원자 하나에 깨진 2나노, 반도체가 쌓아온 제조 공식 뒤흔들다

반도체 제조 기술이 2나노미터 미만 영역으로 진입하면서 기존 단위 공정 간 구분이 사라지고 전체 제조 흐름이 재편되고 있다.

세미컨덕터 엔지니어링은 2026년 9월 10일(현지시각) 미세화 진행으로 회로를 만들 때 장비의 미세한 흔들림이나 오차가 발생하더라도 제품이 정상 작동할 수 있도록 허용되는 물리적인 여유 공간이나 허용 오차 범위가 소멸되어 검사와 계측, 제조 공정이 상호 결합하는 구조로 전환된다고 보도했다. 물리적 한계에 따른 공정 변동성 확대는 선단 공정 양산을 추진하는 한국 반도체 파운드리 생태계에도 직접적인 공정 제어 과제를 안긴다.


반도체 회로 선폭이 2나노미터 미만으로 좁혀지면서 원자 하나의 위치 변화가 전체 칩 동작에 영향을 미치는 현상이 나타났다. 얇아진 웨이퍼 기판에서는 일반적인 탐침 접촉조차 산화막이나 내부 비아 구조를 손상할 위험이 크다.
지멘스 EDA의 리 해리슨 자동차 IC 솔루션 디렉터는 "하이브리드 본딩 접합부를 온전히 유지하면서 탐침 검사를 수행하기는 불가능하다"고 밝혔다. 이에 따라 제조사들은 접합부 손상을 막기 위해 희생 패드를 사용하거나 테스트 이전에 웨이퍼 본딩을 먼저 진행하는 방식으로 공정 순서를 변경하고 있다. 칩렛 구조 확산에 따른 열 밀도 상승과 미세 휨 현상 역시 개별 공정의 독립적 제어를 어렵게 만드는 요인이다.


초미세 공정 진입으로 계측 장비의 민감도가 올라가면서 유의미한 불량과 무해한 공정 편차를 가려내는 작업이 핵심 병목으로 부상했다. 온토 이노베이션의 프라사드 바치라주 시니어 디렉터는 장비 민감도 향상으로 웨이퍼 한 장에서 감지되는 잠재 결함이 수백만 개로 폭증했으며 일반 공정 변동까지 결함 신호로 잡힌다고 설명했다.

프로테안텍스의 노암 브루사드 솔루션 엔지니어링 부사장은 검출 신호 상당수가 국소 공정 변동을 반영할 뿐이라며, 단일 지표가 아닌 다중 데이터 분석이 필수라고 짚었다. 수많은 공정 변수를 실물 하드웨어 테스트만으로 검증하는 방식은 물리적 한계에 도달했다.

이에 따라 공정 가상화가 대안으로 제시됐다. 램리서치의 데이비드 프리드 세미버스 솔루션 부사장은 하드웨어 전수 측정 대신 가상 모델링과 최적화 시뮬레이션 기반 연구개발로 산업 체계가 이동했다고 진단했다.

브루커 세미컨덕터의 줄리엣 반더메어 제품 마케팅 매니저는 공정 허용 오차가 옹스트롬 범위로 좁혀짐에 따라 X선 단층 촬영 장비를 활용한 서브 옹스트롬 단위 계측 수요가 늘고 있다고 분석했다.

2나노 미만 공정의 복합 결함 관리는 선단 파운드리 라인을 구축 중인 한국 반도체 기업의 수율 안정화 속도를 좌우하는 변수다. 하이브리드 본딩과 수직 적층 패키징 도입에 따라 전공정과 후공정 경계가 무너지면서 중간 단계 검사가 제한되는 병목이 발생하기 때문이다.

양산 초기에는 첨단 패키징 검사 장비 도입과 가상화 툴 적용에 따른 공정 구축 비용이 상승할 수 있다. 이후 설계와 제조 데이터 연계망이 안착하면 결함 예측력이 개선되어 원가 손실을 방어하는 경로로 이어진다.

반면 파운드리와 패키징 사이의 데이터 단절이 지속되거나 하이브리드 본딩 접합 후 결함률을 통제하지 못한다면 이러한 수율 방어 시나리오는 성립하기 어렵다.

차세대 공정 경쟁의 승부처는 개별 공정의 하드웨어 스펙 다툼을 넘어 다중 계측 데이터와 가상화 모델을 통합하는 오케스트레이션 인프라를 얼마나 신속하게 제조 라인에 정착시키느냐에 달렸다. 단위 공정의 분절적 운영을 끝내고, 전주기 데이터를 유기적으로 결합하는 기업이 차세대 반도체 제조 주도권을 확보할 가능성이 크다.


김주원 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com