[논문]산화막 CMP에서 패드 두께가 연마율과 연마 불균일도에 미치는 영향

배재현; 이현섭; 박재홍; 니시자와 히데키; 키노시타 마사하루; 정해도

doi:10.4313/jkem.2010.23.5.358

산화막 CMP에서 패드 두께가 연마율과 연마 불균일도에 미치는 영향
Effect of Pad Thickness on Removal Rate and Within Wafer Non-Uniformity in Oxide CMP 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.23 no.5, 2010년, pp.358 - 363

배재현 (부산대학교 기계공학부 정밀가공시스템) , 이현섭 (부산대학교 기계공학부 정밀가공시스템) , 박재홍 , 니시자와 히데키 , 키노시타 마사하루 , 정해도 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The polishing pad is important element for polishing characteristic such as material removal rate(MRR) and within wafer non-uniformity(WIWNU) in the chemical mechanical planarization(CMP). The result of the viscoelasticity measurement shows that 1st elastic modulus is increased and 2nd elastic modulus is decreased when the top pad is thickened. The finite element analysis(FEA) was conducted to predict characteristic of polishing behavior according to the pad thickness. The result of polishing experiment was similar with the FEA, and it shows that the 1st elastic modulus affects instantaneous deformation of pad related to MRR. And the 2nd elastic modulus has an effect on WIWNU due to the viscoelasticity deformation of pad.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이와 같이 패드의 표면 거칠기나 그루브 등 CMP의 연마특성에 미치는 패드의 물리적 특성에 대한 많은 연구가 있었지만, 패드두께의 영향에 대해서는 명확하게 제시되지 않았다. 따라서 본 실험에서는 패드 두께와 연마특성과의 상관관계에 대해 조사하고자 한다.
본 연구에서는 패드의 두께가 산화막 CMP의 연마율과 연마 균일도에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 패드의 점탄성 측정 결과를 통해 상부패드가 두꺼워질수록 1차 탄성율이 커지고, 2차 탄성율은 감소함을 알 수 있었다.

가설 설정

1 mm 크기로 나누었다. CMP 공정 중에서 패드와 연마 해드(head)의 회전과 슬러리의 영향은 무시하고 단순 접촉상태에서 압력을 가한다고 가정한다.

제안 방법

연마실험에서 패드와 연마 헤드의 회전 속도는 동일하기 때문에 상대속도는 일정하다고 가정할 수 있다 [9]. 결과적으로 압력이 연마율에 가장 큰 영향을 미치는 인자라고 생각 할 수 있으므로, 시뮬레이션을 통해 웨이퍼 표면의 압력 분포를 해석하였다.
본 연구에서는 GnP Technology 사의 POLI500 연마기를 사용하였으며, CMP 후 박막두께측정기를 이용하여 연마 전⋅후의 박막두께를 직각 좌표계 형태로 측정하고 이를 계산하여 연마율과 연마 균일도(1σ)를 계산하였다.
시뮬레이션을 구성하는 웨이퍼, 패드, 리테이너 링 (retainer ring), 지지 필름(backing film)은 탄성거동을 하는 등방성 물질이라 고려하며, 웨이퍼와 상부 패드의 요소 망(mesh)을 0.05 mm, 그 외의 물질은 0.1 mm 크기로 나누었다. CMP 공정 중에서 패드와 연마 해드(head)의 회전과 슬러리의 영향은 무시하고 단순 접촉상태에서 압력을 가한다고 가정한다.
패드의 점탄성 측정 결과를 통해 상부패드가 두꺼워질수록 1차 탄성율이 커지고, 2차 탄성율은 감소함을 알 수 있었다. 시뮬레이션을 사용하여 패드두께변화 따른 연마 특성에 대해 예측해 보았고, 연마실험을 통해 시뮬레이션의 타당성을 검증하고 패드두께변화에 따른 탄성⋅점탄성 변화와 연마특성의 상관관계를 조사하였다.
연마실험의 재현성에 대한 신뢰도를 평가하기 위해 먼저 3장의 더미(dummy) 웨이퍼로 연마를 하여 패드 표면을 안정화시킨 뒤, 2장의 모니터링(monitoring) 웨이퍼로 실험을 수행하였다.
2.3 연마실험

연마패드의 두께가 웨이퍼의 연마특성에 미치는 영향에 대한 시뮬레이션의 결과를 검증하기 위해 연마실험을 수행하였으며, 공정 조건은 표 1과 같다.
일반적으로 연질패드의 경우 웨이퍼 표면의 굴곡 추종성이 양호하기 때문에 연마 균일도가 높다. 이러한 특성을 확인하기 위해 패드 종류에 따른 연마 불균일도와 패드의 1차 탄성율을 알아보았다.
이러한 패드의 거동특성을 측정하기 위해 그림 1(b)의 점탄성 측정기를 사용하여 하중을 주기적으로 부가 · 제거하면서 패드의 압축 · 회복 특성을 확인하였다.
일반적으로 웨이퍼와 접촉하고 있는 패드의 탄성이 다른 경우에는 연마압력의 차이에 의해 연마율이 달라지므로 [3,10] 패드 종류에 따른 패드의 1차 탄성율과 연마율을 알아보았다.
패드의 두께가 연마 불균일도에 미치는 영향에 대해 결과를 분석하였다. 일반적으로 연질패드의 경우 웨이퍼 표면의 굴곡 추종성이 양호하기 때문에 연마 균일도가 높다.
패드의 두께가 연마율에 미치는 영향에 대해 분석을 하였다.

이론/모형

패드의 두께 변화에 따른 웨이퍼의 연마 특성을 알아보기 위해 유한 요소법(finite element analysis; FEA)으로 시뮬레이션을 수행하였다.

성능/효과

점탄성 측정 실험을 통해 하중의 부가⋅제거에 따른 패드의 압축⋅회복 특성을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 패드의 두께가 산화막 CMP의 연마율과 연마 균일도에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 패드의 점탄성 측정 결과를 통해 상부패드가 두꺼워질수록 1차 탄성율이 커지고, 2차 탄성율은 감소함을 알 수 있었다. 시뮬레이션을 사용하여 패드두께변화 따른 연마 특성에 대해 예측해 보았고, 연마실험을 통해 시뮬레이션의 타당성을 검증하고 패드두께변화에 따른 탄성⋅점탄성 변화와 연마특성의 상관관계를 조사하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CMP 공정에 사용되는 연마 패드의 역할은?	CMP 공정에 사용되는 연마 패드(pad)는 웨이퍼(wafer)에 가해지는 가공압력을 지지해주며 슬러리(slurry)를 웨이퍼 면내로 전달시켜주는 역할을 한다[2]. 그리고 슬러리 속에 포함되어 있는 연마 입자를 웨이퍼 표면에 대해 수직으로 가압하고 수평으로 구름운동을 시켜 원활한 연마가 일어나도록 한다 [3].
	화학기계적평탄화란?	화학기계적평탄화(chemical mechanical planarization; CMP)는 다층, 고집적 반도체에 필수적으로 적용되는 공정기술이다 [1].
	CMP 공정에 사용되는 연마 패드는 어떤 거동을 보이는가?	이러한 기능을 하는 패드는 주어진 하중에 대해 고분자 물질의 거동 특성인 탄성 거동과 점탄성 거동을 보이며 [4], 연마작용 동안 웨이퍼에 직접적으로 접촉을 하여 연마결과에 영향을 미치게 된다. 그러므로 웨이퍼의 연마율(removal rate)이나 연마 불균일도(within wafer non-uniformity; WIWNU)는 패드의 거동특성에 지배적인 영향을 받게 된다.

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