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화학기계적 연마 (Chemical Mechanical Polishing. CMP) 공정은 초고집적 반도체 소자형성의 핵심 기술로서 웨이퍼 제조와 소자 및 배선 형성공정에 없어서는 안될 필수 공정이다. CMP는 연마 입자를 함유하고 있는 슬러리가 상대운동 하고 있는 폴리머 패드와 웨이퍼 사이의 접촉계면에 개입되어 마찰, 마멸, 윤활에 의해 기계적인 재료 제거가 일어나는 공정이다. 특히, 연마패드 표면의 미세 토포그라피 (microtopography)는 계면에서 웨이퍼와 직접접촉을 하며 연마를 수행하는 핵심적인 요소이다. 그러나 화학적 효과와 기계적인 효과를 동시에 얻고자 하는 복합 공정으로서 근본적인 공정의 복잡성을 가지고 있는 CMP의 특성상 패드 표면의 효과만을 연구하기엔 많은 어려움이 존재한다. 게다가 패드 표면을 분석하기 위해서는 ...

화학기계적 연마 (Chemical Mechanical Polishing. CMP) 공정은 초고집적 반도체 소자형성의 핵심 기술로서 웨이퍼 제조와 소자 및 배선 형성공정에 없어서는 안될 필수 공정이다. CMP는 연마 입자를 함유하고 있는 슬러리가 상대운동 하고 있는 폴리머 패드와 웨이퍼 사이의 접촉계면에 개입되어 마찰, 마멸, 윤활에 의해 기계적인 재료 제거가 일어나는 공정이다. 특히, 연마패드 표면의 미세 토포그라피 (microtopography)는 계면에서 웨이퍼와 직접접촉을 하며 연마를 수행하는 핵심적인 요소이다. 그러나 화학적 효과와 기계적인 효과를 동시에 얻고자 하는 복합 공정으로서 근본적인 공정의 복잡성을 가지고 있는 CMP의 특성상 패드 표면의 효과만을 연구하기엔 많은 어려움이 존재한다. 게다가 패드 표면을 분석하기 위해서는 통계적인 방법으로 접근할 수 밖에 없어 어려움을 가중시키고 있다.
본 논문에서는 우선 복잡한 CMP 공정의 중요한 요소들을 가려내고 그 요소들간의 상호작용을 분석하기 위해 기존에 연구되어 있던 여러가지 CMP의 재료제거 메커니즘을 분석하였다. 또한 여러 가지 요소들 중에서도 특히 패드 표면의 특성을 집중적으로 연구하여 표면의 특성을 보다 간편하게 나타내고 적용할 수 있는 방법을 모색하였다.
패드 표면 프로파일에서 피크 (Peak) 부분은 웨이퍼와 직접적으로 맞닿아 재료 제거를 수행하고, 밸리 (Valley) 부분은 슬러리를 이송하는 역할을 담당한다. 여기에 주목하여 연마를 수행하는 피크 영역의 인자들을 집중적으로 관찰한 결과, 표면 프로파일의 피크 영역은 웨이퍼와의 접촉으로 인하여 연마가 진행됨에 따라 점점 그 높이가 감소하였고, 이로 인해 실접촉압력이 감소하여 결국 재료 제거율의 감소를 초래하였다.
이를 바탕으로 본 논문에서는 표면의 피크 영역을 나타내는 거칠기 값들을 이용해서 미세 토포그라피를 분석하고 간소화하여 나타낼 수 있는 형상 모델을 제시하였다. 또한 이를 이용하여 웨이퍼와 패드의 실접촉면적을 예측하고 실측값과의 비교를 통해 모델의 타당성에 대한 근거를 마련하였다. 또한 이렇게 간소화된 표면 형상 모델을 바탕으로 표면의 형상이 CMP에 얼마나 영향을 미치는지를 파악하기 위해 이를 CMP의 수학적인 재료 제거 예측 모델에 적용하였고 실제 실험 결과와 비교하였다. 그 결과 기존의 복잡한 수학적 재료 제거 모델을 간소화 시킬 수 있었다.
본 논문은 연마패드의 표면 미세 토포그라피에 관한 실용적인 연구를 수행하였고, 도출된 결과는 CMP 연마 메커니즘 규명과 연마 효율 개선, 패드 컨디셔닝 공정의 최적화에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

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