반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

차세대 반도체 시장을 향한 신소재, 신기술 개발에 대한 낭보들이 부쩍 늘었다. 변화와 혁신의 대명사인 반도체 산업이 다시 한번 고치를 벗고 새로운 도약을 준비하고 있는 듯 하다. IEEE의 IEDM(International Electron Device Meeting)에서 펼쳐진 TI의 새로운 유전체에 대한 시연행사 소식과 AMD의 미래형 고속 트랜지스터에 대한 개발보고, 그리고 최근 발표된 실리콘 분야의 새로운 성과인 인텔의 실리콘 기반의 광변조기 개발 소식 등이 새봄을 더욱 설레게 하고 있다. TI, 차세대 반도체용 핵심 물질 개발 5년간의 산고 끝에 TI가 차세대 반도체용 핵심물질을 개발했다. 트랜지스터 내에 High-k 유전 물질로 HfSiON(하프늄 실리콘 옥시나이트라이드)를 집적하는 공정이다. 이는 무어의 법칙을 따르는 연장선 상에서 매우 중요한 의미를 지닌다. 트랜지스터 크기가 점점 더 작아짐에 따라 트랜지스터 내의 유전체가 너무 얇아져 누설 전류가 한계 상황에 다다르는 것을 방지하기 위해 더 높은 유전 상수 k를 갖는 물질을 사용함으로써 반도체 기술을 한단계 진보시킬 수 있기 때문이다. TI의 연구는 표준 CMOS 공정, 캐리어 이동도 및 문턱전압 안정성과 함께 전기적 및 열적 양립성과 관련되어 HfSiON 대한 중요성을 부각시키고 있다. 실리콘 테크놀러지 개발 부문 이사이자 선임 부사장인 한스 스토크(Hans Stork)는 “TI는 차세대 기술로 현재의 산질화규소를 하프늄 기반의 High-k 유전체로 대체시키기 위해 물질 조성비가 균형을 이룬 효율적인 방법을 발견했다.”면서 “우리는 이산화 규소 유니버셜(universal) 이동도 곡선 의 90%에서 안정도를 훼손하지 않으며, CMOS 공정에 큰 비용을 투자하지 않고도 누설전류가 대폭 감소된 결과를 얻었다.”고 덧붙였다. 하프늄 기반 유전체의 잠재력은 수년 동안 업계에 알려졌지만 하프늄을 다른 물질과 얼마나 결합해야 하는가에 대한 문제 뿐만 아니라 어떻게 해야 성공적으로 적용할 수 있느냐 하는 문제는 여전히 숙제로 남아 있었다. High-k 게이트 유전체를 미래형 CMOS 칩에 탑재하기 위해서는 유전체가 CMOS 프로세싱 동안 열적으로 안정화되어 있어야 하며, 정상 작동 조건에서 전기적으로 안정화되어야 하는 전제 조건을 충족해야만 실용화될 것이다. TI는 1998년도에 이런 문제를 해결하는데 관심을 두기 시작했으며, 5년만에 결실을 맺은 것이다. AMD, 미래형 고속 트랜지스터 발표 AMD는 IEDM에서 혁신적인 차세대 SOI(silicon-on-insulator) 트랜지스터 설계에 대한 세부 사항과 더불어 기존 마이크로 프로세서 내에서 SOI 기술을 성공적으로 활용하는 새로운 정보를 발표했다. AMD의 새로운 트랜지스터는 반도체 업계가 45nm 기술세대(또는 노드)를 맞이하면서 직면하게 되는 주요 과제 중 상당 수를 해결할 수 있는 매우 신뢰할 수 있는 솔루션을 제공할 것으로 기대를 모으고 있다. AMD 펠로우인 밍-렌 린(Ming-Ren Lin)은 “트랜지스터를 축소할 때마다 새로운 과제에 직면하게 된다. 트랜지스터가 오프 상태일 때 누수를 줄이는 것뿐만 아니라 트랜지스터가 온 상태일 경우 전기 흐름을 최대화하는 것 또한 중요한 과제이다. 여타 업체들의 연구에서는 이들 과제를 개별적으로 해결하고 있지만 AMD는 온/오프 상태의 과제를 모두 해결하는 것을 목표로 하고 있다.”고 밝혔다. 현재 국제 반도체 기술 로드맵(ITRS, International Technology Roadmap for Semiconductors)은 45nm 세대를 위한 성능 기대치를 달성하기 위해 전기 흐름을 온 및 오프 상태로 전환하는 트랜지스터의 주요 부품인 트랜지스터 게이트의 크기가 20nm 정도로 축소되어야 할 것으로 예측하고 있다. 