Analysis of groove geometry effect on CMP characteristics = CMP공정에 미치는 패드 그루브 형상 효과의 분석

국문 초록 (Abstract)

화학 기계적 평탄화(Chemical Mechanical Planarization), 혹은 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing)로 알려진 CMP 공정은 초고밀도 집적회로(Ultra Large Scale Integrated Circuit)제작을 위해 배선 형성과 칩의 적층 과정에서 요구되는 표면 요철 제거와 광역 평탄화를 달성하는데 사용되는 기술로서 폭넓게 알려져 있다. CMP공정이 진행되는 동안 웨이퍼는 연마패드에 맞닿은 상태에서 압력을 받으며 회전운동을 하게 되며 동시에 화학적 연마액과 연마입자를 포함하는 슬러리가 패드와 웨이퍼의 접촉면으로 흘러 들어 가게 된다. 이때 패드와 웨이퍼, 그리고 슬러리의 상호작용과 패드와 웨이퍼의 상대운동에 의해 연마가 이루어진다.
CMP 공정에서, 특히 대구경 웨이퍼 사용시, 공정의 능률과 안정성을 확보하기 위해 슬러리와 패드 등의 최적화는 매우 중요하다. 패드의 경우에는 연마 생성물을 빨리 내보내고 연마입자의 연속적인 공급을 위해 홈이 파여진 그루브 패드(Groove pad)가 개발되어 현재 사용되고 있다.
그루브 패드가 CMP공정에서 중요한 역할을 담당하고 있는 만큼 수많은 종류의 그루브 형상이 사용되고 있으며 본 논문에서는 패드의 효율을 높이기 위해 그루브의 형상이 CMP 공정에 미치는 영향을 재료제거량(MRR), 연마균일도, 슬러리 유동의 측면에서 밝히고자 하였다.
우선, CMP 공정 도중의 마찰계수의 변화를 연구하고 분석하였다. 초순수(DIW)가 슬러리로 대체되는 과정에서 마찰계수의 변화를 관찰하여 연마입자의 함량과 마찰계수의 관계를 파악하였다. 슬러리가 유입되면서 발생한 마찰계수의 변화는 연마입자의 함량변화에 의한 마찰계수의 변화와 정확히 일치하였다. 연마입자의 함량이 0이거나 0.1wt% 미만으로 매우 작은 경우에는 마찰계수 값은 무척 작았으나 입자함량이 점점 증가하면서 마찰계수값은 급격히 상승하게 되고 어느 시점에서 정점을 기록한 이후에는 점점 감소하다가 이후 일정하게 유지되는 모습을 보였다.
본 논문에서는 그루브의 형상과 크기, 패턴모양이 각기 다른 X-Y 그루브 패드와 동심원 그루브패드가 실험에 사용되었다. 첫째로, 연마입자 함량과 마찰계수의 관계에 기초하여 그루브의 형상이 슬러리 유동에 미치는 영향을 SDT(Slurry Duration Time)를 통해 밝혀내었고 실제 연마실험결과의 비교와 분석을 통해 그루브 형상, 재료제거량(MRR), 연마불균일도(WIWNU)의 상호 연관성을 연구하였다.
둘째로 그루브에 따른 연마입자의 거동과 패드와 웨이퍼의 윤활조건을 분석하였다. 실험결과는 패드 그루브의 형상이 SDT에 무척 큰 영향을 끼칠 수 있으며 이로 인해 연마입자의 거동이 바뀔 수 있음을 보여준다. 너비가 넓고 촘촘한 그루브의 패드는 상대적으로 더 원활한 슬러리 유동을 통해 연마입자가 구름운동 보다는 긁힘운동을 하도록 만들어 마찰계수를 높이고 재료제거량(MRR)과 연마균일도를 향상시킨다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1 Introduction 1
• 1.1 Background 1
• 1.2 Chemical mechanical polishing (CMP) Introduction 7
• 1.3 Objectives 9
• 1.4 Dissertation Outline 11
• Chapter 2 Technical Background 12
• 2.1 Groove pads in CMP 12
• 2.1.1 Pad groove functions 12
• 2.1.2 Pad groove geometry 13
• 2.2 Contact mechanism in CMP 18
• 2.3 Characteristics in CMP 22
• 2.4 Previous research on groove geometry 23
• Chapter 3 COF Changes during CMP Process 25
• 3.1 Fluid transient phenomena in CMP process 26
• 3.1.1 Experiments set up 26
• 3.1.2 Fluid transient process behavior 29
• 3.2 The relationship between abrasive concentration and COF 31
• 3.2.1 Experiment set up 31
• 3.2.2 COF corresponding to abrasive concentration 31
• 3.2.3 Analysis of the COF changes behavior 33
• 3.3 Summary 35
• Chapter 4 Groove Geometry Effect 36
• 4.1 Slurry duration time 37
• 4.2 Experiment set up 39
• 4.2.1 Experiment classification 39
• 4.2.2 Experiment conditions 39
• 4.3 Groove geometry effect 44
• 4.3.1 Slurry duration time behavior 44
• 4.3.2 MRR and polishing uniformity behavior 48
• 4.3.3 Analysis of groove geometry effect 53
• 4.4 Summary 55
• Chapter 5 Conclusions 56
• References 58
• Abstract 62