반도체 공정에서 집적도(나노공정)의 개념과 줄어들 때 장점

 


1. 집적도란?

집적도 혹은 미세공정라는 용어는 반도체에서 많이 사용합니다. intel의 경우 얼마 전 10nm 공정 지연을 발표하면서, 주가가 16% 급락하기도 하였습니다. 집적도는 무엇일까요? 집적도는 동일한 면적이라고 가정했을 때, 반도체 칩이 얼마나 많은 논리소자(논리연산을 하는 최소 단위의 회로)로 구성되어 있는지를 나타내는 척도로 사용합니다. 집적도가 높으면 공정이 더 많은 논리소자가 동일 면적에 들어가있다고 볼 수 있죠.

현재 반도체의 공정에 사용되는 단위는 nm(나노미터)입니다. 나노미터는 $ 1nm = 10^{-9}m $ 의 크기로 굉장히 미세한 크기입니다. 2020년 10월 2일 현재 intel의 경우 10nm 공정을 유지하고 있으며, tsmc와 삼성전자는 7nm 공정의 제품을 생산하고 있습니다. 다른 파운더리 기업들은 모두 10nm 이상의 공정을 가지고 있으며, tsmc와 삼성전자가 미세공정에서의 우위를 차지하고 있습니다.

2. MOSFET과 나노공정

image MOSFET 구조 _ S가 Source(소스), G가 Gate(게이트), D가 Drain(드레인)

반도체는 트랜지스터로 이루어져있는데, MOSFET이라는 트랜지스터를 많이 사용하고 있습니다. MOSFET에서 gate는 전류를 인가하는 부분이고 source에서 drain으로 전자가 이동합니다. 평상시에는 gate에 전압을 인가하지 않으며, 이 때는 off(0) 상태입니다. 하지만, gate에 일정 수준 이상의 전압(기준 전압)을 인가하게 되면 source에 있던 전자들이 gate에 의해 drain으로 넘어갈 수 있게 됩니다. 이 때, gate가 channel(채널)을 만들었다고 말하며, on(1) 상태라고 합니다.

위에서 언급한 nm는 무엇일까요? 바로 gate에 전원을 인가하여 source와 drain 사이에 생긴 channel 의 길이를 뜻합니다. source에 있던 전자가 drain으로 넘어가기 위한 channel이 짧을수록 전자는 상대적으로 빠르게 channel을 통과할 것입니다. 따라서, 반도체의 소비 전력이 감소하며 발열이 줄어들게 되며, 이는 반도체 성능에 큰 도움을 주게 됩니다.

3. 집적도가 높아졌을 때 장점

  • 웨이퍼 당 생산 가능한 반도체가 늘어남 : 웨이퍼는 반도체를 만드는 데 핵심적으로 필요한 재료입니다. 이 웨이퍼의 단가를 줄이기 위해서는 동일 웨이퍼 위에서 많은 회로를 그릴 수 있어야 합니다. 집적도가 높아지면 동일 웨이퍼에서 많은 회로를 그릴 수 있어 단가 절감을 할 수 있습니다. 이는 기업 경쟁력과 직결되기 때문에 매우 중요한 요소입니다.
  • 소비 전력이 감소하며 발열이 줄어듬 : 위에서 언급한 것처럼 gate가 생성한 channel의 길이가 줄어들기 때문에, 전자가 이동하는 경로가 줄어들어 이러한 효과를 낼 수 있습니다.

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