ALD 장비가 중요한 이유는 무엇인가? 원자층증착 원리와 반도체 적용 분야

반도체 미세화가 진행될수록 회로를 작게 그리는 기술만으로는 성능을 높이기 어렵습니다. 트랜지스터와 배선이 입체적으로 바뀌면서 복잡한 구조의 위쪽, 측면과 안쪽에 매우 얇은 막을 비슷한 두께로 형성하는 기술이 필요해졌기 때문입니다.

이 역할을 담당하는 대표적인 공정이 원자층증착, 즉 ALD입니다. ALD 장비는 서로 다른 반응 물질을 순서대로 공급하고 표면의 자기제한적 반응을 반복해 박막을 형성합니다.

ALD의 가치는 단순히 얇은 막을 만드는 데 있지 않습니다. 수 나노미터 수준의 두께를 반복해서 제어하고, GAA 트랜지스터나 3D NAND처럼 복잡한 구조를 따라 막을 형성할 수 있다는 점이 중요합니다. 다만 처리 속도, 전구체 비용과 공정 온도 같은 한계도 있어 모든 증착 공정을 ALD로 대체하는 기술은 아닙니다.

ALD 장비란?

ALD는 Atomic Layer Deposition의 약자로 우리말로 원자층증착이라고 합니다. 기체 상태의 전구체와 반응 물질을 공정 챔버에 번갈아 공급해 얇은 막을 층별로 성장시키는 화학 증착 방식입니다.

일반적인 CVD는 여러 반응 물질이 연속적으로 공급되는 동안 표면 반응이 진행됩니다. ALD는 각 반응 물질이 서로 섞이지 않도록 공급과 퍼지 단계를 나누는 점이 다릅니다.

ALD도 넓게 보면 CVD 계열에 포함됩니다. 다만 일반적인 연속식 CVD와 공정 제어 방식이 달라 반도체 장비 산업에서는 별도의 증착 기술과 장비군으로 구분하는 경우가 많습니다.

ALD 공정은 어떻게 작동할까?

대표적인 ALD 공정은 다음과 같은 순서로 진행됩니다.

1. 첫 번째 전구체를 챔버에 공급합니다.
2. 전구체가 웨이퍼 표면의 반응 가능한 자리에 흡착합니다.
3. 남은 전구체와 부산물을 퍼지 가스로 제거합니다.
4. 두 번째 반응 물질을 공급합니다.
5. 표면에 흡착된 물질과 두 번째 화학 반응을 일으킵니다.
6. 남은 반응 물질과 부산물을 다시 제거합니다.
7. 원하는 두께가 될 때까지 같은 사이클을 반복합니다.

ALD의 특징은 자기제한적 표면 반응입니다. 첫 번째 전구체가 표면의 반응 가능한 자리를 채우면 전구체를 더 공급해도 같은 반응이 계속 증가하지 않습니다. 이후 남은 가스를 제거하고 두 번째 반응 물질을 공급해야 다음 반응이 진행됩니다.

이러한 방식은 공정 시간을 단순히 늘리는 것보다 사이클 수를 통해 막의 두께를 세밀하게 조절할 수 있게 합니다. 다만 한 사이클에서 성장하는 두께는 재료와 전구체, 온도와 표면 상태에 따라 달라집니다.

ALD는 정말 한 번에 원자 한 층씩 쌓을까?

원자층증착이라는 이름 때문에 한 사이클마다 정확히 원자 한 층이 완성된다고 생각하기 쉽습니다. 실제로는 항상 그렇지 않습니다.

표면의 반응 자리 수, 전구체 분자의 크기, 반응 온도와 초기 표면 상태에 따라 한 사이클에서 성장하는 양이 달라질 수 있습니다. 일부 공정에서는 한 사이클의 성장량이 완전한 단원자층보다 작고, 다른 공정에서는 표면 반응과 분자 구조에 따라 다른 결과가 나타날 수 있습니다.

NIST가 공개한 몰리브덴 이황화물 ALD 연구에서도 성장량은 약 0.1나노미터씩 증가했지만, 이는 해당 전구체와 350도 조건에서 측정된 값입니다. 모든 ALD 공정에 적용되는 고정된 성장량이 아닙니다.

따라서 ALD는 원자 한 개를 원하는 위치에 개별적으로 놓는 장비라기보다, 자기제한적 표면 반응을 반복해 매우 얇은 막의 두께를 정밀하게 제어하는 장비라고 이해하는 것이 정확합니다.

