반도체 장비 기업 어플라이드 머티어리얼즈가 최첨단 로직 칩의 미세한 구조를 형성하기 위한 두 가지 새로운 제조 시스템을 14일 발표했다. 어플라이드 머티어리얼즈가 새롭게 선보인 기술은 원자 수준의 정밀도로 소재 증착을 제어한다. 회사 측은 "칩 제조사가 글로벌 인공지능(AI) 인프라 구축 속도에 맞춰 더 빠르고 전력 효율적인 트랜지스터를 대규모로 제조할 수 있도록 지원할 것"이라고 전했다.
AI 수요가 급증하면서 반도체에 집적된 수천억개 트랜지스터의 에너지 효율 성능을 높이기 위한 다양한 시도가 이뤄지고 있다. 최근에는 2㎚(나노미터·10억분의 1ｍ) 이하 공정에서 새로운 게이트올어라운드(GAA) 트랜지스터 도입이 이뤄지고 있다.
GAA는 동일 전력에서 훨씬 높은 성능을 구현한다. 다만 공정 복잡도는 크게 증가한다. GAA 트랜지스터 내부의 복잡한 3D(차원) 구조를 형성하려면 500개 이상의 공정 단계가 필요하다. 이 중 상당수는 개별 원자 크기에 근접하는 허용 오차 내에서 소재를 정밀하고 반복 가능하게 제어·증착하는 새로운 방식을 요구한다.
어플라이드는 GAA 트랜지스터의 가장 복잡한 구조를 형성하기 위해 소재 혁신을 활용하는 두 가지 칩 제조 시스템을 공개했다. 새로운 기술은 GAA 필수 소재인 금속과 절연 유전체의 증착에 초점이 맞춰져 있다.
◇ 의도치 않은 전기적 간섭 방지하는 장비
현재 개발 중인 차세대 AI 그래픽처리장치(GPU)는 우표 크기 면적에 3000억개 이상의 트랜지스터를 집적할 것으로 예상된다. 이에 따라 의도치 않은 전기적 간섭 현상인 '기생 커패시턴스(Parasitic Capacitance)'가 유발될 수 있다. 전자가 인접 트랜지스터로 쉽게 확산될 수 있는 구조이기 때문이다. 이는 신호 속도 저하와 전력 낭비 문제를 야기한다.
얕은 트렌치 절연(STI)은 인접 트랜지스터를 전기적으로 분리하는 데 사용된다. 이 기술은 트랜지스터 사이 표면에 트렌치를 식각한 후 실리콘 산화물과 같은 절연 유전체 소재로 채워 전하를 가두고 원치 않는 누설을 방지한다. 이런 좁은 절연 트렌치는 GAA 소자에서 가장 미세한 구조 중 하나로 대량 양산 과정에서 품질 유지가 어렵다. 트렌치 형성 후 칩이 여러 추가 공정 단계를 거치면서 실리콘 산화물 절연 소재가 점진적으로 손상돼 전체 칩 성능에 부정적 영향을 미칠 수 있다.
어플라이드의 프로듀서 프리시전(Producer™ Precision) 장비는 선택적 질화막 PECVD(플라즈마 강화 화학 기상 증착) 시스템으로, 업계 최초의 선택적 바텀업(bottom-up) 증착 공정으로 트렌치 내 필요한 위치에만 실리콘 질화막을 형성한다. 실리콘 산화물 위에 치밀한 실리콘 질화막층을 증착, 이후 공정 단계에서 STI 소재가 리세스(recess)되는 것을 방지한다.
이 공정은 하부막이나 구조에 손상을 주지 않도록 저온에서 수행된다. Precision 선택적 질화막은 절연 트렌치의 원래 형상과 높이를 보존함으로써 일관된 전기적 특성을 유지하고 기생 커패시턴스를 감소시키며 누설을 낮추고 전체 소자 성능을 향상시킨다.
◇ 통합 재료 솔루션 제공
GAA 트랜지스터는 트랜지스터를 켜고 끄는 데 필요한 임계 전압을 결정하는 여러 금속층으로 구성된 게이트 스택에 의해 제어되는 스위치다. 데이터센터부터 엣지에 걸쳐 AI 워크로드 요구를 충족하기 위해 칩 제조사는 설계자에게 다양한 트랜지스터 옵션을 제공한다. 일부는 성능을 위해 더 빠른 스위칭에 최적화되고 다른 일부는 최소 전력으로 스위칭하도록 튜닝된다. 이 같은 트레이드오프(Trade-off)를 충족하는 것은 고정밀 금속 증착 기반의 메탈 게이트 스택 최적화에 달려 있다.
GAA 트랜지스터에서 게이트 스택은 약 10나노 간격으로 배치된 여러 개 수평 나노시트를 완전히 감싸야 한다. 게이트 스택의 간극이나 불균일은 트랜지스터 스위칭 특성 변동을 유발하고 칩 성능, 전력 소모, 신뢰성, 수율에 부정적 영향을 미친다. 기존 금속 증착 방식은 극한의 요구 사항을 충족하기 어렵다.
어플라이드의 엔듀라 트릴리움(Endura Trillium)에는 ALD(원자층 증착) 시스템이 적용돼 있다. 회사 측은 "가장 복잡한 GAA 트랜지스터 게이트 스택에 금속을 정밀하게 증착하기 위해 설계된 통합 재료 솔루션(IMS)"이라고 했다.
이 시스템은 여러 금속 증착 단계를 단일 플랫폼에 통합, 칩 제조사가 다양한 트랜지스터의 임계 전압을 유연하게 튜닝하도록 지원한다. 트릴리움은 메탈 증착 시스템인 엔듀라(Endura) 플랫폼 기반으로 초고진공을 생성하고 유지한다.
진공 환경은 실리콘 나노시트 사이 극미세 공간에 여러 소재를 증착할 때 클린룸 대기 속 불순물로부터 웨이퍼를 보호하는 데 필수적이다. 옹스트롬 수준의 메탈 게이트 스택 두께 제어를 통해 트릴리움 ALD는 첨단 GAA 트랜지스터가 요구하는 튜닝 유연성과 신뢰성을 제공하는 동시에 트랜지스터 성능과 전력 효율, 신뢰성을 향상시킨다.
프라부 라자 어플라이드 머티어리얼즈 반도체 제품 그룹(SPG) 사장은 "반도체 산업은 기존 리소그래피 기반 칩 스케일링만으로는 한계에 다다른 급격하고 비선형적 변화의 시기에 진입하고 있다"며 "옹스트롬급 첨단 로직 노드에서 성능과 전력 효율은 이제 소재 혁신에 의해 결정된다. 새로운 증착 시스템은 어플라이드의 독보적인 재료 공학 분야 리더십을 바탕으로 고객이 AI 컴퓨팅 로드맵의 근간이 되는 핵심 트랜지스터 기술 전환을 실현하도록 지원한다"고 말했다.