CMP 슬러리 (Slurry)

CMP 슬러리의 역할

CMP 슬러리는 CMP의 ‘비밀 소스’다.

같은 패드, 같은 장비, 같은 압력이라도 슬러리에 따라 연마 결과가 크게 달라진다.

슬러리는 단순한 ‘갈아 내는 입자’가 아니라, 박막을 산화시켜 깎이기 쉽게 만들고, 평탄화 효율을 높이고, 결함을 줄이는 ‘화학 시스템’이다.

그래서 CMP 슬러리는 박막 종류, 패턴 밀도, 압력, 패드 종류와 함께 통합적으로 설계된다.

슬러리 구성 요소

구성 요소는 다섯 가지로 정리된다.

첫째, 연마 입자다.

실리카(SiO₂), 세리아(CeO₂), 알루미나(Al₂O₃)가 대표적이고, 입자 크기는 수십 nm가 표준이다.

입자는 적정 크기와 형상을 가져야 표면을 효율적으로 깎으면서도 스크래치 같은 결함을 만들지 않는다.

둘째, 산화제다.

텅스텐 슬러리의 H₂O₂, 구리 슬러리의 H₂O₂ 또는 KIO₃가 박막을 산화시켜 깎이기 쉽게 만든다.

셋째, pH 조절제다.

슬러리의 pH는 입자의 표면 전하와 박막의 표면 화학에 영향을 주어 연마율과 안정성을 결정한다.

넷째, 첨가제(inhibitor)다.

구리 CMP에서 BTA(벤조트리아졸)는 구리 표면에 보호막을 형성해 디싱을 줄인다.

다섯째, 분산제다.

입자가 슬러리 안에서 응집되지 않도록 안정화한다.

박막별 대표 슬러리

박막별 대표 슬러리를 보면 화학이 다양함을 알 수 있다.

SiO₂ CMP에는 주로 세리아 기반 슬러리가 사용된다.

세리아는 SiO₂와 화학적 친화성이 높아 매우 효율적인 연마가 가능하다.

STI CMP, ILD CMP에 폭넓게 쓰인다.

텅스텐 CMP는 산화제 기반 슬러리로 W를 산화시킨 뒤 깎는다.

구리 CMP는 H₂O₂ 산화제 + BTA inhibitor + 입자가 결합된 다층 화학이다.

폴리실리콘 CMP는 KOH 또는 TMAH 기반의 알칼리 슬러리가 사용된다.

ILD/IMD CMP는 SiO₂·Low-k용 슬러리가 사용되고, Low-k의 약한 기계적 강도를 고려해 매우 부드러운 슬러리·낮은 압력으로 한다.

디싱·에로전과 슬러리 첨가제

디싱·에로전은 슬러리 설계의 큰 도전이다.

디싱은 넓은 메탈 영역의 가운데가 깎여 오목해지는 현상이고, 에로전은 dense 패턴 영역의 절연막이 더 빨리 깎여 가라앉는 현상이다.

둘 다 회로 신뢰성과 성능에 영향을 준다.

슬러리 첨가제(inhibitor·corrosion control)·입자 크기·산화제 농도·pH가 정교하게 조정돼 디싱·에로전을 줄인다.

또 패턴 밀도가 다른 영역에서의 ‘마이크로 로딩’도 슬러리 화학과 패드 압력 분포로 보완한다.

한국 CMP 슬러리 산업

한국 CMP 슬러리 산업은 솔브레인, KCTECH, 동진쎄미켐, 영창케미칼 같은 회사가 활동한다.

솔브레인은 텅스텐·산화막용 슬러리에서, KCTECH는 산화막·메탈용 슬러리에서 양산 점유율을 늘려 왔다.

글로벌 시장은 캐봇(현 CMC Materials)이 1위, 후지미(일본), 일본 히타치 화학, 듀폰이 함께 분점한다.

일부 첨단 슬러리는 일본·미국 의존도가 여전히 높지만, 한국 회사들도 영역을 넓히고 있다.

첨단 패키징과 신규 슬러리 수요

첨단 패키징과 신규 슬러리 수요도 흥미로운 흐름이다.

HBM·하이브리드 본딩에서는 ‘본딩 직전 SiO₂ 표면을 nm 평탄도로 만드는’ CMP가 필요하고, 일반 CMP보다 훨씬 낮은 결함과 평탄도가 요구된다.

그래서 새로운 ‘초저결함 SiO₂ CMP 슬러리’ 수요가 생겼고, TSV CMP, 인터포저 CMP에도 전용 슬러리가 사용된다.

이종집적과 첨단 패키징의 부상은 슬러리 산업에 새로운 시장을 열고 있다.