전 세계 첨단 반도체 및 디스플레이를 위한 재료공학 솔루션 선도 기업 어플라이드 머티어리얼즈가 차세대 AI 시대를 이끌 첨단 3D 칩 아키텍처 구현을 지원하는 신규 반도체 제조 시스템 라인업을 공개했다.

AI 컴퓨팅은 모델 규모 확대와 데이터 처리량 증가로 인해 대역폭, 메모리 용량, 에너지 효율 향상 속도가 수요를 따라가지 못하는 이른바 '메모리 장벽(Memory Wall)'에 직면하고 있다. 이에 따라 HBM(고대역폭메모리)과 3D 적층 기술을 비롯한 첨단 패키징 아키텍처 도입이 빠르게 확대되고 있다. 이러한 기술은 대역폭과 효율을 크게 향상시키지만 동시에 제조 공정의 복잡성도 한층 높이고 있다. 어플라이드는 첨단 패키징, 공정 제어, D램 전반에 걸친 재료공학 포트폴리오를 기반으로 이러한 산업전환을 지원하며, 각 분야에서 기술 리더십을 확장해 고객이 차세대 AI 칩을 더 빠르고 높은 수율로 양산할 수 있도록 돕고 있다.

첨단 패키징은 온칩(on-chip) 트랜지스터 스케일링만큼이나 컴퓨팅 산업의 전략적 핵심 요소로 부상했다. 최신 AI 서버용 칩은 여러 다이(die)를 하나의 패키지에 통합해 수조 개의 트랜지스터를 집적하며, D램 칩을 수직으로 쌓아 올린 뒤 실리콘관통전극(TSV)으로 연결하는 HBM이 대표적 사례다. 어플라이드는 첨단 패키징 공정 장비 분야 선도 기업으로서 TSV, 구리 필러, 마이크로범프 형성에 필요한 재료공학 공정 전반을 아우르는 포트폴리오를 보유하고 있으며, 이번에 공개한 장비 3종은 첨단 패키징의 가장 중요한 공정 단계를 겨냥한다.

먼저 화학기계연마(CMP) 분야 리더십을 바탕으로 첨단 패키징 전용으로 설계된 '옵타 쿼드(Opta Quad) CMP 플랫폼'을 선보였다. 첨단 패키징은 박막 두께가 두껍고 연마 시간이 길며 오차 허용 범위가 좁아 불균일성이나 수율 손실 위험이 크다. 옵타 쿼드는 연마 중 웨이퍼 상태를 지속적으로 모니터링하고 실시간 동적 제어를 통해 웨이퍼 내 균일성과 총 두께 편차(TTV) 제어 능력을 개선하며, 이는 두 칩의 구리 배선과 유전막을 한 번에 결합하는 차세대 적층 기술 '하이브리드 본딩'에서 높은 수율을 확보하는 데 특히 중요하다.

3D 스택이 확장될수록 인터커넥트가 고르지 못하면 층 간 빈 공간이 생겨 안정적 접촉이 어려워지는 만큼, 웨이퍼 전체에 걸친 TSV와 마이크로범프의 수평도 확보가 적층 수율의 핵심 과제로 꼽힌다. '노코타 브이맥스(Nokota Vmax) 2 전기화학증착(ECD) 시스템'은 TSV 충전부터 마이크로범프 형성과 같은 미세 피치 인터커넥트까지 차세대 패키징 전반에서 고정밀 구리 도금을 구현한다. 적응형 패턴 튜닝(APT) 기술로 회로 레이아웃에 따른 편차를 보정하고 전기장을 동적으로 제어해 웨이퍼 전반의 도금 균일성을 높였다.

하나의 스택에 더 많은 레이어를 집적하기 위해 HBM 다이는 표준 웨이퍼 두께의 약 25분의 1 수준으로 가공되며 이 과정에서 휨이나 변형이 발생하기 쉽고, 이는 레이어가 쌓일수록 누적돼 본딩 불량과 수율 저하로 이어진다. '프로듀서 아빌라(Producer Avila) 2 플라즈마화학기상증착(PECVD) 시스템'은 TSV 주변에 내부 응력의 균형을 맞춘 유전막을 증착해 초박형 D램 다이의 기계적 안정성을 개선하며, 12단, 16단은 물론 향후 고적층 HBM의 안정적 적층을 가능하게 한다. HBM 외에도 다양한 첨단 메모리 및 로직 집적 공정에도 활용할 수 있다.

