최리노의 한 권으로 끝내는 반도체 이야기

최리노 지음 | 최세나 , 최태환, 홍예은 그림

양문 2023년 02월 13일 출간 종이책 : 2022년 07월 29일 출간

작품소개

책소개

반도체는 국가 안보 자산이자 우리 경제의 근간
반도체는 무엇이고 어떤 인력이 필요한가에 대한 대답은 못하는 현실
반도체 소자가 왜 필요했고 어떻게 발전되어 왔는지 설명
반도체 소자에 대한 조금 더 근본적인 이야기
반도체는 앞으로 어떤 기술이 필요할지, 어떤 형태로 발전되어 나갈지 전망

목차

머리말
반도체와 반도체 소자
증폭 소자를 만들기 위해 탄생한 반도체 소자
논리 회로와 스위치 소자
컴퓨터의 탄생과 반도체 소자의 기여
윌리암 쇼클리와 실리콘밸리의 탄생
집적 소자의 탄생
‘무어의 법칙’과 MOSFET
CMOS 기술과 반도체 메모리의 탄생
반도체 집적 공정과 소자 미세화
소자 미세화를 통한 성능의 향상
한계에 다다르고 있는 소자 미세화
반도체 산업에 대해서
새로운 전쟁터, 이종집적 기술
반도체 소자가 가야 할 길 - 폰노이만을 넘어 보자
맺음말

책 속으로

지금 반도체 소자는 발전에 큰 전환기를 맞고 있다. 소자 미세화라는 관성적으로 해오던 성능의 발전 방법이 정말로 힘들어졌기 때문이다(물론 소자 미세화가 어렵다는 이야기는 30년도 넘게 나왔지만 계속 극복하면서 발전되어 왔다). 소자 미세화가 중요한 것은 이러한 미세화를 통해서 소자의 작동 속도를 높여왔고 이렇게 높여진 작동 속도를 이용하여 컴퓨팅의 성능 향상을 가져왔기 때문이다. 컴퓨팅의 속도는 정보 사회화된 인류의 발전 정도를 말해주는 척도이다. 빠른 컴퓨팅 속도는 컴퓨팅 시간의 여유를 만들어주고 그 여유 시간을 이용하여 다양한 다른 일(예컨대 복잡한 양자 시뮬레이션에서부터 현란한 게임의 그래픽 등까지)들이 가능하다. 소자 미세화에 큰 부분을 의지하고 있던 이 컴퓨팅 성능의 향상을 이제는 어떤 방법으로 발전시켜야 하는지에 대한 고민이 커지고 있다. 이와같이 반도체 소자는 단순한 공업 제품이 아니고 현재 인류의 발전의 한 축을 담당하고 있다 - 18쪽에서

요즘 사용하는 칩 중에는 반도체 물질이 아예 쓰이지 않았는 데도 반도체라고 불리는 경우도 있다. 위에서 이야기한 대로 반도체 산업에는 많은 수의 단위 소자를 작은 칩 안에 넣는 집적 회로를 만들다보니 발전하게 된 기술이 많다. 이러한 제작 기술을 ‘반도체 집적 공정’이라고 부른다. 작은 사이즈의 모양을 똑같이 매우 많은 수로 만드는 데 특화된 기술이다. 한 면이 1cm도 안되는 매우 작은 면적에 100억 개도 넘는 수의 단위 소자를 만들어 넣을 수 있을 정도로 정교한 기술이다. - 35쪽에서

반도체 칩의 숫자는 시간이 갈수록 점점 더 늘어가고 있다. 이렇게 필요한 기능을 만족시키기 위해서 반도체 칩은 작게는 수백 개에서 많게는 수백억 개의 단위 소자가 결합되어 만들어진다. 반도체를 이용한 집적 회로는 이렇게 많은 수의 소자를 결합하는 데 큰 강점을 갖고 있다. 그 이유로 반도체 소자가 진공관 소자를 대체하면서 전자 소자의 대명사로 모든 전자제품에 쓰이게 된 것이다. - 39쪽에서

