CMP 공정에서 '언제 연마를 멈추는가'는 수율에 직결되는 가장 중요한 결정사항이죠. 너무 일찍 머무면 제거해야 할 막이 남고, 너무 늦게 멈추면 하부막을 과도하게 연마해버리기 때문에 소자 특성을 열화시킵니다. 이렇게 CMP 공정의 종착점을 실시간으로 감지하는 기술이 바로 EPD 기술이죠.
[심화 1-1] CMP 공정에서 EPD 기술이 반드시 필요한 이유는 무엇인가요?
CMP 공정에서 EPD 기술이 필요한 핵심 이유는 Wafer 마다 증착된 막질의 두께가 정확히 같지 않기 때문입니다. 증착 공정의 산포로 인해 Wafer마다 막 두께의 변동이 존재하고, 단순히 연마 시간을 고정해서 공정을 진행하게 되면 막질이 남아 있거나 혹은 과연마로 인해 소자 특성의 열화를 초래합니다.또한, 같은 Wafer 안에서도 Pattern Density 차이로 인해 Removal Rate이 다를 수 있기 때문에, EPD는 연마 공정 진행 중 실시간으로 Wafer의 막질을 측정하여 Signal 변화나 변곡점을 감지하고, End-Point에 도달했을 때, 연마를 자동으로 멈추게 합니다. 결과적으로 EPD 기술은 Over-Polishing에 의한 소자 Damage와 Under-Polishing에 의한 잔막 불량을 동시에 방지하는 핵심 기술이라 할 수 있습니다.
[심화 1-2] Over-Polishing과 Under-Polishing을 얘기해주셨는데, 각각 어떤 이슈를 발생시킬 수 있죠?
Over-Polishing은 End-Point를 지나 계속 연마가 진행되는 상태입니다. Stopper 막이 과도하게 연마되거나 하부의 소자 구조가 손상되어 전기적 특성 저하가 발생할 수 있습니다. 예를 들어, Metal CMP에서 Over-Polishing이 발생하게 되면 배선 두께가 Target 대비 얇아지면서 저항이 커지고, 심각한 경우 Open 불량이 발생할 수 있습니다. Under-Polishing의 경우 제거해야 할 막이 완전히 제거되지 않아 Pattern 간의 전기적 분리가 이루어지지 않는 Bridge가 발생할 수 있습니다. 특히, Isolation CMP에서 Under-Polishing이 발생하게 되면 인접 소자 간에 Short 불량으로 이어질 수 있습니다.
[심화 1-3] Metal CMP에서 유도기전력 방식의 EPD 방식의 원리를 알고 있나요?
Metal CMP 공정의 EPD 기술은 전자기 유도 원리를 이용합니다. CMP Platen 아래 Coil을 설치하고 교류 전류를 흘려 자기장을 발생시킵니다. Wafer 위에 금속막이 존재할 때, 이 자기장이 금속막을 통과하면 금속막 내에는 와전류가 유도됩니다. 이 와전류는 Coil의 Inductance에 영향을 미치며, 금속막의 두께가 변화함에 따라 Coil에 흐르는 전류 세기(유도기전력)이 변화합니다. 금속막의 두께가 두꺼울수록 와전류가 크고, Coil의 Inductance 변화가 크기 때문에, 연마가 진행되어 금속막의 두께가 줄어들면 이 신호가 체계적으로 변화하게 됩니다.하부의 Stopper막이 노출되는 순간 이 와전류는 급격히 감소하게 되면서 신호에 변곡점이 나타나고, 이 변곡점을 EPD 신호로 사용하여 연마 공정을 종료하게 됩니다.
[딴딴's T.M.I] 와전류 (Eddy Current)와 금속막 두께 감지 메커니즘 자기장이 변화하는 공간에 도체가 존재하면, 도체 내에 자기장의 변화를 방해하는 방향으로 순환전류, 즉 와전류가 유도되는 것은 전자기학 시간 때 모두 배우셨을 것입니다. 와전류의 크기는 도체의 전기 전도도와 두께에 비례하죠. 따라서, 금속막의 두께가 얇아질수록 와전류 크기는 작아지고, 코일에 유도되는 역기전력의 크기는 줄어들게 됩니다. CMP에서 연마가 진행되면 금속막 두께가 얇아지면서 이 신호가 단조적으로 변화하고, 금속막이 완전히 제거되어 하부 Stopper 절연막이 노출되면 와전류가 거의 ~0에 가까워지면서 신호게 급격한 변화가 나타나게 되는 것이죠.
[심화 1-4] 그럼 산화막, 질화막을 연마할 때는 어떻게 End-Point를 Detect할 수 있죠?
