현업 이상 분석

판단 순서: 불량의 이름은 원인이 아니다

CMP의 이상 보고는 대개 결과의 이름으로 온다. "Scratch가 늘었다", "가장자리가 두껍다", "웨이퍼가 깨졌다", "제거 속도가 떨어졌다". 이름은 무엇이 일어났는지를 말할 뿐 왜 일어났는지는 말하지 않는다. 같은 Scratch라도 슬러리 속 큰 입자, 패드에 박힌 다이아몬드 조각, 세정기 Brush에 붙은 입자가 모두 만들 수 있고, 같은 "가장자리가 두껍다"도 CMP가 덜 깎은 것인지 앞 공정이 더 두껍게 쌓은 것인지에 따라 해야 할 일이 정반대가 된다. 그래서 첫 일은 레시피를 고치는 것이 아니라, 증상을 원인 후보가 갈리는 모양으로 다시 적는 것이다.

그림 1은 이 장 전체에서 쓰는 판단 순서를 이 책이 여섯 단계로 정리한 것이다. 핵심은 세 가지 질문이다. 어디에, 어떤 모양으로 생겼는가, 언제부터 생겼는가, 이상한 웨이퍼들이 무엇을 함께 거쳤는가. 마지막 질문에 답하는 일을 공통성 분석(Commonality analysis, 이상 웨이퍼들이 함께 거친 장비·헤드·모듈·소재 Lot·시간대를 찾는 일)이라 하고, 정상과 이상이 갈리는 시점에 무엇이 바뀌었는지 찾는 일을 변경 시점(Change point) 확인이라 한다. 후보가 몇 개로 줄면 하나의 가설만 가르도록 조건을 나눈 Split 실험(Split test, 한 조건만 다르게 한 웨이퍼 묶음을 비교하는 실험)으로 확인한다.

①의 분류부터 생각보다 어렵다. 결함 검사 장비가 레이저로 웨이퍼를 훑으면 CMP 긁힘의 다수는 빔보다 짧아서 점 하나, 곧 점 결함(LPD, Light Point Defect)으로 보인다. KLA-Tencor의 특허는 1500 nm보다 짧은 미세 긁힘이 이렇게 점으로 보여 분류 없이는 입자나 피트와 구별되지 않는다고 적고, 결함 무리를 둘러싼 경계의 길이/폭 비로 길쭉한 무리를 긁힘으로 가르는 방법을 제안한다(특허). 그래서 검사 뒤에는 리뷰 SEM으로 다시 찍어 분류하는데, 리뷰 SEM의 시야가 너무 크거나 작으면 미세 긁힘과 큰 긁힘이 다른 분류로 잘못 들어간다. 장비사 자료로 보면 무패턴 웨이퍼 검사(Surfscan), 패턴 웨이퍼 검사, 웨이퍼 앞면·가장자리·뒷면을 함께 보는 검사(CIRCL), 전자빔 리뷰·분류(eDRX)가 서로 이어져 이 일을 나눠 맡는다. 결함 검사와 분류의 원리는 10장에서 다뤘다. 이 장에서는 분류된 결함을 원인으로 잇는 일에 집중한다.

이상은 장비의 어디에 사는가

원인 후보를 세우려면 장비의 어느 부품이 어떤 증상을 만드는지 알아야 한다. 그림 2는 폴리셔 한 대와 일체형 세정기를 위에서 본 개념도에 이 장에서 다룰 이상의 자리를 표시한 것이다. 부품 하나하나의 구조는 7장에서 보았다. 여기서는 "이 부품이 나빠지면 무엇이 보이는가"의 눈으로 다시 본다.

장비 회사들은 이런 변동을 장비 안에서 줄이려 한다. Applied Materials는 Reflexion LK의 FullVision XE와 RTPC XE가 연마 중 두께를 보고 프로파일을 제어해, 소모품 세트와 들어오는 웨이퍼의 변동에서 오는 폐기를 줄인다고 주장한다(장비사 주장). 특허에는 회전 테이블을 영상으로 찍어 웨이퍼 미끄러짐을 깨지기 전에 잡는 방법, 링이 실패 문턱에 닿기 전에 마모를 알리는 방법, 컨디셔너 팔의 센서로 패드 두께를 재며 Sweep을 고치는 폐회로 제어가 있다(모두 특허). 센서가 늘수록 엔지니어가 읽을 기록도 는다. 그 기록을 읽는 순서가 이 장의 주제다.

아래 EXPLORE에서 증상을 골라 보자. 맨 위에 증상, 그 아래 먼저 볼 세 가지(모양·자리, 시간, 공통점), 그 아래 원인 후보가 나온다. 후보를 누르면 그 후보를 가르는 데이터와 대책, 다시 볼 절이 나온다.

가지의 근거: 긁힘의 출처와 확인 데이터, 가장자리 프로파일, 이탈과 파손(특허), 드리프트, Endpoint, 잔사, Cu 부식(특허 포함), PM 직후.

Scratch가 늘었다: "더 어떻게 개선하라고"

"스크래치, 이거 뭐 더 어떻게 개선하라고…" 현장에서 흔히 들리는 한숨에는 이유가 있다. CMP는 패드 돌기와 연마 입자가 웨이퍼를 직접 누르며 미끄러지는 공정이다. 접촉 응력이 막의 항복 강도보다 작으면 탄성 접촉으로 끝나지만, 크면 소성 접촉이 되어 긁힌 자국이 남는다. 평균 압력이 몇 psi에 불과해도 입자 하나, 돌기 하나가 받는 하중은 그 입자가 얼마나 크고 단단한지에 따라 크게 달라진다. 그래서 드물게 섞인 큰 입자 하나가 웨이퍼 한 장의 긁힘을 만든다. 패드와 연마 입자의 접촉은 2장에서 보았다. 원인을 하나 없애도 다른 출처가 남기 쉬운 불량이라, 출처를 무늬와 시간으로 가려내는 기술이 필요하다(해석).

