화학기계적 연마

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1. 개요
2. 역사적 배경
- 2.1. 한국 반도체 산업과 CMP
3. CMP의 원리
- 3.1. 화학적 작용
- 3.2. 기계적 작용
4. CMP 장비 및 재료
5. 반도체 제조 공정에서의 응용
6. 한계 및 과제
참조

1. 개요

화학기계적 연마(CMP)는 화학적 작용과 기계적 작용을 결합하여 반도체 웨이퍼 표면을 평탄하게 만드는 기술이다. 렌즈나 보석 연마에 사용되던 기술에서 발전하여, 반도체 집적 회로의 고밀도화에 필수적인 기술이 되었다. CMP는 웨이퍼 연마, 얕은 트렌치 격리, 텅스텐 플러그 형성, 구리 다마신 공정 등 반도체 제조 공정 전반에 걸쳐 활용된다. CMP는 연마 패드, 슬러리, 장비를 사용하여 웨이퍼를 연마하며, 웨이퍼의 평탄도와 균일성을 확보하는 것이 중요하다. 그러나 웨이퍼 계측의 어려움, 응력 균열, 슬러리 부식 등의 한계와 과제가 존재한다.

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화학기계적 연마

2. 역사적 배경

화학기계적 연마(CMP) 기술 자체는 오래전부터 존재했다. 플루오린이나 산화 세륨이 유리와 반응하는 성질을 이용해 렌즈나 수정, 석영 같은 규산계 보석을 연마하는 데 사용되어 왔다.

본격적으로 반도체 제조 공정에 CMP가 중요해진 것은 집적 회로의 집적도가 높아지면서부터이다. 무어의 법칙에 따라 칩 하나에 들어가는 트랜지스터 수가 기하급수적으로 늘어나면서 고밀도화가 필수적이 되었다. 칩 면적을 계속 늘릴 수는 없으므로, 트랜지스터 자체의 크기를 줄이는 미세화 공정이 진행되었다.

수평 방향의 배선 폭을 줄이는 기술은 크게 발전했지만, 공정이 미세화될수록 수직 방향의 높낮이 차이, 즉 평탄도가 중요한 문제로 떠올랐다. 이는 미세 패턴을 형성하는 포토리소그래피 공정의 초점 심도와 관련이 깊다. 웨이퍼 표면이 평탄하지 않으면 빛의 초점이 맞지 않아 패턴이 흐릿하게 전사되고, 이는 결국 배선의 단락이나 단선으로 이어져 제품 수율과 성능을 크게 떨어뜨린다.

또한, 트랜지스터 수가 증가하면서 복잡한 회로를 구성하기 위해 여러 층의 배선층을 쌓는 다층 배선 기술이 필요해졌다. 이때 각 층의 표면이 평탄하지 않으면 위아래 층을 연결하는 데 문제가 발생하여 결선 불량을 일으킬 수 있다.

기존의 CVD나 PVD 방식으로 박막을 형성한 후 바로 패터닝하는 방식만으로는 이러한 평탄도 문제를 해결하기 어려웠다. 따라서 박막 증착 후 표면을 매끄럽게 다듬는 평탄화 기술이 필요하게 되었고, 기존의 웨이퍼 연마 기술을 응용한 CMP 기술이 반도체 공정에 도입되었다.

CMP 공정 도입 초기에는 연마 과정에서 발생하는 입자(파티클)가 클린룸 환경을 오염시킬 수 있다는 우려가 있었다. 이를 해결하기 위해 연마 장비를 밀폐하고, 웨이퍼 반출 전 세척 공정을 추가함으로써 고청정도를 요구하는 반도체 제조 라인에 CMP 장비를 도입할 수 있게 되었다.

2. 1. 한국 반도체 산업과 CMP

1990년대 이전까지 화학기계적 연마(CMP)는 연마 과정에서 발생하는 입자와 연마재 자체의 불순물 문제로 인해, 고정밀 반도체 제조 공정에는 적합하지 않은 "더러운" 기술로 여겨졌다. 그러나 이후 집적 회로 산업에서 도체 물질이 알루미늄에서 구리로 전환되면서 상황이 바뀌었다. 구리 배선 공정은 물질을 평탄하고 균일하게 제거하면서도 구리와 산화물 절연층 사이의 경계면에서 정확하게 멈추는 CMP 기술의 고유한 능력을 필요로 했다. 이는 '부가적 패턴 형성' 공정의 개발로 이어졌으며(자세한 내용은 구리 상호 연결 참조), CMP 공정의 활용도를 크게 높이는 계기가 되었다. 이러한 기술 발전 덕분에 CMP는 알루미늄과 구리뿐만 아니라 텅스텐, 이산화 규소, 그리고 최근에는 탄소 나노 튜브 등 다양한 물질의 연마에도 적용되고 있다.^[3]

3. CMP의 원리

'''화학 기계적 연마'''(Chemical Mechanical Polishing^eng, '''CMP''') 또는 '''화학 기계적 평탄화'''는 화학적 힘과 기계적 힘을 결합하여 웨이퍼와 같은 대상물의 표면을 매끄럽게 만드는 공정이다. 이는 화학적 식각과 연마재를 이용한 기계적 연마가 혼합된 방식으로 이해할 수 있다.^[1] 오래전부터 플루오린이나 산화 세륨이 유리와 반응하는 성질을 이용해 렌즈나 수정, 석영 등 규산계 보석 연마에 유사한 원리가 사용되어 왔다.^[2]

