반도체 산업동향의 이해_반도체의 정의와 발전과정

한국반도체 산업협회의 한국 반도체 아카데미에서 진행하는 "반도체 산업동향의 이해" 내용 정리 

1차시_반도체의 정의와 발전과정

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▶ 반도체의 정의와 특성

먼저 반도체 산업동향을 알아보기에 앞서, 반도체란 무엇인지 정의에 대해서 살펴보겠습니다. 

세상 모든 물체들은 물체를 구성하는 물질로 이루어져 있고, 물질의 종류는 전기적 관점에서 전류와 친한 도체와 전류와 친하지 않은 절연체로 나뉩니다. 

먼저 도체는 전기가 흐르는 물질로서, 물질 내에서 전자가 자유롭게 돌아다녀서 전류가 잘 흐르게 됩니다. 

반대로 절연체는 물질 내에서 전자가 자유롭게 돌아다닐 수 없기 때문에 전류가 잘 흐르지 못 하게 됩니다. 

이러한 전류가 잘 흐르는 특성을 "전도도"라고 하며, 전류가 잘 흐르지 않는 특성을 "비저항"이라고 합니다. 

즉, 도체는 "전도도"가 높고 "비저항"이 낮은 물질입니다. 

그렇다면 반도체란 무엇일까? 

반도체는 특정 조건에서만 전기가 흐르는 물질로서, 도체와 절연체의 중간 특성을 가지는 물질이라 할 수 있습니다. 

그렇다면 반도체는 어떻게 전기의 흐름을 조절할까 ? 
반도체는 물질의 온도변화, 광학적 조건, 불순물 함양 등 다양한 외부조건을 가해서 물질의 성질을 변하게 만든 것 입니다. 

이렇게 특이한 성질을 가진 반도체는 어떻게 만든 것 일까?

< 반도체 제조공정 >

웨이퍼

 

 

 

반도체가 만들어지는 동그란 판을 웨이퍼라고 합니다.                                    (웨이퍼 그림)

 

 

 

 

 

동그란 판 위에 네모난 형태가 반복되도록 회로를

새겨서,각각의 칩이 원하는 역할을 하도록 합니다.                       (웨이퍼 위에 새겨진 회로)

 

 

반도체가 만들어지는 공정을 크게 전공정과 후공정, 두 가지로 나뉩니다.
전공정은 웨이퍼 위에 원하는 회로를 새기는 단계이고
후공정은 웨이퍼 위에 원하는대로 회로가 새겨졌는지 검사하고 완성된 웨이퍼를 칩의 형태로 자르고 자른 칩을 실제 제품에 들어갈 수 있도록 포장하는 과정입니다. 
즉, 전공정 = 반도체 특성 부여 , 후공정 = 웨이퍼 검사, 칩으로 제작 

▶ 반도체 산업의 역사 

1877년 그레이엄 벨의 전화기 발명 당시 부터 사용되었습니다. 전화기는 사람의 음성신호를 전기신호로 바꾸고 전기신호를  다시 음성신호로 바꾸는 것인데, 여기서 음성을 전기신호로 바꾸는 과정에서 필요한 전자석이 반도체의 기본원리입니다. 

