[주식] 반도체란 / 반도체 제작과정 / 반도체 종류 / 반도체의 모든 것!!

안녕하세요. 루디입니다.

 

이번 시간에는 반도체에 대해서 알아보려고 하는데요. 

 

혹시 규석기 시대라고 아시나요??

 

규석기 시대란 '규소' 즉 반도체의 원료가 되는 물질의 이름을 따서 현대 문명을 규석기 시대라고 부른다고 합니다.

'산업의 쌀'이라 불리는 반도체는 아주 많은 곳에 쓰이고 있는데요. 

 

컴퓨터, 스마트폰, 카메라, 자동차, 냉장고, 세탁기 같은 전자제품부터 USB 메모리, SD카드 등 저장매체, 심지어 전자여권까지 생활 곳곳에 광범위하게 반도체가 사용되고 있습니다.

반도체란 한자로는 절반 반, 이끌 도, 몸 체

 

우선 도체란 '전기 혹은 열이 잘 흐르는 물질'을 말합니다. 부도체는 그 반대겠죠?

그렇다면 반도체란 전기전도도가 도체와 부도체의 중간 정도 되는 물질이라 할 수 있겠죠.

 

왜 전기전도도가 중간 정도되는 물질이 중요하게 된 걸까요?

 

도체와 반도체가 다른 점은 도체는 전기가 잘 통하지만 조절하기가 어렵습니다.

 

반면 반도체는 인공적인 조작을 통해 전기전도도를 조절할 수 있다는 것이 차이점입니다.

 

그래서 반도체는 전압이나, 열, 빛의 파장에 따라서 전기전도도 값이 변화되기 때문에 전류를 조절하는 데 사용됩니다.

집적회로 IC에 가장 많이 사용되는 반도체인 실리콘을 예시로 들어보겠습니다.

 

실리콘은 모래에서 얻을 수 있습니다. 모래에서 얻은 실리콘에 붕소, 인과 같은 불순물을 주입해서 전기전도도를 조절하는 것입니다.

 

그렇다면 전기전도도를 왜 조절해야 되는지도 알아야겠죠?

 

반도체가 사용되는 곳은 '디지털' 기기들입니다. 바로 이 '디지털'이라는 것이 중요합니다.

 

디지털 기기들이 데이터를 기억하는 방식은 2진법입니다.

 

모든 정보를 '0'과 '1'로 나타내는 것이죠

 

반도체에 전기가 흐르면 1, 흐르지 않으면 0으로 나타나게 되어 디지털 기기의 기억장치와 연산장치에 활용되는 것입니다.

반도체는 용도에 따라 크게 메모리 반도체와 시스템 반도체(비메모리반도체)로 구분됩니다.

 

정보를 '0'과 '1'의 디지털 신호로 바꿔 기억하고 저장하는 것이 메모리 반도체이고

 

그것을 제어, 연산, 변환해 정보를 처리하는 것이 시스템 반도체입니다.

 

시스템 반도체의 가장 대표라고 할 수 있는 반도체는 CPU(중앙처리장치)입니다.

 

CPU는 컴퓨터 시스템을 통제하고 프로그램을 실행하고, 처리하는 가장 핵심적인 칩이죠.

 

이 밖에 GPU, NPU, AP 등도 있는데요. 이 칩들에 대해선 이후에 좀 더 자세하게 다루도록 하겠습니다.

 

메모리 반도체의 경우엔 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리로 나뉩니다.

 

비휘발성 메모리는 전원이 공급되지 않아도 정보를 저장할 수 있는 메모리 반도체를 말하는데요.

 

전원이 꺼져도 저장한 파일들이 그대로 남아 있을 수 있는 게 바로 SSD, HDD 등의 비휘발성 메모리 덕분입니다.

 

반면 휘발성 메모리는 전원이 꺼지면 저장되지 않을 채 날아가 버리는 특성을 지녔는데요.

 

대신 적은 양의 정보를 빠르게 처리할 수 있다는 특징이 있습니다. 컴퓨터에선 D램이 여기에 속합니다.