CMP 공정은 일반적으로 연마 대상물보다 직경이 큰 연마 패드와 연마성 및 부식성 화학 물질을 포함한 슬러리(주로 콜로이드 형태)를 사용한다. 웨이퍼를 동적 연마 헤드로 패드에 누르고, 패드와 웨이퍼를 서로 다른 축으로 회전시키면서 슬러리를 공급한다. 이 과정에서 화학적 반응과 기계적 마찰이 동시에 일어나 표면의 높은 부분이 제거되고 전체적으로 평탄해진다.^[3]^[1] 슬러리의 화학 성분은 연마 대상 표면을 변화시켜 기계적 제거를 용이하게 하며, 이를 통해 연마재만 사용하는 것보다 가공 속도를 높이고 표면 결함을 줄여 이상적인 평활면을 얻을 수 있다.^[2] (자세한 화학적, 기계적 작용 원리는 하위 문단 참고)

반도체 산업에서 CMP 기술이 중요해진 배경에는 집적 회로의 고밀도화 요구가 있다. 무어의 법칙에 따라 칩당 트랜지스터 수가 증가하면서 개별 소자의 크기는 점점 작아졌다. 수평 방향의 미세 공정 기술은 크게 발전했지만, 소자 밀도가 높아짐에 따라 웨이퍼 표면의 미세한 높낮이 차이, 즉 평탄도가 공정의 걸림돌이 되기 시작했다.^[2]

특히 포토리소그래피 공정에서 배선 간격이 가시광선 파장에 가까워질 정도로 미세해지면서, 초점 심도(Depth of Focus, DOF) 문제가 중요해졌다. 노광 장비가 선명한 회로 패턴을 형성할 수 있는 깊이 범위는 매우 얕기 때문에(최신 22nm 공정에서는 옹스트롬 수준^[3]^[1]), 웨이퍼 표면이 이 범위를 벗어나면 패턴이 흐릿해져 단선이나 단락 같은 치명적인 결함이 발생할 수 있다. 또한, 수많은 트랜지스터를 연결하기 위해 여러 층의 배선을 쌓아 올리는 다층 배선 구조가 보편화되면서 각 층의 평탄도가 더욱 중요해졌다. 각 층의 표면이 평탄하지 않으면 상하층 간의 연결 불량(via 불량 등)을 유발할 수 있다.^[2]

이러한 문제들을 해결하기 위해 화학 기상 증착(CVD)이나 물리 기상 증착(PVD) 등으로 박막을 형성한 후 표면을 평탄하게 만드는 CMP 공정이 도입되었다. 초기에는 CPU나 ASIC 같은 일부 고성능 LSI에 제한적으로 사용되었으나, 소자 속도 향상을 위해 알루미늄 배선 대신 구리를 사용하는 구리 다마신 공정이 도입되면서 CMP는 반도체 제조에 없어서는 안 될 핵심 공정으로 자리 잡았다.^[2]

CMP 기술은 반도체 제조 공정 전반에 걸쳐 다양하게 활용된다.^[2]

실리콘 웨이퍼 자체(베어 웨이퍼)의 초기 평탄화
트랜지스터 소자 분리를 위한 얕은 홈 구조(STI) 형성 시
텅스텐 등 금속 플러그 형성 시 과잉 증착된 물질 제거 및 평탄화
다층 배선 공정에서 각 층간 절연막 및 배선 표면의 평탄화

3. 1. 화학적 작용

'''화학 기계적 연마'''(CMP) 또는 '''화학 기계적 평탄화'''는 화학적 힘과 기계적 힘을 결합하여 표면을 매끄럽게 만드는 공정이다. 이는 화학적 식각과 자유 연마재를 이용한 연마의 혼성으로 생각할 수 있다.

CMP 공정에서는 일반적으로 연마성과 부식성을 가진 화학 슬러리(주로 교질 형태)를 사용한다. 이 슬러리의 화학적 작용은 기계적 연마 작용과 함께 웨이퍼 표면의 불규칙한 부분을 제거하고 평탄화하는 데 핵심적인 역할을 수행한다. 예를 들어, 슬러리의 화학 성분은 연마 대상 물질의 표면을 약화시키거나 반응시켜 기계적 제거를 용이하게 한다. 이러한 화학적 작용을 통해 CMP는 단순히 기계적으로 갈아내는 것보다 더 효과적이고 정밀하게 표면을 평탄화할 수 있다.

3. 2. 기계적 작용

화학 기계적 연마(CMP) 공정은 화학적 힘과 기계적 힘을 결합하여 표면을 매끄럽게 만드는 기술로, 화학적 식각과 연마재를 이용한 연마의 혼합된 형태라고 볼 수 있다. 이 공정의 기계적 측면은 다음과 같은 요소와 원리로 작동한다.

일반적으로 CMP 공정에서는 웨이퍼보다 직경이 큰 연마 패드와 고정 링, 그리고 연마성과 부식성을 가진 화학 슬러리(주로 콜로이드 형태)를 사용한다. 연마 패드와 웨이퍼는 동적인 연마 헤드에 의해 서로 압착되며, 플라스틱 재질의 고정 링이 웨이퍼를 제자리에 고정시키는 역할을 한다.

