[ 진짜 하루만에 이해하는 반도체 산업 ] - 박진성 저

P1. 반도체란 무엇일까?

 

- 반도체는 반만 도체인 물질..? 정확하게는 도체의 특성과 부도체의 특성을 조절할 수 있는 물질!

즉, 전기가 통하거나 통하지 않게 조절할 수 있는 물질이 반도체 (Semiconductor)

전압을 인가했을 때 이동할 수 있는 자유 전자를 가진 물질은 도체, 자유 전자가 없는 물질은 부도체.
반도체 물질은 본래 전자가 이동할 수 없는 물질이지만, 인위적인 조작을 통해 전자가 이동할 수 있도록 만들 수 있는 물질.

 

- N형 반도체란 전하를 옮기는 캐리어로 자유전자가 사용되는 반도체. 음의 전하를 가지는 자유전자가 캐리어로서 이동해서 전류가 생긴다.
- P형 반도체란 주요 전하 캐리어로 양공이 사용되는 반도체. 양의 전하를 가지는 양공이 캐리어로서 이동해서 전류가 생긴다. 

 

- 전기가 통하는 반도체 물질을 만드는 목적이 무엇인지?

금속이 갖지 못하는 반도체만의 특별한 능력이 있기 때문. 반도체는 P형과 N형 반도체가 만날 때 엄청난 능력을 발휘한다. P형과 N형 반도체를 조합하면 다양한 기능을 하는 반도체 소자를 만들 수 있다. 대표적인 반도체 소자로는 정류 기능을 하는 다이오드, 증폭과 스위치 기능을 하는 트랜지스터가 있다. 

정류: 전자가 한 방향으로만 이동할 수 있게 하는 것

 

- 집적회로 (Integrated Circuit)
: 하나의 판 위에서 반도체 소자를 포함한 여러 전자 부품을 만들고, 이를 모두 전선으로 연결하여 회로를 구성하는 방법을 고안. 판 안에서 전기적인 연결이 만들어지면 전선의 이동 경로가 짧아지고, 동시에 외부 충격에 의한 파손 가능성이 작아질 것이라 생각. 이렇게 하나의 판에 여러 소자들을 만들어 배치하거나 쌓는 과정을 '집적'이라고 하고, 판에 있는 반도체 소자들을 전선으로 연결해 회로로 구성한 제품이 '집적 회로'.

 

반도체 소자를 더 작게 만들어 오밀조밀 채워 넣어야 더 많이 집적 가능. 이때 반도체 소자를 작게 만드는 능력이 "미세 공정". 반도체 소자의 크기는 선폭 (Line Width) 로 표현하는데 선폭은 MOSFET 구조에서 소스와 드레인 사이 거리를 말하는데, 반도체의 크기를 나타낼 때 흔히 사용하는 10나노, 5나노 등은 소스와 드레인 사이의 거리를 의미. 다만, 최근에는 선폭의 의미를 소스와 드레인 사이의 거리로 국한하지 않고, 이 정도 선폭에 상응하는 성능과 집적도를 낼 수 있다는 의미로 넓혀 사용한다. 따라서 선폭의 숫자가 낮을수록 반도체 소자를 더 작게 만들 수 있거나 또는 그 선폭에 상응하는 만큼의 고성능 반도체 소자를 만들 수 있는 것. 

 

 

 

P2. 시스템 반도체와 메모리 반도체

 

시스템 반도체 - 사용자의 명령을 해석하고, 실제 연산을 진행하는 과정을 담당. ex) CPU

메모리 반도체 - 정보를 저장하고, 저장된 정보를 읽는데 특화된 반도체. 단기기억은 RAM, 장기기억은 ROM. 

 

예컨대,  엑셀 프로그램을 열 때 CPU는 사용자의 명령인 엑셀프로그램 실행을 해석하고 ROM에서 필요한 데이터를 RAM 으로 옮기라고 명령.

 

RAM 과 ROM 은 모두 기억을 담당하는 메모리 반도체이지만, RAM 은 CPU가 일 할 때 필요한 데이터를 잠깐 기억하는 단기 기억을 맡고, ROM 은 데이터를 장기간 보관하는 장기 기억을 맡는다는 점에서 차이. RAM 처럼 컴퓨터 전원을 종료했을 때 데이터가 날아가는 반도체를 휘발성 메모리 반도체라 하고, ROM 처럼 컴퓨터 전원이 꺼진 뒤에도 데이터가 저장되어 있는 반도체를 비휘발성 메모리 반도체라고 한다. 

