처음 배우는 반도체 기초부터 제대로 이해하기

“현대 산업의 쌀”이라 불리우는 반도체,

우리는 어디까지 알고 있을까?

"현대 산업의 쌀"이라 불릴 정도로 우리나라뿐만 아니라 전 세계적으로 중요시 되며 심지어 국가 간 산업 전쟁을 불사한 정도로 현대산업에서 필수 불가결한 제품이 된 "반도체" 매일 뉴스 매체와 기사를 통해 접하지만 막상 반도체를 다룬 책들은 어렵기만하다. 이 책은 무엇보다 '최대한 쉽고 친절한 설명'을 목표로 누구나 쉽게 이해할 수 있도록 반도체에 대해 다루었다.

대표적인 반도체 재료인 실리콘의 다양한 특성부터 반도체의 여러 가지 성질을 이용한 소자 등을 소개하고 실제 제작 공정과 어떤 분야에 어떤 용도로 활용되는지 알아보고, 마지막으로 반도체 개발의 최전선에서 일어나는 움직임과 미래 전망을 살펴본다.

반도체 산업의 재도약을 꿈꾸며

현대 과학기술 문명을 주도하고 있는 핵심 재료인 반도체는 요즘 같은 정보통신 사회에서는 그 중요성이 한층 높아지며 반도체 산업의 역량이 곧 권력의 크기가 될 정도로 막강한 영향력을 발휘하고 있다. 이에 저자는 전 세계인의 생활 전반을 지배하는 반도체, 특히 실리콘과 집적회로(IC)에 대한 대략적이고도 기본적인 내용을 좀 더 많은 사람에게 보다 쉽게 알리고자 이 책을 집필하게 되었다.

반도체는 전기전도도에 따라 물질을 분류할 때 도체와 부도체의 중간 영역에 속한다. 순수한 상태에서는 부도체와 비슷하지만 불순물의 첨가나 기타 조작에 의해 전기전도도가 늘어나기도 한다. 이러한 특성으로 인해 필요에 따라 전류를 조절하는 데 사용되는데, 주로 실리콘이 반도체 물질로 사용되고 있다. 실리콘은 ‘클라크수’가 25.8%로 49.5%인 산소에 이어 지표면에 두 번째로 많이 존재하는 매우 흔한 원소다.

이 책은 가장 먼저 반도체의 기본 개념에 대한 설명에 집중한다. 반도체란 무엇이며 어떤 성질을 가지고 어떻게 동작하는지, 집적회로의 종류와 구조, 실제 제작 공정과 어떤 분야에 어떤 용도로 활용되는지 알아본다. 마지막으로는 반도체 개발의 최전선에서 일어나는 움직임과 미래 전망으로 마무리한다.

독자들이 이 책을 통해 반도체 전반을 쉽게 이해하고, 반도체 산업에 대한 미래 희망을 조금이라도 더 키워갈 수 있었으면 하는 바람이다.

입체적으로 쉽게 이해하는 반도체 이야기

이 책은 다소 전문적인 분야에 속하는 반도체 관련 정보들을 비전공자들도 쉽게 이해할 수 있도록 그림과 도표를 적극 활용해 입체적으로 파악할 수 있도록 했다.

먼저 첫 장에서는 대표적인 원소 반도체인 실리콘의 다양한 특성을 설명한다. 아울러 반도체 이론의 기초인 띠 이론에 대해서도 간략히 언급한다. 다음으로는 반도체의 다양한 성질을 이용하는 전기 저항을 비롯해 수동 소자와 능동 소자에 대해 알아본다. 여기에서는 반도체 소자의 전기적 특성뿐만 아니라 발광 소자나 수광 소자에 대한 대략적인 설명도 들을 수 있다. 이어서 반도체 집적회로(CMOS-IC)에서 수치 계산이나 논리 연산을 수행하는 로직에 대해 설명한다. 또한 정보를 기억하고 필요에 따라 꺼낼 수 있는 반도체 기억 장치로서 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리에 대해 알아본다.

책의 중심으로 들어가면 실제 반도체 제조 현장의 다양한 공정과 제품화 과정을 엿볼 수 있다. IC의 개발과 설계를 시작으로 실리콘 웨이퍼 제조 과정, IC 제조의 전 공정과 후 공정 프로세스를 비롯해 각 분야의 핵심이 되는 기술과 기법에 대해 살펴본다.

