램리서치의 "극저온 식각"

 

NAND Flash 소자는 최대한 많은 층의 소자를 쌓아올려 용량을 늘리는 방식으로 진화하고 있습니다.

출처: 서울 경제

출처: 파이낸셜 뉴

지난해 11월 SK하이닉스가 세계 최고 층수인 321단 낸드를 양산하기 시작했고, 삼성전자도 400단 이상의 낸드를 개발하고 있습니다. 

 

이렇게 높은 단수의 NAND를 제작하기 위해서 가장 중요한 것 중 하나가 바로 "식각" 기술입니다.

NAND flash는 oxide-nitride 층을 겹겹이 쌓고, 이를 관통하는 구멍을 뚫습니다. 이러한 구멍이 바로 channel hole (or plug)입니다.

하지만 적층 수가 증가하게 된다면 channel hole을 바닥 끝까지 형성하는 것이 어려워집니다. 왜냐하면 기존의 반도체 식각 장비로는 한 번에 100단 정도만 식각을 할 수 있기 때문입니다. 

위의 그림과 같이 좁고 긴 (고종횡비) hole을 식각할 때 다양한 etch failure들이 발생합니다. 

 

따라서 300층 이상의 NAND를 구현하기 위해서는 100단씩 3번의 식각 공정을 통해 channel hole을 형성합니다.

실제로 SK하이닉스의 321단 NAND의 경우 "3-Plug" 공정 기술을 도입하여 세 번에 나누어 플러그 공정을 진행 후, 후속 공정을 거쳐 3개의 플러그를 전기적으로 연결하여 구현했습니다.

삼성전자도 286단인 V9까지는 "더블 스택" 방식을 이용했으나, 400단 이상의 V10부터는 "트리플 스택"을 이용하여 낸드를 제작한다고 합니다.

 

하지만 이러한 방식은 단점이 있습니다. 공정을 여러번 진행해야 되기 때문에 시간도 오래걸리고, 효율도 떨어지게 됩니다.

가장 좋은 방식은 한 번에 깊고 정확하게 식각을 하는 방법인데요, 이를 위해 개발된 것이 바로 "극저온(cryogenic) 식각"입니다.

 

24년 8월, 램리서치가 Lam Cryo 3.0 이라는 극저온 식각 기술을 발표했습니다.

이 기술은 낸드 셀을 한 번에 200단 이상 식각할 수 있다고 합니다. 이렇게 되면 높은 단수의 낸드를 빠르고 정확하게 식각할 수 있어 훨씬 효율적이게 되는데요, 주요 메모리 고객사에서도 400단 이상 낸드에 Cryo 3.0 도입을 검토하고 있다고 합니다.

기존 채널 홀 공정은 웨이퍼 온도가 0~20℃라고 합니다. 하지만 'Cryo 3.0'에서는 웨이퍼의 온도를 -63℃까지 낮추어 식각을 진행한다고 합니다.

식각 환경의 온도가 낮으면 화학적 반응성이 낮아지기 때문에, 등방성 식각을 억제할 수 있 기존 HARC etching 에서 필요한 C기반의 passivation layer을 형성하지 않아도 된다는 장점이 있다고 하는데요. 이를 좀 더 자세히 살펴보겠습니다.

 

기존의 식각 방식

기존의 고종횡비의 channel hole을 etching하기 위해서 사용한 방법 중 대표적인 Deep RIE (Bosch process)에 대한 그림입니다. 비등방성 식각을 위해 C₄F₈ gas를 넣어 passivation layer를 형성하고, SF₆ gas와 함께 bias를 인가해 바닥부분의 보호막은 제거합니다. 이후 SF₆ gas를 이용해 화학반응을 시켜주면 (isotropic etch) 바닥 면의 Si막 식각이 되게 됩니다.

하지만 여기서 중요한 과정은 보호막 역할을 하는 layer가 깎이며 발생하는 부산물이 제대로 배출되어야 하는데요, 좁고 긴 통로인 channel hole에서는 이러한 부산물이 원활하게 배출되지 않아 식각률이 감소하는 micro loading effect가 발생합니다. 그렇다고 passivation layer를 사용하지 않으면 등방성 식각이 발생하여 고종횡비의 channel hole을 형성할 수 없게 됩니다. (trade-off 존재)

 

이러한 현재의 문제점을 극복하기 위한 것이 바로 극저온 식각입니다. 그렇다면 극저온 식각은 어떤 방식으로 정확하고 빠른 식각을 할 수 있었는지 살펴보겠습니다.

 

Cryo 3.0에는 크게 두 가지 변화가 있습니다.

Passivation layer의 생략

극저온 식각은 기존의 passivation 역할을 하던 CF gas가 없이도 보호막이 생깁니다. 극저온 환경에서 HF 계열의 가스를 사용하면 불소 원자가 silicon oxide나 nitride에 반응하여 강한 Si-F 결합을 형성합니다. 이는 특정 온도 범위에서 표면에 passivation 층을 형성하는 효과를 갖게 됩니다.

