반도체 (Semiconductor)


반도체(半導體, semiconductor)란 전기가 잘 통하는 도체와 통하지 않는 절연체의 중간적인 성질을 나타내는 물질이다. 오늘날 전자기기에 널리 사용되는 반도체들은 열, 빛, 자장, 전압, 전류 등의 영향으로 그 성질이 크게 바뀌는데, 이 특징에 의해 매우 다양한 용도로 활용되고 있다.


‘반도체’라는 말은 ‘semiconductor’의 ‘semi-(반)’와 ‘conductor(도체)’라는 단어에서 유래한 것이다.


초기의 반도체 재료는 주기율표에서 4족 원소인 게르마늄이 사용되었으나, 오늘날에는 대부분 실리콘을 주원료로 사용하고 있다. 미국의 윌리엄 브래드포드 쇼클리(William Bradford Shockley)는 도체나 진공 속으로만 다니던 전자가 완전 도체도 절연체도 아닌 반도체라는 고체 안에 존재하면서 흥미로운 특성을 갖게 된다는 사실을 처음으로 발견하였다.


▲ <사진> 윌리엄 브래드포드 쇼클리 (1910~1989)





Posted by  Mr.반           

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지난 글에서는 반도체가 상용화된 후, 너무 작아진 게이트 렝스가 '누설전류'를 유발하기 시작했다는 점을 언급했다. 그래서 반도체 제조 업체들이 게이트 렝스를 줄이고 게이트 절연체 두께를 얇게 만들어도 누설전류가 최소화되는 방법을 연구하기 시작했다. 이번 글에서는 누설전류를 해결하기 위해 등장한 대표적인 기술인 'High-K'와 'Fin-FET'에 대해 알아볼 것이다.


High-K


우리가 지금까지 많이 들어본 ‘Low-K’는 반도체의 트랜지스터 부분이 아닌, 트랜지스터에 입력되거나 출력되어 나온 전류 혹은 신호들이 전달되는 일반 금속 배선들에 사용되는 절연 물질이다.즉, 전기 스위치를 예를 들면 <그림2>에서 보는 것과 같이 High-K는 스위치 역할을 하는 게이트에 사용되는 절연 물질이고, Low-K는 그 스위치에 입력 혹은 출력되는 배선에 사용되는 물질이다. 이들은 절연이라는 기본 기능은 같지만 특성은 매우 다르다. Low-K에 대한 설명은 2009년 10월호 사보 [미래로 가는 패키지]에서 소개된바 있다.


High-K 게이트 아래에 있는 절연 물질을 일반적으로 게이트 산화물(Gate oxide)이라고 하는데 실리콘을 고온으로 높여 산화실리콘을 형성함으로써 만든다. 그런데 이 산화실리콘을 점점 얇게 하면 그만큼 적은 게이트 전류에도 트랜지스터 스위치를 작동하게 할 수 있다는 이점이 있고, 그만큼 게이트 조절 전류값을 낮출 수 있어서 트랜지스터에서 소비되는 전력을 아낄 수 있었다. 하지만 산화실리콘이 너무 얇으면, 이를 통해 누설전류가 발생하는 부작용이 나타나 그 두께 일정 이하로 얇게 만들 수가 없었다. 그래서 더이상 누설전류가 증가하지 않도록 절연층 두께를 기존과 같이 그대로 두고, 대신 게이트 조절 전류값이 낮아도 전류 자극이 잘 전달이 될 수 있는 물질을 개발하게 되었는데, 이와 같은 물질이 ‘High-K’다.


Fin-FET


중국 요리에 상어 지느러미로 만든 ‘샥스핀’이라는 요리가 있다. 상어가 영어로 샤크(Shark)고, 지느러미가 영어로 핀(Fin)이라고 해서 이 두 단어가 합쳐져 샥스핀(Shark’s Fin)이라고 부른다. FET은 ‘Field Effect Transistor’의 약자로 반도체 트랜지스터를 작동시키는 원리라고만 이해하고 넘어가자. 기존 FET에 비해 새롭게 개발된 이 FET이 물고기 지느러미를 닮았다고 해서 Fin-FET이라고 불리게 되었다. 이제 아래 그림을 보자. <그림3>은 인텔 기술 세미나에서 발표된 자료에서 인용된 것으로, 기존의 평면 FET와 Fin-FET 트랜지스터의 차이를 보여준다.


