이번 「세미콘 웨스트 98」은 차세대 반도체 제조기술과 이에 대응한 각종 첨단 장비의 개발상황을 한눈에 비교, 확인해 볼 수 있는 최대 규모의 반도체 장비 및 재료 전시회였다. 특히 지난해부터 반도체 장비 분야의 최대 이슈로 작용해온 3백㎜ 웨이퍼 관련기술과 환경대응장비, 그리고 최근 각광받기 시작한 저유전체(Low k Dielectrics)박막 및 구리칩 제조기술은 차세대 반도체 장비 시장을 이끌 첨단 기술로 집중적인 조명을 받았다. 이러한 첨단 반도체 장비 제조기술을 주요 이슈별로 점검해 본다.
<편집자>
지난해 IBM이 세계 최초로 발표한 구리칩은 현재 반도체 회로 합성물로 사용되고 있는 알루미늄을 대신해 구리를 실리콘 표면에 부착시킴으로써 기존 알루미늄칩에 비해 40%가량 향상된 신호전송 능력과 전력 소모량을 획기적으로 줄인 차세대용 칩이다.
특히 구리칩은 빠른 처리속도와 저전력 소모를 요구하는 디지털신호처리칩(DSP), 마이크로프로세서 등과 같은 각종 IC제조에 폭넓게 사용될 수 있고 반도체 제조비용도 현재보다 30%가량 절감할 수 있는 장점을 지녀 이러한 구리칩 제조기술은 세계 주요 반도체업체 사이에 빠르게 확산될 것이라는 게 반도체 전문가들의 분석이다.
이를 반영하듯 IBM에 이어 미국 TI도 구리에 특수 절연물질인 크세로겔을 결합시킨 형태의 새로운 구리칩 제조기술을 개발하고 현재 이의 본격적인 양산을 준비중이다.
이러한 구리칩 제조공정의 등장은 칩의 집적도가 높아질수록 트랜지스터 사이를 연결하는 회선이 성능향상의 관건이 되는데 구리회선 자체는 저항을 줄이는 효과는 있지만 정전용량 효과라는 또 다른 문제를 해결하는 데는 적합치 못해 성능향상에 한계가 있기 때문이다.
이에 대해 TI측 구리칩 개발자들은 현재까지 가장 낮은 유전상수를 갖는 것으로 알려진 크세로겔을 구리와 결합, 회선을 구성하는 기술을 통해 이같은 문제를 해결할 수 있으며 이 기술을 사용해 앞으로 0.1미크론 미세회로 구성이 가능해져 하나의 칩에 5억개 이상의 트랜지스터를 집적시키고 기가헤르츠(G㎐)대의 성능을 갖는 칩의 개발이 가능해질 것이라고 주장한다.
또 다른 구리칩 개발업체인 모토롤러의 헥터루이스 반도체부문 사장도 『구리칩은 단지 컴퓨터의 성능을 향상시키는 데 그치는 것이 아니라 개인 디지털 단말기나 셀룰러폰 등의 고성능 컴퓨팅 능력을 부여함으로써 새로운 시장기회를 제공하게 될 것』이라고 말한 바 있다. 이처럼 IBM, 모토롤러, TI 등과 같은 세계 주요 반도체업체들이 구리칩 제조 관련기술을 잇따라 개발하고 이의 본격적인 양산준비에 착수함에 따라 어플라이드, 노벨러스 등 주요 반도체 장비업체들도 구리칩 제조장비의 개발 및 출시에 앞다퉈 나서고 있다.
하지만 구리칩 제조공정이 실제 양산라인에 도입되기 위해서는 몇가지 극복해야 할 장애가 있다.
우선 구리공정에서만 특이하게 발생하는 프로세스상의 문제를 해결할 수 있고 동시에 실제 양산라인에 직접 적용할 수 있는 새로운 강력한 공정장비가 필요하다는 점이다.
다시 말해 회로선폭이 0.13미크론 미만이고 가로, 세로비가 5대1 이상인 연결구조에 구리를 얼마나 신뢰성 있게 채워넣느냐 하는 문제다. 그리고 구리를 완벽하게 저장하는 배리어층과 매우 좁고 깊은 구조에 구리를 채울 수 있도록 하는 시드(Seed)층을 도포시키기 위한 적절한 기술도 필요하다.
따라서 이러한 공정기술상의 여러가지 문제점을 극복할 수 있는 새로운 반도체 장비가 개발되지 않는 한 구리칩 제조기술이 실제 양산라인에 적용되기는 사실상 힘든 상황이다. 이런 가운데 화학증착(CVD)장비 전문업체인 미국 노벨러스가 구리칩을 제조하기 위한 각종 장비와 프로세스 관련기술을 하나로 묶은 구리 증착(Deposition)용 공정 솔루션인 「다마스커스」를 이번 세미콘 행사에 출품해 이 분야의 빠른 기술적 진보를 확인시켜 주었다.