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자 그럼 이러한 반도체들은 어떤 과정을 거쳐 만들어질까요?

 

위에서 보여드린 집적회로는 손톱만큼이나 작고 얇은 실리콘칩에 지나지 않지만 그 안에는 수만 개에서 천만 개 이상의 전자부품(트랜지스터, 다이오드, 저항, 캐패시터)들이 가득 들어있습니다.

 

이러한 전자 부품들이 서로 정확하게 연결되어 논리게이트와 기억소자 역할을 하게 되는 것입니다.

 

칩 속의 작은 부품들은 하나하나 따로 만들어서 조립되는 것이 아니며 또한 불가능합니다.

 

대신 부품과 그 접속부분들을 모두 미세하고 복잡한 패턴(문양)으로 만들어서 여러 층의 재료 속에 그려 넣는 방식을 사용합니다.

 

그러기 위해서는 문양을 사진으로 찍어 축소한 마스크를 마치 사진 인화할 때의 필름처럼 사용합니다.

 

반도체 제조 공정을 크게 보면 아래와 같습니다.

구체적인 용어는 뒤에서 설명하기로 하고 웨어퍼라는 용어는 다들 들어보셨을 겁니다.

 

땅속의 원소 중 산소 다음으로 풍부한 물질이 바로 규소, 즉 실리콘입니다.

 

이 실리콘을 고순도로 정제해서 단결정으로 만든 것이 집적회로(IC)를 만드는 재료이며, 이것이 실리콘 단결정인 잉곳(Ingot)이라 합니다. 쉽게 말해 실리콘을 녹여 기다란 덩어리로 만든 것인데요.

이 기다란 덩어리 실리콘 잉곳을 얇게 잘라서 한쪽 면을 거울같이 연마하면 실리콘 웨이퍼가 됩니다. 

 

좌측이 실리콘 잉곳 / 중간이 실리콘 웨이퍼 / 우측은 집적회로가 올라가 있는 실리콘 웨이퍼입니다.

 

아래 사진은 좀 더 세분화 시킨 반도체 제작 과정입니다.

01. 단결정 성장

고순도로 정제된 실리콘용 융액에 속도를 가하여 회전시켜 단결정 규소봉(Ingot)을 성장시킵니다. 

02. 규소봉 절단

성장된 규소봉을 균일한 두께의 얇은 웨이퍼로 잘라냅니다.

우리가 흔히 말하는 몇 인치 웨이퍼라는 말은 절단되는 규소봉의 구경에 따라 3, 4, 6, 7로 만들어지며 생산성 향상을 위해 점점 대구경화 경향을 보이고 있습니다.

 

03. 웨이퍼 표면연마

웨이퍼의 한쪽 면을 연마하여 거울 면처럼 만들어주며, 이 연마된 면에 회로 패턴을 그려 넣게 됩니다.

 

04. 회로설계

CAD라는 설계 프로그램을 이용하여 전자회로와 실제 웨이퍼 위에 그려질 회로 패턴을 설계합니다.

 

05. 마스크 제작

설계된 회로 패턴을 E-beam 설비로 유리 판위에 그려 MASK를 만듭니다.

Photo Mask라고도 하는데 사진용 원판의 구실을 합니다. 현상 공정에서 마스크를 Wafer 위에 얹어 강한 자외선을 비추면 유리 위에 그려진 회로가 Wafer에도 똑같이 그려집니다.

 

- Mask : 웨이퍼 위에 만들어질 회로 패턴의 모양을 각 층별로 유리 판위에 그려 놓은 것으로 사진 공정 시 스테퍼(반도체 제작용 카메라)의 사진 건판으로 사용됩니다.

 

06. 산화공정

고온(800~1200℃)에서 산소나 수증기를 실리콘 웨이퍼 표면과 화학반응 시켜 얇고 균일한 실리콘 산화막(SIO2)을 형성 시키는 공정을 말합니다.

