반도체의 미세 공정을 1nm 이하로 낮출 수 있을까?

반도체의 미세 공정을 1nm 이하로 낮출 수 있을까?

1. 반도체 공정의 진화와 한계에 가까운 산업

반도체 산업은 지난 수십 년 동안 '무어의 법칙'의 규칙에 따라 끊임없이 발전해 왔습니다. 무어의 법칙은 집적 회로(IC)에 들어가는 트랜지스터 수가 18~24개월마다 두 배로 증가한다는 실증 법칙으로, 마이크로 공정의 발전을 의미합니다. 미세 공정은 트랜지스터의 게이트 길이나 선폭을 줄이는 기술로, 그 수가 적을수록 더 많은 트랜지스터를 같은 면적에 집적할 수 있어 전력 효율성과 연산 성능이 향상됩니다. 업계에서는 7nm, 5nm, 3nm를 거쳐 2nm에서 1nm, 심지어 1nm 미만의 범위에 도달하기 위해 노력하고 있습니다. 하지만 단순히 선폭을 1나노미터에 가까워질수록 작게 만드는 것이 아니라 완전히 새로운 기술적 접근이 필요합니다. 전통적인 실리콘 기반 CMOS(상보 금속 산화물 반도체) 기술만으로는 분명한 한계가 있기 때문입니다. 실제로 IBM, TSMC, 삼성전자 등 주요 반도체 기업들은 1nm 미만의 미세 공정을 달성하기 위해 신소재, 신구조 트랜지스터, 극자외선(EUV) 노광 장비 등 첨단 기술에 집중하고 있습니다. 미세 공정 개발은 AI, 클라우드, 자율주행, 양자 컴퓨팅 등 모든 IT 혁신의 기반이 되기 때문에 전 세계가 기술 주도권을 놓고 치열하게 경쟁하고 있습니다.

2. 1nm 미만의 미세 공정 시대를 여는 혁신적인 기술

반도체 산업은 1nm 이하 미세 공정을 실현하기 위한 전례 없는 기술 전환점을 맞이하고 있습니다. 전통적인 실리콘 기반 트랜지스터 구조와 공정 방식은 이미 한계에 도달했으며, 이를 극복하기 위해 새로운 소자 설계와 소재 혁신이 결합되고 있습니다. 가장 주목할 만한 기술 중 하나는 게이트 올어라운드(GAA) 트랜지스터 구조입니다. GAA는 게이트가 트랜지스터 채널을 네 방향으로 감싸는 구조로, 이전 세대 핀펫(FinField Effect Transistor)보다 훨씬 정밀한 전류 제어가 가능합니다. 이 구조는 채널 길이가 줄어들수록 증가하는 누설 전류를 효과적으로 억제하고 3nm 이하 초미세 공정에서 더 많은 빛을 방출합니다. 실제로 삼성전자는 3nm 공정에서 세계 최초로 GAA 구조를 상용화해 전력 효율을 45%까지 개선할 것으로 예상되며, 1nm 이하 공정에서도 이 구조가 주요 기술이 될 것으로 기대됩니다. 또 다른 혁신적인 접근 방식은 IBM의 수직 전송 전계 효과 트랜지스터(VTFET) 기술입니다. 전류가 수평으로 흐르도록 설계된 기존 트랜지스터와 달리 VTFET는 칩 위와 아래로 전류가 흐를 수 있도록 설계되었습니다. 이 수직 구조는 신호 전파 거리를 단축하여 동일한 영역 내에서 트랜지스터 밀도를 획기적으로 높이고 성능과 전력 소비를 동시에 개선할 수 있다는 장점이 있습니다. IBM은 이 기술을 통해 전력 소비를 최대 85%, 기존 핀펫 구조 대비 성능을 두 배 이상 줄일 수 있다고 발표했습니다. VTFET는 미세 공정의 한계를 깨는 동시에 칩 구조 자체를 재정의하는 기술적 전환점으로 평가받고 있습니다.

