AI 시대의 도래와 함께 반도체 기술의 혁신이 가속화되고 있어요. 전 세계 첨단 반도체 제조 장비 선도 기업인 어플라이드 머티어리얼즈가 AI 컴퓨팅 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 차세대 반도체 제조 장비들을 공개했습니다.
이번에 발표된 신제품들은 단순히 새로운 장비를 내놓은 것이 아니라, AI 칩 개발 경쟁의 핵심 영역을 정확히 겨냥한 전략적 솔루션들이에요. GAA(게이트올어라운드) 트랜지스터를 포함한 최첨단 로직, HBM(고대역폭메모리)을 포함한 고성능 D램, 그리고 칩 성능과 전력 효율을 동시에 최적화하는 고집적 '시스템 인 패키지(SiP)' 구현을 위한 첨단 패키징까지, AI 칩 개발에 필수적인 세 분야를 모두 아우르는 포괄적인 접근이죠.
프라부 라자 어플라이드 머티어리얼즈 반도체 제품 그룹 사장은 "칩이 더욱 복잡해짐에 따라 AI 확장에 필요한 성능과 전력 효율 개선을 위한 재료 공학 혁신에 주력하고 있다"며, 고객사와의 긴밀한 협력을 통해 기술 로드맵을 가속화하고 있다고 밝혔어요.
**혁신적인 Kinex 본딩 시스템의 등장**
오늘날의 첨단 GPU와 고성능 컴퓨팅(HPC) 칩들은 성능과 전력 효율을 최적화하기 위해 여러 칩렛을 하나의 복잡한 시스템으로 결합하는 첨단 패키징 방식을 사용해요. 이 과정에서 핵심 기술이 바로 하이브리드 본딩인데, 구리와 구리를 직접 접합하는 새로운 칩 적층 기술로 성능 향상과 전력 및 비용 절감을 동시에 실현할 수 있습니다.
하지만 칩 패키징이 점점 복잡해지면서 양산 과정에서 하이브리드 본딩의 난이도가 높아지고 있어요. 이런 문제를 해결하기 위해 어플라이드 머티어리얼즈는 베시(Besi)와 협력해 업계 최초의 다이 투 웨이퍼(die-to-wafer) 하이브리드 본더 통합 시스템인 'Kinex 본딩 시스템'을 개발했습니다.
Kinex 시스템의 가장 큰 특징은 하이브리드 본딩 공정의 핵심 단계를 모두 하나의 시스템에 통합했다는 점이에요. 이를 통해 우수한 다이 레벨 트레이싱으로 복잡한 멀티 다이 패키지를 효율적으로 관리하고, 고정밀 본딩과 청정 환경으로 더 작은 인터커넥트 피치를 구현할 수 있게 됐습니다. 특히 공정 단계 간 대기 시간을 정밀하게 제어해 본딩 일관성과 품질을 크게 향상시켰어요.
**2나노 이하 공정을 위한 Centura Xtera 에피 시스템**
최첨단 GAA 트랜지스터의 성능과 신뢰성을 좌우하는 핵심 요소 중 하나가 바로 트랜지스터 채널을 형성하는 소스와 드레인 구조예요. 이 구조는 에피택시(epi) 공정으로 깊은 트렌치에 물질을 정밀하게 증착해서 만드는데, 기존 에피 기술로는 3D GAA 트랜지스터의 고종횡비 소스/드레인 트렌치를 균일하게 채우기가 어려워 보이드(void) 발생이나 불균일한 성장이 문제가 되고 있었습니다.
이런 기술적 한계를 극복하기 위해 개발된 것이 'Centura Xtera 에피 시스템'이에요. 이 시스템의 가장 혁신적인 부분은 통합 프리클린(pre-clean) 및 식각 공정을 포함하는 독특한 저용량 챔버 구조를 갖췄다는 점입니다. 이를 통해 기존 에피 대비 가스 사용량을 50%나 줄이면서도 보이드 없는 완벽한 GAA 소스-드레인 구조를 구현할 수 있게 됐어요.
Xtera 시스템의 증착-식각 공정은 정말 혁신적인데, 트렌치 측벽과 바닥에 재료가 성장할 때 트렌치 개방 영역을 지속적으로 조정합니다. 이런 정교한 제어를 통해 웨이퍼의 수십억 개 트랜지스터에서 에피 성장을 최적화하고 셀 간 균일성을 40% 이상 향상시킬 수 있어요.
**차세대 전자빔 계측의 새로운 표준, PROVision 10**
복잡한 3D 칩의 수율을 개선하기 위해서는 정밀한 계측 기술이 필수적이에요. 이를 위해 개발된 PROVision 10은 GAA 트랜지스터 및 후면 전력 전달 아키텍처를 포함한 첨단 로직 칩은 물론, 차세대 D램과 3D 낸드 칩을 위해 특별 제작된 최첨단 전자빔 계측 시스템입니다.
PROVision 10의 가장 놀라운 특징은 업계 최초로 냉전계 방출(CFE) 기술을 적용했다는 점이에요. 기존 열전계 방출(TFE) 기술과 비교하면 나노스케일 이미지 해상도를 최대 50% 높이고 이미징 속도를 최대 10배까지 빠르게 할 수 있습니다. 이는 반도체 계측 분야에서 정말 혁신적인 발전이라고 할 수 있어요.
이 시스템의 나노미터 이하 이미징 기능은 3D 칩의 여러 층을 투과해서 통합 다층 이미지를 구현할 수 있어요. 기존 광학 시스템의 한계를 뛰어넘어 디바이스에서 직접 오버레이를 측정하고 정밀한 임계 치수(CD)를 계측할 수 있게 됐습니다.
키스 웰스 어플라이드 머티어리얼즈 이미징 및 공정 제어 그룹 부사장은 "로직과 메모리에서 3D 아키텍처 사용이 증가함에 따라 광학 기술의 한계를 시험하는 새로운 계측 과제가 생기고 있다"며, "고처리량 환경에서도 3D 아키텍처의 깊은 영역까지 이미지 해상도를 향상시켜 전자빔 리더십을 강화했다"고 설명했어요.
**AI 시대, 반도체 기술 혁신의 의미**
이번에 공개된 세 가지 시스템은 모두 현재 다수의 최첨단 로직 및 메모리 칩 제조사들이 실제로 사용하고 있어요. 이는 단순히 연구 개발 단계의 기술이 아니라, 실제 양산에 적용 가능한 검증된 솔루션이라는 의미입니다.
특히 AI 컴퓨팅의 급속한 발전으로 인해 반도체 성능에 대한 요구사항이 계속 높아지고 있는 상황에서, 이런 혁신적인 제조 장비의 등장은 반도체 산업 전체의 기술 발전을 가속화할 것으로 예상돼요. 2나노 이하 공정의 상용화, HBM 같은 고성능 메모리의 대중화, 그리고 더욱 복잡하고 효율적인 패키징 기술의 발전 등이 현실화될 수 있을 거예요.
결국 이런 기술 혁신들이 우리 일상생활에서 사용하는 스마트폰, 노트북, 그리고 다양한 AI 서비스들의 성능 향상으로 이어질 것이라는 점에서 더욱 의미가 크다고 생각해요. AI 시대의 반도체 기술 경쟁이 어떻게 전개될지, 그리고 이것이 우리의 디지털 생활에 어떤 변화를 가져올지 정말 기대가 됩니다.
📎 관련 링크
- 어플라이드 머티어리얼즈 공식 홈페이지: http://www.appliedmaterials.com/ko
