CMP가 하는 일

왜 평탄화인가: 높낮이는 쌓인다

칩은 막을 쌓고, 빛으로 무늬를 옮기고, 깎아 내는 일을 되풀이해 만든다. 트랜지스터 위로는 배선이 층층이 올라간다. 문제는 아래층의 무늬가 지워지지 않고 위층으로 옮겨 간다는 데 있다. 금속선 위에 절연막을 덮으면 절연막은 금속선을 따라 볼록하게 솟고, 그 위에 다음 금속선을 올리면 높낮이가 또 더해진다. 1985년에 출원된 IBM의 CMP 특허는 이 문제를 이렇게 정리한다. 배선 층을 종래 방식으로 쌓으면 표면이 매우 불규칙해져 평면과는 거리가 멀어지고, 층 사이 절연막이 얇아진 곳에서는 단락이, 단차를 넘어가며 금속이 가늘어진 곳(Necking)에서는 단선이 생길 수 있다. 출원 당시 배선은 한두 층이 보통이었고 세 층이 최신 기술이었다.

웨이퍼 표면의 높낮이와 굴곡을 Topography(Topography, 표면의 높낮이), 높은 곳과 낮은 곳의 높이 차를 단차(Step height)라 한다. Stanford의 강의 노트는 미세화가 진행될수록 더 좁은 간격의 배선을 더 많은 층으로, 더 두껍게 쌓아야 하고, 그 높낮이가 막을 고르게 덮는 일과 노광을 모두 어렵게 만든다고 적는다. 지금의 칩은 배선이 열 층을 넘는다. Arizona 대학의 학위 논문은 CMP가 만든 평평한 면 덕분에 금속을 열 층까지 쌓을 수 있게 되었다고 정리하고, 장비사 EBARA도 CMP가 열 층 넘는 배선을 가능하게 했다고 설명한다(장비사 설명).

가장 까다로운 것은 노광이다. 노광 장비의 렌즈는 정해진 깊이 범위 안에서만 또렷한 상을 맺고, 이 범위를 초점 깊이(Depth of focus, DOF)라 한다. Stanford 노트의 예를 보자. 파장 180 nm의 빛으로 0.1 µm 선과 간격을 해상하려면 F수 0.45의 광학계가 필요하고, 이때 초점 깊이는 ±0.07 µm에 불과하다. 아래 두 식으로 계산하면 노트의 예가 그대로 나온다. 해상도를 높이려 F수를 줄이면 초점 깊이는 그 제곱으로 줄어든다. 초점 깊이와 노광 조건의 자세한 이야기는 PHOTO 책 5장 Dose·Focus와 공정 윈도에 있다.

더 어려운 것은 이 좁은 창을 넓은 면적에서 지켜야 한다는 점이다. 한 번에 노광하는 영역은 20 mm × 20 mm에 이를 수 있고, 전역 평탄도에 필요한 초점 깊이는 그 영역 전체에서 지켜져야 한다. 폭 0.14 µm의 창을 20 mm에 걸쳐 지키는 것은 길이 100 m 운동장의 높낮이를 0.7 mm 안에 두는 것과 같은 비율이다(계산). 배선 한 층의 두께만으로도 이 창을 넘어선다.

CMP 전에도 평탄화 방법은 있었다. 막을 데워 흐르게 하는 Reflow(Reflow, 열 흐름 평탄화), 희생막을 덮어 함께 되깎는 Etchback(Etchback, 되깎기), 액체를 돌려 발라 굳히는 SOG(Spin-on glass)가 그것이다. 이 방법들은 마이크로미터 규모의 좁은 틈은 메우지만 밀리미터 규모의 높이 차는 그대로 두어, 금속이 세 층을 넘는 배선에는 부족했다. 무늬가 0.35 µm 아래로 작아지면서 그 한계가 분명해졌다.

그래서 등장한 것이 CMP(Chemical Mechanical Planarization 또는 Polishing, 화학적 기계 연마)다. 웨이퍼를 앞면이 아래로 가게 Carrier head(Carrier head, 웨이퍼를 잡고 돌리며 누르는 헤드)에 잡고, Platen(Platen, 패드를 붙여 돌리는 원판) 위에서 돌아가는 패드(Pad, 폴리우레탄 연마포)에 누른다. 패드 위에는 나노 크기의 연마 입자와 산화제·억제제·계면활성제·pH 완충제가 든 슬러리(Slurry)를 붓는다. 패드의 홈과 미세한 돌기가 슬러리를 웨이퍼 밑으로 나르고, 다이아몬드 디스크인 Conditioner(Conditioner, 패드 표면을 되살리는 다이아몬드 디스크)가 패드 위를 쓸며 닳은 돌기를 다시 세운다(그림 1). 웨이퍼와 패드는 대개 같은 방향으로 조금 다른 속도로 돌고, 웨이퍼는 진공과 링으로 붙잡는다.

이름에 화학과 기계가 함께 들어간 까닭이 여기에 있다. 슬러리의 화학 성분이 막 표면을 산화시키거나 수화시켜 무르거나 녹기 쉬운 상태로 바꾸고, 연마 입자와 패드 돌기가 그 층을 걷어 내며, 새로 드러난 표면에서 같은 일이 되풀이된다. 화학이 얼마나 큰 몫을 하는지는 3절에서 IBM 특허의 숫자로 확인한다. 깎이는 원리는 2장, 슬러리의 화학은 3장에서 다룬다.

