반도체

Semiconductor.

도체와 부도체의 특성을 모두 가지는 물질. 흔히 '도체와 부도체의 중간에 있는 물질'이라는 표현도 많이 쓰지만 이는 전기가 통하는 것도 안 통하는 것도 아니라는 모호한 표현이고, 좀 더 정확히는 어떤 조건에서는 도체지만 다른 조건에서는 부도체인 물질을 뜻한다.

반도체가 전기 전자 산업에서 중요한 이유는, 스위치 구실을 할 수 있기 때문이다. 특히 디지털에서는 이 스위치의 역할이 중요한데, 디지털은 우리가 잘 아는 대로 0과 1, 두 가지 값을 가진다. 이를 전기로 해석하면 전기가 통하지 않으면 0, 전기가 통하면 1이다. 따라서 디지털 정보를 저장하고 처리하기 위해서는 0과 1을 오가는 스위치가 많이 필요한데, 반도체는 기계적인 장치가 전혀 없이 오로지 전기로만 스위치를 구현하는 것이 가능하다. 따라서 스위치를 굉장히 작게 만들 수 있으며, 아주 빠르게 스위치를 켰다 껐다 할 수 있다.

종류

크게 두 가지로 나누면 메모리와 비메모리 반도체로 나눈다. 그만큼 메모리 반도체 시장이 크다는 뜻이다. 메모리가 3분의 1, 비메모리가 3분의 2를 먹고 있기 때문에 비메모리 시장이 두 배나 커 보이지만 비메모리는 말 그대로 '메모리 빼고 다' 들어가므로 온갖 걸 다 합쳐서 3분의 2라는 뜻이다.

반도체 기업의 종류

반도체 제조 과정을 크게 설계, 제조, 패키징 및 테스트, 이렇게 세 가지로 나눌 수 있다. 패키징 및 테스트는 앞의 두 개에 비하면 좀 부차적인 과정이고 설계와 제조, 이 두 가지 중 무엇을 하는지에 따라 반도체 기업을 종합 반도체 기업, 파운드리, 팹리스로 분류한다.

종합 반도체 기업

IDM(Intergrated Device Manufacturer)으로 줄여서 부르기도 한다. 반도체의 설계와 제조를 모두 하는 기업이다. 삼성전자, SK하이닉스가 대표적인 기업이고 미국의 인텔, 마이크론도 종합 반도체 기업에 속하지만 인텔은 일부 물량을 파운드리에 외주로 맡긴다. 두 가지를 모두 하기 때문에 기업의 규모가 아주 크다.

파운드리

제조만 하는 기업이다. 순수 파운드리(pure-play foundry)와 IDM 파운드리로 나뉜다. 순수 파운드리는 설계를 하지 않고 제조만 하는 기업이며, IMD 파운드리는 종합 반도체 기업이 파운드리로도 영업을 하는 것을 뜻한다. 순수 파운드리의 비중이 아주 높으며, IDM 파운드리는 삼성전자만이 어느 정도 점유율을 차지하고 있다. 이 분야의 본좌는 대만의 TSMC로 전체 파운드리 시장의 절반을 먹고 있고, 삼성이 20% 안팎으로 격차가 많이 나는 2위, 글로벌파운드리가 3위다.

팹리스

파운드리와는 반대로 제조는 하지 않고 설계만 하는 기업이다. 미국의 AMD, 퀄컴, NVIDIA, 애플 등이 모두 팹리스로 분류된다.