범용 컴퓨터의 역사에서 빼놓을 수 없는 사람은 존폰노이만(John von Neu\-mann, 1903~1957)이다. 폰노이만은 1903년 헝가리에서 태어나 미국에서 활동한 수학자로 인류 최고의 천재를 논할 때 꼭 등장하는 사람 중 한 명이다. 게임 이론의 정리 맨해튼 프로젝트의 참가 등 많은 업적이 있었지만 그중에서 ‘폰노이만 아키텍처’라고 하는 ‘범용 컴퓨터’의 구조를 제안한 것도 빼놓을 수 없는 업적이다 - 77쪽에서

1958년 입사 첫 해 텍사스의 뜨거운 여름이 왔다. 대부분의 사원은 여름 휴가를 떠났으나 킬비는 그럴 수 없었다. 신입사원이어서 연차 휴가가 없었던 것이다. 킬비는 더운 여름 혼자 사무실에 나와서 이 배선 문제를 해결할 쉬운 해결책을 생각하게 된다. 평면 Germanium 위에 트랜지스터, capacitor, resistor, elements 등 여러 가지 단위 소자를 배치해서 만들고 이 소자들을 금으로 만든 선으로 연결하여 한덩어리로 된 제조 방법을 고안해낸 것이다. 킬비는 이 기술을 발전시켜서 같은 해 9월 실제로 시연하였다. 증폭기 등 여러 가지 응용 제품을 한덩어리로 칩으로 만드는 것이 가능하다는 것을 보인 것이다. 이것이 바로 최초의 집적 회로였다. - 102쪽에서

부피와 소모 전력이 획기적으로 작아지면서 이전에는 상상도 하지 못했던 제품들의 출현도 가능해졌다. 과거에 컴퓨터는 회사나 연구소 등에서만 쓸 수 있는 기업용 제품이었다. 그러나 집적 회로가 나오면서 일반 가정에서도 갖고 있을 수 있는 크기로 되었고 전력 소모도 감당할 수 있는 수준이 된 것이다. 그래서 컴퓨터가 기업용 장비가 아닌 개인들이 사용하는 가전제품이 된 것이다. 이렇게 집적 회로의 탄생은 개인용 컴퓨터의 시대를 여는 초석이 되었다. 반대로 개인용 컴퓨터의 탄생은 집적 반도체 소자의 수요를 엄청나게 크게 만드는 선순환이 이루어지며 전자 산업을 더욱 크게 만들게 된다. - 106쪽에서

1975년 무어는 1년이 아닌 2년마다 집적 회로 칩 한 개당 트랜지스터의 숫자가 두 배가 되는 것으로 ‘무어의 법칙’을 수정한다. 이것이 우리가 알고 있는 현재의 ‘무어의 법칙’이다. 이후 반도체 산업에서 ‘무어의 법칙’은 미래를 예측하는 용도가 아니고 오히려 반도체 소자를 발전시킬 공동 목표를 상징하게 되었다. 2년 후에도 이 추세를 만족시키기 위해서 무엇이 필요한가를 모든 반도체 연구자가 함께 생각하도록 하는 나침반이 된 것이다. - 113쪽에서

클린룸은 단순히 먼지뿐만 아니고 온도, 습도, 공기압 및 조도 등이 정밀하게 제어되는 공간이다. 일반적으로 압력은 외부에 비해 높은 양압으로 유지되어 외부에서 공기가 유입되지 않도록 하고 있다. 그리고 클린룸에서 일하는 사람들은 방진복이라고 불리는 먼지가 발생하지 않는 특수한 옷을 입고 마스크와 장갑을 끼고 활동하도록 되어 있다. 이처럼 반도체 제조는 오염과의 싸움이라고 이해하면 된다.
여기서 오염은 눈에 보이는 수준을 이야기하는 것이 아니고 먼지 한 개, 사람의 입김, 땀, 화장품 등 아주 미세한 수준이다. 사람의 입김, 땀 또는 화장품 등에도 반도체 소자를 죽일 수 있는 이온들이 존재한다. 이러한 것들을 막기 위한 방편으로 클린룸, 방진복, 장갑 등 특수한 시설과 복장이 필요한 것이다. - 145쪽에서