Sampurno는 CMP의 이점을 셋으로 꼽는다. 평평한 면이 다음 노광의 초점 깊이를 살리고, 가파른 단차 위에서 금속 두께가 들쭉날쭉해지는 것을 막으며, 앞 공정이 남긴 결함을 줄일 수도 있다. Havemann과 Hutchby의 정리에 따르면 절연막 CMP는 초점 깊이가 줄면서 노광할 면을 평평하게 하려고 도입되었고, 평평해진 절연막은 금속 잔여물을 지우려 더 깎는 과식각도 줄였다. SK하이닉스는 CMP 없이 층을 쌓으면 배선 폭과 막 두께가 고르지 않아 신호가 잘 흐르지 않고, 고성능 칩일수록 연마 단계가 늘어난다고 설명한다. 한 소재사의 발표는 65 nm 로직 소자의 CMP 단계를 29개, 16 nm 소자는 47개로 꼽았다(회사 주장).

아래 시뮬레이터에서 배선을 한 층씩 쌓아 보자. 평탄화 없이 쌓을 때, 좁은 틈만 메우는 국소 평탄화를 할 때, 층마다 CMP를 할 때, 맨 윗면의 높낮이가 초점 깊이의 창과 어떻게 견주어지는지 본다.

근거: 초점 깊이의 예 ±0.07 µm, 초점 깊이를 지켜야 하는 노광 영역 20 mm × 20 mm, Reflow·Etchback·SOG가 마이크로미터 규모의 국소 평탄화만 준다는 점.

숫자로 보면 결론은 분명하다. 노광의 창은 0.1 µm 수준인데 배선 한 층이 그보다 두꺼우니, 층마다 높이를 처음으로 되돌리지 않으면 몇 층 만에 다음 무늬를 그릴 수 없다. 좁은 틈을 메우는 국소 평탄화는 넓은 배선과 빈 곳의 높이 차를 남겨 층이 늘수록 다시 쌓인다. 그래서 CMP는 표면을 매끈하게 다듬는 공정이라기보다, 다음 층을 정확히 만들 수 있도록 웨이퍼의 높이를 관리하는 공정이라고 보는 편이 정확하다(이 책의 정리). 다만 이 시뮬레이터의 단면은 40 µm로 좁았다. 다음 절에서는 노광 영역 하나, 20 mm로 넓혀 CMP에도 한계가 있는지 본다.

국소 평탄화와 전역 평탄화: 패드가 보는 거리

평탄화에는 두 가지 길이가 있다. 배선 몇 가닥 사이, 마이크로미터 규모의 단차를 없애는 국소 평탄화(Local planarization)와, 칩이나 노광 영역처럼 밀리미터 규모에서 높이를 고르게 맞추는 전역 평탄화(Global planarization)다. Mariscal은 전역을 밀리미터에서 센티미터 규모로 적고, CMP를 두 규모 모두에서 경제적으로 평탄화할 수 있는 유일한 방법이라고 부른다. 1절의 Reflow·SOG가 국소 평탄화에 머물렀다면, CMP는 전역 평탄화까지 해낸다(그림 2).

얼마나 평평해졌는지는 처음 단차에 비해 얼마가 남았는지로 잰다. 이것이 평탄화도(Degree of planarization, DP)다.

CMP가 높은 곳부터 깎는 까닭은 압력에 있다. 깎이는 속도가 누르는 압력과 미끄러지는 속도에 비례한다는 것이 출발점이다(2장의 Preston 식). 패드가 단단한 판처럼 솟은 곳에만 닿으면 누르는 힘을 솟은 곳이 나눠 받아 그곳의 압력이 높아지고, 그래서 빨리 깎인다. 넓게 트인 낮은 곳에는 패드가 휘어 들어가 함께 깎이고, 촘촘하게 솟은 영역은 여러 돌출부가 하중을 나눠 받아 천천히 내려간다. 그래서 패드가 얼마나 먼 거리까지 '평평한 판'처럼 버티느냐가 평탄화의 범위를 정한다.

Ouma 등은 솟은 무늬에 눌린 패드가 다시 평평해지는 거리를 평탄화 길이(Planarization length, PL)로 정의했다. 한 점이 깎이는 속도는 이 길이의 창 안에 든 무늬로 정해지고, 그 절반보다 먼 무늬는 무시할 수 있다. 산화막 CMP의 평탄화 길이는 3~7 mm 정도다. 한 측정에서는 Platen 속도와 누르는 압력에 따라 6.2~7.8 mm였고, 웨이퍼 안에서도 약 0.5 mm 달라지며 가장자리 다이에서는 약 5.0 mm까지 짧아졌다. Cu CMP에서는 100% 평탄해지는 가장 넓은 트렌치로 정한 최소 1.25 mm, 위아래가 똑같이 깎이는 가장 좁은 트렌치로 정한 최대 10 mm, 둘의 기하 평균 3.54 mm가 보고되었다. 패드가 뻣뻣할수록 평탄화 길이는 길어져, 계산에서는 패드 탄성률에 거의 비례했다. 패드의 경도와 구조는 4장에서 다룬다.