출처: 이베스트투자증권, TEL

따라서 식각 장비의 가스 중에서 식각을 담당하는 HF gas의 비율을 효과적으로 늘려 E/R을 높일 수 있게 됩니다.

또한 C 탄소를 배출하지 않으니 환경적인 측면에서도 도움이 됩니다. 

 

Generator

식각 가스를 플라즈마 상태로 만들기 위한 power가 필요한데요, 주로 oxide와 같은 유전체는 RF 방식을 이용합니다.

TEL의 경우에는 pulsed DC라는 power를 이용해 극저온 식각 장비를 개발했습니다.

Pulsed DC는 plasma가 off 되어 있는 동안 여러 부산물들이 pumping out 되면서 micro loading effect를 개선할 수 있다는 장점을 갖습니다. (RF 기반의 Continuous Wave, CW 방식은 산화막에 양이온들에 의해 + charging되면서 쿨롱 힘에 의해 입사하는 이온의 path가 휘어지는 등의 문제가 있습니다. 특히 측벽 손상의 문제가 있습니다.) 하지만 pulsed DC 방식도 plasma off 동안에 식각 속도가 저하되는 문제가 있긴 합니다.

램리서치는 독자적인 RF 방식으로 식각 속도를 개선한 방식을 사용했다고 합니다.

 

그래서 결론적으로 Cryo 3.0은 아래와 같은 장점들을 갖습니다. (출처: 램리서치 공식 기업블로그)

정확성: Lam Cryo™ 3.0 사용 시, 3D 낸드 제조사들은 상단부에서 하단부까지 구조의 임계치수 편차를 0.1% 미만으로 유지하며 최대 10마이크론(µm)* 깊이의 메모리 채널을 식각할 수 있습니다.
* 최대 임계 치수(CD, Critical Dimension)에서 최소 임계 치수를 뺀 값을 메모리 채널 깊이로 나눈 값으로 계산된 프로파일 편차
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수직 스케일링: 극저온 식각을 통해 고종횡비 식각이 가능해, 3D 낸드를 400단 이상으로 스케일링할 수 있습니다.
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비트(bit) 스케일링 및 속도: Lam Cryo™ 3.0은 기존 플라즈마 기술 대비 2.5배 빠른 속도로 식각하면서도 웨이퍼 대 웨이퍼의 반복성을 개선해 3D 낸드 제조기업의 비용 효율성과 수율을 동시에 높일 수 있도록 지원합니다.
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장비 투자 효율 극대화: 최적화된 프로파일 제어와 가장 빠르고 깊은 유전체 식각을 위해 Lam Cryo™ 3.0을 램의 최신 Vantex® 시스템에 적용할 수 있습니다. 또한 Lam Cryo™ 3.0는 주요 메모리 칩 제조사에서 사용되고 있는 기존 고종횡비 유전체 식각 장비 Flex® 포트폴리오에도 적용이 가능합니다.
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강화된 지속가능성: Lam Cryo™ 3.0은 기존 식각 공정보다 웨이퍼당 에너지 소비를 40% 절감합니다. 또한, 새로운 식각 가스를 사용하여 탄소 배출량을 최대 90%까지 감축하는 등 지속가능성 측면에서도 개선됐습니다.
* 출처: Lam Research. Lam Cryo™ 3.0으로 가능한 새로운 식각 화학을 기반으로 웨이퍼당 Kg CO2 90% 감소. 온실가스 인벤토리에 대한 IPPC(기후에 관한 정부간 패널) 지침을 사용하여 계산된 예상 배출량 감축량. 추정된 감소량은 독립검증을 거치지 않음


[출처] Lam Cryo™ 3.0, 극저온 식각 기술로 AI 시대 위한 3D 낸드 확장 가속화|작성자 램리서치코리아

 

 

24년 8월 기사에 따르면, 세계 반도체 회사에 투입된 램리서치의 식각 장비 7500대 중 1000대가 극저온 기술이 적용된 장비라고 합니다.

또한 램리서치 cryo 3.0의 장점은 기존 식각 장비에 일부 부품과 소프트웨어 업그레이드 만드로 이를 구현할 수 있다는 것입니다. 

 

 

극저온 식각의 문제점을 짚고 마무리 하도록 하겠습니다.

극저온으로 인해 실리콘 헥사플루오라이드, 암모니움헥사플루오라이드와 같은 solid가 생겨 불량을 유발할 수 있다고 합니다. 이를 최소화하여 설정한 온도가 현재 cryo 3.0의 -63℃라고 합니다.

 

 

 

 

참고

https://m.sedaily.com/NewsView/2DD53O1V39#cb

'-63℃에서 구멍 뚫어봤어?' 램리서치의 '1000단 낸드' 식각 이야기 [강해령의 하이엔드 테크]