세미툰 인터랙티브 교과서 · CMP

울퉁불퉁한 칩을
거울처럼
평평하게

배선을 열 층 넘게 쌓으려면 층마다 표면을 다시 평평하게 만들어야 한다. 그렇지 않으면 다음 층을 찍을 때 초점이 맞지 않는다. 그 일을 화학과 기계의 힘을 함께 써서 해내는 공정이 CMP다. 이 교과서는 압력과 속도에 비례해 깎이는 Preston 식에서 출발해, 슬러리의 화학, 패드와 컨디셔닝, 패턴 밀도가 만드는 Dishing과 Erosion, STI·ILD·W·Cu 응용, 폴리셔 장비, 종말점과 공정 제어, CMP 뒤 세정, 계측과 결함, 현업에서 부딪히는 문제까지 시뮬레이터로 직접 움직여 보며 익히게 한다.

1장부터 시작하기 → 전체 목차
12개 챕터 공대 학부 수준 장비와 현업 노트 면접 포인트 시뮬레이터 74개 참고문헌 310여 개 · 모든 근거에 출처
회전하는 연마판 위에 선 주황색 원통 모양의 세미툰 캐릭터 씨엠피씨엠피 · 빙글빙글 돌며 표면을 고르는 친구

첫 실험: 같은 시간 갈아도 남는 두께가 다르다

칩 안에는 배선이 빽빽한 곳과 듬성한 곳이 섞여 있다. 그 위에 산화막을 덮으면 배선 위만 볼록 솟는다. 패드는 먼저 솟은 곳을 누르는데, 솟은 면적이 좁은 듬성한 곳은 압력이 몰려 빨리 깎이고 빽빽한 곳은 천천히 깎인다. 그래서 단차가 다 사라진 뒤에도 두 영역의 높이가 다르게 남는다. 5장에서 이 차이를 패턴 밀도와 평탄화 길이로 풀고, 2장에서 깎이는 빠르기의 원리를 다룬다.

ANIMATION

듬성한 영역과 빽빽한 영역을 함께 갈기

패드
배선(솟은 곳의 바탕)산화막 표면점선: 처음 표면
연마 시간 (모델)0 s
듬성한 영역 단차—
빽빽한 영역 단차—
두 영역 윗면 높이 차—
해볼 것: ① 기본값(밀도 0.2와 0.8, 단단한 패드)으로 끝까지 지켜보자. 듬성한 영역의 단차가 먼저 사라지고, 빽빽한 영역은 한참 뒤에 평평해진다. 단차가 둘 다 사라진 뒤에도 두 영역의 높이 차이(약 360 nm)는 그대로 남는다. ② 두 밀도를 가깝게(0.5와 0.5) 맞춰 보자. 높이 차이가 0이 된다. 실제 칩에서 빈 곳에 가짜 패턴(더미)을 채워 밀도를 고르게 하는 이유다. ③ 패드를 「무름」으로 바꿔 보자. 패드가 아래 면까지 휘어 닿아 단차가 늦게 줄고, 같은 시간에 남는 단차가 커진다. 단단한 패드가 평탄화에 유리하다. (학습용 모델: Stine 등의 밀도–단차 모델을 따른 CMP 엔진의 계산. 단차 600 nm, 패드가 아래 면에 닿지 않을 때 솟은 면은 RR₀/ρ로, 단차가 접촉 높이보다 작아지면 두 면이 압력을 나눠 깎인다. 평평한 막의 제거율 RR₀ = 200 nm/min, 접촉 높이는 패드에 따라 60·200·450 nm로 둔 예시 값이다. 영역 사이의 상호작용(평탄화 길이)은 넣지 않았다.)

숫자로 보는 CMP

이 교과서를 끝내면 아래 숫자가 어디서 나오는지, 공정에서 무엇을 뜻하는지 설명할 수 있게 된다.

3~7 mm

산화막 CMP에서 패드가 한 점을 깎을 때 함께 "보는" 주변의 크기(평탄화 길이). 칩 안의 패턴 밀도 차이가 이 거리 안에서 두께 차이로 남는다(5장).

3.9 → 66

산화막과 질화막을 깎는 빠르기의 비(선택비). 실리카 슬러리에서 세리아에 첨가제를 넣은 슬러리로 바꾸면 이만큼 커진다(특허 실시예). STI CMP가 질화막에서 멈출 수 있는 이유다(3·6장).

1,826 → 750 Å/min

다이아몬드 디스크로 패드를 긁어 주는 컨디셔닝을 멈추고 50장을 더 깎았을 때 떨어진 제거율. 웨이퍼 안 불균일도 5 %에서 15 %로 커졌다. 패드 표면이 매끈해지는 Glazing 때문이다(4장).

16.9 % → 1.7 %

Carrier head의 네 영역 압력을 조절해 줄인 웨이퍼 안 제거 불균일. 압력 분포만 바꿔 열 배 고르게 만들었다(7장).

5분

최종 연마 뒤 이만큼만 기다려도 Cu 배선 수율이 크게 떨어졌다는 특허 실시예. 세정까지의 대기 시간(Q-time)을 관리하는 이유다(9장).

2.5 nm 아래

2 µm 피치 하이브리드 본딩에서 요구하는 Cu 패드의 오목한 깊이(Recess). 칩을 직접 붙이는 시대에는 CMP가 원자 몇 층 단위를 다룬다(6장).

이 책을 읽는 방법

눈으로 읽고 끝나는 책이 아니다. 숫자를 바꿔 보고, 결과를 먼저 예측해 보고, 왜 그런지 설명해 보는 책이다.

읽기개념과 원리를 먼저 쉬운 말로. 영어 용어는 현장에서 쓰는 그대로 두고 뜻을 풀어 쓴다.
바꿔 보기실험 카드의 값을 끝까지 밀어 보자. 무너지는 지점에서 가장 많이 배운다.
예측하기예측 카드는 결과를 보기 전에 답을 먼저 고른다. 도전은 목표를 맞히는 문제다.
현업 노트현업 노트는 공개 논문과 장비사 자료에 근거해 현장에서 조심하는 지점을 짚는다.
면접 포인트면접 포인트는 그 장의 개념을 원인 → 결과 → 확인 방법으로 이어 말하는 연습이다.

전체 챕터

1~5장은 CMP의 원리(제거의 원리, 슬러리, 패드, 패턴 의존성), 6장은 응용 공정, 7~9장은 장비와 제어·세정, 10~11장은 계측과 현업의 이상 분석이다.

세미툰 공정 교과서 시리즈

반도체 공정을 한 권씩 나누어 같은 방식으로 만든다. 캐릭터마다 맡은 공정이 있다.

이 페이지의 근거

홈 화면의 숫자 카드에 쓴 근거만 모았다. 각 장 끝에는 그 장에서 인용한 참고문헌이 있고, 책 전체의 참고문헌은 12장 · 전체 참고문헌에서 한꺼번에 볼 수 있다. 근거: 평탄화 길이, 산화막:질화막 선택비, 컨디셔닝을 멈췄을 때의 제거율, 영역 압력 조절, 연마 뒤 대기 시간과 Cu 수율, 하이브리드 본딩의 Cu Recess. 첫 실험의 모형 근거: 밀도–단차 모델.