움푹 파인 길 위에서 세계 최고의 스포츠카를 운전한다고 상상해보자. 아무리 강력한 엔진이라도 도로 표면이 울퉁불퉁하면 엔진 성능을 온전히 속도로 발휘하는데 한계가 있다. 

오늘날 최첨단 AI 칩도 마찬가지다. 최첨단 공정 노드에서 칩 제조사들은 사람 머리카락 굵기의 약 1만분의 1에 불과한 공간에 다섯 가지 서로 다른 재료를 집적하고 있다. 이 같은 초미세 환경에서는 원자 수준의 미세한 요철도 전자에 큰 장애물로 작용해 신호 전달 속도를 늦추고 저항을 높이며 에너지 효율을 저하시킨다. 이런 이유로 재료 공학은 그 어느 때보다 중요해졌다.

재료 개질의 부상

재료 개질(Materials Modification)은 오래전부터 반도체 제조의 핵심 축을 담당해 왔으며, AI 시대에 접어들면서 그 중요성은 더욱 커지고 있다. 현재 이 분야는 증착 이후 표면과 계면을 정밀하게 조건화하는 첨단 처리 기술에 대한 칩 제조사들의 수요에 힘입어 수십억 달러 규모의 재료 공학 세그먼트로 성장했으며, 어플라이드 머티어리얼즈는 이 분야를 선도하고 있다. 프로듀서 비바(Producer® Viva™)는 나노스케일 환경을 위해 설계된 어플라이드의 라디칼(Radical) 처리 솔루션으로 대규모 양산에서도 원자 단위의 정밀한 칩 엔지니어링을 지원한다.

Viva는 어플라이드의 고처리량 Producer 플랫폼을 기반으로 하며, 초청정 환경에서 정밀하게 제어된 열과 부드러운 화학적 라디칼을 결합한다. 대량 양산을 위해 설계된 다수의 트윈 웨이퍼 챔버는 FEOL(Front-End of Line)과 BEOL(Back-End of Line) 애플리케이션 모두에서 효율적이고 비용 효과적인 처리를 제공한다.

차세대 트랜지스터 구현

Viva의 가장 주목할 만한 응용 분야 중 하나는 GAA(게이트올어라운드) 트랜지스터로, 이는 FinFET의 뒤를 잇는 차세대 아키텍처다. GAA 소자는 더 높은 성능과 낮은 전력 소비를 실현하지만, 그만큼 훨씬 높은 수준의 재료 정밀도를 요구한다.

GAA 트랜지스터는 매우 매끄럽고 깨끗하게 유지되어야 하는 초박막 실리콘 나노시트로 구성된다. 옹스트롬 수준의 거칠기나 잔류물만으로도 계면 결함이 증가해 전자를 가두고 전류 흐름을 저하시킬 수 있다. 기존의 표면처리 방법은 매우 높은 온도나 공격적인 공정을 필요로 한다. 그러나 과도한 열은 섬세한 GAA 층을 손상시키거나 실리콘 채널 깊숙이 불순물이 확산되게 할 수 있으며, 공격적인 처리는 전류가 흐르는 채널에서 실리콘을 과도하게 제거할 위험이 있다.

Viva는 특허받은 라디칼 기반 방식으로 이러한 과제를 해결한다. 웨이퍼에 순수한 수소 라디칼만을 전달하고 플라즈마 손상을 일으킬 수 있는 고에너지 이온을 걸러낸다. 라디칼은 실리콘 내부로 흡수되어 표면 에너지를 낮춘다(장력을 낮추는 것과 유사한 원리). 이를 통해 계면의 원자들이 이동하고 재배열되어 더욱 매끄러운 구조를 형성하는데, 이는 마치 천을 부드럽게 해서 주름을 쉽게 다릴 수 있도록 하는 것과 같다.

특히 주목할 점은 Viva는 약 150°C에서 650°C 사이 넓은 온도 범위에서 저열 예산(low thermal budget)을 처리하는 동시에 필요에 따라 고온 처리까지 유연하게 대응할 수 있다는 점이다. 균일하고 손상 없는 평탄화로 깨끗하고 결함 없는 계면과 더욱 정밀한 전기적 제어를 실현한다. 이러한 성과들이 합쳐져 주요 칩 제조사들의 더 빠르고 에너지 효율적인 GAA 트랜지스터 구현을 견인하고 있다.

첨단 배선에서의 저항 감소

Viva는 또한 첨단 노드의 칩 배선에서도 핵심적인 역할을 한다. 구리는 수많은 미세한 결정립(crystal grain)으로 구성돼 있는데, 결정립이 맞닿는 경계면 ‘그레인 바운더리(grain boundary)’에서 전자가 산란되며 마치 과속 방지턱에 부딪힌 것처럼 속도를 잃게 된다. 배선이 가늘어질수록 결정립 크기는 더 작아지고 그레인 바운더리는 늘어나 저항이 증가한다. 이처럼 좁아진 배선에서 신뢰성을 유지하기 위해 망간(manganese) 등의 도핑 물질을 소량 첨가하는데, 이러한 도펀트(dopant) 역시 정교하게 설계되지 않으면 오히려 저항을 높일 수 있다.

Viva는 증착 직후 구리를 처리해 두 가지 과제를 동시에 해결하고 성능을 최적화한다. 수소 라디칼은 더 큰 구리 결정립 성장을 촉진해 결정립계를 줄이고 전기 흐름을 개선하는 동시에 망간을 구리 표면으로 이동시켜 신뢰성을 높여 도펀트가 벌크 금속 내부에 남아 저항을 높이는 현상을 방지한다.

Viva는 정밀한 열처리(thermal anneal)를 추가로 적용해 도펀트 분리와 결정립 성장을 더욱 촉진한다. 어플라이드 엔듀라(Endura®) 플랫폼의 구리 증착 공정과 공동 최적화할 경우 Viva는 2nm 이하 공정에서 구리 저항을 30% 이상 감소시켜 전체 칩 성능의 실질적인 향상을 이끌어낸다.

로직을 넘어 메모리까지 확장

Viva는 최첨단 파운드리/로직 분야에서 강력한 채택을 보이고 있으며, 유연한 아키텍처를 바탕으로 메모리 분야에서도 높은 활용 가치를 발휘한다. DRAM 소자 구조가 점점 로직과 유사해지고 배선이 집약되면서 동일한 재료 문제들이 전면에 부상하고 있어 첨단 재료 개질의 필요성이 커지고 있다.

차세대 메모리와 로직설계를 지원할 수 있는 최적의 위치에 있는 Viva는, 칩 제조사들이 세계 최고 수준의 칩이 잠재력을 온전히 발휘할 수 있도록 '더 매끄러운 길'을 만드는 데 기여하며, 처리 솔루션 분야에서 어플라이드드의 업계 리더십을 더욱 확장하고 있다.