반도체와 그 종류
본래 반도체(semiconductor)는 도체와 부도체의 중간적 성격을 지닌 물질을 말한다. 이와 같은 성질을 이용하여 여러 가지 작업을 하는 소자를 만들 수 있는데 오늘 날에는 여러 개의 소자를 하나의 칩에 직접한 전자부품을 주로 반도체라고 말한다. 보통 오늘 날 반도체에는 트랜지스터, 저항, 다이오드, 커패시터 등이 수억 개 집적되어 있다.
트랜지스터와 캐피시터, 저항들로 이뤄진 라디오 회로
라즈베리 파이에 들어 있는 브로드컴의 SoC
흔히 반도체를 메모리와 비메모리로 나눈다. 메모리는 자료 저장에 사용되는 반도체를 말하고 비메모리는 그 외 모든 반도체를 일컫는다. 메모리 반도체는 작은 크기에 되도록 많은 용량을 확보하는 것이 중요하기 때문에 최첨단 공정을 사용한다.
비메모리 반도체는 범위가 굉장히 넓어서 메모리만큼이나 첨단 공정을 적용하는 CPU나 GPU부터 시작해서 소형 가전 등에 주로 들어가는 주문형 반도체(ASIC), 그리고 스마트폰이나 자동차용 반도체 등에 주로 사용되는 SoC(System on a chip) 등 다양한 종류를 포괄한다.
여러 가지 종류가 있지만 반도체의 생산 과정 자체는 대동소이하다.
반도체 산업의 벨류체인
graph LR; 설계 --> 제작 --> 테스트 --> 조립
반도체 공정은 제작부터 조립까지를 일컫는데 제작 단계를 전공정, 테스트, 조립 단계를 후공정이라고 한다. 테스트와 조립은 저부가가치 영역으로서 반도체 산업의 초창기부터 개발도상국에서 아웃소싱이 이루어졌다.
설계와 제작이 핵심적인 부분이고 가장 부가가치가 많이 창출된다. 반도체 업체 중에는 설계와 제작을 모두 행하는 업체(IDM, Integrated Design and Manufacture)만 있는 것이 아니고 설계만 하는 업체(팹리스, Fabless), 제작만 하는 업체(파운드리, Foundry)도 있다.
대표적인 IDM으로는 삼성전자, 하이닉스, 마이크론, 인텔 등이 있고 대표적인 팹리스 업체로는 퀄컴이나 엔비디아가 있다. 애플과 같은 최종 제품 업체도 반도체를 직접 설계하여 제작은 파운드리에게 맡긴다. 파운드리 업체로는 대만의 TSMC가 대표적이다.1
반도체 8대 공정
반도체 제작부터 조립은 다음의 단계를 거쳐 이뤄진다.
1. 웨이퍼 제조
웨이퍼는 규소(Silicon) 로 만드는데 규소는 토양에 풍부하다. 즉, 웨이퍼의 주원료는 모래다.
규소는 기본적으로 부도체이다. 반도체는 도체와 부도체의 성격을 모두 가진다는 의미이다. 얇은 규소판에 반도체의 특성을 부여하여 원하는 동작을 하도록 만드는 것이 반도체 공정이다.
2. 산화
가장 먼저 웨이퍼의 단면에 산화막() 을 형성한다. 이 산화막은 절연체로서 회로와 회로 사이에 전기가 통하지 못하도록 하는 동시에 식각시 잘못 식각되는 것을 막는 역할도 한다.
3. 포토
웨이퍼 위에 감광액 (Photo Resist)을 골고루 도포한 후 회로가 새겨진 마스크를 올려 놓고 빛을 쬔다. 그러면 감광액이 이에 반응하여 빛에 노출된 영역만 변성된다. 그 후 현상액을 뿌려서 빛에 노출된 감광액이나 노출되지 않은 감광액을 선택적으로 제거한다.
4. 식각
여러 가지 화학적 방법으로 불필요한 층을 모두 제거한다.
5. 이온주입 및 증착
규소 자체는 부도체이지만 불순물(이온)을 투입하면 반도체적 성격을 가지게 된다. 이 때 투입하는 불순물에 따라 서로 다른 성격을 가지게 되는데 이를 이용하여 트랜지스터 회로를 구성하게 된다.
실리콘 웨이퍼 위에는 여러 층을 입히게 되는데 이러한 층을 입히는 공정을 증착이라고 한다. 이러한 층은 소자가 다른 소자와 전기적으로 분리되도록 하는 절연체의 역할을 하기도 하고, 다른 소자와 연결시키는 역할을 하기도 한다.
6. 금속 배선
식각과 이온주입을 통해 웨이퍼 위에는 많은 수의 소자가 생겼다. 이제 이 소자끼리 연결을 하여 전기가 통하게 해야 한다. 이를 위해 금속을 증착한다.
금속을 증착한 후에는 다시 포토부터 식각까지의 공정을 통해 원하는 형태로 금속을 배선하고 그 위에 다시 증착을 한다.
이와 같은 과정을 수 차례 반복하여 최종적으로 반도체가 완성된다.
형성된 소자층(붉은 색)을 연결하는 금속배선(노란색)
7. 테스트
완성된 반도체는 잘 작동하는지 테스트 과정을 거친다. 반도체 제조는 워낙에 미세한 공정이고 약간의 오차2만으로도 불량이 되기 때문에 다른 제조업보다 불량률이 높다. 그렇기에 반도체 공정의 경쟁력은 불량률을 낮추는 데 있다.
8. 조립
절단된 칩
마지막으로 완성품을 만들기 위해 반도체 단위로 웨이퍼를 절단하는데 이를 다이싱(Dicing)이라고 한다.
절단된 반도체는 PCB(Printed Circuit Board)에 부착한다.
최종적으로 반도체 소자를 보호하기 위해 패키징을 마치면 우리가 보는 반도체가 된다.