HPSP가 판매하는 GENI-SYS은 무엇일까? 고압 수소 어닐링(HPA)의 역할은?

HPSP가 판매하는 GENI-SYS은 무엇일까? 고압 수소 어닐링(HPA)의 역할은?

HPSP

HPSP(403870)는 2022년 7월에 코스닥 시장에 상장된 회사이다. 반도체 장비 회사라고 알려져 있는데, 비전공자인 분들은 이 회사가 판매하는 장비가 어떤 장비인지? 왜 중요한지? 설명을 읽어 보아도 이해하기 힘들 것이다. 그래서 최대한 이해하기 쉽게 설명드리도록 하겠다.

GENI-SYS

HPSP의 주력 제품은 GENI-SYS 이다. 2024년 3분기 기준, HPSP의 매출액 1100억 원 중 GENE-SYS의 판매 매출이 약 1000억 원(90%)에 달할 만큼 매출 의존도가 높다.

GENI-SYS 장비 (출처 : HPSP 분기보고서)

HPSP 분기보고서에도 적혀 있듯이 GENI-SYS는 고압 수소 어닐링(High Pressure Annealing) 장비이다. 어닐링(annealing)을 사전에 검색해보면 '가열 냉각'이라는 의미를 가지고 있다. 즉, 고압 수소 어닐링을 그대로 풀이하면 "수소가 높은 압력으로 가득 채워진 곳에서 열을 가해 굽는다" 라고 볼 수 있다.

HPSP 매출 실적 (출처 : HPSP 분기보고서)

그렇다면 왜 이런 행위를 하는것일까?

고압 수소 어닐링(High Pressure Annealing, HPA)

1. 반도체의 기본 원리

고압 수소 어닐링에 대해 설명하기 전에, 반도체의 기본 원리에 대해 설명하도록 하겠다. 반도체는 크게 5가지 부분으로 나눌 수 있다.

• 게이트 (Gate) : 전류가 흐를 수 있는 길을 만들고 닫을 수 있는 수도꼭지 역할을 한다.
• 게이트 옥사이드 (Gate Oxide) : 게이트가 수도꼭지 역할을 하려면, 전압을 가해야 하는데 이 때 전자들이 게이트로 흘러 들어가지 못하게 하는 절연막 역할을 한다.
• 소스 (Source) : 전자가 나오는(공급해주는) 곳이며 전류가 흘러들어갈 방향이다.
• 드레인 (Drain) : 전자가 들어가는(하수구) 곳이며 전류가 흘러들어오는 방향이다.
• 실리콘 기판 (Si) : 전류가 흐르는 길이 형성되는 곳이다.

※ 참고로 (+)전압을 가하면 전자가 모인다, 전자와 전류의 방향은 반대이다, 전류는 (+)에서 (-)로 흐른다 등과 같이 학창시절 과학시간에 배웠던 내용들을 힘들겠지만 떠올리시길 바란다.

자 그래서 간단히 설명을 하자면 게이트에 (+)전압을 가하면 게이트 옥사이드와 실리콘 기판 경계면에 전자가 모이게 되어 전자가 흐를 수 있는 길을 형성하게 된다.

이 때, 소스와 드레인에 각각 (+)전압과 (-)전압을 인가하게 되면 전류가 흐를 수 있게 된다.

반도체 기본 원리 ①

반도체 기본 원리 ②

반도체 기본 원리 ③

지금까지 이해하기 힘들어도 상관 없다! 여기서 기억해야 할 점은 "게이트 옥사이드와 실리콘 기판 경계면에 전자가 모이게 된다"는 것이다.

2. 고유전율(High-K) 물질

HPSP 분기보고서 "사업의 개요"에서 첫 두줄을 보면,

"당사는 고유전율(High-K) 절연막을 사용하는 트랜지스터의 계면특성을 개선하는 고압 수소 어닐링 장비에 대한 연구개발 및 제조, 판매를 전문으로 하고 있습니다." 라고 적혀있다.

이 말을 풀어 설명하면, 고유전물 절연막을 사용하는 트랜지스터(반도체)의 계면특성을 개선하기 위해 고압 수소 어닐링을 사용한다고 볼 수 있다.

그렇다면 왜 고유전물 절연막을 사용해야 하는 것일까?

혹시 반도체의 세대가 거듭할수록 크기가 작아지는 것을 알고 있는가? 반도체의 크기가 작아지면 같은 공간에 더 많은 개수가 들어갈 수 있고, 성능도 좋아지게 된다.

하지만 크기를 줄이게 되면 여러 문제점들이 생겨나게 되는데, 그 중 하나가 바로 반도체를 동작할 때 게이트 옥사이드가 절연막 역할을 제대로 수행하지 못하는 것이다.

그리고 기존에 사용하던 물질인 실리콘 옥사이드(SiO2) 대신 절연막 역할을 잘 수행할 수 있는 새로운 물질이 바로 고유전물(High-K) 물질이다.

3. 고유전물(High-K) 물질의 단점

절연막 역할을 잘 수행할 수 있는 고유전물 물질을 바로 사용할 수 있으면 좋겠으나, 고유전물 물질에는 치명적인 단점이 있다. 바로 결함(Defect)이 많다는 점이다.

결함은 전자를 잡아먹을 수 있는데, 결함이 많으면 반도체 동작에 필요한 전자들을 잡아먹게 되고 결국 반도체의 성능이 안좋아지게 된다.

고유전물(High-K) 물질의 단점 : 결함(Defect)

4. 고압 수소 어닐링(High Pressure Annealing)의 역할

고압 수소 어닐링은 반도체의 결함을 제거해주는 역할을 한다. 수소가 엄청 많은 고압의 환경에서 어닐링(Annealing)을 해주면 결함(Defect)의 자리에 수소가 들어가게 된다. 그러면 결함은 전자를 잡아먹을수 없게 되고, 반도체의 성능 저하를 막을 수 있게 된다.

고압 수소 어닐링(High Pressure Annealing)의 역할 : 결함(Defect) 제거

이에 대한 설명을 조금 더 잘 알고 싶으신 분들은 훌륭한 연구원분들이 작성한 논문이 있으니 참고하시길 바란다.
"Improved Electrical Characteristics of Fully Depleted Ultrathin SOI MOSFETs Annealed in High-Pressure Hydrogen Ambient" Yunik Son et.al 2007 Electrochem. Solid-State Lett. 10 H324 [LINK]

HPSP의 기술력

HPSP의 타사 대비 기술력은 바로 고압 수소 환경에서 어닐링(Annealing)을 할 수 있는 능력이다.

고압의 환경이기 때문에 어닐링을 할 때 수소 농도가 높을 수밖에 없고, 그러면 결함(Defect)에 수소가 더욱 잘 들어갈 수 있게되어 효과적으로 결함을 줄일 수 있다.

그리하여 타사대비 더 작은 크기의 반도체 공정에도 적용 가능하며, 이것은 HPSP의 글로벌 독점 기술이다.

어닐링장비 비교분석 (출처 : HPSP 분기보고서)