사람 머리카락의 지름은 7만 나노미터이고 둘레는 22만 나노미터입니다. 5나노미터 공정을 이용해 칩을 제조하는 것은 마치 머리카락 한 가닥을 따라 4만 4천 개의 도로를 건설하는 것과 같습니다.

저자: Liu Zhirong 출처: Headline@Iron Tower-Liu Zhirong

2020년 5월 15일, 미국은 화웨이의 반도체 사용 금지 조치를 발표했습니다. 이후 반도체 산업은 중국 국민들의 큰 관심을 끌었습니다. 이 금지 조치는 9월 15일부터 발효되었으며, TSMC, 미디어텍, 퀄컴, 소니, 삼성, SK하이닉스, 마이크론 등 세계적인 반도체 제조업체들은 더 이상 화웨이에 반도체를 공급할 수 없게 되었습니다. 9월 16일, 중국 중앙기율검사위원회는 공식 웹사이트에 "화웨이의 반도체 공급 중단은 중국 반도체 산업의 낙원 도래를 알리는 시작일지도 모른다"는 내용의 글을 게재했습니다.

우리는 매일 칩에 대해 이야기하지만, 여러분은 칩이 정확히 무엇인지 알고 계신가요?

1. 칩의 발명은 인간의 삶을 어떻게 변화시켰습니까?

1947년 12월 23일, 미국의 벨 연구소 소속 과학자 존 베이든, 윌리엄 쇼클리, 월터 브래튼은 게르마늄 결정 트랜지스터를 발명하여 전자 산업에 반도체 시대를 열었습니다. 트랜지스터 발명가 세 명은 1956년 노벨 물리학상을 수상했습니다.

1950년대는 반도체의 황금기였습니다. 거의 모든 반도체 재료와 기본 공정이 이 시기에 개발되었습니다.

1954년 10월 18일, 텍사스 인스트루먼트는 트랜지스터 라디오를 발명했습니다. 트랜지스터 4개를 사용한 이 라디오는 주머니에 들어갈 만큼 작았습니다.

1958년 9월 12일, 텍사스 인스트루먼트의 전자 엔지니어 잭 킬비(1923-2005)는 집적 회로를 발명했고, 1959년에는 세계 최초의 집적 회로인 칩을 제작하는 데 성공했습니다. 이 집적 회로는 게르마늄 칩에 PNP 트랜지스터(트랜지스터), 저항, 콘덴서를 새겨 넣고 외부 전선으로 연결하여 회로를 구성하는 방식입니다. 이 간단한 집적 회로는 칩 산업을 촉발시키고 인류의 과학 기술을 새로운 차원으로 끌어올렸으며, 인류의 삶의 방식을 완전히 바꿔놓았습니다.

반도체 제조 기술의 지속적인 발전으로 트랜지스터 하나의 가격이 크게 낮아졌습니다. 1959년에는 칩 하나에 트랜지스터가 6개 들어 있었고, 트랜지스터 하나당 가격은 10달러였습니다. 1971년에는 칩 하나에 트랜지스터가 2,000개 들어 있었고, 트랜지스터 하나당 가격은 0.3달러였습니다. 2004년에는 칩 하나에 수백억 개의 트랜지스터가 들어 있었고, 트랜지스터 하나당 가격은 10억분의 1달러까지 떨어졌습니다. 칩의 가격 대비 성능이 향상됨에 따라 칩이 일반 가정에도 보급될 수 있게 되었습니다.

칩은 20세기 최고의 발명품이라고 할 수 있으며, 다른 많은 발명품들도 칩을 기반으로 하고 있습니다. 오늘날 우리는 칩으로 둘러싸인 세상에 살고 있으며, 칩 없이는 생활하기 어려울 것입니다.

