다공성 슬러리 연마재를 이용한 화학적 기계적 평탄화 공정 능력 향상 및 응용

Abstract

CMP 공정의 결과는 연마량(removal amount), 평탄도, 표면 불량으로 나타낼 수 있으며, 그 중 CMP 연마율에 영향을 미치는 주요한 인자는 압력, 슬러리 유량(slurry flow rate), 회전 속도(RPM) 등 기계적인 요소와 슬러리 내 첨가제에 따른 웨이퍼 표면 화학 변화를 이용한 화학적인 요소가 있다. 연마재는 기계적, 화학적 요소에 의해 실질적으로 연마율에 영향을 주는 입자로 연마에 직접적으로 관여하고 있다. 연마재로는 흄드 실리카(fumed silica), 콜로이달 실리카(colloidal silica), 세리아(ceria), 알루미나(alumina) 입자가 주로 사용되고 있으며, 단차 제거, 표면 불량 제거, 배선 형성 등 공정 목적에 따라 적합한 연마재를 선별적으로 사용하고 있다. 초기에는 연마 성능에 중점을 두었으나, 반도체 공정 집적도가 향상됨에 따라 웨이퍼(wafer) 표면의 평탄도, 표면 불량의 미세한 변화도 반도체 공정에 큰 불량을 일으키기에 품질적인 요소가 더욱 중요해지고 있다. 그 예로 초기 연마 효율을 중시할 시기엔 가격이 저렴하고 제작이 용이한 연마재를 사용하였다면, 공정이 다양화 되고, 반도체 공정 집적도가 향상됨에 따라 웨이퍼 표면 불량, 평탄도에 우수한 연마재를 사용하고 있다. 본 연구에서는 CMP 공정에 사용되는 연마재 특성을 살펴보고, 새로운 다공성 실리카 입자의 CMP 효용성에 대해 검증하고자 하였다. 일반적으로 100 nm 이하의 작은 연마재의 경우 크기가 클수록 연마율은 높아지나 연마재로 인한 침투 깊이(indentation depth)가 커져 표면 긁힘(scratch) 문제가 발생한다. 연마재 크기 조절을 통한 연마율의 향상은 웨이퍼 표면의 평탄도를 나쁘게 할 수 있기 때문에 웨이퍼 표면 품질을 유지하면서 높은 연마율을 얻는 것이 해결해야할 문제로 남아있다. WSNs(mesoporous wrinkled silica nanoparticles) 입자는 다공성 구형 실리카 입자로 촉매, 흡착, 분리 기술 등에 적용되어 왔다. 본 연구에서는 WSNs 입자 특성을 확인하고 CMP 공정 응용 가능성을 연구하였다. WSNs 연마재의 표면은 기존 구형 실리카 연마재 대비 표면적이 크다는 특징을 가지고 있으며, 작은 경도(low hardness)와 작은 탄성 계수(low elastic modulus)로 인해 연마재에 의한 침투 깊이가 작고, 표면적이 넓어 평탄도가 우수하고, 연마율이 높은 CMP 공정을 기대할 수 있다. WSNs 연마재 적용 시 물리적인 압력, 회전 속도, 슬러리 유량 변화 없이 연마재 변경을 통한 CMP 공정 능력 향상을 기대할 수 있기에 다양한 CMP 공정에 응용이 가능하며, 높은 연마율을 통해 경제적 이점을 얻을 수 있다. 또한 3 정반(platen) 공정에서 2 정반 공정으로 변화 시킬 수 있으며, 새로운 버핑(buffing) 공정 도입 등으로 CMP 공정의 유연성을 얻을 수 있다.