[과학산책]반도체 초격차, 결국 '가스 한 병'에서 갈린다

윤형철 한국에너지기술연구원 청정연료연구실 책임연구원 반도체 얘기가 나오면 사람들은 대개 극자외선(EUV) 노광기부터 떠올린다. 웨이퍼, 리소그래피, 다음이 장비다. 그런데 요즘 업계 보고서를 보면 판을 흔드는 진짜 변수는 다른 데 있다. 가스다. 눈에 안 보이는 이 물질이 수율을 몇 퍼센트씩 변동시키고, 어떤 날엔 라인 하나를 통째로 세워버린다. 특수가스가 반도체 원가에서 차지하는 비중은 크지 않다. 그런데 순도가 약간 흔들려도 웨이퍼가 폐기물로 나간다. 싸고, 그러면서 치명적이다. 반도체 가스 시장은 꾸준히 성장 중이다. 테크인사이츠(TechInsights)는 2026년 전자용 가스 시장을 약 68억1000만달러로 봤다. 특수가스는 전년 대비 5.8%, 벌크 가스는 4.9% 성장이다. 성장의 진짜 원인은 공정에 있다. 2나노미터(㎚) 시대를 여는 GAA 트랜지스터, 400단을 넘긴 3D NAND, HBM4에 실릴 초고집적 DRAM, 이 세 흐름이 겹치면서 초고순도 가스 수요가 오르는 중이다. 이런 상황에 요즘 부쩍 이름이 오르내리는 소재가 중수소, D2다. 수소의 안정 동위원소로, 중성자 하나가 더 붙었다는 것 말곤 겉으로 별 차이가 없다. 그런데 이 하나가 소자 수명을 좌우한다. 트랜지스터가 미세해질수록 채널 안을 지나는 전자들이 사나워지고, 이 고에너지 캐리어가 게이트 산화막 계면을 두드리면 이른바 핫캐리어 열화가 일어난다. 실리콘-수소 결합(Si-H)은 여기에 약하고, 실리콘-중수소 결합(Si-D)은 훨씬 잘 버틴다. 결합 안정성이 높은 덕분이다. 고압 중수소 어닐링을 거친 소자가 오래 도는 실험 결과는 이미 오래된 얘기다. 조사기관마다 편차는 있지만, 전자산업용 중수소 시장은 2020년대 후반까지 연 6~9% 성장 궤도에 올라섰다는 평가다. D2에서 한 걸음 더 나아간 소재가 중수소화 암모니아, ND3다. 암모니아(NH3) 속 수소 세 개가 모두 중수소로 바뀐 물질인데, 국내에서는 아직 상용화 초입이다. 실리콘 질화막을 입힐 때 플라즈마 화학 기상 증착(PECVD)과 플라즈마 원자층 증착(PEALD) 공정에서 질소 원료로 흔히 쓰이는 것이 NH3다. 그 자리에 ND3를 넣기만 해도 같은 300~400도 조건에서 중수소가 박힌 질화막(SiN:D)이 만들어진다. 중수소로 바꾼 이유는 결합의 힘 차이다. 일반 암모니아로 만든 막에는 N-H, Si-H 같은 약한 결합이 남는다. 소자가 켜졌다 꺼졌다 하는 순간...