3. 1nm 이하 반도체 소자의 기술적 과제와 극복 전략

1nm 미만의 미세 공정 시대에 진입하기 위해 가장 먼저 넘어야 하는 벽은 양자역학적 한계, 특히 양자 터널링입니다. 트랜지스터의 게이트 산화막이 원자층 두께 수준으로 얇을수록 전자가 의도하지 않게 고전적 장벽을 통과하는 양자 터널링이 더 많이 발생합니다. 이는 누설 전류로 이어져 반도체 소자의 낮은 신뢰성, 데이터 오류, 칩 과열 등의 문제를 일으킬 수 있습니다. 이러한 이유로 단순한 공정 미세화만으로는 한계를 극복할 수 없으며, 반도체 소자의 기본 구조와 재료를 재설계해야 합니다. 이 문제를 해결하기 위해 업계는 High-K/Metal Gate 기술 고도화에 주력하고 있습니다. 이 기술은 게이트 절연층에 고유전율(High-K) 물질을 적용하고 전도층에 금속 게이트를 도입해 전하 제어 능력을 높인 기술입니다. 하프늄 산화물(HfO ₂)과 같은 고유전율 소재는 실리콘 산화물보다 누설 전류 감소에 더 효과적이며, 금속 게이트는 빠른 스위칭 속도와 높은 내열성을 동시에 제공합니다. 이 기술은 이미 인텔, TSMC 등 주요 반도체 제조업체에서 22nm 이후 공정부터 채택되어 1nm 미만 시대의 핵심 기술로 자리 잡고 있습니다. 한편, 미세 패터닝 기술에 사용되는 EUV(자외선) 리소그래피도 중요한 과제입니다. EUV는 13.5nm의 단파장을 사용하여 미세 회로를 구현할 수 있지만, 1nm 이하로 떨어지기 위해서는 고(高) NA EUV(고) 기술로 전환하는 것이 필수적입니다. 고(高) NA 시스템은 더 넓은 각도에서 빛을 모아 더 높은 해상도를 달성할 수 있지만 렌즈 설계와 포토레지스트 정확도가 더 중요합니다. 또한 노출 과정에서 발생하는 광학 왜곡, 감광성 소재 불안정성, 패턴 정렬 오류 등은 공정 수율에 큰 영향을 미치기 때문에 소재와 장비 모두에 대한 동시 혁신이 필요합니다. 이 때문에 ASML, 인텔, 삼성전자는 차세대 고NAUV 노광 장비 공동 개발에 투자하고 있습니다.

4. 반도체 산업과 기술에 얽매인 재정

지금까지의 미세 공정 개발은 물리적, 기술적, 경제적 제약에도 불구하고 끊임없는 혁신으로 극복해 왔습니다. 하지만 1nm 이하에 진입하는 것은 단순한 기술력 축소를 넘어 반도체 산업의 방향을 근본적으로 재정의할 수 있는 기회입니다. 최근에는 RISC-V와 같은 오픈소스 아키텍처와 결합하여 맞춤형 반도체(Custom Chip)를 개발하려는 추세가 커지고 있어 단순히 트랜지스터의 크기를 줄이는 것이 아니라 칩 설계 자체의 효율성과 적용을 최적화하는 방향으로 진화하고 있습니다. 또한 AI 기반 설계 자동화(EDA), 회로 최적화 알고리즘, 저전력 설계 기술 등이 함께 개발되면서 반도체 개발은 하드웨어와 소프트웨어 통합 기술로 확대되고 있습니다. 미세 공정의 물리적 한계가 다가올수록 반도체 기술은 더욱 창의적인 방향으로 성장하고 있으며, '1nm 이하 시대'는 기술의 정점이자 새로운 출발점이 될 수 있습니다. 단기적 수율보다는 장기적인 기술 생태계 조성과 통합 이상의 혁신이 핵심인 시점에서 1nm 이하 반도체 기술은 산업과 사회를 넘나드는 도약의 또 다른 발판이 되고 있습니다.