연마 헤드는 패드와 웨이퍼를 서로 다른 회전축(즉, 동심원적이지 않은)으로 회전시킨다. 이러한 움직임은 웨이퍼 표면의 물질을 기계적으로 제거하고, 울퉁불퉁한 지형을 평탄하게 만들어 전체적으로 웨이퍼를 평평하게 만든다. 이 평탄화 과정은 후속 공정에서 미세한 회로 소자를 형성하기 위해 필수적이다. 예를 들어, CMP를 통해 웨이퍼 전체 표면을 포토리소그래피 장비의 초점 심도 범위 내로 맞추거나, 특정 위치의 물질만 선택적으로 제거할 수 있다. 현대의 22nm 공정 기술에서는 일반적인 초점 심도 요구 사항이 옹스트롬 수준까지 매우 정밀해졌다.

전형적인 CMP 장비는 패드가 부착된 매우 평평한 회전판, 웨이퍼를 뒷면 필름 위에 거꾸로 장착하는 캐리어(스핀들), 웨이퍼를 수평 위치에 고정하는 리테이닝 링, 그리고 패드에 슬러리를 공급하는 슬러리 도입 장치로 구성된다. 웨이퍼를 장비에 넣고 뺄 때 표면에 불필요한 입자가 쌓이는 것을 방지하기 위해, 캐리어는 진공을 이용하여 웨이퍼를 고정한다.

공정 중에는 회전판과 캐리어가 모두 회전하며, 캐리어는 진동 운동을 하기도 한다. 캐리어는 웨이퍼에 아래 방향으로 압력(다운 포스, downforce)을 가하여 패드에 밀착시킨다. 이 다운 포스는 평균적인 힘을 의미하지만, 실제 물질 제거는 국소적인 압력에 의해 이루어진다. 다운 포스의 크기는 접촉 면적에 따라 달라지며, 이는 웨이퍼와 패드의 표면 구조에 영향을 받는다. 일반적으로 패드는 약 50μm 수준의 거칠기를 가지며, 웨이퍼 표면의 높은 지점(요철)과 주로 접촉하기 때문에 실제 접촉 면적은 전체 웨이퍼 면적의 일부에 불과하다.

CMP 공정에서는 웨이퍼 자체의 기계적 특성도 중요하다. 만약 웨이퍼가 약간 휘어 있다면, 압력이 중심부보다 가장자리에 더 크게 작용하여 연마가 불균일하게 이루어질 수 있다. 이러한 웨이퍼 휨을 보상하기 위해 웨이퍼 뒷면에 압력을 가하여 중심과 가장자리 간의 압력 차이를 줄이기도 한다.

CMP에 사용되는 패드는 웨이퍼 표면을 균일하게 연마할 수 있도록 충분한 강성을 가져야 하지만, 동시에 웨이퍼 표면의 미세한 굴곡에 어느 정도 맞춰질 수 있어야 한다. 따라서 실제 패드는 단단한 재료와 부드러운 재료를 겹쳐 쌓은 구조로 만들어지는 경우가 많다. 일반적으로 이러한 패드는 30μm~50μm 사이의 기공 크기를 가진 다공성 고분자 재료로 제작되며, 공정 중에 마모되므로 주기적으로 표면을 재조정(conditioning)해야 한다. 대부분의 패드는 특정 제조사의 독점 기술로 만들어지며, 화학적 특성보다는 상표명으로 불리는 경우가 많다.

4. CMP 장비 및 재료

화학기계적 연마(CMP) 공정은 웨이퍼 표면을 평탄화하는 핵심 기술로, 연마 패드, 화학 슬러리, 그리고 기계적인 힘(압력, 회전)을 복합적으로 이용한다. 이 공정에서는 일반적으로 웨이퍼보다 직경이 큰 회전하는 연마 패드 위에 연마성과 부식성을 가진 화학 슬러리(주로 교질 상태)를 공급한다. 웨이퍼는 동적 연마 헤드에 의해 패드에 눌려 함께 회전하며, 이때 발생하는 화학적 반응과 기계적 마찰을 통해 웨이퍼 표면의 높은 부분을 선택적으로 제거하여 전체적으로 평탄한 표면을 얻는다. 이는 후속 포토리소그래피 공정 등을 위해 필수적이며, 특히 회로 선폭이 미세화됨에 따라 요구되는 평탄도의 정밀도는 옹스트롬 수준에 이르고 있다.

CMP 공정에는 다양한 종류의 장비가 사용된다. 가장 일반적인 로터리 타입은 원형 정반 위의 연마 패드와 웨이퍼를 고정한 캐리어를 함께 회전시키는 방식이다. 이 외에도 벨트 타입이나 전해 연마를 병행하는 ECMP 방식 등 다양한 장비가 개발되어 사용되고 있다.
슬러리는 연마 대상 물질에 맞춰 선택되며, 일반적으로 이산화 규소(SiO₂), 산화 알루미늄(Al₂O₃), 산화 세륨(CeO₂), Mn₂O₃, 다이아몬드 등 미세한 연마 입자(수십 nm~수백 nm)와 화학적 작용을 돕는 산, 알칼리, 분산제, 계면활성제 등을 포함한다. 금속 연마용 슬러리에는 킬레이트제나 방청제 등이 추가되기도 하며, 경우에 따라 연마 입자가 없는 슬러리도 사용된다.
연마 패드 역시 공정 결과에 큰 영향을 미치는 요소로, 발포 또는 무발포 수지, 부직포 등 다양한 재질과 구조로 제작된다. 패드의 경도나 표면에 가공된 홈(동심원, 나선, 격자 등)의 형태는 슬러리 공급과 연마 특성에 영향을 주어 평탄화 성능과 균일도를 결정짓는 중요한 변수가 된다.