ALD 장비가 중요한 네 가지 이유

기술적 강점	반도체 공정에서의 의미	확인해야 할 한계
정밀한 두께 제어	얇은 절연막과 금속막의 두께 편차 관리	초기 성장과 표면 상태에 따라 선형성이 달라질 수 있음
높은 피복성	3D 구조의 위·측면·안쪽을 비교적 균일하게 코팅	매우 깊은 구조에서는 전구체 확산과 퍼지 시간이 길어짐
다양한 재료 적용	High-k 절연막, 금속, 배리어막 등 형성	적합한 전구체와 반응 조건이 확보돼야 함
낮은 온도 공정 가능성	열에 민감한 구조와 후공정 적용 범위 확대	모든 ALD가 저온 공정은 아니며 막 품질과 반응성이 달라질 수 있음

얇은 막의 두께를 반복해서 제어할 수 있다

게이트 절연막과 배리어막처럼 매우 얇은 층은 두께가 조금만 달라져도 누설전류와 저항, 소자의 동작 특성이 변할 수 있습니다. ALD는 자기제한적 반응과 사이클 수를 이용해 이러한 막의 두께를 반복적으로 관리하는 데 강점이 있습니다.

다만 정밀 제어가 오차가 전혀 없다는 뜻은 아닙니다. 웨이퍼의 초기 표면, 전구체 공급량, 온도, 챔버 상태와 사이클 사이의 퍼지가 결과에 영향을 줍니다. 여러 웨이퍼와 여러 챔버에서 같은 막을 반복적으로 만드는 능력이 양산 장비의 경쟁력입니다.

복잡한 3차원 구조를 따라 막을 형성할 수 있다

피복성은 단차가 있는 구조의 위쪽, 측면과 바닥을 얼마나 일정한 두께로 덮는지를 뜻합니다. ALD는 표면 반응을 이용하기 때문에 물질이 날아가는 방향의 영향을 크게 받는 PVD보다 복잡한 구조의 측면과 안쪽을 덮는 데 유리합니다.

하지만 아무리 깊고 좁은 구조라도 자동으로 완벽하게 코팅되는 것은 아닙니다. 전구체가 구조의 바닥까지 도달하고 반응한 뒤 부산물이 빠져나올 시간이 필요합니다. 종횡비가 높아질수록 전구체 노출과 퍼지 시간이 길어져 생산성이 낮아질 수 있습니다.

새로운 절연체와 금속을 적용할 수 있다

반도체 구조가 바뀌면 기존 실리콘 산화막과 금속만으로는 필요한 성능을 확보하기 어려울 수 있습니다. ALD는 High-k 절연체, 금속 게이트, 배리어막과 콘택트용 금속 등 다양한 재료를 얇고 균일하게 형성하는 데 사용됩니다.

최근에는 미세 배선과 콘택트의 저항을 줄이기 위해 텅스텐을 대체하거나 보완할 금속도 검토되고 있습니다. Lam Research는 2025년 몰리브덴을 이용한 ALD 증착 장비를 발표했습니다. 그러나 신제품 발표가 고객사의 양산 채택과 매출을 의미하는 것은 아니므로 실제 공정 채택 여부를 별도로 확인해야 합니다.

낮은 온도에서 공정할 수 있는 선택지가 있다

ALD는 항상 저온에서 진행되는 공정이 아닙니다. 열 ALD는 전구체가 자기제한적으로 반응하면서 충분한 막 품질을 만드는 온도 구간이 필요합니다. 재료에 따라 수백 도의 온도를 사용할 수도 있습니다.

플라즈마 강화 ALD인 PEALD는 플라즈마의 반응성을 이용해 일부 재료를 더 낮은 온도에서 형성할 수 있습니다. 하지만 플라즈마로 인한 표면 손상, 막의 조성 변화와 장비 복잡성도 함께 고려해야 합니다.

ALD와 CVD는 무엇이 다를까?

구분	일반적인 CVD	ALD
반응 물질 공급	연속적으로 공급하며 반응	전구체 공급과 퍼지를 순서대로 반복
두께 제어	반응 시간과 공정 조건으로 제어	자기제한 반응과 사이클 수로 제어
피복성	공정 방식에 따라 우수	복잡한 3차원 구조에서 강점
처리 속도	상대적으로 빠른 경우가 많음	공급과 퍼지 반복으로 느릴 수 있음
적합한 공정	비교적 두꺼운 막과 높은 처리량	초박막과 높은 종횡비 구조

ALD가 더 정밀하다는 이유로 모든 CVD 공정을 대체하는 것은 비효율적입니다. 상대적으로 두꺼운 막을 빠르게 형성해야 할 때는 CVD가 유리할 수 있습니다. 실제 장비에서는 초기층을 ALD로 균일하게 만든 뒤 CVD로 나머지 공간을 빠르게 채우는 방식처럼 두 기술을 함께 사용하기도 합니다.