1952년 트랜지스터 개발 트랜지스터는 전류를 증폭시키는 반도체로, 당시 아날로그 회로의 제품에 들어가기 시작했습니다. 대표적인 제품으로는 라디오가 있습니다. 트랜지스터는 전류의 방향을 바꾸거나 증폭시켜, 원하는 값을 가질 수 있게 됩니다.
1961년 정보를 저장할 수 있는 메모리 반도체가 개발되었습니다. (텍사스 인스트루먼트) 이후 인텔은 이를 상용화 하여 양산화 할 수 있는 체계를 만들어 냈습니다. 이때 부터, 메모리와 비메모리를 시장을 나누는 기준이 만들어졌습니다.
1970년대는 개인 컴퓨터 시장은 형성되지 못 했지만, 군용 컴퓨터 등 다양한 산업에서 컴퓨터의 사용이 늘어나기 시작합니다. 미국은 막대한 비용이 드는 반도체 공장을 해외로 내보내기 시작하면서, 점차 설계를 제외한 나머지 부분을 이전하기 시작합니다. 초기에는 단순 아웃소싱 정도로 진행되었지만, 점차 이를 넘겨 받은 국가 , 특히 일본이 메모리 시장을 접수하게 됩니다. 
1980-1990년대 , 메모리 반도체 시장의 패권이 일본으로 넘어오기 시작하면서 지금의 메모리 반도체의 한 축을 담당하고 있는 낸드 플래시가 일본 도시바(회사)에서 최초로 개발이 되었습니다. 이때 부터 일본은 메모리 반도체 시장을 완전히 주도하게 됩니다. 이 때 미국은 일본이 점유하고 있는 메모리 반도체 시장대신 수익성이 높은 시스템 반도체 시장의 점유율을 높이기 시작합니다. 특히 인텔은 본격적으로 cpu에 대한 사업만 진행하게 됩니다. 즉, 설계는 미국, 생산은 일본으로 이원화 되었습니다. 바로 이때 그 사이를 비집고, 한국이 들어옵니다. 특히 한국 반도체를 인수한 삼성전자가 빠른 속도로 기술력을 따라 잡고, 일본 시장의 패권을 빼앗을 준비를 합니다.  당시 국가적으로도 반도체 산업 육성을 위해 대대적으로 투자하였고 1990년대 세계 1위로 도약합니다. 
2000-10년대 
한국이 메모리 반도체 시장을 석권하던 시기에, 일본 반도체 시장은 치킨게임을 통해서 기업의 수가 점차 줄어갔습니다. 
삼성전자는 2008년 부터 시작된 메모리 사이클 하강 시점에 공급량을 줄이지 않고 치킨게임에서 승리하여 더 공고하게 자리 매김 합니다. 
2010년 중반 이전까지 반도체 시장의 가장 큰 관심은 누가 더 작게 만드느냐 였습니다. 반도체를 작게 만드는 공정을 미세화 공정이라 하는데, 더 미세한 공정을 이뤄내는 것 이 곧 경쟁력이었습니다. 하지만

2010년 중반 부터는 기술적 한계로 반도체 크기를 줄일 수 없게 되어 , 새로운 기술을 모색하게 되었습니다. 
특히, 낸드 플래시의 경우, 위로 쌓는 방식의 버티컬낸드가 개발되었습니다. 
과거에는 반도체 크기를 나타내는 나노 수가 각 회사의 기술력을 나타냈다면, 이제는 위로 쌓는 층의 갯수가 회사의 실력을 의미하게 될 정도로 중요한 요소가 되었습니다. 이후 모든 메모리 반도체 회사들이 동일한 방식으로 쌓는 것을 연구하게 된다. 
2020년 이후 전 세계 모든 산업이 주춤하던 시기였습니다. 코로나19의 확산으로 구매력과 경제 성장률의 하락으로, 그 동안 글로벌 수출로 수혜를 입었던 한국과 미국이 흔들리기 시작합니다. 그럼에도 반도체 산업은 성장하였는데 그 이유는 모든 것이 비대면으로 바뀌면서 pc , 스마트폰, 태블릿의 수요가 증가했습니다. 특히 , 태블릿의 수요가 크게 증가하였고, 거기다가 블록체인 기술이 발전하면서, 블록체인 연산에 필요한 , GPU도 급격한 매출 성장을 이뤄냅니다. 이렇게 반도체산업은 과거에는 단순한 하나의 산업이었으나, 이제는 미래를 좌지우지 할 수 있는 복합적이고 거대한 산업이 되었습니다. 

▶ 반도체 발전 방향 

세가지 발전 방향 모두, 반도체의 성능은 개선하면서, 전력소모는 줄일 수 있다는 공통점이 있습니다.

 

 

Scale down 은 생산성과 관련있습니다. 반도체의 크기가 줄어들면 한 웨이퍼 위에 더 많은 칩을 만들 수 있고, 반도체를 사용한 회로를 더 촘촘하게 그릴 수 있는 등 생산성을 향상 시킬 수 있습니다. 따라서 생산량이 증가할 수록 비용이 감소하는 "규모의 경제를" 이룰 수 있게 됩니다. 

 

 

 

 

설계 구조 개선 

반도체의 성능은 channel에 닿는 gate 면적이 클수록 좋습니다. 하지만 반도체가 미세화 됨에 따라 channel 에 닿는 gate의 면적이 줄어들었고, 그에 따라 전류가 제대로 된 방향으로 흐르지 못 해 누설전류가 발생되어서, 반도체 미세화의 한계를 맞이했습니다. 크기가 작아져도 누설전류를 막을 수 있는 소자가 개발되었습니다. ( = finFET소자) 하지만 finFET소자도 한계를 맞이하고 GAA 소자가 개발되었습니다. 

