[반도체 공정 기초] CMP 공정 완전 정리 (2) - 공정 종류, 결합, 공정 제어, 그리고 최신 트렌드

5. CMP 공정의 주요 종류

 CMP는 어떤 층을 평탄화하느냐에 따라 슬러리 · 패드 · 공정 조건이 완전히 달라진다. 대표적인 공정만 정리해도 다음 세 가지로 나눌 수 있다.

 

5-1. STI CMP (Shallow Trench Isolation)

• 목적
  • Si 기판을 식각해 만든 트렌치에 SiO₂를 채운 뒤 과잉 산화막(overburden)을 제거해 nitride stop layer까지 평탄화하는 공정.
• 핵심 포인트
  • 산화막(SiO₂) : 질화막(Si₃N₄) 제거율을 100:1~300:1 수준으로 만들어 stop layer 손상을 최소화
  • Pattern density에 따라 dishing/erosion이 달라져서
    → 설계 단계에서 dummy 패턴 설계가 매우 중요하다

5-2. ILD / 산화막 CMP

• 금속 배선 사이를 메우는 SiO₂·low-k 절연막을 평탄화하는 공정.
• 여러 층의 금속 배선 위·사이를 절연막으로 채운 뒤 다음 포토 공정의 DOF 확보를 위해 다시 밀어주는 역할
• 가장 전통적인 CMP 영역으로
  • 절연막 두께 균일도(WIWNU/WTWNU),
  • 과도한 over-polish로 인한 underlayer 손상,
  • End-point 검출이 주요 이슈

5-3. 금속 CMP – W, Cu Damascene

(1) W(CVD 텅스텐) CMP

• 콘택/비아를 CVD W로 채운 뒤, 과잉 W만 깎아 플러그만 남기는 공정
• 슬러리에서 W를 **산화층(WOₓ)**으로 만든 뒤 연마 입자가 그 층을 긁어내는 구조
• Barrier 금속과 선택비, 플러그 상부 dishing, 주변 산화막 erosion이 포인트

(2) Cu CMP

• “Damascene 패턴 + Cu 증착 + CMP” 조합으로 구리 배선을 형성
  1. 산화막에 trench/via 식각
  2. Barrier(Ta/TaN 등) 증착
  3. Cu seed + 도금으로 채우기
  4. Cu CMP로 과잉 Cu 제거 (필요 시 Barrier CMP + over-polish)
• 기본 플로우
• 중요 포인트
  • Cu vs 산화막 선택비
  • Cu 부식(corrosion)·pitting 억제
  • dishing/erosion 제어
  • fragile한 low-k 절연막 손상 최소화

6. CMP 공정 조건 - 엔지니어가 보는 핵심 파라미터

 공정마다 수치는 다르지만, 조절하는 축은 크게 네 가지라고 보면 된다.

6-1. 다운포스(Downforce)

• 웨이퍼를 패드 위로 누르는 평균 압력
• 압력 ↑ → MRR ↑ 하지만 스크래치·dishing·기계적 스트레스↑
• 센터/중간/엣지 zone pressure 조정으로 edge 두께를 보정

6-2. 플래튼 · 헤드 회전 조건

• Platen RPM, Head RPM, Oscillation 유무에 따라 웨이퍼 위치별 상대 속도 분포가 결정 → 곧 WIWNU의 핵심
• Edge-fast / Egde-slow 문제를 RPM 비 · 회전 방향 · 압력 zoning으로 튜닝

6-3. 슬러리 유량 & 화학 조성

• 유량
  • 너무 적으면 pad dry zone → scratch, burn mark ↑
  • 너무 많으면 화학 효율 ↓ + 비용만 증가
• 조성
  • 산화제, pH, complexing agent, inhibitor, 입자 종류/크기/(실리카, 알루미나 등)
  • 조합에 따라 재료별 선택비와 Preston 계수 Kp가 사실상 결정

