Chapter 09

산화막·STI CMP

CMP가 처음 양산에 들어온 것은 1990년 전후 층간 절연막(ILD) 평탄화였다. 지금도 산화막 CMP는 웨이퍼 한 장이 거치는 CMP 단계 중 가장 흔하다. 그중 소자 분리용 STI CMP는 '얼마나 평평하게'에 더해 '어디서 멈추는가'가 핵심인 공정이다. 수십 nm 질화막 위에서 정확히 멈춰야 트랜지스터의 활성 영역 높이가 맞는다. 이 장에서는 실리카 슬러리가 산화막을 녹이며 깎는 원리에서 출발해, 세리아 슬러리가 질화막 앞에서 거의 멈추는 이유, 압력에 문턱이 있는 비프레스턴 거동과 자기 정지, 오버폴리시가 남기는 디싱과 질화막 손실, 그리고 웨이퍼 전체의 잔막 산포를 계산한다.

PMD·IMD 같은 ILD CMP의 위치와 목적, 고 pH 실리카 슬러리의 수화층 메커니즘을 설명하고 화학·기계 직렬 모델로 제거율을 추정할 수 있다.
STI 공정 흐름(패드 산화막·질화막 → 트렌치 식각 → 갭필 → CMP → 질화막 제거)을 단면으로 그리고 각 단계의 목적을 설명할 수 있다.
세리아 슬러리의 고선택비 메커니즘(화학적 이빨 효과, 음이온성 첨가제의 질화막 흡착)과 pH·등전점의 관계를 설명할 수 있다.
비프레스턴 압력 문턱과 패턴 압력 분배를 결합해 자기 정지를 설명하고, 선택비·오버폴리시·웨이퍼 불균일로부터 질화막 잔막과 잔류 산화막 위험을 계산할 수 있다.
STI 디싱, 질화막 손실, 필드 산화막 높이(FOH)와 디봇, 고정 연마입자 방식, 질화막 종점 검출의 원리를 설명할 수 있다.

ILD CMP: 어디를 왜 깎나

트랜지스터를 만든 뒤 그 위를 덮는 첫 절연막을 PMD(Pre-Metal Dielectric), 금속 배선층 사이의 절연막을 IMD(Inter-Metal Dielectric)라 하고 둘을 합쳐 ILD라 부른다. 게이트나 배선이 만든 단차 위에 산화막(BPSG, TEOS-USG, HDP 산화막 등)을 두껍게 쌓은 뒤, CMP로 평탄하게 깎아 다음 층의 리소 초점 여유를 확보하고 콘택·비아 깊이를 맞춘다. 구리 다마신이 표준이 된 뒤 IMD CMP 자체는 줄었지만, PMD·텅스텐 콘택 전 평탄화, 메모리의 두꺼운 셀 위 평탄화, 3D 낸드의 계단 영역 평탄화 등에서 산화막 CMP는 여전히 많이 쓰인다.

그림 9-1. ILD의 위치(개념도). 게이트 위를 덮은 PMD를 CMP로 평탄화한 뒤 텅스텐 콘택을 뚫고, 배선 위 IMD를 다시 평탄화한다. 점선이 각 CMP가 만드는 평탄면이다. 맨 아래 얕은 산화막 띠가 이 장 후반부의 STI다.

	ILD CMP	STI CMP
목적	단차 제거, 목표 두께 맞춤	트렌치 밖 산화막 제거, 질화막 위에서 정지
정지 방식	시간 또는 인시투 두께 측정(막 안에서 멈춤)	질화막 정지막 + 고선택비 슬러리 + 종점 검출
슬러리	흄드 실리카 ~12 wt%, pH ~10–11(KOH·NH₄OH)	세리아 ~0.5–1 wt% + 음이온성 첨가제, pH ~4–7
핵심 지표	WIWNU, WIDNU, 잔여 단차	질화막 잔막·산포, STI 디싱, 잔류 산화막, 결함

실리카 슬러리와 수화층 모델

유리를 연마하는 기술은 수백 년 됐지만, 왜 물이 있어야 잘 깎이는지는 1990년 쿡(L. Cook)의 정리로 널리 알려졌다. 산화막 표면의 Si–O–Si 결합은 물과 반응해 끊어지고(가수분해), 표면에 Si–OH가 촘촘한 수 nm 두께의 수화층(hydrated softened layer)이 생긴다. 수화층은 원래 산화막보다 무르고, pH가 높을수록 실리카가 규산염 이온으로 녹아 나가는 속도가 빨라진다. 연마입자는 이 무른 층을 긁어 내고, 새 표면이 다시 수화된다. 화학(수화·용해)과 기계(긁기)가 번갈아 일하는 셈이다.

