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<자막 원문>

  • 진행: 한주엽 디일렉 대표
  • 출연: 김종관 큐알티 전문연구위원

-얼마 전에 김용탁 전문 위원님 모시고 한국 메모리 산업 경쟁력에 관해서 얘기를 들어봤는데요. 오늘은 큐알티의 전문연구위원이신 김종관 박사님 모시고 D램 안에서도 굉장히 핵심이라고 할 수 있는 커패시터(capacitor)라는 요소에 대해서 한 번 알아보는 시간을 갖도록 하겠습니다. 박사님 안녕하십니까?

“안녕하십니까.”

-D램에서 커패시터가 되게 중요하다고 하는데 기초적으로 D램 구성이 어떻게 돼 있습니까?

“D램의 단위 셀이라고 하는 거에 하나의 트랜지스터와 하나의 커패시터. 1 to 1 cell. 그게 단위 셀 구조를 가진 그런 구조가 D램 셀입니다.”

-셀이 최소 단위죠?

“네. 메모리의 최소 저장 단위.”

-그 최소 단위의 1 커패시터와 1 트랜지스터가 있다. 거기서 트랜지스터는 무슨 역할을 합니까?

“트랜지스터는 커패시터에 우리가 저장하는 게 전하인데 그 전하를 전달하고 빼내고 read write 하는 게이트 역할을 하는 거죠. 스위칭 역할을 한다고 볼 수 있습니다.”

-끊었다 풀었다 하는 역할. 풀면 전하가.

“그렇죠. 전압 레벨이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 가게끔 그렇게 구성이 돼 있는데 만약에 1이라는 데이터를 쓰기 위해서는 비트라인(Bit Line, BL)의 high 데이터를 커패시터에 전달시키는 게이트 역할을 하는 게 트랜지스터 역할입니다.”

-커패시터에 전하가 차있냐. 차있지 않냐로 0, 1 이렇게 판단하는 게 맞습니까?

“네, 맞습니다.”

-그 전하는 어느 정도나 차있어야 D램에서 ‘저기 전하가 차있구나. 저 셀에 전하가 차있구나. 없구나.’로 0, 1, 0, 1할 텐데 얼마나 차있어야 해요?

“그래서 우리가 보통 공학적인 단위로 커패시터의 단위는 커패시턴스인데 우리가 최근에 제가 예를 들어 16Femto-Farad(fF). 그니까 수십 Femto인데 예전에 30Femto를 요구할 때도 있었고 최근에는 10Femto. 간단히 제가 16Femto라고 한 이유는 전자의 전하량이 1.6 곱하기 이렇게 나와요. 만약에 16Femto다. 그렇게 따지면 전자의 개수가 얼마라고 쉽게 얘기할 수가 있는데 16Femto라 하면 100,000개. 그래서 만약에 5Femto라 하면 30,000개 그런 식으로. 근데 그게 1볼트(V)에 제가 얘기한 거고.”

-1V 기준으로.

“만약에 전압이 높아지면 그만큼 차지하는 비례에서 증가합니다.”

-지금 예를 들어서 DDR(double data rate)4, DDR5라 할 때 전압별로 된다는 얘기인 거죠? 동작 전압이 몇 V다. 이렇게 나오는데 그거에 이렇게 해서 계산해야 한다는 거잖아요? 근데 아까 예를 들어서 30(fF), 16(fF). 이게 30(fF)는 몇 나노 정도일 때 그 정도 했었어야 합니까?

“90나노.”

-과거 얘기입니까?

“네. 과거 얘기입니다.”

-지금 예를 들어서 그럼 10(fF) 이렇게 되면 그거는 최근입니까? 아니면.

“최근이라고 볼 수 있습니다.”

-과거 대비로는 저장된 전하량이 좀 줄기는 했네요. 그게 줄긴 했지만, 셀 사이즈는 계속 축소가 되지 않습니까. 축소되는데 저장해야 하는 전하량을 사수하려면 커패시터 용량을 어떻게 계속 사수해야 하죠?

“워드라인(Word Line, WL), 비트라인(Bit Line, BL) 스토리지노드(storage node)로 이렇게 차곡차곡 쌓는 구조로 돼 있는데 얘기하신 대로 트랜지스터 사이즈가 점점 줄고 있습니다. Dimension(크기)이 줄다 보면 결국 커패시터를 결정하는 건 표면적입니다. 우리가 전극의 면적이라고 볼 수 있습니다. 전극의 표면적인데 그걸 키우기 위해서 다양한 방법들이 있었는데 예전에 우리가 트랜지스터 구조, 셀 커패시턴스, 커패시터의 구조가 스택(stack) 구조였는데 스택 구조라는 게 실린더 형태로 원통 기둥을 세워서 그 기둥에 외벽과 내벽을 다 커패시터의 면적으로 활용할 수 있는 그런 삼차원 구조를 계속 유지해 왔던 거죠.”

