반도체 구조원리 교과서

반도체 기술은 어떻게 미래를 만드는가

기술 한계를 돌파하는 최신 기술과 동향

HBM · EUV 노광 · TSV · 마이크로 식각

인텔이 세계 최초의 민간용 마이크로프로세서 4004를 만들었을 당시, 프로세스 룰(제조 공정에서 규정한 최소 단위)은 10μm(마이크로미터. 1μm는 0.001mm)였으며, 트랜지스터가 2,300개 쓰였다. 지금은 3nm(나노미터, 1nm는 0.001μm) 미세화 공정을 통해 트랜지스터 수십억 개 이상이 칩 하나에 집적된다.

본격적인 반도체 산업이 1970년대에 시작된 이래, 반도체 칩은 약 2년마다 트랜지스터 수가 2배씩 증가한다는 무어의 법칙을 충실히 따랐으며, 지금은 한계에 접어들었다는 비관적 평가에도 불구하고 칩의 성능을 올리기 위한 노력이 계속되고 있다. 반도체 기술은 지금도 계속 발전하며 기술적 난관을 돌파 중이다.

《반도체 구조 원리 교과서》는 이 같은 반도체 기술 현장의 특징과 현황을 고려해, 반도체의 기본 구조와 원리를 소개하고, 여기에 더해 최신 기술 동향과 미래 기술 전망까지 정리한다. 먼저 설계 부문에서는 C언어 기반의 설계 기술과 타이밍을 고려한 레이아웃 설계, IP 재이용 설계, 제조성 용이 설계 같은 주류 흐름을 소개하고, 제조 부문에서는 EUV 노광 장치와 마이크로파 식각 장치, 최신 실장 기술 등을 소개한다.

특히 반도체 관련 뉴스를 유심히 지켜본 독자라면 이 책 7장에서 다루는 패키지 기술에 관심이 쏠릴지도 모르겠다. 칩 여러 개를 한 패키지에 쌓는 SIP와 관통 전극 TSV 기술을 소개하는데, 이 기술들은 최근 들어 인공지능, 특히 대규모 언어 모델 사이에 경쟁이 심해지면서 많은 주목을 받고 있다. 대규모 언어 모델을 학습시키는 데에는 엄청난 수의 GPU가 필요하며, 여기에 쓰이는 고성능 메모리인 HBM을 적층 기술을 활용해 제조하기 때문이다.

이 분야의 선두주자는 SK하이닉스로 2023년 4월부터 12단 DRAM인 HBM3를 양산하고 있다. 《반도체 구조 원리 교과서》에서는 TSV 기술을 이용한 3차원 실장 기술이 어떻게 고밀도, 소형화, 고속화, 저전력화, 고기능화 등을 실현하는지를 제조 공정과 함께 소개한다. 왜 사람들이 이 기술에 주목하는지를 기술 차원에서 이해할 수 있을 것이다. 이 밖에도 F램이나 R램 같은 차세대 메모리 기술도 소개하며, 유니버설 메모리의 미래까지 점쳐본다.

삼성전자 · SK하이닉스 · TSMC

세계 최고의 회사는 어떻게 반도체를 만드는가

논리회로 구성에서 제조 공정까지 이해하다

《반도체 구조 원리 교과서》는 반도체에 관한 모든 궁금증을 날려주고, 지적 호기심을 채워줄 반도체 기술 입문서다. 반도체 개발 엔지니어 출신의 교수가 집필한 책으로, 철저히 기술 관점에서 반도체를 바라보고, 관련 지식을 소개한다. 핵심 개념을 가려 뽑아 방대한 반도체 지식을 책 한 권으로 정리했으며, 여러 도해와 그래프 자료를 활용해 쉽고 빠른 설명을 시도한다. 이 덕분에 누구든 반도체의 구조와 작동 원리, 제조 공정을 개괄적으로 이해할 수 있다.

이 책은 누구에게나 열려 있다. 투자 목적 때문에 반도체 업계에 호기심이 생긴 사람, 처음 반도체 공부를 시작하려는 초심자, 반도체 회사에서 처음 일하고자 하는 사람 등에게 유용함을 안겨준다. 삼성전자, 하이닉스, TSMC, 인텔 등 세계 최고의 반도체 제조사들이 어떤 원리로 반도체를 만드는지를 알려줄 것이다.

