왜 지금 ALD/ALE인가
미세화가 진행될수록 한 wafer 위에 놓이는 박막의 종류는 늘고, 두께는 줄어든다. 7nm 노드에서 약 80여 종이던 박막 레이어가 2nm GAA 세대로 가면 100종을 가뿐히 넘는다. 두께 5-10 nm 박막이라면 PECVD나 PVD로도 어떻게든 맞출 수 있지만, GAA 나노시트의 work-function metal stack, 3D NAND 워드라인 사이의 게이트 절연, HBM TSV 배리어·시드층, EUV 다중 패터닝의 spacer는 모두 1-3 nm 범위에서 두께·균일도·step coverage가 결정된다. 이 영역에서는 ALD와 ALE 외에 산업적으로 의미 있는 대안이 사실상 없다.
여기에 3D 구조의 종횡비가 폭증한다는 변수가 겹친다. 3D NAND가 300단을 넘으면 cell hole 종횡비는 60:1 ~ 100:1까지 올라가고, 이 깊은 hole 안쪽에 두께 편차 ±2% 이내의 dielectric을 채워야 한다. EUV 다중 패터닝의 spacer 두께를 ALD로 잡지 못하면 critical dimension 자체가 흔들린다. 결국 ALD/ALE는 더 이상 특수 공정이 아니라 advanced node를 지탱하는 backbone이며, 장비·소재 capex에서 차지하는 비중이 빠르게 상승하고 있다.
기술의 실체 — self-limiting cycle
ALD의 핵심은 self-limiting surface reaction이다. 한 사이클은 일반적으로 네 단계로 구성된다.
- Precursor A pulse: 표면에 한 monolayer만 결합 가능한 분자를 챔버에 주입한다. 대표 예가 TMA(Trimethylaluminum)다.
- Purge: N2 또는 Ar로 결합되지 못한 잉여 가스를 씻어낸다.
- Reactant pulse: H2O, O3, NH3, plasma 등 산화제·환원제로 표면 화학 결합을 끊고 박막을 완성한다.
- Purge: 부산물을 다시 제거한다.
이 사이클을 반복하면 한 번에 0.5-1.5 Å씩 박막이 쌓이고, 두께는 사이클 수에 거의 선형 비례하므로 ±1 Å 수준의 균일도가 가능하다. 대표 박막은 high-k gate dielectric인 HfO2·ZrO2, 절연·passivation용 Al2O3, 배리어용 TiN·TaN, 시드용 Ru·Co, 워드라인 충진용 W 등이다.
ALE는 그 반대다. 두 단계로 분리된다. 첫째, 표면을 chemisorption으로 한 monolayer만 변형한다 — 예컨대 Cl2를 흡착시키거나 BCl3로 표면 화학을 바꾼다. 둘째, low-energy ion bombardment 또는 thermal energy로 변형된 층만 제거한다. 매 사이클당 1 Å 미만의 식각이 가능하고, 두께 제어성이 reactive ion etch(RIE)와는 다른 차원이다. Thermal ALE는 ligand exchange 메커니즘을 쓰고, plasma ALE는 surface modification과 ion energy를 단계 분리한다. 어느 쪽이든 self-limit이 동일하게 핵심이다.
왜 어려운가 — throughput·selectivity·전구체
ALD/ALE의 가장 본질적 약점은 throughput이다. 한 사이클은 보통 1-10초가 걸린다. 두께 30 Å 박막을 얻으려면 30-100 사이클이 필요하니, single-wafer ALD 챔버 기준 wafer당 수십 초에서 수 분이 든다. 3D NAND의 두꺼운 oxide·tungsten ALD, GAA의 multi-layer metal ALD가 fab 전체의 critical path가 되는 이유다. 이를 만회하기 위해 batch ALD(한 번에 50-150장 lot 처리), spatial ALD(precursor zone을 회전시켜 사이클 시간을 0.1초 이하로 단축), high-speed plasma ALD 같은 변형이 등장했다.
두 번째는 선택성이다. Area-selective ALD(AS-ALD)는 특정 표면(예: SiO2)에서는 박막이 자라되 다른 표면(예: SiN)에서는 자라지 않도록 만드는 기술이다. GAA에서 nanosheet release 이후 work-function metal을 정확한 곳에만 채우거나, 자기정렬 비아·캡 레이어를 만들 때 본질적으로 필요하다. 그러나 현실적으로 selectivity window는 두께 5-10 nm를 넘기기 어렵고, blocking layer는 사이클이 누적될수록 무너진다. AS-ALD를 high-volume manufacturing 수준으로 끌어올리는 게 ASMI, AMAT, TEL의 공통 R&D 우선순위다.
세 번째는 precursor 화학이다. 새 박막(예: GAA용 work-function metal, Mo·Ru·Co 시드, 새 high-k)을 위해선 안정성·휘발성·반응성·dose efficiency를 모두 만족하는 전구체가 필요한데, 분자 설계·합성·정제·long-term qualification까지 보통 2-3년 lead time이 든다. 게다가 공급은 일부 특수화학사에 집중되어 있어, geopolitical risk와 single-source risk가 동시에 존재한다.