산화막이나 질화막은 전기적으로 부도체이기 때문에 Metal 막질과 같이 유도기전력 방식을 사용할 수 없습니다. 대신 막질의 빛 반사도 방식이 주로 적용됩니다. Platen 아래 레이저 광원을 Wafer로 입사하고, 빛이 산화막/질화막의 상부 표면과 하부 계면에서 각각 반사하게 됩니다.이 두 개의 반사광이 간섭하면서 파장에 따른 Spectrum을 형성하게 됩니다. 막질의 두께가 변화하면 두 반사광 사이의 경로차가 달라지면서, 결과적으로 특정 파장의 반사율 신호가 주기적으로 변화하게 됩니다. 이 반사율의 변화를 실시간으로 모니터하면 막 두께를 추적할 수 있습니다. 산화막이 완전히 제거되어 하부 질화막 Stopper 또는 금속막이 노출되면 굴절률이 급격히 변하면서 반사율 신호에 명확한 변화가 나타나게 되고, 이를 End-Point로 Detect합니다.
[딴딴's T.M.I] 빛의 간섭을 활용한 막 두께 감지 원리 빛을 투명한 막질에 입사시키면, 박막의 상부 표면에서 반사된 빛과 박막을 투과하여 하부 계면에서 반사된 후 다시 나온 빛이 서로 중첩이 됩니다. 이 두 빛 사이의 경로차가 파장의 정수배이면 보강간섭, 반파장 정수배이면 상쇄간섭이 일어나죠. 어디서 들어보셨죠? 바로 Bragg's 회절 법칙입니다. (2d×Sinθ=nλ). 막 두께가 변화하면 이 빛의 경로차이가 변화하게 되고 반사율이 주기적으로 변하게 되죠. 이 주기적 변화를 추적하다 보면 막 두께 변화 속도를 계산하고 End-Point를 예측할 수 있는 것이죠.
[심화 1-5] Motor 전류 토크 방식의 EPD 원리도 알고 있나요? 언제 주로 사용되죠?
모터 전류 방식 EPD는 CMP 장비의 Platen이나 Head를 구동하는 Motor의 전류를 모니터링하는 방식입니다. Wafer와 Pad 사이의 마찰력이 달라지면 Motor가 일정 회전속도를 유지하기 위해 더 많거나 적은 전류를 소모하게 됩니다. 마찰력은 연마 중인 막질의 화학적 물리적 성질에 따라 달라지게 되는데, 예를 들어 산화막(SiO2)를 연마하다가 질화막의 Stopper 막질이 노출되면 마찰력이 달라지므로 Motor 전류의 변화가 나타납니다. 이 방식은 구조가 단순하고 추가적인 광학 센서가 없어도 구현 가능하다는 장점이 있습니다. 하지만, 마찰력은 Slurry 농도, pH, 온도, Pad 상태 등 다양한 요인에 의해 변돌될 수 있기 때문에 Signal의 안정성이 떨어져서 단독 사용보다는 주로 보조 수단으로 사용되는 EPD 기술입니다.
[심화 1-6] EPD 경험이 있으시네요. EPD Signal 파형은 어떻게 해석하셨죠?
EPD Signal의 파형 형태는 Detect 가능 여부를 결정합니다. 명확한 3D 파형 형태는 연마 진행에 따라 신호에 뚜렷한 변곡점이 나타나는 파형입니다. 예를 들어 금속막이 연마되다가 하부 Stopper 막이 노출되는 순간 유도기전력 신호나 반사율 신호가 급격히 변화하는 파형의 패턴입니다. 이 경우 변곡점을 기준으로 원하는 지점을 End-Point로 설정할 수 있습니다. 반면 선형 파형의 경우 연마가 진행되는 동안 신호가 단조적으로 감소하거나 증가하여 뚜렷한 변곡점이 없는 파형을 말합니다. 이런 파형의 경우 막 전환 시점을 신호만으로 감지하기는 어렵습니다. 예를 들어, 단차가 심한 구조에서 막질의 변화가 없거나 변화량이 매우 작으면 신호의 변화가 미미하여 Noise 수준과 구별하기가 매우 어렵습니다.
[꼬리 1-6-1] 선형 파형이 나타나는 이유와 EPD가 실패하는 이유를 설명해주세요.