RAM 의 용량이 크면 CPU 가 RAM 에 더 많은 프로그램을 올려놓고 작업할 수 있어 일 처리 속도가 빨라진다. 다다익램. 

 

 

시스템 반도체는 대표적으로 CPU, GPU, AP, 이미지 센서 (CIS) 등 이 있다. 

 

메모리 반도체는 정보를 저장하고, 저장된 정보를 읽는데 특화된 반도체. 

CPU 는 연산에 필요한 많은 정보를 RAM 에 저장. RAM 은 크게 SRAM 과 DRAM 으로 구분된다. SRAM 과 DRAM 은 모두 전원 공급이 차단되면 저장한 데이터가 소멸되는 휘발성 메모리지만, 회로구성이나 동작 속도 측면에서 차이가 있다. SRAM 은 트랜지스터 6개로 구성. 반면 DRAM은 트랜지스터 1개와 캐퍼시터 1개로 구성. DRAM은 하나의 비트를 저장하기 위한 메모리 셀의 회로 구성이 단순하여 SRAM 보다 더 큰 용량을 더 저렴하게 만들수 있다. 반면 SRAM 은 비용이 비싸지만, 동작 속도가 DRAM 보다 100배 이상 빠름. 이런 특징 때문에 SRAM 은 꼭 필요한 용량만 만들어 CPU의 메모리 유닛에 속하는 캐시 메모리로 활용된다. 

DRAM 은 전자가 빠져나가지 않도록 주기적으로 전자를 채워주는 리프레시 작업이 필요하여 동적 (Dynamic) RAM 이다. 

 

ROM 은 주기억 장치인 RAM 을 보조하는 동시에 데이터를 저장하는 역할. 전원을 끄더라도 데이터가 보존되는 비휘발성 메모리. 

 

 

*** 헷갈리는 반도체 용어 구분하기 *** 

반도체 / 반도체 소자 / 반도체 물질 / 집적회로 (IC) / 반도체 칩 / 집적 회로 칩 / IC 칩

 

반도체

: (사전적 의미) 전자가 이동할 수 없는 물질이지만, 인위적인 조작을 통해 전자가 이동할 수 있도록 만들 수 있는 물질

: (반도체 산업에서의 의미) 반도체 물질로 만들어진 전자 부품 (예: CPU, 메모리 제품 등)

 

반도체 소자

: CPU, 메모리 등의 반도체는 트랜지스터나 다이오드 같은 기초 구성 요소로 이루어짐. 문제는 트랜지스터나 다이오드 역시 N형 반도체와 P형 반도체를 접합해 만드는 반도체라는 점. 양자의 구분을 위해 반도체 부품을 구성하는 트랜지스터나 다이오드 같은 기초 구성요소를 '반도체 소자'라고 부른다. 

 

반도체 칩, IC 칩, 집적회로 칩
: 실리콘 웨이퍼 한 장에 수십 ~ 수천 개의 제품이 동시에 만들어짐. 최종 단계에서 이를 조각으로 잘라내 하나의 반도체 제품으로 만듬. 실리콘 웨이퍼를 잘라낸 조각은 '실리콘 칩', 실리콘 칩에 여러 공정을 더해 만든 전자 부품은 '반도체 칩' 

하나의 반도체 칩은 많은 반도체 소자와 이를 연결하는 배선 층이 집적 회로를 구성. 이런 이유로 반도체 칩을 집적 회로 칩, IC 칩이라고 부르기도 한다. 즉, 반도체 칩, 집적 회로 칩, IC 칩은 반도체라고 부르는 전자 부품을 지칭하는 동일한 용어. 

 

 

P3. 반도체 8대 공정

 

< 8대 공정 >  

1. 웨이퍼 공정

2. 산화 공정 

3. 포토 공정

4. 에칭 공정

5. 증착 및 이온 주입 공정

6. 금속 배선 공정

7. 테스트 공정

8. 패키지 공정

 

3, 4, 5 공정은 반도체 제작 단계에서 필요한 만큼 계속 반복된다. 

 

1 ~ 6 까지는 여러 개의 반도체가 하나의 웨이퍼에 만들어져 있는 상태, 즉 웨이퍼 상태로 공정이 진행된다. (전공정)

7 ~ 8 이 후공정. 

