세상 모든 것의 레시피 03. (반도체 특별편-5) '초미세 공정'의 한계, 과연 물리적 벽을 넘을 수 있을까? 🔬🧱

8시간 전

이중철 전문가

세상 모든 것의 레시피 03. (반도체 특별편-5) '초미세 공정'의 한계, 과연 물리적 벽을 넘을 수 있을까? 🔬🧱

안녕하세요!

과학으로 세상과 소통하는 과학 커뮤니케이터 이중철 전문가입니다. 🧪

지난 시간에는 반도체의 영원한 숙적인 '열'을 제어하고 뒤틀림을 막아주는 방열 고분자 화학 소재의 비밀을 알아보았죠.

오늘은 수십 년간 반도체 산업을 지배해 온 위대한 법칙,

"2년마다 반도체의 성능은 2배로 늘어난다"는 모어의 법칙(Moore's Law)이 부딪힌 가장 거대한 벽! 바로 '초미세 공정의 물리적 한계' 이야기를 들려드리려 합니다.

3나노미터(nm), 2나노미터, 나아가 1나노미터... 뉴스에서 말하는 이 숫자들이 과연 화학적·물리적으로 어디까지 줄어들 수 있는 걸까요?

⚛️ 원자 몇 개 크기? 나노 세계의 아찔한 규모
1나노미터(nm)는 어느 정도 크기일까요?
우리가 마시는 물 분자 하나가 약 0.3nm, 원자 하나의 크기가 약 0.1~0.2nm 정도입니다. 즉, 3나노 공정이라는 것은 회로의 폭이 원자 15~20개를 겨우 나열해 놓은 수준이라는 뜻입니다!
이렇게 극도로 얇아지다 보니, 과거에는 경험해보지 못했던 오싹한 물리적·화학적 장벽들이 앞을 가로막기 시작했습니다.
🧱 초미세 공정이 부딪힌 2가지 거대한 장벽
1. 유령처럼 벽을 통과하는 전자? '양자 터널링(Quantum Tunneling)'
원자 몇 개 수준으로 문(Gate)이 얇아지면, 양자역학적 현상이 나타납니다.
원래는 문을 닫아두면 전자가 벽에 막혀 지나가지 못해야 정상입니다.
하지만 문이 너무 얇아진 나머지, 전자가 마치 유령처럼 벽을 그냥 '쓩' 하고 통과해버리는 현상(양자 터널링)이 발생합니다.
전자를 통제할 수 없게 되니 스위치로서의 역할을 못 하게 되는 것이죠.
2. 배선이 끊어지거나 녹아내린다! (전자 이주 현상)
회로 폭이 너무 좁아지면 그 비좁은 길로 수많은 전자가 밀집되어 통과합니다.
이때 전자가 이동하면서 회로를 구성하는 금속 원자(구리, 텅스텐 등)를 당구공처럼 세게 쳐서 밀어내는 'Electromigration(전자 이주)' 현상이 일어납니다. 결국 미세한 회로 선이 끊어지거나 합선되어 칩이 완전히 고장 나게 됩니다.
🧬 벽을 깨부수는 화학자들의 솔루션: 구조와 소재의 혁신
하지만 인류는 여기서 포기하지 않았습니다! 과학자와 엔지니어들은 두 가지 혁신적인 방법으로 이 물리적 한계를 정면 돌파하고 있습니다.
1. 평면에서 3D 입체로! (FinFET에서 GAA로)
전자가 새어나가지 못하도록 문(Gate)의 구조를 바꿨습니다.
기존(FinFET): 전자가 지나가는 길의 3면만 감싸서 통제했던 방식
GAA (Gate-All-Around): 종이처럼 얇은 나노시트를 만들어 전자가 오가는 길의 4면 전체를 360도로 감싸버리는 방식
문으로 사방을 꽉 막아버리니 3나노 이하의 극초미세 공정에서도 전자가 새어나가는 양자 터널링 현상을 획기적으로 줄일 수 있게 되었습니다.
2. 텅스텐·구리를 버리고 '루테늄(Ru)·몰리브덴(Mo)'으로!
기존 회로에 쓰이던 구리나 텅스텐은 선폭이 수 나노미터로 얇아지면 저항이 폭발적으로 증가합니다.
화학자들은 수 나노미터 두께에서도 저항이 급증하지 않고, 전자의 충격에도 원자 구조가 잘 깨지지 않는 루테늄(Ru), 몰리브덴(Mo) 같은 새로운 차세대 특수 금속 소재 레시피를 발굴해 내고 있습니다.
원자 몇 개라는 까마득한 물리적 한계 앞에서도, 인간의 지혜는 3차원 구조의 변화와 새로운 화학 소재의 발견으로 '모어의 법칙'을 계속해서 연장해 나가고 있습니다.