반도체 기술 변화 짚어보기 - 3) NAND, 200 단을 넘는 양산 제품

NAND 구조: 실리콘 기판, 터널링 산화막, 트랩층, 블로킹 산화막, 컨트롤게이트

 

NAND 는 실리콘 기판, 터널링 산화막, 트랩층(혹은 플로팅게이트), 블로킹 산화막, 컨트롤 게이트로 구성되어 있다.

 

터널링 산화막은 실리콘 기판과 트랩층 사이에 있는 매우 얇은 산화막으로 게이트에 전압이 걸리면 실리콘 기판에 있는 전하가 뚫고 트랩층으로 들어갈 수 있다.

 

트랩층은 전하를 저장할 수 있는 레이어이며 6 면이 절연막으로 둘러 쌓인 구조다. 트랩층은 과거 플로팅게이트라고 불리는 도체(주로 폴리실리콘)를 사용했지만 2006 년부터는 집적화에 유리하고 전자 누설 위험이 낮은 부도체(주로 SiN)를 사용하기 시작했다.

 

블로킹 산화막은 트랩층에 갇힌 전하가 컨트롤 게이트로 들어오지 못 하게 막아주는 유전막(절연막) 역할을 한다. 유전막은 유전율이 높을수록, 절연 능력이 좋을수록, 계면 특성이 뛰어날수록 좋으며 NAND 의 유전막은 보통 SiO2, Si3N4, SiO2 층으로 구성돼있다.

 

SiO2 의 유전 상수는 3.9, Si3N4 의 유전 상수는 7~8 정도 되기 때문에 중간층에 Si3N4 을 사용하고 실리콘과 SiO2 의 계면 특성이 좋아 트랩을 방지할 수 있어 표면은 SiO2 를 사용하는 것이다. 최근에는 트랜지스터 속도 향상을 위해 High-k 유전막을 사용하기도 한다.

 

 

 

 

NAND 의 2D 스케일링이 한계에 다다르면서 수직으로 적층하는 V-NAND 도입

 

NAND 에서 10nm 대 공정이 도입되면서 누설 전류, 간섭 현상 등 SCE 가 발생했다. 이에 반도체 업체들은 수평 구조로는 더 이상 집적도 향상이 불가하다고 판단하여 NAND 를 수직으로 쌓는 3D V-NAND 구조를 도입했다. V-NAND 는 2013 년 삼성전자의 24 단 NAND 를 필두로 2022 년부터 200 단 이상 NAND 가 생산되기 시작했다.

 

 

V-NAND 의 구조는 기존 수평 구조의 NAND 를 김밥처럼 돌돌 말은 형태라고 보면 된다. 가장 중심에는 실리콘이 채워져 있고 터널링 옥사이드, 트랩층, 유전막, 컨트롤 게이트가 차례대로 둘러 싸는 구조다.

 

NAND 를 수직으로 쌓으면 트랜지스터가 차지하는 면적을 획기적으로 줄일 수 있어 집적도 향상에 유리하고, 상부에서 노광과 엣칭을 통해 한번에 원통형 구조를 형성할 수 있으며, 게이트가 원통을 둘러 싸고 있기 때문에 GAAFET 처럼 게이트의 채널 제어 능력이 뛰어나다.

 

다만 층이 높아질수록 종횡비도 높아져 노광과 엣칭 균일도가 떨어지는 문제가 발생한다. 종횡비가 높아지면 상단부터 최하단까지 한번에 엣칭이 안되는 현상(Incomplete etch), 중간 부분이 활 모양으로 엣칭되는 현상(Bowing), 엣칭 방향이 꺾이는 현상(Twisting) 등의 문제가 발생한다.

 

 

 

 

 

NAND 적층수가 높아지면서 더블 스테킹 도입되기 시작

 

반도체 소자 업체들은 이러한 균일도 문제를 해결하기 위해 72 단 이상의 NAND 부터 더블 스테킹을 채용하기 시작했다.

 

더블 스테킹은 NAND 를 둘로 나눠 각자 노광과 엣칭을 진행하고 빈 공간에 임시 물질을 채워 넣은 후 둘을 합치는 방법이다. 이론상 기존 적층수의 두배까지 적층할 수 있다는 장점이 있으나 NAND 를 둘로 나누어 공정을 진행하기 때문에 공정 step 수와 원재료비가 증가한다는 단점이 있다.

 

삼성전자도 원가 경쟁력을 위해 128 단까지는 싱글 스테킹을 고집해왔으나 176 단부터는 더블 스테킹을 사용하기 시작했다. NAND 적층수 증가, 더블 스테킹 이슈는 10 여년 전에 등장했던 기술이다. 다만 적층수과 스테킹 수는 지속적으로 증가할 것이기 때문에 반도체 소재/부품/장비 기술의 발전 포텐셜도 아직 많이 남았다고 판단된다.

 

이에 따라 NAND 적층과 스테킹 수 증가에 따라 PR, Hardmask 관련 장비, 엣칭 플라즈마 농도 및 빈도 증가에 따른 포커스 링, step 수 증가에 따라 케미칼 소재 수요가 증가할 것으로 전망한다.

 

 

출처: 하이투자증권

 

뜨리스땅

 

 

 

https://tristanchoi.tistory.com/679

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