그렇다면 평탄화 길이 안에서는 무엇이 높이를 정할까. Stine 등은 창 안에서 솟은 무늬가 차지하는 면적 비율, 곧 패턴 밀도(Pattern density) \(\rho\)를 핵심 변수로 보았다. 누르는 힘을 솟은 면적이 나눠 받으므로 압력은 \(1/\rho\)배가 되고, 솟은 면이 내려가는 속도도 무늬 없는 웨이퍼, 곧 블랭킷 웨이퍼(Blanket wafer, 막만 덮인 시험 웨이퍼)에서 잰 제거 속도의 \(1/\rho\)배가 된다. 면적, 피치, 둘레 비율을 함께 바꾼 시험 마스크에서도 패턴 밀도가 지배적이었다.

1절의 단면은 폭 40 µm였다. 이번에는 노광 영역 하나만큼 넓혀 보자. 먼저 결과를 예측해 보고 그다음 확인한다.

근거: 밀도 모델과 그 풀이, 평탄화 길이의 정의와 노광 영역의 크기, 산화막 CMP의 평탄화 길이 3~7 mm, 초점 깊이의 예 ±0.07 µm.

밀집 영역은 깎을 산화막 부피가 많아 늦게 내려오고, 빈 영역은 패드가 처음부터 닿아 일찍 내려간다. 평탄화 길이보다 넓게 떨어진 두 영역은 서로를 '보지' 못해, 단차가 다 없어진 뒤에도 밀도 차이만큼 높이 차가 남는다. Ouma 등이 짚은 대로, 밀도가 일정한 곳은 잘 평탄화되지만 밀도가 달라지는 곳에서는 평탄화 길이보다 긴 거리에서 두께 차가 생긴다. 이 차이를 줄이는 길은 두 가지다. 평탄화 길이를 늘리거나(더 단단한 패드, 공정 조건), 레이아웃의 밀도를 고르게 하는 것이다. 빈 곳에 전기적으로 쓰지 않는 무늬를 채우는 더미 채우기는 5장에서 다룬다.

유리 연마에서 IBM의 배선까지

연마로 표면을 다듬는 기술은 오래되었다. CMP 모델의 출발점인 Preston 식도 1927년 유리 연마에서 나왔다. 깎이는 속도는 누르는 압력과 미끄러지는 속도에 비례한다는 식이다.

반도체 배선을 평평하게 만드는 데 화학 기계 연마를 쓰자는 생각은 1980년대 중반 IBM에서 나왔다. 그 전에도 IBM은 시험을 위해 위층 금속을 기계적으로만 갈아 낸 적이 있었지만, 1985년에 출원한 특허는 금속과 절연막을 평탄화하는 데 화학 기계 연마를 제안한 사람이 없었다고 적는다. 같은 날(1985년 10월 28일) 출원된 세 특허에 지금 CMP의 뼈대가 거의 다 들어 있다.

• 평탄화와 멈춤. 무늬 낸 절연막 위의 금속을 선택적인 슬러리로 갈아 구멍과 홈에만 금속을 남기고 절연막이 저절로 멈춤막이 되게 하는 방법, 그리고 금속 무늬 위 절연막을 갈아 높은 곳부터 깎는 방법.
• 질화막 멈춤막. 얇은 Si₃N₄를 연마 멈춤막으로 쓰고 SiO₂:Si₃N₄ 연마 속도비를 4:1~40:1(실제 약 6:1)로 잡은 방법.
• 배선과 비아를 한꺼번에. 배선과 비아를 함께 만들고 넘치게 채운 금속을 식각이나 화학 기계 연마로 걷어 내는 방법. 지금의 Dual damascene 개념이다.

특허의 예시 조건은 소박하다. 18인치 단면 연마기에서 0.06 µm 알루미나 입자를 탈이온수에 풀고 질산으로 pH를 약 3에 맞춘 슬러리를 분당 120 cc 흘리며 2~8 psi로 눌렀다(특허의 예). 같은 특허의 표는 화학이 하는 일을 숫자로 보여 준다. 같은 알루미나라도 물만 쓰면 Al-Cu 합금과 SiO₂가 똑같이 분당 30 nm씩 깎였는데, 질산을 넣어 pH 2.2로 맞추자 Al-Cu는 107 nm/min, SiO₂는 8 nm/min이 되었다. 연마 입자와 압력은 그대로인데 화학 하나로 어느 막을 깎고 어디서 멈출지가 정해진 것이다. 두 막의 제거 속도 비를 선택비(Selectivity)라 하며 6절에서 다시 본다.

표: IBM 특허 US 4,944,836의 표 I(특허의 예). 비율은 표의 두 값을 나눠 계산했다.

논문과 양산이 뒤따랐다. 1989년 IEDM에서 IBM 연구진은 RIE와 CMP를 함께 써 16-Mb DRAM의 얕은 트렌치 소자 분리를 0.5 µm 크기로 평탄화했다. 1991년에는 층간 절연막을 갈아 배선 기둥 꼭대기를 드러내는 공정과 W 배선을 CMP로 만드는 공정이 발표되었다. Mariscal의 정리에 따르면 ILD CMP는 0.8 µm 노드, STI CMP는 0.35 µm 노드, W CMP는 0.18 µm 아래에서 쓰이기 시작했다. W CMP가 플라즈마 Etchback을 대신하며 수율을 올렸고, 절연막 속에 금속을 박아 넣고 연마로 다듬는 방식이 쓸 만하다는 것이 확인되어 Cu 배선으로 이어졌다. 이 이야기는 METAL 책 5장 Cu CMP에 자세하다.

