▲ 한국머크 김성호 스페셜티가스 총괄이 ‘반도체 공정의 초미세화 및 배출량 감축에 따른 식각가스 재료의 혁신’에 대해 발표하고 있다.

선도적인 과학기술기업 머크가 반도체 미래 기술의 성장을 꾀하는 것은 물론 반도체 산업의 지속가능한 환경 조성을 위한 Low-GWP(低 지구온난화지수) 가스 등의 소재 개발을 통해 반도체 혁신을 가속화하는데 크게 기여하고 있다.

머크의 한국 법인인 한국머크의 김성호 스페셜티가스 총괄은 지난 16일 코엑스에서 열린 ‘제12회 국제첨단소재기술대전(INTRA 2024)’의 부대행사로 진행된 ‘첨단 반도체 및 탄소중립. 주목해야 할 첨단 신소재·특수가스’에서 ‘반도체 공정의 초미세화 및 배출량 감축에 따른 식각(에칭) 가스 재료의 발전’에 대해 발표했다.

반도체 공정에서 회로를 구현하기 위해서는 다양한 종류의 물질 중 불필요한 부분을 제거하는 공정들이 있다. 건식 식각(에칭) 공정은 일반적으로 플라즈마 조건에서 기판 상의 박막에서 불필요한 물질 층을 제거하는 프로세스로 반도체 제조 과정 중 필수적이면서 중요한 단계 중 하나다.

식각 공정에서는 제거하고 싶은 물질을 얼마큼 잘 제거하는지, 식각 반응이 얼마나 빠른지, 웨이퍼 위치 별로 얼마나 식각 속도의 차이가 발생하는지 등 선택비, 속도, (불)균일도 특성이 요구된다.

반도체 기술 성장과 함께 반도체 관련 장비도 최근 10~15년 간 발전했지만 식각 가스는 그동안 20년 전에 사용하던 가스를 그대로 사용해 왔다. 하지만 최근 반도체 공정은 미세화를 넘어 초미세화 되고 있다.

반도체 회로가 미세화 될수록 회로구조가 무너지거나 고르게 식각되지 않는 경우가 늘거나 구성 물질이 고온의 환경을 버티지 못해 반도체 수율이 떨어지는 상황이 발생하기도 한다. 또한 기존에 단층으로 배열된 셀을 3차원 수직으로 적층한 3D NAND 구조가 지배적인데, 설계 노드가 축소되고 모놀리식 스케일링 채택으로 인해 건식 식각 공정이 더욱 중요해지고 있다.

게다가 글로벌 기후 변화에 따른 온실가스 감축이 모든 산업 부문에서 필수가 되면서 PFAS(과불화화합물) 및 HFC(수소불화탄소)의 단계적 폐지 등, 반도체 산업에서도 탈탄소화 추세가 확장되고 있다.

반도체 산업에서 온실가스 직접 배출(Scope1)의 경우, 반도체 생산 과정에서 발생하는 공정가스가 80%를 차지하고 있으며, △퍼플루오로카본(PFC) 50%　△SF6(육불화황)　1６%　△NF₃(삼불화질소) 14%　△CO₂(이산화탄소) 14% △HFC(하이드로플루오로카본) 7% 등 주로 에칭가스로 구성돼 있다. 이에 반도체 등 지속가능한 전자산업을 위해 새로운 에칭 가스에 대한 수요가 증가하고 있다.

높은 종횡비와 DRAM·Logic의 선택적 에칭에 대한 단계적 채택, 차세대 메모리 소자를 위한 극저온 에칭 기술 등 미래 기술 요구사항에 부합할 뿐만 아니라 고성능과 함께 탄소 순배출량 제로 Low-GWP(低 지구온난화지수) 가스 등 지속가능성을 보장하는 에칭 가스 설계가 이제는 선택이 아닌 필수가 됐다.

김성호 총괄은 “이제 반도체 장비의 업그레이드만으로는 기술적, 환경적 난제를 극복하는데 한계가 있어 재료의 혁신이 반드시 동반돼야 한다”고 강조했다. 높은 성능을 자랑하며 환경 규제 요구에 맞는 차세대 에칭 가스를 개발하기 위해서는 새로운 친환경 기술혁신 및 신소재 솔루션이 필요하다. 이를 개발하기 위해서는 많은 비용과 시간을 투자해 새로운 물질 연구를 위한 실험, 새로운 장비 설계 및 시설 시스템 등을 탐색하고 개발해 안전성 등의 테스트를 거쳐야 한다.