긁힘에도 모양이 있다. 한 연구는 CMP 긁힘을 면도날로 그은 듯한 Razor, 같은 간격으로 되풀이되는 떨림 자국인 Chatter mark, 건너뛰며 찍힌 Skipping으로 나누고, 이 가운데 Chatter mark가 수율에 가장 치명적이라고 보았다. Chatter는 붙었다가 미끄러지기를 되풀이하는 Stick-slip 마찰(Stick-slip friction, 붙음–미끄럼 마찰)과 닮았다. 붙어 있는 동안 쌓인 마찰력이 표면의 항복 강도를 넘으면 자국이 생기고, 자국 사이 간격은 미끄러지는 구간이 정한다. 결함 분류는 10장에서 다뤘다.

누가 긁는가: 네 출처

① 슬러리의 큰 입자와 응집체. 대부분 CMP 슬러리의 평균 입자 지름은 수백 nm이지만, 1 µm 넘는 큰 입자나 응집체가 소량만 있어도 미세 긁힘을 만든다(소재·계측 장비사 자료). 이런 큰 입자의 수를 3장에서 본 LPC(Large Particle Count)로 관리한다. Cabot 그룹은 퓸드 실리카 슬러리의 LPC와 산화막의 긁힘 수 사이에 선형 상관이 있음을 보였다. 다만 제한된 모델 슬러리의 결과였고 일반화에는 연구가 더 필요하다고 적었다. 같은 연구를 정리한 총설은 그 조건에서 효과적으로 긁는 최소 지름을 약 0.68 µm로, 실리카 슬러리에서 "큰 입자"의 기준을 0.5 µm 이상으로 적는다. 큰 입자는 합성과 분쇄에서도 생기지만 Fab의 슬러리 공급 순환에서도 생긴다. 다이어프램 펌프로 순환시키면 벨로즈 펌프보다 LPC가 훨씬 낮았다. 공급 계통의 죽은 공간(Dead space)에 가라앉은 입자도 응집하므로, 소재사는 죽은 공간을 줄이고 명목 입자 지름의 약 두 배보다 큰 입자를 거르는 필터를 여러 위치에 둘 것을 권한다(소재사 자료).

세리아 슬러리에서는 입자의 크기만큼 모양과 부서지는 성질도 문제가 된다. STI 세리아 슬러리의 긁힘을 줄이려 한 연구는 세리아 결정을 압력과 전단에서 더 잘 부서지게 만들고, 분산을 안정시키며, 큰 입자를 최소화했다. 소재사 Resonac은 제거 속도를 올리려 입자를 키우면 긁힘 확률이 올라가므로, 입자를 나노 크기로 줄이고 분포를 좁혀 긁힘을 크게 줄였다고 설명한다(소재사 자료). 각진 모서리가 하중을 좁은 곳에 모은다는 설명은 직관적이지만, 이 책이 확인한 공개 근거는 크기·분포·부서지는 성질 쪽이다.

② 패드와 컨디셔너. 다이아몬드 디스크에 박힌 다이아몬드가 떨어져 나오면 웨이퍼에 치명적인 긁힘을 낼 수 있다. 다이아몬드의 돌출 높이와 모양이 고르지 않은 디스크에서는 다이아몬드가 닳고 깨지고 빠지는 일이 관찰되었다. 패드 자체도 긁는다. 새 패드로는 긁히지 않던 단단한 Si가 슬러리 없이 쓴 패드로는 긁혔다는 관찰도 있다. 패드에 박힌 연마 입자가 단단한 돌기처럼 행동하기 때문이다. 굳은 슬러리와 부스러기가 패드 홈을 막으면 결함이 나빠지므로, 슬러리 공급 팔에 헹굼 노즐을 함께 다는 설계도 있다(특허). 패드와 컨디셔닝은 4장에서 다뤘다.

③ 세정기의 Brush. 세정기 Brush의 돌기 안에서는 슬러리 연마 입자, 박편, 장비 입자가 관찰되었고, Brush가 옮긴 입자가 나노 크기 긁힘을 만들며 세정액이 이를 키울 수 있다. Cu Post-CMP 세정에서는 고리 모양 긁힘이 알려져 있고, 약액 공급 부족이나 잔사 때문에 웨이퍼와 Brush가 직접 닿는 것이 원인으로 거론된다. 세정기는 9장에서 다뤘다.

④ 보이는 단계의 차이. 미세 긁힘은 CMP 뒤 HF에 닿으면 더 커진다. 연마 직후에는 검사에 걸리지 않던 긁힘이 다음 습식 공정 뒤에 늘어난 것처럼 보일 수 있으므로, 앞 절의 현업 노트처럼 맵이 찍힌 단계부터 확인한다.

무늬가 출처를 말한다

원인 후보가 넷이나 되면 무엇으로 가를까? 결함 맵의 무늬가 큰 실마리다. Platen과 헤드가 함께 도는 CMP에서, 패드 위 한 점이 웨이퍼 위에 그리는 길은 두 강체 회전의 합성으로 정해진다. 웨이퍼와 함께 도는 좌표에서 패드에 박힌 입자의 자리를 쓰면 다음과 같다(이 책의 유도. 2장의 상대 속도와 같은 기하다).