CMP의 무대는 그 뒤로도 넓어졌다. Applied Materials는 CMP가 Al 배선용 산화막 평탄화와 W 플러그에서 시작해 Cu Dual damascene에서 결정적인 공정이 되었고, 이어 대체 금속 게이트와 FinFET 게이트 단계로 넓어졌다고 정리한다(장비사 자료). Intel은 2007년 45 nm에서 CMP를 쓰는 대체 금속 게이트를 도입했다. 2013년의 한 소재사 발표는 새 응용으로 FinFET, 3D-IC, TSV, 새 메모리, MEMS를 꼽았다. 지금은 칩과 칩을 구리 패드로 직접 붙이는 하이브리드 본딩의 표면까지 CMP가 만든다(4절). Stanford 노트의 말대로, 한때 IC 공정에 쓰기엔 너무 거칠고 지저분하다고 여겨졌던 기술이 이제는 흔히 쓰이는 공정이 되었다.

1. 1927Preston이 유리 연마에서 제거 속도 = 상수 × 압력 × 속도의 식을 내놓는다.
2. 1985IBM이 같은 날 세 특허를 출원한다. 금속·절연막의 화학 기계 평탄화, 질화막 멈춤막, 배선과 비아를 함께 채우고 연마하는 방식.
3. 198916-Mb DRAM의 STI를 RIE와 CMP로 평탄화(IEDM).
4. 1991층간 절연막 CMP와 W 배선 CMP 논문.
5. 0.8→0.18 µmILD(0.8 µm), STI(0.35 µm), W(0.18 µm 아래) CMP가 차례로 들어온다(Mariscal의 정리). W CMP의 성공이 Cu 다마신으로 이어진다.
6. 2007Intel 45 nm의 대체 금속 게이트에 CMP 두 단계(폴리 열기, 금속 게이트).
7. 65→16 nm로직 소자의 CMP 단계가 29개에서 47개로(회사 주장).
8. 2024Cu 패드 피치 2 µm의 하이브리드 본딩, Cu Recess 2.5 nm 미만을 목표로 CMP 최적화.

쓰이는 곳: 기준면을 만들거나, 홈 안에만 남기거나

CMP는 한 가지 레시피가 아니다. 무엇을 깎고 어디서 멈추는지에 따라 슬러리, 종말점, 대표 불량이 모두 달라진다. 그래도 하는 일은 크게 두 가지로 나눌 수 있다(이 책의 정리). 첫째, 다음 층이 쌓일 평평한 기준면을 만든다. 층간 절연막을 목표 두께까지 깎는 ILD CMP가 대표다. 둘째, 홈이나 구멍을 채운 뒤 넘친 막을 걷어 홈 안에만 물질을 남긴다. STI, W, Cu CMP가 여기에 든다. 1985년 IBM 특허의 두 실시예가 바로 이 두 가지였다.

두 번째 일에서는 홈 밖에 넘쳐 쌓인 막, 곧 Overburden(Overburden, 홈 밖에 넘친 막)을 걷어 내다 아래 막이 드러나면 멈춘다. 이 아래 막을 멈춤막(Stop layer)이라 한다. 절연막에 홈을 먼저 파고 금속을 넘치게 채운 뒤 넘친 금속을 연마로 걷어 홈 안에만 배선을 남기는 방식을 다마신(Damascene)이라 부른다. 그림 3은 칩 단면에서 CMP가 지나간 자리를 아래부터 짚은 것이다.

STI(Shallow Trench Isolation, 얕은 트렌치 소자 분리)는 트랜지스터 사이에 얕은 홈을 파고 산화막으로 메운 구조다. CMP는 넘친 산화막을 걷다가 질화막에 닿으면 멈추는데, 산화막이 질화막보다 훨씬 빨리 깎이는 선택비 덕분이다. 질화막 위에 산화막이 조금이라도 남으면 다음 단계의 질화막 제거를 가리므로 흔히 두 단계로 나눠 깎고, 높은 선택비를 위해 세리아 슬러리를 쓴다. 그렇다고 질화막을 마음껏 깎아도 되는 것은 아니다. Pan 등은 170 nm 질화막이 소자 분리 산화막의 높이를 지키는 예산 전부인데, 산화막 Recess, 패턴 효과, CMP 뒤 습식 식각, 기본 질화막 손실, 불균일이 종이 위에서 이미 이 예산을 다 쓴다고 보고, STI CMP의 공정 창이 기껏해야 매우 좁다고 적었다.

ILD(Interlayer dielectric, 층간 절연막) CMP는 멈춤막 없이 절연막을 목표 두께까지 깎아 다음 배선층의 기준면을 만든다. 절연막 슬러리는 실리카 약 10 wt%를 알칼리 pH에 풀어 쓰고 제거 속도는 약 2500 Å/min 수준이다. 멈출 막이 없으니 시간과 연마 전후의 두께 측정으로 제어하는 일이 많고, 측정값으로 연마 시간을 고치는 제어가 연구되었다.