-그니까 바닥 면적이 계속 좁아지면 뭔가를 채울 수 있는 위로 계속 쌓아 올리는.

“위로 쌓아 올려야 하는 거죠.”

-그게 Aspect Ratio(화면비) 이렇게 얘기를 하던데 그것도 그럼 몇 대 몇으로 계속 이렇게 올라가야 한다는 겁니까?

“네, 그렇습니다. 근데 그것도 물론 한계가 있어서 유전체의 얘기가 나오는데.”

-잠실에 있는 롯데타워 길이가 555m라고 하더라고요.

“그렇습니까? 직경이 얼만지.”

-그리고 부르즈 칼리파라고 두바이에 있는 높은 빌딩이 830m인데 ar이 아까 aspect ratio가 부르즈 칼리파 같은 경우는 17이고.

“17:1.”

-17이더라고요. 그리고 롯데월드타워는 11인데 메모리 커패시터는?

“우리가 aspect ratio가 많이 얘기하는 게 D램도 그렇고 3 Nand에도 그렇고 사실은 에칭 기술이에요. 드라이 에칭인데 홀을 드라이 에칭을 통해서 식각을 해야 하는데 식각할 때 직경과 길이. aspect ratio가 D램의 경우에는 50:1 정도를 해야 하고 그렇습니다.”

-그거 만들기 되게 어렵겠는데요.

“그래서 여러 가지 에칭 장비도 플라즈마 기술도 많이 요구되고 에칭 케미스트리에 해당하는 에칭 가스도 다양한 가스들이 개발되고 있습니다.”

-그래서 커패시터 같은 경우에는 다양하게 쌓아서 올려놓고 원통형으로 만들기도 어렵지만, 거기 밖에 High-k라고 High-k 물질도 증착이 많이 발라진다고 하는데 그건 왜 바르는 겁니까?

“아까 커패시터 용량을 높이기 위해서는 축전 용량을 높이는 방법이 표면적을 키우는 거 하고 그다음에 전극과 전극 사이의 간격을 좁히는 방법이 있습니다. 근데 물리적으로 좁히는 데 한계가 있어서 전기적인 두께로 환산했을 때 피지컬 두께는 키울 수 있지만, 전기적인 두께는 계속 낮출 방법이 High-k 물질을 사용하는 겁니다.”

-K가 뭘 의미하는 거죠?

“전극과 전극 사이 유전체의 유전율입니다. 유전율인데 비유전율. 우리가 K-Value라고 하는 게 그게 유전체의 종류에 따라서 분극이 잘 일어나는 게 있고 그렇지 않은. 거기에 따라서 유전율 물질 상수죠. 물질마다 가진 유전율이 있습니다.”

-오늘 사실은 이 얘기를 하려고 앞에 길게 말씀드렸는데 커패시터가 되게 중요한 공정이다 보니까 커패시터 밖에 바르는 물질, High-k 물질에 대한 공급처. 물질을 바를 때 사용하는 장비에 대해서 말씀을 해주실 텐데 증착은 그냥 일반 CVD(Chemical Vapor Deposition) 증착을 하는 건 아니죠?

“CVD 아시니까. 화학 증착 갖고는 아까 high aspect ratio에 전극을 바르고 거기에 유전체. 전극하고 유전체하고 그다음에 전극. 이런 구조로 증착이 되는데 전극도 마찬가지이지만, 유전체도 어려운 구조에다가 스택 커버리지(Stack Coverage)라 그래요. Uniform 하게 처음과 끝을 얇은 막을 유니폼 하게 증착하는 걸 이루려면 거의 원자층 증착이라 해서 ALD(atomic layer deposition) 공정을 벌써 오래전부터 사용해 왔던 겁니다.”

-원자 단위 수준의 얇은 두께의 증착을 할 수 있다.

“증착하는 과정이 원자 단위로 프리커서(Precursor)가 나오는데 프리커서 물질을 만약에 화합물을 만들 때 A 화합물, B 화합물 합해서 어떤 필름. 지르코늄 옥사이드(Zirconium Oxide, ZrO2)다. 그럼 지르코늄 소스하고 옥시즌 소스하고 교번 하면서 표면에서만 가능하게끔 그래서 거의 원자층으로 증착이 스텝 바이 스텝으로 사이클링 하면서 증착하는 방식이 바로 ALD입니다.”