▲<그림 3> 평면 FET과 Fin-FET


그림에서 보면, 소스 위에 찍힌 노란색 점들은 각각 그 트랜지스터에서 흐를 수 있는 면적을 의미하고 이는 흐를 수 있는 전류의 양과 비례한다. 구조적으로 왼쪽 평면 FET는 2차원적으로 평면에서 한 면으로만 전류가 흐르지만, 오른쪽 Fin-FET은 앞면, 뒷면, 그리고 적게나마 윗면까지 3차원적으로 입체적인 3개 면을 통해 훨씬 많은 양의 전류를 보낼 수 있다. 즉, 평면 FET는 종이의 한 면만 사용하는 반면, Fin-FET은 종이의 앞뒤면을 모두 쓰고 실제 종이에서는 가능하지 않지만 종이의 옆면까지도 사용하는 셈이다.


하지만 그림에서 보는 것처럼 Fin-FET이 실리콘 위에서 차지하는 면적은 오히려 적다. 결국, 또다시 Fin-FET 기술을 통해 그동안 반도체 집적도 개발을 주도해 왔던 전형적인 방법인, 트랜지스터 면적을 줄여 집적도를 높이는 것과 같은 효과를 가져올 수있다. 게다가 Fin-FET은 게이트가 누설전류 없이 좀더 효과적으로 전류의 흐름을 조절할 수 있어서 더욱 더 게이트 렝스를 감소시킬 수 있는 여지를 제공한다.



▲<그림 4> Fin-FET의 효과

 출처: 한국경제신문 2006년 4월 8일자 기사


그렇다면 이와 같은 Fin-FET이 어떻게 소스와 드레인간 전류 흐름을 누설전류 없이 더욱 효과적으로 조절할 수 있을까? 다음 <그림4>를 보자. 한국경제신문 2006년 4월 8일자 기사에 인용된 그림으로 아직 Fin-FET의 효과를 이처럼 잘 설명한 그림을 보지 못했다. 기존의 평면 FET이 물이 흐르는 호스를 단순하게 위에서 눌러 물의 흐름을 평면적으로 제어했다면, Fin-FET는 움켜쥐는 방식으로 물의 흐름을 입체적으로 조절한다고 볼 수 있다. 그래서 기존 방법보다 더욱 효과적으로 누설전류 없이 전류의 흐름을 매우 효과적으로 조절할 수 있다.


<그림5>는 Fin-FET을 미국 버클리 대학교에서 실제로 구현한 것을 보여주는 사진이다. 이와 같은 Fin-FET 기술은 이미 실용화 단계에 있으나, 아직 생산 비용이 비싼 이유로 인텔과 같은 몇몇 반도체 선두 기업에 의해 고가의 반도체에만 실제 적용되어 일부만 상업 생산하고 있다.


▲<그림 5> 실제 Fin-FET

 출처: eecs.berkeley.edu


지금까지 반도체 개발에 있어서 고전적으로 트랜지스터의 게이트 렝스를 줄여 집적도를 높이는 방법으로는 한계에 이르고 있다. 이를 극복하고자 어떤 새로운 기술들이 현재 적용되고 있는지에 대해 알아보고자 대표적인 기술 두 가지를 살펴보았다. 하지만 이와 같은 새로운 기술들이 끊임없이 개발되고 있음에도 불구하고 실리콘을 이용한 반도체 기술에는 조만간 그 한계에 다다를 것으로예측하는 과학자들이 점점 늘어나는 추세다.


그래서 다음호에는 이와 같은 실리콘 웨이퍼의 한계를 극복하기 위해 어떤 기술들이 연구되고 있는지 살펴보는 기회를 얻고자 한다.


글쓴이 / 기술연구소 개발2팀 김윤주 부장 






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지난 호에서는 ‘반도체의 역사’라는 주제로 반도체의 기술적 정의와 발전 과정을 살펴보았다. 이번에는 ‘반도체의 현재’라는 주제로 시작해 보려고 한다. 그래서, 지금 반도체 제조회사들이 반도체의 집적도를 더욱 높이고 한계를 극복하기 위해 사용하거나 연구하는 그 기술들에 대해 살펴보고자 한다. 

