하이브리드 카퍼 본딩 장비 'Kinex'로 칩렛·HBM 적층 경쟁력 강화

GAA 전용 에피 'Xtera', 전력·성능 잡는 보이드 프리 소스·드레인 구현

3D 전자빔 계측 'PROVision 10', 심부·레이어 정합까지 한 번에 진단

허영 어플라이드 머티어리얼즈 하이브리드본딩 기술 디렉터. [사진=배태용 기자]

[디지털데일리 배태용기자] 어플라이드 머티어리얼즈가 AI 반도체 시대를 겨냥해 하이브리드 본딩, 차세대 에피, 3D 전자빔 계측 솔루션을 한꺼번에 꺼내 들었다. 칩렛·HBM·GAA·백사이드 전력망 등으로 복잡해지는 공정을 로직·메모리·패키징 세 축에서 동시에 뚫겠다는 전략이다.

어플라이드는 26일 서울에서 미디어 간담회를 열고 다이-투-웨이퍼 하이브리드 본딩 시스템 'Kinex', 'Centura Xtera' 에피 시스템, 'PROVision 10' 전자빔(e-beam) 계측 장비를 소개했다. 메모리가 AI의 한 축을 담당하는 만큼 한국에서의 성장 여력도 자신감을 드러냈다.

◆ 칩렛·HBM 겨냥 하이브리드 본더 'Kinex'…"칩 400개, 성능 600배 시대 준비"

Kinex는 칩렛·HBM·고밀도 3D 패키지를 겨냥한 다이-투-웨이퍼 하이브리드 카퍼(Cu) 본딩 장비다. 기존 TCB(마이크로 범프) 방식처럼 추가 범프를 세우지 않고 구리 패드와 절연막을 직접 맞붙이는 구조다.

어플라이드에 따르면 하이브리드 카퍼 본딩을 적용하면 단위 면적당 I/O(접속) 개수를 기존 마이크로 범프 대비 10배 이상 늘릴 수 있고 데이터 전송에 쓰이는 전력 소모도 10분의 1 수준으로 줄일 수 있다. 패키지 외형은 크게 키우지 않으면서도 HBM 적층 단수·칩 개수를 극단적으로 늘릴 수 있는 기반이다.

Kinex의 핵심은 '통합성'이다. 플라즈마 활성화, 세정, 표면 처리, 정렬·본딩, 열 어닐링까지 하이브리드 본딩에 필요한 6개 모듈을 한 시스템 안에 묶었다. 기존처럼 라인에 모듈을 따로 깔 경우 본딩 완료까지 10시간 이상이 걸리지만 Kinex에서는 약 1시간 내로 사이클을 줄일 수 있다는 설명이다.

어플라이드 Kinex 본딩 시스템. [사진=어플라이드 머티어리얼즈]

라인 사이를 오가며 파티클이 붙을 위험도 줄고 모듈 간 데이터 연동으로 정렬·본딩 오차를 실시간 보정해 일드 향상 효과도 노릴 수 있다. 연구개발 단계에서는 하루 수십 차례까지 조건을 바꾸며 본딩 테스트를 반복할 수 있어 고객의 타임 투 마켓(Time to Market)을 크게 앞당기는 것이 목표다.

허영 어플라이드 머티어리얼즈 디렉터는 "최근 AI 가속기 내부에는 HBM만 12단 이상 쌓인 칩이 여러 개 들어가 칩 수가 100개를 훌쩍 넘는다"며 "앞으로는 칩이 400개, 성능은 600배까지 올라가는 시스템 인 패키지로 가는 만큼 하이브리드 카퍼 본딩은 선택이 아니라 필수 기술이 될 것"이라고 말했다.

그는 이어 "Kinex 한 대로 본딩에 필요한 공정들을 통합해 큐타임과 파티클 리스크를 줄이고 복잡한 칩 조합도 소프트웨어로 유연하게 관리할 수 있는 점이 큰 강점"이라고 덧붙였다.

