[반도체 공정 및 장비] CMP (Chemical Mechanical Polishing)
마지막으로 알아볼 공정은 CMP(Chemical Mechanical Polishing)라는 공정입니다.
CMP는 간단히 말해 화학적 및 기계적인 방식으로 표면을 평평하게 갈아주는 공정을 뜻합니다.
CMP (Chemical Mechanical Polishing) 이란 ?
처음에는 마지막 공정에서 패키징을 위해 웨이퍼 표면을 평탄화하는 기술로만 사용되었는데
점점 배선층이 높아짐에 따라 적층 시 굴곡이 심해져 매 층마다 사용되기 시작했습니다.
또한, Metal로 Dry Etch가 불가능한 Cu를 사용하면서 CMP 사용이 증가되었습니다.
CMP는 Etch 공정과는 달리 표면의 돌출부를 갈아주는 것으로 웨이퍼 표면을 평평하게 갈아주는 공정을 뜻합니다.
특히 용액에 단단한 입자를 섞어 적당한 압력을 가하며 회전시킴으로써
평탄화와 상감(내부의 패턴이 외부로 노출되게 하는 것) 공정이 가능해집니다.
CMP 장비 및 공정
지금부터 CMP 장비에 대해 알아보겠습니다.
1. Polishing Pad
첫번째는 Polishing Pad(연마패드) 인데요,
웨이퍼 표면에 돌출된 부분을 갈아주고자 폴레우레탄을 사용합니다.
이러한 Polishing Pad는 소모품이기 때문에 정기적인 교체가 필요하다는 특징이 존재합니다.
이때, 표면은 기계적 압력을 통해 갈려나가기 때문에 압력이 높을수록 CMP를 통해 갈리는 속도가 빠릅니다.
따라서 Chip 전체에서 균일하게 갈려나가려면
밀도가 적은 쪽에는 일부러 더미 패턴을 형성함으로써 밀도를 조절해주어야합니다.
2. Slurry
Slurry란 연마입자와 용액을 섞은 것인데요
연마입자의 크기와 강도는 기계적 특성 중 속도와 정교함을 결정하고
용액의 반응성과 pH(산성 및 염기성)는 화학적 특성을 결정합니다.
이때, 남아있는 슬러리에 의해 원치 않는 Etch가 진행될 수 있으므로
CMP 공정 종료 후에는 DI Water를 통해 Slurry를 제거해주는 과정이 필수적입니다.
+ CMP 공정 요소
위 장비를 알아보면서 CMP 공정에서는
연마속도, Selectivity, 패턴 밀도 효과, 균일성이 중요하다는 것을 알 수 있습니다.
CMP 활용
그럼 지금부터는 이러한 CMP 공정이 어떻게 활용이 되는지 알아보도록 하겠습니다.
1. 산화막 연마
보통 우리는 소자끼리 STI를 통해 격리를 시키는데요,
이때 SiN은 CMP 공정에서 상대적으로 잘 버텨주기 때문에 정지층으로서 활용됩니다.
무슨 의미인지 아래 STI 공정 예시를 통해 알아보도록 하겠습니다.
먼저, Trench 구조를 통해 격리시켜줄 부분을 만들어줍니다.
N은 Si에 바로 맞닿는 경우 Stress가 전가되는 특징이 있기 때문에
SiN을 덮기 전 Buffer Oxide를 먼저 덮어주는 과정을 거칩니다.
수직에 가까운 Trench 구조를 형성하고자 Dry Etch 공정을 거친 후 PR을 제거해준 다음,
CVD를 통해 Oxide를 증착하고 CMP를 통해 갈아주다보면 앞서 쌓아둔 SiN에 의해 공정이 멈추게 됩니다.
2. 금속 연마
CMP는 Metalization 과정에서 금속을 갈아내는 방식으로 활용됩니다.
예를 들어 텅스텐(W)의 경우, 좁은 Contact나 Via에 활용되는데
이때 Dry Etch보다 CMP를 사용하는 것이 더 수월하기 때문입니다.
또한, 앞선 글에서 알아봤다시피 구리(Cu)는 Dry Etch가 불가능하므로 상감기법이 가능한 CMP를 활용해야 합니다.
최근 고속 동작을 하기 위해 한 층에서 모든 동작을 하는 것보단
저항을 줄이고자 위 그림처럼 Metal line의 층수를 늘리는 작업이 필요해지고 있습니다.
이때, Cu는 낮은 비저항과 Electro-Migration을 가지며
열에 대해서도 잘 버티고 Stress에 강하다는 장점이 존재해
이런 다층 금속 배선에 주로 사용되는 Metal 물질인데요
이때 이중상감공정을 활용합니다.
이중 상감 공정이란 위 그림처럼
Via 부분과 배선을 모두 형성을 한 다음, 한 번에 금속을 채우는 공정을 뜻합니다.
앞으로 Metal 배선 층이 계속 증가함에 따라 CMP의 시장 규모는 지속적으로 증가할 추세로 보여집니다.