 

우리가 살 수 있는 면적은 제한적이다. 처음에는 전원주택과 같은 여유로운 주거 환경에서 점점 인구가 증가함에 따라 주택가 같은 밀집 지역이 생겨나고, 이어 5층 안팎의 연립주택으로, 또다시 10여 층 이상의 아파트단지로, 이제는 그 아파트들이 20층을 넘어 50층 이상의 초고층 아파트로 등장하기에 이르렀다. 하지만 기술의 한계로 무한정 높게 쌓을 수는 없고, 언젠가는 그 높이도 한계에 다다르게 될 것이다. 아마도 그때는 바다나 우주와 같은 또 다른 공간을 찾는 시도를 할지도 모르겠다. 

반도체도 이와 비슷하다. 제한된 면적에 트랜지스터의 크기를 작게 만들어 집적도를 높이는 방법은 그동안 매우 효과적인 방법이었다. 하지만 현재에 이르러서는 그 한계를 맞고 있는 듯하다.


무어의 법칙과 황의 법칙


1940년대에 반도체가 처음 발명되고, 1960년대에 집적 반도체가 처음으로 상용화된 이후, 반도체는 실로 눈부시고 숨가쁘게 발전되어 왔다. 인텔사의 공동 설립자이자 반도체 과학자였던 고든 무어(Gordon E. Moore)는 1년 6개월마다 반도체의 성능이 두 배로 개선이 된다는 ‘무어의 법칙(Moore's Law)’을 발표했고, 정말 30년 동안은 법칙으로 지켜지는 듯했다.
 
하지만 2000년대에 들어서자 삼성은 무어의 법칙을 깨고 자신들은 1년마다 두 배로 개선하겠다는 이론을 펼쳤고, 삼성전자 황창규 사장의 성을 따 ‘황의 법칙’이라고 이름 지었다.그리고 이것을 실제로 실현함으로써 결국 삼성은 세계 반도체 시장 메모리 분야에서 세계 1위의 독보적 위치를 차지하게 된다

어쩌면 1년 6개월 혹은 1년이라는 이런 법칙 때문에 반도체가 필연적으로 스스로 발전했다기보다는 목표를 세우고 이를 위해 부단하게 노력해온 우리 반도체업계 종사자들이 흘린 땀 때문에 발전할 수 있었다고 보는 것이 옳을 것이다. 

여하튼 오늘날까지 반도체의 발전은 트랜지스터 크기를 줄여 제한된 면적에 더욱 많은 트랜지스터를 집어넣어 집적도를 높이는 방법으로 발전되어 왔다. 이와 같은 개발 방법은 지금까지 매우 효과적이었고, 그래서 무어의 법칙이든 황의 법칙이든 가능했었다. 1960년대 여유로운 시골 마을에서, 1970년대 밀집한 주택가, 1980년대 5층짜리 연립주택들, 그리고 2000년대 엘리베이터가 설치된 아파트 단지들까지, 이들 건물은 무어의 법칙처럼 1년 6개월만에 전국에 수백 수천 개씩 대량으로 빠르게 지어졌다. 지금은 40층 이상의 초고층 아파트들이 지어지고, 심지어는 100층이 넘는 건물도 지어지는 중이다. 
 
문제는 이와 같은 초고층 아파트는 20층 남짓한 아파트를 지을 때 사용하던 시멘트와 같은 재료와 기존 건설 공법으로는 만들 수 없다는 점이다. 그래서 새로운 건축 재료와 공법이 필요하게 되었다. 이처럼 반도체 개발에서도 지금까지 해온 것처럼 단순하게 크기만을 줄여 집적도를 높이는 고전적인 방법으로는 한계에 봉착한다. 그래서 한계에 다다른 무어와 황의 법칙을 이어가기 위해서는 새로운 재료와 기술이 필요하게 된 것이다.




유전율과 FIN-FET


다소 어려울 수도 있겠지만, 반도체의 집적도를 이해하기 위해서는 트랜지스터 구조를 이해해야 한다. 반도체, 즉 트랜지스터에는 아래와 같이 회색으로 칠해진 실리콘에 전자 흐름의 입구라 할 수 있는 ‘소스(Source)’와 전자 흐름의 출구라 할 수 있는 ‘드레인(Drain)’이 있다. 습기가 있는 곳에 철을 두면 그 표면에 녹슬어 산화철이 만들어지는 것처럼, 실리콘을 고온으로 가열하면 표면에 녹슬어 산화실리콘이라는 물질로 바뀐다. 이 산화실리콘은 반도체의 특성을 잃어버리고, 전혀 전기가 흐르지 못하는 절연체가 된다.


