이해하기 쉽게 알려주는 "NAND Flash" 이야기 2편

NAND Flash의 변화

NAND Flash는 반도체 소자를 집적하는 기술 이외에도 소자 분석 기술이 매우 중요합니다. 소자의 특성을 이해하고 품질을 향상시키기 위해 분석을 진행하는데, 최근 NAND Flash는 소자가 미세화되면서 2D 구조의 한계에 도달했습니다. Floating Gate(이하 FG) 간섭 현상 증가, Photo lithography 구현 문제 등 여러 어려움이 발생했습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 구조적인 개선을 한 것이 바로 z축 방향으로 Stacking을 하는 것이었습니다. Stacking을 통해 더 많은 데이터를 저장하고, 셀 간의 간섭을 줄여 신뢰성을 높였습니다.

3D NAND Flash 구조와 장점

3D NAND Flash, 또는 V-NAND라고 불리는 3D NAND는 웨이퍼에 적층을 통해 Density를 증가시켰습니다. Density의 증가로 인해 2D NAND Flash보다 Cell 당 가격이 우수한 장점이 있습니다. 현재 반도체 산업에서는 3D NAND를 대체할 다른 방향이 없으며, 높은 단수를 정밀하게 적층하는 기술이 소자의 성능을 좌우합니다.

3D NAND Flash 구조

과거 2D NAND Flash 구조에서는 각 셀 간의 간격을 줄이는데 많은 노력이 필요했습니다. Word line과 Bit line의 간격을 줄이려는 시도들이 있었으나 한계에 도달하자, z축 방향으로 확장하게 되었습니다. 2D NAND Flash의 경험을 바탕으로 3D NAND에서는 전자들을 약하게 Trap 할 수 있는 Charge Trap Flash(이하 CTF) 구조를 선택하여 3D 구조에서 상용화될 수 있도록 최적화했습니다. V-NAND에서는 CTF 구조를 적용하여 바깥층으로부터 Metal - Oxide - Nitride - Oxide - Poly Silicon으로 구성하였습니다. 이는 소자의 성능 효율을 높이고, 신뢰성을 보강할 수 있는 구조입니다.

3D NAND Flash 제작을 위한 공정

Deposition 공정

3D NAND Flash를 제작하기 위해 모든 공정이 중요하지만, 특히 Deposition, HAR Etching, Cleaning 공정이 중요합니다. 기판 위에 균일한 박막을 Vertical로 쌓기 위한 Deposition 공정이 매우 중요합니다. Oxide - Nitride - Oxide(이하 ONO)를 반복적으로 쌓는 과정에서 균일도가 중요한데, 최적의 두께로 박막을 쌓기 위한 고난도의 기술과 공정 설비의 Recipe Tuning이 필요합니다. 이러한 Recipe 최적화를 통해 현재는 96stack 이상의 3D NAND가 흔히 양산되고 있습니다.

HAR Etching 공정

Stack을 쌓은 후, Channel을 형성하기 위해 HAR Etch를 진행해야 합니다. Channel hole etch라고도 불리는 이 공정은 96stack 이상의 layer에서 특정 영역을 한 번에 제거하기 위한 공정입니다. 약 70:1 수준의 종횡비를 가져야 하며, 목표를 달성하기가 매우 어렵고 정확한 크기로 구현해야 하므로 중요한 공정입니다. 원기둥 모양의 Hole이 원뿔 모양이 되면 소자의 성능과 신뢰성이 크게 낮아집니다.

Cleaning 공정

Channel hole etch가 완료되면, ONO 층에서 Nitride를 Metal로 치환하기 위해 Cleaning 공정을 진행합니다. 이때, Nitride만 제거해야 하므로 선택비가 매우 중요합니다. 낮은 선택비의 화학 약품을 사용하면 Oxide 및 다른 물질들이 함께 제거될 수 있어 주의해야 합니다. 이는 소자 성능에 치명적일 수 있습니다.

 

높은 선택비로 인해 Nitride가 제거되면, 빈 곳에 Word line을 만들기 위해 Metal 물질을 Deposition합니다. 또한, Channel Hole에 CTF 구조를 생성하기 위해 박막을 증착해야 합니다. 하나의 Transistor를 생성하기 위해 바깥에서부터 TaN - Al2O3 - SiN - Oxide - Silicon의 순서로 박막을 증착합니다. 이를 통해 3D NAND는 2D 구조의 CTF 구조가 90˚ 회전한 형상으로 제작되며, 웨이퍼 크기에 구애받지 않고 Cell이 제작됩니다.

 

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