$$\equiv\!\text{Si–O–Si}\!\equiv \;+\; \text{H}_2\text{O} \;\rightleftharpoons\; 2\,\equiv\!\text{Si–OH},\qquad \text{Si(OH)}_4 + \text{OH}^- \rightarrow \text{SiO(OH)}_3^- + \text{H}_2\text{O}$$

왼쪽은 표면 가수분해, 오른쪽은 고 pH에서 규산이 이온화되어 녹는 반응이다. 비정질 실리카의 용해도는 $S(\text{pH}) = S_0\,[1 + 10^{\,\text{pH}-\text{p}K_1} + 2\cdot10^{\,2\text{pH}-\text{p}K_1-\text{p}K_2}]$(p$K_1\approx 9.8$, p$K_2\approx 12.2$)로 pH 9 위에서 급격히 커진다.

그림 9-2. 쿡의 수화층 모델(개념도, 크기 과장). 화학 반응은 표면을 무르게 만들고, 기계 작용은 무른 층을 걷어 내 새 표면을 반응에 내놓는다. 둘 중 느린 쪽이 전체 속도를 정한다.

두 단계가 직렬로 일한다고 보면 전기 회로의 직렬 저항처럼 제거율을 쓸 수 있다. 기계 단계는 프레스턴 꼴 $k_m = k_p' P v$, 화학 단계는 pH와 온도에 의존하는 반응 속도 $k_r$이다.

$$\frac{1}{RR} = \frac{1}{k_r(\text{pH},T)} + \frac{1}{k_p' P v},\qquad k_r = k_{r0}\,\frac{S(\text{pH})}{S(7)}\,\exp\!\left[-\frac{E_a}{R}\left(\frac1T-\frac1{298}\right)\right]$$

$P v$가 작으면 기계 제한(프레스턴 영역, RR ∝ Pv), 크면 화학 제한(포화)이다. 이 장에서는 $k_p'Pv$ = 260 nm/min(3 psi, 1.75 m/s), $k_{r0}$ = 74 nm/min(pH 7), $E_a$ = 40 kJ/mol로 두어 CP-300 산화막 조건(pH 11)에서 약 220 nm/min이 나오게 맞췄다. 교육용 모델이다.

SIMULATOR

화학·기계 직렬 모델과 수화층

슬러리 pH 패드 온도 압력 P

기계 항 k_m—

화학 항 k_r—

제거율 RR—

제한 단계—

위: 표면 단면 애니메이션(연한 띠 = 수화층, 분홍 = 실리카 입자). 수화층이 두꺼우면 기계 제한, 얇으면 화학 제한이다. 아래: RR 대 $Pv$ 곡선과 프레스턴 직선(점선). 온도는 기준 25 °C 대비 아레니우스 보정(7장). 해볼 것: ① pH를 11에서 7로 내리면 같은 압력에서 RR이 1/4 수준이 된다. ② pH 11에서 압력을 8 psi까지 올리면 곡선이 휘며 포화한다. ③ 온도를 올리면 포화 높이가 올라간다.

산화막 ILD 조건CP-300의 산화막 기준은 흄드 실리카 약 12 wt%, pH ~11, 3 psi(20.7 kPa), 상대 속도 1.75 m/s, 슬러리 200 mL/min이다. 프레스턴 계수 $k_p \approx 1.0\times10^{-13}$ Pa⁻¹이면 블랭킷 제거율은 약 220 nm/min이다. PMD 1,000 nm를 쌓고 단차 400 nm를 없애며 배선 위 500 nm를 남기려면 업 영역 기준 약 500 nm를 깎아야 하므로, 단차 제거 효율(8장)까지 고려해 약 2.5분이 기준 레시피가 된다. 연마 중 온도가 올라 화학 항이 커지면 제거율이 몇 % 올라가므로, 한 장 안에서도 처음과 끝의 제거율이 다르다.

STI 공정 흐름

STI(Shallow Trench Isolation)는 이웃 트랜지스터 사이에 얕은 트렌치를 파고 산화막을 채워 전기적으로 분리하는 구조다. LOCOS를 대체한 0.25 µm 세대 이후 모든 로직·메모리 공정의 첫 번째 큰 모듈이며, CMP 없이는 만들 수 없다. 흐름은 다음과 같다(ProcessBook의 FEOL 장도 참고).

