Chapter 10

CMP 평탄화

층을 쌓을 때마다 아래 무늬의 굴곡이 위로 옮겨 온다. 두세 층만 지나도 표면은 언덕과 골짜기가 되고, 초점 심도가 100 nm 남짓인 노광 장비는 그 위에 무늬를 찍을 수 없다. 1990년대 IBM이 도입한 화학 기계적 연마(CMP, Chemical Mechanical Planarization)는 이 문제를 “그냥 갈아 버리는” 방식으로 풀었다. 지금은 STI, 텅스텐 플러그, 구리 배선, 하이브리드 본딩 면까지 거의 모든 층에서 쓰인다. 단순해 보이지만, 무엇을 얼마나 깎을지는 패턴의 밀도가 정한다. 이 장은 그 물리를 계산한다.

CMP 장비 구성(패드·슬러리·캐리어·컨디셔너)과 화학·기계 작용의 분담을 설명한다.
프레스턴 식으로 연마 속도를 계산하고, 압력·속도·선택비의 역할을 안다.
패턴 밀도가 단차 제거 속도와 최종 두께를 정하는 원리를 시뮬레이터로 확인한다.
구리 CMP의 디싱·이로전이 선폭·밀도에 따라 어떻게 변하는지 예측한다.
평탄화 길이와 더미 필이 칩 안 두께 편차를 줄이는 원리를 이해한다.

패드, 슬러리, 그리고 압력

그림 10-1. CMP 장비. 웨이퍼를 뒤집어 캐리어에 붙이고, 슬러리를 뿌린 회전 패드에 눌러 함께 돌린다. 슬러리의 화학 성분이 표면을 무르게 하거나 산화시키고, 연마 입자와 패드가 그 층을 기계적으로 쓸어 낸다. 컨디셔너는 패드 표면을 계속 거칠게 되살린다.

연마 속도는 1927년 유리 연마에서 얻은 프레스턴 식(Preston equation)으로 잘 근사된다.

$$\frac{dh}{dt} = K_p\,P\,V$$

$P$는 국소 압력, $V$는 웨이퍼와 패드의 상대 속도, $K_p$는 슬러리·패드·재질이 정하는 프레스턴 계수. 재질마다 $K_p$가 달라 선택비가 생긴다. 세리아(CeO₂) 슬러리는 산화막을 질화막보다 수십 배 빨리 갈아 STI CMP의 정지막을 질화막으로 쓸 수 있게 한다.

공정	깎는 막 → 멈추는 막	슬러리	주 이슈
STI CMP	산화막 → 질화막	세리아 (고선택비)	넓은 산화막 디싱, 질화막 손실 편차
ILD CMP	산화막 (정지막 없음, 시간)	실리카	패턴 밀도에 따른 두께 편차
텅스텐 CMP	W → 산화막	산화제(H₂O₂, Fe³⁺) + 알루미나/실리카	플러그 리세스, 이로전
구리 CMP (2~3단계)	Cu → 배리어(Ta/TaN) → 산화막	산화제 + 억제제(BTA)	디싱, 이로전, 부식, 스크래치
폴리 CMP, 게이트 오픈 (POC)	폴리·산화막 → 질화막 캡	맞춤형	게이트 높이 편차 (RMG 공정)
본딩 면 CMP	Cu/SiCN 동시	맞춤형	nm급 리세스 제어 (하이브리드 본딩)

패턴 밀도가 정하는 평탄화

단차가 있는 표면을 갈면 처음에는 패드가 튀어나온 곳(업)에만 닿는다. 같은 힘이 더 작은 면적에 실리므로 업 영역의 국소 압력은 평균 압력을 패턴 밀도 ρ(업 면적 비율)로 나눈 만큼 커지고, 그만큼 빨리 깎인다. 업이 내려와 단차가 패드의 휘는 정도(접촉 높이)보다 작아지면 패드가 아래(다운)에도 닿기 시작하고, 마침내 두 곳이 같은 속도로 깎이며 단차가 사라진다. 그래서 같은 웨이퍼라도 밀도가 높은 곳은 늦게, 낮은 곳은 빨리 평탄해지고, 평탄화 뒤에도 영역마다 남은 두께가 다르다.

$$\frac{dz_{\text{up}}}{dt} = -\frac{K P V}{\rho}\quad(h > h_c), \qquad \frac{dz_{\text{up}}}{dt} = \frac{dz_{\text{down}}}{dt} = -KPV\quad(h \to 0)$$

$h$는 단차, $h_c$는 패드가 다운 영역에 닿기 시작하는 접촉 높이. 그 사이는 압력을 단차에 비례해 나눠 갖는 것으로 근사한다(Stine·Boning 계열 모델).

SIMULATOR

단차 제거: 패턴 밀도별 업·다운 두께

초기 단차 패턴 밀도 ρ (영역 A) 패턴 밀도 ρ (영역 B) 접촉 높이 h_c (패드 휨) 연마 시간

A 남은 단차—

B 남은 단차—

A–B 업 높이 차 (칩 안 편차)—

해볼 것: ① 밀도 0.2인 영역은 업이 빠르게 깎여 일찍 평탄해지고, 0.8인 영역은 거의 블랭킷처럼 천천히 깎인다. 두 영역의 업 높이 차가 그대로 칩 안 두께 편차가 된다. ② 패드가 단단해 접촉 높이가 작을수록 평탄화 능력(단차 제거)이 좋지만 웨이퍼 전체 균일도에는 불리하다. ③ 시간을 늘려도 이미 평탄해진 뒤의 영역 간 차이는 줄지 않는다. 그래서 설계 단계에서 밀도를 맞춘다(더미 필). (평균 블랭킷 연마 속도 5 nm/s)

구리 CMP: 디싱과 이로전

다마신 구리 배선(11장)은 산화막의 트렌치를 구리로 채운 뒤 위에 넘친 구리와 배리어를 갈아 낸다. 구리는 산화막보다 무르고 빨리 깎이므로, 산화막이 드러난 뒤에도 연마를 계속하면(과연마) 넓은 구리 선의 가운데가 접시처럼 오목해진다. 이것이 디싱(Dishing)이다. 가는 선이 빽빽한 영역에서는 산화막 자체도 압력을 많이 받아 영역 전체가 내려앉는데, 이것이 이로전(Erosion)이다. 둘 다 배선의 단면적을 줄여 저항을 높이고, 다음 층의 평탄도를 망친다.

