빛이 바닥까지 닿지 않을 때 — 321단 낸드·2나노 GAA를 '재는' 법

2026년 7월 · 반도체 > 광학·계측 — AI·반도체·광학계측

빛이 바닥까지 닿지 않을 때 — 321단 낸드·2나노 GAA를 '재는' 법

채널홀은 6~10µm 깊이에 종횡비 100:1, 나노시트는 두께 수 나노에 게이트 속에 묻혀 있다. 파괴검사 없이 '깊은 곳·묻힌 곳'을 재는 세 갈래 — 스캐터로메트리·중적외선·X선(CD-SAXS).

오늘의 한 줄 — 반도체가 위로 쌓이고(3D 낸드) 안으로 숨으면서(GAA), 계측의 문제는 '얼마나 작은가'에서 '바닥까지 어떻게 보나'로 바뀌었습니다. 빛 하나로는 부족해진 지점에서 중적외선과 X선이 합류하는 중입니다.

① 반도체가 '위로·안으로' 숨는다 — 왜 계측이 어려워졌나

메모리는 위로 쌓입니다. SK하이닉스는 CES 2026에서 321단 2Tb QLC 낸드(자체 '3-플러그' 공정)를 공개했고, 연말에는 몰리브데넘을 도입한 375단 양산을 예고했습니다. 삼성전자의 10세대 V낸드(V10)는 400단 이상으로 올 하반기 상용화를 준비합니다. 이 층수를 관통하는 채널홀은 지름 100nm 미만에 깊이가 6~10µm, 종횡비(깊이/폭)가 오늘날 약 50:1에서 100:1 이상으로 치닫습니다(128단을 넘어서면 초고종횡비 식각의 한계 때문에 멀티덱·웨이퍼본딩으로 나눠 만듭니다).

로직은 안으로 숨습니다. 2나노 GAA(게이트올어라운드) 양산이 올해 열렸습니다 — TSMC N2(연말 월 9만 장 목표, 업계 첫 양산 나노시트 GAA, ISO 전력 기준 최대 15% 개선), 삼성 SF2(첫 양산 2나노 모바일 AP 엑시노스 2600), 인텔 18A(리본펫+백사이드 전원). GAA에서는 채널이 되는 나노시트가 게이트 물질에 완전히 둘러싸여 있어, 그 두께와 시트 간격(수 나노)·스페이서 폭을 겉에서 보기가 어렵습니다. 3D 낸드든 GAA든 공통점은 하나 — 재야 할 값이 표면이 아니라 깊은 곳, 혹은 묻힌 곳에 있다는 것입니다.

그림1. 3D 낸드 층수와 채널홀 종횡비 추이 (본인 작성, 공개 보도 종합)

📎 FinancialContent — SK하이닉스 321단 · The Elec — 연말 375단·몰리브데넘 · Blocks&Files — 삼성 400단+ · Tom's Hardware — TSMC N2 GAA 양산

② 빛의 반격 — 스캐터로메트리와 중적외선

광학 스캐터로메트리(OCD)는 주기적 격자에서 나온 회절·편광 스펙트럼을 물리모델로 역산해 형상을 복원합니다. 빠르고 비파괴라 여전히 인라인 계측의 주력입니다. GAA에서도 IBM·SRC의 보고에 따르면, 소자와 유사한 구조 위에서 스페이서 폭과 커버리지를 인라인으로 잡아낼 유일한 방법이 스캐터로메트리입니다. 문제는 깊이 — 가시광·자외선은 6~10µm 홀 바닥까지 충분한 신호를 주지 못합니다. 그래서 광학은 파장을 늘려 반격합니다. Onto Innovation의 중적외선(mid-IR) 광학계측은 더 긴 파장으로 초고종횡비 홀의 깊은 곳까지 침투해 프로파일을 읽습니다.

다만 원리적 한계가 있습니다. 구조가 깊고 복잡해질수록 서로 다른 형상이 거의 같은 스펙트럼을 만드는 파라미터 상관(correlation)이 커집니다. 스펙트럼 하나에 답이 여럿 — 역문제가 잘 풀리지 않는(ill-posed) 영역으로 들어가는 것입니다. 특히 층 사이 오버레이나 에지배치오차(EPE)처럼 서브나노 정밀도가 필요한 항목엔 고속 광학 해법이 아직 없습니다.