-ALD 장비들 공급하는 데 국내 업체들 꽤 있죠?

“우리나라가 D램 High-k에 대해서 수요가 많았기 때문에 국내에서 경쟁력 있게 개발해 왔고요. 가장 대표적인 ALD뿐만 아니라 셀 커패시터의 다일렉트릭 또는 전극 물질에 대해서 특화된 우리나라 중견기업이 주성엔지니어링이라는 회사가 예전부터 High-k 그전에 폴리실리콘 공정부터 해서 커패시터 공정에 많이 특화된 장비들을 개발해 왔는데 마찬가지로 High-k 용 ALD 장비도 주성엔지니어링에서 개발해서 이미 납품하고 있고 그다음에 원익IPS에서도 매엽식 장비. 거의 비슷한 컨셉인데 하고 있고요.”

-매엽식. 좀 어려운 단어인데.

“웨이퍼가 하나의 원판인데 그 원판을 한 장씩 진행하는 걸 우리가 매엽식. 싱글 타입이라 하고.”

-싱글 타입이다. 매엽식이라는 말은. 매엽식, 배치식 이렇게 얘기는 하는데 매엽식이라는 말이 참 어려운 말이더라고요.

“사실 우리가 영어라는 게.”

-일본식 영어.

“네. 일본에서 많이 넘어와서 그걸 쓰고 있습니다.”

-국내 업체 중에는 그 두 군데가 하고 해외 업체에서는 어디가 주로 합니까?

“해외 업체는 또 일본 업체에요. 물론 미국에 어플라이드머티리얼즈나 램리서치에도 있겠지만, 국내는 배치 타입. 특히 삼성의 경우엔 배치 타입을 많이 사용해 왔는데. 배치 타입은 아까 싱글 타입 말고 한 번에 50장. 로딩을 한 번에 해서 스루풋(throughput)이 좋아지는 거죠. cost effective한 효과가 있는데 그런 배치식.furnace type으로 거의 같은 컨셉인데 거기에 개발해 왔던 게 고쿠사이일렉트릭이라 그래서 K라고 하죠.”

-국제 일렉트릭이라고 하죠.

“국제 일렉트릭입니다. 그다음에 도쿄일렉트론, TEL. 그런 데에서 배치 타입. 예전에 배치 타입이 예전에 확산 공정에 특화되다 보니까 또 ALD가 D램, 또 커패시터 공정은 Diffusion(확산)에 특화된 공정인데 그쪽에 강한 면을 갖고 있습니다.”

-매엽식, 싱글 타입, 배치 타입 이렇게 하는데 싱글 타입은 한 장씩 가공하는 거고 배치 타입은 한 번에 50개씩 넣어서 가공하는 건데 속도는 말씀하신 대로 한 번에 여러 장 하는 게 빠르긴 할 텐데 그냥 상식적으로 생각할 땐 한 장씩 하는 게 조금 더 정교합니까? 어떻습니까?

“장단점은 있습니다. 아까 ALD는 어쨌든 증착 장비 특성 자체가 스택 커버리지에 유용하게끔 돼 있는데 예전에 우리가 배치 타입하면 로딩 이펙트(loadig effect)라든지 이런 해결 해야 하는 문제들이 많이 있었는데.”

-로딩 이펙트라는 게 뭐에요?

“우리가 로딩이라는 게 한 장보다 여러 장을 배치할 때 먼저 들어간 거 하고 나중에 들어간 거 아니면 50매냐 100매냐에 따라서 증착 속도가 바뀌어요.”

-하긴 우리가 빵 구울 때도 오븐에 좀 늦게 넣으면 덜 굽히니까.

“그런 것도 있고 시간적인 그런 것도 있지만, 로딩 이펙트라는 게 결국은 가스 들어가는 양이나 이런 조건들에 따라서 마이크로 로딩도 있고 매크로 로딩도 있고 여러 가지가 있습니다. 그래서 배치가 아무나 할 수 있는 게 아니죠. 경험적인 노하우들이 많이 있어야 합니다.”

-아까 원인IPS하고 주성엔지니어링은 싱글 타입. 일본 업체들은 배치 타입한다고 하셨는데 삼성, SK하이닉스가 타입이 약간씩 다릅니까?

