연마해나가는 용도입니다. Planarization CMP 처럼 두꺼운 막질을 빠르게 제거할 때 적용되는 Slurry로 선택비가 낮지만 높은 연마율(High Removal Rate)이 핵심 성능이라고 할 수 있습니다. Stopping CMP Slurry의 경우 특정 막질에서 연마가 자연스럽게 멈추거나 속도를 급감하기 위한 용도의 Slurry입니다. 보통 Isolation CMP에서 Stopper 막질이 노출 됐을 때, 추가적인 연마를 최소화 하는 기능으로 높은 선택비(High Selectivity)가 요구되는 Slurry 입니다. 

사실 상 실제 양산 공정에서 단일 Slurry로는 두 공정 목적을 동시에 만족시키기는 어렵습니다. 그래서 Multi-Platen 구성에서 첫 번째 Platen은 Continuous Slurry로 빠르게 막질을 제거하고, 두 번째 Platen에서 Stopping Slurry로 정확한 End Point를 제어하는 방식을 적용하고 있습니다. (속도와 정밀도를 동시에 달성하는 방법!) 

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[중급 7-11] Slurry 내 산화제(H2O2) 농도가 연마율과 표면 품질에 미치는 영향에 대해서 설명해주세요.

먼저 산화제의 농도와 연마율의 관계에 대해서 말씀드리자면, Slurry의 산화제 농도가 높으면 금속 표면의 산화 반응이 활성화 되면서 산화막 형성 속도가 빨라지게 됩니다. 그에 따라 연마제가 제거하는 속도 역시 빠르기에 전체적인 Removal Rate은 증가하게 됩니다. 반대로 산화제가 너무 적을 경우에는 표면에 산화막이 충분히 형성되지 않기에 Removal Rate이 낮아지게 됩니다.

산화제 농도가 충분히 높으면 Wafer 전면에 균일하게 산화막이 형성되면서 연마 후에 표면이 더욱 매끄러워져 표면 품질이 우수해집니다. 그러나 산화제 농도가 과도하게 높을 경우 국부적인 영역의 과산화로 표면 불균일이 형성될 수 있으며, 산화막이 너무 두껍게 형성되어 오히려 연마제가 제거하는 속도보다 산화 속도가 더 빨라지면서 연마 시간이 길어지고, 그로 인해 잔류 Chemical의 양이 많아지면서 후속 세정 부담을 높이게 됩니다. 또한, 과도한 산화는 금속 배선의 부식을 유발할 수 있어 Metal 배선의 신뢰성도 저하시키는 요인이 됩니다.

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[중급 7-12] 산화제에 의한 Metal 배선의 부식을 이야기 해주셨는데, 이를 개선하기 위해서는 어떻게 하죠.

산화제의 Metal 배선 부식은 Metal의 저항값의 변화와 신뢰성 이슈로 이어질 수 있습니다. 그래서 Metal CMP Slurry에는 이러한 금속 막질의 원하지 않는 영역까지 부식되는 것을 막기 위해 부식 방지제인(Corrosion Inhibitor) 첨가제가 포함되어 있습니다. 대표적인 부식 방지제인 Benzotriazole(BTA)를 예로 들면, Cu 표면에 흡착하여 표면 Passivation 막을 형성하고, 이 보호막이 연마제가 가하는 기계적이 없는 Pattern 측면 같은 영역의 Cu 부식을 방지합니다. 반대로 압력이 가해지는 연마 계면의 금속막은 제거되면서 선택적 연마를 가능하게 합니다.

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[기출 ★] CMP 공정을 희망하신다고 하셨는데, 다른 공정을 하게 된다면 어떤 공정을 하고 싶으신가요.

제가 CMP 공정을 희망한다고 말씀드렸던 사유는 개인 CMP 연구 프로젝트에서 얻은 역량과 전공 역량인 화학적 메커니즘에 대한 이해가 깊다고 생각했기 때문입니다. 만일 CMP 공정이 아닌 다른 공정을 선택해야 한다면 제가 생각하는 강점인 화학적 원리가 주로 적용되는 에치 공정을 선택할 것 같습니다.

Etch 공정은 실제로 CMP 공정과 매우 유사하다고 생각했습니다. 예를 들어, HAR Contact/VIA Hole 형성 시 적절한 Chemistry를 활용하여 Sidewall Passivation을 통해 Vertical Etch Profile을 구현할 수 있습니다. 마찬가지로 고선택비 CMP 공정에서 Slurry 내 첨가제들이 Non Target 막질에 흡착하여 반응성을 낮추고 Removal Rate을 제어하는 원리가 유사하기에 Etch 공정이라고 말씀드리고 싶습니다. 

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[중급 7-13] 반도체 미세화에 따라 요구되는 CMP Slurry의 특징을 설명해주세요.

Advanced Tech node에서 10nm 이하 수준으로 미세화가 되면 Pattern Pitch가 극도로 좁아지게 됩니다. Slurry 연마제 입자가 크면 좁은 Pattern 사이에 기계적 충돌이 증가하게 되고 Scratch Defect이 증가하게 됩니다. 또한 큰 Size의 입자는 극미세 단차를 정밀하게 연마하는 데 한계가 있습니다. 따라서, 미세화에 따라 CMP Slurry의 입자는 nm 수준의 더 작은 연마제를 개발하여 Pattern에 가하는 충격을 분산시켜야 합니다. 또한, 연마제의 Size Distribution의 편차를 최소화 하여 큰 입자가 없도록 정밀하게 제어해야 합니다. 

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[중급 7-14] Slurry 연마제 입자 Size가 작아지면 어떤 Trade-off가 있는지도 설명해주세요.

네. Slurry 연마제 입자 크기는 연마율과 관련이 있습니다. 연마제 입자 크기가 클수록 연마력이 강해지고 Removal Rate이 높습니다. 하지만 미세화에 따라 입자 Size를 작게한다면 Removal Rate이 감소하여 생산성 저하로 이어지게 됩니다. 따라서 차세대 Slurry 개발은 연마율 저하라는 Trade-off를 극복하는 것이 핵심과제이며, 화학적 반응을 강화하거나 연마제 농도를 최적화하여 작은 입자에서도 충분한 연마율을 확보하여 생산성을 증가 시키는 방향으로 연구가 진행되는 것으로 알고 있습니다.

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이번에는 CMP Slurry에 대해서 다루어보았습니다!
딴사관 이전 CMP Slurry 게시글도 함께 참고하시어 공부해보시는 것을 추천드립니다.
고생 많으셨습니다. 
충성!