반도체의 기술적 한계를 극복하기 위한 소재 및 공정기술에 대해서 설명해보세요.

차세대 반도체 재료 및 소자에 대해서는 지속적인 연구가 이루어지고 있다. 특히 1) 반도체의 미세화에 따른 물리적 한계를 극복하기 위한 소재 또는 공정기술, 2) 고성능/초절전/고신뢰성을 가지는 신개념 반도체 소자 또는 설계 기술, 3) 기존의 한계를 뛰어넘을 수 있는 패키징 기술, 4) 평가, 분석, 시뮬레이션 및 데이터 해석 등에 대한 신기술 등이 핵심적으로 요구되고 있다.

한편 반도체 공정의 미세화가 수nm 수준으로 진입함에 따라 단채널 효과(SCE), 게이트 누설전류 증가, 배선(BEOL)의 RC 지연 증가 등 다양한 물리적 한계가 공정 설계의 핵심 과제로 부각되고 있다. 이를 극복하기 위해 소재와 공정 양면에서 다양한 기술이 연구·적용되고 있다.

[최신 소재 기술]

High-k/Metal Gate(HKMG): HfO₂ 등 고유전율 게이트 절연막과 TiN·TaN 금속 게이트를 조합한 구조로, 기존 SiO₂/Poly-Si의 누설전류 한계를 극복한다. 현재 5nm 이하 공정의 표준이다.

저저항 배선 소재: 선폭이 좁아질수록 구리(Cu) 배선의 전기저항이 급증하는 문제를 해결하기 위해 Ruthenium(Ru) 및 Molybdenum(Mo) 배선 소재가 TSMC·인텔의 최신 공정에 도입되고 있다.

[최신 공정 기술]

High-NA EUV 리소그래피: ASML의 EXE:5000 시리즈 장비는 개구수(NA) 0.55로 기존 0.33 대비 해상도를 크게 향상시켜 2nm 이하 패터닝을 가능하게 한다. 2024년 인텔에 첫 납품되었으며, 2025년 TSMC·삼성전자 도입이 예정되어 있다.

ALE(Atomic Layer Etching): 원자층 1개씩 정밀하게 식각하는 기술로, 3nm 이하 GAA FET 채널 형성과 HAR(High Aspect Ratio) 식각 공정에 필수적으로 활용되고 있다. Lam Research·Applied Materials가 관련 장비를 공급하고 있다.

칩렛(Chiplet) & UCIe: 여러 소형 다이를 실리콘 인터포저(CoWoS, SoIC, Foveros)로 연결하는 이종 집적 기술로, 공정 분할에 따른 수율 향상과 유연한 설계가 가능하다. UCIe(Universal Chiplet Interconnect Express) 표준이 2022년 발표되어 산업 생태계가 형성되고 있다.