트랜지스터와 첫 배선을 잇는 콘택은 텅스텐(W)으로 채운다. W가 산화막에 잘 붙지 않아 Ti/TiN Barrier를 먼저 깔고 CVD W로 채운 뒤, W와 Barrier를 단계별로 걷어 구멍 속 플러그만 남긴다. W CMP는 플라즈마 Etchback을 대신하며 수율을 올렸다. 과연마가 길면 플러그가 주변 절연막보다 낮아지는 Recess(Recess, 주변보다 움푹 들어감)가 생긴다. Intel의 한 특허는 25% 과연마에서 약 500 Å의 플러그 Recess를 보고하며, 이런 Recess가 다음 노광을 해치고 위 배선의 보이드나 단선을 부를 수 있다고 적는다(특허의 예).

Cu 배선은 다마신으로 만든다. 고립된 배선을 남기면서 높은 전역 평탄도를 얻으려면 Overburden을 걷는 방법은 Cu CMP뿐이다. 남은 Cu나 Barrier는 이웃 배선을 단락시키므로 웨이퍼 어디서나 다 걷어 내야 하고, 그러다 보면 어떤 곳은 필요 이상으로 깎인다. 그 결과 넓은 배선 가운데가 접시처럼 파이는 Dishing(Dishing, 넓은 배선 가운데가 파임)과 촘촘한 배선 영역이 통째로 내려앉는 Erosion(Erosion, 밀집 영역 전체가 내려앉음)이 생기고 배선 단면이 줄어 저항이 오른다. METAL 책 5장이 이 줄다리기를 자세히 보여 준다.

트랜지스터 게이트에서도 CMP가 쓰인다. 폴리실리콘을 깎아 여는 단계와 대체 금속 게이트의 금속을 다듬는 단계가 있고, 금속 게이트 CMP는 무늬 밀도와 게이트 길이가 달라도 게이트 높이를 수 nm 안으로 맞추는 것이 목표다. 칩을 쌓는 쪽에서는 두꺼운 막을 빨리 걷는 일이 많다. 실리콘을 관통하는 TSV의 약 45 µm 도금 Cu는 표준 슬러리로 45~60분 걸렸는데, 4 µm/min이 넘는 고속 공정으로 약 43 µm를 10~12분에 걷어 냈다. 3D NAND의 두꺼운 막은 연마를 여러 Platen에 나눠 하기도 한다(장비사 자료).

가장 새로운 무대는 하이브리드 본딩(Hybrid bonding)이다. 두 웨이퍼나 다이의 표면에서 구리 패드는 구리끼리, 절연막은 절연막끼리 직접 붙인다. imec은 2024년 Cu 패드 피치 2 µm의 다이–웨이퍼 본딩을 시연하며, Cu 패드 Recess를 2.5 nm 미만으로 맞추려고 Cu/SiCN CMP를 세심하게 최적화했다고 밝혔다. imec 연구진은 미세 피치에서는 Cu Recess나 돌출이 5 nm보다 작아야 하는데, CMP 뒤 측정한 Recess가 약 −2 nm 수준이었다고 보고했다. 노광의 초점 깊이 때문에 시작된 평탄화가 이제는 nm 단위로 높이를 맞추는 일이 되었다.

두 가지 일을 단면으로 보자. 아래 애니메이션은 패드가 높은 곳부터 깎아 단차를 지우는 모습과, 멈춤막에 닿아 서는 모습을 시간에 따라 그린다.

근거: 높은 곳의 압력이 1/ρ배가 되어 빨리 깎인다는 단차 모델, 단차가 접촉 높이보다 크면 직선으로, 작으면 지수적으로 줄어든다는 점, 절연막 슬러리의 제거 속도 수준, 질화막 멈춤막 170 nm, 질화막 멈춤막의 선택비 4:1~40:1.

정리하면 패드는 높은 곳부터 깎는다. 단단한 패드는 낮은 곳에 늦게 닿아 단차를 빨리 지우고, 무른 패드는 낮은 곳까지 함께 깎아 단차가 늦게 줄어든다. 멈춤막이 있어도 연마를 멈추지 않으면 멈춤막이 닳고 넓은 홈은 파인다. 선택비가 낮으면 멈춤막이, 높으면 홈 안의 막이 대가를 치르는 셈이다. 그래서 '언제 멈추나'가 CMP의 핵심 질문이 된다. 다음 절에서 한 번의 흐름을 따라가며 그 질문을 장비 위에 올려 본다.

CMP 한 번의 흐름: 마른 웨이퍼가 들어와 마른 웨이퍼로 나갈 때까지

공장에서 CMP 한 번은 연마만이 아니다. 앞 공정이 남긴 두께를 확인하는 것에서 시작해 세정과 계측으로 끝난다. 이 책은 그 흐름을 일곱 단계로 나눠 부른다.

