급격히 고도화되는 AI 모델이 무어의 법칙을 앞지르면서, 이제 칩 내부의 배선(wiring)이 성능을 얼마나 더 높일 수 있는지 좌우하고 있다. 

BEOL(Back-End-of-Line) 인터커넥트부터 첨단 패키징의 수직 연결에 이르기까지, 배선 스택 전반에는 수십억 개의 트랜지스터 사이로 데이터와 신호를 전달하는 정교한 네트워크가 촘촘히 자리하고 있다. 이러한 배선은 연산 코어 자체만큼이나 시스템의 속도와 에너지 효율을 좌우하는 핵심 요소이기 때문에, 그 잠재력을 최대한 끌어내기 위해서는 고성능과 확장성을 동시에 충족하는 소재가 필요하다.

지난 약 30년간 구리는 탁월한 전기 전도성, 검증된 제조 양산성, 그리고 첨단 아키텍처 및 패키징과의 높은 호환성을 바탕으로 이러한 요구를 충족해 왔다.

나노 스케일로의 확장, 한계에 도전
AI의 끝없는 성능 요구가 칩을 더욱 미세한 노드로 이끌면서, 배선 또한 트랜지스터의 발전 속도에 맞춰 지속적으로 스케일링되어 왔다. 그 결과 오늘날의 AI 프로세서에서는 구리 배선이 20개 이상의 층을 따라 총 수백 마일에 달하는 길이로 이어지며, 일부 배선은 사람 머리카락 굵기의 수만 분의 1 수준까지 얇아졌다.

이처럼 미세한 치수에서는 새로운 난제가 나타났다. 저항은 커지고 신뢰성 유지는 까다로워지며 배리어는 극도의 균형이 요구된다. 구리를 위한 공간을 확보할 수 있을 만큼 충분히 얇으면서도, 공정 실패를 방지할 만큼 충분히 견고해야 한다.  

이러한 한계로 인해 인터커넥트는 이제 칩 성능을 좌우하는 핵심 병목 요인으로 작용하고 있다. 이러한 제약이 웨이퍼 공정에만 국한되지 않고, 첨단 패키징과 3D 집적을 통해 인터커넥트 복잡성을 더하고 있다.  

첨단 AI 프로세서에서는 배선이 전체 지연과 전력 소모의 최대 80%를 차지하고 있으며, 이러한 상황에서는 비교적 작은 개선만으로도 처리량(throughput), 지연 시간(latency), 전반적인 성능에서 상당한 효과를 이끌어낼 수 있다. 이는 어플라이드 머티어리얼즈가 수십 년간 주도해 온 혁신의 영역이다.

30년 이어온 스케일링 리더십

1997년, 어플라이드 머티어리얼즈는 초고진공(Ultra-high-vacuum, UHV) 환경에서 라이너와 배리어 증착을 하나로 결합한 Endura™ Copper Barrier Seed(CuBS) 시스템을 선보이며, 견고한 구리 인터커넥트 기반을 구축했습니다. 1997년, 어플라이드 머티어리얼즈는 초고진공(Ultra-high-vacuum, UHV) 환경에서 라이너와 배리어 증착을 하나로 결합한 Endura™ Copper Barrier Seed(CuBS) 시스템을 선보이며, 견고한 구리 인터커넥트 기반을 구축했다. 이후 CuBS장비는 변화하는 칩 아키텍처 요구에 한 발 앞서 대응하기 위해, 지속적이고 단계적인 혁신을 이어왔다.

Endura™ CuBS II(2004), CuBS RFX PVD(2009), CuBS RF XT PVD(2012) 등 여러 세대 모델을 거치며, 물리적 기상 증착(PVD) 기술을 고도화해 더 얇은 배리어와 향상된 시드(Seed) 연속성을 구현했다. 그 결과 구리 볼륨을 확대하고 저항을 낮추는 동시에, 공극 없는 채움(void-free fill)을 가능케하는 균일한 층 형성을 구현할 수 있었다.

재료와 공정의 공동 최적화를 이어온 어플라이드는 2021년 Endura™ Copper Barrier Seed IMS™ 시스템을 선보였다. 통합 재료 솔루션(IMS) 기술은 PVD, CVD, 선택적 ALD 등 여러 공정 계열을 단일 플랫폼에 통합해, 진공 상태에서 공정들을 연계함으로써 라이너와 배리어의 무결성을 유지하고 전자마이그레이션(electromigration)을 효과적으로 억제하여 안정적인 구리 채움(fill)을 확보했다.  

이 기반 위에서, 2024년 바이너리 라이너(binary liner)를 도입해 가장 미세한 배선에서 높은 구리 볼륨을 확보하고 저항을 낮췄으며, 상부 배선층에서는 이전 세대에서 축적된 CuBS 기술 역량을 지속적으로 활용하고 있다.

오늘날 Endura™ 금속화 플랫폼은 표면 엔지니어링(surface engineering), ALD, CVD, PVD 등 상호 긴밀히 연계된 다수의 진공 공정을 하나의 흐름으로 통합했다. 이를 통해, 2nm 이후 노드에서도 탁월한 인터커넥트 성능을 구현하고, 옹스트롬(angstrom) 시대로 나아가는 길을 열고 있다.

지난 30년 동안 전 세계에서 생산된 거의 모든 구리 기반 반도체 칩에는 Endura™ 시스템이 활용되어 왔으며, 이는 반도체 기술 발전에 있어 Endura™의 지속적인 역할을 보여주는 상징적인 결과이다.

첨단 패키징의 새로운 배선 혁신에 대응하는 재료 공학

어플라이드 머티어리얼즈는 나노 스케일 BEOL (Back-End-of-Line) 배선뿐 아니라, 수직 연결과 고밀도 배선을 요구하는 첨단 패키징 전반에서도 구리의 혁신을 이어가고 있다. 3D 배선의 도전에 대응하기 위해, 어플라이드는 극한 종횡비의 TSV(Through-Silicon Via, 실리콘 관통 전극)을 구현할 수 있는 Endura™ Ventura™ PVD 시스템을 개발했다.

Ventura™는 기존 배선 대비 최대 10배 더 깊은 구조에서도 균일한 시드 층을 형성해, 일관된 딥 피처(deep-feature)의 도금을 구현했다. 이를 통해 저항과 결함 위험을 줄였고 TSV 공정의 비용 효율성을 높여 이종(heterogeneous) 시스템의 확장성을 지원했다. 

패키징 복잡성이 증가함에 따라 어플라이드의 구리 배선 기술은 적층 메모리, 인터포저, 칩렛 전반에 걸쳐 미세 피치(fine-pitch)와 고대역폭(high-bandwidth) 구조를 지원하는 방향으로 확장되고 있다.

차세대 시스템을 이끄는 혁신 지속

트랜지스터 아키텍처가 평면 구조에서 FinFET, 그리고 게이트-올-어라운드(GAA)로 진화하고 첨단 패키징의 배선에 대한 요구가 높아지면서, 어플라이드의 구리 배선 혁신은 더 빠르고 에너지 효율적인 시스템을 구현하는 핵심 요소로 자리잡고 있다.있습니다. 물론, 성능이 배선에 의해서만 결정되는 것은 아니다.아닙니다. 트랜지스터와 배선 스택을 연결하는 콘택트(contact) 역시 중요한 역할을 하며, 콘택트의 혁신은 첨단 구리 배선의 효과를 증폭시킬 수 있다. 증폭시킵니다.