CMP 공정은 단순히 장비, 슬러리, 패드의 조합뿐만 아니라, 가해지는 압력, 회전 속도 등 다양한 공정 변수들의 최적화가 필수적이다. 이러한 최적화된 공정 조건을 프로세스 레시피라고 부르며, 연마 대상과 목표에 따라 각기 다른 레시피가 적용된다.

반도체 기술이 발전함에 따라 웨이퍼 직경은 커지고 회로 선폭은 미세화되면서 CMP 공정에 요구되는 정밀도는 계속 높아지고 있다. 또한 새로운 소재들이 도입됨에 따라 이에 맞는 새로운 CMP 기술, 재료, 공정 레시피 개발 경쟁이 치열하게 이루어지고 있으며, 연마량 제어 기술, 장비 제어 기술 등 관련 기술 전반이 지속적으로 개선되고 있다.

4. 1. CMP 장비

CMP 공정에 사용되는 장비는 일반적으로 패드가 부착된 매우 평평한 회전판(정반)과 연마할 웨이퍼를 고정하는 캐리어(스핀들)로 구성된다. 웨이퍼는 캐리어에 거꾸로 장착되며, 리테이닝 링이 웨이퍼를 수평 위치에 고정한다. 웨이퍼를 장비에 넣고 뺄 때 표면에 불필요한 입자가 붙는 것을 막기 위해, 캐리어는 진공을 이용하여 웨이퍼를 단단히 잡는다. 슬러리 공급 장치는 회전하는 패드 위에 연마액인 슬러리를 지속적으로 공급한다.

연마 과정에서는 정반과 캐리어가 모두 회전하며, 캐리어는 추가적으로 진동 운동을 한다. 캐리어는 웨이퍼에 아래 방향으로 압력(다운 포스)을 가하여 패드에 밀착시킨다. 이 압력은 웨이퍼 표면 전체에 가해지는 평균적인 힘이지만, 실제 연마는 웨이퍼 표면의 높은 지점과 패드의 거친 표면(일반적으로 50μm 정도의 거칠기) 사이의 국소적인 접촉 지점에서 이루어진다. 따라서 실제 접촉 면적은 전체 웨이퍼 면적의 일부에 불과하다. 웨이퍼 자체가 약간 휘어 있는 경우, 가장자리에 더 큰 압력이 가해져 연마가 불균일하게 될 수 있다. 이를 보완하기 위해 웨이퍼 뒷면에 별도의 압력을 가하여 중심부와 가장자리 간의 압력 차이를 줄이기도 한다.

가장 널리 사용되는 방식은 로터리 타입이다. 이 방식은 원형 정반 위에 연마 패드를 부착하고, 슬러리를 공급하면서 웨이퍼를 고정한 캐리어를 회전시키는 구조이다. 정반과 캐리어가 같은 방향으로 같은 속도로 회전하면 웨이퍼 면 내의 상대 속도가 일정해져 균일한 연마가 가능하다. 이 외에도 벨트 형태의 금속판 위에 연마 패드를 부착하는 벨트 타입이나, 연마재 자체가 패드나 필름에 포함된 형태도 있다. 특히 금속 배선 연마에는 전해액을 사용하고 정반과 웨이퍼 사이에 전압을 걸어 전해 연마를 동시에 진행하는 ECMP(Electrochemical Mechanical Polishing) 방식도 사용된다.

사용되는 슬러리는 연마 대상 물질에 따라 종류가 다르다. 일반적으로는 SiO₂, Al₂O₃, CeO₂, Mn₂O₃, 다이아몬드 등의 미세 입자(수십 nm~수백 nm 크기)를 포함한다. 하지만 일부 금속 연마에는 입자가 없는 슬러리가 사용되기도 한다. 슬러리에는 연마 입자 외에도 연마 대상 막의 표면을 화학적으로 변화시키는 산이나 알칼리, 입자의 분산을 돕는 분산제, 계면활성제 등이 포함된다. 금속 연마용 슬러리에는 금속 이온과 결합하는 킬레이트제나 부식을 방지하는 방청제 등이 추가로 들어간다.
연마 패드는 CMP 공정의 핵심 소모품 중 하나이다. 웨이퍼 표면을 균일하게 연마하기 위해 충분한 강성이 필요하지만, 동시에 웨이퍼 표면의 미세한 굴곡에 어느 정도 밀착될 수 있는 유연성도 요구된다. 이 때문에 실제 패드는 단단한 재료와 부드러운 재료를 여러 겹 쌓은 적층 구조인 경우가 많다. 일반적으로 30μm~50μm 크기의 미세한 기공을 가진 다공성 고분자 수지(우레탄 등)나 부직포 등으로 만들어진다. 패드의 경도는 연마 품질에 영향을 미치는데, 단단한 패드는 평탄화에는 유리하지만 웨이퍼 자체의 형상 불균일성에 민감하여 연마 균일도가 나빠질 수 있다. 패드 표면에는 동심원, 나선, 격자 등 다양한 형태의 홈이 파여 있는데, 이 홈은 슬러리가 웨이퍼 표면에 효과적으로 공급되고 분포되도록 돕는 역할을 하며, 홈의 형상에 따라 연마 특성이 크게 달라진다. 패드는 공정 중에 마모되므로 주기적으로 표면을 다듬거나(conditioning) 교체해야 한다. CMP 패드는 각 제조사의 고유 기술이 집약되어 있어, 특정 화학 성분보다는 상표명으로 불리는 경우가 많다.