GAA 반도체에서 ALD가 중요한 이유

GAA는 Gate-All-Around의 약자로 게이트가 채널의 여러 면을 둘러싸는 트랜지스터 구조입니다. 나노시트의 위와 아래, 옆면을 따라 얇은 게이트 절연막과 금속막을 형성해야 합니다.

표면 위치에 따라 막의 두께나 조성이 달라지면 게이트가 채널을 제어하는 특성도 균일하지 않을 수 있습니다. ALD는 복잡한 나노시트 표면을 따라 High-k 절연막과 금속 게이트층을 형성하는 데 적합합니다.

GAA 나노시트를 복합 금속 게이트층으로 감싸는 데도 ALD가 사용됩니다. 이는 회로 선폭 감소뿐 아니라 구조를 둘러싸는 재료 공정이 첨단 로직의 성능을 결정한다는 의미입니다.

다만 GAA 전환이 ALD 장비 업체 모두에게 같은 수혜를 주는 것은 아닙니다. 고객마다 적용하는 막과 장비 구성이 다르고, 실제 수혜는 양산 채택과 증착 단계 증가, 장비 처리량에 따라 달라집니다.

3D NAND에서 ALD가 중요한 이유

3D NAND는 메모리 셀을 수직으로 쌓아 저장 밀도를 높입니다. 적층 구조 안에는 깊고 좁은 채널과 수평 방향의 워드라인처럼 평면 반도체보다 증착하기 어려운 공간이 존재합니다.

이 구조의 입구에만 막이 두껍게 쌓이고 안쪽에는 충분히 형성되지 않으면 전기적 특성과 신뢰성이 달라질 수 있습니다. ALD는 절연막, 배리어막과 금속막을 높은 종횡비 구조 안에 균일하게 형성하는 데 활용됩니다.

3D NAND 적층 수가 늘어나면 증착 난도도 높아질 가능성이 큽니다. 하지만 적층 수 증가율만 보고 ALD 장비 수요를 계산하면 안 됩니다. 한 번에 증착하는 층 수와 공정 방식, 장비 처리량, 적층을 나누는 방식에 따라 실제 필요한 장비 대수가 달라질 수 있습니다.

미세 배선과 콘택트에서 ALD가 필요한 이유

반도체 배선과 콘택트가 작아지면 전류가 통과하는 공간이 좁아지고 저항의 영향이 커집니다. 배리어막이 지나치게 두꺼우면 실제 금속이 들어갈 공간이 줄고, 막이 끊기거나 빈 공간이 생기면 접촉 불량과 신뢰성 문제가 나타날 수 있습니다.

ALD는 좁은 공간에 얇고 연속적인 배리어층과 금속층을 형성하는 방법으로 활용됩니다. 최근에는 몰리브덴과 같은 새로운 금속을 이용해 저항과 빈 공간 문제를 줄이려는 장비 개발도 진행되고 있습니다.

이 영역에서는 막의 두께뿐 아니라 접촉저항, 불순물, 계면 상태와 후속 공정 호환성을 함께 봐야 합니다. 새로운 재료가 기술적으로 가능하더라도 기존 공정 대비 원가와 수율이 불리하면 양산 도입이 늦어질 수 있습니다.

시간 분할 ALD와 공간 분할 ALD 차이

구분	시간 분할 ALD	공간 분할 ALD
반응 분리 방식	같은 공간에서 시간 순서로 가스 공급과 퍼지	전구체가 공급되는 공간을 물리적으로 분리
기판 움직임	기판을 고정하고 가스를 교대로 공급하는 경우가 많음	기판이 서로 다른 반응 구역 사이를 이동
강점	복잡한 구조와 정밀 공정 제어에 유리	퍼지 대기시간을 줄여 높은 처리량 확보 가능
주의할 점	사이클 시간이 길어질 수 있음	반응 구역 분리와 기판 이동 제어가 필요
주요 적용	첨단 반도체와 고종횡비 구조	대면적 기판, 태양전지와 일부 고생산성 공정

공간 분할 ALD는 전구체를 시간으로 나누는 대신 서로 다른 공간에 분리합니다. 기판이 반응 구역 사이를 이동하면서 각 반응을 순서대로 거치기 때문에 공급과 퍼지에 필요한 대기시간을 줄일 수 있습니다.

그러나 공간 분할 방식이 모든 반도체 ALD를 대체하는 것은 아닙니다. 복잡한 고종횡비 구조에서는 전구체가 안쪽까지 확산할 시간이 필요하므로 높은 처리량과 피복성 사이에 조정이 필요합니다.