그림 9-3. STI 공정 흐름(개념도, 크기 과장). 질화막(초록)은 트렌치 식각의 하드마스크이자 CMP의 정지막이다. CMP는 트렌치 밖 산화막을 걷어 내고 질화막 위에서 멈춰야 하며, 넓은 트렌치에는 디싱이 남는다. 질화막을 뜨거운 인산으로 벗기면 활성 영역보다 산화막이 약간 솟은 상태(필드 산화막 높이, FOH)가 된다.

단계	대표 값(교육용)	목적
패드 산화막	약 5–10 nm 열산화	질화막 응력 완충, 나중 질화막 제거 시 식각 정지
패드 질화막	약 50–100 nm LPCVD Si₃N₄(이 장 예: 60 nm)	트렌치 하드마스크, CMP 정지막
트렌치 식각	깊이 약 250–350 nm, 측벽 80–88°	소자 분리 깊이 확보
라이너 산화	수 nm	식각 손상 회복, 모서리 둥글리기
갭필	HDP-CVD 또는 HARP(O₃-TEOS), 약 400–600 nm	트렌치를 빈틈(보이드) 없이 채움
CMP	세리아 슬러리, 질화막 노출 후 오버폴리시	트렌치 밖 산화막 제거, 평탄화
질화막 스트립	뜨거운 인산(~160 °C)	질화막 제거, 활성 영역 노출

SIMULATOR

STI 공정 스테퍼: 단면이 만들어지고 깎이는 과정

현재 단계: —

CMP 슬러리

오버폴리시

CMP 경과—

질화막 잔막—

넓은 트렌치 디싱—

FOH(스트립 후)—

⑤ CMP 단계에서는 8장의 업·다운 압력 분배(활성 밀도 0.55, $h_c$ = 100 nm)와 아래에 나오는 슬러리별 제거율 함수로 표면을 시간 적분한다. 질화막이 드러난 뒤에는 질화막 제거율 = 산화막/선택비, 넓은 트렌치(50 µm)는 디싱 모델을 쓴다. 해볼 것: 같은 오버폴리시에서 실리카로 바꾸면 질화막이 얼마나 더 깎이는가?

세리아 슬러리: 질화막 앞에서 멈추는 법

실리카 슬러리의 산화막:질화막 선택비는 대략 3–5:1에 그친다. 질화막 60 nm 위에서 웨이퍼 전체의 산화막을 다 걷어 내려면 오버폴리시가 필요한데, 그동안 질화막이 수십 nm씩 깎여 버린다. 이 문제를 푼 것이 세리아(CeO₂, ceria) 슬러리다. 세리아는 오래전부터 유리 연마에 쓰인 연마재로, 실리카보다 훨씬 적은 농도(1 wt% 안팎)로도 산화막을 빨리 깎는다.

① 화학적 이빨 효과. 세리아 표면의 Ce³⁺/Ce⁴⁺ 자리는 산화막 표면의 Si–O와 Ce–O–Si 결합을 만든다. 입자가 지나가면서 이 결합째 실리카 덩어리를 뜯어 낸다. 기계적 긁기만으로는 설명이 안 될 만큼 산화막 제거가 빠른 이유로, 쿡은 이를 '화학적 이빨'(chemical tooth)이라 불렀다. 질화막 표면은 이 결합을 잘 만들지 않는다.

② 첨가제의 선택적 흡착. 폴리아크릴산(PAA) 같은 음이온성 고분자나 아미노산 계열 첨가제를 넣으면 선택비가 수십~수백으로 뛴다. 열쇠는 표면 전하다. 각 표면은 등전점(IEP, isoelectric point)보다 낮은 pH에서 양(+), 높은 pH에서 음(−)으로 대전된다.

그림 9-4. 표면 전하와 고선택비 창. 산화막과 질화막의 등전점 사이 pH에서 산화막은 음, 질화막은 양으로 대전된다. 음이온성 첨가제는 질화막에 정전기적으로 흡착해 보호막을 만들고, 산화막에는 덜 붙는다. 양전하 세리아 입자는 음전하 산화막에 끌려가 화학적 이빨 효과를 낸다.

그림 9-5. 세리아 슬러리의 선택비 메커니즘(개념도). 산화막에서는 화학적 이빨 효과로 빠르게 깎이고, 질화막에서는 흡착된 첨가제 층이 입자와 표면의 직접 접촉을 막는다. 같은 첨가제가 세리아 입자에도 붙어 산화막 제거율도 어느 정도 떨어뜨린다.