 

#1. 웨이퍼 제조 공정 (Wafering)

  -  웨이퍼의 재료, 실리콘 

  -  실리콘 원자들을 규칙적으로 배열 

  -  실리콘 잉곳을 잘라서 실리콘 원판으로 만들기

  -  실리콘 원판을 실리콘 웨이퍼로 만들기

 

#2. 산화 공정 (Oxidation)

  - 전기를 차단하는 완벽한 방법, 산화막

반도체는 전류의 흐름을 통해 0과 1을 오가며 복잡한 연산을 수행. 서로의 영역을 침범해 전기 신호가 잘못 전달되면 큰 오류가 발생할 수 있기 때문에 전류가 흐르는 곳과 흐르지 않는 곳을 확실하게 구분(절연)해줘야 한다. 

 

#3. 포토 공정 (Photolithography)

- 웨이퍼 위에 만들 트랜지스터는 3차원의 구조물. 깎아낼 부분은 깎아내고, 쌓을 부분은 쌓아야 함. 그것도 수십~수백억 개를. 그렇게 트랜지스터를 만들면 적절하게 금속 선으로 연결해 회로를 구성해야 하나의 반도체가 완성됨. 이 때 어느 부분을 깎아내고 쌓아줄지, 회로 구성을 어떻게 할지 웨이퍼에 밑그림 (회로도) 을 그리는 작업이 포토 공정. 

- 웨이퍼, 감광층, 노광장비, 포토마스크가 포토공정에 필요한 준비물

노광장비로 포토마스크에 있는 회로도를 웨이퍼에 작은 사이즈로 전사함. 

 

#4. 에칭 공정 (Etching)

1. 필요 없는 부분을 제거하는 에칭 (식각) 공정

- 포토 공정을 통해 밑그림을 그렸으면, 이제 밑그림을 바탕으로 깎아낼 부분은 깎아내고, 쌓아줄 부분은 쌓아서 3차원의 구조물과 회로 구성을 만들어야 합니다. 반도체를 만드는 과정은 이렇게 밑그림을 그리고, 깎아내고, 쌓아주는 과정의 연속. 

- 감광층을 통해 필요 없는 부분의 위치를 확인했으면, 해당 부분을 제거. 

- 어떻게 원하는 물질을 정확하게 깎아낼 수 있을까? 제거할 물질과 화학 반응을 일으키는 물질인 에천트를 활용해 에칭 공정을 진행. 이때, 에천트로 어떤 물질을 쓰느냐에 따라 크게 습식 에칭과 건칙 에칭으로 나눌 수 있다. 

 

-> 높은 선택비로 원하는 물질만을 빠르게 제거하되 남아있는 물질 표면에 물리적인 손상을 최소화해야함. 이를 위해서는 최적의 물리 화학적 건식 에칭용 에천트 가스와 이 가스를 효과적으로 활용할 수 있는 에칭 장비가 개발되어야 한다. 

최근에는 두께를 조절한다는 개념을 넘어 하나의 원자 층을 한 꺼풀씩 벗겨내듯 에칭하는 원자 층 에칭 공정이 연구 중. 

 

#5. 증착 공정 (Deposition) 및 이온 주입 공정 (Ion Implantation)

- 증착 공정이란?

밑그림을 그리는 과정이 포토 공정, 깎는 과정이 에칭 공정이라면, 쌓는 과정은 증착 공정에 해당. 

증착 공정은 물질을 얇은 필름의 형태로 만들어 원하는 위치에 씌우는 것을 말한다. (다른 말로는 박막 공정이라고도 함)

증착 공정은 어디에 쓰이고 왜 필요한걸까?

공정이 진행될수록 절연막이 계속 필요함. 그런데 앞에서 배운 산화공정으로는 원하는 모든 곳에 절연막을 형성할 수가 없다. 이산화규소 절연막을 만들기 위해서는 웨이퍼에서 실리콘 원자를 공급받아야 하는데, 공정을 진행하다 보면 실리콘 원자를 공급받기 어려운 위치가 생김. 또, 반도체 소자가 만들어진 후 산화 공정을 진행하면, 높은 온도와 산화 반응으로 인해 반도체 소자와 금속 배선들의 특성이 열화되는 문제도 발생. 이러한 이유로 공정이 진행되는 과정에서 산화 공정으로 계속 절연막을 만들기는 어렵다. 그래서 산화공정으로 형성하는 이산화규소 절연막 대신 증착 공정을 활용해 절연막을 만듬. 증착 공정은 증착하려는 물질의 재료를 모두 기체나 순수한 고체 상태로 공급하기 때문에 표면의 상태와 무관하게 원하는 필름을 형성할 수 있다. 또, 산화 공정에 비해서 공정 온도가 낮아 더 많은 상황에 활용 가능. 

