3D 낸드 핵심 '극저온 식각'…램리서치 "1000단 낸드 개발 지원" [소부장반차장]

[디지털데일리 고성현 기자] "현재 양산라인에서 생산되는 3D 낸드는 대략 200단 내외다. 미래를 봤을 때, 1000단 수준의 3D 낸드 역시 극저온 식각을 기반으로도 생산이 가능할 것이다. 램리서치는 최근 공개한 '램 크라이오(Lam Cryo) 3.0' 솔루션이 이 시장에서 도움이 될 거라고 생각한다."

램리서치가 극저온 식각 기술이 주목 받고 있는 낸드플래시 시장 내 장비 경쟁에서 자신감을 표했다. 최근 공개한 '크라이오(Cryo) 3.0' 기술이 성능·비용 측면에서 높은 평가를 받고 있다는 이유에서다. 특히 이 기술이 향후 열릴 1000단 낸드 시대에서도 강한 경쟁력을 갖출 것으로 내다봤다.

박준홍 램리서치코리아 대표는 23일 서울 광화문 포시즌즈호텔에서 '크라이오 3.0 인포 세션'을 열고 램리서치의 극저온 식각 기술에 대한 기술 발표를 진행했다. 이날 세션에는 램리서치 본사에 근무하는 유전체 식각사업 부문장 겸 CVP인 김태원 박사도 참석했다.

램리서치는 글로벌 3대 반도체 장비 기업 중 하나다. 반도체 제조 공정 중 전공정 핵심 장비인 증착, 식각 등을 주력으로 개발·제조한다. 국내에는 1989년 한국법인을 설립한 이후 장비 생산·연구개발 등 사업을 영위하고 있다.

이날 램리서치가 소개한 크라이오 3.0은 영하 60~70℃ 수준의 극저온 환경에서 식각 공정을 진행하는 기술이다. 극저온으로 식각을 진행할 경우 별도의 보호막 코팅 없이도 균일한 패턴·홀 형성이 가능하며, 기존 고온 환경 대비 최대 3배 빠르게 식각이 가능하다. 특히 극저온 식각 기술은 셀 수직 적층에 따라 깊이 있는 식각이 필요한 낸드플래시 공정에 적극적으로 활용되고 있다.

박준홍 대표는 "낸드플래시는 3차원(3D) 셀 적층 구조로 돌입하면서 이를 어떻게 식각하느냐가 중요해지고 있다"며 "수직으로 깊게 식각하면서도 양산성을 어떻게 높이느냐가 핵심이기 때문"이라고 운을 뗐다.

박 대표는 "램리서치는 2014년 3D 낸드 개발 이래 함께 개발을 진행했으며, 지난 2019년 메모리반도체 생산 라인에 3000기 가량의 장비를 설치했다"며 "올해는 이 장비를 7500기로 확대했으며, 이중 1000기는 극저온 식각 기술이 적용됐다"고 전했다.

이어 그는 "램리서치의 식각 장비로 만들어진 웨이퍼는 약 1억개에 달하며, 극저온 기술로 생산하는 웨이퍼 개수 역시 500만개에 이른다"며 "램리서치는 극저온 기술을 최초로 도입하고 양산을 시작한 기업으로, 현재 연구개발(R&D) 기준 3D 낸드플래시 400단 적층까지 개발하는 상황"이라고 강조했다.

낸드플래시는 전원이 꺼져도 내부에 저장된 데이터가 남아 있는 메모리반도체 종류 중 하나다. 셀(Cell, 낸드 데이터 저장 최소 단위) 내부에 적용된 플로팅게이트, 혹은 실리콘 나이트라이드(CTF 방식)에 전하가 빠져나가지 못하도록 가두는 식으로 데이터를 저장한다. 현재 주력인 3D 낸드는 평면으로 배열된 셀을 수직으로 쌓고, 전자가 돌아다니는 채널도 수직으로 뚫는 방식으로 생산된다.

이때 식각 장비는 전자가 돌아다니는 장소인 채널 홀을 뚫는 핵심적인 역할을 하는데, 낸드의 셀 적층 수가 늘어나면서 이 과정의 난이도가 급격히 높아지고 있다. 수직으로 증착된 셀 두께가 늘어날수록 식각 시간이 늘어나고, 구멍 깊이가 깊을수록 식각한 면의 단차가 생기거나 휘는 등 불량이 나기 쉽다.

김태원 박사는 램리서치가 이러한 3D 낸드 식각 난제의 해결을 이룬 주요 요인으로 온도·화학적 성질(Chemistry)·출력 향상을 꼽았다. ▲극저온 기술로 생산 속도·균일성을 높이고 ▲화학 소재 등 새로운 케미스트리를 도입해 식각 성능을 높이며 ▲무선주파수(RF) 제너레이터를 기반으로 한 높은 전압·출력 제공으로 극복했다는 것이 주된 설명이다.

김 박사는 "기존에는 3D 낸드의 채널 홀을 식각할 시 주입하는 이온이 식각된 단면을 휘게 하거나, 깊을수록 식각률이 낮아져 단차가 생기는 경우가 있었다"며 "극저온 기술을 활용하면 케미스트리가 응결되면서 (식각 단면에) 물리적으로 흡착돼 이온 주입에 따른 손상을 보호해준다. 특히 탄소 가스를 사용하지 않아 탄소 배출량을 줄일 수도 있다"고 설명했다.

이어 그는 "크라이오 3.0 기술을 활용하면 깊은 채널 홀 깊이도 빠르게 식각할 수 있으며, 최소 및 최대 임계치수(CD) 편차가 0.1% 미만이 된다. 3D 낸드의 수직 채널 홀 형성 생산성을 증가시킬 수 있는 것"이라고 전했다.

이러한 극저온 식각 기술이 장기적으로 1000단 낸드 개발에 힘을 실을 수 있다는 견해도 드러냈다. 김 박사는 "특히 최대 CD가 작으면 수평 스케일링이, 최소 및 최대 CD 편차가 적으면 트리플레벨셀(TLC)·쿼드레벨셀(QLC) 등 로직 스케일링까지 할 수 있다"며 "현재 양산되는 3D 낸드는 200단 정도지만, 미래를 봤을 때 1000단도 (극저온 식각으로) 가능해질 것"이라고 강조했다.

특히 그는 최근 공개한 크라이오 3.0 기술이 고객사들로부터 긍정적인 반응을 받았다고 전했다. 특히 차세대 제품인 400단 이상에서도 이 솔루션이 활용될 수 있다는 점을 내비쳤다.

김 박사는 "일반적으로 모든 고객사들이 크라이오 3.0에 긍정적인 반응을 보이고 적용하려는 단계"라며 "현재 몇몇 고객사들이 400단 낸드에 극저온 식각 적용을 긍정적으로 검토하고 있다"고 했다.

1000단 이상 낸드를 웨이퍼 한장으로 구현할 수 있을지에 대해서는 "크라이오 같은 새로운 식각 기술이 나오면서 본딩(Bonding)에 의존하지 않고 식각만으로 가능하다는 의견이 조심스레 나오고 있다"면서도 "다만 고객사 측에서는 셀과 페리페럴(회로 영역), 셀과 셀을 본딩하는 방식도 고려하는 것으로 본다"고 말했다.

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