 

 

 

 

 

새로운 재료, 장비 개발 

전공정 중, 웨이퍼 위에 원하는 회로를 찍어내는 포토공정에서, 마치 사진을 찍듯이 빛을 이용합니다. 
빛은 파동형태로 이동하고, 그 파동의 주기를 파장이라고 합니다. 포토공정에서 사용하는 빛은 파장이 짧을 수록 더 미세하게 패턴화 할 수 있기 때문에 보통 우리 눈에 보이지 않는, 자외선을 사용합니다. 자외선 중에서도 기존의 자외선을 DUV(deep ultraviolet)라고 하며, 이보다 더 짧은 파장을 가진 자외선을 EUV(extreame ultraviolet)라고 합니다. 기존에 EUV 를 사용하지 않는 이유는 기존의 장비와 재료, 기술로는 EUV를 활용할 수 없었습니다. EUV는 어디에서나 흡수가 잘되는 특징을 가지고 있습니다. 공기에만 닿아도 흡수되므로, 진공상태에서만 사용할 수 있고, 반도체 기판에 닿기 전 마주치는 거울에도 흡수되기 때문에 , 특수한 거울을 사용해야 합니다. 이외에도 원하는 회로를 먼저 그려놓은 포토마스크를 보호하는 펠리클이라는 재료도 EUV만을 위해 새로 만들어야 합니다. 현재 EUV를 사용할 수 있는 기술을 가진 회사는 세계에서 Asml 밖에 없습니다. EUV는 DUV에 비해 1/14만큼 파장이 더 짧기 때문에 14 배 더 미세화해서 패턴을 새길 수 있습니다. 
또한 EUV는 DUV 보다 면적을 약 40% 작게 만들 수 있고, 성능은 20% 향상되며 전력 효율을 50% 향상되었다고 발표 되었습니다.
▶ 반도체 발전 두 가지 법칙

무어의 법칙 

마이크로칩의 용량이 매 18개월 마다 2배가 될 것을 예측하며 만든 법칙입니다. 이후 1975년에 이 주기가 24개월로 추정되었습니다. 직접회로의 집적도가 2년마다 2배가 된다는 법칙으로 이에 따라 컴퓨터의 성능도 5년 마다 10배가 되는 계산이 가능했습니다. 1990년대 말 미국의 컴퓨터 회사들은 이 법칙에 따라, 개발로드맵을 세웠습니다. 

그러나 2011년 부터 작은 기판에 더 많은 회로를 넣다보니 발열 등의 문제가 생겼고, 칩 자체의 크기는 작아지는데 비해 필요한 트랜지스터의 수가 늘다보니 제작비용이 크게 증가하는 등의 문제가 생겼습니다. 

한국의 삼성전자는 무어의 법칙을 충실하게 따라가던 반도체 개발로드맵에서 "more than moore"를 외치며 다양한 방향으로 반도체 개발을 하였고 2002년 황창규 사장이 발표한 황의 법칙은 국제 반도체 회로 학술 회의에서 발표한 메모리 신성장론에서 처음 내보인 규칙입니다.

요약하면 메모리 반도체의 용량이 1년에 2배씩 증가하며 모바일 기기와 디지털 가전제품 등 pc 외의 분야의 발전에 의해 이루어진다는 규칙입니다. 황의 법칙은 무어의 법칙보다 성장속도를 6개월 줄인 무리한 법칙이었으나, 실제 삼성전자는 이를 어느정도 소화해 내며 실적과 이미지 개선에 큰 도움이 되었습니다.

 

 

 

무어의 법칙과 황의 법칙은 반도체 개발이 얼마나 빠른 속도로 개발되는지 보여주는 좋은 사례들 입니다.

현재의 반도체 시장도 이와 마찬가지로 빠르게 발전하고 있고, 이제 곧 반도체 미세화를 세는 기준인 나노단위도 그 보다 10배 작은 옴스트롱 단위로 통일되지 않을까 생각됩니다. 계속해서 변화하는 반도체 시장의 트랜드를 따라가기 위해 

꾸준한 관심을 가지고 시장을 살펴봐야할 것 같습니다.