CVD, ALD 장비에 사용된 소재 종류에 따라 절연막(Dielectric), 금속막(전도층)을 형성할 수 있다. 반도체의 절연막으로는 산화막(SiO2)이 주로 사용되는데 형성 방법과 막질의 특성에 따라 다른 프리커서/특수가스가 사용된다. 절연막은 하고자 하는 역할은 비슷하나 사용되는 곳의 특성에 따라 물성, 명칭이 다르다. 웨이퍼 소자 간의 절연 기능을 하는 절연막을 STI(Shallow Trench Isolation), 소자 층 위에 형성된 절연막을 ILD(Inter Layer Dielectrics), 그 위의 금속배선층간의 절연 기능을 하는 절연막을 IMD(Inter Metal Dielectrics)라고 한다.

STI/ILD/IMD에 사용되는 절연막 형성을 위해 TEOS, SiH4, OMCTS 등의 프리커서가 사용된다.

게이트 절연막: 미세화에 따른 Higk-K가 필수 

게이트 절연막은 게이트에 전압이 걸리게 되면 절연막과 접촉하는 웨이퍼에 전하를 응집해주어 소스와 드레인 사이에 전하의 이동 통로인 채널을 만들어 주는 역할을 한다. 절연막이 얼마나 많은 전하를 응집할 수 있는지가 바로 반도체 성능을 결정짓는 요인 중 하나인 정전용량(Capacitance)이다. 또한 절연막은 전하가 새는 현상인 누설전류를 막는 역할을 한다. 누설전류가 많다는 것은 그만큼 칩의 전력 효율성이 떨어진다는 것이다.

높은 정전용량 확보를 위해서는 세가지 조건이 필요하다. 정전용량 공식에 따라 

1) 절연막의 면적이 넓거나 

2) 절연막의 두께가 얇거나 

3) 절연막의 유전율값 K가 높을수록 정전용량이 높아진다. 

선폭 미세화는 채널 길이의 짧아짐을 의미하기 때문에 게이트와 웨이퍼의 접촉면에 형성된 절연막의 접촉 면적도 줄어들 수밖에 없다. 또한 절연막의 두께도 이미 충분히 얇아졌기 때문에 정전용량을 높이기 위해서는 결국 유전율을 높여야 한다.

인텔은 2007년 45nm 제품부터 HKMG 구조 적용을 발표했다. 테크 노드 미세화가 계속됨에 따라 정전용량을 높이면서 누설전류를 줄이는데 한계에 봉착했기 때문이다. 당시 인텔은 HKMG는 기존 SiO2 절연막 대비해서 정전용량이 60%우수하고 누설 전류를 100배 줄이는 효과가 있다고 발표했다

현재 45nm 이하의 트랜지스터 게이터 절연막은 High-K, 그 중에서도 하프늄이 많이 사용되고 있으며 TDMAHf, HfCl4 등 다양한 프리커서가 사용되고 있다. 삼성전자향 게이트 절연막용 하프늄 프리커서는 현재 아데카가 독점적 지위로 공급 중인 것으로 파악된다.

DRAM : Capacitor 하프늄, Peri HKMG 적용, 멀티패터닝용 희생막 EUV 영향 

DRAM Capacitor 절연막용 High-K 물질은 ZrO2(지르코늄)이 주로 사용됐었고, 디엔에프, 레이크머티리얼즈 등이 고객사에 공급 중이다. 한솔케미칼, 솔브레인도 High-K 제품 라인업은 갖췄다. Capacitor 절연막용 High-K 프리커서는 지르코늄과 함께 이제는 하프늄도 같이 사용되고 있다. 테크 노드 미세화로 인해 capacitor가 얇아져 유전율을 더 높일 필요가 있었기 때문이다.

SK하이닉스는 1Znm 부터 Capacitor 절연막용 High-K에 지르코늄과 함께 하프늄을 적용한 것으로 추정되며, 향후 1a, 1b로 넘어가고 선단공정의 비중이 늘어남에 따라 하프늄 프리커서 사용량이 가파르게 늘어날 것이다. SK하이닉스향 하프늄 프리커서는 레이크머티리얼즈가 SK트리켐을 통해서 납품 중이며, 레이크머티리얼즈의 Capacitor향 하프늄 시장 확대 수혜를 예상한다.

DRAM 멀티패터닝용 희생막 수요는 단기간에 급감하진 않을 것

DIPAS, DIMAS 등은 멀티패터닝용 희생막으로 사용되는 프리커서다. 이론적으로는 DRAM의 모든 노광 공정을 EUV로 대체한다면 멀티패터닝용 희생막이 필요없지만 당장은 쉽지 않다. DRAM 공정이 진행되면서 1개 layer에 뭐가 적합한지에 대해 검증이 돼야만 EUV를 도입하는 것인데, 지금도 삼성전자는 5개 Layer, SK하이닉스는 1개 Layer 정도에 EUV를 사용하는 것으로 파악된다. 멀티패터닝용 프리커서는 한솔케미칼, 디엔에프 등이 고객사에 공급 중이다

따라서 멀티패터닝 희생막용 프리커서 시장은 향후 DRAM 노광공정에 EUV를 얼마나 적용 하느냐에 따른 잠식 정도, 그리고 DRAM 출하가 얼마나 많이 되느냐가 성장률을 좌우할 것이다

3D NAND에 사용되는프리커서 제조업체 모두의 수혜 예상

3D NAND의 산화막(SiO2), 질화막(Si3N4) 형성을 위한 프리커서로 HCDS,SiH4 등이 사용되고 있으며, NAND용 High-K에는 Al2O3가 사용되고 있다. HCDS는 덕산테코피아, 디엔에프, 한솔케미칼, 오션브릿지 등이 제조하고 있다. 3D NAND의 Gap-fill에 주로 사용되는 TriDMAS는 한솔케미칼, 레이크머티리얼즈 등이 제조하고 있다. Al2O3 형성을 위한 TMA는 레이크머티리얼즈, 오션브릿지 등이 제조하고 있다.

3D NAND 증착 공정에 사용되는 프리커서를 제조하는 업체들은 NAND 단수 증가에 따른 사용량(Q) 증가로 지속적인 매출 성장이 예상된다. 삼성전자는 현재 7세대 V NAND(176단) 양산을 시작했고, 2024년(8세대) 280단대를 거쳐 2025년(9세대)에는 300단을 건너뛰고 400단대를 양산할 가능성도 있다