Design Variables of Chemical-Mechanical Polishing Conditioning System to Improve Pad Wear Uniformity

패드 마모 균일성 향상을 위한 CMP 컨디셔닝 시스템 설계 변수 연구

Abstract

Chemical-mechanical polishing (CMP) process is a semiconductor process that planarizes a wafer surface using mechanical friction between a polishing pad and a substrate surface during a specific chemical reaction. During the CMP process, polishing pad conditioning is applied to prevent the rapid degradation of the polishing quality caused by polishing pad glazing through repeated material removal processes. However, during the conditioning process, uneven wear on the polishing pad is inevitable because the disk on which diamond particles are electrodeposited is used. Therefore, the abrasion of the polishing pad should be considered not only for the variables during the conditioning process but also when designing the CMP conditioning system. In this study, three design variables of the conditioning system were analyzed, and the effect on the pad wear profile during conditioning was investigated. The three design variables considered in this study were the length of the conditioner arm, diameter of the conditioner disk, and distance between centers. The Taguchi method was used for the experimental design. The effect of the three design variables on pad wear and uniformity was assessed, and new variables used in conditioning system design were proposed.

1. 서론

반도체 산업에서 화학적 기계 평탄화(Chemical Mechanical Planarization; CMP) 공정은 특정한 화학 반응 하에서 연마 패드(Polishing pad)와 기판 표면 사이의 기계적 마찰을 통해 표면을 평탄화시키는 반도체 공정 중 하나이다[1]. 다시 말해 CMP는 미세한 고체입자가 용액 속에현탁된 슬러리(Slurry)에 의한 화학적 반응과 연마 입자 (Abrasive)에 의한 기계적 재료 제거를 이용하는 하이브리드 표면 가공의 하나로 반도체용 소재 표면의 표면 거칠기를 확보하고, 소자 형성에 있어 표면의 광역 평탄화 (Global planarization)를 위한 공정이다[2, 3].

그러나 CMP 공정은 연마 패드 위에 가공 부산물이 발생시키며, 이러한 부산물을 제거하기 위해서 컨디셔닝 (Conditioning) 공정을 필요로 한다. 컨디셔닝은 CMP 후 연마 패드 위의 가공 부산물을 제거해주는 역할을 하며 연마 패드의 표면 거칠기(Surface roughness)를 일정하게유지시키는 역할을 한다. 하지만 연마 패드 표면 형상은 컨디셔닝 공정이 누적될수록 불균일하게 마모되며 일반적으로는 컨디셔닝 후 “W” 형상의 패드 프로파일을 가지게 된다[4]. 이러한 문제를 해결하기 위하여 컨디셔닝공정 인자가 패드의 마모 형상에 미치는 영향에 관한 연구가 이루어지고 있다.

CMP 컨디셔닝 시스템에 관한 연구에서는 컨디셔너의 스윙 조건에 관한 연구가 많이 이루어지고 있으며, 특히, 컨디셔너의 기구학적 운동 해석에 기반한 패드 프로파일 예측에 대한 연구가 이루어지고 있다. Chang 등[5]은 컨디셔닝 시스템의 기하학적 해석을 통해 패드 마모 프로파일을 해석하였으며 실험을 통해 그 결과를 확인하였다. Lee 등[6]은 스윙 암(Swing-arm) CMP 컨디셔닝에서 컨디셔너의 스윙 운동에 따른 패드의 마모 프로파일의 시뮬레이션에 관하여 연구하였다. 그들은 스윙 암의 속도 프로파일이 볼록한 형상을 가지는 경우 패드 프로파일의 변화가 가장 작음을 시뮬레이션과 실험을 통해 확인하였다. Li 등[7]은 스윙 암(Swing-arm) 컨디셔닝 시스템의 컨디셔너 스윙 운동에 따른 패드 마모 프로파일에 관해 연구하였으며, 수치해석적인 방법을 통한 패드 마모 프로파일의 계산 방법을 제안하였다. 그리고 컨디셔닝 시스템의 개선을 통해 균일한 패드 마모 프로파일을 얻고자 하는 연구도 발표되고 있다. Lee 등[8]은 CMP 컨디셔닝에 따른 패드의 불균일한 마모가 SiO² CMP애서 재료제거율(Material removal rate; MRR) 의분포에 미치는 영향에 관해 연구하였으며, 누적된 패드의 불균일 마모는 CMP 재료 제거 균일성을 악화시킴을 실험을 통해 확인하였다. Son 등[9]은 분할된 컨디셔닝디스크를 이용해 컨디셔너의 스윙 운동 동안에 접촉면적을 조절하여 보다 균일한 패드 마모 프로파일을 얻을 수 있음을 보여주었으며 CMP 시 MRR의 균일성을 유지시키는데 도움이 됨을 보여주었다.

