삼성전자가 48단 트리플레벨셀(TLC) 3D 낸드 양산에 착수했다. 


올 하반기 주요 고객사로부터 승인을 완료한 후 내년 출시될 솔리드스테이트드라이브(SSD)·스마트폰용 임베디드멀티미디어카드(eMMC) 등에 적용될 것으로 보인다.


도시바·SK하이닉스 등 경쟁사들은 이제 겨우 32층 멀티레벨셀(MLC) 제품을 준비 중이다. 삼성전자가 48단 TLC 낸드 양산에 성공할 경우 경쟁사와 1년~1년 6개월 가량 기술 격차를 벌리게 된다. 48단 TLC 낸드는 기존 32단 TLC 낸드 대비 40% 이상 원가 개선 효과가 있다. 삼성전자·도시바·SK하이닉스 3강 구도를 유지해온 낸드 플래시 시장이 1강 2중 체제로 바뀔지 주목된다.


▲삼성전자 SSD/ 삼성투모로우 제공


고층 낸드 기술의 열쇠, 증착...삼성전자 공정 노하우는?


3D 낸드가 32층에서 48층으로 진화하는 것은 결코 단순하지 않다. 고층 건물을 짓기 위해서 튼튼한 골조 설계와 새로운 재료가 필요한 것처럼 3D 낸드도 높이 쌓으려면 상당한 기술과 노하우가 필요하다. 3D 낸드를 높게 쌓을수록 증착한 막질이 휘어지고, 쌓아올린 커패시터(capaciotr)가 무너지기 쉽다.


삼성전자가 불과 1년도 안 돼 기존 제품보다 50% 높은 48층 3D 낸드를 구현할 수 있었던 이유는 뭘까. 전문가마다 다소 이견은 있지만, 상당수는 플라즈마화학증착(PE CVD) 기술을 꼽는다.



CVD 공정 종류.JPG



삼성전자는 48층 3D 낸드의 하중 증가에 따른 층간 스트레스를 줄이기 위해 PE CVD 기술을 대폭 개선했다. 지난해부터 원익IPS·테스 등 협력사와 손잡고 더 얇고 균일한 증착 프로세스를 고안하기 위해 안간힘을 써왔다. 특히 원익IPS는 3D 낸드 증착 공정과 밀접한 관련이 있다. 삼성전자가 원익IPS에 지분투자까지 단행한 이유다.


PE CVD는 삼성전자 3D 낸드 공정 중 산화물-질화물-산화물(ONO, Oxide-Nitride-Oxide), 무반사 코팅(ARC, Anti reflective coating), 비정질탄소층(ACL, Amorphous Carbon Layer) 증착 등을 처리하는데 쓰인다. 48층 3D 낸드는 종전 2D 타입 낸드 대비 PE CVD와 메탈 CVD 사용량이 4배 늘어난다. 그 만큼 증착과 식각(Etching) 공정이 중요해졌다.


ONO 증착 PE CVD 장비는 산화물과 질화물을 순차적으로 증착해 셀을 수직으로 쌓는다. 원익IPS가 ONO 장비를, 테스는 ACL증착장비 장비를 납품한다. 원익머티리얼즈는 PE CVD 공정에 필요한 특수가스를 공급한다.



원자증착(ALD)과 메탈 증착(Metal CVD)은 어떻게 쓰이나?


PE CVD 다음으로 중요한 기술이 바로 원자층증착(ALD)과 메탈증착(Metal CVD)이다. ALD는 원자단위로 증착하는 기술로 가장 얇은 막질을 구현하는데 쓰인다. 삼성전자 3D 낸드 차지드트랩플래시(CTF)를 형성하는 데도 핵심 역할을 한다. 기존 업체들이 플로팅게이트를 낸드 플래시 저장장치로 활용하는 것과 달리 삼성전자는 CTF 방식을 쓴다. ALD는 굴곡이 심한 곳이나 구멍이 깊은 곳에 막질을 구현하기 쉬워 CTF 구조 3D 낸드에 적합하다. 원익IPS가 ALD 장비를, 디엔에프가 전구체 소재를 납품한다.



3D 낸드 공정 변화에 따른 영향.JPG



3D 낸드는 질화물을 고선택비 인산액(HSN, High Selectivity Nitride)으로 식각한 부분에 메탈 CVD로 텅스텐 게이트를 올린다. 텅스텐 증착 공정은 육불화텅스텐(WF6)과 수소(H2)를 반응시켜 텅스텐 막질을 형성한다. 3D 낸드 메탈 게이트 CVD 장비는 원익IPS, WF6 소재는 OCI머티리얼즈·후성이 공급한다.


식각(Etching) 기술도 고도화됐다. 메탈 CVD와 식각 기술은 3D 낸드 옆면에 층간 연결하는 배선을 형성하는데 중요하다. 48층 3D 낸드는 종전 32층 제품보다 50% 이상 배선 길이가 길어진다. 홀이 깊어지면 균일한 두께로 가공하기 어려워진다. 


건식 식각 기술이 더욱 고도화돼야 한다. 얇게 증착된 질화물을 식각하는데는 습식 식각 기술이 쓰인다. 막질 두께가 얇아진 만큼 더 세밀한 습식 식각 기술이 요구된다. 식각 장비는 제우스가 주로 공급하고, 식각 소재는 솔브레인이 담당한다. 

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