게다가 아마존, 구글, 삼성, SK하이닉스 등 반도체 활용 기업에서는 2030년 넷-제로를 목표로 내세워 이제 6년이라는 시간 밖에 남지 않았다. 이에 맞춰 친환경 식각 가스를 개발해야 하는 것은 물론, 기존뿐만이 아니라 차세대 공정 및 애플리케이션에도 적용 가능한 가스를 발굴해야 한다.

김 총괄은 “식각가스 중 하나인 CFO 가스는 반도체 공정 중 100여개 프로세스에 사용 되는 데, 이를 대체할 물질을 개발하고 각 어플리케이션 마다 평가해 장비업체의 초도 테스트를 거쳐 모든 공정에 적용하고 이를 양산화하기 까지 아무리 빨라도 최소 7년이 소요돼 지금 시작해도 30년까지 목표를 맞추기 어려운 실정”이라고 설명했다.

또한 “스코프 1뿐만 아니라 기업의 소유 자산, 구매 및 소비하는 전기의 생산과 관련된 간접 배출(Scope2)도 줄여야 한다. 반도체 공정에서 장비의 전력이 가장 부분을 차지하고 있는데 전력 소비를 낮추기 위해서는 장비의 업그레이드만으로는 그 한계가 있어 공정의 변화가 필요하고 이를 위해서는 새로운 재료, 식각 가스가 요구된다”고 말했다.

식각 가스 등 반도체 공정 가스의 새로운 재료 개발은 가스 특성상 성능과 확장성, 안정성이 부각될 수 밖에 없으며, 고객의 입장에서는 추가적으로 고객사 응용프로그램과의 혼합 및 환경 규제에 따른 친환경성 등이 고려돼야 한다. 이에 머크는 온실가스 배출량을 줄일 수 있는 저배출 챔버, CF용 저배출 대체품, 높은 종횡비 유전체 에칭 등 차세대 공정 가스 개발에 초점을 두고 연구·개발에 박차를 가하고 있다.

머크는 하드마스크를 이용해서 깊은 홀을 동일한 두께로 소자의 최하단까지 뚫는 HAR(High Aspect Ratio) 식각을 위한 새로운 엔지니어링 분자를 설계 하고, 데이터 분석을 갖춘 대규모 화합물 라이브러리 등을 통해 확보한 혁신적인 프로세스로 새로운 에칭 가스 후보의 지구 온난화 잠재력(GWP) 값을 예측해 지속가능한 에칭가스를 요구하는 고객들의 요구를 충족시켜 업계로부터 호평받고 있다.

김 총괄은 “기존과 성능이 같으면서도 GWP가 낮은 친환경 가스, 기존과 차세대 공정에도 적용 가능한 새로운 식각 가스를 개발하고 양산을 위해서는 시간과 비용을 단축시키는 것이 무엇보다 중요하다”며 “머크는 신소재 개발 전과정에 필요한 능력을 보유하고 있다. 글로벌 네트워크를 바탕으로 전문 연구 개발을 통한 새로운 소재 개발과 함께 신규 제품의 성능 및 안전성을 검증할 수 있는 기반과 제조 인프라 등을 구축해 놔 개발 기간을 단축시킬 수 있다”고 전했다.

마지막으로 김성호 총괄은 “탄소중립을 위한 반도체 산업의 지속가능성 확보 등, 반도체 제조 공정에서 전식 에칭 공정이 중요해지면서 에칭 성능과 방출 모두의 목표를 달성하기 위한 재료 솔루션을 개발하는 것이 중요하다. 머크는 재료 혁신을 통한 반도체 가치 사슬 전체에서 공정 가스 배출을 줄이는 데 앞장서고 있다”고 강조했다.

한편, 머크의 한국 법인인 한국머크는 지난 1989년 설립돼 현재 국내 13개 사이트에서 약 1,700명의 직원이 일렉트로닉스, 헬스케어, 라이프 사이언스 비즈니스를 추진 중이다. 일렉트로닉스 비지니스에서는 디스플레이 및 반도체 등에 필요한 다양한 첨단소재와 함께 코팅, 화장품, 기능성 솔루션 및 자동차 산업을 위한 이펙트 안료 등을 공급하고 있다.

헬스케어 비즈니스에서는 항암, 다발성 경화증 및 난임과 같은 질환의 치료를 위한 의약품 및 디바이스를, 라이프 사이언스 비즈니스는 단백질 연구, 세포 생물학, 항체, 수질 정화 및 미생물 검사를 위한 30만 개 이상의 제품을 제공하고 있다.

▲ 한국머크 김성호 스페셜티가스 총괄이 세미나에서 소개한 ‘차세대 에칭가스 혁신 사이클