CMP 공정에서는 슬러리와 패드의 종류뿐만 아니라, 웨이퍼에 가하는 압력과 캐리어 및 정반의 상대 속도 역시 연마 품질에 큰 영향을 미친다. 따라서 연마 대상 물질과 목표 결과에 맞춰 이러한 변수들을 최적화한 조합, 즉 프로세스 레시피를 설정하는 것이 매우 중요하다.

반도체 산업에서는 생산성 향상을 위해 웨이퍼의 직경이 점차 커지는 추세이지만, 동시에 회로 선폭은 계속 미세화되고 있어 요구되는 가공 정밀도는 더욱 높아지고 있다. 또한, 배선 공정에 사용되는 절연 재료 등 새로운 물질들이 계속 도입됨에 따라, 이에 맞는 새로운 CMP 공정 기술과 레시피 개발 경쟁이 치열하게 이루어지고 있다. 웨이퍼의 연마량을 정밀하게 제어하는 기술, 연마 패드와 슬러리의 성능 개선, 장비의 안정성과 제어 기술 등 CMP 관련 기술은 지속적으로 발전하고 있다.

4. 2. CMP 슬러리

화학기계적 연마(CMP) 공정에서는 연마성 및 부식성 화학 슬러리를 사용한다.^[1]^[2] 슬러리는 일반적으로 교질 상태이며, 연마 장치 위에 떨어뜨려 실리콘 웨이퍼와 연마 패드 사이에서 연마 작용을 돕는다.^[3]

사용되는 슬러리의 종류는 연마하려는 대상 물질에 따라 달라진다.^[3] 일반적으로 연마 입자를 포함하지만, 일부 금속 연마 공정에서는 연마 입자가 없는 슬러리를 사용하기도 한다.^[3]

슬러리의 주요 구성 성분은 다음과 같다.^[3]

구분	성분	설명	예시
연마 입자	미세 입자	기계적 연마 작용을 수행 (입자 크기: 수십 nm ~ 수백 nm)	이산화 규소(SiO₂), 산화 알루미늄(Al₂O₃), 산화 세륨(CeO₂), Mn₂O₃, 다이아몬드 등
화학 성분	피연마막 개질 성분	연마 대상 막의 표면을 화학적으로 변화시킴	산, 알칼리 등
	분산제	연마 입자가 뭉치지 않고 고르게 분산되도록 도움	-
	계면활성제	슬러리의 표면 장력 등을 조절	-
	기타 첨가제	특정 공정(주로 금속 연마)에 필요한 기능 추가	킬레이트제, 방청제 등

CMP 공정의 발전에 따라 슬러리 기술 역시 지속적으로 개선되어 왔다.^[4]

4. 3. CMP 패드

CMP 공정에 사용되는 연마 패드는 웨이퍼 표면을 균일하게 연마하는 데 중요한 역할을 한다. 일반적으로 패드는 30 μm에서 50 μm 사이의 기공 크기를 가진 다공성 고분자 재료로 만들어진다. 패드는 웨이퍼 표면의 평탄성을 확보하기 위해 충분한 강성을 가져야 하지만, 동시에 웨이퍼의 미세한 굴곡에 어느 정도 맞춰질 수 있도록 유연성도 필요하다. 이 때문에 실제 패드는 부드러운 재료와 단단한 재료를 겹쳐 쌓은 적층 구조(스택)로 만들어지는 경우가 많다.

패드의 종류는 다양하며, 발포성 수지를 사용한 타입, 무발포 수지를 사용한 타입, 부직포로 만들어진 타입 등이 있다. 또한, 단단한 연마층 아래에 부직포나 우레탄 폼과 같은 부드러운 재료를 하부 구조로 사용하는 적층 타입의 연마 패드도 널리 사용된다. 일반적으로 단단한(경질) 패드일수록 웨이퍼 표면의 형상을 따라가지 않아 평탄화 성능은 우수하지만, 웨이퍼 자체의 표면 높낮이(토포그래피) 차이 때문에 연마 속도 분포가 균일하지 않게 될 수 있다.

연마 패드의 표면에는 슬러리가 웨이퍼 표면에 잘 공급되고 사용된 슬러리와 연마 찌꺼기가 원활하게 배출될 수 있도록 홈(groove)이 파여 있다. 이 홈은 동심원, 나선, 격자 등 다양한 형태로 가공되며, 홈의 모양은 슬러리의 유동 특성에 영향을 미쳐 연마 결과에 큰 변화를 준다.

CMP 공정 중에 패드는 마모되어 소모되므로, 일정한 연마 성능을 유지하기 위해 주기적으로 패드 표면을 거칠게 만들어주는 컨디셔닝(conditioning) 작업이 필요하다. 대부분의 CMP 패드는 특정 제조사의 독점 기술로 개발되며, 화학적 성분이나 구체적인 구조보다는 상표명으로 불리는 경우가 많다.