사람들의 일상생활은 칩과 뗄래야 뗄 수 없는 관계입니다. 휴대전화, 컴퓨터, 스마트워치와 같은 스마트 기기에는 칩이 들어 있습니다. 광 모뎀, 라우터, USB 플래시 드라이브, 메모리 카드, 외장 하드 디스크와 같은 네트워크 장비에도 칩이 있습니다. 네트워크 장비와 컴퓨터 주변기기에도 칩이 사용됩니다. 신분증, 여권, 은행 카드, 쇼핑 카드, 소비 카드 등 개인 식별 카드에도 칩이 내장되어 있습니다. TV, 스피커, 프로젝터, 충전기, LED 조명, 전자 저울, 에어컨, 냉장고, 전자레인지, 인덕션 쿡탑, 온수기 등 가전제품에도 칩이 사용됩니다. 출입 통제, 모니터링, 태양 전지 등에도 칩이 필요합니다. 만약 누군가가 세상의 모든 칩을 무력화시키는 코드를 개발한다면, 인류의 삶은 멈춰버릴 것입니다.

잭 킬비는 칩 발명으로 2000년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 그는 휴대용 계산기와 감열식 프린터의 발명가이기도 했습니다. 킬비는 자신을 과학자라고 부를 때 겸손하게 이렇게 말했습니다. "과학자는 사물을 설명하고 훌륭한 아이디어를 가진 사람입니다. 하지만 저는 문제 해결사이자 엔지니어입니다. 제 임무는 새로운 공정을 개발하고, 새로운 제품을 생산하고, 발명과 창작물로 수익을 창출하는 것입니다."

2. 칩을 이해하려면 먼저 "PN 접합"을 이해해야 합니다.

위 그림에서 볼 수 있듯이 다이오드, 트랜지스터, 저항, 콘덴서와 같은 전자 부품들은 반도체 재료 위에 만들어진 후 전선으로 연결됩니다. 이것이 바로 집적 회로이며, 칩이라고도 합니다. 칩을 이해하려면 먼저 반도체 기술의 핵심인 "PN 접합"을 이해해야 합니다.

반도체 물질에 5가 원소를 도핑하면 전자 농도가 증가하여 N형 반도체가 형성되고, 3가 원소를 도핑하면 정공 농도가 증가하여 P형 반도체가 형성됩니다. 여기서 "정공"이란 공유 결합에 있는 전자가 에너지를 얻어 공유 결합의 속박에서 벗어나 자유 전자가 된 후 남는 빈자리를 말합니다.

P형 반도체와 N형 반도체가 밀착 접촉하면 음전하를 띤 전자와 양전하를 띤 정공이 서로를 향해 확산됩니다. 전자와 정공의 확산으로 접촉면에 내부 전기장이 형성되고, 이 내부 전기장은 확산을 억제하여 전자와 정공이 다시 접촉면으로 되돌아오도록 합니다. 전자와 정공의 확산 속도와 이동 속도가 동적 평형 상태에 도달하면 P형 반도체와 N형 반도체의 접촉면에 "PN 접합"이 형성됩니다.

PN 접합의 주된 특징은 단일 전도성입니다. P형 반도체를 양극으로, N형 반도체를 음극으로 사용하면 전류가 흐르지만, N형 반도체를 양극으로, P형 반도체를 음극으로 사용하면 전류가 흐르지 않습니다. 컴퓨터에서 이진 비트를 사용하는 것은 이 PN 접합의 특성에 따라 결정됩니다. PN 접합을 통해 전류가 흐르면 "1"을, 흐르지 않으면 "0"을 나타냅니다.

"PN 접합"은 다이오드를 의미합니다. 두 개의 P형 반도체 사이에 N형 반도체가 끼워져 있으면 3극관이 형성되는데, 이것이 앞서 언급한 PNP형 3극관입니다. 물론, 두 개의 N형 반도체 사이에 P형 반도체가 끼워져 있으면 NPN형 트랜지스터가 됩니다.