CMP 컨디셔닝에 관한 많은 해석적 연구들이 많이 이루어졌지만, 대부분의 연구는 컨디셔닝 공정 조건에 따른 패드 프로파일에 대한 해석적, 실험적 연구에 국한되고 있다. 그러나 컨디셔닝 시스템의 설계에 필요한 인자에 관한 연구는 수행되지 않고 있다. 본 연구에서는 컨디셔닝 시스템의 공정 변수 외에 설계 조건에 관련된 스윙 암의 길이(Length of Swing-arm: A), 축간거리(Distance between centers: B), 디스크 직경(Diameter of disk: C) 의 3가지 설계 변수에 따른 패드 프로파일 변화에 관해 연구하고자 하였다. 이를 위해 기존 연구자들이 제안한 패드 프로파일 시뮬레이션 기법을 바탕으로 다구찌 (Taguchi) 실험계획을 통해 해석을 수행하였다. 또한, 해석을 통해 패드 마모 균일성 향상을 위한 CMP 컨디셔닝 시스템 설계에 관련한 주요 변수를 제안하였다.

2. 연구방법 및 내용

2-1. 패드 마모 프로파일 시뮬레이션

Fig. 1은 CMP 컨디셔닝 시스템의 개략도를 보여주고 있다. 본 연구에서 시뮬레이션에 활용된 컨디셔너는 약 2000개의 다이아몬드 입자가 직교로 배열되어 있으며, 스윙 암은 일정한 속도로 운동하는 것으로 가정하였다.

Fig.1. Schematic of CMP conditioning system.

시뮬레이션에서 고려한 패드의 직경은 762 mm이다. 패드 마모 프로파일 시뮬레이션(Density methode)은 다음의 3단계로 이루어진다.

(1) 패드 마모 프로파일 시뮬레이션을 위해 연마 패드 윗면을 나누어 가상의 영역(10 mm × 10 mm)들을 생성

(2) 컨디셔너에 부착된 입자들이 연마 패드 위를 움직이는 궤적(Trajectory) 계산

(3) 가상의 영역을 지나는 다이아몬드 입자의 슬라이딩 거리를 해당 가상 영역에 누적

시뮬레이션을 위해 설정된 컨디셔닝 시스템의 조건은 Table 1과 같다.

Table 1. Fixed conditions used in CMP conditioning sumulation

2-2. 다구찌 실험 계획

본 연구에서는 다구찌 실험계획을 통해 컨디셔닝 시스템의 설계 변수들이 컨디셔닝 밀도(Conditioning density; CD) 프로파일의 평균(Average), 표준편차(standard de- viation; STDEV), 불균일도(Non-uniformity; NU), 최대와 최솟값의 차이(Max-Min)에 미치는 영향을 조사하였다. 여기서 패드의 마모는 시뮬레이션에서 계산된 단위영역당 다이아몬드 입자의 누적 슬라이딩 거리(컨디셔닝 밀도)와 비례한다고 가정한다. 다구찌 실험 계획은 3인자, 5수준을 가지는 L25 직교 배열(Orthogonal array)을선정하였으며 실험에 사용된 인자와 수준은 Table 2와 같다. Table 3은 본 연구에서 고려한 다구찌 실험 계획을 보여준다.

