"삼성·TSMC 모두 적용"…AMAT, 2나노향 최초 신기술 꺼냈다

AMAT 차세대 구리 배선·저유전체 기술 공개

어플라이드머티어리얼즈(AMAT)가 2나노미터(nm) 이하 등 차세대 반도체 제조를 위한 공정 기술을 공개했다. 특히 AMAT가 업계 최초로 상용화한 구리 배선 기술의 경우, 삼성전자·TSMC 등 최선단 파운드리 기업의 양산 공정에 이미 적용된 것으로 알려졌다.

14일 AMAT코리아는 서울 선릉 세바시X데마코홀에서 미디어 라운드 테이블을 열고 회사의 신규 구리 배선 및 저유전체 기술을 발표했다.

이은기 AMAT 박막기술총괄이 미디어 라운드테이블에서 신기술을 발표하고 있다(사진=장경윤 기자)

■ '초미세' 공정용 구리 배선 기술로 삼성전자·TSMC 공략

이날 AMAT는 2나노 공정 구현을 위한 구리 칩 배선 기술을 강조했다. 2나노 공정은 반도체 업계에서 '초미세' 영역에 해당하는 기술이다. 전 세계 주요 파운드리인 삼성전자, TSMC, 인텔 등이 내년부터 본격적으로 2나노 공정을 본격적으로 양산할 계획이다.

AMAT는 이를 위해 '엔듀라 쿠퍼 배리어 써드 IMS'를 개발했다. 배선 공정은 반도체 회로 패턴에 전기가 잘 통하는 성질의 금속을 도금하는 공정을 뜻한다. 해당 금속으로는 구리가 주로 쓰이며, 구리가 잘 배선될 수 있도록 틀을 잡아주는 역할의 라이너·배리어 2개 층을 입힌다.

그러나 회로 선폭이 줄어들면서 배선 공정도 기술적인 한계점에 부딪히고 있다. 선폭이 미세화될수록 배선되는 구리의 두께도 얇아져야 하는데, 구리의 함량이 너무 많이 줄어들면 전기의 저항성이 높아지기 때문이다. 배리어 층의 간격이 짧아져 간섭이 발생한다는 문제도 있다. 이는 칩의 전력효율성 및 신뢰성을 감소시키는 결과로 이어진다.

기존 구리 배선 공정과 코발트·루테늄 소재를 동시에 적용한 AMAT의 신규 기술을 비교한 모습(사진=AMAT)

AMAT가 제시한 해결 방안은 라이너의 두께를 대신 줄이는 것이다. 기존 라이너에는 코발트 소재가 쓰였는데, 30옹스트롬(1옹스트롬 당 0.1나노미터) 정도의 두께다.

반면 AMAT는 라이너 소재로 기존 코발트에 '루테늄'을 더해 라이너 두께를 20옹스트롬 수준으로 줄였다. 이를 통해 표면 물성을 개선하고, 전기 배선 저항을 최대 25%까지 낮췄다.

AMAT는 코발트, 루테늄 증착 등을 비롯한 6개의 공정을 하나의 고진공 시스템(IMS)으로 조합해, 삼성전자·TSMC 등 최선단 파운드리 업체의 양산용 공정에 공급하는 데 성공했다.

이은기 AMAT 박막기술총괄은 "AMAT의 차세대 구리 배선 기술은 2나노 이하의 최선단 공정과 그 너머까지 지원할 수 있다"며 "학계에서 연구된 바는 있으나 이를 양산 공정에 적용한 것은 AMAT가 업계 최초"라고 설명했다.

■ 향상된 Low-k 소재 개발…"3나노서 이미 적용 중"

또한 AMAT는 차세대 반도체 기술인 3D 적층을 위한 신규 Low-k(저유전율) 유전체소재에 대해 발표했다. 유전체는 구리를 배선하기 전에 먼저 증착되는 소재로, 배선 사이의 간섭을 막는 역할을 담당한다.

3D 적층은 기존 수직으로 집적하던 트랜지스터를 수직으로 적층하는 기술이다. 기존 반도체 미세화 공정의 한계를 뛰어넘는 대안 기술로, 삼성전자가 2030년께 상용화를 목표로 한 3D D램, GAA(게이트-올-어라운드)를 한층 발전시킨 '3DSFET' 등이 대표적인 사례다.

3D 적층을 구현하기 위해서는 유전율을 낮추는 것이 핵심이다. 유전율이란 동일한 전압에서 전하를 얼마나 잡아둘 수 있는지 나타내는 척도다.

AMAT의 블랙다이아몬드 절연체 개념도(사진=AMAT)

유전율이 낮으면 전기 저항이 낮아 전류를 빠른 속도로 흐르게할 수 있다. 이를 활용하면 전하의 축적량을 낮춰, 각 배선 사이에 발생할 수 있는 간섭 현상을 줄이고 전력 소비량을 줄일 수 있다. 덕분에 3D 칩과 같이 배선이 빼곡하게 들어서는 구조에 적합하다는 평가를 받고 있다.

AMAT는 이 Low-k 유전체를 '블랙다이아몬드' 라는 브랜드명으로 개발해 왔다. 이번에 공개한 신규 물질은 실리콘과 탄소 등을 포함한 'SiCoH'를 기반으로 한다.

이은기 총괄은 "특정 고객사는 신규 블랙다이아몬드 물질을 3나노 파운드리 공정에 이미 적용해 사용 중"이라며 "선도적인 로직 및 D램 제조기업들의 채택되고 있음은 물론, 향후에는 BSPDN(후면전력공급)와 같은 차세대 기술에도 적용될 수 있다"고 설명했다.

BSPDN은 웨이퍼 전면에 모두 배치되던 신호처리와 전력 영역을 분리해, 웨이퍼 후면에 전력 영역을 배치하는 기술이다. 삼성전자의 경우 차세대 2나노 공정, 3D D램 등에 적용할 것으로 기대된다.

한편 삼성전자, TSMC 등 고객사들도 AMAT의 차세대 공정 솔루션에 깊은 관심을 기울이고 있다.

김선정 삼성전자 파운드리 개발팀 상무는 "패터닝 발전이 소자의 지속적인 스케일링을 견인하고 있으나 인터커넥트 배선 저항, 정전용량, 신뢰성 등 풀어야 할 과제가 남아있다"며 "삼성은 이 문제를 해결하기 위해 스케일링의 이점을 가장 진보한 공정까지 확대하는 다양한 재료 공학 혁신을 채택하고 있다"고 밝혔다.

미위제 TSMC 수석부사장은 "AI 컴퓨팅의 지속 가능한 성장을 위해 반도체 업계는 에너지 효율적인 성능을 획기적으로 개선해야 한다"며 "인터커넥트 저항을 낮추는 신소재는 다른 혁신과 함께 전반적인 시스템 성능과 전력을 개선하며 반도체 산업에서 중요한 역할을 할 것"이라고 강조했다.