[논문]상대속도를 고려한 CMP 공정에서의 연마제거율 모델

김기현; 오수익; 전병희

doi:10.5228/kspp.2004.13.3.225

상대속도를 고려한 CMP 공정에서의 연마제거율 모델
MRR model for the CMP Process Considering Relative Velocity 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.13 no.3, 2004년, pp.225 - 229

김기현 (서울대학교 기계항공공학부 미세성형연구실) , 오수익 (서울대학교 기계항공공학) , 전병희 (인덕대학)

Abstract ▼ AI-Helper

Chemical Mechanical Polishing(CMP) process becomes one of the most important semiconductor processes. But the basic mechanism of CMP still does not established. Slurry fluid dynamics that there is a slurry film between a wafer and a pad and contact mechanics that a wafer and a pad contact directly are the two main studies for CMP. This paper based on the latter one, especially on the abrasion wear model. Material Removal Rate(MRR) is calculated using the trajectory length of every point on a wafer during the process time. Both the rotational velocity of a wafer and a pad and the wafer oscillation velocity which has omitted in other studies are considered. For the purpose of the verification of our simulation, we used the experimental results of S.H.Li et al. The simulation results show that the tendency of the calculated MRR using the relative velocity is very similar to the experimental results and that the oscillation effect on MRR at a real CMP condition is lower than 1.5%, which is higher than the relative velocity effect of wafer, and that the velocity factor. not the velocity itself, should be taken into consideration in the CMP wear model.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 CMP공정에서 oscillation의 효과를 포함하여 MRR을 예측하였고, 마모모델에서 MRR을 예측할 경우 단순히 일정한 상대속도를 곱하는 기존의 방법에는 한계가 있음을 확인하였다.

가설 설정

본 논문은 contact mechanics 에 바탕을 두었으며, 슬러리 입자에 의한 abrasion wearES만에 의해 연마가 진행된다고 가정하였다. 대부분의 기존 abra sion wear model에서 웨이퍼 위의 모든 위치의 패드에 대한 상대속도가 동일하다는 가정하에 MRR 을 예측하였는데, 이는 실제 CMP공정 조건과 상이하다.

제안 방법

CMP 공정 중 웨이퍼 위의 모든 위치에서의 패드에 대한 상대속도를 고려하여 웨이퍼의 전체면 적에 대한 MRR을 예측하였다. 기존의 연구에서 간과하였던 웨이퍼와 패드의 변화하는 상대속도 조건과 웨이퍼의 진동 운동에 의해서 얻어지는 MRR의 변화를 고려하였다.
CMP 공정 중 웨이퍼 위의 모든 위치에서의 패드에 대한 상대속도를 고려하여 웨이퍼의 전체면 적에 대한 MRR을 예측하였다. 기존의 연구에서 간과하였던 웨이퍼와 패드의 변화하는 상대속도 조건과 웨이퍼의 진동 운동에 의해서 얻어지는 MRR의 변화를 고려하였다. 진동에 의한 MRR의 변화는 ω_os/ω_p=1을 기준으로 증감이 달리 나타났다.
본 논문에서는 CMP 공정 동안 웨이퍼 각 위치에서의 패드에 대한 상대 궤적의 길이를 구하고 이를 이용하여 웨이퍼의 전체 면적에 대한 MRR 을 예측하였다. 웨이퍼와 패드의 각속도뿐만 아니라 진동의 영향도 고려하였다.
5는 웨이퍼와 패드의 회전 중심 간의 거리, d 에 따른 MRR의 변화를 그래프로 보인 것이다. 비교를 위하여 d=100mm인 경우의 MRR로 각각의 MRR을 나누었고, ω_os=0인 경우의 그래프를 가는 점선으로 나타내었다. ω_os/ω_p의 값이 0.
시뮬레이션에서는 웨이퍼의 반경 방향, ω_w/ω_p, ω_s/ω_p, 그리고 웨이퍼와 패드의 중심 간의 거리에 따른 MRR 분포를 계산하였다.
실험에서 진동 여부와 웨이퍼와 패드의 중심 간의 거리에 대한 언급이 없었기 때문에 coos=0, d=200mm로 하여 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 결과는 패드의 속도가 동일한 경우 실험 결과와 상당히 유사하다.
Li et al⁽¹²⁾ 의 실험 결과와 비교하였다. 실험은 IC1400 패드와 IClOOO-SubaⅣ 패드에서 5psi, 7psi, 9psi의 압력 조건으로 행해졌고, 각 경우에서의 웨이퍼와 패드의 각속도 조건이 (25rpm, 36rpm), (39rpm, 36rpm), (25rpm, 20rpm), (39rpm, 20rpm) 일 때의 MRR 값을 측정하였다. Fig.

데이터처리

시뮬레이션의 결과를 검증하기 위하여 ChemicalMechanical Polishing in Silicon Processing⁽¹⁾에 소개된 S.H.Li et al⁽¹²⁾ 의 실험 결과와 비교하였다. 실험은 IC1400 패드와 IClOOO-SubaⅣ 패드에서 5psi, 7psi, 9psi의 압력 조건으로 행해졌고, 각 경우에서의 웨이퍼와 패드의 각속도 조건이 (25rpm, 36rpm), (39rpm, 36rpm), (25rpm, 20rpm), (39rpm, 20rpm) 일 때의 MRR 값을 측정하였다.

