[동아엠앤비] 문과생도 알아두면 쓸모있는 반도체 지식

[동아엠앤비(문지현)]

세상에서 가장 작은 정보의 바다를 탐험하다

문과생도 알아두면 쓸모있는

반도체 지식

지은이 이노우에 노부오·구라모토 다카후미

옮긴이 김지예 ǀ 감수 박완재

발행일 2023년 9월 25일 ǀ 정가 17,000원

체제 150*225㎜, 216쪽, 무선제본 ǀ 대상 독자 일반인, 청소년

분류 경제경영 > 경제일반 > 경제전망

기술/공학 > 전기/전자 > 디지털/제어공학 > 반도체공학

경제 경영 > 투자/재테크 > 재테크일반

ISBN 979-11-6363-710-3 (03500)

■ 책 소개

한미중 반도체 전쟁 본격화! 반도체, 위기인가 기회인가?

윤석열 정부 “반도체 경쟁은 산업 전쟁이자 국가 총력전”

반도체 초강대국 달성과 맞춤형 인력 양성 위해 5년간 340조 원 투자!

승자독식의 구조이기에 양보할 수 없는 반도체 기술,

세상에서 가장 작지만 막강한 반도체를 파헤치다

2023년 국내 한 연구기관을 통해 국내 반도체 수출물량이 10% 줄어들면 국내총생산(GDP)이 0.78% 감소한다는 분석이 나왔다. 여기에 반도체 가격이 20% 하락하면 GDP는 0.93%까지 하락할 것으로 예상된다고 한다. 이처럼 반도체는 경제의 중심으로 자리잡고 있다.

국내에 한정된 이야기가 아니다. 세계 경제의 핵심 동력인 반도체는 자동차, 통신, 전자제품, 항공우주 및 국방 등 우리 생활 곳곳에 쓰이지 않는 곳이 없으며 21세기 인류의 문명을 가능하게 하는 중심축이다. 최근 반도체를 둘러싼 미중 갈등 속에서 삼성은 공격적으로 반도체에 투자를 하고 있다. 시시각각 반도체를 둘러싼 세계 각국 기업들의 첨예한 경쟁 속에서 선두를 놓칠 수 없다는 필사의 노력임을 누구나 알 것이다. 이렇게 초고속으로 변화 발전하는 반도체의 역사가 100년도 채 되지 않았다는 것은 얼마나 놀라운 일인가. 또 하나 흥미로운 사실은 세계인의 삶의 방식을 혁신적으로 변화시켜온 반도체의 기본 기술은 의외로 크게 바뀌지 않는다는 점이다.

이 책은 이러한 반도체의 기본 기술에 대해 쉽고 자세하게 설명하고 있다. 또한 반도체 기술 하나하나가 왜 필요해졌는지에 대한 흐름을 반도체 기술의 태동기부터 일목요연하게 파악할 수 있도록 구성되어 있다. ‘반도체에는 어떤 것이 있을까?’ ‘반도체는 어떻게 사용되고 있을까?’ 등 반도체에 관한 가장 기본적인 지식부터 반도체 기술에 대한 모든 것을 속속들이 알고 싶은 독자들에게 유익한 길라잡이가 될 것이다.

이 책에 대한 아낌없는 추천사

고도화되고 응용 분야가 다양해지는 반도체 기술. 이 책은 그중에서도 가장 기본이 되는 반도체에 대한 개념을 잡아주는 내용으로 구성되어 반도체에 관심 있는 이들에게 길라잡이 필독서 역할을 해준다. 무엇보다 급변하는 최신 반도체 기술들을 이해하는데 필요한 내용들이 쉽게 설명되어 있어 전문지식까지 확장하기에 좋은 출발점이 되는 개념서이다.

_ 한국과학기술연구원(KIST) 차세대반도체연구소장 김형준

반도체 기술의 기본과 개략적인 개발의 역사를 알고자 하는 사람에게 추천하고 싶은 책이다. 트랜지스터의 탄생부터 최신 반도체 개발까지 다루고 있어, 이 한 권을 통해 반도체 개발의 흐름을 꿰뚫을 수 있다.

_ 삼성전자 세메스반도체 수석연구원 박완재

■ 저자 소개

이노우에 노부오 지음

1936년 일본 후쿠오카 출생. 1989년 다마 대학 교수 취임 후 동 대학 공학박사를 받고 명예교수 역임. 일본 최초로 디지털 전송 방식을 실용화하는 등 25년 넘게 디지털 통신 기술을 연구했다. 저서로는 『정보통신을 빠르게 이해할 수 있는 강의』, 『기초부터 시작하는 통신 네트워크』 등 다수가 있다.

