중국, 차세대 2차원 반도체 생산 속도 1,000배 높여

원자 두께 전자소자의 속도 장벽 돌파

중국 연구진이 세계 반도체 산업의 판도를 바꿀 수 있는 제조 기술의 획기적 발전을 발표했다. 기존 기술보다 약 1,000배 빠른 속도로 2차원 반도체 소재를 성장시키는 방법을 개발한 것이다. 국방과학기술대학교와 중국과학원 연구진이 주도한 이번 혁신은 차세대 칩의 상용화를 오랫동안 가로막아 온 핵심 병목을 해소한다.

금속연구소의 런원차이, 쉬촨 연구원과 함께 주멍젠이 이끈 연구팀은 3월 26일 학술지 National Science Review에 연구 결과를 발표했다. 연구진은 개량한 화학기상증착법으로 텅스텐 실리콘 질화물 대면적 박막을 분당 약 20마이크로미터 성장시켰다. 이는 0.001밀리미터를 성장시키는 데 5시간이 걸렸던 기존 기록보다 크게 빨라진 속도다.

실리콘의 한계

전자 산업은 50년 넘게 무어의 법칙을 따라왔다. 무어의 법칙은 마이크로칩에 집적되는 트랜지스터 수가 약 2년마다 두 배로 늘고 비용은 낮아진다는 관찰에 바탕을 둔다. 스마트폰부터 슈퍼컴퓨터까지 모든 분야의 발전을 이끌며 실리콘 기반의 조 단위 산업을 만들어냈다. 그러나 트랜지스터 크기가 원자 수준에 가까워지면서 근본적인 물리 법칙이 제약으로 작용하기 시작했다.

크기가 약 5나노미터 아래로 내려가면 실리콘 속 전자가 양자역학적 거동을 보이기 시작해 고전적 컴퓨팅의 작동을 저해한다. 양자 터널링으로 전자가 원래 차단돼야 할 절연 장벽을 통과해 새어 나가고, 부품 간격이 좁아질수록 열 방출도 점점 감당하기 어려워진다. 이런 물리적 제약은 현대 기술 발전을 뒷받침해 온 진전을 멈춰 세울 수 있다.

인공지능 시스템과 대규모 언어 모델이 요구하는 연산 능력이 기하급수적으로 늘면서 컴퓨팅 성능 수요도 계속 커지고 있다. 업계 전망에 따르면 AI 연산 수요는 2023년과 비교해 2030년까지 1,000배 증가할 수 있다. 수요와 실리콘의 물리적 한계 사이의 격차가 커지면서 기존 반도체 제조를 확장하거나 대체할 소재를 찾으려는 연구가 전 세계적으로 활발해졌다.

2차원 소재의 가능성

2차원 반도체는 기존 실리콘을 넘어설 유망한 방법 가운데 하나다. 때로는 원자 한 층 두께에 불과한 이 소재들은 3차원 결정과 근본적으로 다른 방식으로 전기를 전도한다. 전류가 흐르는 통로를 단단한 실리콘 덩어리에서 깎아내야 하는 벌크 실리콘과 달리, 2차원 반도체는 본래 얇기 때문에 나노미터 크기의 구조를 만들기 위해 소재를 물리적으로 깎아낼 필요가 없다.

초박막 층에서 나타나는 양자 구속 효과는 전기적 특성을 떨어뜨리기보다 오히려 개선할 수 있다. 전자의 움직임이 2차원으로 제한되면 최소 에너지가 높아져 트랜지스터의 켜짐과 꺼짐을 결정하는 밴드갭이 사실상 넓어진다. 따라서 2차원 소재는 같은 크기의 실리콘보다 전력 효율을 높이고 누설 전류를 줄일 가능성이 있어 5나노미터 미만 공정 기술의 유력한 후보로 꼽힌다.

몇몇 2차원 소재는 이미 뛰어난 성능을 입증했다. 전이금속 디칼코게나이드 계열 화합물인 이황화몰리브덴과 이셀레늄화몰리브덴은 전도 상태와 절연 상태를 오갈 수 있게 하는 고유한 밴드갭을 갖고 있다. 전자를 전하 운반체로 쓰는 이들 n형 소재는 실험실에서 비교적 쉽게 만들 수 있었다. 그러나 실용적인 집적회로를 제작하려면 서로 보완하는 한 쌍의 소재가 필요하다.

p형 소재 부족 문제 해결

현대 트랜지스터 구조는 서로 다른 두 종류의 반도체를 결합해 작동한다. n형은 전자를 전하 운반체로 사용하고, p형은 정공(결정 격자에서 전자가 빠진 자리)을 이용해 양전하를 전도한다. CMOS로 불리는 상보형 금속산화물 반도체 구조는 오늘날 모든 디지털 논리회로의 기반이다. NAND, NOR, NOT 게이트는 모두 두 종류의 반도체를 함께 사용한다.

n형 2차원 반도체는 널리 확보돼 있지만, 성능이 높고 안정적인 p형 대응 소재는 좀처럼 개발되지 않았다. 주멍젠은 이런 부족 현상을 반도체 연구의 핵심 병목이자 치열한 경쟁이 벌어지는 분야라고 설명했다. 신뢰할 수 있는 p형 소재가 없으면 n형 소재가 아무리 뛰어나도 연산의 기반이 되는 기본 논리 게이트를 만들 수 없다.

