'산업의 쌀' 반도체, 차세대 칩은 미국에서 제조되나

반도체란 무엇인가? 반도체는 거의 모든 최신 전자 장치의 중요한 부분이며 대부분의 반도체는 대만에서 제조된다. 특히 대만과 중국 사이의 긴밀한 관계를 고려할 때 반도체에 대한 대만 의존도에 대한 우려가 커지면서 미국 의회는 7월 말 칩스법을 통과시켰다.

이 법안은 미국의 ​​반도체 생산을 촉진하기 위해 520억 달러 이상의 보조금을 제공하고 있으며 뉴스에서 널리 다루어졌다.
미국 애리조나주립대학교 전기공학과 교수이자 반도체를 연구하는 전기 엔지니어인 트레버 손튼(Trevor Thornton)은 이런 장치가 무엇이며 어떻게 만들어지는지 잘 설명하고 있다.


일반적으로 반도체라는 용어는 유리와 같은 절연체보다 전기를 훨씬 잘 전도할 수 있지만 구리나 알루미늄과 같은 금속만큼은 아닌 실리콘과 같은 물질을 말한다. 그러나 오늘날 사람들이 반도체를 말할 때 일반적으로 반도체 칩을 의미한다.

이 칩은 일반적으로 복잡한 구성요소가 특정 패턴으로 배치된 얇은 실리콘 조각으로 만들어진다. 이러한 패턴은 트랜지스터라고 하는 전기 스위치를 사용하여 전류의 흐름을 제어한다. 이는 당신 집의 조명을 켜기 위해 스위치를 돌림으로써 당신 전류를 조절하는 것과 거의 같은 방법이다

집과 반도체 칩의 차이점은 반도체 스위치는 완전 전기적이며 뒤집을 기계적 구성 요소가 없으며 칩에는 손톱크기보다 크지 않은 영역에 수천억 개의 스위치가 포함되어 있다는 것이다.


반도체는 전자 장치가 정보를 처리, 저장 및 수신하는 방식이다. 예를 들어, 메모리 칩은 데이터와 소프트웨어를 바이너리 코드로 저장하고, 디지털 칩은 소프트웨어 명령에 따라 데이터를 조작하며, 무선 칩은 고주파 무선 송신기에서 데이터를 수신하여 전기 신호로 변환한다.
이런 서로 다른 칩은 소프트웨어의 제어 하에 함께 작동한다. 다른 소프트웨어 응용 프로그램은 매우 다른 작업을 수행하지만 모두 전류를 제어하는 ​​트랜지스터를 전환하여 작동한다.


대다수 반도체의 출발점은 웨이퍼라고 하는 얇은 실리콘 조각이다. 오늘날의 웨이퍼는 접시 크기이며 단결정 실리콘으로 절단된다. 제조업체는 칩 전도성을 높이기 위해 실리콘 표면의 얇은 층에 인 및 붕소와 같은 요소를 추가한다. 트랜지스터 스위치가 만들어지는 것은 이 표면층에 있다.

트랜지스터는 전도성 금속, 절연체 및 더 많은 실리콘의 얇은 층을 전체 웨이퍼에 추가하고 리소그래피라고 하는 복잡한 프로세스를 사용하여 이러한 층에 패턴을 스케치한 다음 특정 패턴과 구조를 남기기 위해 컴퓨터로 제어되는 高반응성 가스의 플라즈마를 사용해 이러한 층을 선택적으로 제거함으로써 구축된다.

트랜지스터가 너무 작기 때문에 금속이나 절연체의 미세한 선을 칩에 직접 배치하는 것보다 레이어에 재료를 추가한 다음 원하지 않는 재료를 조심스럽게 제거하는 것이 훨씬 쉽다. 다양한 재료의 층을 수십 번 증착, 패턴화 및 식각(에칭, etching)함으로써 반도체 제조업체는 평방 인치당 수천억 개의 트랜지스터가 있는 칩을 만들 수 있다.

증착은 진공 상태에서 금속이나 화합물 따위를 가열 증발시켜 그 증기를 물체 표면에 얇은 막으로 입히는 것이며 렌즈 코팅, 전자 부품이나 반도체 따위의 피막 형성에 이용한다. 식각은 화학약품의 부식작용을 응용한 소형이나 표면가공 방법이다. 사용하는 소재에서 필요한 부위만 방식(防蝕)처리한 후 부식시켜 불필요한 부분을 제거하여 원하는 모양을 얻는다.


수많은 차이점이 있지만 가장 중요한 것은 아마도 칩당 트랜지스터 수의 증가일 것이다. 반도체 칩의 초기 상용 응용 프로그램 중에는 1970년대 널리 보급된 포켓 계산기가 있었다. 이 초기 칩에는 수천 개의 트랜지스터가 포함되었다.

1989년 인텔은 단일 칩에 100만개 이상 트랜지스터를 탑재한 최초의 반도체를 출시했다. 오늘날 가장 큰 칩에는 500억개 이상의 트랜지스터가 포함되어 있다.

이러한 추세는 칩의 트랜지스터 수가 약 18개월마다 두 배로 증가한다는 무어의 법칙으로 설명된다. 무어의 법칙은 50년 동안 유지되었다. 그러나 최근 몇년 동안 반도체 산업은 이런 발전 속도를 계속하기 위해서 주로 트랜지스터의 크기를 계속 축소하는 방법과 같은 주요 과제를 극복해야 했다.

한 가지 해결책은 평평한 2차원 레이어(layer, 층)에서 표면 위로 돌출된 지느러미 모양의 실리콘 융기를 가진 3차원 층으로 전환하는 것이었다. 이 3D 칩은 칩의 트랜지스터 수를 크게 증가시켰고 현재 널리 사용되고 있지만 제조하기 훨씬 더 어렵다.


간단히 말해, 칩이 더 복잡할수록 공장이 더 복잡해지고 건설비용도 더 많이 든다.

거의 모든 미국 반도체 회사가 자체 공장을 만들고 유지하던 때가 있었다. 그러나 오늘날 새로운 파운드리를 건설하는 데 100억 달러 이상의 비용이 들 수 있다. 가장 큰 기업만이 그러한 투자를 감당할 수 있다. 대신 대부분의 반도체 회사들은 제조를 위해 설계를 독립 파운드리로 보낸다. TSMC와 글로벌파운드리(GlobalFoundries)는 다른 회사를 위해 칩을 구축하는 다국적 파운드리의 두 가지 예이다. 그들은 차세대 반도체를 생산하는 데 필요한 엄청나게 비싼 기술에 투자할 전문 지식과 규모의 경제를 가지고 있다.

미국 뉴욕에 본사를 둔 글로벌파운드리는 2009년 ATIC가 AMD의 생산부문을 인수하고 확장 투자로 설립한 반도체 파운드리 업체이다.

아이러니하게도 트랜지스터와 반도체 칩은 미국에서 발명되었지만 현재 미국 땅에는 최첨단 반도체 파운드리가 없다. 미국은 1980년대에 일본이 세계 메모리 사업을 지배할 것이라는 우려가 있던 시절에 이곳에 있었다. 그러나 새로 통과된 칩스법으로 의회는 차세대 반도체가 미국에서 제조될 수 있는 인센티브와 기회를 제공했다.

아마도 다음 아이폰 칩은 "미국에서 제작된 캘리포니아의 애플에서 설계"할 것이다.


김세업 글로벌이코노믹 기자