프라부 라자(Prabu Raja) 어플라이드 머티어리얼즈 반도체 제품 그룹(SPG) 사장은 "첨단 패키징은 시스템 수준의 성능을 이끄는 핵심 동력이다. 차세대 3D 아키텍처의 복잡성으로 인해 모든 공정 단계에서 새로운 수준의 정밀도가 요구된다"며 "유전막 CVD, ECD, CMP 분야에서의 어플라이드 리더십과 깊이 있는 공정 통합 전문성은 고객이 3D 적층 구조를 안정적이면서도 높은 수율로 확장하는 데 핵심적인 기반이 될 것"이라고 말했다.

첨단 패키징 팹은 과거 웨이퍼 팹의 전유물이던 결함 및 계측 과제에 직면해 있다. 피처 치수가 광학 검사 장비의 분해능 한계 이하로 작아졌고, 대형 범프에서 허용되던 파티클이 이제는 수율에 치명적 영향을 미치며, 단 하나의 결함으로도 HBM 스택 전체가 폐기될 수 있어 공정 제어가 전략적 핵심 과제로 떠올랐다. 이에 어플라이드는 다양한 기판 형태와 재료를 처리하도록 설계된 첨단 패키징 전용 전자빔(eBeam) 시스템 2종을 새롭게 선보였다.

임계 치수 계측을 위한 '베리티셈(VeritySEM) 7AP'는 HBM 및 칩렛 아키텍처에서 흔히 발생하는 두껍고 이종 재료가 혼재된 기판, 심하게 휜 기판에서도 피처를 정밀하게 측정하며 기존 광학 장비 대비 수십에서 수백 배 우수한 10나노 이하의 측정 감도를 제공한다. 업계 선도적인 전자빔 결함 리뷰 플랫폼 '셈비전(SEMVision) G7AP'는 실리콘, 유기물, 유리 기판 전반에서 고해상도 결함 리뷰와 자동 분류를 구현해 고객이 심각한 결함과 단순 노이즈 신호를 신속히 구분하도록 지원한다. 대량 양산 첨단 패키징을 지원하는 선도 메모리 및 로직 제조사가 이미 이를 도입했다.

키스 웰스(Keith Wells) 어플라이드 머티어리얼즈 이미징 및 공정 제어 그룹 부사장은 "어플라이드는 수십 년간 전자빔 기술 분야를 선도해 왔다. 첨단 패키징 구조가 광학 장비의 해상도 한계를 넘어 더욱 미세해짐에 따라, 패키징 팹에서도 결함을 정확하게 감지하고 분류할 수 있는 전자빔급 정밀도를 필요로 한다"고 설명했다.

에피택시 기술은 오랫동안 첨단 로직 반도체 분야에서 활용돼 트랜지스터 채널 내 결정 구조를 정밀하게 성장시켜 기하학적 스케일링만으로는 얻기 어려운 성능 향상을 이끌어왔으며, 이제는 D램 주변부 트랜지스터에서도 핵심 기술로 자리 잡고 있다. 어플라이드는 10여 년 전 '센츄라 프라임(Centura Prime)' 에피 시스템으로 트랜지스터 채널 내 실리콘 게르마늄(SiGe) 에피택시 공정을 개척한 바 있으며, 이번에 업그레이드된 시스템은 소스·드레인 영역에 도핑된 SiGe 및 실리콘 인(SiP)을 선택적으로 성장시켜 첨단 변형 엔지니어링과 정밀 도핑 제어 기술을 결합했다. 이를 통해 구동 전류와 트랜지스터 효율을 높여 HBM 및 차세대 DDR의 대역폭 수요를 충족하는 더 빠르고 전력 효율적인 D램 구동을 가능하게 하며, 장비 면적을 기존 대비 20% 줄여 D램 팹 내 장비 집적도를 높이고 생산 능력 확장 속도를 가속화한다.

한편 어플라이드 머티어리얼즈는 전 세계 최신 반도체와 첨단 디스플레이의 기반이 되는 재료공학 솔루션 분야 선도 기업으로, 인공지능(AI)의 발전을 이끌고 차세대 반도체 칩의 상용화를 가속화하는 핵심 기술을 보유하고 있다. 글로벌 메모리·로직 제조사를 고객으로 둔 어플라이드는 과학과 공학의 한계를 뛰어넘는 재료 혁신을 지속적으로 선보이고 있다.

헬로티 김재황 기자 |