 

07. 감광액(PR : PhotoResist) 도포

빛에 민감한 물질인 PR를 웨이퍼 표면에 고르게 도포 시킵니다. 그다음 이를 살짝 구워서 Aligner라고 불리는 사진 촬영 장치로 보내는데 이때부터 웨이퍼는 사진의 인화지 역할을 하게 됩니다.

 

* 포토레지스트 (PR : PhotoResist) : 회로를 사진 현상하기 위한 감광액

* Coater : 감광액도포설비. 웨이퍼 표면에 감광액을 고르게 도포해 주는 설비

* Aligner : 정렬기. 미세한 회로 패턴이 그려진 마스크를 반복적으로 축소 투영하게 되는데 웨이퍼 상의 위치와 마스크가 정확히 일치하도록 정렬시켜 주는 설비

 

08. 노광

Stepper를 사용하여 Mask에 그려진 회로 패턴에 빛을 통과시켜 PR막이 형성된 웨이퍼 위에 회로 패턴을 찍는 공정을 말합니다. 반도체 공정 중 매우 중요한 공정의 하나입니다.

 

* Stepper : 반도체 제조용 카메라. 자외선(UV선)을 이용하여 마스크 상의 회로 패턴을 감광액이 도포된 웨이퍼 표면에 전사해 주는 설비

 

09. 현상

웨이어 표면에서 빛을 받은 부분의 막을 현상시키는 공정을 말합니다. 현상액을 웨이퍼에 뿌리면 웨이퍼는 노광 과정에서 빛을 받은 부분과 받지 않은 부분으로 구별되는데 빛을 받은 부분의 현상액은 날아가고 빛을 받지 않은 부분은 그대로 남게 됩니다.

 

* Developer : 현상기. 빛에 노출되어 성질이 변한 감광액을 현상액으로 제거해 주는 설비

 

10. 식각

회로 패턴을 형성시켜 주기 위해 화학물질(습식)이나 반응성 GAS를 사용하여 필요 없는 부분을 선택적으로 제거 시키는 공정을 말합니다. 현상액이 남아 있는 부분을 남겨 둔 채 나머지 부분은 부식시킵니다. 식각이 끝나면 감광액도 황산 용액으로 제거합니다.

 

이 과정은 동판화를 만드는 것과 다름없습니다. 동판화 제작 과정을 보면 동판 위에 파라핀을 바르고(반도체의 감광액) 표면을 불로 그을은 뒤 (반도체의 산화공정) 그 위에 날카로운 송곳 같은 것으로 그림을 그립니다. 송곳이 지나간 자리에는 파라핀이 벗겨집니다. 그다음 부식 시키는 화공약품을 넣습니다. (반도체의 식각 공정) 화공약품과 파라핀을 씻겨내면 그림이 완성됩니다. 반도체의 경우 이러한 패턴형성 과정은 각 패턴층에 대해 계속적으로 반복합니다. 

패턴 공정이라고도 합니다.

 

* Etcher(에쳐) : 웨이퍼 위에 형성된 패턴대로 필요한 부분을 선택적으로 깎아내는 설비

* Asher(에셔) : 건식 식각이나 이온 주입 등에 의해 굳어진 감광액의 건식 제거(Dry Strip)용 반도체 전공정 장비 

* Stripper(스트리퍼) : 식각 공정이 끝난 후 남아있는 감광액을 제거해 주는 설비

* Station(스테이션) : 세척설비. 매 공정후에는 항상 웨이퍼를 세척해 주는 설비

 

* 패턴 공정

11. 이온주입 공정

회로 패턴과 연결된 부분에 불순물을 미세한 GAS 입자 형태로 가속하여 웨이퍼의 내부에 침투시킴으로써 전자 소자의 특성을 만들어 줍니다. 이러한 불순물 주입은 공온의 전기로 속에서 불순물 입자를 웨이퍼 내부로 확산시켜 주입하는 Diffusion(확산) 공정에 의해서도 이루어집니다.