5. 반도체 제조 공정에서의 응용

반도체 집적 회로의 집적도가 높아짐에 따라(무어의 법칙), 소자 크기를 줄이는 고밀도화가 필수적이 됐다. 이 과정에서 웨이퍼 표면의 미세한 단차(높낮이 차이)가 포토리소그래피 공정의 초점 문제를 일으키거나, 여러 층의 배선을 쌓는 다층 배선 구조에서 연결 불량을 유발하는 등 새로운 문제점이 나타났다. 기존의 화학 기상 증착(CVD)이나 물리 기상 증착(PVD) 방식만으로는 이러한 표면의 단차를 효과적으로 제어하기 어려웠기 때문에, 박막 증착 후 표면을 매끄럽게 만드는 평탄화 기술이 중요해졌고, 이를 위해 화학기계적 연마(CMP) 기술이 개발됐다.

CMP는 연마 패드와 화학 슬러리를 이용해 웨이퍼 표면을 화학적으로 반응시키면서 동시에 기계적으로 깎아내어 평탄하게 만드는 공정이다. 초기에는 연마 과정에서 발생하는 입자나 불순물 문제로 인해 1990년경 이전까지 정밀 공정에 부적합하다고 여겨졌다. 알루미늄 배선이 주로 사용되던 시기에는 CPU나 ASIC과 같은 일부 첨단 LSI 소자의 수율 향상을 위해서만 제한적으로 사용됐다.

하지만 반도체 산업에서 배선 재료로 전기 전도성이 더 우수한 구리를 도입하면서 CMP의 중요성이 크게 부각됐다. 구리는 기존 방식으로 미세 패턴을 만들기 어려워 구리 다마신 공정이 개발됐는데, 이 공정에서는 웨이퍼 전체에 증착된 구리 중 불필요한 부분을 제거하고 표면을 평탄하게 만드는 데 CMP가 핵심적인 역할을 수행한다. CMP는 구리와 절연막 경계에서 정확히 연마를 멈추는 독보적인 능력을 가지고 있어, 복잡한 구리 상호 연결 구조 제작에 필수적이다.^[3]

이후 CMP 기술은 실리콘 웨이퍼 자체의 평탄화부터 얕은 트렌치 격리(STI)를 통한 소자 분리, 텅스텐 플러그 형성, 금속 배선 표면 평탄화 등 반도체 제조 공정의 거의 모든 단계에서 핵심적인 평탄화 기술로 자리매김했다. CMP는 화학적 작용과 기계적 연마를 결합하여 가공 속도가 빠르고 표면 손상 없이 매우 매끄러운 표면을 얻을 수 있다는 장점이 있다. CMP 공정은 알루미늄, 구리 외에도 텅스텐, 이산화 규소, 최근에는 탄소 나노 튜브 등 다양한 재료의 연마를 위해 개발되고 있다.^[3]

5. 1. 얕은 트렌치 격리 (STI)

얕은 트렌치 격리(Shallow Trench Isolation, STI)는 반도체 소자를 제작할 때 소자와 활성 영역 사이의 전기적 간섭을 막기 위해 절연시키는 기술이다. STI 공정은 소자 사이의 거리를 좁히면서도 누설 전류를 효과적으로 차단할 수 있게 해주며, 특히 표면을 매우 평탄하게 만들 수 있어 광리소그래피 공정에서 중요하다. 평탄한 표면은 미세한 회로 패턴을 형성할 때 초점 심도를 확보하는 데 필수적이다.

STI 공정에서 표면을 평탄하게 만들기 위해 주로 레지스트 에칭 백(REB)과 화학기계적 연마(CMP) 기술을 함께 사용한다. STI 공정은 일반적으로 다음과 같은 순서로 진행된다.

# 실리콘 웨이퍼 위에 절연막으로 사용될 트렌치(trench, 도랑) 패턴을 형성한다.

# 트렌치 모양대로 산화막(SiO₂)을 웨이퍼 전체에 증착한다.

# 질화 실리콘(Si₃N₄)으로 이루어진 포토 마스크를 사용하여 원하지 않는 부분의 산화막을 보호한다. 이 질화 실리콘 막은 이후 공정에서 제거될 희생막 역할을 하기도 한다.

# 웨이퍼 표면을 평탄하게 만들기 위해 추가적인 막을 증착할 수도 있다.

# 열처리를 통해 실리콘 표면을 산화시킨다. 이때 질화 실리콘 마스크가 없는 영역에만 산화막이 약 0.5μm~ 두께로 성장한다. 질화 실리콘은 산소나 수증기의 확산을 막아 해당 영역의 산화를 방지한다.

# 에칭 공정을 통해 웨이퍼 표면의 불필요한 부분을 깎아내고, 소자가 형성될 활성 영역에는 얇은 산화막만 남긴다.

# 마지막으로, 화학기계적 연마(CMP) 공정을 이용하여 활성 영역 위에 남아있는 산화막과 트렌치를 채우고 남은 과도한 산화막(SiO₂ 오버버든)을 함께 갈아내어 웨이퍼 표면 전체를 평탄하게 만든다.

CMP 기술은 STI 공정 외에도 반도체 제조 공정의 여러 단계에서 표면 평탄화를 위해 사용된다.

