친절한 반도체

선호정 지음

한올출판사 2024년 02월 26일 출간 종이책 : 2024년 02월 26일 출간

작품소개

책소개

누구나 상식적인 과학 지식만 가지고 있으면 읽을 수 있는 반도체 교양서.

반도체의 기본 원리부터 집적화 개념, 제조 공정까지 전체적으로 조망하면서 그 내용을 최대한 쉽고 친절하게 풀어낸 책.

반도체 제조의 건축적 특징과 반도체 아키텍처의 조형적 아름다움을 드러낸 인문학적 교양서.

SK하이닉스, IBM, Applied Materials, ASML, 테스, 유진테크, 디엔에프 등 반도체 기업 최고 전문가들의 조언이 녹아있는 책.

반도체 산업에 종사하고 계신 분들, 반도체관련 기업 투자에 관심이 있는 분들, 대학 재학생과 취업 준비생들, 반도체 기술에 관심이 있는 분들이 편안하게 따라갈 수 있는 반도체 가이드.

협력사에 계신 분들은,
자신이 개발하거나 생산하는 소재, 부품, 장비가 반도체 제조 공정 안에서 어떻게 쓰이는지 알지 못하는 경우가 많습니다. 이로 인해 고객과의 소통에 장애가 생기기도 합니다. 이를 극복하기 위해서는 반도체를 큰 틀에서 조망하여 이해하는 것이 필요합니다.

투자에 관심 있는 분들은,
투자 대상 기업의 제품이 무엇이며 연관된 벨류 체인이 어떻게 엮여 있는 지 이해하는 것이 중요합니다. 반도체 세계에는 많은 이슈들이 다양한 방식으로 얽혀 있습니다. 이 실타래를 잘 풀어내면 좋은 투자 기회를 얻을 수 있습니다.

대학 재학생의 경우에는,
자신의 전공뿐만 아니라 반도체와 연관된 여러 학문 분야의 기본 지식 습득에 관심을 가질 필요가 있습니다. 대학 4년의 제한된 시간 안에 모든 것을 충분히 배우고 익히기는 어렵습니다. 하지만 이러한 인식 자체가 견실한 인재로 성장하는 데 밑거름이 될 것입니다.

취업 준비생의 경우에는,
취업 대상 기업의 생산품이 무엇이며 반도체 전체 공정 중 어느 위치에 있는 지를 대략적이라도 파악하면 좋습니다. 그래야 자신의 적성과 맞추어 보며 입사 지원 여부를 결정할 수 있습니다. 또한 면접에 임해서는 합격의 확률을 높일 수 있습니다.

목차

추천사

프롤로그


Part 1. 반도체란

반도체의 본명은 집적 회로
● 집적 회로란?
● 집적 회로의 탄생사
● 초고집적 회로

우리 주변의 반도체
● 메모리 반도체
● 시스템 반도체
● 반도체 기업의 분류

메모리 반도체의 기억법
● 디지털 정보 저장 방법
● DRAM의 정보 저장 원리
● 메모리 용량 가늠하기

전자가 움직이는 방법
● 수학의 언어적 속성
● 물질의 전기 전도도
● 전기의 흐름을 다루기 위한 기초 지식
● 물체 안에서 전자가 움직이는 방법

다이아몬드 탈을 쓴 실리콘
● 원자의 생김새
● 실리콘 원자와 결정 구조

실리콘 반도체
● 이동 전하의 생성과 움직임
● 실리콘 반도체
● 실리콘 반도체 기판(웨이퍼)