 

* Implanter : 이온주입장치. 불순물주입공정에 사용되는 설비로서 불순물원 자이온을 고속으로 가속하여 웨이퍼 속으로 주입해 주는 장치. 가속 에너지 정도에 따라 High Implanter와 Medium Implanter가 있다.

* Diffusion(확산) : '확산'이란 한 물질이 어떤 다른 물질 속으로 퍼져나가는 것을 말합니다. 맑은 물 위에 잉크를 떨어뜨리면 물속으로 잉크가 퍼져나가는 것을 볼 수 있습니다. 그러나 반도체 공정에서는 이러한 액체 간의 확산이 아니라 고체 간의 확산이 이루어지며, 빠른 확산을 위해 환경을 고온처리해 주어야 합니다. 이처럼 고온의 환경을 만들어주는 설비가 Furnace입니다. 용광로를 사용하는 제철소와는 달리 반도체 라인에서는 석영관에 코일을 감은 전기로를 사용하며, 웨이퍼를 집어넣는 방식에 따라 수평식(Horizontal)과 수직식(Vertical)의 두 가지가 있습니다.

 

12. 화학기증착 (CVD)

가스의 화학 반응으로 형성된 입자들을 웨이퍼 표면에 수증기 형태로 쏘아(증착) 절연막이나 전도성막을 형성 시킵니다. 일종의 보호막과도 같은 역할을 합니다.

 

* 화학기 증착

화학기상증착이란 반도체 제조과정 중 반응기 안에 화학 기체들을 주입하여 화학반응에 의해 생성된 화합물을 웨이퍼에 증기 착상시키는 것을 말하며 이 과정에 사용되는 고순도 약액 또는 특수가스를 화학기상증착재료라 합니다.

 

증착 법에는 크게 네 가지로 분류되는데 01. 상압 화학기상증착(AP CVD : Atmospheric Pressure CVD), 02. 저압 화학기상증착(LP CVD : Low Pressure CVD), 03. 열화학증착 과 04. 플라즈마 화학증착(PE-CVD)으로 나눌 수 있습니다.

 

13. 금속배선

웨이퍼 표면에 형성된 각각의 회로를 금, 은, 알루미늄 선으로 연결시키는 공정. 금속에 전기적 충격을 주면 금속이 물방울처럼 증발하는데 역에 웨이퍼를 넣어 회로를 연결시킵니다.

 

14. 웨이퍼 자동선별

Chip들의 불량 여부를 컴퓨터로 검사하여 불량품을 골라냅니다. 불량 제품은 검은 잉크로 동그란 마크를 찍어 분류합니다.

 

15. 웨이퍼 절단

웨이퍼 상의 수많은 칩들을 분리하기 위해 다이아몬드 톱을 사용하여 웨이퍼를 절단하는 공정.

 

16. 칩 접착 (Die Attach)

날개로 분리된 Chip 가운데 제대로 작동하는 것들만 골라내어 Lead Frame 위에 올려놓습니다.

 

* Lead Frame : 반도체에서 지네발처럼 튀어나온 다리 부분인데 반도체가 전자 제품에 연결되는 소켓의 구실을 합니다. 불량으로 판정된 제품은 자동으로 제외됩니다.

 

17. 금속 연결 (Wire Bonding)

칩 내부의 외부 연결단자와 리드프레임을 가는 금석으로 연결해 주는 공정

 

18. 성형 (Molding)

외형 만들기 작업. 이 과정을 거쳐 우리가 흔히 볼 수 있는 검은색 지네발 모양이 됩니다.

Chip과 연결 금선을 보호해 주기 위해 화학 수지로 밀봉합니다. 플라스틱이나 세라믹 같은 것으로 감싸줍니다.

 

19. 최종검사

완성된 반도체의 전기적 특성이나 기능 등을 컴퓨터로 최종 검사합니다. 강제로 높은 정전기를 흘린 다음 제품이 제대로 작동하는지, 높거나 낮은 습도에서 높은 온도에서 잘 견디는지 등을 확인합니다. 합격된 제품만 판매됩니다.

