네이버 보다가 이런 기사를 발견함

 1.4nm 간격까지 반도체 집적률을 올리겠다는건데

 몇년 전만 해도 10nm공정 성공했다고 하는거 봤는데 벌써 한자리 수인게 신기함

왜 신기하냐면

물리학에선 양자 터널링 효과 라는게 존재함

고전역학에서는 이렇게 두 벽 사이에 갇힌 입자는

포텐셜 에너지가 벽보다 낮기때문에 위로 올라갈 수 없음

당연히 벽 밖에 존재하는것도 불가능함

하지만 양자역학에서는, 그 벽 밖에 입자가 존재할 확률이 존재함.

짤은 벽보다 포텐셜 에너지가 작은 파동(입자도 마찬가지)이 벽 밖으로 통과하는것을 볼 수 있음.

마치 터널을 통해서 벽을 뚫는것 처럼 보이기에

‘양자 터널링 효과’라고 부름

이 현상은 아주 작은 스케일의, 미시세계에서 일어나는 현상임

문제는 아주 작은 스케일이 나노미터(nm) 단위 정도만 되도 해당 된다는 거임.

아까 기사를 보면

1.4 나노미터 라고 되어있는데, 이 스케일만 되도 양자 터널링 효과가 일어남. 반도체 내부에서 전자가 튀어나오기 때문에 누설전류가 발생하고, 이는 전자제품의 소비전력 증가로 이어짐. 

여기까지가 내 전공지식으로 알고 있는 정도임

근데 어떻게 양자터널링의 벽을 뚫고 저런 미세공정이 가능한지 궁금해서 찾아보기로 했음

일단, “왜 소자의 집적도를 높여야 하는데?”라는 질문에서 시작해보자

칩셋에 크기에 비례한 반도체 가격은 근 20년간 꾸준히 하락해왔음. 거의 매년 30%의 가격인데 이로인한 손해를 보존하기 위해서 반도체 업체들은 칩셋당 소자 수를 늘려 원가를 줄이려고 했음

즉, 소자간의 간격이 미세할수록 한 칩셋에 넣을 수 있는 다이수가 많기 때문에 반도체 업체는 이득을 봄

소자의 고집적화 = 용량의 증가 = 더 높은 가격에 팔 수 있음

정확히 말하면, bit당 원가가 절감 되는거임

그렇기 때문에 판매자와 구매자 모두 이득을 볼 수 있는거고

이렇기 때문에 예전엔 1TB 하드는 몇십만원이었는데, 지금은 몇만원에 1TB SD카드를 구할 수 있지

그럼 왜 소자 간격을 줄였는지 알았으니, 본격적으로 터널링 효과를 어떻게 극복하는지 알아보자

 반도체의 소자라고 함은, 보통 트랜지스터를 말함.

현대에 들어선 그 중에서도 전계 접합 트랜지스터(FET)를 사용하는데

 게이트와 소스, 그리고 드레인으로 구성되어있음

소스에서 드레인으로 나가는 전류가 게이트를 통해서 들어가고 나가면서 0과 1의 신호를 나타내는데

이때 소스와 드레인의 간격이 채널, 우리가 여기서 논하는 나노미터의 정체임.

이 채널의 간격을 줄이는게 소자의 집적률을 높이는 방법이지

하여튼 채널간의 거리가 짧아짐에 따라 아까 말한 양자 터널링 효과가 발생할 확률이 높아지는데,

이를 막기위해 물리적 방법과 화학적 방법이 사용됨

물리적 방법은, 구조의 변경임.

사진은 finfet라는 구조인데, 게이트가 채널을 ㄷ혹은 ㅁ모양으로 감싸서 결핍영역을 최소화 함으로써 누설전류를 방지함. 평면(2차원)적인 FET에서는 누설전류가 발생할 지라도, 입체적 구조로 인해 결핍영역을 줄여 누설전류를 최소화함.

또한 이런 입체적 구조를 통해 집적률을 높이는 효과를 볼 수 있음

화학적 방법은, LDD라고 부르는 기법인데

소스와 드레인, 즉 채널 양 끝에 이온을 넣어서 결핍 영역을 줄일 수 있음. 결핍영역이 채널 길이에서 차지하는 비율을 줄여서 결과적으로 채널 길이를 효율적으로 사용 가능함. 결핍영역을 줄임으로서 터널링 효과를 방지할 수도 있음.

이렇게 크게 두가지 방법을 이용해서 양자터널링에 의한 누설 전류를 방지함.

그럼 어떻게 1.4nm라는 집적도를 만들 수 있는걸까?

여기는 아까 말한 FINFET와 같이 3D구조를 이용해서 실질적인 집적률을 높임

삼성전자가 주력으로 밀고 있는것은 GAAFET라는 기술인데 4면으로 접속하고 더 많은 채널을 보유함으로서 같은 면적에 더 많은 트랜지스터를 넣은 효과를 얻게 됨

즉, 고전적인 의미의 집적도를 늘린것은 아니지만 실질적으로 집적도를 높힌거지.

사실 물리적으로 10nm정도가 실리콘 반도체의 한계라고 함.

그러면 더이상 반도체의 집적도를 늘릴 수 없는걸까?

그건 아님.

산화하프늄을 이용한 반도체를 이용하면

실리콘, 갈륨, 비소 등을 사용한 반도체에 비해서 더 높은 집적률을 가질 수 있음

산소원자 4개에 1바이트를 저장해서 그것의 결합과 분해로 1비트의 신호를 전달하는 원리라고 함

삼성전자도 이런 기술을 도입하려고 노력하고 있음.

3줄 요약

1. 반도체의 집적도가 높아질수록 양자터널링이 발생함

2. 양자 터널링 효과를 막기위해 소자의 구조를 바꾸는 방법이 사용됨

3. 신소재의 개발과 구조적 변경을 통해 더 높은 집적도를 만들 수 있음.