CMP (Chemical Mechanical Planarization)

CMP의 등장과 필요성

CMP는 1990년대 중반 IBM이 다층 배선 양산에 도입하면서 표준 공정이 됐다.

이전까지는 박막을 쌓고 식각만 반복했기 때문에, 층이 올라갈수록 표면이 울퉁불퉁해져 포토 공정의 초점 심도(DOF)에 한계가 왔다.

CMP가 들어오면서 ‘한 층을 만든 뒤 표면을 거의 평평하게 다듬는 것’이 가능해졌고, 첨단 노드의 다층 배선과 다마신 공정이 가능해졌다.

CMP 전후 표면 단차가 평탄화되는 개념도 · 이미지 출처: MKS

CMP의 메커니즘

원리는 ‘기계적 연마와 화학적 식각의 결합’이다.

회전하는 연마 패드 위에 슬러리를 흘리고, 웨이퍼를 거꾸로 매달아 패드 위에 일정 압력으로 누른 채 회전시킨다.

슬러리 안의 미세 입자(수십 nm급)가 표면 돌기를 기계적으로 깎고, 동시에 슬러리의 화학 성분이 표면을 약간 산화·연화시켜 깎이기 쉽게 만든다.

그 결과 돌출 부위는 빠르게, 오목한 부위는 거의 깎이지 않아 표면이 평평해진다.

슬러리와 패드

슬러리와 패드의 조합이 결과를 좌우한다.

슬러리는 입자 종류(실리카·알루미나·세리아), pH, 산화제(H₂O₂, KIO₃ 등), 첨가제로 구성된다.

SiO₂ CMP는 세리아·실리카 기반, 텅스텐 CMP는 산화제 기반(텅스텐을 산화시킨 뒤 깎음), 구리 CMP는 BTA 같은 inhibitor를 함께 써 디싱을 줄인다.

패드는 폴리우레탄 기반이 표준이고, 표면 거칠기·다공성·강성에 따라 평탄화 효율이 달라진다.

슬러리 공급사는 캐봇(미국)·후지미(일본)·솔브레인·KCTECH 등, 패드는 다우(현 듀폰)·후지보·KPX케미칼 등이 있다.

응용별 CMP: STI, W, Cu, BEOL, TSV

응용별 CMP는 매우 다양하다.

STI CMP는 트렌치 채움 후 산화막 표면을 평탄화한다.

폴리실리콘 CMP는 폴리실리콘 게이트·캐패시터 전극을 평탄화한다.

텅스텐 CMP는 컨택 플러그 형성 후 위로 솟은 W를 평탄화해 인접 컨택과 절연한다.

구리 CMP는 다마신 흐름의 핵심으로, 트렌치를 채운 Cu의 윗면을 깎아 평탄화한다.

ILD/IMD CMP는 절연막 평탄화로, 다층 배선 사이의 표면을 정리한다.

후공정에서는 TSV CMP, 하이브리드 본딩용 SiO₂ CMP, 본딩 직전의 nm급 평탄화가 매우 중요하다.

결함과 디싱·에로전

결함은 디싱(dishing)·에로전(erosion)·스크래치·잔류 슬러리·미세 입자 등이 있다.

디싱은 넓은 메탈 영역의 가운데가 더 많이 깎여 오목해지는 현상이다.

에로전은 dense한 패턴 영역의 절연막이 인접 영역보다 더 빨리 깎이는 현상이다.

둘 다 회로 신뢰성과 성능에 직접 영향을 주므로, 슬러리 화학과 패드 압력 분포를 정교하게 잡아 줄여야 한다.

스크래치는 슬러리 입자가 뭉치거나 패드 표면이 거칠어졌을 때 발생하는 결함이다.

잔류 슬러리는 후속 세정으로 제거하지 않으면 후공정의 결함이 된다.

CMP 후 세정과 컨디셔닝

CMP 후 세정과 컨디셔닝은 결과의 또 한 축이다.

CMP 직후 웨이퍼는 표면에 슬러리·금속 이온·연마 입자가 묻어 있어, 매엽식 세정으로 깨끗이 씻어 내야 한다.

패드는 연마하면서 표면이 매끄러워져 효율이 떨어지므로, 다이아몬드 디스크로 패드 표면을 거칠게 만드는 ‘컨디셔닝’을 정기적으로 한다.

패드 수명, 슬러리 사용량, 컨디셔닝 주기가 CMP 공정의 비용·결함을 결정한다.

장비는 AMAT의 Reflexion 라인이 글로벌 1위로 매우 강하고, EBARA가 그 뒤를 잇는다.

한국에서는 케이씨텍이 일부 응용(예: 텅스텐·구리 CMP)에서 양산 진입을 시도해 왔고, 세메스 등도 일부 라인을 가지고 있다.

CMP 슬러리는 글로벌 시장에서 캐봇이 1위, 후지미·솔브레인·KCTECH 등이 경쟁한다.