지금도 진행되고 있는 반도체 기술 발전은 아이러니하게도 많은 기술 장벽을 표면으로 드러나게 했다. 이러한 한계를 극복하기 위해 반도체의 최첨단 현장에서 계속되고 있는 신재료, 신구조, 신공정에 관한 연구와 개발 상황을 살펴보며 책은 마무리된다.

지은이 : 기쿠치 마사노리

일본 도쿄대학 공학부 물리공학과를 졸업하였다. 일본 전기주식회사(NEC)에 입사하여 반도체소자 공정기술 개발업무에 종사했다. 이후 반도체사업 그룹팀장 본부장과 NEC일렉트론소자 팀장 본부장을 거쳐 ㈔일본 반도체 제조장치협회 전무이사와 ㈜반도체에너지연구소 고문을 역임했다.

저서로는 《전기의 기초》, 《최신 반도체의 모든 것》,《그림으로 이해하는 전자회로》, 《쉽게 이해하는 반도체》, 《반도체 용어 사전》 등 다수가 있다.

옮긴이 : 유순재

선문대학교 전자공학과 교수이다. 일본 오사카 대학에서 전자에너지 공학박사를 취득하였고, 현대전자 반도체연구소 광소자 개발실장과 선임연구원을 지냈다.

청색 LED(발광다이오드) 국내 양산 개발을 주도하였고, 제2회 대한민국 벤처

KOREA 국무총리 표창을 받았다.

한국물리학회 이사이며, 지적 재산권 관련 국내 외 특허 약 70여 편 출원 및 논문 50여 편을 집필하였다.

1장 반도체의 기초

001 도체와 절연체의 중간물질 ‘반도체’

002 여러 가지 반도체 ① 반도체의 종류

003 여러 가지 반도체 ② 대표 반도체 ‘실리콘’

004 고체 실리콘의 3가지 단결정, 다결정, 비정질

005 실리콘 반도체 중의 전하 운반자 ①

자유전자가 전하를 옮기는 ‘n형 실리콘’

006 실리콘 반도체 중의 전하 운반자 ②

양공이 전하를 옮기는 ‘p형 실리콘’

007 반도체 중의 전자나 양공의 움직임

‘에너지 대역’과 ‘띠 이론’ ①

008 반도체 중의 전자나 양공의 움직임 ‘에너지

대역’과 ‘띠 이론’ ②

009 실리콘과 다른 성질의 고급 반도체

2종류 이상의 원소로 구성되는 ‘화합물 반도체’

COLUMN 산화물 반도체와 유기물 반도체

2장 반도체 소자

010 전기 흐름을 방해하는 성질의 전기 저항 반도체로 만드는 ‘저항 소자’

011 일시적으로 전하를 축적하는 용량 소자 반도체로 만드는 ‘용량 소자’

012 한 방향으로 전류를 흘리는 소자 p-n 접합

다이오드

013 빛을 전기로 바꾸는 반도체 소자 포토 다이오드

014 전기를 빛으로 바꾸는 반도체 소자 발광

다이오드

015 통신이나 정보처리 광 반도체 소자

반도체 레이저

016 트랜지스터란? 대표적인 트랜지스터의 종류

017 전자 운반자 MOS 트랜지스터 n-채널형

018 양공 운반자 MOS 트랜지스터 p-채널형

019 휴대 기기의 회로 구성 CMOS

020 p-n 접합 게이트 트랜지스터 JFET

021 쇼트키 게이트 트랜지스터 MESFET

022 전자와 양공 트랜지스터 바이폴라 트랜지스터

COLUMN 트랜지스터의 탄생

3장 반도체 집적회로-로직

023 반도체 기판 위의 소자와 배선

회로 집적회로(IC)

024 여러 가지 IC 구조, 기판, 신호에 따른 차이

025 칩당 소자의 개수 집적도에 따른

MOS-IC의 분류

026 IC의 동작 기능에 따른 MOS-IC의 분류

027 논리회로의 수학적 기초 부울대수

028 논리회로의 기본 구성 요소

‘게이트 회로’ ① NOT 회로

029 논리회로의 기본 구성 요소

‘게이트 회로’ ② OR 회로

030 논리회로의 기본 구성 요소

‘게이트 회로’ ③ AND 회로

031 덧셈 회로 더하기 회로

032 뺄셈 회로 빼기 회로

033 신호의 크기 비교 판단 회로

비교회로와 일치회로

034 컴퓨터의 두뇌 IC MPU

035 마이콤 기능 IC MCU

036 디지털 신호처리 특화 프로세서 DSP

037 용도와 사용자 IC ASIC

038 사용자가 기능 바꿈 논리회로

프로그램 가능한 로직 ‘PLD’