식의 두 항을 따로 보면 무늬가 읽힌다. 헤드와 Platen의 회전 속도가 같으면(\(\omega_c=\omega_p\)) 둘째 항이 멈추고 첫째 항만 돈다. 입자는 \(\mathbf{p}_0\)를 중심으로 반지름 \(d\)인 원을 따라 웨이퍼를 지나가므로, 긁힘은 두 회전 중심 사이 거리를 반지름으로 하는 호가 되고 Platen이 한 바퀴 돌 때마다 같은 호를 다시 긁는다. 속도가 조금 다르면 이 호가 \(\omega_p-\omega_c\)의 빠르기로 웨이퍼를 돌아, 곡률이 비슷한 호가 부채꼴로 퍼진다. 헤드가 돌지 않으면(\(\omega_c=0\)) 입자는 Platen 중심을 도는 반지름 \(r_p\)의 같은 호만 되풀이한다. 패드에 박히지 않고 잠깐 끼었다 빠지는 큰 입자는 같은 기하에서 짧은 호를 아무 데나 남긴다. 세정기의 Brush box에서는 웨이퍼가 굴대 모양 Brush 밑에서 돌므로, Brush 위 한 자리에 붙은 입자는 늘 웨이퍼의 같은 반지름을 지나 고리를 그린다(모두 이 책의 기하학적 해석). 아래 ANIMATION으로 확인해 보자.

모델의 근거: 실험 조건의 회전 속도와 Platen 크기(소모품 제조사 자료), 디스크에서 떨어진 다이아몬드와 패드에 박힌 입자가 긁는다는 관찰, Brush가 옮긴 입자와 고리 모양 긁힘. 무늬와 출처의 짝짓기는 위 식에서 나온 이 책의 해석이다.

실제 맵에서는 이렇게 쓴다. 호 모양 긁힘이 보이면 호 세 점으로 곡률 반지름을 재서 그 장비의 헤드–Platen 중심 거리와 견준다. 맞아떨어지고 한 Platen에서만 나온다면 그 Platen의 패드와 디스크를 먼저 의심하고 표면을 본다. 짧은 호가 흩어져 있고 여러 Platen에서 함께 늘었다면 공통으로 쓰는 슬러리와 필터 쪽이다. 고리라면 세정기다. 그다음 체크리스트를 차례로 확인한다. 특정 헤드·Platen·세정 모듈·Slot에 몰리는가, 슬러리 LPC·필터·유량·Lot과 교체 시점에 변화가 있었는가, 패드·디스크·Retaining ring 교체나 수명과 겹치는가, 연마 직후와 세정 뒤 중 어디서 처음 보였는가. 무늬는 가설을 세우게 하고, 이 데이터들이 가설을 가른다(해석).

WIWNU와 가장자리 프로파일 이상

웨이퍼 안 불균일은 가운데보다 가장자리에서 깨지기 쉽다. 정밀공학회지의 연구는 웨이퍼 안 불균일을 흔히 가장자리의 제거 속도 변화가 정하고, 가장자리 프로파일은 가장자리의 압력 분포를 따르며 그 압력은 Retaining ring에 거는 하중에 크게 좌우된다고 보았다. 이유는 패드가 탄성체라는 데 있다. 웨이퍼 밑에서 눌린 패드는 웨이퍼 끝 바깥에서 솟아오르며(Rebound) 가장자리 근처의 접촉 압력을 고르지 않게 만든다. 패드가 뻣뻣하면 이 반동이 가운데 쪽으로, 무르면 가장자리 쪽으로 자리를 옮긴다(특허). Lam Research의 특허는 가장자리에서 약 1~3 mm 안쪽은 패드가 날카로운 웨이퍼 끝에 파고들어 매우 빨리 깎이고, 약 3~20 mm는 느리게 깎여 1~20 mm를 쓸 수 없게 되기도 했다고 적는다(특허). Retaining ring은 웨이퍼 둘레의 패드를 눌러 이 효과를 웨이퍼 밖으로 밀어내는 부품이다(7장). 그래서 링이 바뀌면 가장자리가 먼저 바뀐다.

가장자리를 바꾸는 여섯 후보

① Retaining ring 마모. GLOBALFOUNDRIES의 특허는 새 링, 중간 링, 오래된 링으로 블랭킷 웨이퍼를 연마해 반지름 약 130~148 mm의 정규화 제거 속도를 비교했다. 차이는 140 mm 부근부터 벌어져 145 mm에서 약 3%, 147 mm에서 약 6%였다. 링 바닥의 슬러리 홈이 닳아 얕아지면 멤브레인 가장자리가 웨이퍼에 가까워지고, 멤브레인을 부풀릴 때 가장자리의 장력이 압축으로 바뀌어 가장자리 하중이 커진다는 설명이다(특허). EBARA의 특허도 리테이너 링이 시간에 따라 닳아 가장자리 누르는 힘과 프로파일이 바뀌므로 링을 일찍 바꿔야 한다고 적는다(특허). 그래서 링의 마모는 사용 시간을 따라 서서히, 한 헤드에서만, 가장자리 몇 mm 안에서 나타나는 지문을 남긴다(해석).

② 링 압력과 평탄도. 가장자리 프로파일은 링에 거는 하중에 크게 좌우되고, 링의 평탄도가 매우 중요한 요인이다. 같은 헤드에 같은 컨디셔닝을 한 링은 연마 조건이 달라도 거의 같은 가장자리 변화를 보였다. MIT의 영역 압력 캐리어 연구는 링 압력을 연마면 압력과 거의 같게 하면 가장자리 효과가 웨이퍼 밖의 링으로 밀려나고, 너무 낮거나 높으면 가장자리 효과가 웨이퍼 안으로 들어온다고 정리했다.

③ 멤브레인과 영역 압력. 멤브레인의 바깥 끝이 웨이퍼에서 들뜨면 맨 가장자리는 덜 깎이고 바로 안쪽은 더 깎이며, 단단한 멤브레인일수록 심하다(특허). 같은 MIT 연구에서 200 mm 웨이퍼의 네 고리 영역에 모두 5 psi를 걸었을 때 제거 불균일은 16.8%였지만, 영역 압력을 손으로 맞추자 1.7%가 되었다. 같은 압력이 같은 제거량을 뜻하지 않는다는 것, 그리고 영역 압력 기록이 프로파일 이상의 중요한 확인 데이터라는 것을 보여 준다. 영역 압력 제어는 8장에서 다뤘다.

