반도체 입문 · 25강
트랜지스터는 얼마나 더 작아질 수 있는가: ‘몇 나노’에서 ‘옹스트롬 시대’까지
뉴스는 날마다 ‘2나노’ ‘3나노’를 말하고, ‘옹스트롬 시대’라는 말도 쓰기 시작했다. 이 숫자들이 어디서 왔는지, 왜 줄일수록 어려워지는지, 트랜지스터가 왜 거듭 모양을 바꾸는지 이해하면 칩이 앞으로 어디로 가는지 읽을 수 있다.
학습 목표
- 나노미터와 옹스트롬이 얼마나 작은지(1나노미터는 10옹스트롬) 알고, ‘2나노’ ‘옹스트롬 시대’ 같은 명칭은 칩 위 어떤 것의 길이가 아니라 공정 세대의 이름이라는 점을 이해한다.
- 무어의 법칙이 무엇을 말하는지, 그리고 왜 줄일수록 어려워지는지(원자 크기에 근접, 누설 전류와 발열, 느려지는 배선, 갈수록 커지는 비용) 설명할 수 있다.
- 트랜지스터가 왜 평면 구조에서 세워 올린 핀(FinFET)으로, 다시 네 면을 감싸는 구조(GAA)로 바뀌었는지, 그리고 전원 배선이 왜 웨이퍼 뒷면으로 옮겨 가기 시작했는지 설명할 수 있다.
핵심 설명
‘몇 나노’에서 ‘옹스트롬’으로: 실제 치수가 세대의 이름이 되다
나노미터는 10억분의 1미터로, 머리카락 한 올의 굵기는 수만 나노미터 정도다. 칩을 만드는 방법 전체를 공정이라고 하며, 세대마다 이름이 있다. 1990년대 무렵까지는 이름이 트랜지스터의 어떤 실제 치수와 거의 맞아떨어졌다. 예를 들면 그 세대가 만들 수 있는 가장 가는 선의 폭 정도였다. 세대마다 목표는 같은 면적에 두 배의 스위치를 넣는 것이었다. 가로와 세로를 각각 0.7배로 줄이면 면적은 거의 절반이 된다. 그래서 이름도 ‘이전 세대 × 0.7’로 붙여 나갔다. 90, 65, 45, 32……를 거쳐 3, 2까지 이어졌다. 이후 트랜지스터는 더 이상 ‘모든 것을 비례대로 줄이는’ 방식으로는 성능을 높일 수 없게 되었고, 모양을 바꾸고 재료를 바꾸는 쪽으로 옮겨 갔다(아래에서 다룬다). 세대가 바뀔 때마다 더 많이 집어넣는 것은 여전했지만, 이름에는 ‘몇 번째 세대인가’라는 의미만 남았다. 통일된 기준이 없기 때문에 같은 숫자라도 회사마다 실제로 만든 크기가 꼭 같지는 않다. 더 내려가면 ‘1점 몇’ ‘0점 몇’ 나노미터가 되어 부르기가 매끄럽지 않다. 그래서 2나노 이후의 세대들은 업계와 언론이 옹스트롬으로 부르기 시작했고, ‘옹스트롬 시대’는 대체로 이 세대들을 가리킨다. 1옹스트롬은 0.1nm로, 원자 하나 정도의 크기다. 단위가 바뀌어도 여전히 이름일 뿐, 칩 위의 어떤 치수를 잰 값이 아니다.
왜 줄일수록 어려워지는가
무어의 법칙은 1965년 한 엔지니어가 내놓은 관찰이다. 칩 위의 부품(나중에는 주로 트랜지스터) 수가 대략 해마다 두 배로 늘어난다는 것이었고, 1975년에는 이를 약 2년마다로 고쳤다. 2010년대 무렵부터 그 속도가 느려졌다. 첫째, 크기가 원자에 다가섰다. 1nm에는 실리콘 원자가 몇 개밖에 놓이지 않고, 원자는 반으로 자를 수 없다. 둘째, 트랜지스터가 너무 작아지면 확실히 꺼지지 않아 꺼진 상태에서도 전류가 새어 나간다. 이를 누설 전류라고 한다. 전압도 더 낮추기 어려워서, 스위치를 빽빽하게 넣을수록 칩은 뜨거워진다. 셋째, 더 미세하게 찍으려면 노광 장비가 파장이 더 짧은 빛으로 바꾸거나 한 층을 여러 번에 나누어 찍어야 한다. 단계가 많아질수록 단계마다 오류가 생길 수 있고, 비용도 점점 커진다. 넷째, 배선이다. 선이 가늘수록 저항이 커지고, 두 선이 가까울수록 서로 영향을 주어 전압 변화도 느려진다. 트랜지스터는 작게 만들면 보통 빨라지지만 배선은 가늘게 만들면 오히려 느려진다. 그래서 칩이 첨단일수록 신호 지연 가운데 배선 때문에 생기는 몫이 커진다.