누가 잘하고 있나 — 장비·소재 4강 체제
장비 측에서 ALD는 ASM International이 single-wafer ALD 분야 점유율 약 50% 안팎으로 알려져 있다. ASMI는 ALD를 본업으로 키워온 회사이고, FOUP·lot-level 균일도와 챔버 reproducibility에서 강점이 있다. Tokyo Electron(TEL)은 batch ALD와 plasma ALD에서 강하다. Lam Research는 ALD와 ALE를 모두 다루지만, 특히 conductor·dielectric ALE에서는 사실상 표준 장비로 통한다. Applied Materials는 metal ALD(Ru, Co, W)와 integrated platform(Endura, Producer)에 집중한다. 이 4개 사가 글로벌 ALD/ALE 시장의 70-80%를 차지한다고 보도된다.
Precursor·특수가스 측면에서는 Merck KGaA(Versum 인수 이후)가 metal precursor 라인업이 가장 넓고, Linde·Air Liquide가 공급망을 보유한다. 일본 Adeka·Tosoh가 specialty 영역에서 강하고, 한국 측에선 SK스페셜티(舊 SK머티리얼즈), 솔브레인, DNF, 한솔케미칼, UP케미칼, 후성이 메모리사와 공동개발한 chemistry를 보유한다.
R&D·application 측면에서는 IMEC이 AS-ALD와 ALE conformality 데이터를 가장 활발히 공개해 왔고, Colorado School of Mines, 핀란드 Aalto, KAIST, 서울대, UNIST가 새 chemistry를 발표한다. 메모리·파운드리 사들이 본인 chemistry IP를 보유하는 비중도 점차 늘고 있다.
Korea 시각 — 메모리 고객 거리와 비메모리 갭
한국 ALD/ALE 생태계의 가장 큰 강점은 메모리·파운드리 최대 고객 — Samsung과 SK hynix — 이 국내에 있다는 점이다. ALD/ALE 공정은 ramp 단계에서 장비사·소재사·고객 간 close collaboration이 결정적이다. 한국 장비사 — 원익IPS, 유진테크, 테스, 주성엔지니어링, AP시스템 — 는 이 협업 거리에서 절대 우위를 가진다. 특히 3D NAND 챔버, DRAM HKMG ALD, capacitor용 ZrO2·HfO2 ALD에서 국내 장비 비중이 글로벌 평균보다 높다는 게 업계의 통설이다.
다만 글로벌 시장 점유율은 여전히 ASMI·Lam·AMAT·TEL 4강 체제다. 국내 장비사가 메모리 외 영역 — 특히 TSMC·Intel·GlobalFoundries로 침투하는 게 다음 단계의 과제다. R&D 인력 규모와 글로벌 qualification 트랙 레코드가 구조적 약점으로 자주 지적된다. 글로벌 4강은 평균 R&D 비중이 매출의 12-15% 수준이고 박사급 엔지니어 풀도 압도적이다.
전구체·특수가스 쪽은 상대적으로 두텁다. SK스페셜티·솔브레인·한솔케미칼·DNF·UP케미칼은 각자 전공 영역을 갖고, 메모리사와의 공동개발 IP를 다수 보유한다. 다만 핵심 metal precursor(Ru, Mo, Co, 새 high-k)의 원천 IP는 여전히 일본·미국·유럽에 다수 있어, 화학 합성과 정제 capability를 지속적으로 키우는 게 장기적 과제다. NAND·DRAM 경쟁이 점점 chemistry 경쟁으로 이동하는 시점에서, 이 부분은 메모리 3사의 long-term margin과 직결된다.
Watch points — 6-12개월
향후 6-12개월 동안 주목할 milestone은 다음과 같다.
- GAA 노드 work-function metal ALD multi-layer 정착: Samsung 3nm·2nm와 TSMC N2·A16 라인의 metal stack chemistry가 어떻게 안정화되는지.
- 3D NAND 300단 이상 word line ALD throughput: 두꺼운 oxide·tungsten ALD 사이클 단축이 lot WIP과 capex 회수 속도에 끼치는 영향.
- Area-selective ALD의 첫 high-volume 적용: 자기정렬 비아·캡 레이어 등에서 production volume 사례가 보고되는지.
- ALE for nanosheet release: Si/SiGe 선택비 100:1 이상을 plasma ALE로 달성한 사례 발표 여부.
- 한국 ALD 장비사의 비메모리 qualification: 원익IPS·유진테크 등이 파운드리·로직 고객에서 의미 있는 트랙 레코드를 확보하는지.
- HBM TSV 배리어 PVD→ALD 전환: 특히 Co·Ru 배리어로의 shift 진행도.
개념 정리 FAQ
ALD와 CVD는 어떻게 다른가? CVD는 두 가지 가스가 동시에 챔버에서 반응해 박막을 형성하지만, ALD는 두 가스를 시간적으로 분리해 표면이 self-limit하게 만든다. 결과적으로 ALD가 두께·conformality는 우수하지만 throughput은 낮다.
Thermal ALE와 plasma ALE는 어떻게 다른가? Thermal ALE는 ligand exchange 화학(예: HF + Sn(acac)2)으로 표면을 변형한 뒤 휘발성 부산물로 떼어내고, plasma ALE는 표면 chemisorption 후 저에너지 ion bombardment로 물리적으로 분리한다. 전자는 isotropic, 후자는 anisotropic에 가깝다.
EUV가 도입되어도 ALD가 왜 더 늘어나나? EUV는 critical pitch만 직접 노광하고, 그 외 spacer·cut·block 레이어는 여전히 ALD spacer-defined patterning에 의존한다. EUV가 다층 노광을 대체하는 동시에, dimension 제어용 ALD spacer는 오히려 늘어난다.