ALD 장비에서 실제로 관리해야 하는 항목

관리 항목	확인해야 하는 이유
성장률	사이클당 막의 성장량과 두께 재현성 확인
포화 조건	전구체 공급량이 자기제한 반응에 충분한지 확인
퍼지 시간	전구체가 섞여 CVD 형태의 기상 반응을 일으키는 것을 방지
공정 온도	반응 부족, 전구체 응축과 열분해 가능성 관리
막 균일도	웨이퍼 중앙·가장자리와 구조 위치별 두께 편차 관리
불순물·계면	누설전류, 저항과 신뢰성 저하 방지
파티클	챔버 내부 누적막과 부산물에 의한 결함 관리
처리량	웨이퍼당 공정 시간과 생산원가 판단

전구체를 많이 공급한다고 막이 계속 두꺼워지는 것은 아니지만, 깊은 구조의 바닥까지 전구체가 도달하려면 충분한 노출 시간이 필요합니다. 반대로 퍼지가 부족하면 서로 다른 반응 물질이 챔버 안에서 만나 ALD가 아닌 기상 반응을 일으키거나 파티클을 만들 수 있습니다.

챔버 클리닝 주기도 중요합니다. 세정을 자주 하면 가동률이 낮아지고, 세정을 늦추면 파티클과 공정 편차가 증가할 수 있습니다. 장비 경쟁력은 최고 막 품질뿐 아니라 클리닝 사이에 처리할 수 있는 웨이퍼 수와 유지보수 시간을 포함한 총소유비용으로 판단해야 합니다.

ALD 장비에 대해 자주 하는 오해

ALD는 빈틈이 전혀 없는 완벽한 막을 만든다?

ALD는 높은 피복성과 두께 제어 능력이 있지만 결함이 전혀 없는 막을 자동으로 보장하지 않습니다. 초기 표면의 오염과 반응성, 전구체 확산, 퍼지 부족, 파티클과 온도 편차에 따라 막 끊김이나 빈 공간이 발생할 수 있습니다.

ALD는 모두 저온 공정이다?

ALD의 공정 온도는 전구체와 반응 물질에 따라 달라집니다. 일부 PEALD는 열 ALD보다 낮은 온도에서 반응할 수 있지만, 모든 ALD가 저온 공정인 것은 아닙니다.

ALD는 정밀하므로 CVD를 대체한다?

ALD는 초박막과 복잡한 구조에 강하지만 공급과 퍼지 반복으로 처리 시간이 길어질 수 있습니다. 두꺼운 막과 높은 생산성이 필요한 공정에서는 CVD가 더 경제적일 수 있습니다.

ALD 시장이 성장하면 모든 장비사가 수혜를 받는다?

고객마다 사용하는 재료와 공정이 다르고 장비도 열 ALD, PEALD, 단일 웨이퍼와 배치 방식 등으로 나뉩니다. 특정 기업의 수혜를 판단하려면 해당 장비가 실제 양산 공정에 채택됐는지 확인해야 합니다.

ALD 장비 산업을 볼 때 확인할 부분

ALD 장비 시장을 볼 때는 반도체 미세화라는 설명만으로 투자 판단을 끝내면 안 됩니다. 웨이퍼 한 장에 적용되는 ALD 단계가 얼마나 늘어나는지, 장비 처리량이 얼마나 개선되는지, 신규 재료가 실제 양산에 채택되는지를 함께 봐야 합니다.

ALD 적용 단계가 두 배 늘어나더라도 장비 한 대의 처리량이 크게 개선되면 장비 수요 증가율은 그보다 낮을 수 있습니다. 반대로 새로운 구조에서 전구체 노출과 퍼지 시간이 길어지면 웨이퍼당 공정 시간이 늘어 장비 수요가 증가할 가능성이 있습니다.

장비 매출 외에 전구체, 부품, 챔버 세정과 유지보수 수요도 확인할 필요가 있습니다. 설치 장비 수가 늘면 반복적으로 발생하는 서비스와 소모품 매출이 커질 수 있지만 고객사의 공장 가동률이 낮아지면 관련 매출도 영향을 받을 수 있습니다.