아래 시뮬레이터는 이 그림을 수로 바꾼 교육용 모델이다. 각 표면의 제타 전위를 $\zeta_i(\text{pH}) = \zeta_{\text{max}}\tanh[(\text{IEP}_i - \text{pH})/1.5]$로 두고, 첨가제(이온화도 $\alpha = 1/(1+10^{\,\text{p}K_a-\text{pH}})$, p$K_a$ ≈ 4.5)가 양전하 표면에 랭뮤어 꼴로 흡착한다고 본다.

$$\theta_i = \frac{K c\,a_i}{1+K c\,a_i},\quad a_i = \alpha\,\max(0,\zeta_i/\zeta_{\text{max}}) + 0.03,\qquad RR_i = RR_{i,0}\,(1-\theta_i)\,g_i(\text{pH})$$

$c$는 첨가제 농도, $g_i$는 입자-표면 정전기 인력 인자(반대 전하일 때 크다)다. 선택비 $S = RR_{\text{ox}}/RR_{\text{nit}}$.

SIMULATOR

pH·첨가제와 산화막:질화막 선택비

첨가제 농도 (상대) 운전 pH 질화막 IEP

산화막 RR—

질화막 RR—

선택비—

질화막 피복률 θ—

위: 제거율 대 pH(파랑 산화막, 초록 질화막, 4 psi). 아래: 선택비(로그 축). 해볼 것: ① 첨가제 0에서는 선택비가 약 3–5. ② 첨가제를 넣으면 산화막과 질화막 IEP 사이 pH에서 선택비 봉우리가 생긴다. ③ pH가 질화막 IEP를 넘으면 질화막이 음전하가 되어 첨가제가 떨어지고 선택비가 무너진다. 그래서 세리아 STI 슬러리는 pH 관리가 엄격하다.

비프레스턴 거동: 압력에 문턱이 있다

첨가제가 든 세리아 슬러리는 이상한 압력 의존성을 보인다. 낮은 압력에서는 산화막도 거의 깎이지 않다가, 어떤 압력 $P_{\text{th}}$를 넘으면 제거율이 가파르게 오른다. 흡착층이 일정 압력 이하에서는 입자를 떼어 놓다가, 그 이상에서 입자가 흡착층을 뚫고 표면에 닿는다는 해석이 일반적이다. 프레스턴 직선을 따르지 않으므로 비프레스턴(non-Prestonian) 거동이라 부른다.

$$RR_{\text{ceria}}(P) = k_c\,s\,\ln\!\left[1+\exp\!\left(\frac{P-P_{\text{th}}}{s}\right)\right]$$

문턱 $P_{\text{th}}$ 근처를 매끈하게 이은 꼴(소프트플러스)이다. $P \gg P_{\text{th}}$이면 $k_c(P-P_{\text{th}})$, $P \ll P_{\text{th}}$이면 거의 0이다. 이 장에서는 $k_c$ = 250 nm/min/psi, $s$ = 0.15 psi, $P_{\text{th}}$는 첨가제 농도에 따라 0–3 psi로 둔다.

이 문턱이 패턴 위에서 놀라운 일을 한다. 8장에서 보았듯 단차가 있는 동안 업 영역은 $P/\rho$의 큰 압력을, 다운 영역은 작은 압력을 받는다. 걸어 준 압력 $P$를 $P_{\text{th}}$보다 약간 낮게 잡으면, 업 영역($P/\rho \gt P_{\text{th}}$)만 깎이고 다운 영역은 전혀 깎이지 않는다. 그리고 표면이 평평해지는 순간 모든 곳의 압력이 $P \lt P_{\text{th}}$로 떨어져 연마가 스스로 멈춘다. 이것이 자기 정지(self-stopping, auto-stop)다.

SIMULATOR

비프레스턴 제거율과 업·다운 압력

걸어 준 압력 P 문턱 압력 P_th(첨가제) 활성(업) 밀도 ρ

업 영역 RR (P/ρ)—

다운 영역 RR (≈0)—

평탄 후 RR (P)—

판정—

곡선: 세리아(굵은 선), 실리카 프레스턴 직선(점선). 세로선: 업 영역 압력 P/ρ(주황)과 평탄 후 압력 P(검정). 해볼 것: P를 P_th·ρ와 P_th 사이에 두면 '자기 정지 가능'이 뜬다. 밀도 ρ가 크면(활성 영역이 넓으면) 그 창이 좁아진다.

