몰리브덴(Mo)이 차세대 반도체용 프리커서(precursor, 전구체) 소재로 주목받고 있다. 기존 메탈 게이트용 프리커서 소재인 육불화텅스텐(WF6) 대비 저항값이 낮고 반도체 성능 및 환경에 부정적 영향을 미칠 수 있는 이물이 발생하지 않기 때문이다. D램용 하이케이 전구체를 주로 생산하는 메카로는 현재 몰리브덴 전구체 개발에 집중하고 있다. 

"2023년에는 몰리브덴 전구체 사용 전망"

반도체 증착(Deposition) 공정은 1마이크로미터 두께의 박막을 웨이퍼 위에 입히는 작업이다. 층층이 쌓이며 복잡한 회로를 형성하는 반도체는 각각의 회로를 구분·보호하는 작업이 필요한데 이를 위해 각종 화학 소재들을 물리적·화학적 방법을 통해 증착시킨다. 프리커서는 증착을 돕는 화학 물질로 각각의 레이어가 필요로 하는 기능에 따라 다양한 소재들이 사용된다. 

국내 전구체 생산업체 메카로는 D램 커패시터에 사용되는 하이케이 전구체를 주로 생산한다. SK하이닉스를 주요 고객사로 지르코늄 전구체를 주로 공급해왔으나 최근 다음 세대인 하프늄 전구체 납품을 준비하는 등 제품 다변화를 꾀하고 있다. 연내 하프늄 전구체 고객사 품질 테스트를 마치고 납품 여부가 결정될 예정이다. 

이 업체는 또한 최근 몰리브덴 전구체 개발에 역량을 집중하고 있다. 메카로 관계자는 "기존에 쓰이던 육불화텅스텐을 몰리브덴으로 대체하려고 하는 추세"라며 "특히 몰리브덴의 경우 하프늄과는 달리 로직 반도체 공정에도 적용할 수 있어 물량 공급이 배로 늘어날 수 있다"고 말했다. 이 업체는 이제 막 사용이 늘기 시작한 하프늄 전구체 뒤를 이어 2023년 정도면 몰리브덴 전구체 사용이 시작될 수 있다고 예상하고 있다.  

몰리브덴, WF6와 달리 저항 낮고 이물 발생 없어 

몰리브덴 전구체 사용을 기대하고 있는 분야는 금속 배선 공정이다. 지금은 육불화텅스텐이 일반적으로 사용되고 있다. 그러나 육불화텅스텐을 사용할 경우 웨이퍼 위에 불소(Fluorine) 물질이 남아 반도체 성능에 영향을 미칠 수 있다. 금속 배선에 사용되는 텅스텐은 저항이 낮아야 함에도 불구하고 이물로 인해 저항값이 높아질 위험이 있고 불소 특성상 식각 현상이 나타날 수 있다. 

텅스텐은 소재 특성상 휘발성을 위해서는 불소가 필수적이라 업계에서는 한동안 불소가 없는 텅스텐 전구체 개발에 나서기도 했으나 유의미한 결과를 내지는 못했다. 박보근 한국화학연구원 책임연구원은 "불산 유출 사고 등 환경적 문제 뿐만 아니라 웨이퍼에 불소가 남을 경우 장비에도 영향을 미칠 수 있다"며 "결국에는 텅스텐을 배제하고 몰리브덴으로 전구체를 개발하자는 움직임이 시작됐다"고 설명했다. 

다만 아직까지 몰리브덴은 육불화텅스텐을 대체하지는 못하고 있다. 반도체 생산 업체에서는 육불화텅스텐 문제에도 불구하고 이를 대체할 만한 몰리브덴 전구체를 공급받지 못하고 있는 상황이다. 특히 업계에서는 고체보다는 공정에 유리한 리퀴드 형태의 몰리브덴 전구체 소재를 원하고 있다. 박 책임연구원은 "고체가 아닌 액체 형태의 전구체를 만드는 것은 또 다른 문제"라고 설명했다. 

메카로, 고객사에 낸드용 몰리브덴 전구체 샘플 공급 

메카로는 현재 낸드플래시·시스템반도체용 몰리브덴 전구체를 각각 개발 중이다. 고객사 수준에서 아직까지 몰리브덴 전구체 양산 적용은 다소 시간이 걸릴 전망이지만 이 업체는 현재 한 고객사에 낸드플래시용 몰리브덴 전구체 테스트 샘플을 공급한 상태다.

차세대 D램용 하이케이 전구체 소재로는 몰리브덴 외에도 코발트·루테늄 등이 거론되는 중이다. 금속선과 절연막 간 얇은 방지막을 의미하는 메탈 배리어에 적용되는 니오븀(Nb) 전구체 또한 비용 문제 등으로 인해 가격을 낮춘 제품이 개발되고 있다. 전구체 시장에 정통한 한 반도체 업체 임원은 “몰리브덴 전구체의 경우 낸드플래시를 중심으로 사용이 확대될 가능성이 있다”고 말했다.