Table 2. Factors and levels of Taguchi design of experiment (unit: mm)

Table 3. Taguchi design of experiment (L25)

본 연구에서는 다구찌 실험계획의 결과를 분석하기 위하여 MINITAB 소프트웨어를 이용하여 신호대 잡음의 비(Signal to noise ratio; SN ratio)를 평가하였다. 다 구찌 실험계획법에서의 응답은 300 mm 직경의 웨이퍼가 연마 패드에 위치하는 연마 패드 영역(패드 중심으로부터 50~350 mm 영역)에서의 컨디셔닝 밀도 프로파일의 평균, 표준편차, 불균일도, 최대와 최솟값의 차이로 설정하였다. 응답으로 설정된 값은 CMP 공정에서 작은 값을 가질수록 재료 제거에 있어 균일성 확보에 도움이 되기 때문에 결과의 분석에 있어 망소 (Smaller is better) 특성을 고려하였다.

3. 결과 및 고찰

3-1. 시뮬레이션 결과

Fig. 2는 컨디셔너에 위치한 다이아몬드 입자의 운동궤적을 보여준다. 컨디셔너에 전착된 다이아몬드 입자는 컨디셔너의 회전 및 스윙 운동에 따라서 패드 위를 지나게 되고 동시에 패드의 마모가 발생한다. Fig. 3과 같이 패드 위를 지나는 다이아몬드 입자 궤적에 대한 시뮬레이션 결과 중 6, 7, 12, 13, 18, 24, 25번 조건은 입자가 패드의 중심을 지나고 있으나, 그 외 조건에서는 패드의 중심에서 일정한 반경까지 입자가 닿지 않음을 확인할 수 있으며 이는 스윙 암의 길이와 축간 거리 사이의 관계, 그리고 컨디셔너의 직경에 기인한 결과임을 알 수 있다.

Fig. 2. Trajectories of diamond grits.

Fig. 3. Results of conditioning density simulation.

Fig. 3은 시뮬레이션을 통해 얻은 단위 영역당 다이아몬드 입자의 컨디셔닝 밀도를 보여주고 있다. 다이아몬드 입자의 궤적 시뮬레이션 결과와 동일하게 6, 7, 12, 13, 18, 24, 25번 조건은 패드 전면을 지나고 있음을 알 수 있다. 그러나, 앞서 언급한 7개의 조건 역시 불균일한 패드 마모의 형상을 보여주고 있어 패드 반경 방향의 scale and (b) narrow scale (wafer contact area). 컨디셔닝 밀도를 통해 웨이퍼가 접촉하는 영역에서 컨디셔닝 밀도 분포를 확인하였다. Fig. 4(a)는 실험조건 6, 7, 12, 13, 18, 24, 25번의 패드 반경 방향 컨디셔닝 밀도 분포를 보여준다. 반경 방향 컨디셔닝 밀도에서 7, 12, 13, 24, 25번 조건의 경우는 연마 패드 중심부의 컨디셔닝 밀도가 작게 발생하는 경향을 보이는 반면, 6, 18번 조건의 경우는 패드 중심부 및 주위에서 높은 컨디셔닝 밀도를보이고있다. 6, 18번 조건에서 패드 중심 주위의 컨디셔닝 밀도가 높이 나오는 이유는 컨디셔닝 암의 스윙 운동 시 컨디셔너가 패드의 중심을 지나기 때문으로 보인다.

Lee 등의 연구[8]에 따르면, 웨이퍼와 연마 패드가 접촉하는 영역의 패드 프로파일은 CMP 공정의 재료 제거 균일성에 영향을 미치고 있다. 따라서 CMP의 재료 제거 균일성 확보를 위해서는 컨디셔닝 시 균일한 컨디셔닝 밀도를 유지할 필요가 있다. Fig. 4(b)는 컨디셔닝 시패드의 중심까지 다이아몬드 입자의 궤적이 형성되는 7 가지 조건에서 300 mm 웨이퍼가 접촉하는 영역의 컨디셔닝 밀도를 보여준다. Fig. 4(b)에 따르면 18번 조건에서 가장 평탄한 프로파일을 확인할 수 있다.