그림 9-6. 자기 정지의 원리. 단차가 압력을 업 영역에 모아 주는 동안에만 문턱을 넘는다. 평탄해지면 압력이 고르게 퍼져 모두 문턱 아래로 내려간다. 패턴이 스스로 '종점'이 되는 셈이다.

SIMULATOR

자기 정지: 세리아 vs 실리카 단차 제거 경주

걸어 준 압력 P 세리아 문턱 P_th 업 밀도 ρ 초기 단차

시간—

세리아 단차 / 업 제거—

실리카 단차 / 업 제거—

세리아 현재 RR(업)—

두 슬러리 모두 같은 압력 분배($h_c$ = 100 nm)를 쓰고, 제거율 함수만 다르다(실리카 220 nm/min @ 3 psi 프레스턴, 세리아 소프트플러스 문턱). 위: 두 단면, 아래: 업 영역 표면 높이(실선)와 다운 영역 높이(점선). 해볼 것: 세리아는 단차가 사라지면 업 표면이 수평선이 된다(자기 정지). 실리카는 평탄해진 뒤에도 계속 깎인다. P를 문턱보다 높이면 세리아도 멈추지 않는다.

선택비와 오버폴리시의 줄다리기

웨이퍼 전체가 동시에 끝나지는 않는다. 증착 두께와 제거율이 위치마다 몇 % 다르므로, 가장 빨리 깎이는 곳에서 질화막이 드러난 뒤에도 가장 느린 곳의 산화막이 다 걷힐 때까지 연마를 계속해야 한다. 이 추가 시간이 오버폴리시(over-polish, OP)다. 오버폴리시가 모자라면 질화막 위에 산화막이 남아(잔류 산화막(oxide residue)) 다음 인산 스트립에서 질화막이 안 벗겨지고 소자가 죽는다. 넘치면 빨리 끝난 곳의 질화막이 얇아지고 트렌치 디싱이 깊어진다.

$$t_{\text{clear}}(x) = \frac{T_{\text{ob}}(x)}{RR(x)},\qquad t_{\text{polish}} = (1+\text{OP})\,\max_x t_{\text{clear}},\qquad \Delta N(x) = \frac{RR(x)}{S}\big[t_{\text{polish}}-t_{\text{clear}}(x)\big]$$

$T_{\text{ob}}$는 질화막 위 산화막(오버버든) 두께, $S$는 선택비, $\Delta N$은 질화막 손실이다. 웨이퍼 불균일이 ±u이면 가장 빠른 곳의 손실은 대략 $T_{\text{ob}}\,[(1+\text{OP})\tfrac{1+u}{1-u}-1]/S$다.

SIMULATOR

선택비·오버폴리시 계산기

오버버든 T_ob (평탄화 후) 산화막 RR 선택비 S 웨이퍼 불균일 ±u 오버폴리시

총 연마 시간—

질화막 잔막 (빠른 곳)—

질화막 잔막 (느린 곳)—

잔막 차이—

초기 질화막 60 nm, 최소 허용 잔막 45 nm(가로 점선, 교육용 가정). 가로축은 오버폴리시 비율, 주황 곡선은 웨이퍼에서 가장 빨리 깎이는 지점, 청록 곡선은 가장 느린 지점의 질화막 잔막. 해볼 것: ① 실리카 수준 S = 4로 내리면 OP 30 %만으로도 빠른 곳 질화막이 한계 아래로 떨어진다. ② u를 10 %로 키우면 S가 커도 빠른·느린 곳 차이가 벌어진다. 산포를 줄이려면 선택비와 균일도를 함께 잡아야 한다.

세리아 STI 레시피의 숫자CP-300의 STI 슬러리는 세리아 약 0.5–1 wt%다. 평탄화 뒤 질화막 위 오버버든 150 nm, 산화막 300 nm/min, 웨이퍼 불균일 ±5 %라면 가장 느린 곳이 끝나는 데 약 32초가 걸린다. OP 30 %를 주면 총 41초, 가장 빠른 곳은 약 12초 동안 질화막 위에서 연마된다. 선택비 4(실리카)라면 그 곳의 질화막 손실이 약 16 nm지만, 선택비 40(세리아+첨가제)이라면 약 2 nm다. 질화막 60 nm 기준 잔막 산포가 한 자릿수 nm로 줄어드는 셈이다.

