반도체 산업은 지금까지 여러 차례 한계를 돌파하면서 성장해왔습니다. '이 이상 미세 공정은 물리적으로 어렵다' 라는 이야기도 여러 번 나왔지만 그때마다 신기술을 통해서 계속 극복하면서 발전해온 것입니다. 하지만 이제 실리콘(Silicon) 소재의 한계는 거의 도달했다는 이야기가 나오고 있습니다. 인텔은 과거 부터 7nm 이하 공정에서는 새로운 물질이 필요할 것이라는 점을 언급해왔습니다.
(출처: 인텔)
이 신물질은 미래에는 카본 나노 튜브(CNT)나 그래핀 같은 물질이 될 수 있겠지만, 현재 연구 수준으로 이런 물질을 바로 도입하는 것은 상당히 어려운 일이고 대신 다른 물질이 투입될 가능성이 높다고 합니다. 인텔이 국제고체회로소자회의(ISSCC) 2015에서 언급한 내용은 바로 III-V 반도체입니다.
현재의 실리콘 기반 반도체는 이제 너무 작아져서 7 nm 공정에서는 트랜지스터 간의 거리가 거의 붙어있게 됩니다. 그러면 양자 터널링 효과에 의해 모든 트랜지스터에 전류가 흐르는 것 같은 상황이 발생합니다. 컴퓨터는 0과 1인 상태로 모든 것을 기록하고 연산을 하는데 1 만 남는 상황이 되는 것이죠.
이를 극복하기 위해선 아예 양자 컴퓨터처럼 근본부터 다른 컴퓨터를 만들든지 아니면 이 정도 크기에서도 트랜지스터의 성질을 유지할 수 있는 반도체 물질이 필요합니다. 대안으로 제시되는 물질들은 다양하지만 불행히 몇 가지 문제를 지니고 있습니다. 예를 들어 원자 한층으로 된 실리신이나 그래핀 등은 너무 약하고 쉽게 부서지는데다 복잡한 회로를 만들기가 극히 곤란하다는 문제점이 있습니다.
다행하게도 반도체 제조사들은 이제 거의 실용화가 가능한 한 가지 대안을 가지고 있습니다. 바로 인듐-갈륨-비소 화합물(Indium gallium arsenide ( InGaAs))과 인듐-인(indium phosphide (InP)) 소재입니다. 반도체 회사들인 인텔, 삼성, 하이닉스, IBM, TSMC 에 의해 설립된 Imec 에서는 이미 1년 반전에 22nm 공정 300mm 실리콘 웨이퍼 위에 InGaAs-InP 소재의 트랜지스터를 만드는데 성공한 바 있습니다.
(Si 웨이퍼 위에 만들어진 InGaAs-InP 소재의 트랜지스터, 출처 : Imec)
하지만 7 nm 공정에서 들고 나올 것이 InGaAs-InP 일지는 아직 확실치 않은 부분도 존재한다고 합니다. 그러나 항상 그러했듯이 결국 반도체 회사들이 답을 찾아낼 것으로 보입니다. 과연 7 nm 를 넘어 어디까지 미세화가 진행될 수 있을지 궁금하네요.
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