어플라이드, 차세대 증착 기술 2종 공개…"고객사 2나노 공정서 채택"

소재 증착 정밀하게 제어해 고성능·고효율 트랜지스터 양산 지원

어플라이드머티어리얼즈(AMAT)는 최첨단 로직 칩의 가장 미세한 구조를 형성하기 위한 두 가지 새로운 칩 제조 시스템을 발표했다고 14일 밝혔다.

원자 수준의 정밀도로 소재 증착을 제어하는 이 기술은 오늘날 칩 제조사가 글로벌 AI 인프라 구축 속도에 맞춰 더 빠르고 전력 효율적인 트랜지스터를 대규모로 제조할 수 있도록 지원한다.

이미지_Trillium ALD 및 Precision 선택적 질화막 시스템의 GAA 트랜지스터 적용

AI 컴퓨팅 수요 급증에 따라 반도체 산업은 프로세서 칩에 집적된 수천억 개 트랜지스터에서 높은 에너지 효율 성능을 끌어내기 위해 스케일링 한계에 도전하고 있다. 이 같은 과제에 대응해 전 세계 선도적인 로직 칩 제조사들은 2나노 이하 공정에서 새로운 GAA(게이트올어라운드) 트랜지스터를 도입하고 있다.

GAA 전환은 동일 전력에서 훨씬 높은 성능을 구현하지만 성능 향상을 위한 공정 복잡도는 크게 증가한다. GAA 트랜지스터 내부의 복잡한 3D 구조를 형성하려면 500개 이상의 공정 단계가 필요하며, 이 중 상당수는 개별 원자 크기에 근접하는 허용 오차 내에서 소재를 정밀하고 반복 가능하게 제어·증착하는 새로운 방식을 요구한다.

이에 어플라이드는 '프로듀서 프리시전(Producer Precision)' 얕은 트렌치 절연(STI)의 무결성을 유지하는 선택적 질화막 플라즈마화학기상증착(PECVD) 시스템을 개발했다.

첨단 트랜지스터 아키텍처에서 STI는 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 매우 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 이번 PECVD 시스템은 업계 최초의 선택적 바텀업(bottom-up) 증착 공정으로 트렌치 내 필요한 위치에만 실리콘 질화막을 형성한다. 실리콘 산화물 위에 치밀한 실리콘 질화막층을 증착해 이후 공정 단계에서 STI 소재가 리세스(recess)되는 것을 방지한다.

이 공정은 하부막이나 구조에 손상을 주지 않도록 저온에서 수행된다. 선택적 질화막은 절연 트렌치의 원래 형상과 높이를 보존함으로써 일관된 전기적 특성을 유지하고 기생 커패시턴스를 감소시키며 누설을 낮추고 전체 소자 성능을 향상시킨다.

현재 선도적인 로직 칩 제조사들은 AMAT의 선택적 질화막 PECVD 시스템을 2나노 이하 GAA 공정 노드에서 채택하고 있다.

또한 어플라이드의 '엔듀라 트릴리움(Endura Trillium)’ 원자층 증착(ALD) 시스템은 가장 복잡한 GAA 트랜지스터 게이트 스택에 금속을 정밀하게 증착하기 위해 설계된 IMS(통합 재료 솔루션)다.

이 시스템은 어플라이드가 첨단 트랜지스터 애플리케이션을 위해 메탈 ALD 기술 분야에서 구축해온 오랜 전문성을 기반으로 한다. 여러 금속 증착 단계를 단일 플랫폼에 통합함으로써 칩 제조사가 다양한 트랜지스터의 임계 전압을 유연하게 튜닝하도록 지원한다.

트릴리움은 반도체 산업 역사상 가장 성공적인 메탈 증착 시스템인 Endura(엔듀라) 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 첨단 GAA 트랜지스터가 요구하는 튜닝 유연성과 신뢰성을 제공하는 동시에 트랜지스터 성능과 전력 효율, 신뢰성을 향상시킨다.

GAA 애플리케이션에 맞춰 고도로 최적화된 이 시스템은 더 얇은 일함수(work function) 금속과 GAA 구조의 제한된 공간에 대응하는 부피를 차지하지 않는 다이폴 소재를 구현하는 새로운 기능을 갖췄다. 선도적인 로직 칩 제조사들이 현재 2나노 이하 GAA 공정 노드에서 채택하고 있다.