STI 디싱과 질화막 손실

그림 9-7. STI CMP의 대표 결함(개념도). 넓은 트렌치의 산화막은 디싱되고, 질화막 면적이 작은 밀집 영역은 질화막에 하중이 몰려 침식(이로전)되며, 성긴·높게 남은 영역에는 산화막이 남는다. 더미 활성 영역을 넣어 밀도를 고르게 하는 이유다(8장).

STI 디싱은 구리 디싱(8장)과 같은 원리다. 차이는 세리아의 문턱이다. 트렌치 산화막이 내려가면 그 위 패드 압력이 줄어드는데, 세리아는 압력이 문턱 아래로 떨어지면 제거가 거의 멈추므로 디싱이 일찍 포화한다. 실리카는 압력이 작아도 비례해 계속 깎이므로 디싱이 $d_c(w)(1-1/S)$까지 자란다.

$$\frac{d(\delta)}{dt} = RR_{\text{ox}}\!\left(P_{\text{tr}}\right) - \frac{RR_{\text{ox}}(P_{\text{act}})}{S},\qquad P_{\text{tr}} = P\left(1-\frac{\delta}{d_c(w)}\right),\quad d_c(w)=d_\infty\frac{w^2}{w^2+w_0^2}$$

$\delta$는 질화막 표면 기준 트렌치 디싱, $P_{\text{tr}}$는 트렌치 산화막에 걸리는 압력, $P_{\text{act}}$는 활성(질화막) 영역 압력이다. 여기서는 $d_\infty$ = 60 nm로 두었다.

SIMULATOR

STI 디싱 대 트렌치 폭: 세리아 vs 실리카

오버폴리시 시간 압력 P 세리아 문턱 P_th 패드 굽힘 폭 w₀ 보기 트렌치 폭

세리아 디싱—

실리카 디싱—

질화막 손실(세리아/실리카)—

위: 선택한 폭의 트렌치 단면(왼쪽 세리아, 오른쪽 실리카, 세로 과장). 아래: 디싱 대 트렌치 폭(로그 축). 세리아 선택비 40, 실리카 4, 활성 영역 압력 P/0.5. 해볼 것: 세리아 문턱을 0으로 내리면 세리아 디싱이 실리카에 가까워진다. 문턱이 디싱 포화의 열쇠다.

웨이퍼 전체의 잔막 산포

현장에서 보는 결과는 한 지점이 아니라 웨이퍼 지도다. 오버버든 두께의 방사 방향 프로파일(증착 장비 특성), 제거율의 방사 방향 프로파일(가장자리가 빠르거나 느림, 3장), 다이 안 패턴 밀도에 따른 국부 편차가 겹친다. 아래 몬테카를로는 다이마다 이 셋을 뽑아 질화막 잔막과 잔류 산화막 여부를 판정한다.

SIMULATOR

질화막 잔막 웨이퍼 지도 몬테카를로

슬러리

오버폴리시 가장자리 제거율 증가 다이 내 편차 σ

잔류 산화막 다이—

질화막 부족 다이 (<45 nm)—

잔막 평균 ± σ—

합격 다이—

300 mm 웨이퍼, 10 mm × 10 mm 다이, 가장자리 제외 3 mm. 오버버든 150 nm(중심이 2 % 두꺼운 돔형) + 다이 내 편차(σ, %), 산화막 300 nm/min에 가장자리로 갈수록 $e\,(r/R)^4$만큼 빨라지는 제거율. 다이 하나에서 '가장 느린 지점'과 '가장 빠른 지점'을 각각 뽑아 잔류·질화막 손실을 판정한다. 해볼 것: 오버폴리시를 음수(시간 부족)로 두면 중심부 다이에 잔류 산화막(×)이 생긴다. 실리카로 바꾸고 OP를 늘리면 가장자리부터 질화막 부족(빨강)이 퍼진다.

게이트를 위한 단차: FOH와 디봇

STI CMP가 끝나고 질화막을 벗기면 트렌치 산화막은 활성 실리콘 표면보다 대략 '질화막 잔막 + 패드 산화막 − 디싱'만큼 솟아 있다. 이 높이를 필드 산화막 높이(FOH, field oxide height 또는 step height)라 한다. 이후 패드 산화막 제거, 세정, 희생 산화·게이트 산화 전 HF 처리에서 산화막이 조금씩 깎이므로, 최종적으로 STI 산화막이 활성 영역보다 약간(수 nm) 높게 남도록 CMP 단계의 FOH를 설계한다.