구라모토 다카후미 지음

1978년 일본 가가와현 마루가메시 출생. 간세이가쿠인 대학 물리학과 졸업 후, 반도체 기업에서 일했다. 지금은 미적분과 삼각함수 등을 이용해 반도체 소자의 특성을 공식화하는 모델링 업무를 전문으로 하고 있다. 저서로는 『수학 대백과 사전-업무에 활용하는 공식·정리·규칙 127』, 『학교에서 가르쳐주지 않는 고등학교 수학의 진짜 사용법』 등이 있다.

김지예 옮김

프리랜서 일본어 통번역가. 대기업에서 기계, 과학 전문기술 컨설팅을 통역한 경험을 살려 기계 산업 분야를 비롯해 출판, 관광, K-POP, 웹툰 등 다양한 분야에서 통번역 활동을 하고 있다. 옮긴 책으로 『물음표 과학: 미처 몰랐던 일상 속 52가지 과학 이야기』, 『알수록 돈이되고 볼수록 쓸모있는 수학이야기』, 『물리학자가 들려주는 물리학 이야기』, 『글로벌 마케터가 알려주는 최신 마케팅 트렌드』, 『중학교부터 시작하는 최상위 1% 수학 프로젝트』 등이 있다.

박완재 감수

1992년 이화여대 물리학과를 졸업하고 포항공대에서 물리학 석사 학위를 받은 후 서울대에서 전기컴퓨터학 박사 학위를 받았다. 삼성전자 반도체연구소 책임연구원 등을 거쳐 도쿄일렉트론 테크놀로지 센터(미국 뉴욕주 알바니)에서 일한 후 현재 세메스 Etch팀 플라즈마 그룹의 수석으로 일하고 있다.

■ 차 례

들어가며 006

Prologue 반도체의 세계

• 반도체의 장점은 무엇일까? 011

• 반도체의 종류와 역할 013

• 반도체는 어떻게 만들어지는가? 015

• 반도체가 활약하는 분야 017

Chapter1 반도체란 무엇인가?