1. ①투입 전 확인들어온 막 두께, 제품·층, 레시피
2. ②로딩Load cup에서 헤드가 웨이퍼를 잡는다
3. ③컨디셔닝·슬러리패드를 되살리고 슬러리를 붓는다
4. ④메인 연마압력·회전·시간으로 막을 걷는다
5. ⑤종말점과 과연마막이 바뀌는 순간을 잡고 조금 더
6. ⑥세정·건조입자와 잔여물을 떼고 말린다
7. ⑦계측·판정두께·균일도·결함을 재고 다음에 반영

① 투입 전 확인. 장비는 제품과 층에 맞는 레시피를 고르고, 앞 공정이 남긴 막 두께를 확인한다. 들어오는 두께가 웨이퍼마다 다르면 같은 시간을 연마해도 남는 두께가 달라진다. 연마 뒤 측정만으로는 이 차이를 고칠 수 없어서, 연마 전 측정이나 연마 중의 센서가 필요하다. 헤드의 영역 압력으로 들어오는 막의 두께 불균일을 보정하기도 한다.

② 로딩. 로봇이 웨이퍼를 Load cup(Load cup, 웨이퍼를 헤드에 건네는 받침)에 놓으면 헤드가 내려와 진공으로 웨이퍼를 잡는다. 웨이퍼를 놓는 디척이 어긋나면 웨이퍼가 손상되거나 헤드에 붙은 채 남는다. 헤드 안의 유연한 Membrane(Membrane, 웨이퍼 뒷면을 누르는 막)은 여러 고리 모양 챔버(예: 다섯 개)로 나뉘어 반지름마다 다른 압력을 준다. 웨이퍼 둘레는 Retaining ring(Retaining ring, 웨이퍼를 가두는 링)이 감싸 웨이퍼가 헤드 밑에서 빠져나가지 않게 하고, 링 바닥이 패드를 눌러 가장자리의 압력에도 영향을 준다.

③ 컨디셔닝과 슬러리. 패드는 쓸수록 웨이퍼가 누르는 자리가 눌리고 막혀 매끈해진다. 이것을 Glazing(Glazing, 패드 표면이 매끈해짐)이라 하며, 연마 속도가 떨어지므로 패드를 주기적으로 되살려야 한다. 흔한 Conditioner는 다이아몬드를 고정한 지름 4인치 원판으로, 돌며 패드를 깎아 기공을 열고 돌기를 세운다. 슬러리는 Arm이 패드 가운데로 떨어뜨리고, 같은 Arm의 헹굼물이 홈을 막는 굳은 슬러리와 부스러기를 씻는다. 슬러리는 50~150 nm의 실리카·알루미나·세리아 입자를 산화제·pH 안정제·착화제·부식 억제제가 든 물에 분산한 것이고, 유량은 응용에 따라 분당 약 150~300 cc다.

④ 메인 연마. 헤드가 웨이퍼 뒷면 전체를 눌러 앞면을 회전 패드에 대고, 압력·회전 속도·시간으로 막을 걷는다(장비사 설명). 1985년 IBM 특허의 예는 2~8 psi였다. 한 번에 다 깎지 않고 단계를 나누는 경우가 많다. Cu에서는 흔히 화학이 다른 두 슬러리를 쓴다. 첫 단계는 Bulk Cu를 걷다가 Barrier에 닿기 전 속도를 낮춰 조심스럽게 내려앉는 Soft landing(Soft landing)과 과연마로 끝나고, 둘째 단계가 Barrier를 걷어 절연막에서 선다. Platen이 셋인 Mirra 장비의 세 단계 Cu 공정은 단계마다 다른 슬러리를 썼다.

⑤ 종말점과 과연마. 언제 멈출지는 시간만으로 정할 수 없다. 슬러리 조성, 패드 상태, 상대 속도, 하중이 제거 속도를 바꿔 종말점까지 걸리는 시간이 웨이퍼마다 다르기 때문이다. 그래서 막이 바뀌는 순간을 연마 중에 잡는 종말점 검출(Endpoint detection, EPD)을 쓴다. 다른 막이 드러나면 마찰이 바뀌어 웨이퍼나 패드를 돌리는 모터의 전류가 바뀌고, Platen과 패드의 창으로 웨이퍼에 빛을 비추면 반사광이 막 두께에 따라 변한다. 종말점에 닿아도 바로 멈추지는 않는다. 웨이퍼 어딘가에는 막이 남아 있을 수 있어 조금 더 깎는데, 이것이 과연마(Over-polish)다. 부족하면 남은 막이 단락을 만들고, 지나치면 Dishing·Erosion·Recess가 커진다. Pan 등은 과연마를 잘 제어하지 못하면 5000 Å Cu 선의 최대 50%를 잃을 수 있다고 보고했다. 종말점 센서와 제어는 8장에서 다룬다.

⑥ 세정과 건조. 연마가 끝난 웨이퍼에는 슬러리 입자, 반응 부산물, 금속 이온이 남는다. 장비 안의 세정기가 Brush와 약액으로 이것을 떼어 내고 물자국 없이 말린다. Applied Materials의 장비는 세정 뒤 Marangoni 증기 건조로 물자국 결함을 거의 없앤다고 내세운다(장비사 주장). 연마·세정·건조를 한 장비 안에서 끝내 웨이퍼가 마른 채 들어와 마른 채 나가는 방식을 Dry-in/Dry-out(Dry-in/Dry-out)이라 하며, EBARA는 자사가 이 방식을 개척했다고 소개한다. Applied Materials는 연마 뒤 세정·헹굼·건조까지 빠르면 60초에 끝난다고 주장한다. 세정기 자체가 결함의 원인이 되기도 해서, 새 Brush의 수명 초기에 결함이 가장 많았다는 보고도 있다. 세정이 연마의 덧붙임이 아니라 CMP의 마지막 단계인 이유는 9장에서 본다.