성능/효과

웨이퍼와 패드의 각속도뿐만 아니라 진동의 영향도 고려하였다. 그리고 실험적인 뒷받침을 위하여 S.H.Li etal/2)의 실험 결과와 비교하였는데, 예측한 MRR의 경향이 실험에서와 상당히 유사한 것을 확인하였다. 또한 기존의 마모 모델에서 웨이퍼와 패드 사이의 상대속도를 동일한 값으로 보고 단순히 이 값을 곱하여 MRR을 구하였으나, 시뮬레이션 결과 상대속도에 종속되 는 MRR 인자가 있음을 확인하였다.
첫째, CMP 공정 중에 웨이퍼 전면에 항상 동일한 압력이 작용한다. 둘째, 웨이퍼상의 한 점에서 연마되는 깊이는 그 부분이 CMP 공정 동안 패드 위를 지나는 이동 거리에 비례하며, 다른 변수에 독립적이다. 이러한 가정에 따르면, 웨이퍼 위의 한 점 (r, 0)에서의 MRR 은 식 ⑶과 같다.
Li etal/2)의 실험 결과와 비교하였는데, 예측한 MRR의 경향이 실험에서와 상당히 유사한 것을 확인하였다. 또한 기존의 마모 모델에서 웨이퍼와 패드 사이의 상대속도를 동일한 값으로 보고 단순히 이 값을 곱하여 MRR을 구하였으나, 시뮬레이션 결과 상대속도에 종속되 는 MRR 인자가 있음을 확인하였다.
5% 미만이다. 시뮬레이션 결과에 의하면 MRR의 변화에 영향을 미치는 인자들의 순서는 d > ω_os/ω_p > ω_w/ω_p 이다.
9psi IClOOO-SubaⅣ에서의 처음 데이터가 나머지 경우와 크게 다른 것을 확인할 수 있는데, 이는 패드나 슬러리의 교체 또는 웨이퍼의 상태 등의 변수로부터 오는 실험 상의 오차라고 판단된다. 실험 데이터 값이 충분히 많지 않으나, 동일한 패드에서 압력이 높을수록 절대적인 MRR은 커지지만 상대적인 MRR의 경향은 큰 영향을 받지 않음을 볼 수 있다. 이는 슬러리 입자 하나당 abrasion wear 하는 능력은 동일하고 압력이 높을수록 마모에 참여하는 입자의 개수가 늘어난다는contact mechanics wear model을 뒷받침하는 결과이기도 하다.
⁽¹²⁾의 실험결과와 비교하였는데, 시뮬레이션 결과의 전체적인 양상이 실험 결과와 상 당히 유사했다. 좀 더 자세히는 패드의 속도가 동일한 경우 실험 결과와 거의 동일한 값의 변화를 보였고, 패드의 속도가 80% 증가한 경우 시뮬레이션에 의한 값이 약 13% 크게 예측되었다. 마 모 모델에 의하면 실험 결과가 시뮬레이션 결과와 동일해야하는데, 그렇지 못하다는 것은 상대속 도에 종속적인 인자가 존재한다는 것을 의미한다.
MRR을 계산하기 위해서 두 가지 기본적인 가정을 하였다. 첫째, CMP 공정 중에 웨이퍼 전면에 항상 동일한 압력이 작용한다. 둘째, 웨이퍼상의 한 점에서 연마되는 깊이는 그 부분이 CMP 공정 동안 패드 위를 지나는 이동 거리에 비례하며, 다른 변수에 독립적이다.

참고문헌 (6)

10.1149/1.2054985
Park, Sang-Shin, Cho, Chul-Ho, Ahn, Yoomin. Hydrodynamic analysis of chemical mechanical polishing process. Tribology international, vol.33, no.10, 723-730.

상세보기
Larsen-Basse, J., Liang, H.. Probable role of abrasion in chemo-mechanical polishing of tungsten. Wear: An international journal on the science and technology of friction, lubrication and wear, vol.233, 647-654.

상세보기
Luo, Jianfeng, Dornfeld, D.A.. Material removal mechanism in chemical mechanical polishing: theory and modeling. IEEE transactions on semiconductor manufacturing : a publication of the IEEE Components, Hybrids, and Manufacturing Technology Society, the IEEE Electron Devices Society, the IEEE Reliability Society,, vol.14, no.2, 112-133.

상세보기
Ahmadi, Goodarz, Xia, Xun. A Model for Mechanical Wear and Abrasive Particle Adhesion during the Chemical Mechanical Polishing Process. Journal of the Electrochemical Society : JES, vol.148, no.3, G99-.

상세보기
Zhao, Yongwu, Chang, L. A micro-contact and wear model for chemical–mechanical polishing of silicon wafers. Wear: An international journal on the science and technology of friction, lubrication and wear, vol.252, no.3, 220-226.

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