일반인들은 칩의 "실제 모습"을 볼 수 없습니다. 칩은 사람 비듬만큼 작거나 손톱만큼 큽니다. 너무 얇기 때문에 외부 회로에 연결하기 전에 밀봉된 케이스에 포장되어야 합니다. 컴퓨터, TV 또는 다른 전자 제품을 열어보면 커다란 회로 기판이 보입니다. 회로 기판에는 수많은 전자 부품이 있습니다. 여러 개의 핀이 있는 전자 부품이 바로 칩입니다. 이 핀들은 칩의 입력 및 출력 단자에 연결됩니다. 어떤 칩은 양면에, 어떤 칩은 사방에, 또 어떤 칩은 바닥에 1,000개 이상의 핀이 빽빽하게 배열되어 있습니다.

3. 칩을 만드는 것은 마치 쌀알 하나에 땅과 모든 도로 및 건물을 깎아내는 것과 같습니까?

여기서 언급해야 할 개념이 있는데, 바로 "무어의 법칙"입니다. 1965년, 세계적으로 유명한 반도체 제조업체 인텔의 공동 창립자인 고든 무어는 칩 하나에 집적되는 트랜지스터 수가 매년 두 배로 증가할 것이라고 제안했습니다. 그는 나중에 이를 2년마다 두 배로 증가한다고 정정했습니다. 그의 예측은 실제 실험을 통해 기본적으로 옳다는 것이 입증되었습니다. 2011년 인텔 코어 i7 칩에는 22억 7천만 개의 트랜지스터가 집적되었습니다. 현재 일부 고성능 칩의 트랜지스터 수는 수백억 개를 넘어섭니다. 몇 년 전, 반도체 제조업체 세레브라스 시스템즈가 TSMC의 16nm 공정 기술을 사용하여 생산한 AI 칩 WSE에는 1조 2천억 개의 트랜지스터가 집적되었습니다!

"공정"이란 칩 상의 트랜지스터 게이트 폭을 의미하며, 일반적으로 트랜지스터의 크기로 이해할 수 있습니다. 공정 폭이 작을수록 하나의 칩에 더 많은 트랜지스터를 집적할 수 있어 집적 회로의 크기가 커집니다.

칩의 집적도가 높아짐에 따라 칩의 연산 속도는 지속적으로 향상되고 있습니다. 칩의 집적도가 높을수록 칩에 탑재되는 전자 부품의 크기가 작아지고, 부품 간 배선의 길이도 짧아집니다. 결과적으로 전류가 흐르는 시간이 단축되고, 에너지 소비가 줄어들며, 처리 속도가 향상됩니다.

칩에 더 많은 트랜지스터를 집적하는 방법에는 세 가지가 있습니다. 첫째는 칩 면적을 늘리는 것이고, 둘째는 트랜지스터의 크기를 줄이는 것이며, 셋째는 집적 회로를 3차원 구조로 만드는 것입니다. 칩 면적을 늘리는 방법은 에너지 소비를 증가시키고 칩의 효율을 떨어뜨리기 때문에 일반적으로 고려되지 않습니다. 오늘날에는 주로 트랜지스터 크기를 줄이는 두 가지 방법을 사용하여 칩에 집적하는 방식을 채택하고 있습니다.

칩 제조는 미시 세계에 속하며, 그 위에 있는 전자 부품들은 단지 몇 개의 원자나 분자만큼 작고, 나노미터와 옹스트롬과 같은 더 작은 측정 단위로 표현됩니다. 일반 자의 가장 작은 눈금은 밀리미터이며, 1밀리미터는 1000마이크론, 1마이크론은 1000나노미터, 그리고 1나노미터는 10옹스트롬과 같습니다. 사람 머리카락의 지름은 7만 나노미터이고 둘레는 22만 나노미터입니다. 5나노미터 공정으로 칩을 제조하는 것은 마치 머리카락을 따라 4만 4천 개의 도로를 건설하는 것과 같습니다.