6-4. 패드 상태 & 온도

• Conditioning 압력·속도·시간에 따라 패드 거칠기와 open pore 상태가 달라짐
  • 과도한 conditioning → 패드 마모·particle defect ↑
  • 부족한  conditioning → glazing → 제거율 drop·불균일도 ↑
• 패드/슬러리 온도는 화학 반응 속도, 패드 탄성, 점도에 모두 영향
• 장시간 생산 시 온도 상승 → MRR drift 발생 → 주기적인 recipe 보정 필요

7. 자주 등장하는 결함(Defect)과 패턴 효과

7-1. Dishing & Erosion

• Dishing
  • 넓은 금속 패턴에서 중앙이 그릇처럼 파이는 현상.
  • Downforce가 크거나 금속이 부드러우면 심해짐.
  • 배선 저항↑, RC 지연↑, EM 신뢰성↓.
• Erosion
  • 금속 고밀도 영역에서 주변 절연막이 과도하게 깎여
    영역 전체 표면이 낮아지는 현상.
  • Pattern density, 슬러리 선택비, 패드 탄성에 민감.

→ 둘 다 layout 패턴 효과와 직결되고, 요즘은 CNN/딥러닝으로 post-CMP 높이 예측 + dummy fill 자동 설계 연구가 많다.

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7-2. Scratch & Particle Defect

• 원인: 과도한 압력, 큰 이물 입자, 오염된 슬러리, 노후 패드/컨디셔너 등.
• 특히 금속층에서는 곧바로 short·leakage로 이어져 미세공정에서 치명적.
• 예방: 슬러리 필터링, 장비 청정도 유지, 패드·컨디셔너 상태 모니터링.

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7-3. Edge Defect & Non-uniformity

• 웨이퍼 가장자리에서 over-polish, chamfer damage, edge chip 등이 자주 발생.
• Carrier head edge pressure zoning, retaining ring 설계,
  edge exclusion 조정으로 완화한다.

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8. 공정 제어와 End-point 검출

CMP는 “언제 시작하냐”보다 “언제 멈추느냐”가 더 중요한 공정이다. 대표적인 방법만 정리하면:

1. Timed polish
   • 시간만 보고 멈추는 가장 단순한 방식.
   • 구현은 쉽지만, 패드/슬러리 상태 변화에 따른 MRR drift를 반영하지 못해
     두께 편차가 커지기 쉽다.
2. In-situ 모터 전류·토크 모니터링
   • 금속 → barrier → 산화막으로 넘어갈 때 토크/전류가 변하는 지점을 이용해 End-point 검출.
3. 광학·분광식 End-point
   • 반사/투과광을 보고 재료 변화 감지.
   • STI, Cu CMP처럼 stop layer가 명확한 공정에서 유용.
4. Ex-situ 측정 + SPC 피드백
   • 폴리싱 후 일부 샘플을 측정(ellipsometry, AFM 등)하고
   • 통계적 공정 제어(SPC)로 recipe를 조금씩 보정.

엔지니어 입장에서는 WIWNU/WTWNU, MRR, defect density를 계속 모아서 “조건–결과 매핑 테이블”을 만드는 작업이라고 보면 된다.

9. 최근 트렌드 – 3D, 신소재, AI

마지막으로, CMP가 요즘 어디로 가고 있는지 방향만 짧게 보자.

• 3D·신소재용 CMP
  • 3D NAND, TSV, 하이브리드 본딩용 Cu/Ta CMP 등
    초미세 피치·저거칠기·저손상 조건 요구.
• AI·딥러닝 기반 CMP 모델
  • Layout을 넣으면 post-CMP 높이, dishing/erosion을 예측해
    설계 단계에서 CMP hotspot과 dummy fill을 자동 최적화.
• 저결함·친환경 CMP
  • 슬러리 사용량·독성 화학물질을 줄이고,
  • particle·스크래치를 최소화하는 low-defectivity CMP 방향으로 개발 중.

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10. Part 2 핵심 한 줄 요약

“CMP의 종류(어디를 미는지), 공정 조건(얼마나 세게·어떻게 미는지), 결함과 End-point(어디까지 미는지)를 이해하면, 공정 엔지니어가 매일 고민하는 축이 한 눈에 보인다.”

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