반도체 고집적화 수소 공정 확대, 내수소 세라믹 기술 확보 必

▲ ‘세라믹 산업 협력 컨퍼런스’에서 이종근 한국세라믹연합회 회장(右 세 번째)과 주요 참석자 및 연사들이 기념촬영에 응하고 있다.

수소 플라즈마 공정 확대, 부품 손상 방지 내수소 소재·코팅 개발 시급

전력반도체 초고온 수소 열처리 공정 증가, 내식 세라믹 부품 시장 ’30년 1조8천억

반도체 고집적화 및 초미세화로 인해 수소(H₂) 플라즈마 공정, 고압수소열처리(HPHA) 공정 등 수소를 활용한 공정이 확대됨에 따라 화학적 안정성, 기계적 특성 등이 우수한 내수소 세라믹 소재부품에 대한 개발이 중요하다는 의견이 제시됐다.

한국세라믹연합회와 한국세라믹산업연구조합은 지난 21일 LW컨벤션센터에서 ‘세라믹 산업 협력 컨퍼런스’를 개최했다. 이날 행사에는 이종근 한국세라믹연합회 회장, 윤종석 한국세라믹기술원 원장, 이기성 한국세라믹학회 회장, 이석윤 ㈜미코 대표, 김형태 세라믹연합회 부회장 등과 산학연 관계자 150여명이 참석했다.

세라믹 산업 협력 컨퍼런스는 세라믹 수요·공급 기업, 세라믹 기업과 타 산업 간 기술교류를 통해 국내 세라믹 산업 발전을 위한 신기술을 공유하고 R&D 발굴 및 협력을 강화하기 위해 해마다 열리고 있다.
올해는 AI 반도체 기술의 빠른 발전에 발맞춰 ‘반도체 공정용 내수소 소재 및 코팅기술의 공급망 자립화’를 주제로 전문가 발표가 진행됐다.

반도체 기술은 단위 면적당 더 많은 트랜지스터와 메모리 셀을 집적해 연산 성능을 향상시키고 소비전력을 줄이는 방향으로 발전해 왔다. 그러나 회로 선폭이 나노미터 수준으로 초미세화되면서 기존의 평면적 미세화 기술만으로는 집적도를 높이는 데 한계가 발생하고 있다.

특히 AI 데이터센터에 필요한 반도체는 단위 면적에 더 많은 데이터를 저장해야하고 응답 속도도 빨라야하기 때문에 반도체 제조공정은 기존의 평면 미세화 중심에서 3차원 소자 구조와 원자 단위 정밀 제어 중심으로 진화 중이다.

특히 GAA 트랜지스터, 고단 3D NAND 및 차세대 적층 반도체의 도입으로 고종횡비 식각, 원자층 식각(ALE), 저손상 플라즈마 공정 등의 중요성이 증대되고 있다.

이중 플라즈마(Plasma) 공정은 상대적으로 낮은 온도에서 높은 화학적 반응성을 확보할 수 있고, 이온과 라디칼의 반응을 활용해 미세패턴의 정밀 식각, 박막 증착, 표면처리 등 다양한 공정을 수행할 수 있는 장점이 있다. 반도체 3D 구조의 확대로 고종횡비 식각, 원자층 단위 공정 제어 및 저손상 처리 기술의 중요성이 높아지면서 플라즈마 공정은 반도체 전(前)·후(後) 공정 전반으로 적용이 확대되고 있다.

김종환 한국공학대 교수는 ‘반도체 공정에서의 수소 플라즈마 사용 동향과 내수소 플라즈마 부품의 개발’이라는 주제발표를 통해 반도체 고집적화로 인해 공정에서 플라즈마를 사용하는 횟수는 점점 늘어나고 있으며 기존에 잘 사용하지 않던 수소 플라즈마를 이용한 공정이 늘어나고 있다고 밝혔다.

수소를 플라즈마 상태로 활성화해 생성된 반응성이 뛰어난 수소 라디칼, 수소 이온 및 전자 등을 활용하는 반도체 수소 플라즈마 공정은 저온 열처리, 질화규소 박막 특성 제어, 원자층 증착·식각, 에피택셜 성장 전처리, 첨단 패키징 접합 공정 등에 적용이 확대되고 있다.