현재 AMD의 최고 성능 마이크로프로세서의 최소 게이트 크기는 약 50nm이다. 현재의 트랜지스터 설계 방식과는 달리 AMD의 새로운 트랜지스터 설계는 3개의 게이트를 사용하고 있으며, 트랜지스터 게이트를 20nm 이하로 계속 줄일 수 있도록 지원하는 여러 혁신 기술뿐만 아니라, 처리 속도를 더욱 향상시키면서 전기 누수는 훨씬 감소시키는 이점을 제공한다. 또한 AMD의 트랜지스터는 트랜지스터 성능에 부정적인 영향을 미치는 것으로 알려진 소위 “high-k” 게이트 유전(gate dielectric) 물질을 사용하지 않는다. AMD의 멀티 게이트 연구 결과에 대한 보다 자세한 기술 정보는 www.amd.com/IEDM03_triple에서 제공되고 있다. 또한 AMD는 최초로 회로 성능 향상을 위해 “low-k” 유전 물질(dielectric material)로 알려진 기술을 도입했다. 이 low-k 물질은 전기적인 신호를 칩으로 보내고 이러한 신호를 전파하는데 필요한 에너지를 감소시키는 구리 연결선의 절연 처리에 사용된다. AMD는 AMD Fab 30의 130nm 공정을 필두로, low-k 물질을 대량생산 환경에 도입하고 있다. 인텔의 실리콘 기반의 광변조기 개발 최근 인텔의 연구진들이 실리콘 기반의 광 변조기를 개발하는데 성공하면서 실리콘 기술이 광학재료의 새로운 대안으로 떠오르고 있다. 세계적인 과학저널인 네이처(Nature)의 최근호에 따르면 인텔 연구진들은 단일 광선이 실리콘을 통과할 때 이를 두 개의 광선으로 분리시킨 후, 새로운 ‘트랜지스터와 유사한’ 광변조기를 사용해 한 쪽의 광선에 전하를 가함으로써 ‘위상전이(Phase Shift)’를 유도하는데 성공했다. 또한 이 두 광선이 다시 합쳐지면 그 둘 사이에 일어났던 위상전이가 칩에서 출력되는 빛을 1GHz(1초에 10억 비트의 데이터 전송) 이상의 속도로 On이나 Off 상태로 변화시키는데 이는 과거에 실리콘 상에서 구현되었던 것 보다 50 배 더 빠른 속도이다. 이와 같이 빛이 On이나 Off 상태로 변화되는 패턴은 데이터 전송에 필요한 ‘1’이나 ‘0’의 숫자로 변환될 수 있다는 것을 의미한다. 통신용 광회로에 대한 연구는 지난 1970년대에 시작됐지만 아직도 그러한 부품들을 만드는데 사용될 최적의 재료에 대해서는 여러 가지 다른 견해들이 존재하고 있다. 광학 재료로서 실리콘을 연구하는 것은 1980년대 중반 이후부터 진행되어 왔다. 하지만 3족5족 화합물(인듐인화물, 갈륨비화물 및 관련 화합물), 부도체 리튬 나이오베이트, 또는 심지어 실리카(보통 실리콘을 기판 물질로 사용하는)와 같은 물질들과 비교했을 때 상대적으로 개발성과는 미미한 편이었다. 그 동안 상업용 광 기기 제조 상황을 돌아보면 복잡한 제조 과정을 필요로 하는 비싼 가격의 색다른 소재를 선호했기 때문에 그 사용 범위도 광대역 네트워크나 통신 같은 특수 시장에만 국한되어 있었다. 따라서, 1 GHz 이상의 빠른 속도를 제공하는 인텔의 실리콘 기반 광 모듈레이터 공정 기술은 표준 실리콘이 더 광범위한 컴퓨팅과 커뮤니케이션 어플리케이션에 높은 대역폭의 광학의 장점을 가져다 줄 수 있는 훌륭한 소재가 될 수 있다는 가능성을 증명해 준 셈이다. 현재 실험 중인 1GHz 속도의 기기는 단일 섬유에서 전송되는 10억 비트의 정보량에 상응한다. 인텔 연구진들은 앞으로 이 기술을 10GHz나 그 이상의 속도로 늘릴 수 있을 것으로 기대하고 있다. 단일 포토닉 링크는 다른 색깔의 빛을 이용하여 같은 속도로 다중 데이터 채널을 동시에 전송할 수 있다. 이는 다중 라디오 스테이션이 자동차 라디오나 케이블 TV의 수백 개 채널에 전송되는 것과 같은 이치이다. 또한 광섬유 케이블은 기존에 고속의 동선(銅線) 접속 설치를 어렵게 했던 전자기 방해나 통신의 혼선에 영향을 받지 않는다. www.intel.com/technology/sp