꺼지지 않으면 모양을 바꾼다: 평면에서 세운 구조로, 다시 네 면을 감싸는 구조로
트랜지스터에서 켜고 끄는 것을 제어하는 전극을 게이트라고 한다. 예전의 트랜지스터는 평면형이었다. 전류가 흐르는 채널이 실리콘 표면에 누워 있고, 게이트는 그 위만 덮었다. 크기가 줄어 입구와 출구가 점점 가까워지자 게이트가 채널 아래쪽까지 통제하지 못해, ‘꺼짐’ 상태에서도 전류가 새어 나갔다. 호스를 손가락 하나로 위에서만 누르면 아래로 물이 새는 것과 같다. 그래서 채널을 폭이 몇 nm밖에 되지 않는 얇은 벽(핀)으로 세우고, 게이트가 그 위를 가로질러 윗면과 양옆, 세 면에서 감싸게 했다. 이것이 핀 구조 트랜지스터(FinFET)로, 2010년대 초부터 널리 쓰이기 시작했다. 핀은 더 얇게 만들기 어렵고, 게이트가 더 짧아지면 세 면으로도 맨 아래쪽은 잘 붙잡지 못한다. 그래서 다시 게이트 올 어라운드(GAA)로 바뀌었다. 채널을 얇은 시트 여러 장을 쌓은 형태로 만들고, 게이트가 시트와 시트 사이까지 채워 네 면을 모두 감싼다. 호스를 손 전체로 한 바퀴 움켜쥐는 것과 같다. GAA는 2020년대, 뉴스에서 말하는 3나노, 2나노 무렵에야 양산이 시작되었다. 그다음 단계로, 짝을 이루는 두 종류의 스위치(n형과 p형)를 위아래로 쌓는 것, 원자 몇 개 두께밖에 되지 않는 재료를 채널로 쓰는 것은 모두 아직 연구 단계다.
전원 배선을 뒷면으로, 그리고 다른 길들
배선도 병목이 되었다. 최첨단 칩에서는 트랜지스터 위에 십여 층의 배선이 쌓여 있고, 전력을 보내는 전원 배선과 신호를 전달하는 배선이 모두 이 한 면에 몰려 있다. 선이 가늘수록 저항이 커져서, 전기가 스위치에 이르렀을 때는 전압이 이미 전원보다 조금 낮아져 있고, 그만큼 스위치의 전환이 느려진다. 전압 손실을 줄이려면 전원 배선을 굵고 많이 깔아야 하는데, 그러면 신호 배선이 밀려나 돌아가야 한다. 그래서 최신 세대 가운데 일부는 후면 전력 공급(backside power delivery)을 쓰기 시작했다(회사마다 방식이 조금씩 다르다). 앞면에 트랜지스터와 신호 배선을 평소대로 만든 뒤, 웨이퍼를 뒤집어 지지용 웨이퍼에 붙이고, 원래 웨이퍼를 뒷면에서 1μm 안팎이나 그보다 더 얇게 갈아 낸다. 그런 다음 구멍을 뚫어 트랜지스터와 연결하고, 굵고 짧은 전원 배선을 깐다. 전압 강하가 줄고 앞면은 신호용으로 비게 된다. 대신 단계가 늘어 비용이 올라가고, 열을 빼내기도 더 어려워진다. 다른 길도 동시에 가고 있다. 일부 메모리는 데이터를 저장하는 셀을 한 층씩 위로 쌓고, 첨단 패키징은 작은 칩 여러 개를 하나로 묶으며(‘첨단 패키징과 신소재’ 참고), 가장 미세한 층들은 극자외선(EUV)으로 찍는다. 이름은 나노미터에서 옹스트롬으로 내려가고 있지만, 그 뒤에서 세대마다 실제로 바뀌는 것은 트랜지스터의 모양, 전원 배선의 위치, 가장 미세한 층을 어떤 빛으로 찍느냐 같은 방법들이다.