5. 2. 텅스텐 플러그 형성

화학기계적 연마(CMP)는 반도체 제조 공정에서 웨이퍼 표면을 평탄화하는 핵심 기술 중 하나이다. CMP 공정은 일반적으로 웨이퍼보다 직경이 더 큰 연마 패드와 고정 링, 그리고 연마성과 부식성을 가진 화학 슬러리(주로 교질)를 사용한다. 연마 패드와 웨이퍼는 동적 연마 헤드에 의해 압력을 받으며 서로 접촉하고, 플라스틱 고정 링으로 제자리에 고정된다. 이때 연마 헤드는 다양한 축으로 회전하며 웨이퍼 표면의 불필요한 물질을 제거하고 불규칙한 부분을 평탄하게 만든다.

CMP 기술은 반도체 제조의 여러 단계에서 활용되며, 특히 텅스텐 플러그의 매립 평탄화에 중요한 역할을 한다. 텅스텐은 배선 연결을 위한 플러그 물질로 증착된 후, 웨이퍼 표면에 과도하게 쌓인 부분을 CMP를 통해 제거하여 원하는 회로 패턴만 남기고 표면을 평탄하게 만든다. 이 평탄화 과정은 후속 포토리소그래피 공정의 정밀도를 높이는 데 필수적이다.

CMP는 화학적 작용과 기계적 연마를 동시에 진행한다. 이 방식은 단순히 연마제만 사용하는 경우보다 가공 속도가 빠르며, 표면에 미세한 흠집이나 가공 변질층이 거의 남지 않아 매우 평탄한 면을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 이는 미세화되는 반도체 공정에서 더욱 중요해지고 있다. CMP는 텅스텐 플러그 형성 외에도 실리콘 웨이퍼 자체의 평탄화, 얕은 홈 소자 분리(Shallow Trench Isolation, STI) 제작, 배선 표면 평탄화 등 다양한 공정에 적용된다.

5. 3. 구리 다마신 공정

반도체 집적 회로의 집적도가 높아짐에 따라, 무어의 법칙에 따라 하나의 칩에 더 많은 트랜지스터를 집적시키기 위해서는 소자의 크기를 줄이는 고밀도화가 필수적이다. 수평 방향의 미세 가공 기술은 크게 발전했지만, 이로 인해 수직 방향의 단차, 즉 평탄도가 중요한 문제로 떠올랐다. 특히 포토리소그래피 공정에서 미세한 패턴을 형성할 때, 웨이퍼 표면의 단차는 초점 심도를 벗어나게 만들어 패턴의 왜곡(흐릿함)을 유발하고, 이는 배선의 단락이나 단선으로 이어져 수율과 성능을 저하시킨다. 또한, 여러 층의 배선을 쌓아 올리는 다층 배선 구조에서는 각 층의 평탄도가 확보되지 않으면 층간 연결 불량이 발생할 수 있다.

기존의 화학 기상 증착(CVD)이나 물리 기상 증착(PVD) 방식만으로는 이러한 평탄화 문제를 해결하기 어려웠기 때문에, 박막 증착 후 표면을 평탄하게 만드는 화학기계적 연마(CMP) 기술이 개발되었다.

1990년경 이전까지 CMP는 연마 과정에서 발생하는 입자와 연마재 자체의 불순물 문제로 인해 고정밀 반도체 제조 공정에 적용하기에는 너무 "더럽다"고 여겨졌다. 초기에는 LSI가 알루미늄과 실리콘 산화막으로 주로 제작되었기 때문에, CMP는 CPU나 ASIC과 같은 일부 첨단 소자의 수율 향상을 위해 제한적으로만 사용되었다.

그러나 반도체 산업에서 배선 재료로 기존의 알루미늄 대신 전기 전도성이 더 우수한 구리를 사용하려는 움직임이 나타나면서 CMP의 중요성이 크게 부각되었다. 구리는 알루미늄과 달리 기존의 건식 식각 방식으로는 미세한 배선 패턴을 형성하기 어렵다는 문제가 있었다.

이 문제를 해결하기 위해 구리 다마신 공정(Copper damascene process^eng)이라는 새로운 공정이 도입되었다. 이 공정은 먼저 절연막에 배선이나 비아 홀(via hole)과 같은 패턴의 홈을 형성한 뒤, 웨이퍼 전체 표면에 구리를 증착하고, 이후 CMP 공정을 통해 홈 외부의 불필요한 구리를 제거하여 원하는 배선 패턴만을 남기는 방식이다.

CMP는 구리 다마신 공정에서 핵심적인 역할을 수행한다. CMP는 웨이퍼 표면의 구리를 평탄하고 균일하게 제거할 뿐만 아니라, 구리와 아래의 절연막 사이의 경계면에서 정확하게 연마를 멈출 수 있는 독보적인 능력을 가지고 있다.^[3] (자세한 내용은 구리 상호 연결 참조) 이러한 특성 덕분에 복잡한 다층 구리 배선 구조를 정밀하게 형성하는 것이 가능해졌다.