④ 패드의 가장자리 마모와 온도. 컨디셔너를 받쳐 주는 패드 가장자리 밖으로 Sweep하면 남은 다이아몬드에 하중이 몰려 패드 가장자리가 더 닳는다. 소모품 제조사의 자료에는 패드 가장자리가 많이 닳던 고객이 바깥 Sweep 한계와 머무는 시간(Dwell)을 고치자 웨이퍼 가장자리 불균일도 좋아진 사례가 있다(소모품 제조사 자료). 패드 두께 프로파일을 연마 중에 재며 Dwell을 고치는 특허도 있다(특허). 패드 온도도 반지름 방향으로 고르지 않아, 시간으로는 1 °C 안쪽으로만 변하지만 패드를 가로질러서는 12 °C까지 다를 수 있다는 인용과 함께 반지름 방향 온도 불균일이 산화막 두께 불균일과 상관했다는 결과가 있다.

⑤ 들어온 막. 연마 뒤 두께는 연마 전 두께에서 제거량을 뺀 값이다. 시작 웨이퍼의 가장자리 처짐(Roll-off) 형상도 가장자리 균일도를 크게 바꾼다. 앞 공정이 가장자리를 두껍게 쌓았다면 CMP는 정상인데 연마 뒤 가장자리가 두꺼울 수 있다. 연마 전과 연마 뒤를 같은 자리에서 재서 제거량 프로파일을 따로 보면 갈린다(해석).

⑥ 계산 방법. 같은 데이터라도 숫자가 다를 수 있다. 균일도 지표는 흔히 표준편차를 평균으로 나눈 WIWNU와, 최댓값과 최솟값의 차이를 쓰는 k-value로 계산한다.

두 지표는 보통 같은 경향을 보이지만 k-value가 대체로 크고, 측정점 하나가 튀면 k-value가 더 잘 드러낸다(특허). 계산에서 빼는 가장자리 폭인 Edge exclusion도 숫자를 바꾼다. Novellus의 특허는 300 mm 웨이퍼의 예로 3 mm를 들고, 공정 중 막 끝이 안쪽으로 물러나는 Edge burn으로 그 폭이 10 mm에 가깝거나 넘기도 한다고 적는다(특허). 업계는 2 mm 이내까지 좋은 성능을 원했다. 그래서 WIWNU가 나빠졌다는 보고를 받으면 산식, 측정점 수와 배치, Edge exclusion부터 같은지 확인한다. WIWNU의 정의는 10장에서 다뤘다.

후보를 가르는 가장 빠른 데이터는 헤드별 비교다. 한 헤드에서만 가장자리가 바뀌었다면 그 헤드의 링이나 멤브레인을, 한 Platen의 모든 헤드에서 바뀌었다면 패드와 컨디셔너를, 여러 장비에서 함께 바뀌었다면 들어온 막과 계측을 먼저 본다(해석). 아래 SIMULATOR에서 링 마모와 들어온 막을 바꾸며 제거량과 남은 두께가 어떻게 따로 움직이는지 보자.

모델이 따른 근거: 링 마모에 따른 가장자리 제거 속도(특허), 링 압력을 연마면 압력에 맞추면 가장자리 효과가 링으로 밀려난다는 정리, 가장자리 1~3 mm의 빠른 제거와 그 안쪽의 느린 제거(특허), WIWNU와 k-value의 정의(특허), Edge exclusion의 예와 Edge burn(특허), 링 마모의 실패 문턱(특허), 시작 웨이퍼의 형상.

웨이퍼 파손과 이탈: "왜 여기서만 깨지냐"

"왜 웨이퍼는 여기서만 깨지냐." CMP에서 웨이퍼가 깨지면 장비가 서고, 조각을 치우고, 같은 Platen을 지난 웨이퍼를 모두 다시 봐야 한다. 그런데 웨이퍼가 깨진 자리가 CMP라고 해서 처음 원인까지 CMP에 있다고 단정할 수는 없다. CMP는 웨이퍼를 누르는 힘과 함께, 그 힘에 비례하는 마찰력을 웨이퍼에 건다. MIT의 열 화상 연구는 이 관계를 마찰력 = 마찰 계수 × 누르는 힘으로 두고, 마찰이 하는 일이 패드를 데운다고 보았다. 다른 단계에서는 버티던 약점이 이 수직 하중과 전단 하중을 함께 받는 순간 깨질 수 있다. 그래서 파손 분석은 "어디서 깨졌나"와 "왜 약했나"를 나눠서 묻는다(해석).

헤드 밑에서 빠져나가는 웨이퍼

연마 중 파손의 대표적인 경로는 웨이퍼 이탈(Slip-out, 연마 중 웨이퍼가 Retaining ring 밑으로 빠져나가는 사고)이다. Applied Materials의 특허는 그 과정을 이렇게 설명한다. 링을 누르는 압력의 일부가 사라지면 웨이퍼를 붙드는 힘이 줄고, 마찰에 끌린 웨이퍼가 링을 옆으로 밀어 들어 올리면 헤드 밑에서 빠져나간다. 패드 주름 같은 연마면의 이상, 헤드와 Platen의 평행도가 흔들리는 Run-out도 원인으로 든다. 빠진 웨이퍼는 긁히거나 깨지고, 늦게 알면 장비 정지가 길어지며 장비 안에 남은 웨이퍼 조각이 센서와 배선 같은 부품을 망가뜨린다(특허). TSMC의 특허는 Platen이 빨리 돌면 이탈이 흔할 수 있고, 모르고 지나가면 웨이퍼가 튕겨 나가 깨지며 그 조각이 이웃 Platen의 웨이퍼까지 손상시킨다고 적는다. 패드가 계속 돌면 멤브레인도 깨질 수 있다(특허). 링 쪽에도 원인이 있다. EBARA의 특허는 링의 진동이 링을 패드에서 들어 올려 이탈을 부르는 문제를 다루고(특허), Intel의 특허는 링이 실패 문턱까지 닳으면 기판 손실 위험이 있다고 적는다(특허).

