반도체 칩은 어떻게 손톱만한 크기에 수십억 개의 트랜지스터를 넣을 수 있나요?

Question

전자공학에서 반도체 미세공정을 배우는데, CPU 칩 하나에 수십억 개의 트랜지스터가 들어간다고 해요. 이렇게 극도로 작은 회로를 어떤 공정 기술로 만들어내는 건지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.

손톱만한 칩에 수십억 개의 트랜지스터를 넣을 수 있는 비결은 빛으로 회로를 그리는 포토리소그래피 기술력 덕뿐입니다. 실리콘 웨이퍼 위에 감광액을 바르고 극단 파장인 EUV 빛을 쏘으면은 나노 단위의 미세한 회로 패턴을 깎아내는 식입니다. 여기에 입체 구조인 FinFET나 GAA 기술을 적용해서 크기를 극도로 줄이고 수십 층의 미세한 배선을 위로 쌓아 올려서 서로 연결해줍니다. 결국에는 짧은 빛의 파장이랑 나노 단위로 시각 공증 기술이 결합해서 만들어낸 정밀적인 공학의 결과물이라고 생각하시면 됩니다.

Answer 2

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

반도체는 빛을 이용해 사진을 찍듯 회로 패턴을 그리는 극자외선 노광 공정과 원자 단위로 물질을 깎아내는 미세 팹 기술을 통해 수 나노미터 크기의 회로를 구현합니다. 여기에 트랜지스터를 평면이 아닌 입체 구조로 위로 쌓아 올려 공간 효율을 극대화합니다. 또한 회로를 무수한 층으로 나누어 3차원 다층 배선 구조로 연결하기 때문에 손톱만 한 칩 내부에 수십억 개의 트랜지스터와 회로망을 밀집시켜 완성할 수 있습니다

Answer 3

안녕하세요. 박재화 전문가입니다.

반도체 칩에 수십억 개의 트랜지스터를 넣을 수 있는 핵심은 회로 하나하나를 직접 만드는 것이 아니라 빛으로 아주 작은 무늬를 반복해서 찍어내는 데 있습니다.

반도체 공정 보면 실리콘 웨이퍼 위에다가 감광재를 바르고 포토리소그래피라는 공정으로 회로 모양을 만든 뒤, 필요한 부분을 깎거나 불순물을 넣고 금속 배선을 형성하는 과정을 거치는데, 이 과정을 여러 층 반복하면서 트랜지스터와 배선을 입체적으로 쌓아 하나의 복잡한 칩을 완성하게 됩니다.

최근에는 EUV라는 극자외선 같은 매우 짧은 파장의 빛을 이용해 훨씬 더 작은 회로 패턴을 만들 수 있게 되었습니다. 트랜지스터 구조 자체도 평면 구조에서 FinFET이나 GAA 같은 입체적인 구조로 발전하면서 같은 면적에 더 많은 소자를 넣고 전류 제어도 더욱 좋아졌습니다.