결과적으로, 구리 다마신 공정의 도입은 CMP 기술이 단순히 수율 향상을 위한 보조 공정이 아니라, 고성능 반도체 칩 제조에 없어서는 안 될 필수 공정으로 자리매김하는 결정적인 계기가 되었다. 이후 CMP 기술은 텅스텐 플러그 형성, 소자 분리막(STI) 형성 등 반도체 제조의 다양한 단계로 그 적용 범위가 확대되었다.

5. 4. 기타 응용

1990년경 이전까지 화학기계적 연마(CMP)는 연마 과정에서 발생하는 입자와 연마재 자체의 불순물 문제 때문에 정밀 반도체 제조 공정에 적용하기에는 부적합하다는 인식이 있었다. 그러나 이후 집적 회로 산업이 배선 재료를 알루미늄에서 구리로 전환하면서 상황이 변화했다. 구리 배선 공정은 평탄하고 균일하게 물질을 제거하며, 구리와 산화물 절연층 경계면에서 정확하게 연마를 멈출 수 있는 CMP의 고유한 능력이 필수적인 '부가적 패턴 형성' 공정 개발을 필요로 했다(자세한 내용은 구리 상호 연결 참조). 이 공정이 도입되면서 CMP 공정의 활용 범위는 크게 넓어졌다.

최근 CMP는 반도체 제조 공정의 거의 모든 단계에서 활용되고 있다. 주요 응용 분야는 다음과 같다.

실리콘 웨이퍼 자체(베어 웨이퍼)의 평탄화
트랜지스터 제작 시 얕은 홈 소자 분리(Shallow Trench Isolation, STI) 공정
텅스텐 플러그(plug)의 매립 및 평탄화
금속 배선 형성 후 표면 평탄화

CMP 공정은 기존의 알루미늄과 구리 외에도 텅스텐, 이산화 규소, 그리고 최근에는 탄소 나노 튜브 등 다양한 물질의 연마에도 적용하기 위해 개발되었다.^[3]

6. 한계 및 과제

화학기계적 연마(CMP) 공정은 여러 장점에도 불구하고 몇 가지 한계와 해결해야 할 과제를 안고 있다. 우선, 공정 자체의 최적화와 함께, 특히 웨이퍼 상태를 정밀하게 측정하는 계측 기술의 개선이 요구된다.

또한 CMP 공정 과정에서 몇 가지 잠재적인 결함이 발생할 수 있다. 공정 중 가해지는 응력으로 인해 균열이 생기거나, 약한 막 사이의 경계면에서 박리가 일어날 수 있다. 사용되는 슬러리의 화학 성분 때문에 부식이 발생할 위험도 존재한다.

특히 가장 오래되고 널리 사용되는 산화막 연마 공정의 경우, 연마가 얼마나 진행되었는지 정확히 알기 어려운 '맹목적 연마' 방식이라는 문제가 있다. 이 때문에 원하는 두께만큼 재료가 제거되었는지, 또는 목표한 평탄도가 달성되었는지 실시간으로 확인하기 어렵다. 만약 연마가 부족하면 웨이퍼를 다시 연마해야 하는데, 이는 생산 과정에서 비효율적이며 피해야 할 상황이다. 반대로 너무 많이 연마되거나 두께가 불균일해지면 웨이퍼를 재작업해야 하며, 이는 성공 가능성도 낮고 비용과 시간 소모가 크다.

반도체 집적회로의 집적도가 무어의 법칙에 따라 계속 향상되면서 발생하는 문제들도 CMP 공정의 지속적인 발전을 요구한다. 트랜지스터의 크기가 작아지고 회로 선폭이 미세해짐에 따라, 웨이퍼 표면의 미세한 높낮이 차이(평탄도)가 포토리소그래피 공정의 초점 심도에 큰 영향을 미치게 되었다. 표면이 평탄하지 않으면 정확한 회로 패턴 형성이 어려워져 제품 수율과 성능 저하로 이어질 수 있다. 또한, 복잡한 회로를 구성하기 위해 여러 층의 배선을 쌓아 올리는 다층 배선 구조에서는 각 층의 평탄도가 더욱 중요해지며, 평탄하지 못할 경우 층간 연결 불량이 발생할 수 있다.

이러한 고밀도화, 미세화 추세와 더불어 웨이퍼 직경은 계속 커지는 반면, 요구되는 가공 정밀도는 더욱 높아지고 있다. 또한, 절연막 등 배선 형성에 사용되는 재료가 끊임없이 새로운 물질로 대체되면서, 각 재료에 맞는 최적의 CMP 공정 조건(프로세스 레시피)을 개발하기 위한 경쟁이 치열하게 이루어지고 있다. 따라서 연마량 제어, 연마 패드 및 슬러리 개발, 장비 제어 기술 등 CMP 관련 기술 전반에 걸쳐 지속적인 개선과 혁신이 요구된다.

참조

_[1] 논문 Chemical Mechanical Planarization: Slurry Chemistry, Materials, and Mechanisms 2010
_[2] 학술지 Chemical-Mechanical Planarization of Semiconductor Materials http://dx.doi.org/10[...] 2004
_[3] 간행물 Carbon Nanotube (CNT) Via Interconnect Technologies: Low temperature CVD growth and chemical mechanical planarization for vertically aligned CNTs 2006
_[4] 논문 Chemical Mechanical Planarization: Slurry Chemistry, Materials, and Mechanisms 2010
_[5] 저널 Chemical-Mechanical Planarization of Semiconductor Materials http://dx.doi.org/10[...] 2004

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