세계 최대 반도체 장비 업체인 미국 어플라이드머티어리얼즈(AMAT)가 초미세 공정을 겨냥한 신장비를 개발했다. 반도체소자(트랜지스터)에 외부 전력을 공급하는 금속 배선을 더욱 정교하게 제작해 전력효율을 크게 개선했다. 이미 대만 TSMC와 삼성전자를 비롯한 파운드리(반도체 위탁생산) 업체를 고객사로 확보했다. 내년 2㎚(나노미터) 공정 양산과 함께 활용도가 높아질 것으로 기대된다.
AMAT코리아는 14일 서울 강남구 세바시X데마코홀에서 '차세대 칩 배선 혁신'을 주제로 기자간담회를 열고 최근 시장에 내놓은 '엔듀라 쿠퍼 배리어 시드 IMS' 장비와 저유전율(로k) 절연체인 '향상된 블랙다이아몬드(EBD)'를 소개했다. 칩 내부의 구리 배선 공정을 혁신해 에너지 효율을 개선한 신기술이다.
금속 배선은 반도체소자들을 연결하고 전원을 연결하는 역할을 한다. 반도체 집적도를 높이기 위해 소자의 크기가 점점 작아지면서, 이들을 제어하기 위한 구리 배선도 얇아지는 추세다. 문제는 구리 배선이 작아지면서 저항이 커지고, 여러 배선 간 간격도 가까워지며 간섭현상이 발생하는 등 기술적 난제가 대두됐다는 점이다.
구리 배선을 형성할 때는 먼저 웨이퍼(반도체원판)에 만들어진 소자층 위에 얇은 절연체층을 증착한 다음 절연체 박막을 식각해 구리를 채울 홈(트렌치)을 만든다. 이후에는 화학적인 안정성을 위한 배리어층과 구리와 배리어 간 접착력을 보장하기 위한 라이너층을 각각 증착한다. 이후 트렌치 내부를 구리로 채우는 리플로 공정을 거쳐 배선이 최종 형성된다. 절연체를 깎아낸 구멍에 바로 구리를 넣는 게 아니라, 안정성을 위해 배리어와 라이너를 먼저 만든다.
하지만 반도체소자의 크기가 줄면서 트렌치 역시 좁아졌고, 안정성을 위해 필요한 배리어와 라이너가 트렌치 내부에서 차지하는 비중이 커졌다. 결국 남은 공간에 채워지는 구리 배선이 얇아져 저항이 높아진다. 구리가 트렌치에 충분히 채워지지 않아 발생하는 빈틈(보이드) 때문에 불량이 늘어나는 문제도 발생한다.
AMAT의 엔듀라 장비는 '바이너리(이원) 라이너'를 도입해 이를 해결했다. 기존에 라이너 소재로 쓰던 코발트 외에 루테늄을 함께 사용해 전체 라이너의 두께를 줄였다. 코발트만 사용했을 때 30Å(옹스트롬)이었던 라이너 두께가 바이너리 라이너로 전환하면 20 수준으로 감소한다. 얇아진 라이너층만큼 구리를 더 많이 채울 수 있어 전력효율이 25% 높아진다. 이은기 어플라이드 머티어리얼즈 반도체그룹 공정개발 전무는 "루테늄을 양산에 적용한 최초의 공정"이라고 설명했다.
초미세공정 구현을 위한 금속 배선 공정에서 또 다른 도전과제는 배선 사이 간격을 채우는 절연체다. 배선 간격이 좁아지면 신호간섭과 전력소모가 증가한다. 로k 절연체는 이러한 문제를 해결하기 위해 등장했다. 문제는 유전율이 하락할수록 물리적 강도가 비례해서 약해진다는 점이다. 전공정 이후 후공정을 진행하는 과정에서 절연체가 깨지는 현상이 발생하기 시작했다.
AMAT가 개발한 EBD는 저유전율을 구현하는 동시에 기계적 강성은 기존 블랙다이아몬드 대비 40%가량 늘렸다. 단단하기 때문에 고대역폭메모리(HBM)를 비롯한 3차원(3D) 적층 패키징에서 활용도가 높다.
엔듀라 장비는 삼성전자와 TSMC 등 선단 공정 파운드리 양산에 쓰인다. EBD는 현재 파운드리뿐 아니라 D램 제조사들도 채택했다. 김선정 삼성전자 파운드리개발팀 상무는 "패터닝 발전이 소자의 지속적인 스케일링을 견인하지만 인터커넥트 배선 저항, 정전용량, 신뢰성 등 풀어야 할 과제가 있다"며 "삼성은 이 문제들을 해결하기 위해 스케일링의 이점을 가장 진보된 노드까지 확대하는 다양한 재료공학 혁신을 채택하고 있다"고 말했다. 미위제 TSMC 수석부사장 겸 공동 최고운영책임자(COO)는 "인공지능(AI) 컴퓨팅의 지속가능한 성장을 위해 반도체 업계는 에너지효율적인 성능을 획기적으로 개선해야 한다"며 "인터커넥트 저항을 낮추는 신소재는 다른 혁신과 함께 전반적인 시스템 성능과 전력을 개선하며 반도체 산업에서 중요한 역할을 할 것"이라고 전했다.
삼성전자와 TSMC가 내년부터 본격적인 2㎚ 공정 양산을 준비하는 만큼, 초미세공정 금속 배선 시장에서 AMAT의 기회는 보다 확대될 것으로 전망된다. 삼성전자는 스마트폰용 반도체를 위한 2㎚ 공정을 내년에 선보이고, 이후 AI와 고성능컴퓨팅(HPC), 자동차로 점진적으로 확대할 계획이다. TSMC와 인텔 역시 내년 각각 2㎚와 18Å(1.8㎚) 진입을 예고했다.
이진솔 기자
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