CMP 공정 내용 정리 - 난이도 중급

CMOS에서의 CMP 공정의 중요성

Foundry Biz에서 가장 중요한 CMOS를 만들기 위해서는 Cu CMP는 매우 중요한 공정입니다. CMP는 ILD CMP부터 시작했습니다. ILD는 Oxide 물질이죠. 그다음 우리는 Contact을 만들기 위해 W-CMP를 합니다.
 
그다음에는 Metal Line을 연결하기 위해 Cu CMP를 사용하죠. CMOS는 Logic 소자 간의 연결을 위해 많은 BEOL Metal Line을 필요로 합니다. DRAM 같은 경우는 단지 3개의 BEOL Metal Line을 필요로 합니다. 하지만 CMOS의 경우 수많은 Metal Line을 필요로 합니다.
 
 

CMP 주요 설명

CMP 는 Oxide, W, Cu를 주로 Planazation 합니다. Cu CMP는 소자 간의 라인을 연결하는데 매우 중요한 공정입니다. Cu CMP 가 있는 덕분에 우리는 BEOL 공정에서 수많은 Stack을 쌓아 올릴 수 있었습니다. Cu CMP 가 있기 전에는 Plasma Etch를 사용하여 Planazation을 했습니다. (Etch Back 공정) 하지만, 당연하게도 PID와 함께 수 Cu 가 Over Etch 되는 수많은 문제점이 존재했습니다.
 
BEOL에서 Cu를 만들기 위해서 EP (Eletrical Plate) 전기도금을 진행합니다. 이 때는 Suppressor와 Acceletor를 전구체로 사용하며, 이러한 EP 방식에 따라 Via Etch의 깊은 곳까지 Cu 가 안정적으로 채워지게 됩니다. 다만, 이러한 방식으로는 Cu 가 부푸는 방식으로 공정이 형성되는데요. 이렇게 부푼 부분을 안정적으로 Planazation 해주기 위해서 Cu CMP 가 필요합니다. 
 
 

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Cu CMP의 주요 내용

Cu CMP는 2번에 나누어 줍니다. 처음에는 급속도로 갈아주고 그 다음에는 천천히 갈아주며 time 이 짧습니다. CMP 는 Chemical Mechinical Process 이기 때문에, 이를 진행하기 위해 Abrasive와 Slurry라는 물질을 넣어 물리적으로 갈아주며, 이를 쉽게 해 주기 위해 pH를 조절하고, H2O2 등을 넣어 가는 막질을 갈기 좋게 만들어줍니다.
 
Cu CMP를 할 때 처음에는 선택비를 매우 중시합니다. Cu의 Metal Barrior 물질인 Ta/TaN 과의 선택비를 높게 해 줍니다. 그리하여 Barrier Metal 이 무너지는 것을 방지해 줍니다. 그다음 두 번째 CMP의 경우는 선택비보다는 깔끔하게 CMP 하는 것을 중요시합니다. 첫 CMP에서 정확히 EPD를 잡고 두 번째에서는 일정 비율로 내려 Metal Line 끼리 Short 이 발생하는 것을 막아줍니다.
 
Cu는 막질이 약합니다. 이런 경우 물리적으로 갈게 된다면 Scratch 가 발생하게 되겠죠. 이를 방지하기 위해 우리는 H2 O2를 넣어 표면을 CuO2 화 시켜 Cu를 경질화 시킵니다. 이제 Slurry와 Abrasive를 통해 CMP를 효과적으로 할 수 있는 상태를 만들어주게 되는 거죠.
 
Abrasive 물질은 SiO2 (Silica)와 AlO2 (Alumina) CeO2(Celia)를 사용합니다. 주로 Silica 가 사용됩니다. Alumina는 주로 사용되지 않으며 Cellia는 가끔씩 사용됩니다. Silica 는 경도가 높습니다. Cu CMP 를 할 때 사용됩니다. Cellia 는 SiO2와 결합력이 좋습니다. Defect 이 남을 확률이 높고 수율에 안 좋은 영향을 줍니다.
 
 

Post Cleaning 공정

CMP 이후에는 Wafer 위에 남아있는 Slurry, Abrasive를 제거해 주기 위해 Post Cleaning 이 중요합니다. SC1와 HF를 사용하여 Cleaning 해주는 경우가 많습니다. SC1 및 HF 는 Oraganic 과 Particle 을 제거하는데 유리하며, 이 방식은 주로 Wafer 표면을 Wet etching 해 Defect 을 Lift off 해주는 방식입니다. Inoraganic 인 Metal 계열은 주로 SPM 과 같은 황산 물질을 사용해줍니다. SPM 은 H2SO4와 H2O2를 4:1 비율로 만들어줍니다.
 
Only HF 를 해주면 Wafer 표면이 수소성이 됩니다. HF 가 Wafer 표면에 남기 때문입니다. 이는 Defect Adhsion을 좋게 만들기에 후속 Defect에 문제를 줍니다. 그렇기에 HF와 SC1 혹은 SC2를 같이 Cleaning 시 사용합니다. 물론 우리가 Adhsion Energy까지 알아야 할 필요는 없겠습니다.