연마 앞뒤의 주고받기에서도 깨진다. 대부분의 CMP 장비는 로봇과 헤드 사이에서 웨이퍼를 주고받는 받침인 로드컵(Load cup)을 위아래로 움직여 쓴다. 헤드는 진공으로 웨이퍼를 붙들고, 연마 뒤에는 웨이퍼를 떼어(De-chucking) 로드컵에 내려놓는다. Applied Materials의 특허는 이 탈착이 매우 중요하다고 적는다. 정렬이 어긋나면 웨이퍼가 손상될 수 있고, 헤드에 붙어 떨어지지 않은 웨이퍼는 다음 웨이퍼 전에 다시 처리해야 한다(특허). 그래서 파손이 났을 때 첫 질문은 어느 단계인가다.

파손 자리와 처음 원인이 다를 때

그럴듯한 가설이 하나 있다. 앞 공정에서 비정상적으로 얇아졌거나, 크게 휘었거나, 가장자리에 미세한 균열이나 잔류 응력을 안고 들어온 웨이퍼가 다른 단계에서는 버티다가 수직 하중과 마찰을 함께 받는 CMP에서 깨질 수 있다는 것이다(해석). 이렇게 앞 공정에서 생겼지만 바로 드러나지 않다가 뒤의 하중·열·이송에서 불량으로 나타나는 결함을 잠재 결함(Latent defect)이라 한다. 다만 이 책이 확인한 공개 자료에서 "앞 공정의 균열이 CMP에서 파손으로 드러났다"를 직접 보인 사례는 찾지 못했다. 그러니 이것은 가설로 세우고 데이터로 가를 대상이다. 근거가 있는 연결 고리는 있다. 웨이퍼의 휨은 웨이퍼 밑의 유동을 바꿔, 볼록한 웨이퍼는 누르는 힘을 올리면 슬러리 막이 얇아지고 마찰 계수가 올랐다. 막의 응력이 웨이퍼를 휘게 하는 원리는 CVD 책의 현업 이상 분석에서 다뤘다.

가설을 가르는 데이터는 이렇다. 파손 웨이퍼들이 CMP의 특정 헤드·Platen에 몰리는지, 아니면 앞 공정의 특정 장비·Lot에 몰리는지를 비교한다. 앞의 경우라면 그 헤드의 링 압력과 진공 기록이, 뒤의 경우라면 그 Lot의 두께·휨·가장자리 검사가 다음 확인 대상이다. 조각을 모을 수 있다면 균열이 시작된 자리를 본다. 가장자리에서 시작했는지, 뒷면에 긁힌 자국이 있는지가 단서가 된다(해석). 정리하면 발생 위치와 단계, 파단 시작점, 뒷면 자국, Slot·헤드·스테이션 공통성, 로봇 알람, 웨이퍼 가장자리 상태, 직전 PM과 부품 교체 기록이 이 두 갈래를 가르는 확인 목록이다.

제거 속도 드리프트와 소모품, 그리고 Endpoint

"레시피는 그대로인데 제거 속도(RR)가 내려간다." CMP는 소모품 때문에 저절로 움직이는 공정이다. Texas Instruments의 공개 사례가 이를 숫자로 보여 준다. IC1000/Suba IV 적층 패드와 퓸드 실리카 슬러리로 연마할 때 패드 수명 초기의 RR은 2124 Å/min이었고, 표준 컨디셔닝을 하며 160장을 연마한 뒤의 평균은 1826 Å/min(불균일 5%)이었다. 컨디셔닝 없이 50장을 더 연마하자 평균 RR이 750 Å/min으로 떨어지고 불균일이 15%로 커졌다. 저자들은 패드 표면이 매끈해져(4장의 Glazing) 슬러리를 붙들고 웨이퍼로 실어 나르는 능력이 준 것을 원인으로 보았고, RR 저하가 패드와 슬러리의 화학 반응이 아닌 표면 현상이라고 적었다. 계산하면 컨디셔닝을 할 때는 160장 동안 14%가, 하지 않을 때는 50장 동안 59%가 줄었다.

Glazing된 패드는 RR이 낮을 뿐 아니라 불안정하고 예측하기 어려워진다. Intel의 특허는 이런 패드에서 레이저로 새긴 Scribe line처럼 거친 형상이 있는 웨이퍼가 스스로 패드를 거칠게 해 더 빨리 깎인다는 관찰도 적었다(특허). 같은 패드인데 제품마다 RR이 다르다면 이 가능성을 떠올리자. 컨디셔너 제조사의 발표 자료는 컨디셔닝을 멈추면 RR이 전형적인 '로그' 꼴로 줄고, 콜로이달 실리카 슬러리는 퓸드 실리카보다 돌기를 덜 닳게 해 감소가 적다고 보고했다.

디스크는 조용히 무뎌진다

컨디셔너 디스크도 소모품이다. 디스크 제조사가 인용한 상용 공정에서는 디스크를 50시간 썼고, 패드 절삭 속도(PCR, Pad Cut Rate)나 WIWNU가 받아들일 수 없게 되면 바꿨다. 그동안 평균 PCR은 처음의 16%까지 지수적으로 떨어졌다(소모품 제조사 자료). 다이아몬드의 돌출 높이와 모양이 고르지 않은 디스크에서는 PCR과 RR이 함께 크게 떨어졌다는 보고도 있다. 그렇다면 PCR이 줄면 RR도 같이 줄까? 먼저 예측해 보자.

모델이 따른 근거: 50시간 동안 16%까지의 PCR 지수 감소와 PCR·WIWNU 기준의 교체(소모품 제조사 자료), PCR이 절반이 되어도 RR이 크게 변하지 않은 32시간 시험, 컨디셔닝을 멈췄을 때의 RR과 불균일, 콜로이달 슬러리의 작은 감소.