그림 9-8. FOH와 디봇(개념도). FOH가 너무 작거나 HF 공정이 과하면 STI 모서리가 파인 디봇(divot)이 생기고, 게이트가 활성 모서리를 감싸 문턱 전압이 낮아지는 '험프'와 누설이 나타난다. FOH가 너무 크면 게이트 식각 때 단차에 잔류물이 남는다. 그래서 질화막 잔막 산포가 곧 트랜지스터 특성 산포로 이어진다.

FOH의 산포는 질화막 잔막 산포와 디싱 산포의 합이므로, 앞 절의 선택비·오버폴리시·디싱 시뮬레이터가 결국 이 한 숫자로 모인다. 최근 미세 공정(FinFET, GAA)에서는 STI 산화막을 다시 일정 깊이로 식각해 핀을 드러내는 리세스 공정이 뒤따르므로, CMP 후 산화막 높이 산포가 핀 높이 산포가 되어 더 엄격해졌다.

고정 연마입자 방식

슬러리에 입자를 띄우는 대신 패드 표면에 입자를 박아 넣는 방식을 고정 연마입자(fixed abrasive, FA) CMP라 한다. 세리아 입자를 수지에 섞어 작은 기둥(포스트) 모양으로 찍어 낸 웹 형태 패드를 쓰고, 연마액에는 입자 없이 pH 조절 화학액만 흘린다. 입자가 패드에 묶여 있어 다운 영역에 닿지 못하고 업 영역 돌출부만 깎기 때문에, 평탄화 효율이 높고 평평해지면 제거율이 급감하는 자기 정지 성질이 강하다. 슬러리 사용량과 폐수 부담도 줄어든다.

그림 9-9. 고정 연마입자 패드(개념도). 떠다니는 입자가 없어 다운 영역 제거가 거의 없고, 평탄화 효율과 자기 정지 성질이 강하다. 대신 패드 표면 상태(기둥 마모, 입자 노출) 관리와 결함(스크래치) 관리가 까다롭다.

질화막 종점 검출

선택비가 높아도 끝을 아는 것은 여전히 중요하다. 질화막이 드러나기 시작하면 표면 재료가 바뀌므로 마찰 계수가 바뀌고, 정반·헤드 모터가 내는 토크(전류)가 달라진다. 세리아+첨가제 계에서는 질화막 위 흡착층이 윤활막 역할을 해 마찰이 줄어드는 경우가 많다. 광학 반사율 센서는 산화막 두께에 따른 간섭 무늬가 멈추는 것을 본다(12장). 노출 면적 비율이 시간에 따라 S자로 늘어나므로 신호도 S자로 바뀌고, 그 변곡점(미분의 봉우리)을 종점으로 잡은 뒤 정해진 오버폴리시를 더한다.

$$\mu(t) = \mu_{\text{ox}}\,[1-A_n(t)] + \mu_{\text{nit}}\,A_n(t),\qquad A_n(t) = \Phi\!\left(\frac{t-\bar t_{\text{clear}}}{\sigma_t}\right)$$

$A_n$은 질화막이 드러난 면적 비율, $\Phi$는 표준 정규 누적 분포, $\sigma_t$는 웨이퍼 불균일에서 오는 끝나는 시각의 산포다. 실제 신호에는 패드·컨디셔너 회전에 따른 잡음이 더해진다.

SIMULATOR

모터 토크 종점 검출

웨이퍼 불균일(1σ) 신호 잡음 마찰 변화 μ_nit/μ_ox 종점 후 오버폴리시

검출 종점—

실제 50 % 노출—

99 % 노출 / 정지—

판정—

평균 끝 시간은 오버버든 150 nm / 300 nm/min ≈ 30 s, σ_t = 30 s × 불균일. 위: 실시간 모터 전류(상대값, 회색)와 이동 평균(굵은 선). 아래: 이동 평균의 미분. 미분 봉우리가 지나 일정 비율로 내려오면 종점으로 판정하고 오버폴리시 후 멈춘다. 해볼 것: 잡음을 키우고 마찰 비를 1에 가깝게 하면 오검출이 생긴다. 불균일이 크면 '종점'과 '99 % 노출' 사이가 벌어져 오버폴리시를 더 줘야 한다.

