Investigation of slurry transport and friction control for CMP process optimization

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 패드 그루브 깊이, 폴리셔 헤드 스윕, 슬러리 스윕 거동이 화학기계적 평탄화(CMP) 공정에 미치는 영향을 분석하여 CMP 공정의 최적화를 목표로 하였다. 시뮬레이션 및 실험 결과를 통해 제거율(Removal Rate), 웨이퍼 내 비균일도(WIWNU), 결함 발생에 유의미한 영향이 있음을 확인하였다.
패드 그루브 깊이의 경우, 얕은 그루브(250 µm)는 슬러리 교환 효율이 향상됨에 따라 깊은 그루브(850 µm) 대비 최대 15%의 제거 효율 증가를 나타냈다. 세리아 슬러리에서는 패드 컷 레이트 50% 조건에서 제거율 600 Å/min, WIWNU 5%, 웨이퍼당 결함 추가 12개로, 제거율과 균일도 및 결함 특성 간의 최적 균형을 달성하였다. 실리카 슬러리의 경우, 패드 컷 레이트 100% 조건에서 결함이 20% 감소하였으며, 최대 제거율 480 Å/min과 WIWNU 6% 수준을 유지하였다.
폴리셔 헤드 스윕 분석 결과, 고정 헤드 연마 대비 외측 스윕(outside sweep) 조건에서 세리아 슬러리는 제거율이 12.66% 증가하여 680 Å/min에서 767 Å/min으로 향상되었으며, 실리카 슬러리 역시 11.57% 증가하여 510 Å/min에서 569 Å/min으로 개선되었다. 또한 헤드 스윕 거리를 2인치로 확장함으로써 WIWNU가 15% 감소하여 웨이퍼 균일도가 향상되었다.
슬러리 스윕 조건에서는 40 cycles/min에서 균일한 제거 분포를 확보할 수 있었으며, 웨이퍼당 스크래치 결함이 8개 수준으로 최소화되었다. 스윕 속도를 20 cycles/min으로 감소시킬 경우, 특히 퓸드 실리카 슬러리 공정에서 스크래치 결함이 추가로 20% 감소하는 효과를 확인하였다.
본 연구 결과는 CMP 공정 변수의 체계적인 최적화를 통해 공정 효율을 향상시키고, WIWNU 및 결함을 최소화할 수 있는 실질적인 가이드를 제공하며, 차세대 반도체 제조 공정에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study investigates the optimization of the Chemical Mechanical Planarization (CMP) process by analyzing the effects of pad groove depth, polisher head sweep, and slurry sweep dynamics. Simulation and experimental results showed significant influences on removal rates, within-wafer non-uniformity (WIWNU), and defect generation.
For pad groove depths, shallow grooves (250 µm) increased removal efficiency by up to 15% compared to deeper grooves (850 µm) due to enhanced slurry refreshment. Optimal results for ceria slurries were achieved with a 50% pad cut rate, balancing material removal rate (MRR) of 600 Å/min, WIWNU of 5%, and minimal defect addition of 12 per wafer. For silica slurries, a 100% pad cut rate reduced defects by 20%, with a peak MRR of 480 Å/min and WIWNU maintained at 6%.
Polisher head sweep analysis revealed that sweeping outward improved MRR by 12.66% with ceria slurries (from 680 Å/min to 767 Å/min) and 11.57% with silica slurries (from 510 Å/min to 569 Å/min) compared to fixed-head polishing. Extending the head sweep distance to 2 inches reduced WIWNU by 15%, enhancing wafer uniformity. For slurry sweeps, a speed of 40 cycles/min resulted in consistent removal profiles with a defect rate as low as 8 scratches per wafer. Reducing sweep speed to 20 cycles/min further decreased scratches by 20%, particularly in fumed silica slurry polishing.
These findings provide actionable insights for optimizing CMP parameters to improve process efficiency, reduce WIWNU, and minimize defects, supporting next-generation semiconductor fabrication.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Understanding Chemical Mechanical Polishing (CMP) 1
• 1.1 Introduction to CMP 1
• 1.2 Historical Evolution of CMP 2
• 1.3 Core Components of CMP Technology 4
• 1.4 Mechanisms of CMP 7
• 1.5 Challenges in CMP 10
• 1.6 Applications for CMP 11
• 1.7 Innovations in CMP Technology 12
• 1.8 Future Directions in CMP 14
• 1.9 Expanding role of CMP 15
• 1.10 Aim and scope of this work 16
• Chapter 2. Investigation of polisher head and slurry sweep effects in oxide film 21
• 2.1 Introduction 21
• 2.2 Experimental 25
• 2.3 Results and discussion 31
• 2.4 Conclusion 48
• Chapter 3. Investigating the Impact of Pad Groove Depth Reduction on Process Variation in Oxide Chemical Mechanical Polishing 50
• 3.1 Introduction 50
• 3.2 Simulation Methodology and Experimental 57
• 3.3 Results and discussion 68
• 3.4 Conclusion 94
• Chapter 4. Concluding remark 96
• 4.1 Summary and overall conclusion 96
• 4.2 Overall insights and Future work 98
• Reference 100