CMP 공정
CMP 공정은 화학적 기계적 반응을 이용하여 반도체를 연마하는 공정으로,
wafer의 한쪽 면을 연마하여 평탄하게 만드는 공정입니다.
CMP 공정에서 기계적 작용 화학적 작용 둘 다 이용하는 이유는 다음과 같습니다.
기계적 작용 : 잘 갈리지만, 표면 손상 유발이 일어납니다.
화학적 작용 : 등방성(한쪽 방향이 아닌 모든 방향) 특성을 가져 일정 부분만 평탄화하기 어렵습니다.
CMP 공정의 필요성
1. 반도체의 집적도가 높아지고 표면에 존재하는 crack, defect를 줄여줍니다.
2. 증착 공정에서 uniformity가 나쁜 박막을 좋게 만들어줘 개별 칩 간 차이가 발생하지 않게 만들어 줍니다.
(Gate Oxide의 두께가 다 다르면 칩 간 특성이 다 다르겠죠.)
3. 식각 공정에서 uniformity 차이로 인해 생기는 overetch 등의 문제를 발생하지 않게 해 줍니다.
4. 다마신 공정과 같은 다양한 응용 분야에 쓰이며, 불필요한 박막을 제거할 때 사용합니다.
5. 노광 공정에서 웨이퍼의 단차에 의해 발생할 수 있는 불량 문제를 발생하지 않게 해 줍니다.
이처럼, CMP 공정은 반도체 공정에 있어 매우 중요한 공정입니다.
CMP 공정 방법
CMP 공정은 carrier(무게추)로 반도체를 누르면서 돌아가는 polishing pad와 마찰시켜 갈아내는 공정입니다.
이 과정에서 polishing slurry를 넣어 연마가 잘되게 해 주지요.
CMP의 공정은 크게 Lapping과 Polishing, 두 분류로 나뉩니다.
Lapping 공정
가공물을 빠르게 갈아내는 공정입니다. 이 공정은 sample의 두께를 줄이는 것에 focus 되어 있어요.
금속 재질의 패드 위에 sample을 뒤집어 넣고, 다이아몬드와 oil이 포함된 다이아몬드 slurry를 넣어주며 무게추로 압력을 가하여 회전시켜 갈아내는 공정입니다.
Lapping 공정 방법
1. 연마되지 않은 wafer을 접착 왁스를 이용하여 세라믹 홀더에 접착시킵니다. 이때, hot plate 위에 세라믹 홀더를 올려줘 가열시킵니다.
2. Holder와 wafer 사이 잔여 기포를 빼고, 더 단단하게 고정을 하기 위해 wafer bonder 장치를 사용합니다.
주의해야 할 점 : 왁스가 새어 나와 압축장비에 묻거나, wafer가 장비에 달라붙는 것을 방지하기 위해 whiter라는 재질의 천을 올려 접착을 시켜 방지시킨다.
3. 두께 측정기로 중앙으로부터 12시, 3시, 6시, 9시 방향으로 단차를 측정합니다.
4. Lapping 장비
장비가 돌아감과 동시에, 세라믹 홀더도 좌전을 합니다. 즉, 반대방향으로 회전하면서 골고루 연마되게 해 줍니다
5. 웨이퍼 표면에 묻어 있는 slurry를 닦아줍니다.
Polishing 공정
보통 Lapping 공정으로 원하는 두께를 맞춰준 후 진행합니다.
Sample 표면에 남아있는 스크래치를 평탄화시켜 반도체 소자를 적층 하거나, 노광 시킬 때 웨이퍼의 단차에 의해 발생할 수 있는 불량을 사전에 제거시키는 공정입니다.
방법은 lapping 공정과 비슷하지만, 패드의 재질이 금속이 아닌 폴리우레탄이라는 점, slurry 성분이 diamond가 아닌 alumina인 점이 다르지요.
CMP 공정의 원리
1) 산화막 CMP의 원리
1. 슬러리 내 염기성 수용액의 작용으로 물 분자가 산화막 표면에 침투하는 것이 용이해집니다.
2. 침투한 물 분자의 수화 작용으로 실리카 연마 입자(SiO2)의 OH와 웨이퍼 산화막 표면(SiO2)의 OH가 수소 결합을 이룹니다.
3. 반응물로 H2O가 분리되면서 연마 입자와 웨이퍼 표면 분자가 결합한 Si-O-Si 형태가 됩니다.
4. 실리카 입자의 물리적 마찰에 의해 원자 또는 분자 수준으로 산화막 표면이 제거됩니다.
2) 금속 CMP 원리
1. 텅스텐 금속을 단차가 있는 하부 구조에 증착합니다.
2. 산화제를 이용해 텅스텐 표면을 WO3로 산화시킵니다.
3. 연마제를 이용해 벌크 텅스텐 대비 기계적 강도가 낮은 텅스텐 산화막을 상대적으로 쉽게 연마시킵니다.
4. 드러난 텅스텐 금속 표면을 화학약품으로 식각 합니다. 이때 낮은 높이의 드러나지 않은 텅스텐은 Wo3로 되어 있어 식각 시 보호됩니다.
5. 다시 텅스텐 금속이 드러난 표면을 산화시키고 3-4 반복한다
CMP 공정의 문제점
CMP는 이물질 등의 결함을 제거하여 수율을 개선하기도 하지만, 공정 과정에서 새로운 이물질과 결함을 유발하기도 합니다.
ex) 긁힘 성 불량, 슬러리 잔유물, 이물질.. 금속에서는 금속 부식, 박막 박리, 침식, 디싱.
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