애리조나 대학의 학위 논문은 실제로 이 일을 보았다. 32시간의 디스크 마모 시험에서 다이아몬드 끝의 미세한 마모와 디스크에 마른 슬러리 때문에 PCR이 절반으로 줄었지만, 패드의 미세 조직과 산화막·W의 RR은 크게 변하지 않았다. 같은 논문은 패드 수명 50시간 가까이를 받아들일 만하다고 보고, 컨디셔너의 수명을 50~100시간으로 적는다. 그러니 RR이 멀쩡하다고 디스크가 멀쩡한 것은 아니다. PCR과 RR, WIWNU를 함께 기록해야 디스크가 버티는 구간과 무너지는 구간을 가를 수 있다(해석). 같은 디스크라도 패드 Lot 안의 비중과 홈 모양 차이로 PCR이 최대 약 30% 달라질 수 있다는 자료도 있다(소모품 제조사 자료). 패드 Lot이 바뀐 날도 변경 시점이다.

드리프트는 고칠 수 있다. MIT와 협력사의 연구는 웨이퍼 사이 편차를 좁게 지키는 기준 패드 수명이 보통 100~200장 정도라고 적고, 앞 웨이퍼들의 측정으로 다음 연마 시간을 고치는 EWMA Run-by-run 제어로 한 패드에서 500장을 목표 1600 Å/min에 대해 평균 1597 Å/min, 웨이퍼 사이 2.0%로 연마했다. Lam Research의 특허 예에서는 드리프트가 있을 때 제어하지 않으면 WIWNU가 2~3%에서 6~7%로 커졌고, 제어로 1~2%를 지켰다(특허). Run-by-run 제어는 8장에서 다뤘다.

온도와 슬러리

드리프트의 다른 축은 온도다. Applied Materials의 특허 예에서는 2 psi, 8000 Å/min의 1분짜리 Cu CMP에서 폴리우레탄 패드 표면이 약 30 °C 오를 수 있고, 화학 반응 속도와 패드의 기계적 성질이 온도에 민감해 RR·균일도·Erosion·Dishing·잔류물이 바뀐다(특허). 새 패드를 길들이는 동안 RR이 지수적으로 떨어진 뒤 안정된다는 관찰도 있다. 그래서 RR 이상은 "서서히 내려가는가(소모품), 로트의 첫 몇 장에만 있는가(온도·쉰 시간), 패드를 바꾼 직후인가(Break-in)"로 먼저 나눈다(해석). 슬러리 쪽에서는 H₂O₂ 같은 산화제의 농도가 시간에 따라 떨어지므로 보관과 사용 시점이 중요하다는 소재사 자료가 있다(소재사 자료). 반면 슬러리 유량이나 온도가 잠깐 벗어났을 때 RR과 결함이 얼마나 바뀌는지에 대한 공개된 정량 자료는 이 책이 확인하지 못했다. 이 경우는 장비 기록(유량·온도 Trace)과 RR을 시간축에서 맞춰 보는 것부터 시작한다(해석).

Endpoint가 틀릴 때

RR이 바뀌어도 종말점 감지(Endpoint)가 제대로 일하면 남는 두께는 지켜진다. 그래서 Endpoint 자체의 실패는 따로 봐야 한다. 광학 Endpoint는 Platen에 넣은 레이저가 폭 약 10 mm의 패드 창으로 웨이퍼의 반사광을 받아, 금속이 다 지워지고 Barrier가 드러나는 순간을 신호의 꺾인 점으로 안다. 한 연구에 따르면 Cu를 낮은 압력으로 마무리하는 단계에 남기는 Cu는 보통 1000~2000 Å이고, 처음에는 표면 산화물 때문에 신호를 쓰지 못하며, 마지막 신호가 흔들리면 Cu가 남아 있다는 뜻이다. 재료가 바뀌었는지는 신호의 오차가 계속 3σ를 넘는지로 판정했다. 공정 중 센서는 두께를 직접 재지 않는 간접 신호다. Texas Instruments와 MIT의 연구에서는 STI의 광학 신호가 앞 공정의 식각과 트렌치 깊이에 따라 바뀌었고, 한 소자에서는 종말점으로 쓸 봉우리나 골이 아예 없어 설계 규칙을 바꿔야 했다. 새 제품에서만 Endpoint가 이상하다면 이 가능성이 첫 후보다.

Endpoint가 늦거나 이르면 결과는 정반대로 나타난다. 덜 깎인 곳이 남으면 금속선이 단락되고, 이를 피하려고 더 연마하면 빨리 깎이는 곳이 과연마된다. 과연마가 Dishing과 Erosion을 키우는 이유는 5장에서 보았다. 확인 데이터는 원시 신호 기록(Trace)과 연마 뒤의 두께·면저항·프로파일 측정을 같은 웨이퍼로 맞춰 보는 것이다(해석).

세정 뒤 잔사와 부식

CMP는 세정과 건조까지 마쳐야 끝난다(9장). 세정 뒤에 남는 결함은 연마부가 남긴 것을 세정이 떼지 못했거나, 세정이 새로 붙였거나, 세정 뒤 기다리는 동안 생긴 것이다. 셋을 가르는 출발점은 이번에도 단계별 결함 맵이다.

