반도체 기술이 초미세화, 고집적화, 고속화됨에 따라 소자 내부에서 발생하는 열은 점점 증가하고 있으며, 열에 의한 성능 저하 및 신뢰성 문제는 반도체 산업의 핵심 과제가 되었습니다. 특히 고성능 컴퓨팅(HPC), AI 칩, 3D 적층 메모리, 차량용 반도체 등에서 발생하는 열은 소자의 물리적 안정성에 큰 영향을 미치므로, 고온 환경에서도 안정성을 유지할 수 있는 내열소재 기술의 중요성이 크게 부각되고 있습니다. 내열소재는 단순한 물리적 보호 소재를 넘어, 전기적 특성, 열전도율, 화학적 안정성, 공정 호환성 등 복합적인 특성을 요구하며, 이러한 소재의 성능은 반도체의 수명과 직결됩니다. 이에 따라 반도체 산업에서는 금속 배선, 절연막, 패키지, 접착 소재 등 다양한 분야에서 고온 안정성을 확보하기 위한 내열소재 기술 개발이 활발하게 진행되고 있습니다. 본문에서는 주요 내열소재의 종류와 특성, 현재 기술 수준, 발전 방향에 대해 상세히 설명합니다.
금속 배선 및 인터커넥트용 내열소재 기술
반도체 소자 내 배선은 전기 신호를 전달하는 핵심 경로로, 신호 지연을 줄이고 저항을 낮추기 위해 전도성이 우수한 재료가 필요합니다. 기존에는 주로 알루미늄과 구리가 사용되어 왔으나, 공정이 미세화되면서 금속의 전자 확산, 전기이동(electromigration), 고온 산화 등의 문제가 발생하였습니다. 이에 따라 텅스텐(W), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo) 등 내열성이 뛰어난 금속 소재가 차세대 배선 재료로 주목받고 있습니다. 특히 코발트는 구리에 비해 고온에서도 안정된 저항값을 유지하고, 금속 간 확산을 억제하는 특성이 있어 10nm 이하 공정에서 널리 채택되고 있습니다. 또한 배선과 절연막 사이의 확산을 방지하기 위한 바이어(barrier) 금속 소재로는 타이타늄 질화물(TiN), 탄탈륨 질화물(TaN), 루테늄(Ru) 등도 내열성과 화학적 안정성으로 인해 채택됩니다. 이들 내열 금속은 CMP(화학기계평탄화)나 증착 기술과의 호환성도 중요하며, 최근에는 ALD(원자층증착) 기반의 초박막 금속 코팅 기술이 내열성과 접착력 향상에 효과적이라는 평가를 받고 있습니다. 또한 저저항성과 함께 고온에서도 구조적 변형이 적은 나노 결정 금속 재료에 대한 연구도 활발히 진행 중입니다.
절연막 및 디아이렉트릭 재료의 내열 성능 향상
절연막은 배선 간 전기적 간섭을 방지하고, 전하 누설을 최소화하는 역할을 하는데, 반도체 소자의 고집적화로 인해 절연 두께가 점점 얇아지는 추세입니다. 이에 따라 열에 의해 절연 성능이 저하되거나, 구조적 수축·팽창이 발생하지 않는 고내열 절연 재료의 필요성이 커지고 있습니다. 전통적으로 사용되는 SiO₂ 외에도 SiN, SiCN, HfO₂, Al₂O₃ 등 다양한 무기 내열재료가 개발되어 사용되고 있으며, 이들은 400~700°C 이상의 온도에서도 안정적인 유전 특성과 기계적 강도를 유지합니다. 최근에는 유전율(k) 값이 낮고 열 안정성이 높은 Low-k/Ultra Low-k 재료도 널리 활용되고 있는데, 이들 소재는 기공 구조로 인해 고온에서 열화될 가능성이 있으므로, 구조 안정성과 기체 확산 저항을 동시에 확보하는 기술이 요구됩니다. 한편, 유기-무기 하이브리드 절연재도 개발 중인데, 이는 유연성과 내열성을 동시에 만족시키기 위해 유기계 고분자와 무기 산화물을 복합화한 소재입니다. 플라즈마 공정, 어닐링 처리, 열 사이클 테스트 등을 통해 열 안정성 검증이 이루어지고 있으며, 3D 패키지, TSV 등 고밀도 집적 구조에서의 적용성이 높아지고 있습니다. 절연막 내열 소재 기술의 발전은 전기적 성능뿐 아니라 공정 수율, 수명 안정성에 직결되므로, 소재 선정과 조성 제어가 더욱 정교해지고 있는 추세입니다.
패키지 및 접합소재의 내열 신뢰성 확보
반도체 패키지는 내부 소자를 외부 환경으로부터 보호하고, 전기적 연결을 통해 시스템 전체의 안정성을 좌우하는 구조로, 열적 스트레스에 매우 민감한 부분입니다. 고성능 칩의 경우 작동 중 수백 와트의 열이 발생하기 때문에, 패키지 내부의 접합재, 몰딩 재료, 서브스트레이트, 솔더볼 등 모든 요소가 고온 환경에서도 물성 변화 없이 견딜 수 있어야 합니다. 기존 솔더링은 SnPb 합금 기반이 많았으나, 환경 규제와 고온 안정성 문제로 인해 SAC(Sn-Ag-Cu), Sn-Bi, Sn-Ag-In 등의 고내열 무연 솔더로 대체되고 있으며, 최근에는 무솔더 본딩(thermocompression bonding) 기술도 내열성과 미세본딩에 적합하다는 이유로 주목받고 있습니다. 또한 패키지 내부의 접착제나 언더필 소재도 고온에서의 점도 변화, 팽창계수(CTE) 차이로 인한 균열 방지 기능이 요구되며, 이를 위해 실리콘계 고분자, 에폭시 수지, 폴리이미드 등이 사용됩니다. 특히 전기 절연성과 함께 열전도성이 높은 하이브리드 소재(예: 세라믹 충전 에폭시)는 열 방출 성능 향상에 기여하며, 고온에서의 탈가스 최소화, 열 사이클 내구성, 계면 안정성 확보 등 다양한 내열 특성을 동시에 만족시켜야 합니다. 반도체 패키지의 내열소재 개발은 단순한 고온 대응을 넘어, 패키지 소형화와 신뢰성 확보를 동시에 요구받는 상황으로 진화하고 있습니다.
반도체 내열소재 기술은 고온에서도 전기적, 기계적, 화학적 특성을 안정적으로 유지할 수 있는 재료 확보를 목표로 발전해 왔으며, 공정 미세화 및 고성능화 추세에 따라 그 중요성이 지속적으로 증가하고 있습니다. 금속, 절연체, 접합재 등 각 부품의 소재 특성에 대한 이해와 통합적 재료 설계 역량이 요구되며, 차세대 반도체 기술의 구현을 위한 핵심 기반으로 자리 잡고 있습니다. 앞으로도 신소재 개발, 나노구조 제어, 공정 호환성 확보를 통해 반도체 내열소재 기술은 더욱 고도화될 것입니다.