“네. 현재 시점에서 보면 삼성은 배치 타입. 고쿠사이일렉트릭이나 텔 장비를 사용하고 있는 거로 알고 있고 SK하이닉스 같은 경우에는 주성엔지니어링이나 원익IPS 장비를 매엽식을 전통적으로 많이 장비 국산화 측면에서도 했을 수도 있을 텐데요. 하여튼 매엽식을 굉장히 많이 사용하고 있습니다.”

-국내 업체 중에도 배치 타입 개발하고 있는 업체가 없습니까?

“유진테크라고 그쪽에서 예전에 배치 타입의 장비도 개발하고 또 그러면서 ALD도 개발 완성 단계에 있는 거로 알고 있습니다.”

-장비는 그 정도가 있고 프리커서 소재 재료 쪽은 어디가 좀 합니까?

“소재는 그것도 마찬가지로 삼성, SK하이닉스가 차이점이 있는데 사실은 아까 ALD 장비도 그렇고 소재도 그렇고 이게 양산을 가기 전 단계 개발 단계에서부터 선정되면 공동 개발이든 JD(Joint Development)도 되고 공동 개발하게 되면 그게 그대로 양산까지 이어지는 과정을 갖다 보니까 삼성의 경우에는 고쿠사이일렉트릭 장비에 아데카.”

-일본 업체죠?

“네. 거기도 일본 업체죠.”

-최근에 공장도 짓는다고 하던데.

“네. 짓는다고 하더라고요. 그래서 개발할 때부터 사실은 우리가 똑같은 프리커서도 거기 약간의 첨가제라든지 특성들이 달라서 같은 chemical name이라고 하더라도 좀 다를 수가 있습니다. 쉽게 바꾸기가 어려운데 SK하이닉스 경우에는 그래도 삼성의 경우엔 아데카도 있지만, 디엔에프 거를 많이 쓰는 거로 알고 있습니다.”

-물질은 다른 물질들인가요?

“같은 물질들입니다. 같은 물질인데.”

-High-k 물질을.

“네, 맞습니다. 프리커서죠. 디엔에프가 또 강점이 있고요. 예전에 SK하이닉스도 디엔에프 거를 썼는데 최근에는 SK하이닉스는 예전에 유피케미칼.”

-중국 업체 인수된 회사 아닙니까?

“네. 그다음에 메카로 있고 최근에 SK머티리얼즈에서 합작해서 일본 트리켐하고 SK트리켐에서 많이 공급하고 있는 거로 알고 있습니다.”

-커패시터에 대한 그 생태계도 엄청나네요.

“맞습니다. 아까 ALD 장비 사업도 같이 뒤따라 줘야 하고 프리커서도 우리나라가 D램에 대한 양산 물량이 많아서 그런 상황이 뒷받침돼야 하고 그런 상황도 많이 발전돼 있다고 볼 수 있습니다.”

-오늘 김박사님 모시고 D램 커패시터 관련된 얘기를 해봤습니다. 박사님 다음번엔 조금 심화 학습으로 한 번 해주시죠. 기회가 된다면.

“네. 최근에 저희 큐알티에서 리버스 엔지니어링(Reverse Engineering)도 하고 있습니다.”

-그게 뭐죠? 리버스 엔지니어링?

“리버스 엔지니어링이라는 게 사실은 역 엔지니어링.”

-만들어 논 거 다시 뜯어 본다는.

“다시 뜯어 본다는 얘기죠. 그리고 tear down이라고도 얘기하고 요즘에 아이폰 같은 거 tear down해서 거기에 있는 칩 분석도 합니다.”

-그것도 이제 하십니까?

“큐알티에서 지금 하고 있습니다.”

-그러면 최근에 많이 뜯어 보셨겠네요?

“많이는 아닌데 어떤 고객의 요구에 의해서도 할 때가 있고 사실 저희는 아직 고객의 요구에 따라서 하고는 있어요. 가장 리버스 엔지니어링으로 잘하고 있는 독보적인 회사가.”

-캐나다에 있죠.

“캐나다의 테크인사이트. 그 경우에는 curating subscription이라고 해서 아예 먼저 새로운.”

-새로 나오면 본인이 갖고 와서 뜯어보고 하죠.

“그래서 필요하는 고객들이 많이 있거든요. 그런 고객들한테 미리 제공을.”

-한 번 뜯어보시는 제품 중에 좋은 업종있으면 아이폰 신형 모델 나올 텐데 구입하셔서 잘라 보시고 한 번.

“저희가 분석하고 있는 것으로 알고 있습니다.”

-한 번 해서 저희 쪽에 소개 한 번 해주시면 좋겠습니다. 박사님 고맙습니다.

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