흔한 오해
- 흔히 듣는 말‘2나노’ ‘옹스트롬 시대’란 칩 위의 트랜지스터 크기가 2nm, 몇 옹스트롬밖에 안 된다는 뜻이다.
- 실제로는그것은 공정 세대의 이름이지 어떤 것의 치수가 아니다. 업계가 함께 만드는 공개 기술 로드맵의 추정에 따르면, ‘3나노’ 세대에서 트랜지스터가 배열된 간격은 40nm대, 가장 촘촘한 금속 배선의 간격도 20nm대다. ‘1나노’(곧 10옹스트롬)라는 이름의 세대에서도 가장 촘촘한 금속 배선 간격은 10nm대, 즉 100옹스트롬이 넘을 것으로 추정된다. 모두 이름의 숫자보다 훨씬 크다. 칩 안에는 실제로 두께가 몇 옹스트롬에서 수십 옹스트롬에 불과한 막도 몇 층 있지만, 이름이 그 두께를 가리키는 것도 아니다.
- 흔히 듣는 말무어의 법칙은 이미 끝났고, 칩은 더 이상 발전하지 않는다.
- 실제로는의견이 갈리며, 차이는 정의에 있다. ‘2년마다 두 배, 그리고 트랜지스터당 비용은 더 낮게’를 요구한다면 지금은 달성하기 어렵다. ‘세대마다 더 많이 집어넣는다’만 본다면 여전히 나아가고 있으며, 다만 조금 느리고 조금 비싸졌을 뿐이다. 업계에도 아직 합의가 없다. 게다가 모든 칩이 최신 세대를 쫓아야 하는 것도 아니다.
필독
- 무어의 법칙이란? 왜 느려졌다고 할까
- FinFET과 GAA란? 트랜지스터는 왜 평면에서 세워졌다가 네 면을 감싸는 구조가 되었을까
- 뉴스에서 말하는 ‘2나노’는 무엇이 2나노일까?
- 뉴스에 나오는 ‘옹스트롬 시대’란? 옹스트롬은 얼마나 작을까
더 읽기
플레이
포토 공정 엔지니어로 근무해 보기: 노광 장비가 찍어 내는 층 하나하나 지키기 →
생각해 보기
- 새 세대는 보통 같은 일을 조금 더 적은 전력으로, 또는 같은 전력으로 조금 더 빠르게 해내지만, 만들기는 더 어렵고 더 비싸다. 버튼형 전지 하나로만 움직이는 칩을 만든다면 최신 세대를 쫓겠는가? 결정하기 전에 어떤 질문부터 하겠는가?
- 공정의 이름은 오래전부터 실제 치수가 아니지만, 지금도 대체로 ‘0.7을 곱하는’ 방식으로 다음 이름을 붙이고(중간에 반 세대짜리 이름도 끼어 있다), 2나노 아래로 내려가면서 옹스트롬으로 부르기 시작했다. 이렇게 이름을 붙이면 어떤 좋은 점이 있고, 사람들이 무엇을 오해하기 쉬울까? 직접 이름을 붙인다면 어떻게 하겠는가?
수업 자료: 슬라이드
이 강의의 핵심, 모식도, 장비, 토론 질문을 슬라이드 한 벌로 만들었다. 그대로 화면에 띄워도 되고, 자신의 강의 자료에 넣어도 된다.
슬라이드 다운로드(PPTX)298 KB슬라이드 다운로드(PDF)311 KB
수업과 비영리 목적이라면 무료로 쓸 수 있다. 출처는 fab24hr로 밝혀 주기 바란다. 판매하거나 자신의 저작물로 바꿔 내놓을 수는 없다. 오류가 있다면 문제 신고
이 글 인용하기‘반도체 입문 · 25강: 트랜지스터는 얼마나 더 작아질 수 있는가: ‘몇 나노’에서 ‘옹스트롬 시대’까지’, fab24hr, 업데이트. https://fab24hr.com/ko/learn/scaling/