반도체 절연체 40년만에 바뀐다

40년만에 반도체 제조 공정의 역사가 바뀌었다.

인텔은 12일(현지 시간) 초미세 반도체 제조공정인 45나노미터(nm) 기반 첫번째 마이크로프로세서 제품군(코드명 펜린)을 공식 출시했다. 메모리가 아니라 마이크로프로세서 중에서 45nm 공정을 달성한 것은 인텔이 처음이다.

국내에서는 13일 이 제품을 소개하는 행사가 열렸다. 이희성 인텔코리아 사장은 서울 프라자호텔에서 열린 출시 행사에서 "공정을 줄여나가는 작업은 반도체 회사에게 가장 큰 기회가 되기도 하고 위험 요소가 되기도 한다"면서 "인텔은 45nm 공정을 실현함으로써 가장 중요하면서도 위험한 일을 해 냈다"고 말했다.

45nm는 머리카락 한 가닥 5천만분의1 크기로, 이같은 초미세 공정으로 제작된 트랜지스터는 하나의 프로세서에 4억1천만개 탑재된다. 이는 2억9천만개가 탑재되는 기존 프로세서보다 1억2천만 개 가량 늘어난 것. 늘어난 트랜지스터 숫자만큼 처리 성능이 빨라지게 되는 셈이다.

프로세서의 크기는 이전 65nm 기반 제품보다 25% 작아졌다. 작게 제조하기 때문에 똑같은 300mm 반도체 웨이퍼에서 더 많은 프로세서를 뽑아낼 수 있어 생산 단가도 낮아진다. 물론 전력 소모량도 줄어든다. 크기 자체가 줄어들었기 때문이다.

◆초미세 공정 달성

단순히 작게 만든 것만 의미있는 것은 아니다. 그동안 제조 공정으로 삼았던 65nm 공정에서 45nm로 도약하기 위해서는 반도체 제작 과정의 한계를 꼭 뛰어넘어야 했는데, 인텔은 이를 해결한 것이다.

하나의 프로세서에 트랜지스터를 보다 많이 집적하기 위해 보다 작게, 보다 얇게 만들다 보면 트랜지스터 내에서 '새는' 전기가 발생하게 된다. 반도체와 전극 사이에 전류가 흐르지 않도록 해주는 '실리콘 다이옥사이드'라는 절연체가 있는데 이것이 너무 얇아지기 때문이다.

새는 전류는 수도꼭지에서 한두방울 떨어지듯 나오는 미세한 양이지만 4억1천만개의 트랜지스터에서 전류가 나오면 엄청난 양이 된다. 그래서 트랜지스터 크기를 쉽게 줄일 수 없게 되는 것이다.

심하면 이 절연체의 불량률이 높아져 찢어지거나 구멍이 뚫릴 수도 있다. 이렇게 되면 생산 단가가 높아져 공정을 낮춘 이유가 없어진다. 반도체 업계에서는 제조 공정을 줄이기 위해 새는 전류를 어떻게 줄일 수 있느냐에 대한 연구를 중점적으로 수행해 왔다.

인텔은 이번에 45nm 공정을 실현하면서 40년동안 반도체업계에서 사용해왔던 실리콘 다이옥사이드 절연체 대신 반금속 성질을 지닌 '하이케이'라는 절연체를 선택했다.

서울대학교 전자공학부 이혁재 교수는 "하이케이 절연체는 전기가 새는 것을 막아주는 비율이 높다는 특징을 갖고 있다"며 "인텔이 하이케이를 선택한 것은 40년 반도체 공정에 일대 혁신을 꾀한 것으로 볼 수 있다"고 평했다.

◆1년안에 45nm 제품이 65nm 출하량 추월

현재 인텔은 미국의 오레곤 주와 아리조나 주에 있는 D1D와 팹32라는 공장에서 45nm 제품 양산에 돌입한 상태다. 오는 2008년에는 이스라엘에 팹 28, 뉴멕시코에 팹11X라는 새로운 공장을 열고 45nm 제품군을 더 만들어낸다.

인텔코리아 이희성 사장은 "내년 3분기면 45nm 제품이 65nm 제품 출하량을 앞지를 것으로 예상하고 있다"고 전했다.