어플라이드, 2나노 성능 향상 비결 공개..."AI 칩 에너지 효율 1만배 개선"

케빈 모라스(Kevin Moraes) 반도체 제품 마케팅 부사장 [사진: 석대건 기자]

[디지털투데이 석대건 기자] 어플라이드 머티어리얼즈(이하 어플라이드)가 2나노 이하 공정에서 GAA(게이트올어라운드) 트랜지스터 성능과 에너지 효율을 높이는 재료 혁신 기술을 공개했다. 어플라이드는 12일 서울에서 'AI 성능 가속화를 위한 재료 혁신 미디어 간담회'를 열고 옹스트롬 단위 재료과학 기반 차세대 GAA 트랜지스터 성능 향상 기술을 최초로 공개했다.

케빈 모라스(Kevin Moraes) 어플라이드 반도체 제품 마케팅 부사장은 AI 성장에 따른 에너지 효율 개선 필요성을 강조했다. 모라스 부사장은 "지난 15년간 에너지 효율은 1만배 개선됐으며, 향후 15년간도 또 1만배 개선이 필요하다"며 "GAA와 백사이드 파워는 작동 전압을 낮추고 누설을 줄이며 전력 공급 회로를 단축해 훨씬 더 에너지 효율적인 로직 소자를 만들 수 있다"고 설명했다.

어플라이드가 이번 간담회에서 강조한 기술은 GAA 트랜지스터 나노시트의 원자 수준 정밀 처리다. 나노시트는 폭이 몇 나노미터에 불과한 초박막 실리콘으로 만들어지며, 각각이 전하가 이동하는 효율적인 경로로 기능할 수 있도록 물리적 특성이 매우 정밀하게 정의돼야 한다.

여기서 나노시트의 표면 상태는 원자 수준의 거칠기나 오염만으로도 전기적 특성과 전체 칩 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있기 때문에 중요성이 높다. 깨끗하고 균일도 높은 나노시트 표면은 채널 내 전자 이동도를 극적으로 향상시켜 트랜지스터가 얼마나 빠르게 켜지고 꺼지는지 결정하는 핵심 역할을 수행하게 된다.

이날 어플라이드는 이 트랜지스터 나노시트를 원자 수준으로 정밀 처리하는 '비바(Viva)' 라디칼 처리 시스템, 옹스트롬 수준의 3D 트렌치 형성을 구현하는 '심3 Z 매그넘(Sym3 Z Magnum)' 식각 시스템, 기존 텅스텐을 몰리브덴으로 대체해 콘택트 저항을 최대 15% 낮추는 '스펙트럼(Spectral)' ALD 시스템을 공개했다.

어플라이드에 따르면 이번에 공개된 시스템들은 현재 다수의 선도적인 파운드리·로직 제조사들이 사용 중이다. 라자 사장은 "새로운 시스템들이 함께 발휘하는 효과는 GAA 공정 전환으로 얻는 에너지 효율 향상에서 매우 중요한 비중을 차지한다"고 강조했다.

◆나노시트 표면 정밀 처리부터 저항 감소까지…2나노 경쟁에 핵심 장비 3종 공개

비바 라디칼 처리 시스템은 나노시트 표면의 옹스트롬 수준 정밀 엔지니어링을 구현한다. 초순수 라디칼 종(Species)을 생성하는 특허 받은 전달 아키텍처가 핵심이다. 이 기술은 어플라이드의 원격 플라즈마 소스와 기타 하드웨어 혁신을 통해 표면 구조를 손상시킬 수 있는 고에너지 하전 이온(Charged Ions)을 걸러낸다.

농축된 중성 라디칼은 부드럽고 손상 없는 처리 환경을 조성해 깊게 매립된 트랜지스터 구조에서 균일한 표면 처리를 가능하게 한다. 이미 업계 로직 칩 제조사는 2나노 이하 공정 노드의 첨단 엔지니어링을 위해 비바 시스템을 채택하고 있다고 어플라이드는 밝혔다.

심3 Z 매그넘 식각 시스템은 2세대 펄스 전압 기술(PVT2)을 도입했다. PVT2는 이온 방향성과 웨이퍼 인접 플라즈마 제어 간의 기존 트레이드오프를 제거하고 독립적인 이온 각도 및 이온 에너지 조정을 가능하도록 지원한다. 이를 통해 훨씬 더 정교하게 제어된 이온 궤적을 웨이퍼 표면으로 직접 전달하게 된다. 현재 2나노 로직 제조의 기준 장비 지위를 확보하고 전 세계적으로 250개 이상의 챔버가 현장에 설치됐다고 회사는 설명했다.

센트리스 스펙트럴(Centris Spectral) 몰리브덴 ALD(원자층증착) 시스템은 단결정 몰리브덴을 선택적으로 증착해 기존 텅스텐 시스템 대비 핵심 콘택트 저항을 최대 15%까지 감소시킨다.

2나노 이하 스케일링에서는 각 트랜지스터를 배선 네트워크에 연결하는 미세 금속 콘택트가 점점 더 얇아지면서 칩 전체 저항을 높이는 주요 요인이이었다. 이때문에 기존 텅스텐 콘택트는 나노스케일 차원에서 전자 전도 효율이 저하됐다. 이에 어플라이드는 몰리브덴을 활용해 더 얇은 두께에서도 효율적인 전자 흐름을 유지할 수 있다고 설명했다.

프라부 라자(Prabu Raja) 어플라이드 반도체 제품 그룹(SPG) 사장은 "AI의 빠른 발전은 컴퓨팅 성능을 한계까지 끌어올리고, 컴퓨팅 혁신은 트랜지스터에서 시작된다"며 "옹스트롬 시대에 발맞춰 어플라이드는 에너지 효율 컴퓨팅을 강화하는 재료 공학 혁신을 제공하고 있다"고 말했다.

이어 "이번에 발표한 시스템들은 주요 트랜지스터 및 배선 분야의 주요 혁신을 주도해 온 어플라이드의 오랜 리더십을 확장하는 동시에, 고객들이 AI의 발전 속도에 맞춰 로드맵을 가속화할 수 있도록 돕는다"고 강조했다.