ALD 몰리브덴으로 여는 차세대 콘택트 스케일링 시대
2026년 3월 12일
이 글은 어플라이드 머티어리얼즈 ALD 및 MDP 글로벌 제품 매니저 제보 첸(Zhebo Chen)이 작성했습니다.
고성능 레이스카가 꽉 막힌 도로에 갇힌 장면을 상상해 보자. 엔진이 아무리 강력해도 도로의 정체 상황이 속도를 결정한다. 오늘날 AI 칩 내부에서도 이와 같은 현상이 벌어지고 있다. 각 트랜지스터와 상부 배선을 연결하는 미세한 금속 브릿지인 콘택트가 전자의 흐름을 가로막는 병목 구간이 되어 신호 전달 속도를 좌우하고 있다.
모든 신호가 반드시 콘택트를 통과해야 하기 때문에 이 작은 구조가 성능과 전력 효율에 미치는 영향은 실로 막대하다. 반도체 산업이 2나노 시대를 넘어 진화함에 따라 적합한 콘택트 재료를 선택하고 증착과 집적 공정을 완벽하게 구현하는 것은 차세대 성능 도약을 위한 필수 과제가 되었다.
텅스텐의 진화: 통합 라이너/배리어에서 선택적 텅스텐까지
수많은 세대에 걸쳐 칩 제조사들은 텅스텐(W)을 주요 콘택트 금속으로 사용해 왔다. 1998년 어플라이드는 프리클린, 물리기상증착(PVD), 화학기상증착(CVD)을 단일 고진공 플랫폼에 통합한 Endura™(엔듀라) 통합 라이너/배리어(Liner/Barrier, iLB) 시스템을 도입해 저저항 텅스텐 콘택트를 구현했다. 이후 Endura iLB 시스템에 원자층증착(ALD)을 추가하여 보다 균일한 질화티타늄(TiN) 배리어 커버리지를 확보함으로써 첨단 노드에서 텅스텐의 적용 범위를 확장했다.
업계가 FinFET으로 전환함에 따라 콘택트 크기는 급격히 축소됐다. 반면 배리어층은 이에 비례하여 얇아지지 못했고, 결과적으로 전도성 금속이 차지하는 부피가 줄어들면서 저항이 상승했다. 어플라이드는 더 얇은 텅스텐-카바이드(Tungsten-carbide) 라이너와 일부 구조에서의 코발트 채움 등 재료 혁신으로 대응하여 금속 용량을 회복하고 스케일링을 연장했다.
그럼에도 콘택트가 7나노 노드에 근접함에 따라 획기적인 변화가 필요해졌다. 2020년 어플라이드는 특수 표면 전처리와 고청정 진공 환경에서의 바텀업(bottom-up) 텅스텐 성장을 결합한 Endura™ Volta™(엔듀라 볼타) 선택적 텅스텐 CVD 시스템을 선보였다. 이를 통해 배리어 없이 트랜지스터 위에 텅스텐을 직접 증착할 수 있게 되었고, 전도성 금속의 채움 효율을 극대화했다. 그 결과 초기 비아(via) 공정 도입 시 기존 텅스텐 대비 콘택트 저항을 40% 이상 낮추는 성과를 거뒀다. Endura™ Ioniq™(엔듀라 아이오닉) 텅스텐 IMS 시스템은 높은 커버리지의 텅스텐 PVD를 통해 칩 제조사들이 견고한 순금속 텅스텐 콘택트를 형성할 수 있도록 성능을 한층 끌어올렸다. 이러한 일련의 혁신을 통해 선택적 텅스텐은 2나노 시대에 이르기까지 확고한 업계 표준으로 자리잡았다.
콘택트 스케일링의 한계와 새로운 재료의 등장
AI 수요가 급증하면서 단위 면적당 더 많은 트랜지스터를 집적해야 하는 요구가 콘택트 공정에 새로운 부담이 되고 있다. 소자가 미세화됨에 따라 콘택트도 함께 축소되어야 하며, 이러한 미세한 구조는 스케일링이 근본적인 물리적 한계에 부딪히게 하는 첫번째 관문이 되고 있다. 극도로 좁아진 공간에서 전자는 측벽과 훨씬 빈번하게 충돌하게 되며, 이러한 산란 현상은 저항을 급격히 상승시킨다.
어플라이드는 일찍이 텅스텐의 물리적 한계를 파악하고 차세대 솔루션을 준비해 왔다. 바로 몰리브덴(Mo)을 콘택트 스케일링의 차세대 재료로 포지셔닝한 것이다. 몰리브덴은 측벽 산란에 대한 민감도가 낮아 소자 치수가 미세해져도 텅스텐보다 낮은 비저항을 유지할 수 있다. 실제 첨단 테스트 구조에서 어플라이드의 선택적 몰리브덴 기술은 선택적 텅스텐 대비 콘택트 저항을 약 15% 낮추는 것으로 나타났다. 수십억 개의 콘택트에 이 기술을 적용하면 저항 감소는 시스템 수준에서의 유의미한 속도 향상과 효율 개선으로 이어진다.
돌파구: Centris™ Spectral™ 몰리브덴 ALD로 몰리브덴 양산 스케일링 실현
몰리브덴은 재료적 이점이 분명하지만 이를 실제 공정에 구현하기 위해서는 초청정 계면 확보, 하부 격자와의 정밀한 원자 수준 정렬, 패턴 밀도와 형상, 그리고 표면 조건이 각기 다른 수십억 개의 피처(feature) 전 영역에서의 끊김 없는 결정립 성장(grain propagation)을 구현하는 것이 필수적이다. 이 상호 의존적인 요건들은 수년간 업계의 진전을 가로막아 왔다.
이러한 복잡한 난제를 해결하기 위해서는 깊이 있는 재료 전문성이 필수적이며, 이는 어플라이드가 독보적인 역량을 발휘하는 분야다. Spectral™(스펙트럴) ALD 시스템은 검증된 Centris™(센트리스) 메인프레임을 기반으로 한 새로운 원자층증착 장비 시리즈의 첫 번째 제품이다. Spectral ALD는 특수 하드웨어와 통합 공정 역량을 결합하여 몰리브덴의 대량 양산을 가능하게 한다. 20년 이상 축적한 선택적 재료 공학 리더십을 바탕으로 바텀업 단결정 몰리브덴 성장에 필요한 원자 수준의 정밀 제어를 구현한다. 이미 다수의 고객사에 첨단 로직 생산용으로 출하된 Spectral ALD는 몰리브덴 콘택트 양산에 나설 수 있는 확실한 경로를 제공한다.
AI 워크로드가 급증하고 공정 노드가 나노스케일의 한계에 진입함에 따라, 콘택트 저항 저감은 속도와 에너지 효율을 개선하는 가장 효과적인 수단 가운데 하나로 자리잡았다. 어플라이드는 선택적 몰리브덴의 재료를 활용하여 집적 난제를 해결하고 차세대 콘택트 스케일링을 실현하며 반도체 업계가 옹스트롬 시대로 진입하는 데 힘을 싣고 있다.