초연결시대 도래로 저전력 고사양 반도체 수요가 급증하고 있는 가운데, 삼성전자는 날로 어려워지는 반도체 공정기술을 극복하기 위해 구조 변경, 신공정 및 설비 도입, 신소재 적용 등을 활발히 추진하고 있다고 밝혔다.

김형섭 삼성전자 반도체연구소장(부사장)은 9일 열린 ‘세미콘코리아 2022’ 온라인 컨퍼런스에서 ‘데이터 중심 시대에 실리콘 혁신을 주도하다’를 주제로 기조연설을 진행했다.

김형섭 부사장은 “코로나 팬데믹으로 비대면 업무와 네트워킹 등 활성화되면서 전자기기와 네트워크로 연결된 초연결시대가 더욱 가속화되고 있다”며 “이로 인해 연간 64ZB(제타바이트) 수준인 데이터 생성량이 2025년에는 약 3배인 181ZB에 이를 것”이라고 전망했다.

이로 인해 세계 반도체 시장은 서버, PC 등과 스마트팩토리 등 신산업 수요 증대로 2020년 4,330억달러에서 2025년 6,650억달러, 2025년 2030년엔 1조57억달러로 성장을 거듭할 전망이지만 동시에 저전력·고사양 제품이 요구됨에 따라 반도체 공정 혁신이 요구되고 있다.

그간 반도체 업계는 트랜지스터 소형화를 통해 소재의 밀도를 높이고 성능을 개선해 왔다. 일례로 D램의 경우 커패시터를 초고층 형태로 만들고 유전체 물질을 바꾸고 있다. 낸드플래시는 고층빌딩과 같이 셀을 높이 적층하는 V낸드 구조로 바꿨으며 고단화를 위한 소재와 구조 개선이 진행 중이다.

그러나 현재 반도체 업계는 미세화 공정 한계로 집적도 주도에 어려움을 겪고 있다. 김 부사장은 “기술적으로는 디자인률 감소가 둔화되면서 무어의 법칙 달성이 어려워지고 있고 고사양 요구로 인한 공정 난이도가 높아지고 있다”며 “특히 반도체 공정상 많은 에너지와 부산물을 배출하기 때문에 탄소중립시대에 CO2 배출 저감 문제를 해결해야 한다”고 밝혔다.

이를 위해 삼성전자 등 반도체 업계는 고집적화를 위한 구조 개선, 신공정 도입, 신소재 개발 등을 병행하고 있다. 김 부사장은 “D램은 아예 커패시터를 없애는 방안을, 로직 분야에서는 소모전력 감소와 성능 향상을 위해 파워 네트워크를 웨이퍼 뒷면에 배치하는 기술을 연구 중”이라고 밝혔다.

또한 미세화 공정 극복을 위한 신공정 기술로 원하는 물질을 원하는 곳에 증착시키는 기술(Selective Deposition)과 식각 대상물을 원자단위로 식각하는 기술(Atomic l;ayer Etch) 등을 개발 중이다.

또한 신개념 설비로 저온 환경에서 극한 종횡비의 깊은 홀을 식각하고 적합한 소재를 활용이 가능한 극저온 에칭 장비와 제품의 복잡한 3D구조를 계측할 수 있는 고투과성 X레이 설비 등도 도입되고 있다.

신소재 개발의 경우 V낸드에서는 높이 한계 극복을 위한 신소재. 기존 구조의 적층을 지속하기 위해 고선택비를 구현하기 위한 신소재 개발도 지속 추진 중이다.

삼성전자는 탄소배출을 저감하기 위한 노력도 지속하고 있다. 2020년에는 재생에너지 활용, 배출가스 후처리, 설비가동 효율화를 통해 11억그루의 소나무가 흡수하는 CO2를 절감했다. 또한 저전력 제품 출시를 통해 세계 전력사용량 감소에도 기여하고 있는데 최근 출시된 DDR5와 SSD로 구형 제품을 교체한다면 연간 7만 Twatt/시의 전력을 절약할 수 있다. 이는 뉴욕에 거주하는 전 가구가 4개월 동안 사용할 수 있는 전력량이다.

김 부사장은 마지막으로 “지금까지 반도체 산업에서 구조, 공정, 설비, 소재 분야의 기술혁신과 한계 기술에 대한 도전이 없었다면 이만큼 성장할 수 없었을 것”이라며 “반도체 산업은 우리가 경험해보지 못한 세로운 시대에 접어들고 있는 상황에서 반도체 에코시스템을 구성하는 칩메이커와 설비사, 소재사, 학계, 정부기관 등과 함께 노력하면 극복해낼 수 있으리라 믿는다”고 밝혔다.