트랜지스터 이야기
● MOS 트랜지스터
● p-n 접합
● CMOS

커패시터 이야기
● 원자 분극
● 이온 분극
● 커패시터의 전하 저장 원리
● 커패시터의 전기 용량


Part 2. 반도체와 건축

DRAM의 건축학
● 집적 회로는 건축물이다
● DRAM의 건축법
● 집적 회로 건축법의 기초
● DRAM 건축하기

DRAM 건축 양식의 변천사
● 셀 트랜지스터 건축 양식의 변천사
● 셀 커패시터 건축 양식의 변천사

DRAM 건축 완공하기
● DRAM 셀 구축하기
● DRAM 건축 완공하기

NAND 플래시 메모리의 기억법
● 셀 트랜지스터의 구조
● 정보 저장 원리
● 다중 비트 저장하기

NAND 플래시 메모리의 건축학
● 기본 셀의 구조
● 셀 트랜지스터 수직으로 세우기
● 3D NAND 플래시 메모리 셀의 제조 과정

시스템 반도체의 건축학
● 변형된 Si 게이트 MOSFET
● 고유전 상수 게이트 MOSFET
● FinFET과 GAAFET
● 다층 배선의 특징
● 집적 회로 건축학을 마무리하며

반도체와 미술
● 집적 회로 아키텍처와 미술
● 수학과 추상화


Part 3. 반도체 제조법

열산화와 이온 주입
● 실리콘의 열산화
● 이온 주입
● 급속 열처리
● MOS 트랜지스터 제조 과정 되짚어보기

화학으로 박막 입히기
● 화학 기상 증착

화학으로 만든 박막
● 플라즈마 강화 화학 기상 증착
● 금속의 화학 기상 증착

원자 한 층씩 쌓아올리기
● 원자층 증착

당구와 상감 청자
● 물리 기상 증착
● 전기 도금

박막 장비, 부품, 소재
● 박막 장비와 부품
● 박막 장비, 부품, 소재 관련 기업

빛으로 패턴 새기기
● 빛 이야기
● 포토리소그래피
● 노광의 원리와 분해능

빛 새김 기술의 발전사
● ArF 액침 노광
● 다중 패터닝
● EUV 노광
● 포토리소그래피 장비와 소재 관련 기업

패턴 깎아내기
● 수직 식각
● 식각
● 식각 장비, 부품, 소재와 관련 기업

갈아내고 닦아내기
● 화학적 기계적 연마
● 세정


에필로그

책 속으로

이렇게 반도체는 전기 전도도 측면에서의 물질 표현인데, 전자 기기 내에서 핵심적인 역할을 수행하는 메모리 반도체, 시스템 반도체 등 전자 소자들을 통칭하는 용어로 사용되고 있습니다. 하지만 이들을 지칭하는 보다 적합한 용어는 ‘집적 회로(integrated circuit)’입니다. 예전에는 이 명칭을 많이 사용했는데, 언제부터인가 그냥 반도체라고 부르는 경향이 강해졌습니다. 앞으로 알게 되겠지만, 집적 회로에는 반도체만 쓰이는 것이 아니라 도체와 부도체도 사용되기 때문에 엄밀히 따지자면 집적 회로를 반도체로 칭하는 것은 적절치 않습니다. 그럼에도 불구하고 집적 회로는 반도체에서 비롯됐고 호칭의 어감도 편해서 집적 회로보다는 반도체를 선호하게 된 것으로 보입니다. (p.17)

앞쪽에 실린 DRAM 단면 사진을 다시 봅시다. 이는 1장에서 제시했던 것과 동일한 사진입니다. 그때는 이 그림을 전혀 이해할 수 없었을 것입니다. 그렇지만 지금은 어떤가요? 축하합니다! 이제 이그림이 눈에 들어온다면 여러분의 반도체 실력은 크게 발전했다고 말할 수 있습니다. 이 말은 진심입니다. 반도체 관련 기업에 취업한 분들도 전체 아키텍처를 이해하는 데까지 시간이 꽤 걸립니다. 다양한 업무를 통해 체득한 종합적인 반도체 지식이 필요하기 때문입니다. (p.168)