Fig. 4. Line profiles of conditioning densities; (a) full-scale and (b) narrow scale (wafer contact area).

패드의 수명을 향상시키기 위해서는 컨디셔닝 시 낮은 마모량을 가지면서도 균일한 패드 마모 조건을 선택하는 것이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 다구찌 실험계획법에 따른 25개 시뮬레이션 결과에서 300 mm 웨이퍼가 접촉하는 영역의 컨디셔닝 밀도 프로파일 평균, 표준편차, 불균일도, 최대와 최소값의 차이를 계산하였다. 컨디셔닝 프로파일의 불균일도는 Eq. 1과 같이 계산된다. (1)

\(N U(\%)=\frac{S T D E V \text { of } C D}{A v g \cdot \text { of } C D} \times 100\)       (1)

Fig. 5는 시뮬레이션 조건에 따른 컨디셔닝 밀도 프로파일 평균, 표준편차, 불균일도, 최대와 최솟값의 차이를 보여주고 있다.

Fig.5. Simulation result of conditioning densities; (a) average, (b) standard deviation, (c) non-uniformity, and (d) Max-Min.

3-2. 다구찌 실험계획의 분석

앞서 언급한 바와 같이 본 연구에서는 MINITAB 소프트웨어를 이용하여 SN 비를 평가하였다.

Fig. 6과 Table 4는 SN 비 분석에 대한 결과를 보여주고 있다. 분석 결과에 따르면 암의 길이, 컨디셔너 직경, 축간 거리의 순으로 본 연구에서 선정된 응답에 영향을 미치고 있다. 암의 길이는 4수준(600 mm), 축간 거리는 3 수준(600 mm), 컨디셔너 직경은 2수준(80 mm)에서 가장 높은 SN 비를 가지고 다구찌 실험계획의 분석에서 가장 최적의 응답을 보일 것으로 판단된다.

Fig. 6. Main effect plot for SN ratio.

Table 4. Results of SN ratio analysis

3-3. 축간 거리와 컨디셔너 커버리지의 비

앞서 언급한 다구찌 계획법에 의한 분석에 의한 결과는 컨디셔닝 시스템을 설계하는데 있어 도움이 될 수 있으나, 설계의 기준을 명확히 제시하지는 못하고 있다. 따라서 본 연구에서는 축간 거리에 대한 컨디셔너 커버리지(Conditioner’s coverage; CC)의 비(CC/CD ratio) 와컨디셔닝 밀도 프로파일의 평균, 표준편차, 불균일도, 최대와 최솟값의 차이에 관해 연구하였다. 축간 거리와 컨디셔너 커버리지의 비는 아래 식으로 정의된다. 여기서 컨디셔너 커너비지는 암의 길이와 컨디셔너 디스크 반경의 합으로 컨디셔닝 시스템에서 패드 컨디셔닝이 이루어질 수 있는 반경을 뜻한다.

\(C C / D C r a t i o=\frac{L A+D D / 2}{D C}\)       (2)

Fig. 7은 CC/DC의 비에 따른 컨디셔닝 밀도 프로파일 평균, 표준편차, 불균일도, 최대와 최솟값의 차이를 보여주고 있다. Fig. 7(a)에 따르면 컨디셔닝 밀도의 평균은 CC/DC의 비에 따라 전반적으로 큰 경향성 없이 분포하고 있음을 알 수 있다. 그러나 밀도 프로파일의 표준편차, 불균일도, 최대와 최솟값의 차이(Fig. 7(b)~(d))는 CC/DC의 비 1.05에서 공통적으로 가장 낮은 값을 보인 다. 따라서 CC/DC의 비는 컨디셔닝 시스템의 설계에 있어 컨디셔닝 밀도 프로파일의 편차를 줄일 수 있는 변수로 활용이 가능할 것으로 판단된다. 다구찌 실험계획의 조건 중 CC/CD의 비 분석을 통해 얻은 가장 낮은 컨디셔닝 밀도 프로파일의 표준편차, 불균일도, 최대와 최솟값의 차이를 가지는 조건은 18번 조건에 해당되는 암의 길이 600 mm, 축간 거리 600 mm, 디스크 직경 60 mm 조건으로 분석된다.

