[반도체 공정 기초] CMP(화학기계적 평탕화) 공정 완전 정리 (1) - CMP가 무엇이고, 왜 필수 공정이 되었을까?

1. CMP 공정이란 무엇인가?

 CMP(Chemical mechanical planarization, 화학기계적 평탄화)는 화학반응 + 기계적 연마를 동시에 이용해 웨이퍼 표면을 평탄하게 만드는 공정이다. 말 그래도 '화학적으로 약하게 녹이고, 기계적으로 깎아서' 미세한 요철까지 없애는 과정이다.

 

 반도체 공정에서는 박막 증착(CVD, PVD), 식각, 도핑 등을 여러 번 반복하다 보면, 표면이 점점 '산'과 '계곡'처럼 울퉁불퉁한 형상으로 변한다. 이 상태로는 다음 포토 공정에서 초미세 패턴의 초점(Depth of focus, DOF)을 맞추기 어렵고, 다층 배선도 깨끗하게 쌓기 힘들다. 그래서 각 레벨마다 한 번씩 '밀어주는' 핵심 평탄화 공정이 CMP이다.

 

2. 왜 CMP가 필수 공정이 되었을까?

2-1. 다층 배선과 평탄도(Planarity) 문제

 선폭이 수십 nm 수준으로 줄어든 현대 공정에서는, 층이 몇 층 쌓였느냐 보다 '얼마나 평탄하냐'가 더 치명적인 이슈가 된다.

•  포토 공정의 초점 여유(DOF)가 줄어듦
• 배선 높이 차이로 인해 저항/커패시턴스 편차 발생
• 층간 단차 때문에 상위 금속이 단선되거나, 공극(void)이 생길 가능성 증가

이 문제를 해결하기 위해 현재는 STI(Shallow trench isolation) CMP, 산화막 CMP, 금속 (Cu, W) CMP 등 거의 모든 주요 공정 레벨에서 CMP가 사용된다.

2-2. 포토 공정과 DOF 확보

CMP 이후 평탄한 표면은 다음과 같은 이점을 준다.

• 얇은 레지스트를 사용해도 균일한 두께 유지
• 포토 장비의 DOF 여유가 커져 해상도 · 수율 향상
• 패턴 왜곡/포커스 에러 감소

결국 CMP는 '후속 공정의 품질 보증 수단'이라고 보는 게 더 정확하다.

 

3. CMP 장비의 기본 구성

CMP 장비는 대략 아래 네 가지 요소로 설명할 수 있다.

 

1. 플레튼(Platen) & 폴리싱 패드(Polishing pad)

• 플래튼: 회전하는 테이블
• 패드: 폴래튼 위에 붙어 있는 연마 패드
• 보통 다공성 폴리머 재질이며, 홈(groove)이 있어 슬러리 공급/배출을 돕는다.

2. 웨이퍼 캐리어 헤드(Carrier head)

• 웨이퍼를 뒤집어(페이스 다운) 잡고 패드 위로 눌러주는 장치
• 다운포스(압력)와 헤드 회전 속도를 조절해 제거울(MRR)을 제어한다.

3. 슬러리(Slurry)

• 화학약품 + 연마 입자(실리카, 알루미나 등)가 섞인 용액
• 화학적으로 표면을 산화/반응시키고, 입자가 그 층을 긁어내며 물리적으로 제거
• pH, 산화제, 부식 억제제, 분산제 등 조합에  따라 재료 선택비(selectivity)를 구현

4. 패드 컨디셔너(Pad conditioner)

• 다이아몬드 디스크 등으로 패드 표면을 긁어줌
• 막힌 기공을 열고, 거칠기를 회복해 안정적인 제거율 유지

4. CMP의 작동 원리 - Preston 식으로 보는 제거율

 CMP에서 물질 제거율(MRR, material removal rate)은 경험적으로 Rreston 식으로 잘 설명된다.

 

MRR=Kp​⋅P⋅V

 

• Kp: Preston 계수(슬러리, 패드, 재료 특성을 모두 포함하는 경험 계수)
• P: 패드-웨이퍼 사이의 평균 압력
• V: 상대 속도(플래튼/헤드 회전으로 생기는 평균 슬라이딩 속도)

해석 포인트:

• 압력(P)을 올리거나 속도(V)를 높이면 MRR이 증가 → 하지만 Defect 및 두께 비균일도도 함께 악화될 수 있음
• Slurry 조성, 입자 크기, 패드 상태는 모두 Kp에 반영된다고 볼 수 있음

실제 공정 엔지니어는 아래를 동시에 만족하는 타협점(Trade-off)을 찾는다.

• 목표 제거울 (throughput)
• WIWNU/WTWNU 같은 두께 균일도
• Defect(스크래치, particle, dishing/erosion 등) 최소화
• 장비, 소모품 비용