Brush가 오히려 오염원일 때

PVA Brush는 입자를 직접 문질러 떼지만, 떼어 낸 결함이 Brush에 쌓였다가 웨이퍼로 다시 옮겨 붙는다. GLOBALFOUNDRIES의 엔지니어는 Brush에서 온 결함이 주로 유기 잔사와 연마 입자였고, Brush 수명 초기에 결함이 가장 많고 수명이 늘수록 줄었다고 보고했다. 긴 세정 동안 연마 입자와 닿은 Brush는 심하게 오염되고 그 입자가 다음 웨이퍼로 쉽게 옮겨진다는 연구도 있다. 대량 생산 Fab의 장기 운전을 실험실에서 재현한 연구는 웨이퍼 결함 수와 Brush가 거는 전단력 사이에 강한 역상관을 보였고, 전단력은 Brush와 웨이퍼 사이에 세정액이 얼마나 잘 공급되는지에 따라 바뀌었다. 장비 내장 세정의 최적화에서는 약액 Spray bar의 위치가 핵심 변수였고 Brush 모터 토크가 운전 상태를 보는 창이 되었다. W 플러그 CMP에서는 W 보이드의 빈도가 세정기 Brush의 수명과 강하게 상관해, Brush 수명 초기에 보이드가 더 많았다. 부식이나 슬러리 화학만 의심하던 결함이 Brush 이력을 따라간 사례다.

세리아가 떨어지지 않을 때

STI CMP 뒤 산화막 위의 입자가 늘고, Brush를 세게 해도 줄지 않는다면 세리아를 의심한다. 세리아 연마 입자는 산화막 표면과 Ce–O–Si 결합을 만든다. pH 4에서 연마한 시료에서는 입자가 쉽게 떨어졌지만, 상용 슬러리의 pH인 8에서는 강한 결합 때문에 떨어지지 않았다. Megasonic, Brush, SC1, SPM, DHF를 비교했을 때 세리아를 지운 것은 산화막 밑을 깎아 내는 DHF와 세리아를 녹이는 SPM뿐이었다. 확인은 화학 분석으로 한다. 소재사의 평가에서는 잔류 Ce를 TXRF와 VPD-ICP-MS로 재고, ToF-SIMS의 HSi₂O₇Ce⁻ 신호를 Ce–O–Si 잔류의 지표로 썼으며, 검사와 리뷰 장비로 입자를 분류했다. 세리아 슬러리의 화학은 3장, STI 공정은 6장에서 다뤘다.

Cu가 녹을 때

Cu CMP 뒤의 부식은 대개 기다리는 시간과 빛과 이종 금속의 조합에서 온다. IBM의 특허는 금속 배선만 있는 시험 웨이퍼는 멀쩡했지만 회로가 있는 웨이퍼에서는 국부 부식이 생긴 사례를 적었다. 빛을 받은 PN 접합이 광기전력으로 전지가 되어, 전해질 막 아래에서 접합 한쪽의 금속을 녹인 것이다. 이전에 충분했던 BTA로도 막지 못했다(특허). Renesas의 특허는 이 현상이 CMP 장비에서 꺼낸 뒤 세정 전까지 특히 잘 일어난다며, 연마부·반송실·보관조·세정실을 가려 조도를 500 lx 이하, 바람직하게 100 lx 이하로 낮추는 예를 든다(특허). 시간도 변수다. Panasonic의 특허에 따르면 완전히 가리고 연마 직후 초순수를 공급해도, 최종 연마가 끝난 뒤 5분 이상 지나면 수율이 크게 떨어졌다(특허). TSMC의 특허는 Cu·Barrier CMP 뒤 대기 시간(Q-time)이 약 12시간을 넘으면 Cu 박편이 생겨 금속 다리로 회로를 잇는다고 적는다(특허). IBM의 22 nm 배선 연구는 CMP 뒤 시간에 따른 선간 누설 전류로 부식의 정도와 시간 의존성을 쟀다. 마지막 연마 단계에서는 Cu와 Barrier 금속이 슬러리 속에서 함께 드러나 갈바닉 부식도 생길 수 있다. 광부식을 PREDICT로 따라가 보려면 METAL 책의 현업 이상 분석을 보자.

PM 뒤 검증: "그건 3일 전에 진행한 거라 이미 PM했어요"

계측 데이터에서 이상한 추세를 찾아 장비 담당자에게 물었더니 이런 답이 돌아온다. "아, 그건 3일 전에 진행한 거라 이미 PM했어요." PM(예방 정비, 1장)은 공정을 지키려고 하는 일이지만, 원인을 찾는 사람에게는 증거가 사라지는 순간이기도 하다. CMP에서는 패드, 컨디셔너 디스크, Retaining ring, 세정 Brush, 필터가 쓰는 동안 계속 변하고 컨디셔닝·세정·교체가 되풀이된다. 결함 검사와 리뷰, 분류를 거쳐 결과가 나오는 동안 장비는 계속 웨이퍼를 받는다. 그래서 이상 추세를 볼 때쯤이면 장비의 지금 상태가 문제의 웨이퍼를 연마하던 때와 달라져 있는 경우가 많다(해석). 그림 5는 이 장면을 시간축에 놓은 것이다.

새 부품도 결함원이다

PM은 증거를 지울 뿐 아니라 새 변수를 들인다. 새 PVA Brush는 수명 초기에 결함이 가장 많고 쓸수록 줄었다. 새 PVAc Brush의 방출 오염을 분석한 연구는 처음에는 기공 형성제가, 그 뒤에는 떨어져 나오는 PVAc 입자가 주된 입자원이었고, 길들이는 시간(Break-in)이 길어져 장비 가동률이 떨어지므로 장비 밖에서 미리 길들이는 방법을 제안했다. W 보이드도 Brush 수명 초기에 더 많았다. 편심 Brush는 방향에 따라 접촉 압력과 면적이 크게 달라 사용 전에 걸러 내는 검사법이 제안되었다. 새 패드도 Cu 웨이퍼 56장으로 길들이자 돌기의 평균 곡률 반경이 16 µm에서 93 µm로 커지고 긁힘의 심각도가 줄었으며, 길들이는 동안 RR이 지수적으로 떨어진 뒤 안정되었다.