Fig. 7. Simulation results of conditioning densities as a function of CC/DC ratio; (a) average, (b) standard deviation, (c) non-uniformity, and (d) Max-Min.

3-4. 최적 조건 비교

본 절에서는 다구찌 실험계획에서 SN 비의 평가를 통해 얻은 조건과 CC/DC의 비가 가장 낮은 조건을 비교하였다. Fig. 8은 3.3절에서 CC/DC의 비 1.05에 해당하는 18번 조건과 다구찌 실험 계획법을 통해 얻은 최적 조건에서의 다이아몬드 입자 궤적과 컨디셔닝 밀도 분포를 보여준다. Fig. 9는 Fig. 8에서 보여준 컨디셔닝 밀도의 패드 중심으로부터 반경 방향 프로파일을 도시한 것이다. 두 조건의 비교 결과 300 mm 웨이퍼와 접촉하는 패드 영역에서 Case 18의 경우가 보다 긴 평탄화 영역을 가짐을 알 수 있다. Table 5는 두 조건의 컨디셔닝 밀도 프로파일 평균, 표준편차, 불균일도, 최대와 최솟값의 차이를 보여주고 있다. 본 연구의 시뮬레이션 조건에서 CC/CD의 비 1.05에서 가장 최적의 조건을 가지는 이유는 컨디셔너가 패드의 전면을 고르게 지나며, 패드 중심을 일정 부분 지나쳐 상대속도가 낮은 패드 중심 부근에서 다른 설계 조건에 비하여 평탄한 패드 마모 프로파 일을 제공하기 때문일 것으로 보인다. 또한 상대적으로 작은 디스크 직경을 이용해 상대 속도가 큰 패드 외 주부 에서 컨디셔닝 밀도를 낮춰 컨디셔닝 밀도 프로파일의 평탄한 영역을 증가시키는 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서 제안한 CC/CD의 비는 CMP 컨디셔닝 시스템의 설계 최적화를 위해 고려 가능한 인자가 될 수 있을 것으로 생각된다.

Fig. 8. Optimized trajectories of diamond grits and conditioning density profiles obtained from CC/DC ratio and Taguchi method.

Fig. 9. Comparison of conditioning density profiles of Case 18 and optimized condition from Taguchi method.

Table 5. Simulation results of Case 18 and optimized condition from Taguchi method

4. 결론

본 연구에서는 다구찌 실험 계획법을 이용하여 CMP 컨디셔닝 시스템의 설계 변수에 따른 패드 프로파일의 예측과 최적화에 대해 연구하였다. 컨디셔닝 시스템 설계 변수의 인자는 축간거리, 스윙암의 길이 그리고 컨디셔너 디스크 직경으로 선정하고 설계 변수에 기인한 결과로 6, 7, 12, 13, 18, 24, 25번 case는 다이아몬드 입자가 패드의 중심을 지나고 전면에 컨디셔닝이 되나 그 외 조건에서는 패드의 중심에서 일정한 반경까지 입자가 닿지 않고 불균일한 패드의 마모가 예측된다. 다구찌 실험 계획법을 통해 스윙암의 길이(A)는 4수준(600mm) 컨디셔너 디스크 직경(C)는 2수준(80mm) 축간거리(B) 는 3수준(600mm)에서 최적의 결과를 보이는 반면 축간 거리와 컨디셔너 커버리지 비(1.05)의 해석 결과로 case 18에서 가장 낮은 평균값, conditioning density, STDEV, WIPNU, Max-Min 값을 보인다. 결국 축간거리와 컨디셔너 커버리지 비 10.5 조건이 Taguchi Method에 의해 제안된 조건보다 최적의 컨디셔닝 시스템 설계 변수로 판단되며, 향후 CMP 컨디셔닝 시스템의 주요 설계 변수로 활용 가능할 것으로 보인다. 또한 본 연구를 통해 연구된 설계 변수는 CMP 컨디셔닝 시스템의 최적설계 에 활용이 가능할 것으로 예상된다.