ALD 장비 시장의 반대 시나리오와 위험요인

• GAA와 차세대 메모리의 양산 일정이 늦어지면 장비 매출 전환도 지연될 수 있습니다.
• 장비 처리량과 사이클 시간이 빠르게 개선되면 공정 단계 증가보다 장비 대수 증가가 작을 수 있습니다.
• 새로운 전구체가 막 품질, 공급 안정성과 원가 조건을 충족하지 못할 수 있습니다.
• PEALD 적용 시 플라즈마 손상과 장비 복잡성이 증가할 수 있습니다.
• 기존 CVD나 다른 증착 기술이 충분한 피복성과 원가 경쟁력을 확보할 수 있습니다.
• 고객사의 기존 장비 업그레이드가 신규 장비 구매를 일부 대체할 수 있습니다.
• 수출 규제와 고객 집중도가 기술 경쟁력과 별개로 수주와 매출에 영향을 줄 수 있습니다.

ALD 장비 기업을 분석하는 체크리스트

1. 열 ALD와 PEALD 중 어느 분야에서 경쟁력이 있는가?
2. 로직, DRAM, NAND와 파운드리 중 어느 고객 투자에 민감한가?
3. GAA와 3D 메모리에서 실제로 늘어나는 ALD 공정은 무엇인가?
4. 신규 장비가 고객 평가 단계인지 양산 매출 단계인지 구분했는가?
5. 사이클 시간과 웨이퍼 처리량은 얼마나 개선되고 있는가?
6. 막의 피복성과 균일도를 유지하면서 생산성을 높였는가?
7. 전구체와 소모품, 유지보수 매출이 설치 장비 수와 함께 증가하는가?
8. 고객 집중도와 수출 규제에 따른 위험은 어느 정도인가?

ALD 장비가 중요한 이유를 정리하면

ALD 장비는 자기제한적 표면 반응을 반복해 매우 얇은 막의 두께를 정밀하게 관리하고, 복잡한 3차원 구조의 표면을 따라 기능성 박막을 형성하는 증착 장비입니다.

GAA 트랜지스터에서는 나노시트를 둘러싸는 게이트 절연막과 금속막 형성에, 3D NAND에서는 깊고 복잡한 구조의 절연막과 금속막 형성에 활용됩니다. 미세 배선과 콘택트에서는 얇은 배리어막과 새로운 금속을 적용하는 방법으로 사용됩니다.

하지만 ALD가 모든 증착 공정을 대체하는 것은 아닙니다. 처리 속도, 공정 온도, 전구체 가격, 파티클과 유지보수 부담을 함께 고려해야 합니다. ALD 장비의 경쟁력은 원자 수준이라는 표현보다 필요한 막 품질을 양산 처리량과 합리적인 비용으로 반복 구현할 수 있는지에서 결정됩니다.

ALD 장비 관련 자주 묻는 질문

ALD 장비는 반도체에서 어떤 역할을 하나요?

웨이퍼와 3차원 구조의 표면에 매우 얇은 절연막, 금속막과 배리어막을 형성합니다. 막의 두께와 조성을 정밀하게 관리해야 하는 공정에 주로 사용됩니다.

ALD는 한 사이클마다 정확히 원자 한 층을 쌓나요?

항상 그렇지는 않습니다. 사이클당 성장량은 전구체, 재료, 온도와 표면 상태에 따라 달라집니다. 핵심은 개별 원자를 놓는 것이 아니라 자기제한적 반응을 반복해 두께를 세밀하게 제어하는 데 있습니다.

ALD와 CVD의 가장 큰 차이는 무엇인가요?

일반적인 CVD는 반응 물질을 연속적으로 공급하지만 ALD는 서로 다른 전구체의 공급과 퍼지를 순서대로 반복합니다. ALD는 두께 제어와 피복성에 강점이 있고 CVD는 상대적으로 높은 처리량에 유리할 수 있습니다.

ALD는 왜 3D NAND와 GAA에 필요한가요?

평평한 표면뿐 아니라 깊은 채널과 나노시트의 위·아래·측면까지 기능성 박막을 비교적 균일하게 형성해야 하기 때문입니다.

ALD 장비의 가장 큰 단점은 무엇인가요?

전구체 공급과 퍼지를 반복하기 때문에 공정 시간이 길어질 수 있다는 점입니다. 전구체 비용, 파티클, 챔버 세정과 장비 가동률도 함께 관리해야 합니다.

출처

• ASM, Atomic Layer Deposition
• Lam Research, A Look at Atomic Layer Deposition
• NIST, Atomic Layer Deposition of MoS2 Films
• Oxford Instruments, Atomic Layer Deposition
• Applied Materials, Contact Scaling with ALD Molybdenum
• Lam Research, Molybdenum Atomic Layer Deposition
• imec, Entering the Nanosheet Transistor Era
• Lam Research, ALD Tungsten in 3D NAND Manufacturing
• Beneq, ALD Reactors

자료 기준일: 2026년 9월 14일