공정 중 플라즈마에 노출된 반도체 장비 부품은 미세한 부식과 마모가 발생하게 되는데. 이때 발생하는 파티클이 웨이퍼에 떨어지면 수율이 급격하게 저하된다. 때문에 장비 내 부품에 이트리아(Y2O3), 알루미나(Al2O3), 이트륨 알루미늄 가넷(YAG) 등과 같은 산화물 및 세라믹 소재를 코팅함으로써 내식성을 향상시키는 것이 필수적이다.

그러나 현재 수소 플라즈마 환경을 견디는 내수소 플라즈마 소재 및 코팅 기술은 기술 발전이 더딘 상태다. 내수소 플라즈마 처리 조건 자체가 일정하지 않고 기존 내플라즈마 소재나 코팅은 주로 불소(F)나 염소(Cl) 계열의 부식성 가스에 강한 산화물 및 세라믹 소재에 집중돼 있기 때문이다.

김종환 교수는 “내수소 플라즈마 소재 및 코팅 개발을 위해, 내수소 평가조건에 대한 확립과 적합한 비교물질을 확립시키는 것이 무엇보다도 필요하다”고 제언했다.

박동철 ㈜그리킨 부사장은 ‘반도체 및 전력반도체 수소공정 확대와 차세대 내수소 세라믹 소재, 부품 기술동향’ 주제발표를 통해, 반도체 구조의 3D 전환과 함께 내부 배선이 저저항 및 신호 지연 방지를 위해 알루미늄 배선에서 구리 배선으로 전환되면서 표면 및 계면의 결함을 수소 원자로 채워 치유하기 위한 수소 공정이 필수가 됐다고 밝혔다.　

수소 공정 중 하나인 고압수소열처리(HPHA)는 반도체 미세화로 증가하는 반도체 표면 및 계면의 미결합 결함을 수소 원자로 채워 치유함으로써 누설 전류를 막고, 소자의 성능과 신뢰성을 극대화하는 공정이다. 고압의 초고순도(5N) 수소를 활용하는 기술로 기존 고온 열처리 공정 대비 상대적으로 낮은 온도에서도 효과적으로 결함을 제거할 수 있어 반도체 소자 손상을 최소화하는데 기여하고 있다.

반도체의 고집적화 및 3D 적층 구조 확대에 따라 내부의 서로 다른 층을 전기적으로 연결하거나 전류가 흐르는 통로를 만들기 위해 더욱 좁고 깊은 홀(Hole)을 가공하는 HARC(고종횡비) 식각기술의 중요성이 증대되고 있다. 홀을 수직으로 식각해 내려 갈 때 수소를 추가하면 수소 라디칼이 잉여 불소를 포획해 불화수소(HF)를 형성함으로써 측벽 침식을 방지하고 수직 프로파일 유지하는 효과가 있다.

전력반도체 제조 공정에서도 1600~1900℃에 달하는 초고온 수소 열처리가 필수적이며 산화 공정, 식각 공정, 결함 제거 등에서도 수소 공정이 확대되고 있다. 탄화규소(SiC) 전력반도체 웨이퍼 크기가 8인치로 전환됨에 따라 초고온 수소 열처리 시장이 급성장할 것으로 전망되고 있다.

이러한 반도체 공정에서의 수소 공정 확대로 고온의 수소 및 플라즈마 환경을 견딜 수 있는 세라믹 부품 시장이 확대될 전망이다. 시장조사기관에 따르면 내식 세라믹 부품 시장은 2030년 1조8천억원에 달할 것으로 전망되고 있으며, 장비 내 세라믹 소모품도 하이브리드 코팅 적용이 확대될 전망이다.

박동철 부사장은 고온·고압 수소공정을 더 오랜 견딜 수 있는 세라믹 소재로 화학기상증착(CVD) 기술을 이용해 제조한 ‘CVD SiC’를 제시했다. CVD SiC는 기공이 없는 조직을 구현할 수 있고 열전도성과 열분산성이 우수해 열 집중에 따른 파괴가 없는 것이 특징이다. 또한 고온에서도 강도를 유지하는 것은 물론 수소 환원 저항력이 우수해 부품 수명이 길다.

박 부사장은 “수소 공정 부품은 실리콘이나 석영 소재가 아닌 ‘CVD SiC’ 기준 지지체로 설계해야 하며, 극한의 수소 공정을 오래 견딜 수 있도록 CVD SiC 내수소 코팅으로 보완해야 한다”고 밝혔다.