반도체 기술의 발전은 트랜지스터의 크기를 줄이는 데에 집중되어 왔지만, 최근 수십 년 간 눈에 띄게 진화한 분야 중 하나가 바로 '배선 기술'입니다. 반도체 칩 내부의 배선은 수십억 개의 트랜지스터를 연결하는 전기 신호의 통로로, 회로의 성능, 전력 소비, 집적도, 신뢰성 등에 큰 영향을 미칩니다. 초기에는 단순한 알루미늄 배선을 이용한 평면 구조였지만, 미세 공정이 7nm 이하로 진입하면서 저저항, 고속 전송, 정밀 적층, 전자간섭 최소화 등 복합적인 기술이 요구되고 있으며, 이로 인해 배선 재료와 설계 구조는 획기적으로 변화하고 있습니다. 본문에서는 반도체 배선 기술의 발전 과정을 재료, 구조, 공정 기술 중심으로 살펴보고, 최신 고도화 기술과 미래 적용 가능성까지 분석합니다.
1세대 알루미늄 배선에서 구리(Cu) 배선으로의 전환
1980년대까지 대부분의 반도체 배선은 알루미늄(Al)을 기반으로 구성되었습니다. 알루미늄은 가공이 쉬우며 전도도가 높고 가격이 저렴해 널리 사용되었으나, 공정 미세화가 진행됨에 따라 저항 증가와 전자이동(Electromigration) 문제가 두드러졌습니다. 이에 따라 1990년대 말부터 IBM과 인텔 등 주요 기업을 중심으로 구리(Cu) 배선이 도입되기 시작했습니다. 구리는 알루미늄 대비 전기 저항이 낮고, 전자이동 저항성이 우수하여 미세화에 유리하다는 장점이 있으며, 이로 인해 칩의 클럭 속도 향상과 전력 소비 감소가 가능해졌습니다. 구리 배선 도입과 함께 도입된 기술이 바로 '배리어 메탈'과 '다마신(Damascene) 공정'입니다. 구리는 실리콘이나 절연막과 반응성이 높아 확산을 방지하기 위한 타이타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 등의 배리어 층을 형성해야 했고, 식각이 어려운 구리를 위해 전통적인 패터닝 대신 구리 도금을 활용하는 다마신 공정이 필요했습니다. 이와 같은 기술적 진화는 반도체 제조 공정의 복잡성을 증가시켰지만, 결과적으로 고성능 칩 구현의 필수 요소가 되었습니다. 이후 수십 개에 달하는 배선층(Metal Layer)이 수직으로 적층되면서, 배선 밀도와 신호 처리 속도가 획기적으로 향상되었습니다.
고속·고집적화를 위한 신소재 및 절연 기술 도입
구리 배선이 자리잡은 이후에도 미세 공정이 10nm, 7nm, 5nm로 진화하면서 배선 기술은 새로운 도전에 직면하게 됩니다. 트랜지스터의 성능 향상에도 불구하고 배선의 저항과 기생 용량이 전체 칩 속도의 병목이 되는 상황이 발생했고, 이는 'RC Delay'로 표현되는 신호 전송 지연 문제로 이어졌습니다. 이에 따라 배선 재료뿐 아니라 절연층 재료에도 기술 혁신이 이루어졌습니다. 대표적으로 '로우-케이(Low-k)' 절연재는 기존 실리카(SiO₂) 대비 유전율이 낮아, 배선 간 신호 간섭(Crosstalk)을 줄이고 지연 시간을 단축시킬 수 있습니다. 이후에는 공기층(Air Gap) 기술이 일부 고급 공정에 도입되어 배선 간 완전한 절연을 구현하기도 했습니다. 배선 구조 측면에서도 '멀티 패턴링'과 'EUV 리소그래피'의 도입으로 매우 미세한 간격의 배선 패턴이 구현 가능해졌으며, 상하 간 배선을 연결하는 비아(Via) 구조도 더욱 정밀하게 제어되고 있습니다. 최근에는 구리조차도 저항과 정렬 난이도 등의 한계에 봉착하면서, '코발트(Co)', '루테늄(Ru)', '몰리브데넘(Mo)'과 같은 차세대 배선 소재가 연구되고 있습니다. 이러한 신소재는 구리보다 전기적 성능은 낮지만, 원자 단위에서의 제어와 누설 전류, 배선 간 누화 등을 줄일 수 있는 장점으로 인해 3nm 이하 공정에서 점차 채택되고 있습니다. 이처럼 배선 기술은 단순한 금속 전도체를 넘어서, 복합적인 재료공학과 미세공정의 총합체로 진화하고 있습니다.
3D 구조 및 고집적 패키징에서의 반도체 배선 기술 확장
최근 반도체 기술은 평면 트랜지스터(FinFET)에서 게이트 올 어라운드(GAA)로, 단일 다이에서 멀티 다이 구조로 발전하면서 배선 기술의 범위 또한 칩 내부를 넘어 패키지 영역으로 확장되고 있습니다. 특히 '3D 집적(3D IC)' 기술의 확산으로 인해 TSV(Through Silicon Via), RDL(Redistribution Layer), μBump 등의 기술이 고속 인터커넥트 구현을 위한 핵심 배선 솔루션으로 부상하고 있습니다. 이러한 기술은 칩 간의 수직 연결을 통해 신호 전송 거리를 최소화하고, 대역폭을 극대화하며, 전력 효율을 향상시킬 수 있게 해 줍니다. 또한 칩렛(Chiplet) 기반의 MCM(Multi-Chip Module), Foveros, CoWoS와 같은 고급 패키징 기술에서는 실리콘 인터포저 또는 고밀도 유기 서브스트레이트 위에 정밀한 배선을 구현해야 하며, 이 과정에서도 구리 또는 코발트 도금, 초미세 패턴링, 전자기 차폐 기술이 필수적으로 적용됩니다. 나아가 AI, HPC, 서버용 반도체에서 요구되는 초고속 데이터 처리를 위해서는 패키지 내부 배선과 기판의 저손실, 저지연 배선 기술이 경쟁력의 핵심으로 부각되고 있으며, 삼성전자, 인텔, TSMC, ASE 등은 각자의 고유한 패키징 기술로 배선 밀도와 전송 속도를 차별화하고 있습니다. 결국 반도체 배선 기술은 단일 칩의 내부 연결에서 시작해, 이제는 칩 간, 모듈 간, 시스템 간 연결을 최적화하는 초정밀 고집적 기술로까지 진화하고 있는 셈입니다.
반도체 배선 기술은 과거 단순한 금속 연결 수준을 넘어, 미세 공정, 신소재, 전자기 제어, 3D 구조 설계 등 첨단 기술이 집약된 핵심 분야로 자리잡았습니다. 공정 미세화가 극한에 다다른 지금, 배선 기술은 오히려 칩의 성능 한계를 결정짓는 요소로 부상하고 있으며, 고성능 반도체 경쟁의 새로운 승부처가 되고 있습니다. 향후 배선 기술은 양자 터널링, 전자 누설, 전계 집중 등의 물리적 한계를 극복하기 위해 원자 단위의 제어와 소재 혁신, 새로운 공정 패러다임이 필요할 것입니다. 또한 고대역폭, 저전력, 고신뢰성을 동시에 만족시키는 배선 기술은 AI, 자율주행, 데이터센터, 우주항공 등 다양한 산업의 기술 진보를 이끄는 핵심 동력으로 작용할 것으로 전망됩니다.