반도체 8대공정 중 CMP 공정이란?

 

반도체 8대 공정 중 CMP 공정이란

 반도체 8대 공정 중 CMP란 Chemical Mechanical Polishing으로 화학적 기계적 연마하라고 합니다.

 

 화학반응을 일으키면서 물리적인 힘을 가해 연마한다는 의미로 이미 일상생활에서 CMP를 직간접으로 경험하고 있는데 대표적인 경험은 칫솔질입니다.

 

 치약 안에는 실리카 성분의 연마제와 화학성분이 들어있고, 이 치약을 칫솔에 묻혀 이에 묻은 불순물들을 CMP 하여 제거하는 것입니다.

 

CMP공정의 적용 및 방식

 그렇다면 CMP공정이 어떤 이유로 반도체 공정에 적용되기 시작했고, 반도체를 CMP 할 때는 어떤 방식으로 할까요? 같이 한번 알아보겠습니다.

 반도체에서 CMP공정은 1983년 미국 뉴욕에 있는 IBM 연구소에서 처음 시작되었습니다.

 

 시작된 이유는 DOF 마진을 넓히기 위해서라고 할 수 있습니다. DOF는 Depth of Focus의 약어로 반도체 8대 공정 중 Photo 공정의 초점 거리를 의미합니다. Photo 공정에서 사용하는 빛의 파장과 렌즈의 NA (Numerical Aperture)에 의해 결정됩니다. 

 

 

 우리가 현미경을 사용할 때 저 배율에서는 잘 보이다가 고배율로 가면 조금만 움직여도 초점이 흐려지는 현상을 경험해 보셨을 텐데, 이것처럼 조금만 움직여도 초점이 흐려지는 상태를 DOF 마진이 없는 상태라고 합니다.

 

 반도체 공정이 미세화되면서 고배율로 Photo 공정을 진행하게 되는데, 그에 따라 DOF 마진 문제가 불거졌고 CMP를 통해 이를 해결하게 된 것입니다.

 

 처음 CMP공정 연구가 시작될 때 청정도가 높아야 하는 반도체 공정에 연마제를 사용하고, 연마제가 흩날리는 공정을 추가하는 것에 대해 반대가 많았고 성공에 대한 의심이 많았지만 3년여 동안의 연구를 거쳐 1986년 Oxide CMP Pilot line 운영이 시작되었습니다.

 

 Photo 공정의 DOF 마진 개선을 위해 도입된 이후 여러 가지 공정이 개발되게 됩니다. STI CMP나 W CMP, CU CMP 등 이 이후에 개발된 CMP 공정들입니다.

 

 Metal을 CMP 하는 공정들은 ETCH로 표면을 파낸 뒤 여기에 W이나 Cu, Al 등의 Metal을 채우고 원래 표면이 드러날 때까지 CMP를 진행하는데, 이런 형태로 어떤 물질을 원하는 부위에 채우는 데 쓰인다는 의미의 Damascene 공정을 진행하게 됩니다. 알기 쉽게 상감청자 제조법을 생각해 보면 되는데, 무늬를 파고 흙을 바르고 긁어내고, 또 무늬를 파고 흙을 바르고 긁어내면서 문양을 만들어 내는 것과 유사한 방식입니다.

 

 이런 Damascene 공정에 CMP가 도입되면서 CMP의 활용 분야가 폭발적으로 증가하였고, CMP에 대한 연구도 깊어지고 있습니다.

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CMP공정의 원리와 설비구성

 CMP공정의 원리는 앞에서 이야기한 칫솔질과 비슷한데, 제거하고자 하는 막질이 증착되어있는 Wafer를 연마 패드에 마찰시키면서 진행하게 됩니다.

 

 이때 치약과 같은 역할을 하는 연마제가 함유된 Slurry를 Wafer와 연마 패드 사이에 공급해 주면서 마찰시켜 줍니다. Wafer에는 압력을 주고, Wafer와 연마 패드를 모두 회전시키면서 마찰이 발생하게 하는 것입니다.

 

 CMP공정에서 연마를 진행할 때는 Chemical 한 부분과 Mechanical 한 부분의 조합으로 이루어지는데, Wafer에 증착된 연마 대상 막질은 대부분 강도가 있기 때문에 연마제와 압력의 Mechanical 한 부분만으로 연마가 이루어지지는 않습니다.

 

 

 연마가 이뤄지기 위해서는 강한 막질을 연질화 해줘야 하는데, 이런 연질화를 진행하는 것이 Chemical이 해주고 있는 역할입니다.

 

 다시 말해 Chemical로 연마를 해야 하는 대상막의 표면을 연질화 해주고, 연질화된 표면이 Mechanical 한 힘으로 갈려 나가게 되면서 하부에 있던 막질이 다시 드러나게 됩니다.

 

 표면에 드러난 막질을 다시 Chemical로 연질 화를 해 준 뒤 Mechenical 한 힘으로 다시 갈아내는 과정을 반복하면서 연마가 진행되는 것입니다.

 

 Mechanical 한 측면에서 보는 기본적인 CMP 연마 속도는 보통 Preston's equation으로 이야기하고 있는데, 연마 속도가 압력과 속도의 곱에 비례한다는 내용입니다.
RR= K×P×V(K Preston coefficient, P 압력, V 상대속도)

 

 CMP 설비는 Wafer를 연마하는 Plisher, 연마된 Wafer의 불순물을 제거해 주고 마른 상태로 나올 수 있도록 말려주는 Cleaner가 붙어 있는 형태가 대부분입니다.

 

이외에도 Slurry와 Cleaning Chemical을 Polisher와 Cleaner에 공급해 주는 공급장치와 N2와 전기등을 연결하는 utility 들도 넓은 의미로 보면 CMP설비라고 할 수 있습니다.

 

CMP 소재 및 관리항목

CMP 소재는 일반적으로 연마제인 Slurry와 연마 패드인 PAD를 지칭하는데 모두 소모품에 해당합니다.

Slurry는 연마제와 Chemical이 함께 들어간 액체로써 연마를 진행하는 대상 막질에 따라서 적절한 내용물이 들어가게 됩니다.

 CMP 하는 막질 종류에 따라 이를 연마하는 소재가 달라지며 CMP공정을 구분하는 기준이 되는데, 일반적로 STI, ILD, W, Cu, Poly CMP 등을 예로 들 수 있습니다. 

 

 

 또한 CMP 공정 후 Wafer의 산포가 중요한데, 산포를 개선하기 위해 소재를 개발하거나 공정을 진행하는 조건을 최적화하는 개선 작업이 지속해서 이루어지고 있습니다. 새로운 막질이 도입된다면 거기에 맞춰 또 다른 새로운 소재가 개발되게 되겠죠. 

 앞으로도 무궁무진한 발전 가능성이 있는 공정으로 보입니다. 이상 반도체 8대 공정 중 CMP 공정에 대해 알아봤습니다. 다른 공정들도 차근차근 알아보고 있으니 카테고리 내 다른 공정들에 대한 정보도 얻어가세요.

 

 

 

반도체 8대공정 요약 정리