⑦ 계측과 판정. 마지막으로 두께와 균일도, 결함을 잰다. 장비 안에 붙은 통합 계측(Integrated metrology)은 연마 전후의 두께를 웨이퍼를 꺼내지 않고 잰다(제조사 설명). 그 결과는 다음 웨이퍼나 다음 로트의 연마 시간을 고치는 데 쓰인다. 결과가 기준을 벗어나면 레시피만이 아니라 패드·컨디셔너·링의 사용 이력, 슬러리 상태, 세정기, 들어온 막까지 함께 본다(7절).

이 흐름을 장비 위에서 따라가 보자. 아래 그림은 특정 장비의 실제 배치가 아니라, 공개 자료에 나오는 부품을 한 장에 모은 개념도다.

근거: Dry-in/Dry-out, 순차 연마용 3 Platen, 세정과 Marangoni 건조, 패드 창의 종말점 감지, FOUP 4개와 계측기 1개의 배치, 통합 계측, Load cup, 여러 챔버의 Membrane, Retaining ring, Glazing과 Conditioner, 슬러리·헹굼 Arm, 광학 창과 마찰 종말점, Brush 세정의 결함.

Platen이 여럿인 데는 두 가지 쓰임이 있다. 하나는 단계를 나누는 것이다. Platen마다 다른 패드와 슬러리를 두고 웨이퍼가 차례로 옮겨 가며 Bulk 연마, 종말점 근처의 조심스러운 연마, Barrier 제거나 마무리를 한다. 다른 하나는 같은 단계를 여러 Platen에서 동시에 돌려 처리량을 높이는 것이다. Applied의 Reflexion LK는 세 단계 CMP에 맞춘 3 Platen 순차 연마를, Reflexion LK Prime은 패드 4개와 헤드 6개로 스테이션마다 순차·병렬·배치 운전을 내세운다(장비사 주장). 공정을 Platen별로 나누면 서로 다른 슬러리와 부산물이 섞이는 것도 줄일 수 있다(원리에서 나온 해석). 구성은 장비마다 다르다. KCTech는 연마부 둘과 세정부를 짝지은 장비를 소개한다(장비사 설명). 부품 하나하나는 7장에서 다룬다.

결과를 재는 다섯 가지 언어

CMP가 잘 되었는지는 숫자 하나로 말할 수 없다. 늘 함께 보는 지표는 제거 속도, 선택비, 균일도, 평탄도와 두께, 결함이다. 하나가 좋아져도 다른 것이 나빠질 수 있어서, 레시피를 바꿀 때는 RR, WIWNU, 결함, 프로파일이 함께 어떻게 움직였는지로 판단한다(이 책의 정리).

제거 속도(Removal rate, RR)는 연마 전후의 두께 차를 연마 시간으로 나눈 값이다. MIT의 한 연구는 9점에서 잰 (연마 전 − 연마 뒤 두께)를 고정 시간으로 나눠 RR을, 9점 제거량의 표준편차를 평균으로 나눠 불균일도를 정의했다. 단위는 Å/min이나 nm/min을 쓴다. 선택비는 3절의 표처럼 두 막의 RR의 비다. STI에서 높은 산화막:질화막 선택비란 산화막은 빨리, 질화막은 천천히 깎는다는 뜻이고, IBM의 질화막 멈춤막 특허는 4:1~40:1을 잡았다. 다만 블랭킷 웨이퍼의 선택비가 패턴 웨이퍼에 그대로 옮겨 가지는 않는다. 블랭킷에서 200:1에 이르는 선택비도 패턴 밀도가 낮은 곳에서는 그만큼 나오지 않았다.

웨이퍼 한 장 안에서 남은 두께나 제거량이 얼마나 고른지는 WIWNU로 잰다. 그런데 이 숫자를 내는 식이 하나가 아니다. 표준편차를 평균으로 나누기도 하고, (최대 − 최소)를 평균의 두 배로 나누기도 한다. 한 특허는 둘이 보통 같은 경향이지만 뒤의 것이 대체로 크고, 한 점이 튀면 뒤의 것이 더 잘 드러낸다고 적는다. 여러 WIWNU 지표가 연마 전 두께 프로파일과 연마 시간에 따라 다르게 편향되어 여러 지표를 함께 봐야 할 수 있다는 연구도 있다. 2002년의 한 논문은 당시 요구를 5% 미만으로 적었다.

측정점의 수와 위치도 숫자를 바꾼다. 가장자리는 막 끝과 연마 특성이 달라 판정에서 빼는데, 이 폭을 Edge exclusion(Edge exclusion, 판정에서 빼는 가장자리 폭)이라 한다. 한 특허는 300 mm 웨이퍼의 예로 3 mm를 들고, 공정 중 막 끝이 물러나 10 mm 가까이 되기도 한다고 적는다. 3 mm만 빼도 웨이퍼 넓이의 4.0%가 판정에서 빠진다(계산). 가장자리는 실제로 다르게 깎인다. Applied의 한 특허는 200 mm 웨이퍼의 바깥 5~10 mm가 과연마되는 경향이 있다고 적었다.

