더 빠른 AI 칩 위한 트랜지스터 및 배선 혁신 기술 공개
“Better Transistors for AI”
어플라이드 머티어리얼즈(Applied Materials)가 2나노 이하 공정의 최첨단 로직 칩 성능을 높이는 새로운 증착, 식각 및 재료 개질 시스템을 발표하는 간담회 자리에서, 특히 눈에 띄었던 문구이다.
어플라이드 측은 이번 새로운 장비를 통해, 트랜지스터라는 가장 기본적인 전자 소자를 원자 단위에서 개선함으로써 AI 컴퓨팅 성능을 획기적으로 강화한다는 의지를 천명했다. GAA(게이트올어라운드) 트랜지스터로의 전환은 반도체 산업의 주요 변곡점이다. 올해 2나노급 GAA 칩이 양산에 진입함에 따라 어플라이드는 옹스트롬(Angstrom) 노드를 위한 차세대 GAA 트랜지스터 성능을 향상시킬 새로운 재료 혁신을 선보이고 있다.
케빈 모라스(Kevin Moraes) 반도체 제품 마케팅 부사장
이날 간담회 자리에는 케빈 모라스(Kevin Moraes) 반도체 제품 마케팅 부사장과 마이클 추지크(Michael Chuzik) 반도체 기술 부사장, 박광선 어플라이드 머티어리얼즈 코리아 대표 등이 참석해 제품을 상세히 소개했다.
박광선 대표는 인사말 겸 환영사를 통해 “4일 개막한 세미콘 코리아 2026의 기조 연설에 나선 삼성전자 송재혁 사장은 이제 AI 반도체 성능이 제타플롭스(ZFLOPS) 중심으로는 한계에 부딪히고 있다. 이를 극복할 수 있는 방법은 로직 메모리 패키지 등을 모두 아우르는 시스템 아키텍처라고 말했다”며, 또한 “하이닉스 이성훈 부사장도 이제 개발 주기를 유지하기가 너무 어려울 정도로 난이도가 급증하고 있어, 앞으로 협력 시스템 개방 이후의 디바이스 구조나 공정 혁신이 없이는 안된다고 강조했다”고 말했다.
이어 박 대표는 “한국의 반도체 산업이 글로벌 기술력의 한 축으로 자리 잡고 있고, 그런 변화의 중심에 어플라이드가 고객들과의 협력을 통해 다양한 제품과 플랫폼들을 선보이고 있다”고 밝혔다.
정밀 엔지니어링 구현, Viva 라디칼 처리 시스템
어플라이드가 이날 소개한 첫 번째 제품은, GAA 트랜지스터 나노시트 정밀 엔지니어링을 구현하는 Viva 라디칼 처리 시스템이다.
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.
옹스트롬 수준의 3D 트렌치 프로파일 제어, Sym3 Z Magnum 식각 시스템
이어 소개한 제품은 향상된 플라즈마 제어로 옹스트롬 수준의 3D 트렌치 구현하는 Sym3 Z Magnum 식각 시스템이다.
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.
마이클 추지크(Michael Chuzik) 반도체 기술 부사장
기존 텅스텐 콘택트를 몰리브덴으로 교체, Spectral ALD 시스템
마지막으로 선택적 몰리브덴 증착으로 콘택트 저항을 감소시키는 새로운 Spectral ALD 시스템이다.
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.
박광선 어플라이드 머티어리얼즈 코리아 대표
마이클 추지크 반도체 기술 부사장은 “몰리브덴 성장은 정말 까다로운 기술이기도 하다. 그래서 다양한 화학적인 원칙과 공정 설계 툴 뿐만 아니라 챔버 설계에 이르기까지 다양한 요인들이 복합적으로 적용된다. 이러한 기술적인 역량을 통해 단결정 몰리브덴 증착이라는 결과물을 얻어낼 수가 있었다”고 말했다.
그는 이어, “Spectral ALD 시스템은 2나노 이하 공정 관련하여, 대부분의 주요 제조사 OEM에서 기술 평가 최종 단계에 있어 곧 도입될 예정이며, Viva 라디칼 처리 시스템은 로직 이외에 다양한 분야에서 적용되고 있다. D램의 실리콘 평탄화, CMOS 등의 적용 사례들 볼 수가 있다. 지금 활발하게 전면 배치가 이루어지고 있고, 이 장비를 이용해 다양한 제품들을 개발, 제조하는 사례들이 더욱더 많이 등장할 것으로 전망하고 있다”고 말했다.
케빈 모라스 반도체 제품 마케팅 부사장 또한 “기존 재료들을 보면 구리가 가장 많고, 그 다음이 텅스텐이다. 구리 배선에서는 어플라이드가 정말 오랜 기간 리더십을 가져왔고 아직도 성장 중에 있다”며, “3D 낸드에서도 일부는 텅스텐으로, 또 일부는 새로운 재료로 교체하는 트렌드이다. 로직에서도 확실하게 이점이 입증된 영역에서는 몰리브덴으로 교체하고 있다. 아직까지는 구리 배선 시장이 확실하게 크지만 몰리브덴은 3D 낸드에서 활용도가 더 크지 않을까 생각한다”고 말했다.
이들 임원들은, 새로운 장비를 개발하는데 인공지능 기술도 많이 활용하느냐는 기자의 질문에도 적극 화답했다.
케빈 모라스 부사장은 “AI 기술을 정말 대대적으로 활용을 하고 있다. 우선 설계 가속화 부분에 활용하고 있다. 물리 기반 설계 모델링을 많이 활용해 왔다. 두 번째로 공정 개발에도 많이 활용하고 있다. AI가 크게 인기를 끌기 전에도 우리는 액셔너블 인사이트 액셀러레이터(AIx™)라는 것을 발표했다. 방대한 양의 데이터에서 무엇이 가장 중요한 데이터인지를 식별한다”고 말헀다.
어플라이드 측은 AIx를 통해 엔지니어는 반도체 공정을 실시간으로 파악하고, 웨이퍼 및 개별 칩에 대해 수백 만 회에 걸쳐 계측하며, 수천 개의 공정 변수를 최적화하여 반도체 성능, 전력, 면적-비용 및 출시 소요 기간(PPACt™)을 개선한다.
마이클 추지크 반도체 기술 부사장도 “장비 개발 과정에서의 AI 활용 뿐만 아니라 현장에 장비가 도입될 때에도 AI를 활용하고 있다. 고객사들을 위한 측정 유지 보수 등에도 AI를 많이 활용하고 있다”고 덧붙였다.
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