집적 회로의 미술적 매력은 3차원 아키텍처에서 더 확실히 드러납니다. 앞에서 집적 회로 제조에 관한 여러 내용을 건축에 비유하여 설명했습니다. 건축은 미술의 한 분야라고 할 수 있을 정도로 미술과 깊게 연결되어 있습니다. 건물 축조에는 역학 등 공학적 요소가 우선 고려되지만, 사람들이 활동하는 공간이기 때문에 아름다움과 기능성도 그에 못지않게 중요시 여깁니다. 그런데 건축에서와 같이 집적 회로의 아키텍처도 상당한 조형미를 가지고 있습니다. 다만, 건축과 분명한 차이는 건축은 설계 단계부터 미적 요소를 감안하지만, 집적 회로는 오로지 기능과 생산성만 극한으로 추구한다는 것입니다. 그럼에도 불구하고 그 결과물에는 상당한 조형적 아름다움이 있습니다. (p.214)

W는 원자 번호가 74번으로 엄청 무겁습니다. 주기율표에서 원자 번호가 클수록 무거운 원소인데, 13번 Al에 비해 약 7배, 29번 Cu에 비해 약 3배 무겁습니다. 어릴 적 가지고 놀던 유리구슬만 한 크기로 W 구슬을 만들어 손바닥에 올려놓으면 그 무게 때문에 깜짝 놀랄 수 있습니다.
신기한 점은 그럼에도 불구하고 W에 F가 결합하여 WF6가 되면 상온에서 기체 상태로 있다는 것입니다. 이 정도 무거운 원소를 포함하면서도 기체인 전구체는 찾아보기 어렵습니다. 날개 달린 불소(F) 여섯 천사가 텅스텐(W) 원자를 줄에 매달고 날아다니는 것은 아닌가 싶을 정도입니다. 그러고 보니 WF6 분자 모습이 그렇게 보이기도 합니다. 우연인지 필연인지는 모르겠으나 이는 반도체 산업에 상당한 축복입니다. 이렇게 훌륭한 WF6는 당연히 대표적인 반도체용 가스 중에 하나입니다. (p.260)

그런데 이 Cu 배선 공정에 부여된 특별한 명칭이 있습니다. 이를 ‘damascene’ 공정이라고 합니다. 단어의 발음이 좀 어려운데, 우리말로 소리나는 대로 표기하면 ‘다마신’입니다. 그리고 영한 사전에서 뜻을 찾아보면 ‘상감법’이라고 나옵니다. 상감법 하면 떠오르는 것이 있습니다. 그렇습니다. 바로 고려청자입니다. 위의 상감 청자처럼 표면을 예리한 도구로 파낸 다음, 다른 색의 흙을 매립하여 문양을 입히는 기법이 다마신과 같습니다.
반도체 제조 공정의 첨단 전기 도금법은 구식 기술에서 유래되었으며, 배선 형성 과정은 고려 시대 청자 제조 기법과 연결되어 있습니다. 이렇듯 전기 도금법에 의한 Cu 다마신 공정은 재미있는 성격을 지니고 있습니다. (p.285)

메모리 반도체든 시스템 반도체든 집적 회로 제조 기술의 발전은 칩 축소 기술의 고도화와 궤를 같이합니다. 선폭을 줄이기 위해서는 진보된 포토리소그래피 기술이 뒷받침되어야 하는데, 문제는 기존에 사용하던
노광 장비로 선폭의 미세화를 진행하다 보면 어느 시점에 한계에 부딪치게 된다는 것입니다. 이 한계는 분해능(resolution)의 제약을 의미합니다.
앞장에서 살펴보았듯이 이를 극복하기 위해서는 더 짧은 파장의 빛을 적용하고 더 많은 빛을 수용할 수 있는 방법을 찾아야 합니다. 따라서 ‘노광 기술의 발전’은 ‘파장이 작은 광원을 채용하고 높은 개구수를 지니는 장비의 개발’과 거의 동일한 뜻이 됩니다. (p.328)