앞서 말씀드렸다시피 선형 파형에서 EPD는 막질의 전환 시점에서 신호의 변화량이 너무 작아 Noise와 구별하기 어렵습니다.특히 단차가 심한 공정에서는 Wafer 내에서 위치마다 연마 속도와 막질의 노출 시점이 다르기 때문에, 전체 신호가 다양한 막질의 신호들과 혼합되어 반영됩니다. 그 결과 전체 EPD 신호는 선형에 가까워지고 명확한 변곡점을 가지는 파형을 얻을 수 없습니다.이러한 경우, Filtering 조건을 많이 적용하여 변화를 감지할 수 있으나, 필터링을 과도하게 적용하면 실제 변곡점 신호까지 제거될 수 있기에, 오히려 End-Point를 찾지 못하는 경우가 발생할 수 있습니다. 이러한 문제는 Pattern이 복잡해지고 공정이 미세화될 수록 더욱 심화됩니다.
[꼬리 1-6-2] 그럼 선형 파형에서 End-Point를 Detect하기 위한 방법은 없는 건가요?
다파장 EPD를 사용하면 됩니다. 다파장 EPD는 단일 파장이 아닌 여러 파장으로 Wafer의 Pattern 정보를 수집하여 신호를 더욱 명확하게 만드는 방식입니다.단일 파장의 경우 특정 막질 두께에서 신호가 최솟값이 되는 상쇄 간섭 조건과 겹치면서 신호 자체가 사라지거나 매우 작아져 변곡점 감지가 불가능해지는 경우가 있습니다. 반면에 여러 파장을 동시에 사용할 경우, 하나의 파장에서 신호가 작아지더라도 다른 파장에서 신호가 보완되므로, 전체적으로 더욱 안정적이고 명확한 EPD 신호를 얻을 수 있습니다.
또한, 다파장 신호를 조합하면 연마 공정 시 막질의 전환 시점을 더욱 정밀하게 판단할 수 있고, Blind Spot이 있더라도 다른 파장이 이를 보완하기 때문에, 기존 단일 파장 EPD로 감지가 어려웠던 불안정한 파형에서도 End-Point를 더 정확하게 찾을 수 있습니다. 향후에 더 높은 수준의 Signal Processing 알고리즘이 개발되면 다파장 EPD의 정확도는 더욱 높아질 것으로 기대됩니다.
[심화 1-7] EPD에서 Detection이 잘못되면 어떤 결과를 초래할 수 있나요.
EPD가 실제 End-Point가 아닌 시점에서 연마 종료 신호를 낼 경우, 두 가지로 방향으로 설명드릴 수 있을 것 같습니다. 첫 번째는 조기 감지입니다. 조기 감지(False Postiive)가 발생하게 되면 연마를 너무 일찍 멈추기 때문에 Target 막질이 완전히 제거되지 않는 Under-Polishing이 발생하게 됩니다. 반대로 Detection 실패로 (False Negative) End-Point를 지나 연마가 계속되면 Over-Polishing이 발생하게 됩니다. Over-Polishing의 경우 Metal CMP에서 금속 배선의 두께 감소, Isolation CMP에서는 Stopper 과연마로 인한 단차 불량이 발생할 수 있습니다. 특히, 미세 공정에서는 허용되는 Over/Under-Polishing의 Margin이 수 nm 수준으로 매우 좁아서, EPD 정확도가 조금만 저하되도, 수율에 직접적인 영향을 미칠 수 있습니다. 이 때문에 EPD는 단독으로 사용하기 보다는 ITM (In-situ Thickness Measurement)과 APC(Advanced Process Control)를 연계하여 다중으로 제어하는 것이 일반적입니다.
[꼬리 1-7-1] 오.. 준비를 많이하셨네요. EPD와 ITM, 그리고 APC를 어떻게 연계해서 사용하나요?
EPD, ITM, APC는 CMP 공정에서 연마 두께를 정밀하게 제어하는 세 가지 상보적인 도구라 할 수 있습니다.EPD는 막질 전환 시점을 실시간으로 감지하여 연마를 종료하는 기능을 수행합니다. ITM은 연마 진행 중 실시간으로 Wafer의 두께를 측정하는 In-situ 계측 기술로, EPD 신호의 정확도를 보완하는 역할을 합니다. 예를 들어 EPD가 변곡점을 감지한 시점에서 ITM이 측정한 잔류 두께를 확인하여 Over/Under-Polishing 여부를 Cross-Check 하는 것입니다. APC는 EPD와 ITM의 실시간 Data, 그리고 과거 Data 이력과 사전 공정 Data를 종합하여 Head의 Zone 별 압력을 자동으로 제어합니다. Feedforward 제어를 통해 사전 공정의 막질 두께 산포를 반영하여 연마 레시피를 선제적으로 최적화함으로써, EPD 단독 사용 대비 훨씬 더 정밀한 두께 제어가 가능하다고 보면 되겠습니다.
여러분들 Session 1. CMP 공정은 여기서 이제 마무리하도록 하겠습니다! 다음은 증착 공정으로 찾아뵙겠습니다!
