GAA 트랜지스터 핵심 구조 정밀 제어… 전력 효율·칩 성능 향상 지원
어플라이드 머티어리얼즈가 최첨단 로직 칩의 가장 미세한 구조를 형성하기 위한 두 가지 새로운 칩 제조 시스템을 발표했다. 업체 측에 따르면, 이번 기술은 원자 수준의 정밀도로 소재 증착을 제어해 칩 제조사가 AI 인프라 확대에 맞춰 더 빠르고 전력 효율적인 트랜지스터를 대규모로 생산할 수 있도록 지원한다.
AI 컴퓨팅 수요 급증에 따라 반도체 산업은 프로세서 칩에 집적된 수천억 개 트랜지스터에서 높은 에너지 효율 성능을 끌어내기 위해 스케일링 한계에 도전하고 있다. 이 같은 과제에 대응해 전 세계 선도적인 로직 칩 제조사들은 2나노 이하 공정에서 새로운 GAA(게이트올어라운드) 트랜지스터를 도입하고 있다.
GAA 전환은 동일 전력에서 훨씬 높은 성능을 구현하지만 성능 향상을 위한 공정 복잡도는 크게 증가한다. GAA 트랜지스터 내부의 복잡한 3D 구조를 형성하려면 500개 이상의 공정 단계가 필요하며, 이 중 상당수는 개별 원자 크기에 근접하는 허용 오차 내에서 소재를 정밀하고 반복 가능하게 제어·증착하는 새로운 방식을 요구한다.
어플라이드 머티어리얼즈는 이 같은 GAA 트랜지스터의 복잡한 구조 형성을 위해 새로운 증착 시스템 2종을 공개했다. 새 기술은 첨단 칩의 성능과 전력 효율에 큰 영향을 미치는 금속과 절연 유전체를 정밀하게 증착하는 데 초점을 맞췄다.
프라부 라자(Prabu Raja) 어플라이드 머티어리얼즈 반도체 제품 그룹 사장은 “반도체 산업은 기존 리소그래피 기반 스케일링만으로는 한계에 이른 시점에 진입하고 있다”며, “옹스트롬급 첨단 로직 노드에서는 성능과 전력 효율이 소재 혁신에 의해 결정된다”고 말했다. 이어 “새로운 증착 시스템은 고객이 AI 컴퓨팅 로드맵의 핵심이 되는 트랜지스터 기술 전환을 실현하도록 지원할 것”이라고 밝혔다.
이번에 공개된 첫 번째 시스템은 ‘Producer Precision 선택적 질화막 PECVD 시스템’이다. 이 장비는 GAA 트랜지스터에서 인접 소자를 전기적으로 분리하는 STI(얕은 트렌치 절연) 구조의 무결성을 유지하도록 설계됐다.
최근 개발 중인 차세대 AI GPU는 우표 크기 면적에 3000억 개 이상의 트랜지스터를 집적할 것으로 예상된다. 이처럼 고집적 환경에서는 적절한 절연이 이뤄지지 않을 경우 전자가 인접 트랜지스터로 확산돼 기생 커패시턴스를 유발하고, 이로 인해 신호 속도 저하와 전력 손실이 발생할 수 있다.
Precision 선택적 질화막 PECVD 시스템은 업계 최초의 선택적 바텀업 증착 공정을 통해 트렌치 내 필요한 위치에만 실리콘 질화막을 형성한다. 이를 통해 이후 공정 단계에서 STI 소재가 손상되거나 리세스되는 현상을 줄이고, 트렌치의 형상과 높이를 유지해 일관된 전기적 특성과 낮은 누설 특성을 확보할 수 있도록 했다. 회사 측은 이 기술이 기생 커패시턴스를 줄이고 전체 소자 성능을 높이는 데 기여한다고 설명했다. 현재 선도적인 로직 칩 제조사들이 2나노 이하 GAA 공정 노드에 해당 시스템을 채택하고 있다고 밝혔다.
두 번째 시스템은 ‘Endura Trillium ALD 시스템’이다. 이 장비는 GAA 트랜지스터의 메탈 게이트 스택을 원자 수준 균일도로 형성하기 위해 개발됐다.
GAA 트랜지스터의 게이트 스택은 약 10나노미터 간격으로 배치된 여러 개의 수평 나노시트를 완전히 감싸야 한다. 이 과정에서 게이트 스택의 간극이나 불균일이 발생하면 트랜지스터의 스위칭 특성이 흔들리며, 칩 성능과 전력 소모, 신뢰성, 수율에 부정적 영향을 줄 수 있다.
Trillium ALD 시스템은 여러 금속 증착 단계를 단일 플랫폼에 통합한 IMS(통합 재료 솔루션) 구조를 적용했다. 이를 통해 칩 제조사는 다양한 트랜지스터의 임계 전압을 보다 유연하게 조정할 수 있다. 또한 초고진공 환경에서 실리콘 나노시트 사이 극미세 공간에 금속을 정밀하게 증착할 수 있도록 설계돼, GAA 구조에 필요한 더 얇은 일함수 금속과 다이폴 소재 구현을 지원한다.
어플라이드 머티어리얼즈는 Trillium ALD 시스템이 첨단 GAA 트랜지스터에 필요한 튜닝 유연성과 신뢰성을 제공하는 동시에 트랜지스터 성능과 전력 효율, 신뢰성을 높일 수 있다고 설명했다. 이 시스템 역시 선도적인 로직 칩 제조사들이 2나노 이하 GAA 공정 노드에서 채택하고 있다고 밝혔다.
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