Technology Brief - Technology Brief 01
반도체 확산공정 나노슬러리 재료 개발 동향
반도체 확산공정 나노슬러리 재료는 반도체 공정 중 웨이퍼 표면을 연마하는 공정인 Chemical Mechanical Planarization(CMP) 공정에 사용되는 주요 소재이다.
CMP공정은 웨이퍼의 표면 요철 제거, 상하간 소자 연결, 소자 분리 등의 기능을 수행한다.
CMP 공정에 사용되는 주요 소재는 나노파티클 슬러리, 폴리우레탄 패드, 패드 표면의 거칠기를 유지시키는 다이아몬드 디스크 등이며, 이들 중 공정 성능에 가장 큰 영향을 미치는 것은 슬러리다.
슬러리는 물과 나노 크기의 금속산화물 입자가 주요 구성물이지만, 분산제, 산화제, 계면활성제, 산화방지제 등을 함께 사용하여야 한다.
물은 탈이온수(D.I. Water)를 사용하며, 나노 입자로는 지금까지는 주로 실리카, 세리아, 알루미나 나노 파티클 등을 사용해왔으나, 최근에는 타이타니아, 지르코니아, 망간 옥사이드 등의 다양한 혼합형 나노 입자들도 사용되고 있는 추세다.
실리카 입자는 절연막 연마공정과 메탈 연마 공정용 슬러리에 주로 사용된다.
최근까지는 고온기상합성법을 이용한 Fumed 실리카가 많이 사용되었지만, 반도체의 정밀도가 높아지고 사용하는 막질의 강성이 약해지면서 웨이퍼 표면의 스크래치(Scratch) 불량을 개선하고 공정의 안정성을 높이기 위해 액상 합성을 통한 콜로이달 실리카와 순도를 높인 고순도 콜로이달 실리카 채용이 점차 늘고 있다.
세리아 입자는 실리카에 비해 높은 절연막 연마속도와 상대적으로 낮은 질화막의 연마속도를 갖는다.
이러한 선택적 연마 특성이 있어, 고속 절연막 연마공정과 Shallow Trench Isolation(STI)이라는 소자분리 공정에 많이 사용되고 있다.
대부분의 절연막 연마와 STI공정에는 세리아 입자 슬러리를 사용하고 있다.
현재까지는 고온하소법 합성된 입자를 파쇄하여 사용하는 슬러리가 주로 사용되고 있다.
이 경우 파쇄 공정에 따라 나노입자의 크기가 수 나노에서 수백 나노까지 매우 넒게 분포하는 특징이 있어, 최근에는 공침법이나 초임계법 등의 합성법을 이용한 균일한 입도의 액상 세리아가 개발되어 채용되고 있다.
알루미나 입자는 높은 연마속도의 특성으로 과거 절연막이나 메탈박막 연마공정에 사용되었으나, 연마공정 중 웨이퍼표면에 발생하는 스크래치가 많고 세정 공정으로 분리, 제거되지 않는 잔류 Defect들이 많아 현재는 많이 사용하지 않는다.
하지만 최근 강성이 높고 내화학성이 높은 귀금속 박막을 연마하는 공정에 다시 도입되고 있다.
좋은 슬러리를 규정하는 항목은 연마라는 각각의 공정에 따라 여러 가지가 있지만, 일반적으로는 연마속도, 표면 요철 제거, 스크래치, 웨이퍼 표면 잔류 입자에 따라 결정되며, 선택적 연마 공정의 경우 각 막질에 대한 높은 선택비를 가져야 할 것이다.
이러한 몇 가지 요인들을 동시에 만족시키기 위해서 입자의 모양, 결정성, 크기를 조절할 수 있는 기술이 필요하다.
해당 입자를 탈이온수에 잘 분산하는 기술도 매우 중요한데, 그것은 분산 균일도가 연마속도의 재연성에 결정적인 영향을 주어, 분산 공정 중에 발생하는 거대 입자가 연마 공정 중 웨이퍼 표면에 스크래치 불량을 유발하기 때문이다.
그외에 금속막 연마 공정을 위한 산화제 활용 기술, 여러 막질별 선택비를 조절할 수 있도록 하는 고분자 활용 기술이 필요하다.
최근에는 이러한 필수 기능 기술에 추가하여 폴리우레탄 패드와 다이아몬드 디스크의 오염과 마모를 줄여서 소재 사용 비용을 줄일 수 있도록 하는 슬러리 제조 기술들이 개발되고 있다.
CMP 슬러리는 세계 시장 1조 원 규모에 육박하는 대표적 반도체 공정 소재로서, 반도체 선폭의 미세화와 함께 고부가가치 산업으로 발전할 것이기 때문에, 보다 많은 연구개발을 경주해야 할 것이다.
문진옥 삼성전자 반도체연구소 수석연구원