반도체 미세화 공정의 현주소
2025년 현재 반도체 공정은 2nm급 수준에 도달했으며, 2028년 1.5nm급을 거쳐 2040년에는 0.3nm급 공정으로 발전할 전망입니다. 삼성전자는 2025년 2nm, 2027년 1.4nm 양산을 계획하고 있으며, TSMC는 2025년 2nm, 2028년 1nm 양산을 목표로 하고 있습니다.
이러한 초미세 공정 시대에서 가장 큰 기술적 도전 과제는 바로 회로 간 전자기 간섭 문제입니다. 반도체 회로선폭이 좁아지면 트랜지스터 간 간격도 좁아지면서 전류 누설 등 간섭에 의한 불량이 증가하며, 1나노 이하에서는 원자 레벨로 기술 및 공정 난이도가 매우 높아집니다.
크로스토크 문제와 해결 방안
반도체 미세 회로에서 발생하는 주요 간섭 현상은 크로스토크입니다. 크로스토크는 신호 트레이스 간의 용량성 결합과 유도성 결합으로 발생하며, 두 개 이상의 트레이스가 가까이 배치되어 있을 때 프린지 필드가 인근 트레이스에 결합하여 원치 않는 노이즈를 발생시킵니다.
간섭 감소를 위한 핵심 기술은 다음과 같습니다.
트레이스 간격 최적화: 트레이스 간격을 늘리고 병렬 라우팅을 최소화하며, 참조 평면을 사용하고 레이어 스택업을 최적화하는 방법이 효과적입니다. 특히 고속 신호의 경우 트레이스 간 거리 확보가 필수적입니다.
접지 평면 활용: 견고한 접지 또는 전원 평면은 전자기장을 흡수하고 차단하여 신호를 더 깨끗하게 유지하는 데 도움이 됩니다. 신호층 사이에 접지 평면을 배치하면 수직 누화를 효과적으로 줄일 수 있습니다.
임피던스 매칭: 적절한 종단 및 임피던스 정합은 신호 반사와 잡음을 방지하여 신호를 안정화하는 데 도움이 됩니다.
EUV 노광 기술의 혁신
반도체 미세화를 지속하기 위해 EUV(극자외선) 노광장비가 핵심 역할을 하고 있습니다. EUV는 불화아르곤의 1/14 미만에 불과한 짧은 파장으로 보다 세밀한 반도체 회로 패턴 구현이 가능합니다.
EUV 기술은 회로를 새기는 작업을 반복하는 멀티패터닝 공정을 줄여 성능과 수율을 동시에 높일 수 있습니다. 이는 미세 회로 제작 과정에서 발생할 수 있는 오차를 최소화하여 간섭 문제를 근본적으로 줄이는 효과가 있습니다.
첨단 패키징 기술로 한계 돌파
반도체 선폭 미세화가 물리적 한계에 근접하면서 첨단 패키징이 반도체 미세화의 기술적·경제적 한계를 돌파하는 대안으로 부상하고 있습니다. 첨단 패키징은 다중·복수의 칩을 하나의 패키지로 제조하면서 칩 성능 향상과 비용 절감을 동시에 구현합니다.
2023년 378억 달러였던 첨단 패키징 시장은 2029년 695억 달러로 연평균 11% 성장할 전망이며, 2027~2028년을 기점으로 첨단 패키징 시장이 기존 패키징 시장보다 커질 것으로 예상됩니다.
유리 기판 기술의 등장
유리 기판의 핵심 장점은 낮은 열전도율입니다. 유리 기판의 열전도율은 실리콘 기판 대비 150배 정도로 낮아 반도체 칩 전반에 열이 퍼지지 않게 관리하기 쉽습니다. 이는 고대역폭 메모리(HBM)와 같이 발열 문제가 심각한 제품에서 혁신적인 솔루션이 될 수 있습니다.
GAA 트랜지스터 구조 혁신
공정 미세화를 위해 트랜지스터는 LGAA, CFET 등의 기술과 3차원 VLSI 기술이 핵심으로 연구개발되고 있습니다. GAA(Gate-All-Around) 구조는 게이트가 채널을 완전히 둘러싸는 형태로, 기존 FinFET 구조보다 전류 제어 능력이 뛰어나 누설 전류를 줄이고 성능을 향상시킵니다.
AI 반도체 시대의 새로운 요구사항
인공지능 반도체 기술 분야에서는 2025년 현재 10 TOPS/W에서 2040년 학습용 프로세서는 1000 TOPS/W, 추론용 반도체는 100 TOPS/W까지 발전할 전망입니다.
AI 칩의 고성능화는 더욱 정교한 간섭 제어 기술을 요구합니다. 대규모 병렬 연산 과정에서 발생하는 전자기 간섭을 최소화하기 위해 설계, 전공정, 후공정 기술의 융합이 필수적입니다.
기생 인덕턴스 최소화 기술
최저 손실을 주는 전력 반도체 최적화를 위한 필수조건은 최소 기생 인덕턴스를 갖는 최적의 회로 설계입니다. 스트립 라인 유형의 회로 설계는 스트립 라인의 폭과 거리에 따라 기생 인덕턴스를 낮은 값으로 유지할 수 있습니다.
기생 인덕턴스와 커패시턴스가 결합하면 공진 회로를 형성하여 발진을 일으킬 수 있으므로, 회로 레이아웃 단계에서부터 이를 최소화하는 설계가 중요합니다.
미래 반도체 기술의 방향
반도체 산업은 More Moore와 More Than Moore라는 두 가지 방향으로 발전하고 있습니다. More Moore는 반도체의 소자 구조, 공정, 소재 혁신 등을 통해 반도체의 집적도를 높이는 방안이며, More Than Moore는 첨단 패키징과 이종집적을 통해 성능을 향상시키는 접근법입니다.
특히 칩렛(Chiplet) 기술은 각 기능을 분리된 작은 칩으로 제조한 후 첨단 패키징으로 결합하는 방식으로, 수율 향상과 비용 절감을 동시에 달성할 수 있습니다.
결론
반도체 미세 회로 간섭 감소 기술은 나노미터 수준의 초미세 공정 시대에 필수적인 핵심 기술입니다. EUV 노광, 첨단 패키징, 유리 기판, GAA 트랜지스터 등 다양한 혁신 기술이 융합되어 간섭 문제를 해결하고 있습니다.
특히 AI 시대를 맞이하여 고성능 반도체에 대한 수요가 급증하면서 간섭 제어 기술의 중요성은 더욱 커지고 있습니다. 지속적인 연구개발과 공정 혁신을 통해 반도체 산업은 물리적 한계를 극복하고 새로운 성능의 지평을 열어가고 있습니다.