전자 부품의 크기를 줄이는 데에는 한계가 있기 때문에 트랜지스터 수를 늘리기 위해 하나의 칩에 여러 층의 집적 회로를 구현하는 방식을 고려합니다. 이는 마치 주택을 짓는 것과 같습니다. 단층집은 소수의 주민만 수용할 수 있지만, 수십 층짜리 건물은 많은 주민을 수용할 수 있습니다. 집적 회로를 쌓아 올리는 것은 건물을 짓는 것보다 훨씬 복잡합니다. 건물의 각 층 구조는 같지만, 칩의 각 층에 있는 회로는 모두 다르고, 층 사이의 연결 또한 매우 복잡합니다.

이 비유를 좀 더 확장해 보겠습니다. 칩 제조는 마치 쌀알 하나 위에 지구 전체를 조각해내는 것과 같습니다. 지구 위의 모든 도로와 건물을 조각해내야 하죠. 도로는 칩 위의 전선이고, 건물은 칩 위의 전자 부품입니다. 이 비유를 통해 독자들은 칩 제조가 얼마나 복잡하고 어려운 작업인지 쉽게 상상할 수 있을 것입니다.

4. 실리콘 정제는 반도체 산업의 기반입니다.

반도체 재료는 매우 다양하지만, 실제 응용 분야에서는 90% 이상이 실리콘을 사용합니다. 이는 실리콘의 녹는점이 섭씨 1415도로, 칩 제조 과정에서 고온 공정을 가능하게 하기 때문입니다.

실리콘은 모래를 제련하여 얻지만, 칩 제조에 사용할 수 있는 실리콘으로 만들려면 극도로 높은 순도가 요구됩니다. 순도 99.99%의 금을 순금(4나인)이라고 부르는 것처럼, 칩 제조에 사용되는 실리콘의 순도는 최소 11나인, 즉 실리콘 원자 1억 개당 불순물 원자가 1개 이하이어야 합니다. 이러한 순도의 실리콘은 1955년 미국의 벨 연구소에서 정제되었습니다. 현재 칩에는 수천억 개의 전자 부품이 탑재되어 있으며, 실리콘의 순도 요구 사항은 최소 13나인으로 더욱 높아졌습니다. 이것이 바로 칩 제조의 핵심입니다. 실리콘 정제 기술을 확보하지 못하면 칩을 만드는 것은 불가능합니다!

독자분들은 왜 칩을 만드는 데 필요한 실리콘이 그렇게 순수한지 궁금해하실 수 있습니다. 칩에 들어가는 전자 부품은 매우 작습니다. 만약 5나노미터 공정으로 칩을 제조한다면, 1나노미터 크기의 불순물이라도 칩 전체를 망가뜨릴 수 있습니다. 비유를 들어 설명해 보겠습니다. 폭이 40미터인 도로 한가운데에 폭 1미터의 큰 돌이 있다면, 자동차들은 그 돌을 피해 지나갈 수 있어 교통 체증을 유발하지 않습니다. 하지만 폭이 5미터인 도로 한가운데에 폭 1미터의 큰 돌이 있다면, 자동차들은 그 돌을 피할 수 없어 도로가 막히게 될 것입니다.

따라서 반도체 칩 제조에는 고순도 실리콘뿐만 아니라 제조 공정의 모든 단계에서 먼지가 없어야 합니다. 반도체 순도는 병원 수술실보다 100,000만 배나 높으며, 공정의 절반은 진공 환경에서 이루어집니다. 이러한 이유로 반도체 제조 공장은 코로나19 팬데믹 기간 동안에도 가동을 중단할 필요가 없었습니다. 작업자들이 머리부터 발끝까지 보호받고, 일부 보호복에는 호흡기 보호 장치가 달려 있어 작업자의 신진대사에서 나오는 비말이나 호흡 가스로 인한 칩 오염을 방지하기 때문입니다.

5. 석판 인쇄기는 실제로 집적 회로 프로젝터인가요??