 

- 이온 주입 공정이란?

이온 주입 공정은 말 그대로 웨이퍼에 이온을 주입하는 공정.

실리콘에 전기 전도성을 부여하기 위해 실리콘보다 최외각전자가 1개 더 적은 붕소 혹은 최외각전자가 1개 더 많은 인이나 비소 도펀트를 넣어 도핑. 이온 주입 공정에서 뜻하는 이온이 바로 도펀트 원소의 이온. 붕소, 인, 비소 등의 도펀트 이온을 실리콘 웨이퍼에 주입해 전기가 통하는 P형 혹은 N형 반도체로 만드는 공정이 바로 이온 주입 공정. 

도펀트 가스에 전기 에너지를 가해 주입할 이온을 만들고, 이 이온을 다시 전기 에너지로 가속시켜 실리콘 웨이퍼 표면 안쪽으로 들어가도록 하는 원리. 

이온 주입 공정에서 가장 중요한 것은 원하는 양의 도펀트 이온을 필요한 영역에만 정확히 주입하는 것. 이를 위해 이온을 가속하는데 사용하는 전압과 이온 빔 전류를 조절하고, 표면의 산화막을 이용해 이온이 들어가지 말아야 할 영역을 구분해준다. 

 

#6. 금속 배선 공정 (Metalization)

- 금속 배선 공정이란 산화공정, 포토공정, 에칭공정, 증착 및 이온주입공정을 통해 실리콘웨이퍼 위에 반도체 소자들을 만들었다면, 이제 이 소자들이 제대로 동작할 수 있도록 전선으로 연결해주는 과정이 필요. 이 공정이 금속배선공정. 

- 일반전선 대신 금속으로 된 회로선을 깔아 소자와 소자 사이, 소자와 외부 사이를 전기적으로 연결. 

 

#7. 테스트 공정 (Test)

웨이퍼에 반도체를 만드는 전공정이 완료되었다면 이제 웨이퍼를 반도체 완제품으로 만드는 과정인 후공정을 진행.
전공정에서는 웨이퍼 단위로 공정을 진행했다면, 후공정에서는 개별 실리콘 칩 단위로 공정을 진행. 

후공정 파트는 만들어진 반도체가 정상적으로 작동하는지 검사하는 테스트 공정과 실리콘 칩을 완제품으로 만드는 패키지 공정으로 구분. 

 

- 테스트 공정이란? 
공정이 완료된 웨이퍼 상태에서 첫 테스트를 진행하고, 패키지가 끝난 완제품 반도체 칩상태에서 한 번 더 테스트를 진행.  

 

#8. 패키지 공정 (Package)

단순 포장 과정을 넘어 반도체 성능을 결정하는데 굉장히 중요한 역할!

 

** 패키지의 역할 **

 

1. 전기적인 통로 연결

실리콘 칩은 그 자체로는 어떤 기능도 할 수 없다. 메인보드라고 불리는 초록색 판에 실리콘 칩과 여러 전기 소자들이 함께 연결될 때 비로소 제 기능을 수행 가능. 그래서 실리콘 칩에는 외부와의 연결을 위한 단자들이 있다. 문제는 실리콘 칩에 있는 외부 단자는 눈에 보이지 않을 정도로 작은 크기라서, 실리콘 칩을 메인보드에 바로 연결할 수 없고, 실리콘 칩과 메인보드 사이를 연결해 줄 매개체 즉 "패키지 기판"이 필요. 패키지 기판으로는 리드 프레임 또는 인쇄 회로 기판을 사용. 

실리콘 칩을 패키지 기판 위에 올려 놓고 그 다음 실리콘 칩과 패키지 기판의 전기적인 연결 통로인 금선(Gold Wire)를 만든다.  패키지 기판과 메인보드 사이는 금선과 연결되어 있는 기판의 단자 (리드프레임의 다리들)이 그 역할을 한다. 

 

2. 실리콘 칩의 외부 충격으로부터 보호

 

3. 효과적인 열 방출