◆ GAA·백사이드 겨냥 'Xtera·PROVision 10'…"보이드 없는 에피·심부 결함까지 계측"

'Centura Xtera 에피'는 GAA(게이트올어라운드) 구조 트랜지스터의 소스·드레인 형성을 겨냥한 에피택셜 증착 장비다. 2나노 이하 노드에서 요구되는 고성능·저전력 특성을 맞추기 위해, 트렌치 내부를 보이드 없이 균일하게 채우는 것이 관건이다.

GAA 구조에서는 채널 역할을 하는 나노시트 주변에 서로 다른 재료(결정질 실리콘, 비정질 나이트라이드 등)가 섞여 있어 기존 에피 공정으로는 성장 속도 차이 때문에 빈 공간(보이드)과 셀 간 높이 불균일이 발생하기 쉽다. 이는 곧 성능과 신뢰성 저하로 이어진다.

Xtera는 증착과 식각을 반복하는 사이클릭 에피 공정을 소형 챔버 안에서 구현해, 트렌치 상부가 막히지 않도록 입구를 지속적으로 다듬어 가며 채워 넣는 구조다. 이를 통해 셀 간 유니포미티를 기존 대비 약 40% 개선하고 소스·드레인 영역을 보이드 없이 형성할 수 있다는 설명이다.

챔버 부피를 기존 대비 약 80% 줄여 가스 체류 시간을 줄인 점도 특징이다. 동일 공정 기준으로 가스 사용량은 약 50%, 에너지 사용량은 약 6% 줄고, CO₂ 배출량도 연간 792톤 감소 효과가 있다는 게 회사 측 설명이다.

이두성 어플라이드 머티어리얼즈 매니저는 "웨이퍼 한 장에 수십억 개 트랜지스터가 들어가는 시대에 에피는 성능과 신뢰성을 동시에 좌우하는 가장 큰 레버"라며 "Xtera는 2나노 이후 GAA 세대에서 보이드 없는 소스·드레인을 구현하면서도 가스·에너지 사용을 줄여, 주요 로직·메모리 고객사에서 이미 채택이 진행되고 있다"고 말했다.

장만수 어플라이드 머티어리얼즈 이미징 및 프로세스 제어기술 디렉터. [사진=배태용 기자]

'PROVision 10'은 CF(콜드 필드 에미션) 소스를 사용하는 전자빔 계측 장비다. 고해상도 이미지와 빠른 스캔 속도, 최고 60kV 수준의 고가속 랜딩 에너지를 동시에 구현해, 표면 결함부터 깊은 구조, 층간 정합까지 한 장비로 들여다보는 것이 강점이다.

CF 소스를 적용해 전자빔 직경을 극도로 좁힌 덕분에 기존 TF(열전계) 방식보다 미세한 패턴을 선명하게 구분할 수 있다. 라인 간 미세 쇼트 여부, 크리티컬 디멘전(CD) 편차, 라인 엣지 러프니스(LER) 같은 정보를 정밀하게 추출해 포토·식각 등 어느 공정에서 문제가 발생했는지 역추적하는 데 활용된다.

높은 밝기로 빔 밀도를 끌어올린 결과, 같은 시간에 확보할 수 있는 샘플 수 역시 기존 대비 최대 10배까지 늘었다. 시간당 7000만개 수준의 계측 데이터를 수집해 웨이퍼 전면 분포와 공정 변동성을 통계적으로 분석할 수 있다고 설명했다.

최대 60kV까지 가능한 고가속 랜딩 에너지는 나노시트 채널, GAA 구조 심부, 백사이드 파워 디스트리뷰션 네트워크(PDN) 같은 깊은 구조 분석에 쓰인다. 웨이퍼를 잘라 단면을 보는 기존 방식과 달리, 제품 웨이퍼 그대로에서 소스·드레인 형상 불량, 층간 오버레이 오차 등을 맵 형태로 추출하는 것이 목표다.

장만수 어플라이드 머티어리얼즈 디렉터는 "표면만 보는 정도의 계측으로는 2나노, GAA, 백사이드 PDN 같은 최신 공정을 안정적으로 돌리기 어렵다"며 "PROVision 10은 고해상도·고속 스캔·고가속을 동시에 구현해 공정 어디에서 어떤 문제를 고쳐야 하는지 결정할 수 있을 정도로 풍부한 데이터를 제공하는 것이 차별점"이라고 강조했다.