CMP공정이란 Chemical Mechanical polishing(planarization)의 줄임말로 화학적·기계적 평탄화를 일컫는다. 수많은 배선을 증착하여 만들어지는 반도체 칩을 제작하기 위해서는 다수의 층을 광역 평탄화(Global planarization)시키는 CMP공정은 필수 불가결한 공정이다. 반도체 집적도가 날이 갈수록 고도화되어 나노 단위의 배선 증착이 가능한 정도까지의 기술이 발전하면서 성능은 유지하되 집적도는 높일 수 있는 공정 기술이 요구되고 있다. 다수의 막을 적층하기 위해서는 층간의 이슈가 발생하지 않게 불순물 없이 평탄화 할 수 있는 CMP 공정이 매우 중요하다. 층간의 배선 폭이 좁아지고 미세화됨에 따라 패턴 간, 적층 간의 간섭현상이 발생할 확률이 높아지며 미세한 스크래치에도 제품 수율에 영향을 미치는 일이 빈번하게 발생한다. 이러한 이슈를 줄이기 위해 나노 단위 사이즈의 연마제 개발이 진행되고 있지만, 사이즈가 작아질수록 상대적으로 연마율(Removal rate)이 낮아지는 경향이 있기 때문에 작은 사이즈와 높은 연마율 두 장점을 같이 확보할 수 있는 연마제 개발이 꾸준히 연구되고 있다.
본 논문에서는 대두되고 있는 CMP공정의 중요성에 따라 적은 양의 스크래치와 높은 연마율을 구현해낼 수 있는 나노 사이즈의 연마 입자를 합성하는 연구를 진행하였다. 합성할 슬러리 입자로는 산화막을 주로 연마하는, 그 중에서도 STI 공정에 사용되는 세리아(CeO₂)를 선택하였다. 세리아는 실리카(SiO₂)에 비해 선택비 조절이 용이하기 때문에 섬세하게 연마를 진행해야 할 시 실리카보다 빈번히 사용되며 STI 공정에 사용된다. 연마 입자 합성 방법에는 고상법, 액상법, 기상법 등이 있는데, 본 논문에서 적용한 입자 합성 방법은 수열합성 방법 중 하나인 초임계 수열합성법이다. 초임계 수열합성법은 고온, 고압의 조건 하에서 빠르고 연속적으로 반응을 진행하여 작고 결정성 높은 입자를 합성할 수 있다. 합성 변수 조건으로는 pH와 도핑제를 선택했다. 합성 시 pH는 입자의 모양과 사이즈에 영향을 미친다. pH가 높아질수록 구형을 가지고 amorphous해지며 입자의 사이즈는 작아진다. pH 조절제로는 암모니아를 선택했다. 암모니아의 첨가 비율에 따라 세리아 입자의 형태와 입자 사이즈 변화를 분석하여 최적화 사이즈를 갖는 세리아 입자를 합성한다. 세리아는 3가와 4가 이온 상태로 존재할 수 있는데, 지금까지의 선행 연구로부터 세리아가 다수의 3가를 가질 때 연마율이 크다는 연구 결과가 있다. 세리아 3가를 활성화하기 위해서는 3가를 가지는 금속 도핑제가 필요하다. 3가를 가지는 금속 도핑제로 알루미나를 선택하였고, 알루미나의 첨가 비율에 따라 달라지는 연마율을 분석하여 최적화된 연마율을 가지는 세리아 입자 합성 조건을 선정한다.
합성 후 입자 분석을 위해 XRD, TEM, CMP 연마 장비를 사용한다. XRD 기기로 입자 결정화도 및 입자 구조를 분석, TEM으로 세리아 입자 표면을 이미지화하여 사이즈를 분석, CMP 연마 장비를 이용하여 연마 공정 진행 후 연마율을 측정하여 실험 결과를 분석한 결과, 20nm 세리아 입자를 합성하였고 12,000Å/min까지의 높은 연마율을 구현할 수 있었다.