반도체의 발전 방향

 

📄 개요  : 반도체 산업은 끊임없는 발전을 거듭하며 기술의 한계를 극복해가고 있으며, 발전 방향은 크게 세 가지로 요약할 수 있다. 각 요소는 서로 연관되어 반도체의 성능과 효율을 높이고 비용을 절감한다.

 

1. Scale Down

: 반도체의 트랜지스터 크기를 줄여 칩의 집적도를 높이는 기술.

• scale down을 통해 동일한 면적의 웨이퍼에 더 많은 칩을 제조할 수 있게 되고, 이는 더욱 미세한 회로 제작을 가능하게 한다. → 생산량 향상, 비용 절감 
• 동향 ) 현재 반도체 업계는 3nm 이하의 공정으로 진입하며 '초미세 공정 기술'을 활용하고 있다.
• 한계 ) 스케일 다운이 계속됨에 따라 물리적 한계( Gate와 Channel의 맞닿는 면적 또한 줄어들게 되면서, Gate의 제어능력이 줄어듦 → 누설 전류 발생, 높은 전력 소모)를 극복하는 것이 어려워지고 있기에, 새로운 대안이 요구된다.  

*누설 전류 : 원하지 않는 방향으로 흐르는 전류

 

2. 설계 구조의 개선

: 기존의 2D 평면 구조는 물리적 한계에 도달하고 있으며, 이를 극복하기 위해 새로운 설계 방식이 도입되고 있다.

• 기존(Planar) 소자 : 평면 구조로, 실리콘 웨이퍼 표면에 평평하게 소스, 드레인, 게이트가 위치해 있는 전통적인 MOSFET구조.
• FinFET 소자 : 실리콘 기판에서 돌출된 핀 모양의 채널을 게이트가 감싸고 있는 3D구조. 게이트와 채널이 접하는 면이 삼면으로 늘어 → 누설 전류 최소화 → 전력 소모 줄어듦
• GAA(Gate All Around) 소자 : 게이트가 선처럼 구성된 채널을 감싸고 있는 구조. 채널의 모든 면이 게이트에 의해 둘러싸여 있다. → 더욱 정밀한 전류 제어 가능 → 높은 제어력

*A소자에 전압이 가해졌을 때, (Source와 Drain사이의 Channel을 통해 전류가 흐르면서 도체로 동작을 하고 Channel 동작을 제어하는 것이 Gate.) Gate와 Channel의 맞닿는 면이 커질수록 Gate의 제어 능력이 좋아진다.

 

3. 새로운 재료/장비 개발

웨이퍼 위에 원하는 회로를 새기는 포토 공정 단계에서는 빛을 이용하는데, 파장이 짧을수록 미세한 회로 제작이 가능하다.

• 자외선 DUV(Deep Ultra Violet) : 기존의 리소그래피 기술
• 자외선 EUV(Extreme Ultra Violet) 
  • 빛의 파장( DUV 대비 1/14) 이 매우 짧아 어디에서나 흡수가 잘 되는 특징을 가지고 있다. → 진공 상태 + 렌즈 대신 특수 반사 거울 사용 필요
  • 초미세 공정으로, 외부 입자에 의해 결함 발생 가능성이 높다 → photo 공정단계 뒤에 포토마스크를 보호하여 결함 발생을 줄이고 공정의 수율을 높이는 '펠리클' 필요
  • 어려운 개발 난이도 → 세계에서 EUV를 만들 수 있는 장비를 만드는 곳은 TSMC가 유일하다.
  • 장점 ) 높은 집적도, 낮은 전력소모, 공정 단순화

*파장 : 파동의 주기 

*리소그래피 : 반도체 제조 공정에서 회로 패턴을 실리콘 웨이퍼에 인쇄하는 핵심 기