재미있는 점은 PR 스트립 공정이 연소 과정과 같다는 것입니다. 연소는 물질이 산소와 반응하면서 다량의 열과 빛을 발하는 현상을 말합니다. 우리가 나무를 태울 때 목격하는 바로 그 현상입니다. 나무는 유기물이므로 주로 탄소와 수소로 구성됩니다. 고열을 가하면 나무의 탄소와 수소가 대기 중 산소와 결합하여 열과 빛을 내며 연소됩니다. 이러한 점에 착안하여 PR 스트립 공정을 ‘감광막을 연소시켜 재로 만든다’는 의미로 ‘산소 플라즈마 애슁(O2 plasma ashing)’이라고도 부릅니다.
O+는 식각막에 거의 영향을 주지 않습니다. 즉, 식각막은 태우지 못합니다. 따라서 감광막만 선택적으로 제거할 수 있습니다. 이런 장점 덕분에 산소 플라즈마 애슁 방식을 감광막 제거에 사용합니다. (p.357)

이러한 문제를 피하고자 현재는 오른편 그림에 묘사되어 있는 ‘매엽식(single wafer) 스핀 세정법’을 주로 사용합니다. 이 방식은 감광막 도포를 위한 스핀 코팅과 비슷합니다. 다만 세정 공정이기에 코팅액이 아니라 세정액을 뿌려주면서 기판을 회전시켜 공정을 실시합니다. 웨이퍼 표면에서 세정을 마친 용액은 이탈하여 배출되기 때문에 오염물 재흡착의 염려도 없고 이물질 제거 능력도 우수합니다. 우리가 손을 씻을 때 세면대에 물을 받아 놓고 하는 것보다 수도꼭지를 틀어 놓은 채 흐르는 물에 씻는 것이 더 깨끗한 세척이 되는 이치와 동일합니다. (p.374)

출판사 서평

이 책은 교양서 같기도 하고 전문서 같기도 하지만, 누구나 상식적인 과학 지식만 가지고 있다면 읽을 수 있는 교양서입니다.

이 책은 크게 세 부분으로 나뉩니다. Part 1에서는 반도체라 불리는 집적 회로가 무엇인지를 설명하고 집적 회로를 구성하는 소자들을 소개했습니다. 소자의 작동 원리를 이해하는 데 필요한 배경지식인 물질의 전기 전도도, 실리콘 반도체의 성질, MOS 트랜지스터와 커패시터의 원리가 쉽고 친절하게 설명되어 있습니다.

DRAM, NAND 플래시 메모리, 시스템 반도체를 집적하는 일은 건물 축조와 유사한 점이 많습니다. 이에 착안하여 Part 2 에서는 건축과 아키텍처의 중요성을 드러내며 집적화 개념과 과정을 소개하였습니다. 이를 통해 집적 회로를 조망할 수 있는 안목을 제공하고자 했습니다. 그리고 마지막 장에서 반도체의 미적 아름다움을 생각하며 잠시 쉽니다.

Part 3에서는 반도체 제조법을 다루었습니다. 집적 회로의 층을 구성하는 박막 형성 방법, 빛을 이용하여 패턴을 새기는 포토리소그래피와 물질을 깎아내는 식각 공정 등을 소개했습니다. 또한 적절한 곳에서 공정에 필요한 장비, 부품, 소재와 이와 관련된 기업들도 실었습니다. 교양서이지만 반도체 관련 실무와 투자에 실질적인 도움이 되는 부분입니다.

작가정보

저자(글) 선호정

현재 국립 군산대학교 신소재공학과 교수로 재직 중입니다. 고려대학교 재료공학과(현 신소재공학부)에서 학사, 석사, 박사 학위를 받았습니다. 1990년 현대전자에 입사하여 하이닉스반도체(현 SK하이닉스)를 거치면서 십수년 동안 DRAM과 강유전체 메모리에 적용되는 박막 공정 연구를 수행했습니다. 2005년 군산대학교로 자리를 옮긴 이후에도 반도체 소재, 부품, 장비 관련 기업들과 제품 개발을 위한 연구와 직원 교육을 실시해왔습니다. 또한 반도체 산업에서의 경험을 바탕으로 군산대학교 학생들에게 이론과 실무를 아우르는 반도체 교육을 제공함으로써 학생들의 성장을 돕고 있습니다.