• 이전에 존재했던 반도체 광석 라디오부터 트랜지스터까지 020

• 반도체의 특성 온도나 불순물이 전기전도도를 향상시킨다 026

• 고순도 반도체 결정을 만들다 초크랄스키 공법으로 제작하는 잉곳 030

• 반도체에 포함된 전자 자유전자와 정공이 ‘전기의 운반책’이 되다 033

• n형과 p형 반도체 무엇을 도핑하는가에 따라 결정된다 040

• p형과 n형 반도체를 접합한 다이오드 정류기 및 검파기로 활용 044

• 다이아몬드는 반도체인가? 궁극적인 반도체가 될 가능성 048

• 화합물반도체 고속 트랜지스터 및 LED를 제작할 수 있다 051

반도체에 대해 더 알아봅시다 : 원자의 구조 055

Chapter 2 트랜지스터 제작법

• 트랜지스터를 발명한 세 남자 쇼클리, 바딘, 브래튼과 그들을 이끈 켈리의 공적 058

• 트랜지스터의 작동 원리 쇼클리가 발명한 접합형 트랜지스터 063

• 트랜지스터의 고주파화를 위한 노력 확산 기술을 사용한 메사형 트랜지스터의 등장 069

• 주인공이 실리콘 트랜지스터로 바뀌다 고온·고전압에서도 안정적으로 작동하는 장점 075

• 획기적인 플레이너 기술 IC나 LSI에 빼놓을 수 없는 기술 081

• 트랜지스터 MOSFET IC·LSI에 사용되는 현재의 주역 084

• 반도체 소자 제작법 1 반도체 기판에 회로 패턴을 정확하게 그려내는 기술 092

• 반도체 소자 제작법 2 불순물을 확산시켜 트랜지스터 제작 097

• 반도체에 대해 더 알아봅시다 : 터널 다이오드의 발명 102

Chapter 3 계산하는 반도체

• 아날로그 반도체와 디지털 반도체 계산하는 디지털 반도체 106

• nMOS와 pMOS를 조합한 CMOS 디지털 처리에 빼놓을 수 없는 회로 109

• CMOS 회로를 사용해 계산할 수 있는 구조 0과 1만으로 복잡한 계산을 할 수 있다 114

• IC와 LSI 동일한 반도체 기판상에 전자 회로를 만들다 118

• 마이크로프로세서 MPU 일본 전자식 탁상 계산기 업체의 아이디어에서 탄생하다 122

• 무어의 법칙 반도체의 미세화는 어디까지 계속될까 127

• 시스템 LSI 제작 방법 대규모 반도체를 설계하는 방법 131

반도체에 대해 더 알아봅시다: : 인텔의 역사 136

Chapter 4 기억하는 반도체

• 여러 가지 반도체 읽기 전용 ROM과 다시 쓸 수 있는 RAM 140

• 반도체 메모리의 주역 DRAM 컴퓨터 주 기억 장치에 사용 145

• DRAM의 구조 MOSFET과 커패시터를 동일한 실리콘 기판상에 제작 150

• 고속으로 작동하는 SRAM 플립플롭을 사용한 메모리 153

• 플래시 메모리의 원리 USB 메모리 및 메모리 카드에 사용 157

• 플래시 메모리의 구성 NAND형과 NOR형 162

• 유니버설 메모리를 위한 개발 DRAM이나 플래시 메모리를 대체하기 위한 차세대 메모리 167

반도체에 대해 더 알아봅시다 : 클린 룸과 먼지에 취약한 LSI 171

Chapter 5 빛·무선·파워 반도체

• 태양광을 전기 에너지로 변환하는 태양 전지 태양 전지는 전지가 아니다 174

• 발광 다이오드 LED 전기를 직접 빛으로 변환하기 때문에 효율이 좋다 182

• 청색 LED 세 명의 일본인 노벨상 수상자를 중심으로 개발 188

• 또렷한 빛을 쏘는 반도체 레이저 CD·DVD·BD 픽업 및 광통신에 사용 194

• 디지털카메라의 눈, 이미지 센서 카메라 눈으로 사용되다 201

• 무선용 반도체 mm파 영역대의 전파도 증폭시킬 수 있는 반도체 205

• 산업 기기에 널리 사용되는 파워 반도체 고전압에서 동작하는 반도체 210

반도체에 대해 더 알아봅시다 : 빛 에너지 215

2

■ 책 속으로

‘생각하는’ 역할을 담당하는 반도체를 디지털 반도체라고 부릅니다. 컴퓨터는 사람의 두뇌를 지원하는 기계입니다. 예를 들어 복잡한 계산을 하거나, 많은 정보를 기록하지요. AI(인공지능)도 컴퓨터라는 박스에 들어가 있는 반도체에 의해 작동합니다. 이렇게 계산을 하고, 기억하는 것이 디지털 반도체의 중요한 역할입니다. CPU나 마이크로컴퓨터 또는 프로세서라는 단어를 들어본 적이 있나요? 이들은 반도체의 ‘생각하는’ 기능을 활용한 제품입니다. 또한 ‘기억하는’ 기능을 사용한 제품을 ‘메모리’라고 부릅니다. 예를 들어 기계를 사람으로 비유하면, 반도체는 두뇌와 신경의 역할을 수행합니다.

p13 Prologue 반도체의 세계

반도체를 제조하는 공정은 크게 세 부분으로 나눌 수 있습니다. 첫 단계는 설계 공정인데, 이 단계에서는 어떤 기능을 가진 반도체를 제조할 것인지 컴퓨터로 설계합니다. 이 설계 과정에는 전용 EDA(Electronic Design Automation)라고 불리는 소프트웨어를 사용합니다. 이 소프트웨어에는 매우 고도의 기술이 적용되었기 때문에 고가의 사용료를 지불해야 하지요. 그다음은 전공정 단계입니다. 이 단계에서는 둥근 실리콘 웨이퍼 판 위에 설계한 회로의 패턴을 만들어 넣습니다. 사진 기술을 응용한 포토 리소그래피라는 기술이 적용되며, 최신 제품인 경우에는 10nm(1mm의 10만 분의 1)라는 매우 작은 구조로 제작합니다. 반도체의 회로 패턴은 인간이 만든 구조물 중에서 가장 미세한 것이라고 할 수 있습니다. 마지막은 후공정 단계입니다. 이 단계에서는 실리콘 웨이퍼상의 IC칩을 분할해서 패키지라고 하는 부품에 조립합니다.

