[정밀가공 부문] 10 nm급 반도체 디바이스구현을 위한 CMP기술
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2021
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현재의 추세로 디지털세상이 발전한다면 사물인터넷(Internet of Things)의 증가, 모바일 기기의 발달 그리고 기기간의 연결(Connected Devices) 가속화로 2025년에는 매일 약 4.6억 Tb의 데이터가 생성될 것으로 예측되며, 이러한 데이터 기반 사회의 뿌리에는 끊임없이 진화하는 반도체 디바이스의 제조기술 발전이 뒷받침 하고 있다. 역사적으로 오랜 기간 동안 광학부품의 초정밀 연마기술이었던 화학기계적연마(Chemical Mechanical Polishing, CMP)공정은 1983년 IBM에서 반도체 소자의 단차 극복을 위해 최초로 반도체 공정에 적용되었다. 이후 매년 지수적인 집적도 증가(Moore’s Law)에 맞추어 최소선폭은 감소하고, 이러한 기술적 장벽에 대응하기 위해 CMP는 연마라는 본질적인 기술바탕 위에 완전히 새로운 기술적 요구를 가진 평탄화(Chemical Mechanical Planarization)라는 기술 특성을 끊임없이 발전시켜 왔다. 최초 절연막 평탄화 공정에서 시작하여 공정적인 측면에서는 수직배선, 수평배선, 소자분리, 고단차 극복 등의 공정으로 확대되었으며, 이러한 공정을 구현하기 위하여 배선영역에서의 디싱(Dishing)결함, 고밀도 영역에서의 에로젼(Erosion) 결함, 위치별 패턴밀도 차이에 의해 발생하는 평탄도 오차, 10x nm급의 소자에서 발생하는 나노토포그라피 기인 평탄도 오차 등을 극복하기 위하여 가공종점 검출기술과 슬러리 성능의 고도화, 패드의 물성변화, 장비의 발전, 공정조건의 다변화라는 기술적 발전을 이루어 왔다. 다른 한편으로, 재료적인 측면에서 실리콘산화막, 질화실리콘, a-Si, Low-k 및 High-k산화막, 알루미늄, 구리, 텅스텐, Ta, TaN, Ti, TiN, 코발트, 루테늄, 폴리머 등으로 연마대상물질이 다양화 되었다. 이러한 재료의 다양화와 여러 재료가 동시에 드러나면서 연마가 이루어지는 복합적인 상황은 상대적으로 개발주기가 긴 패드에 기술변화를 부여하기 보다 패드변수를 고정하고 화학적 제어의 범위가 크고 다양한 접근이 가능한 슬러리에서의 기술 변화를 더욱 가속화 시켰다. 연마재 측면에서는 퓸드 및 콜로이달 실리카, 폴리머 연마재, 표면 모폴로지 제어입자, 콜로이달 세륨옥사이드, 망간옥사이드 등의 다양한 입자가 평가되고 적용되었으며, 용액측면에서는 pH제어제, 계면활성제, 산화제, 촉매, 착화제, 킬레이트제 등의 다변화를 불러왔다. 또한 웨이퍼 단위로 진행되는 공정 특성상 웨이퍼전면에서의 연마균일도확보(WIWNU)와 가장자리 영역(Edge Exclusion)에서의 수율증가를 위하여 10구역이 넘는 멤브레인 압력 제어시스템과 리테이너링 구조의 발달, 그리고 이들과 웨이퍼 압력프로파일 실시간 제어를 위한 웨이퍼 표면 모니터링 기술의 발전을 가속화 시켜 분당 100미터가 넘는 속도로 100 μm수준의 굴곡을 가진 패드위를 달리는 물리적 외란 조건하에서 웨이퍼 표면 박막에서 일어나는 단 수십개의 원자층 변화도 감지할 수 있기에 이르렀다. 마지막으로 소자의 크기가 10x nm급에서 10 nm 이하 영역으로 미세화되면서 소자가 작아지는 만큼 킬러결함의 상대적 비율도 증가하게 되었으며, 연마재로 연마함에도 불구하고 스크래치를 남기지 않도록 입자 크기제어, 반응 생성층의 형성과 제거의 평형상태 유지해야 하며, 연마후 잔류 연마입자를 남기지 않기 위해 연마 후 초청정 세정(Post CMP Cleaning)기술은 CMP기술 분야에서 어느 때 보다 중요한 핵심기술로 자리매김 하고 있다.
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