중국 연구팀은 이 불균형을 해소할 소재로 텅스텐 실리콘 질화물을 찾아냈다. 이 소재는 불안정성을 일으키는 경우가 많은 외부 도핑 공정 없이도 본래 p형 특성을 보인다. 박막은 높은 정공 이동도와 큰 전류 밀도를 나타냈으며, 기계적 강도와 열전도성도 우수했다. 이런 특성은 상용 칩 제조에 필요한 다단계 리소그래피 공정에서도 소재가 갈라지거나 기판에서 벗겨지지 않고 견딜 수 있음을 시사한다.

비스무트 옥시셀레나이드 기반의 별도 2차원 트랜지스터 연구를 진행 중인 베이징대 펑하이린 교수는 도핑 균형이 근본적으로 중요하다고 설명했다. 실리콘 이후의 반도체 구조를 목표로 한 이 연구에서 연구팀은 인텔의 최신 3나노미터 칩보다 속도는 40% 빠르고 전력 소비는 10% 적은 성능을 구현했다. 베이징대 연구진은 이를 지름길을 택하는 것이 아니라 차선을 바꾸는 일이라고 표현하며, 실리콘 기반 설계에서 근본적으로 벗어나는 전환임을 강조했다.

금과 텅스텐을 활용한 혁신

생산 속도 향상을 가능하게 한 핵심 혁신은 2차원 반도체 박막을 성장시키는 화학기상증착 공정을 재설계한 것이다. 기존 CVD 기술은 전구체 가스를 가열된 기판 위로 흘려보내고 원자가 한 층씩 결정화되기를 기다린다. 이 공정은 오랫동안 매우 느려, 밀리미터 크기의 실험실 시료에서 상용 제조에 쓰이는 300밀리미터 웨이퍼로 확장하는 것은 경제성이 없었다.

연구팀은 일반적인 고체 기판을 액체 금과 텅스텐의 이중층으로 대체했다. 액체 금 표면은 결정립계를 없애 결정 핵이 형성될 균일하고 매끄러운 바탕을 제공한다. 덕분에 전구체 원자가 기존 고체 기판보다 훨씬 빠르게 표면을 따라 확산할 수 있다. 아래쪽의 텅스텐 층은 텅스텐 실리콘 질화물 박막에 필요한 원소 가운데 하나를 공급해, 성장 속도를 제한하는 경우가 많은 기체상 공급 방식에 대한 의존도를 낮춘다.

이러한 기판 변경으로 약 36×18밀리미터 크기의 단층 박막을 성장시켜 2차원 반도체를 웨이퍼 규모 제조에 한 걸음 더 가깝게 가져갔다. 이렇게 만든 소재는 첨단 칩에 필요한 우수한 전기적 성능과 내구성, 열 관리 특성을 보였다. 생산 속도는 5시간에 약 0.00004인치에서 분당 약 0.0008인치로 빨라져 업계의 주목을 받은 1,000배 향상을 이뤘다.

이 방법은 도핑 특성을 정밀하게 제어해 박막의 전기적 특성을 조정할 수도 있다. 이런 조정 가능성은 2차원 소재를 기존 CMOS 구조에 통합하는 데 중요하며, 상용화를 위해 필요한 단계다. 현재의 반도체 인프라와 호환되면 향후 통합이 간소화될 수 있지만, 현재 시연된 크기에서 양산용 웨이퍼로 확대하려면 상당한 공학적 과제를 해결해야 한다.

글로벌 경쟁과 전략적 함의

이번 반도체 기술 성과는 주요 경제권 간 기술 경쟁이 심화되는 가운데 나왔다. CAS Content Collection 데이터에 따르면 중국 기관들은 마이크로전자 분야 학술 논문과 특허에서 두드러진 증가세를 보였으며, 상업적 활용을 겨냥한 지식재산권 출원도 다수 내놓았다. 한편 미국은 국내 제조와 연구 역량을 강화하기 위해 527억 달러를 배정한 CHIPS 및 과학법을 통해 주도권을 지키려는 적극적인 전략을 추진해 왔다.

지정학적 긴장으로 세계 공급망은 복잡해졌다. 2022년 10월 도입된 수출 통제는 중국의 첨단 반도체 장비와 컴퓨팅 칩 접근을 제한했다. 이러한 규제는 AI와 방위 기술 분야에서 중국의 발전을 늦추려는 조치지만, 기술 자립을 목표로 한 국내 연구 사업도 촉진했다. 2차원 반도체의 발전은 대체 소재 플랫폼을 개발해 기존 장비의 병목을 우회할 수 있게 하는 기초 연구의 대표 사례다.