p15~16 Prologue 반도체의 세계

금속 바늘에서 광석 방향으로는 전류가 흐르기 쉽지만, 반대로 광석에서 금속 바늘 방향으로는 전류가 흐르기 어렵다(그림 1-1 (b))는 성질이 있습니다. 이 성질을 가리켜 정류 특성이라고 하는데, 이것은 반도체의 특징 중 하나입니다. 정류 특성에서 전류가 흐르기 쉬운 방향을 순방향, 전류가 흐르기 어려운 방향을 역방향이라고 합니다. 다시 말해 순방향은 전기 저항이 낮고, 역방향은 높습니다.

p20 Chapter 1 반도체란 무엇인가

플레이너 기술은 반도체 역사상 획기적인 기술로, 기판 한 장 위에 여러 트랜지스터를 동시에 제작할 수 있다는 특징이 있습니다. 합금형이나 성장형 접합 트랜지스터의 경우 각각을 수작업으로 제작했다는 것과 비교해 보면 커다란 차이가 느껴집니다. 이를 통해 트랜지스터의 양산 기술이 확립되었습니다. 게다가 이 제조법은 실리콘 표면에 형성되는 pn 접합의 경계 부분을 산화막으로 덮는 구조입니다. 그러므로 수분이나 오염물질의 외부 침투를 막을 수 있기 때문에 신뢰성이 크게 향상되었습니다.

p83 Chapter 2 트랜지스터 제작법

일반적인 pn 접합 다이오드의 경우에는 전류가 거의 흐르지 않는 300mV 이하 영역에서도 전류가 흐르는 이유가 여기에 있습니다. 전압을 어느 정도 더 높이면, 이번에는 n형에서 p형 영역으로 흘러 들어가려고 하는 전자 에너지가 일반적인 다이오드와 같은 상태가 되어 음저항이 사라지게 됩니다. 에사키가 이것을 발견했을 당시에 일본에서는 별다른 반응이 없었

습니다. 그러나 이듬해인 1958년 에사키의 논문이 세계적인 학회지 〈피지컬 리뷰(Physical Review)〉에 게재되면서 평가가 완전히 달라졌습니다. 게다가 그해 6월에 벨기에 브뤼셀에서 열린 학회에서 윌리엄 쇼클리가 이 논문을 언급하며 크게 칭찬했습니다. 이를 계기로 터널 다이오드는 순식간에 유명해졌고, 발명한 사람의 이름을 따서 ‘에사키 다이오드’라고 부르기도 했습니다.

p103~104 Chapter 2 트랜지스터 제작법

페어차일드는 플레이너 기술과, 이를 바탕으로 한 IC 기술을 통해 급성장을 이뤘습니다. 그러나 이 또한 오래가지 못했고, 1960년대 후반에 하강선을 그리고 적자를 기록했습니다. 페어차일드는 경영 실패와 더불어 사내 조직에도 문제점을 안고 있었습니다. 이에 정이 떨어진 노이스는 퇴사하여 새로운 회사를 세울 계획을 세웠습니다. 무어나 글로브도 노이스에게 동조해 페어차일드를 그만두었고, 이들 세 명이 중심이 되어 1968년에 인텔을 창업했습니다. 인텔(Intel)이란 ‘Integrated Electronics’를 줄인 말입니다.페어차일드는 플레이너 기술과, 이를 바탕으로 한 IC 기술을 통해 급성장을 이뤘습니다. 그러나 이 또한 오래가지 못했고, 1960년대 후반에 하강선을 그리고 적자를 기록했습니다. 페어차일드는 경영 실패와 더불어 사내 조직에도 문제점을 안고 있었습니다. 이에 정이 떨어진 노이스는 퇴사하여 새로운 회사를 세울 계획을 세웠습니다. 무어나 글로브도 노이스에게 동조해 페어차일드를 그만두었고, 이들 세 명이 중심이 되어 1968년에 인텔을 창업했습니다. 인

텔(Intel)이란 ‘Integrated Electronics’를 줄인 말입니다.

p137 Chapter 3 계산하는 반도체

클린 룸의 청정도를 나타내기 위해서는 청정도 등급이라는 지표를 사용합니다. 공업용 클린 룸의 청정도는 ISO 규격으로 정해져 있습니다. 이 규격에 따르면 청정도 등급은 1m3의 공기 중에 포함된 0.1μm 이상의 입자(먼지) 수로 나타냅니다. 표 4-A는 그 일부분으로, LSI를 제조할 때는 가장 높은 등급인 ISO1, 다시 말해 입자의 지름이 0.1μm인 먼지가 1m³ 중에 10개 이하인 클린 룸을 사용합니다. 실제로 반도체를 제조할 때는 청정도가 더 높은 클린 룸을 사용하는 경우도 있다고 합니다. ‘1m³ 중에 지름 0.1μm의 먼지가 10개’라는 문구만 보면 0.1μm는 눈에 보이지 않기 때문에 어느 정도의 청정도인지 쉽게 연상되지 않을 것입니다. 적절한 예가 될지 모르겠지만, 일본의 도쿄 돔(부피 124만 m³) 8만 개에 해당하는 공간 안에 은단이 한 알 있는 정도의 청정도라고 표현하면 어느 정도 상상이 될까요.