핵심 정리

ILD(PMD·IMD) CMP는 단차를 없애고 목표 두께를 맞추는 공정으로, 고 pH 흄드 실리카 슬러리를 쓴다. CP-300 기준 3 psi에서 약 220 nm/min.
쿡의 수화층 모델: 물·OH⁻가 Si–O–Si를 끊어 무른 수화층을 만들고 입자가 이를 긁어 낸다. 화학($k_r$)과 기계($k_pPv$)가 직렬이라 $1/RR = 1/k_r + 1/k_pPv$, 높은 $Pv$에서 포화한다.
STI: 패드 산화막·질화막 → 트렌치 식각 → 라이너 → HDP/HARP 갭필 → CMP(질화막 정지) → 인산 스트립. 질화막은 하드마스크이자 정지막이다.
세리아는 Ce–O–Si 화학적 이빨로 산화막을 빠르게 깎는다. 산화막·질화막 등전점 사이 pH에서 음이온성 첨가제가 양전하 질화막에 흡착해 선택비를 수십~수백으로 올린다.
첨가제 세리아는 압력 문턱이 있는 비프레스턴 거동을 보인다. $\rho P_{\text{th}} \lt P \lt P_{\text{th}}$이면 단차가 있을 때만 업 영역이 깎이고 평탄해지면 스스로 멈춘다(자기 정지).
오버폴리시는 잔류 산화막을 없애기 위해 필요하지만 질화막 손실과 디싱을 키운다. 손실은 $\approx RR\,\Delta t/S$이고 웨이퍼 불균일이 클수록 빠른 곳과 느린 곳의 차이가 커진다.
STI 디싱은 넓은 트렌치에서 커지며, 세리아는 압력 문턱 덕분에 일찍 포화한다. 더미 활성 영역으로 밀도를 고르게 한다.
질화막 잔막 산포는 FOH 산포가 되어 디봇·험프·핀 높이 산포로 이어진다. 고정 연마입자와 마찰·광학 종점 검출이 산포를 줄이는 추가 수단이다.

확인 퀴즈

1. 실리카 슬러리로 산화막을 연마할 때 pH를 7에서 11로 올리면 제거율이 크게 오르는 주된 이유는?

비정질 실리카의 용해도는 pH 9 위에서 급격히 커진다. 수화·용해(화학 항 $k_r$)가 빨라지면 직렬 모델의 화학 저항이 줄어 제거율이 오른다.

2. STI 공정에서 질화막이 하는 두 가지 역할은?

패드 질화막은 트렌치를 팔 때 활성 영역을 가리는 하드마스크이고, CMP에서는 산화막 제거를 멈추는 정지막이다. CMP 후 뜨거운 인산으로 제거한다.

3. 세리아 슬러리에 음이온성 첨가제를 넣었을 때 산화막:질화막 선택비가 가장 높아지는 pH 영역은?

그 사이 pH에서 질화막만 양전하라 음이온성 첨가제가 질화막에 선택적으로 흡착해 보호막을 만든다. pH가 질화막 등전점을 넘으면 흡착이 약해져 선택비가 무너진다.

4. 압력 문턱 P_th = 2.5 psi인 세리아 슬러리로 업 밀도 ρ = 0.5인 패턴을 연마한다. 자기 정지를 기대할 수 있는 걸어 준 압력은?

업 영역 압력 P/ρ는 문턱보다 커야 하고(P > 1.25 psi), 평탄 후 압력 P는 문턱보다 작아야 한다(P < 2.5 psi). 2.0 psi가 그 창 안이다. 1.0 psi는 업 영역도 안 깎이고, 3 psi 이상은 평탄 후에도 계속 깎인다.

5. 오버버든 200 nm, 산화막 RR 400 nm/min, 선택비 50인 조건에서 어떤 지점이 질화막 노출 후 15초 더 연마되었다. 그 지점의 질화막 손실은 약?

질화막 RR = 400/50 = 8 nm/min, 15초(0.25분)면 약 2 nm다. 선택비가 4라면 25 nm가 깎였을 것이다.

6. 세리아 슬러리의 STI 디싱이 실리카보다 일찍 포화하는 이유로 가장 알맞은 것은?

디싱이 깊어질수록 패드가 트렌치 산화막을 누르는 압력이 준다. 비프레스턴 세리아는 이 압력이 문턱 아래로 떨어지면 제거율이 급감해 디싱 성장이 멈춘다.

7. CMP 후 질화막 잔막이 지나치게 얇아 FOH가 부족할 때 나중에 생기기 쉬운 문제는?

FOH가 작으면 이후 HF 공정에서 STI 산화막이 활성 표면 아래로 파여 모서리 디봇이 생기고, 게이트가 모서리를 감싸 전계가 집중된다. 단차 잔류물은 FOH가 너무 클 때의 문제다.