공정

반도체는 흔히 '8대 공정'이라는 과정을 거쳐서 만들어진다. 일부 공정은 여러 번 되풀이하기도 하며, 이러한 공정을 거쳐서 반도체 제품이 나오기까지는 최대 3개월이 걸리는 것도 있다. 반도체 제조가 정말 어려운 이유는, 눈으로 볼 수가 없기 때문이다. 손톱보다 작은 크기의 칩에 트랜지스터, 다이오드, 저항, 커패시터 같은 소자들이 억대로 들어가는데, 흔히 반도체 공정의 미세화를 얘기할 때의 단위가 나노미터, 즉 10억 분의 1미터다. 흔히 작고 가는 것을 머리카락에 비유하는데, 머리카락 굵기가 대략 10만 나노미터 정도 된다. 최근 들어 반도체 공정의 초미세화 경쟁이 7 나노, 5 나노, 3 나노, 2 나노까지 가고 있을 정도이고, 이 정도가 되면 제조 공정을 거의 원자 수준으로 컨트롤을 해야 한다. 따라서 현미경으로는 당연히 안 보이고, 전자현미경으로도 겨우 회로의 윤곽 정도나 볼까말까한 정도다. 관찰도 불가능한데 만드는 걸 정확히 제어하는 건 더더욱 힘들다. 그러다 보니 반도체는 제조 과정에서 어느 정도 불량이 나올 수밖에 없고, 따라서 웨이퍼 하나에서 실제 사용가능한 칩이 얼마나 나오는지, 즉 '수율'이 중요하다. 기술 개발에 성공해도 수율이 안 나오면 채산성이 안 맞기 때문에 상용화를 못 하는 반도체도 많다.

웨이퍼 제조 공정

반도체의 가장 기반 재료인 실리콘 웨이퍼를 만드는 공정이다. 모래에서 실리콘을 추출하고 정제해서 고순도의 실리콘을 만들어 낸 후, 이를 녹이고 원통 모양의 잉곳(ingot)을 만든다. 잉곳을 다이아몬드 톱으로 얇게 잘라내면 웨이퍼가 만들어진다. 웨이퍼의 지름이 크면 클수록 웨이퍼 한 장으로 만들 수 있는 칩의 수가 제곱으로 늘어나기 때문에 원가를 절감할 수 있지만 지름이 클 수록 균일한 단결정 잉곳을 뽑아내기가 힘들어진다. 더욱 크기가 큰 웨이퍼를 만들려는 기술 개발도 이어지고 있다.

산화 공정

막 웨이퍼로 만든 실리콘은 반도체로서 기능을 전혀 하지 못한다. 이후에 진행될 각종 공정을 통해 비로소 반도체로 그 기능을 하는데, 그 첫 번째 공정이 산화 공정이다. 산화 공정은 웨이퍼의 표면에 SiO₂ 산화막을 만드는데, 이 산화막은 절연체 구실을 한다. 즉 산화막이 있는 부분은 절연 상태이고 없는 부분은 그 아래 실리콘이 노출되어 반도체로서 기능을 한다. 산화막은 실리콘을 보호하는 기능도 한다.

포토 공정

설계 도면을 반도체 웨이퍼로 옮기는 공정. 가장 시간도 오래 걸리고 비용도 많이 드는 공정으로, 반도체의 기능과 성능을 결정하고 품질에 가장 결정적인 역할을 한다. '포토'라는 말에서 알 수 있는 것처럼 사진을 찍듯이 설계 도면을 웨이퍼 위에 '찍는다'. 흑백 필름 카메라로 사진을 찍으면 필름에 발라져 있는 감광제가 들어온 빛에 따라서 감광이 된다. 보통은 네거티브 필름, 즉 흑백이 반대로 필름에 찍히는데, 이 필름을 인화지 위에 놓고 빛을 쪼이면 필름의 투명한 부분은 빛이 통과하므로 인화지가 감광되며 불투명한 부분은 빛이 통과하지 못하므로 감광되지 않는다. 반도체도 이와 비슷한 방식으로 웨이퍼 위에 감광제, 즉 포토레지스트를 바르고 그 위에 필름 구실을 하는 마스크를 놓은 후 빛을 쪼이면 빛이 통과한 부분의 포토레지스트만 감광된다.

설계 도면은 크기가 50~100 미터에 이를 정도로 아주 큰데, 물론 종이에 그리는 건 절대 불가능하고 CAD를 써야 한다. 칩 하나에 들어가는 반도체 소자가 몇 억개에 이를 정도니 도면이 클 수밖에 없다. 이를 가로 세로가 6인치 정도 되는 마스크에 올리고, 이 마스크를 웨이퍼 위에 놓고 빛을 쪼일 때에도 사이에 렌즈를 놓아서 크기를 확 축소시킨다.