노벨러스가 선보인 다마스커스는 매우 좁은 기하학적 구조와 높은 가로, 세로비를 가진 IC구조에 새로운 반도체 회로 증착 물질인 구리를 균일하게 도포하고 평탄화시킬 수 있도록 한 새로운 증착 솔루션이다.
이러한 종합적인 구리 제조공정 지원을 위해 다마스커스는 노벨러스가 자체 개발한 구리용 CVD장비인 「사브레」와 물리증착(PVD)장비인 「인노바」, 그리고 램리서치사의 이중산화막 에칭장비인 「4520XLE」와 IPEC의 구리 CMP 「아반트가드」 등 총 11개의 관련장비 및 프로세스 기술을 포함하고 있다.
이 가운데 사브레는 구리 배선을 빈틈없이 채워주는 새로운 CVD시스템이며 인노바는 구리 배선회로에 필수적인 배리어와 시드막을 증착시키는 PVD장비다. 이와 함께 노벨러스는 0.18미크론 이하의 미세공정 작업시 구리 상호연결(Interconnect) 구조로의 전환에 따른 장비호환 및 공정통합상의 문제를 해결하기 위해 에처장비 업체인 램리서치와 CMP 전문업체인 IPEC 등과도 기술 제휴키로 하는 등 이 분야 시장에 대한 강한 개척의지를 내비쳤다.
특히 이 회사의 존 채널트 부사장은 『구리칩 제조공정은 비메모리뿐 아니라 고집적 메모리 제품의 양산에도 적용 가능한 기술로 삼성, 현대, LG 등 한국의 메모리 반도체 생산업체들도 2백56MD램 양산에서부터는 이 기술을 적극 채용할 계획인 것으로 안다』고 밝혀 이러한 구리칩 제조기술은 메모리 반도체 장비시장에도 큰 영향을 줄 것으로 예상된다.
세계 최대 장비업체인 어플라이드머티리얼스도 구리 배선공정 전반에 관한 토털 솔루션을 제공한다는 기본전략 아래 시드 레이어(Seed Layer)로부터 증착, 에칭, 패터닝에 이르는 통합적인 공정을 수행할 수 있는 새로운 장비의 개발을 현재 추진중이다.
특히 이 회사가 지난해 업계 최초로 출시한 「Endura Electra Cu」 제품은 구리 배선회로에 필수적인 배리어와 시드막을 증착시키는 장비로 미국 및 일본지역 반도체회사에 이미 공급돼 사용중이다.
고성능 마이크로프로세서 및 논리소자의 생산에 적합한 이 장비는 어플라이드의 「Endura HP/VHP」 플랫폼과 새로운 일렉트라 IMP(Ion Metal Plasma)기술을 결합한 것으로 0.25미크론 이하의 소자세대에까지 대응 가능하다.
IMP기술은 구리를 얇게 증착하는 통합된 공정을 수행하며 우수한 단차피복성으로 인해 각종 PVD 및 CVD공정에 널리 사용되는 최첨단 기술이다.
이와 함께 어플라이드는 최근 미국 반도체 관련기술 단체인 세마테크(SEMATECH)와 공동으로 자사 「Mirra CMP」 장비를 구리 배선공정에 적용하기 위한 장비특성 평가작업에 착수했다.
이를 통해 이 회사는 구리 배선용 CMP공정을 위해 관련장비의 패드구성과 슬러리의 용도를 다양화하고 다중 플래튼(Platen) 설계 및 첨단 연마헤드에 기반을 둔 자사 CMP장비의 유연성을 더욱 보강시켜 나갈 계획이다.
또한 어플라이드는 구리 제조공정에서 저유전상수(Low k) 물질을 식각하는 데 필요한 새로운 공정장비의 개발을 위해 세마테크와 공동 프로젝트도 진행중이다.
향후 개발될 이 장비는 현재의 일반적인 산화막보다 더 큰 전기절연성을 제공, 저유전체박막을 형성할 수 있게 함으로써 소자 생산업체가 더 촘촘하게 회로를 구성할 수 있도록 할 방침이라고 어플라이드측은 설명했다.
특히 어플라이드는 이번 전시회 기간에도 구리 장비 분야의 홍보를 위해 관련 전문가들을 전시부스에 계속 상주시키며 주요 고객과 언론을 상대로 연일 설명회를 개최하는 등 향후 구리시장에 대응한 첨단 장비의 개발일정을 전세계에 알리는 데 주력했다.
이러한 세계 주요 장비업계의 다양한 노력에 힘입어 올해 하반기 이후 발표될 차세대 칩의 상당 부분은 구리칩 형태가 될 것으로 보이며 이에 따른 장비 업체들의 구리칩 제조개발 및 출시도 본격화할 전망이다.