 

 

반도체 재료를 크게 세분하면 일반적으로 전공정재료와 후공정재료로 구분됩니다.

 

전공정재료는

01. 기능재료 - 반도체의 기판이 되는 웨이퍼

 

02. 공정재료 - 웨이퍼를 가공하여 칩을 제조하는 데 사용되는 소재로 PhotoMask(포토마스크), PhotoResist(포토레지스트), 반도체용 고순도 화공약품 및 가스류, 페리클, 배선 재료 등

 

* 페리클 : 반도체 Device 제조 시 노광/식각 공정에서 PhotoMask(반도체 설계 회로도)를 이물질로부터 보호하기 위해 사용되는 부품

 

후공정재료에는 

01. 구조재료 - Lead Frame(리드프레임), 본딩 와이어, 봉지재

 

 

이에 따라 반도체 장비도 세분하면 일반적으로 전공정장비와 후공정장비로 구분됩니다.

 

전공정장비는

01. Main 장비 - CVD(화학증착장비), Asher(에셔), 식각장비, Track 장비

 

02. 주변장비 - 세정장비, 개스캐비넷, Chiller, Scrubber, 클린룸설비, 반도체 배관 설비

 

* Chiller(칠러) : 반도체 공정 중 주로 Etching(식각) 공정에서 Process Chamber 내의 온도 조건을 안정적으로 제어하는 온도조절장비

 

후공정장비는

01. 검사장비 - Test Handler, Chip Mounter, Burn in System

 

02. 기타장비 - 패키징 장비(몰딩, 트리밍, 포밍장비), 레이저 마킹장비 등으로 나누어집니다.

 

* Burn in System : 높은 온도(83~125℃)로 Device에 열적 Stress를 가하여 Test 하는 장치

 

 

다음은 반도체 공정별 Supply Chain 입니다.

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반도체는 위와 같은 과정을 거쳐 만들어지며, 다들 아시다시피 우리나라는 반도체 강국이라고 많이들 알고 계신데요.

 

맞습니다. 주도하고 있는 반도체 시장은 디바이스 내에서 데이터를 저장해두는 '메모리 반도체' 분야입니다.

 

우리나라는 메모리 반도체의 세계 시장 점유율 70% 이상을 자랑합니다. 하지만 시스템 반도체의 점유율은 4% 정도 밖에 되지 않습니다.

 

그렇다면 반도체 시장에서 메모리 반도체와 시스템 반도체 중 더 큰 비중을 차지하고 있는 건 무엇일까요?

바로 시스템 반도체입니다. 메모리 반도체 시장 규모가 2019년 1651억 달러인데 비해서 시스템 반도체 시장 규모는 메모리의 2배인 3129억 달러입니다.

 

컴퓨터, 스마트폰, 웨어러블, 냉장고, 드론, 자동까지 시스템 반도체가 안 들어가는 곳이 없기 때문입니다.

 

특히 자동차의 경우엔 시스템 반도체가 200~300개씩 필요한데요. 앞으로 자율주행차가 상용화되면 자동차 1대당 2,000개가 넘는 시스템 반도체가 필요해질 전망입니다.

 

이에 따라 세계 2위 반도체 기업 삼성전자는 지난해 4월 '반도체 비전 2030'을 내놓았는데요. 

 

2030년까지 시스템 반도체 글로벌 1위를 달성하기 위해 연구개발(R&D) 및 생산기술 확충에 모두 133조 원을 투자하겠다고 밝혔습니다.

 

 

 

 

여기까지 반도체는 무엇인지 / 메모리 반도체와 시스템 반도체는 무엇인지 / 반도체를 만드는 과정은 어떻게 되는지 / 메모리 반도체와 시스템 반도체의 점유율 등에 대해서 알아보았는데요.

 

그렇다면 이러한 반도체에 관련된 기업들은 어디가 있는지에 대해서는 다음 시간에 알아보도록 하겠습니다.