CMP 온도 모니터링 시스템을 이용한 웨이퍼 면내 균일도 향상에 관한 연구 = A Study on Improvement of With-in Wafer Uniformity using CMP Temperature Monitoring System

국문 초록 (Abstract)

반도체 제조 기술이 발전함에 따라 반도체 선폭의 미세화와 고집적화가 진행되고 있다. 최근 포토 리소그래피 공정에 미세 선폭 구현을 위해 EUV (Extreme Ultraviolet) 장비가 적용됨에 따라 초점 심도 마진 확보를 위하여 CMP (Chemical Mechanical Planarization/Polishing) 공정의 중요성이 증대되고 있다. 하지만 생산성 향상을 위해 웨이퍼 사이즈가 대구경화 됨에 따라 CMP 공정에서 면내 균일도가 감소하여 문제가 되고 있다. CMP 공정은 웨이퍼와 패드의 접촉면에서 마찰에 의한 기계적인 연마와 화학 용액인 슬러리에 의한 화학적인 연마에 의해 웨이퍼 표면이 평탄화 되며, 이 과정에서 열이 발생하게 된다. 이 때 발생한 열은 슬러리의 화학적 반응성과 입자 상태, 패드의 물성 등을 변화시켜 연마 결과에 영향을 미치게 된다. 따라서, 실제 연마가 일어나는 웨이퍼 온도 분포 측정 및 제어를 통하여 연마 결과를 향상시키기 위한 연구가 필요하다.
본 연구는 면내 균일도 모니터링 및 공정 조건 제어를 통한 공정 최적화를 위한 기초 단계의 연구로서, CMP 온도 모니터링 시스템을 제작하여 공정 중 웨이퍼 온도 분포를 측정한 후, 이를 재료제거율 (material removal rate, MRR) 프로파일과 비교 분석하여 웨이퍼 온도 를 통한 면내 균일도 추정이 가능함을 확인하였다. 또한, 스프레이 노즐을 사용한 슬러리 공급을 통하여 웨이퍼 온도를 제어함으로써 면내 균일도와 MRR 을 향상시킬 수 있는 방안을 제시하였다.
웨이퍼와 패드 온도의 비교 분석을 통하여 웨이퍼 온도는 패드 온도에 비해 약 3.7 ℃ 높으며, 웨이퍼 직경 방향 프로파일 또한 다른 경향을 나타내는 것을 확인하였다. 이는 웨이퍼 온도와 패드 온도가 상이하다는 것을 나타내며, 이러한 결과는 기구학적 요인, 슬러리와 산소 가스, 그리고 열전달에 의한 패드의 냉각 등에서 기인한 것이다. 또한, 패드 온도, 웨이퍼 온도, 그리고 MRR 프로파일의 비교 분석을 통하여 웨이퍼 온도 프로파일이 MRR 프로파일을 추종하는 것을 확인하였다. 마지막으로, 슬러리 공급 방식이 웨이퍼 온도와 연마 결과에 미치는 영향에 대해 확인하였다. 스프레이 노즐을 사용하여 웨이퍼 온도를 제어한 결과, 웨이퍼 온도 표준편차와 웨이퍼 내 연마 불균일도 (with-in wafer non uniformity, WIWNU)는 각각 51.90 %, 63.09 % 감소하였으며, MRR 은 23.66 % 상승하였다. 향후 CMP 온도 모니터링 시스템을 자동 공정 제어 및 지능형 장비에 적용한다면, 직접적인 웨이퍼 표면 측정 없이 면내 균일도를 모니터링함과 동시에 공정 조건을 제어하여 공정 최적화를 실현할 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 1 장 서론 ............................................................................................................................................ 1
• 1.1 연구 배경 ................................................................................................................................ 1
• 1.2 연구 동향 ................................................................................................................................ 4
• 1.3 연구 목표 및 내용 ................................................................................................................ 6
• 2 장 CMP 온도 모니터링 시스템 .............................................................................................. 10
• 2.1 시스템 개발 배경 ................................................................................................................ 10
• 2.2 시스템 구성 .......................................................................................................................... 12
• 2.3 측정 및 보정 방법 .............................................................................................................. 15
• 3 장 CMP 공정 온도 분석 .......................................................................................................... 19
• 3.1 공정중 웨이퍼 온도 분석 .................................................................................................. 19
• 3.2 패드와 웨이퍼의 온도 비교 분석 .................................................................................... 23
• 3.3 웨이퍼 온도와 면내 균일도 비교 분석 .......................................................................... 27
• 4 장 스프레이 노즐을 사용한 웨이퍼 면내 균일도 향상 .................................................... 33
• 4.1 스프레이 노즐이 패드 온도에 미치는 영향 .................................................................. 33
• 4.2 스프레이 노즐이 웨이퍼 온도에 미치는 영향 .............................................................. 39
• 4.3 스프레이 노즐이 웨이퍼 면내 균일도에 미치는 영향 ................................................ 44
• 5 장 결론 및 향후 연구 .............................................................................................................. 52
• 5.1 요약 ........................................................................................................................................ 52
• 5.2 결론 및 향후 연구 .............................................................................................................. 55
• References ..................................................................................................................................... 56
• Abstract ......................................................................................................................................... 59