반도체 미세공정: 나고야대-TEL, 식각 속도 5배 높인 극저온 공정 규명

나고야대학 저온 플라즈마 과학 연구 센터 연구진과 글로벌 반도체 장비사 도쿄일렉트론 미야기(TEL)가 협력하여 반도체 미세공정의 난제를 해결할 새로운 극저온 반응성 이온 식각(RIE) 메커니즘을 세계 최초로 규명함.

웨이퍼를 냉각하고 불화수소(HF) 플라즈마를 활용하여, 기존 공정 대비 SiO2막의 식각 속도를 무려 5배 이상 비약적으로 향상시킴.

구조가 극도로 미세하고 복잡한 GAA(Gate-All-Around) 트랜지스터 및 고단수 3D NAND 플래시 메모리 등 최첨단 반도체 미세공정에서 발생하는 식각 속도 저하 병목 현상을 타개할 가장 확실한 솔루션임.

식각 가스로 환경 부하가 적은 HF를 채택함으로써, 넷제로(Net-Zero) 트렌드에 부합하는 지속 가능한 친환경 반도체 미세공정 기술로 주목받음.

• 식각 반응 시 웨이퍼 기판의 온도를 영하 60℃ 수준의 극한으로 제어하고 유지하는 것이 본 차세대 반도체 미세공정의 최우선 핵심 전제 조건임.
• 극저온 환경을 조성할 경우, 식각 가스인 HF와 반응 과정에서 생성된 부산물인 H2O 분자가 증발하지 않고 웨이퍼의 SiO2 표면에 밀집하여 흡착됨.
• 얇게 흡착된 H2O가 식각 반응을 촉진하는 강력한 화학적 촉매 역할을 수행하여, SiO2의 식각 활성화 에너지를 사실상 ‘제로(0)’에 가까운 수준으로 수렴하게 만듦.
• 이온 조사 에너지(바이어스 전압)를 물리적으로 높일수록 촉매인 H2O 생성량이 증가하며, 이는 표면에 흡착되어 더 많은 HF를 끌어당기는 ‘자기 촉매 사이클(Autocatalysis)’을 가속함.
• 이러한 ‘이온 강화 표면 자기 촉매 반응’의 연쇄 작용을 통해 물리적 타격 한계를 초월하는 초고속 반도체 미세공정 식각이 완성됨.

• 극도로 좁고 깊은 구멍을 뚫어야 하는 3D NAND 및 GAA 구조의 반도체 미세공정에서는 깊이가 깊어질수록 가스 도달률이 떨어져 속도가 급감하는 치명적인 문제가 존재했으나, 본 기술이 이를 해결함.
• 나고야대 연구 그룹의 실험 데이터에 따르면, 기존 실온 또는 저이온 에너지 조건과 비교하여 새로운 극저온 반도체 미세공정을 적용했을 때 SiO2 막의 식각 처리량이 약 100배 가량 폭발적으로 향상됨을 입증함.
• 바이어스 전압과 식각 속도의 역학적 상관관계 그래프 분석 결과, 온도가 -60℃일 때 식각 속도가 기하급수적으로 급상승(가파른 곡선 형태)하는 강력한 표면 촉매 효과가 명확히 확인됨.

• 기존 식각 공정에서 온실가스 배출 주범으로 지목되는 가스 대신 상대적으로 환경 부하가 덜한 HF를 주력으로 사용하여, 친환경 반도체 미세공정으로 패러다임 전환을 선도함.
• 식각 속도가 5배 단축됨에 따라 장비 가동 시간이 절대적으로 감소하므로, 팹 전체의 전력 소모 및 운용 비용(OPEX) 절감 시너지 창출에 유리함.
• 세계 최고 수준의 글로벌 식각 장비 기업인 TEL이 직접 공동 연구에 참여해 메커니즘을 밝혀낸 만큼, 해당 반도체 미세공정의 실제 양산 라인 적용 및 상용화 시기가 매우 빠를 것으로 전망됨.

Insight: 극저온 식각(Cryo Etch), 3D NAND 400층 고지를 선점하기 위한 TEL의 기술적 도약

현재 글로벌 낸드 플래시 시장은 400단 이상의 초고적층 경쟁에 돌입하며, 기존의 RIE 기술로는 더 이상 감당하기 어려운 고종횡비 식각의 한계에 직면해 있습니다. 적층수가 늘어날수록 에칭 깊이는 깊어지지만, 하부로 갈수록 식각 속도가 급격히 저하되는 ‘에칭 스톱’ 현상은 단일 기업의 공정 최적화만으로는 극복하기 힘든 기술적 병목 구간이 되었습니다. 이러한 기로에서 나고야대학과 TEL이 규명한 극저온 식각 메커니즘은 단순히 속도를 높이는 것을 넘어, 건식 식각의 패러다임을 가상 습식(Pseudo-wet)으로 전환하는 강력한 촉매제가 될 것입니다.

특히, 이번 연구에서 밝혀진 ‘이온 강화 표면 자기 촉매 반응’은 그간 물리적 타격과 가스 반응에만 의존하던 기존 방식에서 탈피하여, 표면 흡착물(H2O)을 의도적으로 제어해 에너지 장벽을 무너뜨린 전례 없는 접근입니다. 이는 식각 가스로 HF를 사용함으로써 얻는 환경적 이점뿐만 아니라, 처리량을 기존 대비 최대 100배까지 끌어올릴 수 있는 상용화 가능성을 입증했다는 점에서 매우 파괴적인 혁신입니다. 결국 차세대 낸드 시장의 주도권은 누가 더 깊에 뚫느냐가 아니라, 누가 더 ‘영리하게(Smart & Fast)’ 표면의 화학적 잠재력을 끌어내느냐에 달려 있습니다.

• 극저온 챔버 제어 기술의 고도화: 기판 온도를 -60℃로 정밀하게 유지하면서 이온 에너지를 동기화하는 하드웨어 설계 능력이 향후 식각 장비 시장의 핵심 경쟁력이 될 것입니다.
• 친환경 공정으로의 강제적 전환 대응: 탄소 배출 저감이 가능한 HF 플라즈마 기반 공정은 단순히 선택의 문제를 넘어, 글로벌 공급망 내 ESG 규제를 정면으로 돌파할 수 있는 기술적 승부처가 될 것입니다.
• 소재-장비-학계의 유기적 R&D 파이프라인: 이번 사례처럼 원천 기술(나고야대)과 양산 기술(TEL)의 밀착 연구를 통해 확보한 ‘공정 메커니즘의 암묵지’는 후발 주자들이 단기간에 따라잡기 힘든 강력한 진입 장벽으로 작용할 것입니다.

원본링크: https://eetimes.itmedia.co.jp/ee/articles/2601/14/news039.html