반도체 소자 기술이 발전하며 배터리 전력으로도 할 수 있는 가지고 다닐 수 있는 크기의 기기로 구현할 수 있었다. 이렇게 기존에 존재하지 않았던 새로운 제품의 출현은 전자산업의 시장을 더욱 더 크게 만든다. 스마트폰이나 게임기와 같은 기기의 시장을 생각해보면 알 수 있다. 이렇게 기술의 발전이 새로운 제품의 출현과 시장의 확대로 선순환하여 다시 기술의 발전을 도모하게 하는 것이 반도체 소자 산업의 특징이다.
그래서 반도체 산업에 있는 사람들은 한 가지 믿음이 있다. 우리가 빠른 소자를 만들어내면 그것을 이용하여 새로운 제품군이 나오고 그렇게 시장이 확대되어 더 많은 돈을 벌 수 있다는 것이다. 그러므로 반도체 산업에서는 다른 생각하지 말고 계속 소자를 빠르게 만들기 위해 노력하는 것이다. 그러면 시장은 알아서 새로운 제품을 만들며 성장하고 돈을 벌게 해준다. - 157쪽에서

소자 미세화가 지속되지 못할 것이라는 이야기는 1μm 기술 노드부터 나오던 이야기이다. 고든 무어조차 1μm 기술 노드에 도달하면 ‘무어의 법칙’은 멈출 것이라고 생각했다고 한다. 물질은 분자라는 물질의 성격을 나타내는 최소 단위 이하가 될 수는 없다. 그러므로 소자의 크기가 분자의 크기 이하로는 절대로 내려갈 수 없고 분자의 크기에 가까워질수록 우리가 생각하지 못했던 문제점이 발생할 수밖에 없다. 그러므로 소자 미세화가 지속되지 못한다는 것은 자명하다. 그러나 기술의 발전이 그 시점을 계속 지연시켜왔고 정말로 소자의 크기가 분자 크기의 10배, 100배가 되는 시점까지 와 있는 것이다. - 173쪽에서

현재 우리 사회가 누리고 있는 빠른 속도의 많은 부분은 반도체를 통해 이루어지고 있다. 신속하고 정확한 일기예보, 실제와 구분이 안 될 정도로 실감나는 영화와 게임의 컴퓨터그래픽, 자율 주행 자동차가 사람을 인식하고 회피하는 것 등 빠른 연산을 요구하는 것들은 그 속도를 많은 부분 반도체 소자의 성능에 의존하고 있다. 인터넷 스마트폰, AR(Augmented Reality, 증강 현실), VR(Virtual reality, 가상 현실) 등을 포함해서 지난 50년 간 우리가 갖게 된 새롭고 신기한 제품들의 90%이상은 반도체 소자가 빨라졌기 때문에 가능한 것들이었다. 또 메모리의 용량이 커졌기 때문에 가능해졌다. - 208쪽에서

출판사 서평

윤석열 대통령은 지난 6월 7일 국무회의 석상에서 “반도체는 국가 안보 자산이자 우리 경제의 근간”이라며 교육부에 인재 육성 방안을 강도 높게 주문했다. 그후 정부는 수도권과 지방의 반도체 관련 학과 정원을 2만 명으로 확대하겠다는 방침을 세웠다. 그러나 일각에서는 단순히 반도체 관련 학과를 증원하는 것은 반도체 산업의 발전에 큰 도움이 되지 않는다고 주장한다. 그렇다면 반도체 산업을 위해서는 어떤 인력이 필요한 것일까? 아니 반도체는 무엇이고 어떻게 발전을 하고 있는지에 대한 근본적인 질문이 먼저이다.

