[아이뉴스24 황세웅 기자] 인공지능(AI) 시대 반도체 경쟁에서 소재 기술의 중요성이 커지고 있다.
그동안 반도체는 회로 선폭을 줄이는 미세화를 통해 성능을 높여왔지만, 소자가 작아질수록 기존 소재만으로 성능과 전력 효율을 개선하기 어려워지고 있기 때문이다.
구봉진 삼성전자 마스터는 2일 서울 코엑스에서 열린 한국세라믹학회 기조강연에서 'AI 시대의 반도체 기술: 스케일링이 다시 소재를 향하다'를 주제로 발표하고 차세대 반도체에서 소재 혁신의 중요성을 강조했다.
구 마스터는 트랜지스터 구조가 바뀔 때마다 이를 구현하기 위한 새로운 물질과 공정 기술이 필요하다며 "최근 가장 중요한 것 중 하나가 소재 개발"이라고 말했다.
어떤 소재와 반도체 박막을 만드는 데 쓰이는 원료물질인 '프리커서(전구체)'를 적용하느냐에 따라 반도체 성능 개선 폭이 달라질 수 있다는 설명이다.
D램에서는 데이터를 저장하는 커패시터의 성능을 높이기 위한 소재 개발이 주요 과제로 꼽혔다. 커패시터 내부에는 전기가 직접 흐르는 것을 막으면서 전하를 저장하도록 돕는 유전체가 적용된다.
셀 크기가 작아질수록 데이터를 안정적으로 저장하는 시간과 신호를 정확히 읽어내는 능력이 한계에 가까워지고, 좁은 공간에서도 충분한 전하를 저장할 수 있도록 커패시터 성능을 높이는 물질 개발도 어려워지고 있다.
삼성전자는 이를 해결하기 위해 트랜지스터와 셀을 수직으로 배치하는 차세대 D램도 개발하고 있다.
다만 실리콘과 실리콘게르마늄처럼 원자 배열 간격이 서로 다른 물질을 여러 층 쌓으면 원자 배열이 흐트러지는 '결정 결함'과 소재 내부에 힘이 걸리는 '응력'이 발생할 수 있다.
유전체 증착 과정에서도 물질이 빈틈없이 채워지지 않아 작은 빈 공간인 '보이드'가 생길 수 있어 소재와 공정 기술 확보가 중요하다는 설명이다.
로직 반도체에서도 소재의 역할이 커지고 있다.
트랜지스터 구조가 평면형에서 핀펫, 게이트올어라운드(GAA)로 발전하면서 게이트 주변 유전체와 트랜지스터에서 전류가 들어오고 나가는 통로인 소스·드레인에 어떤 물질을 적용하느냐가 성능을 높이는 핵심 요소로 떠올랐다.
구 마스터는 소스·드레인 소재와 원자를 한 층씩 쌓듯 매우 얇고 균일한 막을 만드는 원자층증착(ALD) 등 증착 기술의 중요성을 강조했다.
반도체 내부의 금속 배선도 소재 변화가 필요한 분야다. 전기 신호가 오가는 통로인 배선에는 지금까지 전기가 잘 통하는 구리가 주로 사용돼 왔다.
하지만 배선 폭이 10나노 수준까지 좁아지면 구리가 더 이상 최적의 소재가 아니라는 설명이다.
구 마스터는 "메탈 라인이 10나노가 되면 구리가 가장 좋은 물질이 아니다"라며 구리를 대신할 수 있는 루테늄 등 대체 금속을 검토하고 있다고 설명했다.
새로운 소재를 적용하려면 미세 배선을 정확하게 구현하는 공정과 기존 구리 배선과의 연결, 장기간 안정적으로 성능을 유지하는 신뢰성 문제 등을 함께 해결해야 한다.
배선 사이에 적용되는 저유전율(Low-k) 소재도 과제다. Low-k는 가까이 붙은 배선 사이에 불필요하게 전하가 쌓이는 것을 줄여 신호 전달 지연과 전력 소모를 낮추는 절연 소재다.
삼성전자는 실리콘과 산소, 탄소로 이뤄진 실리콘 옥시카바이드(SiOC) 계열의 다공성 Low-k 소재를 활용하고 있지만 유전율을 낮출수록 소재가 약해지고 접착이나 공정 과정에서 손상되기 쉬워진다는 설명이다.
소재 특성을 유지할 수 있는 프리커서와 반도체 표면에 에너지를 가해 증착·식각 등을 돕는 플라즈마 공정 기술 개발도 필요하다.
구 마스터는 실리콘 채널만으로 미세화를 이어가기 어려워질 가능성에 대비해 D램에 이그조(IGZO) 등 산화물 계열 채널을 적용하는 방안도 검토하고 있다고 밝혔다.
/황세웅 기자(hseewoong89@inews24.com)