▲<그림1> 반도체 실리콘 구조


지난 호에서 반도체에 자극을 주어 도체 혹은 부도체가 되도록 조절할 수 있다고 설명한 바와 같이, 이 산화실리콘 위에 자극을 주기 위한 스위치 역할을 해주는 게이트(Gate)를 연결하게 된다. 

 
앞서 설명한 반도체의 집적도를 높이는 방법으로 트랜지스터를 작게 만든다고 했는데, 그것이 바로 위의 그림에서 빨간색 화살표로 표시된 ‘전류 통과 길이’인 ‘게이트렝스(Gate length)’를 작게 하는 것이다. 그래서 이 거리를 숫자로 표시한 것이 32나노 혹은 20나노 반도체 디바이스라고 한다. 1나노(nm, Nano meter)는 1mm의 백만분의 1이다. 1mm도 작은데 그것의 백만분의 1이라니. 언뜻 느낌이 오지 않는다. 예를 들어 보자. 우리 키가 1m라고 해보자. 만약 이 키를 백만배 키우면 얼마나 될까? 1,000km가 될 것이다. 키가 1,000km면 우리나라 해남 땅끝마을에서 시작해 북한 백두산을 지나 한반도 북쪽 끝 두만강에 이르는 거리다. 
 
자, 다시 반도체로 돌아오자. 반도체의 가장 중요한 기능 중의 하나가 스위치 기능이다. 그럼 어떤 스위치가 좋은 스위치일까? 첫 번째, 스위치를 켜고 끌 때 그 전류의 흐름을 빠르게 연결하고 빠르게 끊어야 할 것이다. 두 번째, 스위치를 켰을 때 전류가 끊김없이 잘 흘러야 하며, 껐을 때는 전류가 전혀 흐르지 않아야 한다. 세 번째, 그 스위치를 켜고 끌 때 적은 힘으로도 부드럽게 켜고 끌 수 있다면 더욱 좋을 것이다.


그럼 반도체 트랜지스터 스위치에 있어서 위와 같은 성능을 높이는 방법에는 무엇이 있을까? 트랜지스터의 성능을 높이는 가장 일반적인 방법은 두 가지가 있다. 첫 번째는 전자입구인 소스에서 전자출구인 드레인까지, 전류통과 길이인 게이트렝스를 줄이는 방법이다. 두 번째는 위의 그림에서 검은색으로 칠해진 절연체(gate oxide)의 두께를 줄이는 것이다.


이 두 가지 방법을 통해 트랜지스터 스위치를 조절하면서 게이트에 아주 작은 전류 자극을 걸어도 소스와 드레인 간의 적은 전류 흐름까지도 매우 빠르게 조절할 수 있게 된다. 만약에 이 반도체가 휴대전화에 사용된다면, 적은 전류로 트랜지스터들이 작동하기 때문에 결과적으로 배터리 소모를 줄여 한번의 충전으로 더욱 오랫동안 사용할 수 있게 한다. 그리고 게이트 렝스를 줄이면 트랜지스터 스위치의 성능을 높이는 것은 물론, 앞서 말한 반도체의 집적도를 높이는 방법이기도 해서 일거양득이 된다. 그래서 반도체 업계들이 끊임없이 게이트 렝스를 줄이고자 노력해 왔다.


그런데 이렇게 1960년대 반도체가 상용화한 후 40년이 지난 현재까지도 끊임없이 줄이다 보니 이젠 너무 작아진 게이트렝스가 다른 문제점을 유발하는 부작용이 나타나기 시작했다. 즉, 소스와 드레인 간의 서로 거리가 너무 가까워지다 보니,게이트에 전류 자극을 주지도 않았는데도 이들 사이에 조금씩 전류가 흐르는 ‘누설전류’가 나타나기 시작한 것이다. 게다가 그 반도체에는 수억 개의 트랜지스터가 집적되다 보니, 그 누설전류들 역시 무시할 수 없는 수준이 되었다. 마치 우리가 휴대전화를 사용하지 않는 대기 상태에서도 누설전류에 의해 계속 배터리를 소모하게 되는 원인이 되는 것처럼 말이다.


그래서 반도체 제조업체들은 게이트 렝스를 줄이고 게이트 절연체 두께를 얇게 만들어도 누설전류가 최소화되는 방법을 연구하기 시작했다. 이들 문제에 대항하고자 근래에 들어 등장한 대표적 기술들이 ‘High-K’와 ‘Fin-FET’다.


글쓴이 / 기술연구소 개발2팀 김윤주 부장 



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