MOSFET, 무어의 법칙과 강대원 박사

 

무어의 법칙과 강대원 박사의 MOSFET까지 알아보겠습니다.

 

무어의 법칙이 지켜지는데 크게 기여한 것 이 강대원 박사가 개발한 MOSFET입니다.

 

 

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무어의 법칙

 무어의 법칙을 알아보기 전에 반도체 산업을 간단히 설명하면, 반도체 산업은 소자의 크기를 작게 만들어 집적도를 높이는 미세화가 지속해서 진행되고 있습니다. 이 순간에도 소자 미세화는 지속해서 진행되는 중입니다.

 페어차일드 반도체 사에서 연구·개발 수장이던 고든 무어는 과학잡지에서 기고 요청받게 되는데, 논문을 기고하면서 해당 시점까지 집적회로 칩 한 개에 들어있는 트랜지스터의 개수를 세어본 후 그 개수를 연도별로 나열하여 그래프를 그려 넣었는데, 그 그래프에서 집적회로 칩 한 개에 트랜지스터의 숫자가 1년마다 두 배가 되는 것을 발견하였습니다.

 

 

그리고 1년에 두 배씩 기하급수적으로 늘어나는 증가 추세가 최소한 10년 이상은 지속해서 이뤄질 것이라고 예측하였습니다.

 

이러한 예측을 한 이유는 비용을 줄여 더욱 많은 이윤을 남기고자 하는 회사의 욕망이 있기 때문이라고 하면서 1975년에는 65,000개의 단위 소자가 집적회로 칩에 들어갈 것으로 예상하였는데, 이것이 우리에게 알려진  '무어의 법칙'입니다.

 최초 '무어의 법칙'은 사람들의 실제로 반도체의 미래를 정확히 예측하지는 못하였는데, 그 이유는 생각보다 고집적을 하기 위한 기술력 개발이 어려웠기 때문입니다.

 

1975년에 65,000개의 단위 소자가 집적회로 칩에 들어갈 것으로 예상하였지만 1976년 Intel에서 출시한 CPU의 트랜지스터는 6,500개뿐이었습니다.

 

 1975년에 무어는 '무어의 법칙'을 수정하는데, 1년이 아닌 2년마다 집적회로 칩 한 개에 트랜지스터의 숫자가 두 배가 된다고 하였고 이것이 지금 우리가 알고 있는 '무어의 법칙'입니다.

 

 '무어의 법칙'은 반도체 산업에서 반도체 소자를 발전시키기 위한 공동의 목표를 상징하고 있으며, '무어의 법칙'을 만족하기 위하여 어떤 기술발전이 필요한 것인지에 대해 생각할 수 있도록 하는 나침반이 되었습니다

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무어의 법칙 그리고 강대원 박사 (MOSFET)

 앞에서 살펴본 '무어의 법칙'이 지켜질 수 있는데 크게 기여한 연구가 있는데, 이 연구는 '무어의 법칙'이 발표되기 전인 1959년 벨 랩에 근무하던 강대원 박사(1931~1992)가 연구하여 개발한 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)이라고 하는 트랜지스터 소자 구조입니다.

 

 이 트랜지스터 소자는 MOS 구조를 이용하는데, 금속(Metal)과 산화물(Oxide)을 반도체 위에 올린 형태입니다. 금속(Metal)을 게이트(Gate)로 사용하는데 금속 게이트에 전압을 걸고 반도체에 걸리게 되는 전기장을 조절하여 반도체의 상태를 바꿔주는 것입니다.

 

 강대원 박사는 1955년 서울대학교 물리학과를 졸업하고, 반도체 특성화 대학이었던 오하이오 주립대학에서 1959년 박사학위를 받고 벨 랩에 입사하여 Julius E.Lilienfeld가 이론으로만 특허를 낸 MOSFET을 구현하기 위해 노력하였습니다.

 

 그러던 중 실제로 작동하는 트랜지스터를 만드는 데 성공하였는데, 당시 MOSFET에 흐르는 전류가 기존에 사용하던 Bipolar 트랜지스터 소자보다 너무 적었기 때문에 사용하는 데 한계가 있었습니다.

 

 그러나 현재의 집적회로 시대가 되면서 MOSFET의 적은 전류는 큰 장점이 되었고 적은 전류는 전력 소모를 줄일 수 있었습니다. 또한 전류가 표면을 흐르는 MOSFET은 전류가 깊은 곳까지 흘려야만 하는 Bipolar 트랜지스터에 비해서 작게 만들기도 용이하였기 때문에 MOSFET은 Bipolar 트랜지스터를 빠르게 대체하게 되었습니다.

 

 실제로 강대원 박사는 1961년에 남긴 메모에 'MOSFET이 제조의 용이성으로 집적회로 시대에 큰 기회가 생기게 될 것'이라고 남기며 이미 가능성을 알고 있었습니다.

 

 MOSFET뿐 아니라 floating gate MOSFET도 발명하였는데 이 floating gate MOSFET은 MOSFET의 MOS 구조에 금속 전극 층을 한 겹 더 삽입해 넣은 것입니다.

 

 높은 전압을 가하면 채널에 모인 전하 캐리어들이 산화막을 뚫고 들어와 floating gate에 저장되는데, 여기에 저장되는 전하 캐리어의 양에 따라 트랜지스터가 켜지고 꺼지는 기준인 문턱전압(Threshold voltage)이 변하게 되며 floating gate에 저장된 전하 캐리어는 전원을 끄더라도 산화막의 에너지 장벽 때문에 다시 채널로 돌아가지 못하고 그대로 머물러 있게 됩니다.

 

 그렇기 때문에 전기가 없는 상태에서도 정보를 저장하는 비휘발성 메모리가 되는 것입니다. 1967년 FG MOSFET이라는 이름으로 특허 출원하는데, 이 소자가 바로 우리가 정보를 저장하고 보관하는 플래시메모리의 원천기술로서 엄청난 시장을 만들게 되었습니다.

 

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집적회로의 발전

 MOSFET이 나타나면서 집적회로의 발전은 더더욱 빨라졌으며, 소자 미세화를 통해 더 많은 수의 트랜지스터를 같은 면적에 넣게 해 주며 '무어의 법칙'을 계속 지켜나가는 데 큰 역할을 했습니다.

 

 

 MOSFET의 크기를 줄이는 활동인 소자 미세화와 '무어의 법칙'을 달성하는 것이 같은 의미를 갖게 되었고, MOSFET의 크기를 줄이는 소자 미세화의 목표를 정하고 달성하기 위해 포토 리소그래피의 발전, 게이트 유전막인 산화막을 얇게 만드는 것 등의 노력하게 되었습니다.

 

 소자 미세화라는 목표를 달성하기 위해 산업계 전체가 합심해서 일하고 있으며, 이제 회로 선폭 2nm 시대를 바라보고 있습니다.

 

 

삼성전자의 2나노(2nm) 양산 로드맵은 어떻게 짜여 있을까?