어플라이드머티어리얼즈(AMAT)가 2나노(nm) 로직 노드 이하로 구리 배선 스케일링을 지원해 컴퓨터 시스템 와트당 성능을 높이는 재료공학 혁신 기술을 발표했다.

최첨단 로직 칩에는 수백억개 트랜지스터가 96km 이상의 미세한 구리 배선으로 연결돼 있다. 칩 배선의 각 레이어는 구리로 채워진 채널을 만들기 위해 식각된 유전체 박막으로 시작된다. 

최근 반도체 업계가 2나노 이하로 스케일링함에 따라 절연체가 얇아지면서 칩이 물리적으로 약해졌고, 구리 배선의 폭이 좁아지면 전기 저항이 크게 증가해 칩 성능이 저하되고 전력 소비량은 늘어난다.

AMAT의 ‘블랙 다이아몬드(Black Diamond)’ 소재는 전력 소비를 높이고 신호 간 간섭을 초래하는 전하의 축적을 낮추기 위해 낮은 유전상수 또는 유전율(k-value) 박막으로 구리 배선을 감싸는 방식을 적용한다.

AMAT는 프로듀서(Producer) 블랙 다이아몬드 PECVD 신제품군을 공개하며 “신소재는 최소 유전율을 낮춰 2나노 이하의 스케일링을 지원한다. 반도체 제조사 및 시스템 업체가 3D 로직과 메모리 적층의 차원을 높이는데 있어 매우 중요해진 향상된 기계적 강성을 제공하는 것”이라고 강조했다.

반도체 제조사들은 칩 배선 스케일링을 위해 로우k 박막의 각 층을 식각해 트렌치를 생성하고, 구리가 칩으로 유입돼 수율 문제를 초래하는 것을 방지하는 배리어 층을 증착한다. 이 배리어는 최종 증착 공정 중 접착력을 보장하는 라이너로 코팅 처리된다.

반도체 제조사들이 배선을 추가로 스케일링함에 따라 배리어와 라이너가 배선에서 차지하는 부피의 비율이 높아진 상황에서 남은 공간에 공극(void) 발생 없는 저저항 구리 배선을 생성하는 것은 물리적으로 불가능하다.

AMAT는 “반도체 제조사들이 구리 배선을 2나노 노드 이하로 스케일링할 수 있도록 6개 기술을 하나의 고진공 시스템에 조합한 최신 통합 재료 솔루션(IMS)으로 이를 해결할 수 있다”고 설명했다.

업계 최초 루테늄과 코발트(RuCo)의 이원(binary) 금속 조합은 라이너의 두께를 최대 33%인 2나노까지 축소하고, 공극 없는 구리 리플로(reflow)를 위한 표면 물성을 개선하면서 전기 배선 저항을 최대 25%까지 낮춰 칩 성능과 전력 소비를 개선할 수 있다는 설명이다.

볼타 루테늄 CVD 기술이 적용된 AMAT의 새로운 ‘엔듀라 쿠퍼 배리어 씨드 IMS(Endura Copper Barrier Seed IMS)’는 모든 선도 로직 반도체 제조사가 채택해 3나노로 출하를 시작했다.

프라부 라자 AMAT 반도체 제품그룹 사장은 “AI 시대에는 에너지 효율이 높은 컴퓨팅이 요구되고 성능 및 전력 소비에서 칩 배선과 적층이 매우 중요하다”며, “이번에 공개한 최신 통합 재료 솔루션은 반도체 업계가 저저항 구리 배선을 옹스트롬(Angstrom) 노드로 스케일링 할 수 있도록 지원한다”고 말했다.