반도체의 나라. 대한민국... 미세화 기술의 한계

AI 의 발전으로 반도체에 대한 수요도 폭발하고 있습니다. 반도체는 많이 필요한데, 반도체 성능은 획기적으로 발전하지 못하고 있죠.

그래서 반도체의 당면 과제를 확인해 보았네요.

반도체 산업에서 가장 중요한 기술은 단연 '미세화(Miniaturization)' 기술입니다.

반도체 소자와 회로를 구성하는 트랜지스터의 크기를 지속적으로 축소시키는 미세화 기술은 반도체의 고성능화와 고집적화를 가능케 했습니다.

미세화를 통해 단위 면적당 더 많은 트랜지스터를 집적할 수 있게 되면서 반도체 칩의 성능과 기능이 지속 향상되었습니다.

또한 소비전력도 낮출 수 있어 모바일 기기 등의 발전을 가져왔습니다.

구체적인 미세화 기술로는 리소그래피(노광), 식각, 박막 증착, 이온주입 등의 공정 기술이 핵심입니다. 특히 노광 공정에서 사용하는 빛의 파장을 점점 더 짧은 파장(EUV, X-ray)으로 발전시켜 왔습니다.

최근에는 7nm 이하 영역의 극미세 공정으로 발전하면서 기존의 한계에 부딪히고 있습니다. 이에 따라 새로운 트랜지스터 구조인 핀펫, 게이트 전면과 같은 3D 트랜지스터 기술이 중요해지고 있습니다.

반도체 미세화 기술은 지난 수십 년간 비약적인 발전을 거듭해 왔습니다. 현재까지의 주요 진행 상황은 다음과 같습니다.

1960년대 - 마이크로미터(μm) 수준 초기 집적회로 기술이 마이크로미터 스케일에서 출발했습니다.

1970년대 - 서브마이크론(sub-micron) 돌파 리소그래피 기술 발전으로 1μm 이하 영역에 진입했습니다.

1990년대 - 나노미터(nm) 수준 진입 193nm 광원을 이용해 90nm 공정 기술이 상용화되었습니다.

2000년대 - 65nm, 45nm, 32nm 공정 ArF 광원, 이머전 리소그래피 등으로 32nm까지 진행되었습니다.

2010년대 초반 - 22nm, 14nm 공정 극자외선(EUV) 리소그래피 기술이 도입되기 시작했습니다.

2010년대 후반 - 10nm, 7nm 공정 EUV 리소그래피로 7nm 수준까지 미세화가 이뤄졌습니다.

2020년대 초반 - 5nm, 3nm 공정 나노시트 트랜지스터 등 3차원 구조로 5nm, 3nm 영역 진입했습니다.

현재 삼성전자와 TSMC는 3nm 공정을 상용화하고 있으며, 2nm 이하 공정 개발도 진행 중입니다. 하지만 기술적 한계에 부딪히면서 새로운 돌파구가 필요한 실정입니다.

반도체 미세화는 무어의 법칙을 실현시킨 원동력이었지만, 앞으로는 새로운 트랜지스터 구조, 신소재, 제조공정 혁신 등이 필수적일 것으로 보입니다.

반도체 미세화 기술이 2nm 이하 영역에서 어려움을 겪는 이유는 다음과 같은 물리적, 기술적 한계에 부딪혔기 때문입니다.

소자 크기의 물리적 한계

트랜지스터 게이트 길이가 5nm 이하가 되면 양자터널링 현상으로 인해 누설전류가 급증하여 트랜지스터 성능과 전력효율이 저하됩니다. 또한 원자 수준 크기에서는 재료의 특성 자체가 바뀌게 됩니다.

리소그래피 공정의 한계

현재 EUV(극자외선) 리소그래피는 13.5nm 파장을 사용하지만, 2nm 이하에서는 회절 한계에 부딪혀 해상도가 떨어집니다. 아직 EUV 이후의 차세대 리소그래피 기술이 없습니다.

열전달 문제

소자가 작아질수록 전력 밀도가 높아져 발열 문제가 커집니다. 이를 해결할 새로운 재료나 구조, 열전달 기술이 필요합니다.

정렬 기술의 한계

회로 패터ン을 정확히 겹쳐 정렬하는 것이 점점 어려워지고 있습니다. 현재 수nm 수준의 오차만 허용됩니다.

비용과 수율 문제

공정 미세화를 위한 다양한 신기술 적용과 복잡성으로 인해 제조 비용과 수율 관리가 큰 과제입니다.

이에 따라 2nm 이하 공정으로 나아가기 위해서는 혁신적인 신개념 트랜지스터, 리소그래피, 신소재, 공정아키텍처 등의 새로운 패러다임 기술 개발이 시급한 상황입니다.

그렇다면 이렇게 미세화 기술이 아닌, 다른 개념의 반도체는 없을까요?

기존의 실리콘 기반 트랜지스터 방식이 아닌 전혀 새로운 패러다임의 반도체 제조 방식들이 연구되고 있습니다. 몇 가지 대안 기술을 소개하면 다음과 같습니다:

스핀트로닉스(Spintronics) 전자의 스핀 특성을 이용하여 정보를 저장/처리하는 방식입니다. 저전력이면서도 높은 집적도를 가질 수 있는 차세대 전자소자로 주목받고 있습니다.
탄소나노튜브/그래핀 전자소자 탄소 나노튜브나 그래핀과 같은 나노 소재를 활용한 차세대 전자소자입니다. 높은 전자 이동성과 열전도성을 가지고 있어 실리콘을 대체할 대안으로 연구중입니다.
분자전자소자 단일 분자를 전자소자의 핵심 부품으로 사용하는 기술입니다. 크기 한계를 극복하고 분자 수준의 고집적이 가능할 것으로 기대됩니다.
퀀텀 셀룰러 오토마타 양자역학 원리를 이용한 완전히 새로운 개념의 컴퓨팅 패러다임입니다. 현재 실리콘 기술의 한계를 뛰어넘을 수 있을 것으로 보입니다.
광전자소자 광자 대신 전자를 사용하는 현재 방식에서 벗어나, 광자 자체를 직접 제어하여 정보를 처리하는 소자입니다.

이런 신기술들은 아직 기초 연구 단계이지만, 향후 반도체 미세화의 한계를 극복하고 혁신적인 성능 향상을 가져올 것으로 기대되고 있습니다.

새로운 개념의 반도체가 나오기 전까지는 계속해서 미세화 공정에 승부를 걸고, 불량률이 적게 나오는 회사에 승산이 있다고 생각합니다.
삼성전자와 TSMC가 서로 각축을 겨누고 있기 때문에, 어느 회사가 더 효율이 높은 반도체를 생산하는지 지켜봐야 할 것 같네요.

궁금한 건 못참지!!