그래서 PM 뒤에는 장비가 다시 제품을 받아도 되는지 확인하는 Qualification(8장)을 한다. 평균 RR만 보면 놓치는 것이 많다. 분산, 결함의 종류, 헤드 사이 차이, 그리고 다음 며칠의 추세까지 봐야 새 부품의 초기 거동과 PM이 놓친 문제를 가를 수 있다(해석). 공정 제어 쪽에서도 정비 뒤의 갑작스러운 이동과 소모품의 느린 드리프트는 다르게 다룬다. Run-by-run 제어기를 정비 같은 사건 뒤의 급변을 따라가는 빠른 모드와 느린 드리프트를 따라가는 점진 모드로 나누고, 통계적 공정 관리(SPC)가 어느 모드를 쓸지 정하는 구성이 제안되었다. 여러 장비가 같은 제품을 같은 결과로 만들게 맞추는 일을 Tool-to-tool matching(장비 간 매칭)이라 하며, PM 뒤에는 이 매칭도 다시 확인한다.

아래 SIMULATOR는 소모품 다섯 가지의 수명을 한 시간축에 겹쳐 본다. 소모품마다 교체 주기가 다르면 결과 차트는 여러 톱니의 합이 된다. 「결과를 본 시각」을 움직이면 그보다 3일 전 웨이퍼의 결과를 지금 보고 있다고 보고, 그 사이 바뀐 소모품을 알려 준다.

모델이 따른 근거: 디스크 50시간과 PCR의 지수 감소(소모품 제조사 자료), 패드 수명 약 50시간과 컨디셔너 50~100시간, 링 마모와 가장자리 RR(특허), 새 Brush의 초기 결함과 쌓인 오염의 재부착, 새 패드의 긁힘과 RR, 필터와 큰 입자(장비사 자료).

이 장면에서 엔지니어가 할 수 있는 일은 기록을 남기는 것이다. 웨이퍼마다 그때의 패드·디스크·링·Brush·필터의 사용 시간과 PM 내용, 장비 신호를 붙여 두면, 결과가 사흘 뒤에 나와도 "그 웨이퍼를 연마할 때의 장비"를 다시 불러낼 수 있다. 연마 전에 링 홈 깊이를 재는 특허나 연마 중에 패드 두께를 재는 특허는 소모품의 상태 자체를 웨이퍼마다 잴 수 있음을 보여 준다(모두 특허). 기록이 있으면 변경 시점 분석이 가능해지고, 없으면 추측만 남는다(해석).

엔지니어의 일: 사건 파일로 연습하기

이제 앞의 절들을 사건으로 풀어 보자. 여덟 사건은 공개된 논문, 학회 자료, 특허가 보고한 사례와 메커니즘을 바탕으로 만들었다. 각 사건의 그래프는 사건 4를 빼고 학습용으로 재구성한 데이터다. 문헌의 그림을 옮긴 것이 아니라 문헌이 보고한 현상의 경향을 그렸고, 설명에 나오는 숫자만 문헌 값이다. 사건 4의 그래프는 문헌 값이다. 특허에 바탕을 둔 사건(3, 5, 6)의 해당 부분은 특허에 기술된 메커니즘이지 측정된 Fab 데이터가 아니다. 먼저 가장 그럴듯한 원인을 고르고, 맞히면 원인을 확정할 다음 데이터를 고른다. 틀리면 왜 아닌지 힌트가 나온다.

CMP 엔지니어의 여섯 가지 일

사건을 푸는 일은 CMP 엔지니어의 일 가운데 하나다. 회사마다 범위는 다르지만, 이 책이 다룬 내용을 일의 단위로 묶으면 여섯 가지가 된다(이 책의 정리). 엔지니어는 장비를 돌리는 사람이라기보다 재료·장비·계측 데이터를 이어 공정을 안정된 상태로 지키고, 이상이 나면 빨리 되돌리는 사람이다.

1. 공정 상태 모니터링. RR, WIWNU, 두께, Endpoint 신호, 결함 추세와 장비 사이 차이를 관리도로 본다(8장). 평균이 규격 안이어도 헤드 사이 편차가 커지고 있다면 이상의 시작일 수 있다(해석).
2. 레시피와 프로파일 관리. 제품과 층마다 시간, 영역 압력, 회전 속도, 슬러리와 단계를 맞춘다. 영역 압력만으로 불균일을 16.8%에서 1.7%로 줄인 예처럼 손잡이의 힘은 크다. 고치기 전에 들어온 막, 계측 방법, 소모품 수명의 영향부터 가른다.
3. 소모품 수명 관리. 한 메모리 회사는 한 달에 1만 개 넘는 패드를 쓴다고 밝혔다. 사용 시간만이 아니라 PCR·RR·WIWNU·결함 추세와 교체 이력을 이어 교체 기준을 정한다.
4. 이상 대응. 이상 로트와 영향 범위를 정하고 웨이퍼 맵·장비 신호·공통성·변경 시점으로 후보를 줄인다. 장비 엔지니어, 소재사, 계측·수율·통합 엔지니어와 함께 확인하는 일이 많다.
5. PM과 변경점 검증. PM 뒤 Qualification, 새 슬러리 Lot·부품·레시피의 도입, Tool-to-tool matching을 한다. 정비 뒤의 급변과 소모품의 드리프트는 성격이 다르다.
6. 수율과 전기 특성 연결. 덜 깎인 금속은 단락을, 과연마는 배선 저항 변화를 부르고, CMP 뒤 기다린 시간은 선간 누설로 돌아온다. 제품 영향을 알아야 우선순위를 정한다.

이 장의 연습이 기르는 힘도 여기서 보인다. 재료와 슬러리의 반응을 이해하고, 헤드–패드–컨디셔너–슬러리–세정기의 흐름을 알고, 맵·프로파일·시간 추세·공통성을 읽고, 한 번에 가설 하나를 확인하는 실험을 설계하고, 현상·영향 범위·근거·다음 계획을 짧게 전하는 것이다. 자기소개서에서도 "개선하겠다"는 다짐보다 변수를 어떻게 정의하고 데이터를 어떻게 나누고 가설을 어떻게 확인했는지를 보여 주는 편이 이 힘을 드러낸다(해석).