◆세계 최초의 반도체는?

반도체의 시조는 1947년 12월 23일 미국의 벨 연구소에서 탄생한 게르마늄을 이용해 제작된 트랜지스터다. 트랜지스터는 기존의 부피가 크고 제조에 많은 자원이 소모되는 진공관과 달리 저렴한 가격에 대량 생산할 수 있었다. 주요 개발자인 윌리엄 쇼클리‧존 바딘‧윌터 브랜트 세 사람은 이러한 공로를 인정받아 1956년 노벨 물리학상을 받았다.

‘20세기를 뒤바꿀 혁신적 제품’인 트랜지스터가 개발된 이후 반도체는 정보를 저장하는 메모리 반도체와 정보를 처리하는 시스템 반도체 두 갈래로 급속한 성장을 이뤄냈다. 이에 따라 반도체는 컴퓨터‧태블릿PC‧스마트TV‧인포테인먼트‧스마트폰 등 각종 전자기기에 탑재돼 일상 속 빠질 수 없는 존재로 자리매김했다.

◆대표적 반도체는?

일상생활에서 쉽게 접할 수 있는 반도체의 종류는 D램과 낸드플래시로 나눠진다. 먼저 D램은 데이터의 임시기억장치다. 전원이 꺼지면 데이터가 사라지는 휘발성 메모리로 데이터 처리속도가 빠르다. 내부구조가 복잡한 편이다.

응용 분야는 ▲컴퓨팅 메모리(데스크탑, 노트북 등에서 시스템의 정보를 임시저장하는 역할) ▲모바일D램(저전력‧소형화된 D램으로 스마트폰‧태블릿PC 모바일기기 등에 탑재) ▲그래픽D램(빠른 데이터처리 속도‧그래픽카드 및 게임기 등에 사용) ▲서버용D램(데이터 안정성이 중요한 서버에 사용) ▲컨슈머D램(디지털TV‧셋톱박스‧네비게이션 등 각종 디지털기기에 사용) 등이다.

두 번째로 낸드 플래시는 데이터의 저장장치다. 전원이 꺼져도 데이터가 보존되는 비휘발성메모리다. 데이터처리 속도가 느리지만, 내부구조가 비교적 단순하다.

사용처는 ▲낸드플래시 단품(USB·SD Card‧MP3 등) ▲eMMC(embedded Multi Media Card, 주로 스마트폰‧태블릿 PC에 탑재) ▲(SSD(Solid State Drive) 우수한 내구성‧속도를 갖춘 데이터 저장장치, 노트북‧울트라북‧서버 등에 다양하게 적용) 등이다.

◆반도체의 주재료는?

반도체는 전자공학의 집적 회로의 기판이 되는 웨이퍼를 기본 재료로 만들어진다. 웨이퍼는 실리콘 등을 재료로 하는 매우 얇은 판이다. 웨이퍼의 크기는 지름으로 표시하며 4인치부터 점차 크기가 커져 현재는 주로 12인치(300mm) 크기로 사용되고 있다. 웨이퍼는 주재료인 실리콘을 녹여 회전과 당김을 통해 둥근 막대인 규소봉(잉곳)을 만든다. 이후 다양한 가공과 성형을 통해 완성된 잉곳을 얇은 형태로 자르면 웨이퍼가 완성된다.

웨이퍼의 주재료는 실리콘(규소)이다. 규소는 지구상에서 산소 다음으로 많은 물질이며 규소를 모래에서 추출할 수 있기에 큰 비용이 들지 않는 장점이 있다. 이에 따라 주재료로 사용되고 있다. 아울러 약 200도씨의 고온에서도 소자가 작동 가능한 우수한 특성도 갖췄다.

◆반도체는 어떻게 만들어지나?

반도체 생산은 고도의 기술과 노력이 드는 산업이기에 쉽게 설명하기는 어렵다. 다만 큰 분류로 ▲설계(회로 설계 및 제품 규격 결정, 시장이 요구하는 저전력‧고속 동작‧고용량의 특성을 설계) ▲공정 과정(제조공장에서 수백단계의 공정을 거쳐 웨이퍼에 반도체를 만드는 과정) ▲제품(정상 작동 여부 테스트, 웨이퍼에 보호막을 씌워 외부로부터 보호하는 후공정) ▲소자(설계‧공정‧제품 전체의 코디네이터) 과정을 거쳐 생산된다.

특히 공정 과정에서는 웨이퍼에 회로를 인쇄하는 노광 공정, 인쇄된 회로를 깎아 패턴을 형성하는 식각 공정, 특정 불순물을 주입해 반도체 전자소자를 구현하는 확산 공정, 금속‧절연막을 증착하는 박막증착 공정, 각종 오염원을 화학 용액을 사용해 제거하는 세정공정, 웨이퍼 표면을 편평하게 만드는 화학‧기계적 연마 공정을 수백단계 진행한다.

◆반도체 수율이란?

반도체 수율은 웨이퍼 한 장당 생산되는 반도체 양품(제대로 된 제품)의 비율을 뜻한다. 예컨대 웨이퍼 한 장에 설계한 2000개의 D램다이(die) 중 1800개의 양품이 생산됐다면 수율은 90%다. 수율은 생산성과 직결되기에 반도체 회사들은 수율을 높이는 일에 큰 노력을 기울이고 있다.

관련 업계에서는 90% 이상을 골든 수율이라고 표현하며 안정적으로 제품을 생산하고 있다고 평가한다. 결국, 반도체 수율은 반도체 생산에 있어 생산성‧경쟁력으로 가장 중요한 요소라는 의미다.

◆미래의 반도체는?

미래의 반도체는 D램의 빠른 속도와 낸드플래시의 비휘발성을 모두 갖춘 ‘차세대 메모리’다. 차세대 메모리는 간단한 구조에 기존 메모리 대비 소모전력이 낮을 것으로 기대된다. 또 구조가 간단할 경우 낮은 생산원가 구현도 기대되는 상황이다.

업계에서 연구되고 있는 차세대 메모리는 ▲D램과 낸드플래시의 중간 특성을 갖춘 P램(상변화 메모리) ▲자성의 변화를 이용해 데이터를 저장하는 STT-M램(스핀주입 자화반전 메모리‧D램 시장 대체 전망) ▲전기 저항의 변화를 이용해 데이터를 저장하는 Re램(저항변화 메모리‧낸드플래시 시장 대체 기대)이 대표적이다.

임중권 기자 im9181@kukinews.com