어플라이드 머티어리얼즈가 2 나노 이하 공정의 최첨단 로직 칩 성능을 높이는 새로운 증착, 식각 및 재료 개질(modification) 시스템을 발표했다. 이 기술은 트랜지스터라는 가장 기본적인 전자 소자를 원자 단위에서 개선함으로써 AI 컴퓨팅 성능을 획기적으로 강화한다.

GAA(게이트올어라운드) 트랜지스터로의 전환은 반도체 산업의 주요 변곡점이다. 이 기술은 더욱 강력한 AI 칩 제조에 필요한 에너지 효율적 컴퓨팅을 가능하게 하는 핵심 요소이다. 올해 2나노급 GAA 칩이 양산에 진입함에 따라 어플라이드는 옹스트롬(Angstrom) 노드를 위한 차세대 GAA 트랜지스터 성능을 향상시킬 새로운 재료 혁신을 선보이고 있다. 새로운 칩 제조 시스템들이 함께 발휘하는 효과는 GAA 공정 전환으로 얻는 에너지 효율 향상에서 매우 중요한 비중을 차지한다.

프라부 라자(Prabu Raja) 어플라이드 머티어리얼즈 반도체 제품 그룹(SPG) 사장은 "AI의 빠른 발전은 컴퓨팅 성능을 한계까지 끌어올리고, 컴퓨팅 혁신은 트랜지스터에서 시작된다"며 "옹스트롬 시대에 발맞춰 어플라이드는 에너지 효율 컴퓨팅을 강화하는 재료 공학 혁신을 제공하고 있다. 이번에 발표한 시스템들은 주요 트랜지스터 및 배선 분야의 주요 혁신을 주도해 온 어플라이드의 오랜 리더십을 확장하는 동시에, 고객들이 AI의 발전 속도에 맞춰 로드맵을 가속화할 수 있도록 돕는다"고 말했다.

GAA 트랜지스터의 핵심은 전류가 흐르는 나노시트(Nanosheet)의 수평 적층 구조다. 폭이 몇 나노미터에 불과한 초박막 실리콘으로 만들어진 이 나노시트는 각각이 전하가 이동하는 효율적인 경로로 기능할 수 있도록 물리적 특성이 매우 정밀하게 정의돼야 한다.

나노시트의 표면 상태는 원자 수준의 거칠기나 오염만으로도 전기적 특성과 전체 칩 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있어 매우 중요하다. 깨끗하고 균일도 높은 나노시트 표면은 채널 내 전자 이동도를 극적으로 향상시킨다.  이는 트랜지스터가 얼마나 빠르게 켜지고 꺼지는지 결정하는 핵심 역할을 수행해 차세대 AI 칩의 요구사항을 충족하는 더 빠르고 에너지 효율적인 트랜지스터를 구현한다.

어플라이드의 ‘Producer™ Viva™(프로듀서 비바)’ 라디칼(Radical) 처리 시스템은 나노시트 표면의 옹스트롬 수준 정밀 엔지니어링을 구현한다. Viva 시스템의 핵심은 초순수 라디칼 종(Species)을 생성하는 특허 받은 전달 아키텍처이다. 이 기술은 어플라이드의 원격 플라즈마 소스와 기타 하드웨어 혁신을 통해 표면 구조를 손상시킬 수 있는 고에너지 하전 이온(Charged Ions)을 걸러낸다. 농축된 중성 라디칼은 부드럽고 손상 없는 처리 환경을 조성해 깊게 매립된 트랜지스터 구조에서 균일한 표면 처리를 가능하게 한다.

선도적인 로직 칩 제조사는 2나노 이하 공정 노드의 첨단 엔지니어링을 위해 Viva 시스템을 채택하고 있다.

Viva 시스템은 로직과 메모리 모두에 확장 적용 가능하다. 어플라이드의 ‘Producer Pyra™(프로듀서 파이라)’ 열처리 공정과 결합하면 보완적인 라디칼 처리가 전도성 구리(Cu) 배선의 저항을 더욱 감소시켜 최첨단 노드의 하부 금속 레이어에서 구리 사용을 확대할 수 있는 가능성을 제공한다.