시장 분석에 따르면 약 1,118억4,000만 달러 규모인 세계 반도체 제조 장비 시장은 2025년부터 성장해 2034년에는 2,680억6,000만 달러에 이를 전망이다. 5나노미터 미만의 첨단 공정으로 전환하면서 극자외선 리소그래피와 신소재의 중요성이 커지는 것이 성장 동력이다. 현재 아시아·태평양 지역이 시장의 약 69%를 차지하고 있지만, 유럽과 북미도 특정 지역에 집중된 공급망을 다변화하기 위해 대규모 투자를 진행하고 있다.

업계 전문가들은 실험실 시연에서 상업 생산으로 넘어가려면 재료과학자와 공정 엔지니어, 소자 물리학자가 협력하는 수년간의 노력이 필요하다고 지적한다. 칩 하나에 수십억 개의 트랜지스터가 안정적으로 작동할 수 있도록 결함 밀도를 낮춰야 하며, 새 소재가 기존 리소그래피와 식각, 금속화 공정에 적합한지도 입증해야 한다. 중국 연구팀이 개발한 액체 금속 기판 방식은 어떤 소재가 최종적으로 대량 생산에 쓰이든 업계 전반의 공학적 원리에 영향을 미칠 수 있다.

상용화까지 남은 과제

실험실에서 유망한 성과를 거뒀지만, 현재의 연구 성과가 2차원 트랜지스터를 탑재한 소비자 제품으로 이어지기까지는 만만치 않은 장애물이 남아 있다. 생산 규모가 커질수록 넓은 웨이퍼 영역에서 균일성을 유지하기가 기하급수적으로 어려워진다. 36×18밀리미터 박막에서 300밀리미터 양산 웨이퍼로 전환하려면 화학기상증착 장비를 키우는 것만으로는 부족하다. 훨씬 넓어진 표면 전체에서 원자 수준의 정밀도를 유지해야 한다.

열 관리도 중요한 고려 사항이다. 텅스텐 실리콘 질화물은 일부 대체 소재보다 열 특성이 유리하지만, 초박막 소재는 본질적으로 열이 흐를 수 있는 단면적이 제한적이다. 트랜지스터가 더 촘촘히 배치될수록 성능을 유지하고 섬세한 구조의 열 손상을 방지하기 위해 폐열을 제거하는 일이 중요해진다. 또한 2차원 소재는 원자 두께의 층을 손상할 수 있는 식각과 증착, 세정 공정의 물리적 응력도 견뎌야 한다.

숙련 인력 부족은 기술적 과제를 더욱 어렵게 한다. 미국 반도체산업협회는 2030년까지 미국에서만 숙련된 기술자와 엔지니어, 과학자가 약 6만7,000명 부족할 것으로 전망했다. 세계 각지의 제조 거점도 비슷한 인력난을 겪고 있어, 연구 단계에서 실현 가능성을 입증한 기술도 실제 도입되기까지 시간이 더 걸릴 수 있다.

생산 시설 확대 계획에는 환경 문제도 큰 부담으로 작용한다. 12인치 웨이퍼를 생산하는 최신 팹 하나는 하루에 약 1,000만 갤런의 물을 소비한다. 2021년 대만의 심각한 가뭄은 반도체 제조가 자원 부족에 얼마나 취약한지 보여줬다. 제조사들은 재활용 기술과 지속 가능한 방식을 점점 더 많이 도입하고 있지만, 신소재를 다룰 신규 시설 건설을 고려하는 상황에서 칩 생산의 높은 에너지·물 사용량은 여전히 중요한 과제로 남아 있다.

핵심 내용

• 중국 연구진이 기존 방식보다 1,000배 빠른 속도로 2차원 반도체 소재를 성장시키는 화학기상증착 기술을 개발했다. 성장 속도는 분당 약 20마이크로미터다.
• 이번 성과는 액체 금과 텅스텐의 이중층 기판을 이용해 웨이퍼 규모의 텅스텐 실리콘 질화물 박막을 만들었다. CMOS 트랜지스터 쌍에 필요한 고성능 p형 2차원 소재 부족 문제를 해결할 가능성이 있다.
• 실리콘은 5나노미터 미만에서 근본적인 물리적 한계에 가까워지고 있다. 양자 터널링과 열 방출 문제는 무어의 법칙에 따라 이어져 온 수십 년간의 성능 향상을 멈춰 세울 수 있다.
• 원자 몇 층 두께에 불과한 2차원 반도체는 기존 3차원 실리콘보다 에너지 효율을 높이면서 트랜지스터 크기를 계속 줄일 가능성을 제시한다.
• 이번 개발은 중국의 연구 성과가 늘고 미국과 유럽이 국내 공급망 확보를 위해 CHIPS 관련 법률을 통해 수십억 달러를 투자하는 등 반도체 주도권을 둘러싼 글로벌 경쟁 속에서 이뤄졌다.
• 실험실 시연에서 상업 생산으로 넘어가려면 결함 밀도와 열 관리, 제조 균일성, 기존 생산 인프라와의 통합 문제를 해결해야 한다.
• 반도체 제조 장비 시장은 AI 컴퓨팅과 첨단 공정, 2차원 반도체를 비롯한 신소재 수요에 힘입어 2025년 1,118억4,000만 달러에서 2034년 2,680억 달러로 성장할 전망이다.