이 기사는 2024년 10월 14일 14:23 thebell 에 표출된 기사입니다.

반도체 공정 미세화가 계속되는 가운데 3나노미터(nm)를 넘어 2나노 시대가 코앞으로 다가왔다. 삼성전자와 TSMC 등 주요 반도체 위탁생산(파운드리) 기업은 내년부터 2나노 반도체 양산을 예고했다.

대응 차원에서 소재 및 장비 협력사도 발맞춰 관련 제품 개발에 속도를 내고 있다. 세계 최대 반도체 장비업체 어플라이드머티어리얼즈가 대표적이다. 첨단 노드 구현, 전력효율 개선 등을 위한 최신 소재와 장비를 고객에 제공 중이다.

어플라이드는 14일 서울 강남구 세바시X데마코홀에서 기자간담회를 열고 '엔듀라 쿠퍼 배리어 씨드 IMS'와 '블랙 다이아몬드' 신작을 소개했다.


이날 이은기 박막기술 총괄(사진)은 "트랜지스터 재료를 어떻게 바꿀 것인지, 패터닝 사이즈를 어떻게 줄일 것인지 등에 따라 반도체 성능, 수율(완성품 중 양품 비율) 등이 정해진다"며 "어플라이드는 배선 가격과 저항, 정전용량과 전력소비 등 상충되는 항목을 동시에 해결하기 위해 노력 중"이라고 말했다.

반도체는 선폭을 줄일수록 좋다. 선폭은 반도체 회로 내 전기신호 증폭과 스위칭을 담당하는 소자인 트랜지스터 안에 전하가 이동하는 통로(채널) 폭을 나타낸다. 좁아질수록 같은 면적에 더 많은 회로를 그리거나 면적 자체를 축소할 수 있어 성능이나 전력효율을 높일 수 있다. 현재 최선단은 3나노로 내년부터 2나노가 구현되면 또 하나의 반도체 혁신이 이뤄지는 셈이다.

다만 2나노 상용화까지는 장벽이 남아있다. 선폭이 극한의 수준으로 낮아지면서 좁은 공간에 배선, 배리어, 라이너 등을 집적하기가 어려워진 것이다. 배리어는 배선 간 접촉을 막아주는 장벽, 라이너는 증착 공정 중 접착력을 보장하는 역할을 한다.

당초 라이너는 코발트 단일 재료로 이뤄졌다. 어플라이드는 업계 최촐 코발트와 루테늄을 조합해 라이너 두께를 3나노에서 2나노로 줄였다. 이렇게 되면 구리 배선 비중을 늘릴 수 있어 속도 및 효율 개선에 긍정적인 영향을 미친다.

이번에 어플라이드가 소개한 엔듀라 쿠퍼 배리어 씨드 IMS를 통해 코발트·루테늄 조합 소재로 박막을 증착케 한다. 해당 제품에 대해 이 총괄은 "패턴 내 공극이 생기는 보이드를 최소화하고 증착 관련 6공정을 하나의 설비에서 처리할 수 있다"고 설명했다.

삼성전자와 TSMC도 2나노 이하 반도체 양산을 위해 엔듀라 쿠퍼 배리어 씨드 IMS를 활용하는 것으로 전해진다.


김선정 삼성전자 파운드리사업부 상무는 "지속적인 스케일링을 위해 인터커넥트 배선 저항, 정전용량, 신뢰성 등 풀어야 할 과제가 남았다"며 "이들을 해결하기 위해 다양한 재료 공학 혁신을 채택하고 있다"고 이야기했다.

미위제 TSMC 최고운영책임자(COO)는 "인터커넥트 저항을 낮추는 신소재는 다른 혁신과 함께 전반적인 시스템 성능과 전력을 개선하며 반도체 산업에서 중요한 역할을 할 것"이라고 언급했다.

또 다른 이슈는 2나노에 접어들면서 절연체가 얇아지면서 칩이 물리적으로 약해지는 부분이다. 절연체는 전자를 차단하는 임무를 수행한다. 이를 보완하는 것이 블랙 다이아몬드다.

이와 함께 어플라이드는 실리콘, 탄소 등을 섞은 'SiCOH'라는 로우-k 물질을 사용한다. 로우-k 물질은 유전상수가 낮아 신호 전송 속도를 높이고 전력 소모를 높이는데 기여한다.

이 총괄은 "(절연체가 깨지는 것을 방지하기 위해) 유전상수(k)를 낮추고 물성은 높여야 한다"면서 "기존 블랙다이아 몬드를 개선한 제품으로 3차원(3D) 로직 및 메모리 스태킹을 향상시키는데 도움을 주고 있다"고 강조했다. 실제로 주요 로직 및 D램 제조사들은 블랙 다이아몬드를 채택 중인 것으로 파악된다.

그동안 반도체 전면부에 도입됐다면 추후에는 후면부에도 투입될 것으로 관측된다. 더불어 파운드리 업계에 이어 메모리 업계에서도 엔듀라 쿠퍼 배리어 씨드 IMS, 블랙 다이아 몬드를 이용할 전망이다.