AI 시대가 도래함에 따라 대용량의 데이터를 빠르게 읽고 쓸 수 있는 고성능 반도체가 중요해지고 있다. 고성능 반도체는 같은 면적의 웨이퍼에 회로를 겹겹이 쌓아 올려 집적도를 향상시킨다. 각각의 층인 '레이어'를 안정적으로 쌓기 위해서는 이를 평탄화 하는 공정이 필요한데, 핵심 공정 소재가 바로 슬러리(Slurry)다.

슬러리는 CMP(Chemical-Mechanical Polishing/Planarization) 공정*에서 레이어를 연마하기 위해 쓰이는 반도체 공정 소재로, 화학 첨가물을 포함한 수용액과 연마 입자로 구성된다. CMP 공정에서는 먼저 슬러리 내 첨가물의 화학 작용을 통해 딱딱한 성질의 레이어를 연질화한다. 이후 나노 단위의 작은 무기물 입자를 사용하여 레이어를 물리적으로 평평하게 다진다. 

*CMP 공정: 반도체 웨이퍼의 표면을 화학적, 기계적 방법으로 연마하여 평탄화 하는 공정

[슬러리를 통해 웨이퍼 표면을 평탄화]

슬러리는 연마 대상인 레이어의 소재에 따라 금속(Metal) 슬러리와 비금속(Non-metal) 슬러리로 나뉜다. 금속 슬러리는 금속 레이어를, 비금속 슬러리는 비금속 레이어를 연마할 때 쓰이는 것이다. 금속 레이어는 텅스텐(W)과 구리(Cu) 등 주로 반도체 배선으로 사용되는 소재이며, 비금속 레이어는 이러한 금속 배선 사이를 절연할 수 있는 산화막(Silicon Oxide)과 최근 도입되고 있는 신규 소재인 유기막이 대표적이다.

[슬러리의 종류]

1998년 슬러리 개발을 시작한 삼성SDI는 지난 2002년, 산화막 슬러리를 시작으로 사업을 확대해 왔다. 특히 2003년부터 판매가 시작된 텅스텐 슬러리는 최근 CMP 공정의 편의성과 효율을 크게 높인 제품을 개발하여 양산 중이다.

CMP 공정은 단계에 따라 벌크(Bulk)*와 비엠(BM)* 공정으로 나뉜다. 벌크 공정에서는 대상 레이어만을 연마하고, 비엠 공정에서는 대상 레이어 및 하부 레이어들을 동시에 연마한다. 일반적으로 각 단계를 연마하기 위해서는 별도의 슬러리가 사용된다. 반면 삼성SDI의 텅스텐 슬러리는 단계별 공정 모두에 사용할 수 있어 효율을 높였다. 이와 더불어 슬러리의 대표적인 불량인 결함(Defect) 불량을 낮춰 생산성을 향상시켰다. 

*벌크/비엠 영역: CMP 공정 전 메탈 소재의 레이어는 연마 대상인 메탈 벌크(Bulk) 부분, 그리고 연마 대상인 메탈과 비연마 대상을 구분하는 비엠(Barrier Metal) 부분으로 나뉨

[벌크 영역과 BM 영역의 평탄화 작업 과정]

[삼성SDI의 텅스텐 슬러리]

현재 삼성SDI는 고순도 특성과 고유한 화학 첨가물을 기반으로 불량을 방지할 수 있는 차세대 텅스텐 슬러리의 연구 개발을 위해 노력 중이다. 나아가 구리 슬러리, 산화막 슬러리와 유기막 슬러리 등 다양한 슬러리의 연구 개발을 확대할 예정이다. 이를 통해 고객의 수요에 맞는 다양한 슬러리를 제공하기 위해 지속적으로 노력할 것이다.