GAA 트랜지스터 디바이스의 수직 3D 아키텍처를 구현하기 위해 칩 제조사는 매우 정밀하게 깊고 좁은 트렌치를 형성해야 한다. 이러한 구조는 균일한 깊이와 수직 측벽, 평탄한 사각 바닥면을 유지해야 한다. 미세한 편차만으로도 트렌지스터의 속도와 전력 효율, 전체 성능에 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 공정 노드가 미세화됨에 따라 이러한 정밀도를 확보하기 위한 첨단 플라즈마 식각은 필수적인 기술로 자리잡았다.

어플라이드가 Sym3 Z 제품군에서 새롭게 선보인 ‘Sym3™ Z Magnum™ (Sym3 Z 매그넘)’ 식각 시스템은 마이크로초 단위의 이온 제어로 GAA 트랜지스터의 고종횡비 구조를 생성하는 펄스 전압 기술(PVT, Pulsed Voltage Technology)을 대량 양산 단계에 도입했다. 현재 시스템은 2나노 로직 제조의 기준 장비(tool-of-record) 지위를 확보하고 전 세계적으로 250개 이상의 챔버가 현장에 설치되는 등 광범위하게 채택되고 있다.

스케일링 확대를 위해 Sym3 Z Magnum은 획기적인 2세대 펄스 전압 기술(PVT2)을 도입했다. PVT2는 이온 방향성과 웨이퍼 인접 플라즈마 제어 간의 기존 트레이드 오프 (Trade-off)를 제거할 뿐만 아니라, 독립적인 이온 각도 및 이온 에너지 조정이 가능하다. 이를 통해 훨씬 더 정교하게 제어된 이온 궤적을 웨이퍼 표면으로 직접 전달한다. Sym3 Z Magnum은 PVT2를 새로운 소스 기술과 결합해 매끄럽고 정밀한 트렌치를 형성한다. 이는 균일한 나노시트, 더 빠른 스위칭 속도, 고품질 에피택시를 가능하게 함으로써 트랜지스터 속도와 칩 성능을 향상시킨다.

Sym3 Z Magnum은 옹스트롬급 로직 공정을 넘어 고밀도 어레이와 높은 적층을 위해 필요한 정밀 프로파일을 제공함으로써 DRAM 및 고대역폭 메모리(HBM) 기술 혁신을 가속한다. 이처럼 폭넓은 적용 분야는 선도적인 칩 제조사들 사이에서 빠른 도입을 이끌며 첨단 식각 분야에서 어플라이드의 리더십을 강화한다.

더욱 강력한 AI 구현을 위해서는 트랜지스터 소자 단위를 넘어선 혁신이 필요하다. 2나노 이하 스케일링이 지속됨에 따라 각 트랜지스터를 배선 네트워크에 연결하는 미세 금속 콘택트 또한 점점 더 얇아지고 있다. 이는 칩 전체 저항을 높여 성능과 에너지 효율을 제한하는 주요 요인이 된다.

이러한 나노스케일 차원에서 기존 텅스텐(W) 콘택트는 전자 전도 효율이 저하되는 한계에 직면했다. 반면 몰리브덴(Mo)은 더 얇은 두께에서도 효율적인 전자 흐름을 유지할 수 있는 재료로, 옹스트롬 노드 시대의 차세대 콘택트를 위한 최적의 대안으로 떠올랐다.

어플라이드 ‘Centris™ Spectral™(센트리스 스펙트럴)’ 몰리브덴 ALD(원자층증착) 시스템은 단결정 몰리브덴을 선택적으로 증착해 현재 업계 벤치마크인 어플라이드 ‘Endura™ Volta™(엔듀라 볼타)’ 선택적 텅스텐 시스템 대비 핵심 콘택트 저항을 최대 15%까지 감소시킨다. 콘택트는 인터커넥트와 트랜지스터 사이의 가장 미세한 연결부를 형성하기 때문에 칩 성능과 에너지 효율 극대화를 위해 낮은 저항 유지가 중요하다.

Spectral 시스템은 정밀한 화학물질 전달 기능을 갖춘 최첨단 쿼드 반응기 설계, 다양한 플라즈마 및 열처리 공정 역량, 시공간적 ALD 작동을 모두 지원하는 특수 하드웨어를 특징으로 하는 새로운 ALD 툴 시리즈이다. 이를 통해 첨단 AI 칩 성능을 극대화하는 데 필요한 다양한 첨단 박막을 형성할 수 있는 능력을 제공한다.

선도적인 로직 칩 제조사들은 2나노 이하 공정 노드에서 Spectral 시스템을 채택하고 있다.

조지영 기자 : miyoujj@noteforum.co.kr

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