"리소그래피 장비"라는 명칭은 부정확하게 번역되어 오해를 불러일으킵니다. 많은 사람들이 리소그래피 장비가 컴퓨터의 조각처럼 물리적 접촉을 통해 결정질 실리콘 표면에 집적 회로를 "새겨 넣는" 방식이라고 잘못 생각합니다. 실제로는 칩을 "새겨 넣는" 것이 아니라 "사진을 찍는" 방식입니다. 따라서 리소그래피 장비는 "집적 회로 프로젝터"라고 부르는 것이 더 적절합니다.

칩 제조용 웨이퍼가 포토리소그래피 공정 단계에 들어가면, 포토리소그래피 장비는 마스크를 통해 웨이퍼 표면의 포토레지스트 위에 집적 회로 패턴을 투영합니다. 포토레지스트가 노광되면, 노광된 영역을 화학 용액으로 에칭하고 세척합니다. 이렇게 해서 집적 회로 패턴이 나타납니다. 포토리소그래피 공정은 전통적인 사진 촬영 방식과 유사합니다. 빛이 네거티브 필름을 통과하여 인화지를 감광시키고, 감광된 인화지를 화학 용액에서 현상 및 정착시키는 것과 같습니다.

칩 하나를 제작하려면 수십 번, 심지어 수백 번의 포토리소그래피 공정을 거쳐야 하며, 포토리소그래피 이후의 여러 공정을 거치는 데 몇 주가 소요된 후에야 패키징 단계에 들어갈 수 있습니다.

반도체 제조 기술은 나날이 발전하고 있지만, 반도체 제조의 핵심 기술 대부분은 벨 연구소에서 탄생했습니다. 벨 연구소의 정보 기술 혁명에 대한 공헌은 역사에 길이 남을 것입니다.

7. 포토리소그래피 장비가 있으면 칩을 만들 수 있나요?

많은 독자들이 포토리소그래피 장비에 큰 관심을 가지고 있으며, 이 장비로 칩을 만들 수 있다고 생각합니다. 하지만 사실은 그렇지 않습니다. 포토리소그래피 장비는 칩 제조에서 중요한 역할을 하지만, 칩 제조 공정은 1,000가지가 넘습니다. 포토리소그래피 장비만으로는 칩을 만들 수 없으며, 다른 공정들을 제대로 숙달하지 못하면 칩을 제작하는 것 자체가 불가능합니다.

1961년, 미국의 GCA사는 세계 최초의 포토리소그래피 장비를 제작했습니다. 현재 전 세계에는 네덜란드의 아스마이어(Asmaier), 미국의 인텔(Intel), 슈퍼테크놀로지 반도체(Super Technology Semiconductor), 루돌프(Rudolf), 일본의 니콘(Nikon)과 캐논(Canon), 그리고 독일의 스시마이크로(SusiMicro) 등 4개국 7개 회사가 포토리소그래피 장비를 제조하고 있습니다.

앞서 언급했듯이 반도체 산업의 기반은 소재, 즉 실리콘 정제입니다. 실리콘 정제 기술을 확보하지 못하면 칩 수준에 필요한 순도의 결정질 실리콘을 생산할 수 없고, 칩을 만드는 것 자체가 불가능합니다.

게다가 칩에는 수천억 개의 전자 부품이 탑재되어 있습니다. 이렇게 거대한 회로를 수작업으로 설계하는 것은 불가능합니다. 따라서 전자 설계 자동화 소프트웨어인 EDA를 사용해야 합니다. EDA는 여러 자연 분야를 통합한 종합적인 응용 프로그램이며, Kadant, Synopsys, Mentor Graphics라는 세 미국 기업이 시장을 독점하고 있습니다.

EDA는 칩 제조 공정에서 결정적인 역할을 합니다. 칩의 기능과 집적도는 전적으로 EDA의 설계 능력에 달려 있습니다. 고순도 실리콘과 포토리소그래피 장비가 있더라도 EDA가 없거나 EDA 사용법을 모르면 칩을 만들 수 없습니다.

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