어플라이드, AI 반도체 장비 공개...고적층 낸드·GAA 겨냥

[빅데이터뉴스 김다경 기자] 어플라이드 머티어리얼즈는 차세대 AI 칩 생산의 핵심 난제로 꼽히는 초미세 3차원(3D) 공정 문제를 해결할 신규 장비 2종을 16일 공개했다.

AI 연산 성능 향상을 위해 반도체 업계는 게이트올어라운드(GAA) 트랜지스터와 고적층 3D 낸드 등 수직 구조를 확대하고 있다. 다만 구조가 깊고 좁아질수록 재료를 균일하게 증착하거나 제거하는 작업이 어려워지면서 성능 저하와 수율 하락 문제가 새로운 과제로 떠오르고 있다.

어플라이드 머티어리얼즈는 실리콘 질화막(SiN)을 정밀하게 형성하는 '센트리스 스펙트럴(Centris Spectral) SiN 원자층증착(ALD) 시스템'과 몰리브덴(Mo)을 선택적으로 제거하는 '프로듀서 셀렉트라(Producer Selectra) 몰리브덴 식각 시스템'을 발표했다.

회사는 두 장비를 통해 고종횡비 구조에서도 재료를 상부부터 하부까지 균일하게 제어할 수 있다고 설명했다. 이를 바탕으로 로직과 메모리 반도체 전반에서 디바이스 성능과 에너지 효율을 높이고 제조 수율 개선을 지원할 수 있다는 것이다.

먼저 센트리스 스펙트럴 SiN 원자층증착 시스템은 고밀도 마이크로파 플라즈마 기술을 적용해 깊고 좁은 구조 내부에도 균일한 실리콘 질화막을 형성할 수 있도록 설계됐다. 기존 플라즈마 강화 증착 방식이 고종횡비 구조에서 막 두께 편차와 품질 저하 문제를 겪었던 것과 달리 저온 환경에서도 치밀하고 균일한 박막 증착이 가능하다는 설명이다.
이 장비는 차세대 로직 반도체의 핵심 구조인 GAA 트랜지스터 공정 등에 활용될 수 있다. 트랜지스터 콘택트용 고품질 라이너를 형성해 계면 저항과 정전용량을 낮춤으로써 더 빠른 동작 성능 구현에 기여할 수 있다고 회사 측은 설명했다.

프로듀서 셀렉트라 몰리브덴 식각 시스템은 고적층 3D 낸드 공정에서 사용되는 저저항 금속인 몰리브덴을 정밀하게 제거하는 장비다.

3D 낸드 적층 수가 증가하면서 기존 습식 식각 방식으로는 깊은 구조 내부까지 액상 화학물질이 균일하게 도달하기 어려워 상부만 과도하게 식각되는 '탑헤비(Top-heavy)' 현상이 발생해왔다. 이는 셀 간 편차 확대와 누설 전류 증가, 수율 저하로 이어지는 요인으로 꼽힌다.

셀렉트라는 정교한 공정 제어와 첨단 가스 공급 기술을 통해 이 같은 한계를 극복했다. 깊은 구조 내부에서도 상·하부 균일성을 확보하고 정밀한 프로파일 제어를 구현해 누설 전류 감소와 데이터 보존성 향상에 기여할 수 있다는 설명이다. 해당 장비는 이미 대량 양산(HVM) 환경에서 검증을 마쳤다.

업계에서는 AI 서비스 확산으로 고성능·고효율 반도체 수요가 급증하면서 단순한 미세공정 경쟁을 넘어 재료 공학 기술이 차세대 반도체 경쟁력을 좌우하는 요소로 부상하고 있다고 보고 있다. 특히 칩 내부 구조가 3차원으로 복잡해질수록 재료를 균일하게 증착하고 선택적으로 제거하는 공정 역량이 성능과 수율을 결정짓는 핵심 변수로 떠오르고 있다.

실제로 삼성전자는 이미 GAA 구조를 양산에 적용했으며 TSMC와 인텔도 차세대 공정에 GAA 기반 트랜지스터 도입을 추진하고 있다. 메모리 업계 역시 300단 이상의 초고적층 3D 낸드 경쟁에 돌입하면서 고종횡비 구조를 정밀하게 제어할 수 있는 증착·식각 장비의 중요성은 더욱 커질 전망이다.

프라부 라자 어플라이드 머티어리얼즈 반도체 제품 그룹(SPG) 사장은 "AI 컴퓨팅의 한계를 확장해 나가는 과정에서 가장 큰 혁신의 기회는 재료 공학에 있다"며 "칩 제조사들은 극도로 복잡한 3D 아키텍처에서 물질을 정밀하게 증착하고 선택적으로 제거할 새로운 방법을 찾고 있다"고 말했다.

이어 "최신 증착 및 선택적 식각 시스템을 통해 고객들이 핵심적인 스케일링 과제를 극복하고 로직과 메모리 분야의 차세대 혁신을 가속화할 수 있도록 지원하겠다"고 덧붙였다.

김다경 빅데이터뉴스 기자 dk@thebigdata.co.kr