반도체 CMP 공정

1. CMP의 개요

 구두가 더러워졌을 때 구두약을 발라서 잘 닦아 주면 다시 광택이 나는 것을 볼 수 있다. 이처럼 광택을 내는 작업을 연마(Polishing)라고 한다. 기본적으로 연마공정은 거친 표면을 갈아내어 광택이 날 정도로 평평한 표면을 만드는 것이고 반도체 공정에서는 웨이퍼 표면에 생성된 산화막, 금속 막 등의 박막을 화학적 작용과 물리적 작용을 동시에 활용하여 평탄화하는 공정이다. 화학적-기계적 연마공정(Chemical-Mechanical Polishing, CMP) 기술은 원래 실리콘 웨이퍼 제작 공정에서 실리콘 잉곳을 다이아몬드 와이어로 잘라낸 후 1㎛ 이상의 거친 표면을 1㎛ 이하의 거칠기를 갖는 거울 면으로 만들기 위해 적용되던 기술이다. 반도체 제품이 더욱 고집적화됨에 따라 더욱 작은 패턴 크기가 필요해지고 이는 포토 공정에서 점점 짧은 파장의 빛을 사용함으로써 구현할 수 있었다. 그런데 짧은 파장의 빛을 사용하면 감광제(PR)를 패터닝 하는 해상도는 좋아지지만, 허용하는 초점심도가 감소하게 된다. 만약 초점심도가 0.5㎛라고 하면 감광제의 두께가 0.5㎛ 이하여야 패터닝 할 때 감광제가 남는 부분이 없이 잘 패터닝 된다는 의미이다. 마찬가지로 웨이퍼 표면의 평탄도도 0.5㎛ 이하여야 문제가 없게 된다. 웨이퍼 표면의 평탄도에 따라 패터닝에 문제가 발생할 수 있다는 것을 보여주고 있다. 즉 초점심도 이내의 평탄도를 갖지 않으면 초점이 맺지 않는 영역이 발생하고 이 영역에서는 PR 패턴이 형성되지 않아 제품 불량을 유발한다. 이러한 문제를 극복하기 위해 평탄화 공정이 도입되었다. 여러 가지 수준의 평탄화 공정을 나타낸다. 패턴이 조밀한 곳에서만 평탄화되는 것을 국지 평탄화(Local Planarization)라고 하고 조밀한 지역과 성긴 지역 모두 평탄화하는 것을 광역 평탄화(Global Planarization) 공정이라고 한다. 포토 공정의 초점심도가 컸을 때는 단차 지역에서의 금속 문제 및 식각 공정에서 단차 하부가 식각이 안 되고 남는 현상(Stringer)이 더 큰 문제였다. 이때는 국지 평탄화만 하여도 충분하였고, TEOS CVD나 HDP CVD를 진행하여 달성할 수 있었다. 그런데 이 경우에도 조밀한 지역과 성긴 지역 사이에 발생하는 단차는 해결할 수 없다. 반면에 포토 공정의 초점심도가 웨이퍼 상의 단차 크기보다 작게 되어 발생하는 문제는 광역평탄화 공정을 진행하여야 해결할 수 있다. 보통 0.25㎛ 이하의 패턴을 형성하기 위해서는 0.2㎛ 이하의 단차를 가져야 한다. 이러한 광역평탄화를 박막 증착 및 식각 등의 방법으로 달성하려면 여러 번의 반복 공정을 거쳐야 하고 공정 시간 및 비용이 증가하지만, 그런데도 완벽한 광역평탄화는 달성할 수 없다. 이러한 광역평탄화 특성은 CMP 공정을 이용하여 상대적으로 쉽게 저비용으로 구현할 수 있다. CMP 기술은 필수적인 기술이고, 점점 더 활용처를 넓혀가며 차세대 디바이스의 개발과 양산을 위해 필수적인 반도체 공정 기술이 되었다.

2. CMP 방법

 CMP(Chemical Mechanical Polishing)는 이름이 의미하는 것처럼 화학적 요소와 기계적 요소를 결합한 Polishing을 통하여 웨이퍼 표면의 여러 박막을 선택적으로 연마하여 광역평탄화시키는 기술이라고 할 수 있다. 여기서 Mechanical Polishing은 칩 내의 각각 다른 높이를 갖는 부위가 CMP Pad와 접촉할 때 서로 다른 압력을 받고, 상대적으로 높은 부위가 높은 압력에 의해 먼저 Polishing 됨으로써 평탄화를 이룰 수 있게 한다. 이때 Chemical Polishing은 기계적 마찰에 의한 긁힘 등의 불량을 완화함과 동시에 화학적 작용에 의해 물질 종류에 따라 선택적으로 연마 속도를 조절할 수 있게 해주는 역할을 한다. CMP를 양치질과 비교해보면 좀 더 쉽게 이해할 수 있다. 양치 시에 치약을 칫솔에 묻혀 울퉁불퉁한 치아를 문지르는데 물이나 침이 치약을 액체화하여 치아 표면과 닿아 있다. 이때 칫솔모는 치아를 기계적으로 닦아주고 치약은 연마제와 화학약품이 포함되어 있어서 칫솔모가 치아를 더 잘 닦게 도와주고 칫솔모에 의해 잇몸이 손상되는 것을 보호해주는 역할로 비유할 수 있다. 마찬가지 방식으로 CMP는 단차가 있는 박막을 제거할 때 화학제인 슬러리를 뿌려주며 웨이퍼 표면을 패드에 접촉시켜 압력을 가하여 웨이퍼 내의 박막 단차를 제거하는 것이다.

3. CMP 설비 구성

 CMP는 크게 연마 패드(Polishing pad), 웨이퍼 캐리어(Wafer carrier), 슬러리 분사기(Slurry Dispenser)의 세 부분으로 구분할 수 있다. 연마 패드는 주로 폴리우레탄 등의 다공성의 유연한 폴리머를 사용한다. 패드 특성은 CMP 공정 품질에 영향을 직접 주므로 적절한 선택과 관리가 필요하다. 패드가 딱딱할수록 CMP 속도가 빠르나 긁힘(Scratch) 가능성도 높다. 또한 패드 표면의 거칠기도 중요한 요소로, 표면이 거칠수록 평탄화 효과가 더 좋다. CMP를 진행할수록 패드 표면이 닳고 기공에 슬러리 입자가 쌓이게 되므로 표면을 다시 거칠게 만들고 흡착된 슬러리를 제거할 필요가 있다. 웨이퍼 캐리어는 연마 헤드라고도 부른다. 웨이퍼를 고정하고 압력을 가해 CMP head의 구성을 기준으로 보면 웨이퍼는 헤드에 장착될 때 아래 방향으로 공정이 진행되는 면이 닿도록 하여 패드와 마찰이 될 수 있도록 한다. 웨이퍼는 헤드의 진공 라인과 연결되어 고정될 수 있도록 장착한다. CMP 슬러리 분사기는 패드 위에 슬러리를 뿌려주는 장치이다. CMP 슬러리는 치약과 같은 역할로 생각하면 이해하기 쉽다. 슬러리는 연마제와 화학첨가제로 구성되어 있고, 화학첨가제는 웨이퍼 표면 물질과 반응하여 연마제에 의해 쉽게 제거될 수 있는 화합물을 만들고 연마제는 기계적으로 웨이퍼 표면을 문질러 연마한다.