두께는 한 자리에 남은 막의 절대값이고, 평탄도는 높이 차가 얼마나 줄었는지(2절의 DP)다. 평균 두께가 목표에 맞아도 다이 안 높이 차가 크면 다음 노광이 흔들리고, Cu 배선이라면 Dishing이 단면을 줄여 저항을 올린다. 결함(Defectivity, 결함의 수·밀도·종류)은 입자 수만이 아니다. CMP 뒤 결함에는 미세한 Scratch(Scratch, 긁힘), 유기 잔사, 연마 입자, 박편, 세정기 Brush에서 온 장비 입자가 있고, 미세 긁힘은 CMP 뒤 HF에 닿으면 더 커지기도 한다. 결함이 수율에 주는 영향은 가장 단순하게 Poisson 모델로 어림한다.

지표가 서로 어떻게 얽히는지 직접 맞춰 보자. 아래 도전은 웨이퍼 반지름을 따라 남은 두께를 그리고, 판정에 흔히 쓰는 49점(가운데 1점과 동심원 8·16·24점, 가장자리 3 mm 제외)으로 평균과 WIWNU를 낸다. 손잡이는 연마 시간과 헤드의 두 영역 압력이다.

근거: 49점 측정과 영역 압력으로 불균일을 줄인 예(1.0·1.05·1.10·1.25의 압력비로 16.9% → 1.7%), 영역 압력이 들어오는 두께 불균일을 보정한다는 점, 가장자리 3 mm 제외, 바깥 5~10 mm의 과연마 경향, 링이 닳아 147 mm에서 제거 속도가 약 6% 오른 예, 패드가 닳으며 160장 동안 제거 속도가 약 14% 떨어진 예, 절연막 제거 속도 수준, 두 WIWNU 산식.

CMP 엔지니어의 하루

CMP 엔지니어는 장비를 돌리는 사람이라기보다, 재료와 장비와 계측 데이터를 이어 공정을 안정된 상태로 지키고 이상이 생기면 빨리 되돌리는 사람이다(이 책의 정리). 회사와 조직마다 범위는 다르지만 대개 아래 여섯 가지 일을 한다. 매일의 감시에는 SPC(Statistical process control, 통계적 공정 관리)를 쓰고, 정해진 주기로 부품을 닦고 바꾸는 PM(Preventive maintenance, 예방 정비) 뒤에는 장비가 제 상태로 돌아왔는지 검증한다.

소모품이 특히 중요하다. TI의 한 예에서 패드 수명 초기 2124 Å/min이던 제거 속도가 표준 컨디셔닝을 하면서도 160장 뒤 평균 1826 Å/min으로 내려갔고(약 −14%, 계산), 컨디셔닝 없이 50장을 더 연마하자 750 Å/min까지 떨어지며 불균일이 5%에서 15%로 커졌다. MIT의 연구는 웨이퍼 사이를 촘촘히 맞추려면 패드 수명이 보통 100~200장에 그친다고 보고, 측정값으로 매번 레시피를 고치는 Run-to-run 제어(Run-to-run control, R2R)로 패드 하나에 500장을 목표 1600 Å/min에 대해 평균 1597 Å/min으로 연마했다. 웨이퍼 사이 불균일은 2.0%, 웨이퍼 안은 3.3%였다. 쓰는 양도 많다. SK하이닉스는 한 달에 패드를 1만 장 넘게 쓰고, CMP 소모품 폐기물이 2019년 224 t에서 2022년 282 t으로 26% 늘었다고 밝혔다.

공정이 규격 안에 얼마나 여유 있게 들어오는지는 Cpk(Process capability index, 공정 능력 지수)로 잰다. 평균에서 가까운 규격 한계까지의 거리를 3σ로 나눈 값으로, 가운데에 놓인 공정에서 1.33이면 불량이 약 64 ppm이다. 소모품이 닳는 동안 결과가 어떻게 흐르는지, 그리고 매 웨이퍼의 측정으로 연마 시간을 고치면 무엇이 달라지는지 아래에서 보자.

근거: 패드 수명에 따른 제거 속도 저하(160장에서 2124 → 1826 Å/min), 측정값으로 시간을 고치는 EWMA Run-to-run 제어와 기준 패드 수명 100~200장, EWMA의 λ, Cpk의 정의.

이 책의 지도

이 장에서 꺼낸 질문들은 다음 장들에서 하나씩 답을 찾는다. 2~5장은 깎이는 원리와 슬러리, 패드, 패턴 의존성을, 6장은 공정별 CMP를, 7~9장은 장비와 종말점, 세정을, 10~11장은 계측과 현업의 이상을 다룬다. 카드마다 그 장이 답하는 질문과, 이 장에서 그 질문이 처음 나온 곳을 적었다.

처음 읽는다면 2장과 5장을 먼저 읽어 '깎이는 속도'와 '패턴이 바꾸는 높이'를 잡은 뒤, 관심 있는 공정이나 장비로 건너뛰어도 좋다. 각 장의 시뮬레이터는 앞 장에서 만진 것 위에 쌓이도록 만들었다. Cu 배선 쪽에서 본 CMP는 이 시리즈의 METAL 책 5장에, CMP 앞뒤의 증착과 식각은 CVD 책과 ETCH 책에 있다.