039 시스템 기능을 가지는 IC 시스템 IC

040 전자의 눈 IC CCD

COLUMN 최초의 디지털 계산기

4장 반도체 집적회로-메모리

041 일시적 데이터 기억회로 플립플롭과 레지스터

042 정보 기억 메모리 반도체의 구조

043 컴퓨터 주기억 장치 메모리 DRAM

044 기억 보존 동작이 불필요한 고속 메모리 SRAM

045 제조 단계 데이터 입력 메모리 마스크 ROM

046 전원을 끊어도 기억되는 메모리 플래시 메모리

047 동일 메모리셀 수로 용량 늘림

다중값 메모리

COLUMN 미세화의 기본 원리 ‘스케일링 법칙’

5장 IC 개발과 설계

048 IC 개발 과정 시장 조사부터 출하까지

049 IC 계층 설계 시스템 설계부터 레이아웃까지

050 IC 소자 치수와 위치에 관한 규칙 설계 기준

051 IC 구조와 전기 특성 설계 소자 설계

052 IC 제조 공정 설계 공정 설계

COLUMN 반도체 칩 제조 산업의 분화

6장 실리콘 웨이퍼 만드는 법

053 지각에 널리 존재하는 원소 실리콘

054 규석의 환원, 전환, 증류 공정 다결정 실리콘

055 단결정 실리콘 봉 성장 CZ 성장법

056 단결정 봉 커팅과 밀링 웨이퍼 가공

057 금속 불순물 제거 공정 게터링

058 실리콘 웨이퍼의 진화 에피 웨이퍼와 SOI

COLUMN 실리콘 웨이퍼에 요구되는 특성

7장 IC 만들기 ①-전 공정

059 IC 제조 공정 개요 전 공정과 후 공정

060 소자 형성 전 공정의 앞부분 ① FEOL

061 소자 형성 전 공정의 앞부분 ② FEOL

062 배선 형성 전 공정의 뒷부분 BEOL

063 도체, 절연체, 반도체 박막 형성 박막 공정

064 마스크 패턴 전사 기술 리소그래피

065 재료 막 부식 제거 식각

066 전도형 불순물 첨가 기술 열확산과 이온 주입

067 여러 가지 열처리 기술 밀어 넣기,

리플로우, 어닐링

068 웨이퍼 표면 평탄화 CMP

069 웨이퍼 세척 세정

070 불량 칩 선별 웨이퍼 검사와 트리밍

COLUMN 클린룸

8장 IC 만들기 ②-후 공정

071 웨이퍼에서 칩 1개씩 잘라내기 다이싱

072 패키지에 칩 장착 마운트

073 칩 전극과 패키지 단자 접속 와이어 본딩

074 칩 패키징하기 몰딩

075 패키지 단자 가공 및 IC 식별 리드 도금,

리드 성형, 이력 표기

076 패키지 종류 스루홀(TH) 소자와 표면

실장 소자(SMD)

077 IC 형상과 특성 검사 공정 검사· 선별

COLUMN IC 신뢰성과 가속시험

9장 반도체의 최첨단 기술

078 실리콘 웨이퍼의 대구경화 웨이퍼 지름 450mm

079 MOS 트랜지스터의 고속화 ‘변형 실리콘 기술’

080 새로운 구조의 MOS 트랜지스터

081 리소그래피 기술의 미래

① 담금 노광과 더블 패터닝

082 리소그래피 기술의 미래

② 극 자외선(EUV) 노광

083 리소그래피 기술의 미래

③ 마스크리스(ML2)와 나노 임프린트

084 만능 기능 메모리의 실현

① 기능 메모리의 후보 기술

085 만능 기능 메모리의 실현

② 강유전체 메모리와 자기 메모리

086 만능 기능 메모리의 실현

③ 상 변화 메모리와 저항 변화 메모리

087 신재료 도입으로 브레이크스루

①고유전율 게이트 절연막과 메탈 게이트 전극

088 신재료 도입으로 브레이크스루

②DRAM 고성능 용량막과 저유전율 층간 절연막

COLUMN ‘More Moore’와 ‘More than Moore’