어플라이드 머티어리얼즈, 3D 칩 스케일링 위한 증착 및 선택적 식각 시스템 공개

전 세계 첨단 반도체 및 디스플레이를 위한 재료 공학 솔루션 선도 기업 어플라이드 머티어리얼즈(www.appliedmaterials.com/ko)가 첨단 반도체 제조 과정에서 새롭게 떠오른 문제를 해결하는 새로운 칩 제조 시스템 2종을 발표했다.

3D 칩 스케일링 위한 증착 및 선택적 식각 시스템 2종. Centris™ Spectral™(센트리스 스펙트럴) SiN 원자층증착(ALD) 시스템과 Producer™ Selectra™(프로듀서 셀렉트라) 몰리브덴 식각 시스템

더 깊고 좁아지는 3D 구조에서 정밀한 공정 구현은 어려워지고 있다. 칩 제조사는 어플라이드의 새로운 증착 및 식각 시스템을 통해 로직과 메모리의 스케일링을 확장해 차세대 AI 칩에 필요한 더 높은 성능과 향상된 에너지 효율, 개선된 제조 수율을 달성할 수 있다.

AI 컴퓨팅의 급증은 게이트올어라운드(GAA) 트랜지스터, 고적층 3D 낸드를 비롯한 첨단 3D 디바이스 아키텍처로의 전환을 가속화한다. 이러한 수직 구조에서 피처(feature)가 깊고 좁아질수록 기존 증착 및 식각 공정으로는 재료를 상부에서 하부까지 균일하게 분포시키기 어렵다. 이는 전기적 성능을 저하시키고 수율을 떨어뜨리는 편차로 이어진다.

어플라이드는 이를 해결하기 위해 Centris™ Spectral™(센트리스 스펙트럴) SiN 원자층증착(ALD) 시스템과 Producer™ Selectra™(프로듀서 셀렉트라) 몰리브덴 식각 시스템을 공개했다. 두 시스템을 활용해 칩 제조사는 고종횡비 구조에서 유전체 박막 증착과 금속 제거를 모두 정밀하게 제어 가능하다. 첨단 노드에서 한층 균일한 재료 공학을 구현해 로직과 메모리 애플리케이션 전반에서 향상된 디바이스 성능, 더 정밀한 공정 제어, 개선된 양산 적합성을 기반으로 지속적인 3D 스케일링을 실현할 수 있다.

프라부 라자(Prabu Raja) 어플라이드 머티어리얼즈 반도체 제품 그룹(SPG) 사장은 “AI 컴퓨팅의 한계를 확장해 나가는 과정에서 가장 큰 혁신의 기회는 재료 공학에 있다”며 “트랜지스터 구조부터 메모리 스택에 이르기까지 칩 제조사는 극도로 복잡한 3D 아키텍처에서 물질을 정밀하게 증착하고 선택적으로 제거할 새로운 방법을 찾고 있다. 어플라이드는 최신 증착 및 선택적 식각 시스템을 통해 고객이 핵심적인 스케일링 과제를 극복하고 로직·메모리 분야의 차세대 혁신을 가속화할 차별화된 역량을 제공한다”고 말했다.

Centris Spectral SiN 원자층증착, 까다로운 3D 구조에서 균일한 증착 구현

실리콘 질화막(SiN)은 표면 패시베이션(Passivation), 유전체 절연, 패터닝 스페이서 형성 등 칩 제조 공정의 다양한 단계에서 사용되는 핵심 재료다. 이러한 박막은 인접한 피처를 보호하기 위해 저온에서 증착되고, 가혹한 후속 공정 단계를 견딜 수 있는 화학적 견고성을 갖춰야 한다.

기존 플라즈마 강화 증착 방식은 첨단 3D 칩 아키텍처의 고종횡비 구조에 균일한 막을 형성하기 어려워, SiN 박막 품질 저하로 이어지기도 했다. Centris Spectral SiN 원자층증착 시스템은 혁신적인 고밀도 마이크로파 플라즈마 기술로 한계를 극복한다. 높고 좁은 구조 내부에 고품질 SiN을 증착하는 동시에 기존 방식의 한계였던 플라즈마 밀도와 이온 유발 손상 간의 상충 관계를 최소화한다. 이를 통해 까다로운 3D 구조에서도 치밀하고 균일한 저온 SiN 증착을 구현한다.

이 시스템은 D램과 로직 디바이스 전반에 지속적인 스케일링을 가능하게 하는 다양한 애플리케이션을 갖췄다. 예를 들어 GAA 트랜지스터의 경우 트랜지스터 콘택트를 위한 고품질 라이너를 형성하는 데 활용돼 핵심 계면에서의 저항과 정전용량(Capacitance)을 낮춤으로써 한층 빠른 디바이스 성능을 구현한다.

Centris Spectral SiN 원자층증착 시스템은 어플라이드의 새로운 Spectral ALD 플랫폼 기반의 최신 시스템이다. Spectral 원자층증착 플랫폼은 정밀한 화학물질 전달 기능을 갖춘 최첨단 쿼드 반응기(Quad reactor) 설계, 다양한 플라즈마 및 열처리 역량, 시분할(temporal) 및 공간 분할(spatial) 원자층증착 작동을 모두 지원하는 특수 하드웨어를 특징으로 한다. 이 원자층증착 툴 시리즈는 첨단 AI 칩 구현에 필요한 다양한 첨단 박막 형성 역량을 제공한다.

Spectral SiN 원자층증착 시스템은 현재 선도적인 칩 제조사들이 도입하고 있다.

Producer Selectra 몰리브덴 식각 시스템, 선택적 금속 제거로 3D 낸드 스케일링 지원

3D 낸드 적층 수가 높아짐에 따라 새로운 금속 집적 공정은 기존 패터닝 방식의 한계를 넘어서고 있다. 전기적 단락을 방지하고 불필요한 정전용량을 줄이기 위해 개별 워드라인 간 정밀한 분리 공정이 요구되며, 워드라인 배선 공정에 몰리브덴(Mo) 같은 저저항 금속이 도입되고 있다. 기존에는 워드라인 분리는 습식 식각 공정을 통해 이뤄졌지만, 오늘날의 높은 3D 적층 구조에서는 액상 화학물질이 고종횡비 구조의 전체 깊이까지 도달하기 어렵다. 이로 인해 상부에 식각이 집중되는 ‘탑헤비(Top-heavy)’ 프로파일이 발생해 디바이스 성능과 수율, 확장성이 제한된다.

Producer Selectra 몰리브덴 식각 시스템은 새로운 선택적 금속 제거 역량으로 전체 적층 구조에 정밀하고 균일한 워드라인 분리를 가능하게 한다. 정교한 공정 제어와 첨단 가스 공급 기술을 활용해 기존 습식 식각의 한계를 극복하고, 깊은 구조 내부에서도 우수한 상하부 균일성과 정밀한 프로파일 제어를 구현한다.

이 시스템은 3D 낸드 적층 구조 내 셀 간 편차를 줄여 누설 전류를 낮추고 데이터 보존성을 개선한다. 이미 대량 양산(HVM) 환경에서 검증을 마친 Selectra 몰리브덴 식각 시스템은 선택적 금속 식각의 새로운 기준을 제시하며, 차세대 3D 낸드의 지속적인 스케일링을 위해 습식 공정에서 건식 공정으로 전환할 발판을 마련했다. 신규 시스템은 유전체 및 실리콘 공정을 넘어 첨단 금속 집적 분야로 Selectra 포트폴리오를 확장하며 낸드와 D램, 파운드리-로직 전반에서 새로운 기회를 창출한다.