고성능 반도체의 혁신적인 진보 3나노 시대를 넘어 0.3나노 시대로!!

0.3 나노 시대의 도래: 반도체 기술의 새로운 장

0.3나노 시대의 가능성:

반도체 제조 기술의 진보는 기존 한계를 초월하는 새로운 공정 개발로 이어지고 있습니다. 0.3 나노 수준의 공정은 기존 실리콘 기반 반도체의 물리적 한계에 도전하는 기술로, 양자 효과와 전도 특성을 활용해야 합니다. 업계는 무어의 법칙이 물리적 한계에 도달했음을 인식하고 '비욘드 무어' 접근법으로 전환하며, 후공정 및 패키징 기술이 핵심 대안으로 떠오르고 있습니다​.

극복 방안 연구:

0.3나노 시대를 열기 위해서는 혁신적 해결책이 필요합니다. 선단공정에서 주요 문제는 수율 안정화로, 초기 양산 단계에서는 낮은 수율이 일반적입니다. 이를 극복하기 위해 삼성전자는 GAA(FET) 구조를 적용한 3 나노 공정을 개발하며 기반 기술을 다졌습니다. 이러한 기술적 경험은 향후 더 적은 공정에서도 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다​.

한편, 소재 혁신도 주요 방안으로 대두되고 있습니다. 실리콘 대신 갈륨 같은 대체 물질을 활용하거나, 양자점(QD) 디스플레이를 위한 초균일 껍질 성장 기술을 연구 중입니다. 성균관대는 이와 관련해 발광 효율을 97.3%까지 끌어올리는 데 성공했습니다​.

응용 분야:

0.3나노 기술은 디스플레이, 웨어러블 디바이스, 바이오센서, 태양광 발전 등 다양한 분야에 응용될 수 있습니다. 초미세 공정을 통해 더욱 정교한 트랜지스터를 구현함으로써 인공지능(AI) 및 데이터 처리 속도가 크게 향상될 것입니다. 특히, 차세대 양자점 디스플레이는 증강현실(AR) 및 가상현실(VR) 산업에서 중요한 기술로 자리 잡을 전망입니다.​

기술적 문제점:

0.3 나노 공정에서는 양자 터널링과 전자 간섭 같은 양자 물리학적 문제들이 주된 도전 과제가 됩니다. 또한, 발열 문제와 전력 소모 증가도 해결해야 할 주요 기술적 난제입니다. 발열은 특히 고밀도 패키징에서 심각한 한계로 작용하며, 이를 해결하기 위해 하이브리드 본딩 및 MR-Muf 기술 등이 연구되고 있습니다.​

국내외 개발 현황:

국내에서는 삼성전자가 GAA 기반 3 나노 공정의 양산을 성공적으로 시작했으며, 이는 0.3 나노 시대를 대비한 기반 기술로 평가받고 있습니다. SK하이닉스는 차세대 HBM3 기술을 활용해 메모리 성능을 개선하고 있으며, 이러한 기술은 0.3 나노 공정에서도 활용 가능할 것으로 보입니다​.

국외에서는 TSMC와 인텔이 각각 기술 경쟁력을 강화하고 있습니다. 특히, TSMC는 3나노 이하 공정 개발에 주력하고 있으며, 미국 정부의 지원을 바탕으로 글로벌 반도체 시장에서의 지위를 유지하려 하고 있습니다​

주요 파운드리 별 미세공정 진행 표 from.전자신문

 

0.3나노 시대는 기술적, 경제적 과제를 극복해야 하지만, 반도체 기술의 새로운 가능성을 열어줄 혁신의 장이 될 것입니다. 연구와 협업을 통해 이 도전은 가까운 미래에 현실로 다가올 전망입니다.

반도체 공정 기술에 대한 최신 로드맵은 반도체 공학회와 관련 기관에서 제시한 주요 내용들로 나뉘며, 핵심적인 발전 방향은 아래와 같습니다.

반도체 공학회 로드맵:

전공정(Front-End Process) 기술:

• 소자 집적화(More Moore): 기존 CMOS 기술의 한계를 넘어선 신소자 개발이 강조됩니다. 3nm 공정 이후에는 GAA(게이트 올 어라운드) 기반 CFET 기술로 발전하고 있으며, 더 작은 노드에서는 새로운 구조가 필요합니다.
• 리소그래피(Lithography): 극자외선(EUV) 기술의 활용이 확대되고 있으며, 더 정밀한 패턴을 구현하기 위한 연구가 진행되고 있습니다.
• 수율 개선(Yield Enhancement): 공정 안정성을 높이고 웨이퍼 활용 효율성을 극대화하는 기술이 포함됩니다.

후공정(Back-End Process) 기술:

• 3D 패키징: 칩을 수직으로 쌓아 집적도를 높이는 기술로, 열 관리와 데이터 전송 효율성을 향상합니다.
• 칩렛(Chiplet) 기술: 단일 칩이 아닌 다수의 칩을 모듈화하여 연결하는 방식으로, 제조 비용과 설계 유연성을 확보합니다.
• 광패키징: 데이터를 더 빠르고 효율적으로 전송할 수 있는 광학 기반 패키징 기술도 주목받고 있습니다.

3D칩이미지 from.아시아경제

미래 기술 트렌드:

• 3D 메모리: 기존의 수평 집적 방식에서 벗어나 셀(Cell)을 수직으로 쌓아 집적도를 대폭 높입니다.
• AI 및 엣지 컴퓨팅: AI 반도체와 엣지 컴퓨팅용 반도체는 낮은 전력으로 고성능 연산을 가능케 하는 데 중점을 둡니다.
• 신소자 연구: 기존 CMOS 기술을 보완하거나 대체할 Beyond CMOS 소자 및 트랜지스터 개발이 진행되고 있습니다.

장기 로드맵:

반도체 기술은 더 이상 단순한 미세화에만 의존하지 않고, 소재 혁신 및 새로운 설계 방식을 통합하고 있습니다. 2024년부터는 나노미터 스케일에서 옹스트롬(0.1nm) 스케일로의 전환이 예상되며, 이러한 초미세 공정을 위한 기술적 준비가 핵심입니다​.