📎 Onto Innovation — 중적외선 HAR 계측 · SemiEngineering — GAA 계측의 미로 · SRC — 나노시트 GAA 인라인 계측

③ X선이 들어온다 — CD-SAXS

빛이 못 뚫으면 파장을 더 줄이면 됩니다. CD-SAXS(임계치수 소각 X선 산란)는 투과 기하로 시료를 통과시키기 때문에, 1µm를 훌쩍 넘는 3D 낸드·DRAM 구조도 바닥까지 관통해 잽니다. 채널홀의 CD·타원율·기울기(tilt), 나아가 티어(적층 블록) 사이 오버레이까지 비파괴로 얻습니다 — 지금까지 단면을 잘라 봐야 했던 값들입니다. 강한 산란 신호 덕에 메모리가 CD-SAXS의 첫 상용 무대가 됐고, 클린룸에 들어가는 컴팩트 투과형 장비(예: Bruker Sirius-XCD)는 이제 포인트당 수 분이면 한 점을 측정합니다.

대가는 처리량입니다. X선 산란은 신호를 오래 쌓아야 해서 광학의 속도를 따라가지 못합니다. 그래서 CD-SAXS는 전면 인라인이 아니라 다른 방법으로는 볼 수 없는 곳에 선별 투입됩니다. 로직에 인라인으로 넣으려면 100µm 미만 스폿에서 1분 이내 측정이 필요한데, 이는 소스 밝기를 지금보다 약 100배 끌어올려야 하는 과제입니다. '깊이'를 얻는 대신 '속도'를 내주는 교환 — 이 트레이드오프가 CD-SAXS를 언제·어디에 쓸지를 결정합니다.

그림2. 3D·HAR 계측 기법 정성 비교 (본인 작성, 공개 문헌 기반)

📎 Rigaku — CD-SAXS 개요 · IOP — 투과 SAXS로 HAR 홀 3D 프로파일 · MDPI Crystals — 반도체 X선 계측 리뷰

④ 한 기법으로는 안 된다 — 하이브리드·AI, 그리고 시장

결론은 명확합니다. 광학은 빠르지만 깊이가 약하고, X선은 깊지만 느리며, 전자빔(CD-SEM)은 표면 분해능은 높아도 깊이는 단면을 잘라야 봅니다. 어느 하나로 끝나지 않으니 광학+X선+전자빔을 섞고(하이브리드 메트롤로지) 그 위에 AI로 형상을 재구성하는 방향으로 갑니다. 돈도 그쪽으로 흐릅니다 — 계측·검사 장비 시장은 2026년 180억 달러를 넘어선 것으로 집계됐고, 선두 KLA는 2025년 공정제어 점유율 17.5% 이상에, 2026년 공정제어 매출이 전체 팹 장비 시장 성장률을 웃도는 20% 이상 성장할 것으로 전망합니다. 미세화·고적층·GAA·하이NA가 겹치며 웨이퍼 한 장당 '재는' 강도(process control intensity)가 계속 오르는 것입니다.

📎 Electronics Weekly — 계측·검사 장비 180억 달러↑ · Yahoo Finance — KLA 공정제어 성장 · GMInsights — 계측·검사 시장

계측하는 사람의 관점 — 이 이야기의 진짜 질문은 '더 깊이 보느냐'가 아니라 '그 숫자를 얼마나 믿느냐'입니다. HAR·GAA에서 파라미터 상관이 커지면, 두께가 다른 나노시트가 사실상 같은 스펙트럼을 냅니다. 측정값은 나오는데 그게 정말 그 형상인지는 불확실한 것 — 불확도가 커진 상태입니다. 하이브리드가 정답인 이유가 여기 있습니다. 각 기법은 민감한 방향이 서로 다릅니다. 광학이 못 보는 축(예: 깊은 곳의 틸트·오버레이)을 X선이 보고, X선이 느린 대신 광학이 면을 빠르게 덮습니다. 정보이론으로 말하면, 한 기법이 담지 못하는 방향의 피셔 정보량을 다른 기법이 채워 추정의 공분산을 줄입니다 — 즉 크래머-라오 하한이 내려가 같은 값을 더 좁은 불확도로 확정할 수 있게 됩니다. 그리고 CD-SAXS가 주는 교훈: 오래 쌓으면 정확하지만 느리다는 것은 곧 불확도와 처리량이 맞바꿈이라는 뜻입니다. 스펙이 좁아질수록 측정불확도가 공정 윈도우에서 차지하는 몫이 커지고, 불확도를 스펙의 1/4 이하로 묶지 못하면 멀쩡한 칩을 버리고 불량을 통과시키는 오판정이 수율을 갉아먹습니다. 300단·2나노의 시대는, 조용히, '믿을 수 있는 숫자'를 만드는 시대입니다.

편집 원칙
수치·주장은 원문 링크에서 확인 가능합니다. 도표는 직접 작성했으며(층수는 발표 세대, 종횡비·깊이·기법 비교는 공개 보도·문헌 기반 근사·정성 평가), 논문 figure·언론 사진은 저작권상 옮기지 않고 원문 링크로 대신합니다. 층수·시장·로드맵 수치는 보도·기관 추정치라 실제와 다를 수 있으며, 수치·전망은 투자 판단의 근거가 아닙니다.

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