정부 방침이 아니더라도 요즘 반도체 대기업에 취업을 위해 반도체를 공부하고 싶어하는 학생이 많아졌다. 그런데 반도체에 대한 기본적인 설명을 정리한 책은 거의 없다. 또 대부분의 대학에도 반도체 소자의 동작과 만드는 법은 가르치나 필요성과 기원에 대해 이야기해주는 과목은 없다. 그래서 반도체를 공부했다는 사람도 반도체 소자가 왜 필요한가, 반도체 산업이 왜 시스템 반도체와 메모리로 나뉘어 있는가, 인공지능이 발전하면 반도체 소자는 어떻게 변해야 하나 등 기본적인 문제에 대해 쉽게 대답하지 못한다.

이런 상황에서, 국내 반도체 소자 연구의 대가 중 한명인 최리노 교수(인하대학교 신소재공학부)는 반도체 소자에 대한 이러한 질문에 대답을 위해서 좀 더 근본적인 이야기를 해야 할 필요가 있다고 생각하여 이 책을 집필하게 되었다.

최 교수는 시간 순서에 따라서 전자 소자를 필요로 하는 시스템에 대해 이야기하며 반도체 소자가발전해 온 역사를 기술하였다. 왜 반도체 소자가 필요하게 되었고 어떻게 발전되어 왔는지를 설명하고 그 관점에서 앞으로 인공지능과 같은 시스템이 발전되면 반도체 소자는 어떤 기술이 필요할지, 또 어떤 형태로 발전되어 나갈지에 대한 내용을 이 책에 담았다. 반도체를 공부하는 학생들이, 관련 업체에 종사하는 사람들이, 반도체 정책 입안자들이 이런 문제들에 대해 조금 더 생각할 수 있는 사고의 틀을 만들어주고 싶었기 때문이다.
이 책은 또한 반도체 대기업에 취업을 원하는 많은 취업준비생들에게 반도체 소자의 필요성, 발전과정, 미래 방향들을 이해시켜서 면접지침서로도 좋은 역할을 할 것이다.

이 책의 특장 중 하나는 골치 아프고 딱딱할 것 같은 반도체 공학 분야의 내용을 “마치 한 편의 연애 소설을 읽는 기분처럼” 읽을 수 있도록 매끄럽고 흥미진진하게 썼다는 점이다. 적절한 사례를 만들어 이해를 돕고, 쉬운 용어로 재미있게 내용을 구성하여 반도체를 처음 접하는 사람들도 가볍게 반도체에 대한 이해의 폭을 넓힐 수 있게 하였다.

이 책은 반도체를 공부하기 위한 입문서이다. 반도체에 대해 깊게 공부하기 위해서는 각종 반도체 소자가 어떻게 작동하는지의 물리도 배워야 하고 반도체 소자를 어떻게 만드는지 반도체 집적 공정도 자세히 배워야 한다. 또 소자가 작동하는 것을 측정하는 것도 배워야 하고 잘못 동작했을 때는 분석하는 방법도 배워야 한다. 그러나 가장 중요한 것은 다양한 과목을 배우면서 ‘왜’ 이러한 것들이 필요한지를 아는 것이다. 이 책은 그 ‘왜’라는 질문의 대답을 찾는 밑그림 역할을 하게 될 것이다

작가정보

저자(글) 최리노

* 서울대학교 무기재료공학과 학사 및 석사 졸업
* 대우자동차 기술연구소 연구원
* 텍사스 오스틴대학교 재료공학 박사 졸업
* 세계적 반도체 컨소시움 SEMATECH 소자신뢰성팀 Project Manager
* 산업부 산하 산업기술평가관리원 반도체PD
* SCI 급 논문 200여편 발표

* 현재 인하대학교 신소재공학과 교수

그림/만화 최세나

그림/만화 최태환, 홍예은