p172 Chapter 4 기억하는 반도체

레이저(Laser)란 코히런트 광이라고 하는 ‘또렷한’ 빛을 쏠 수 있는 장치입니다. 여기서 말하는 ‘또렷함’이란 위상이 정렬되어 있다는 것을 의미합니다. LED를 사용하면 단일 파장의 빛, 소위 말하는 단색광을 낼 수 있지만, 그림 5-16 (a)에서 보는 것처럼 위상이 정렬되어 있지는 않습니다. 이에 비해, 코히런트 광은 그림 5-16 (b)에서 보듯 파장뿐만 아니라 위상도 하나로 정렬된 빛입니다. 레이저는 코히런트 광을 발생시킬 수 있는 장치입니다.

p194 Chapter 5 빛·무선·파워 반도체

이미지 센서는 빛을 전기 신호로 변환하는 반도체로, 스마트폰이나 디지털카메라의 눈으로 사용되고 있습니다. 이미지 센서는 그림 5-23에서 보는 것처럼 마이크로 렌즈, 컬러 필터, 포토다이오드로 구성되어 있습니다. 입사광을 마이크로 렌즈에 집광시킨 후 컬러 필터를 통과시켜 삼원색으로 분해한 다음, 광량을 검출하는 포토다이오드로 검출합니다포토다이오드는 광량을 전기 신호(전하)로 변환하고, 이 전하를 축적합니다. 단, 빛을 식별하는 것이 불가능하고 빛의 세기만 인식할 수 있습니다. 그러므로 빛을 표현하기 위해서는 컬러 필터를 사용해 빛의 삼원색으로 분해한 다음, 각 원색의 광량을 검출해서 빛의 정보를 얻는 것입니다.

p201 Chapter 5 빛·무선·파워 반도체

■ 출판사 리뷰

알아두는 재미가 쏠쏠한 반도체의 역사와 반도체 기술

무역의존도가 70%에 이르는 대한민국 경제에 반도체만큼 막강한 영향을 미치는 품목은 없다. 매년 우리나라의 수출에 미치는 영향이 가장 크기에, 반도체 업계의 동향은 각종 뉴스와 경제신문의 주요 기사로 매일같이 쏟아지곤 한다. 반도체에 대한민국 경제의 명운이 달려 있다 해도 과언이 아닐 것이다. 그렇다면 우리 경제의 열쇠를 쥐고 있는 반도체란 과연 무엇일까?

이 책은 1940년대 말 트랜지스터를 발명한 이후부터 반도체 기술의 기초 원리와 역사를 시대별로 충실하게 조명하는 한편, 반도체 제조 기술의 핵심 원리를 이해하기 쉽게 설명하고 있다. 각각의 반도체 기술에 대한 설명뿐만 아니라 그것이 왜 필요해졌는지, 역사적 맥락과 흐름을 잘 이해할 수 있도록 조명했다. 알아둘 사실은 전기가 있는 곳에는 반드시 반도체가 사용된다는 점이다. 컴퓨터, 가전제품, 자동차는 물론 로봇과 발전소 같은 대규모 설비에도 반도체가 사용된다. 한마디로 반도체가 없으면 현재 우리가 누리는 편리한 일상생활을 모두 멈춰야 한다는 뜻이다.

이 책 한 권으로 오늘날의 반도체 기술을 속속들이 다 파악할 수 있다고 말하기는 힘들다. 그러나 이 책에서 친절하게 설명해주는 반도체 기본 기술의 배경이나 흐름을 정리해보면, 최신 반도체 기술에 대한 이해가 훨씬 쉬워진다. 반도체에 문외한인 사람들이 가장 궁금해 할 법한 ‘반도체는 무엇에 도움이 되는 것일까?’, ‘반도체에는 어떤 것이 있을까?’ 같은 기본적 질문에 대한 대답부터, 실용화를 목표로 개발에 박차를 가하고 있는 ‘궁극의 반도체 기술’까지 소개하며 독자들을 쉽고 명료한 반도체의 세계로 안내할 것이다.