SIMULATOR

선폭·밀도·과연마에 따른 디싱과 이로전

구리 선폭 배선 밀도 (구리 면적 비) 과연마 구리 : 산화막 선택비

디싱 (선 가운데)—

이로전 (영역 산화막 손실)—

구리 두께 손실 → 저항 증가—

해볼 것: ① 선폭을 0.1 µm → 10 µm로 키우면 디싱이 수 nm에서 수십 nm로 커진다. 패드가 넓은 선 안쪽으로 휘어 들어가기 때문이다(포화형). ② 밀도를 0.8로 높이면 가는 선 배열 전체가 내려앉는 이로전이 커진다. ③ 과연마를 늘리면 둘 다 선형으로 커진다. 종말점 검출과 다단계 슬러리(구리 → 배리어 단계 분리)가 필요한 이유다. (배선 두께 200 nm, 교육용 경험 모델)

평탄화 길이와 더미 필

패드는 완전히 딱딱하지 않아서 수 mm 범위의 넓은 굴곡은 따라가며 갈고, 그보다 짧은 범위의 굴곡만 평탄하게 만든다. 이 길이를 평탄화 길이(Planarization length)라 하고, 보통 2~10 mm 수준이다. 한 점의 연마 속도는 그 점 주변 평탄화 길이 안의 유효 패턴 밀도가 정한다. 칩의 회로 배치는 영역마다 밀도가 제각각이므로(SRAM 배열은 빽빽하고, 아날로그 영역은 성기다), 그대로 두면 연마 후 두께가 지도처럼 얼룩진다. 그래서 설계 단계에서 빈 곳에 전기적으로 쓰지 않는 작은 무늬를 채워 밀도를 고르게 만드는 더미 필(Dummy fill)을 넣는다.

SIMULATOR

칩 배치 밀도 → 연마 후 두께 지도

평탄화 길이 더미 필 적용 (최소 밀도 맞춤) 더미 필 목표 밀도

유효 밀도 범위—

연마 후 두께 편차 (최대−최소)—

해볼 것: ① 왼쪽은 칩 배치의 국소 밀도, 오른쪽은 평탄화 길이로 흐리게 한 유효 밀도에서 계산한 연마 후 층간 절연막 두께다(밀도 높은 곳이 두껍게 남음). ② 평탄화 길이가 짧을수록 얼룩이 세밀하고 심해진다. ③ 더미 필을 켜면 빈 곳이 채워져 두께 편차가 크게 준다. 실제 설계 도구는 밀도 창(예: 50 µm 창에서 20~80%) 규칙을 검사하고 더미를 자동 삽입한다. (20 × 20 mm 칩, 초기 단차 500 nm 가정)

CMP 결함과 세정

CMP는 웨이퍼를 슬러리로 범벅이 된 패드에 문지르는 공정이라 결함도 많다. 큰 연마 입자나 응집물이 만드는 스크래치, 표면에 남은 슬러리 입자와 유기 잔류물, 구리의 부식·피팅, 막이 벗겨지는 박리(특히 기계적으로 약한 저유전막)가 대표적이다. 그래서 CMP 장비에는 브러시 세정·메가소닉·건조 모듈이 붙어 있어 “건조한 웨이퍼가 들어가 건조한 웨이퍼가 나오는(dry-in dry-out)” 구조다. 연마 중에는 모터 토크나 광학 반사율로 막이 바뀌는 순간을 잡는 종말점 검출을 쓴다.

핵심 정리

CMP는 슬러리의 화학 작용과 패드·입자의 기계 작용이 함께 표면을 깎는다. 속도는 프레스턴 식 $dh/dt = KPV$.
재질별 $K$ 차이가 선택비를 만들고, 정지막(STI의 질화막, 구리 CMP의 산화막)을 가능하게 한다.
업 영역의 압력은 $P/\rho$이므로 밀도가 낮은 곳이 먼저 평탄해진다. 영역 간 밀도 차가 칩 안 두께 편차가 된다.
과연마는 넓은 구리 선의 디싱과 조밀 배열의 이로전을 만든다.
평탄화 길이 안의 유효 밀도가 두께를 정한다. 더미 필로 밀도를 고르게 해 편차를 줄인다.

확인 퀴즈

평균 압력이 2 psi이고 업 영역의 패턴 밀도가 0.25일 때, 패드가 업에만 닿는 동안 업 영역의 국소 압력은?

같은 힘이 1/4 면적에 실리므로 2 / 0.25 = 8 psi. 프레스턴 식에 따라 연마 속도도 4배다.

넓은 구리 패드의 가운데가 오목하게 깎이는 현상은?

무른 구리가 과연마 중 패드가 휘어 들어가며 가운데부터 더 깎인다. 조밀 배열 전체가 내려앉는 것은 이로전이다.

더미 필을 넣는 주된 목적은?

더미는 전기적으로 연결되지 않는다(오히려 기생 커패시턴스를 조금 늘린다). 목적은 밀도 균일화다.