저자는 폭넓은 반도체 지식을 균형감 있게 다루면서도, 책 내용이 기초에서 심화로 자연스럽게 진행되도록 구성에 신경을 꽤 썼다. 간략히 살펴보면, 반도체란 물질의 속성을 소개하면서 책을 시작한다. 그 후에는 IC(집적회로)와 LSI(대규모 집적회로)의 정체 및 쓰임을 밝히고, 반도체 소자와 디지털회로의 작동 원리를 말한다.

일반인 눈높이에서 반도체를 밑바닥부터 기술적으로 진지하게 이해하는 것이 책의 목표인 만큼 2진수와 불 대수를 이용해 논리게이트를 만드는 기본 원리를 다루며, LSI를 어떻게 기획하고 개발하는지, 구체적인 제조 공정이 어떻게 되는지 또한 소개한다. 이 책으로 독자는 추상적이고 피상적인 이해를 넘어, 기술이라는 구체적인 관점으로 반도체의 시작과 끝을 가장 짧은 시간 안에 파악할 수 있다.

엔지니어 출신 교수의 쉽고 빠른 설명

반도체 기술의 진짜 면모를 알려주는 기술 교양서

저자는 미세화 기술이 계속 발전 중이며 10년 이내에 1nm급 미세화가 실현될 것으로 예상한다. 그러면서 아직 실현 가능성이 희박하지만, 원자 하나 또는 몇 개만으로 트랜지스터를 실현하는 기술을 소개하기도 한다. 현재는 DRAM 메모리가 약 10만 개의 전자를 콘덴서에 충방전해서 1비트를 기억하지만, 이 기술로 만든 메모리는 전자 하나 또는 몇 개로 1비트를 기억할 수 있다. 따라서 소비 전력이 약 10만 분의 1이 될 가능성이 있어서 만약 이 기술을 실현할 수 있다면 혁신을 일으킬 것으로 기대된다.

수십 년간 반도체 엔지니어로 살아온 저자의 전문성이 책 전반에 녹아 있다는 점도 책의 장점이다. 반도체 산업이 두각을 보인 시기는 1970년대부터다. 저자는 이때부터 반도체 제조 현장에서 일했으며 눈부시게 기술이 발전하는 모습을 직접 바라봤다. 지금도 현장 일선에서 회사 대표로 일하고 있으며, 반도체 기술 동향을 놓치지 않으려고 노력 중이다. 동시에 대학 강단에서 학생을 가르치고, 반도체 관련 책을 여럿 내기도 했다. 현장 경험이 풍부한 엔지니어 출신의 교수가 일반인과 초심자를 위한 책을 집필했다는 점에서 이 책은 반도체 기술을 기초부터 충실하게 알고자 하는 사람들에게 유용한 길잡이 역할을 한다.

세상을 이해하는 열쇠, 반도체

핵심 기술을 넘어 미래 기술까지 고찰하다

반도체는 현대 산업의 쌀로 불린다. 안 쓰이는 곳이 없을 만큼 최고의 범용성과 성능을 보이는 슈퍼 부품이 바로 반도체 칩이다. 미국과 중국의 패권 경쟁이 벌어지자 반도체 산업은 자연스레 주요 이슈가 됐으며, 미국은 자국의 반도체 산업을 다시 한번 일으킬 목적으로 주요 반도체 제조사의 공장을 미국 안으로 끌어들이며 여기저기서 갈등을 초래했다. 이런 이유로 반도체를 이해하는 일은 이제 세계를 이해하는 일이라고 해도 과언이 아니다. 우리 주변의 전자 제품이 작동하는 원리를 넘어 세계정세와 경제 분야에 이르기까지, 반도체는 세상을 이해하는 열쇠가 됐다. 엔지니어의 눈으로 반도체 기술의 핵심과 미래 조망을 담아낸 이 책으로 현대인의 교양이라 할 수 있는 반도체 지식을 쌓아보자. 세상을 바라보고 이해하는 안목이 조금은 올라갈 것이다. 

지은이 : 니시쿠보 야스히코 

웨스트브레인 대표 겸 시즈오카대학 정보학부 객원 교수. 인텔이 세계 최초로 4비트 CPU를 민간 시장에 내놓으며 반도체 산업이 본격적으로 부흥하던 1970년대에 처음 업계로 들어왔다. 연필과 종이로 반도체를 설계하던 시절을 회상하며 현재의 나노미터급 공정에 놀라곤 하지만, 끝없이 발전하는 기술을 배우고 익히면서 최첨단 기술 현장을 여전히 예의주시 중이다. 한편 대학에서 후배 양성에도 신경 쓰고 있다. 오랫동안 개발 현장에서 쌓은 경험이 엔지니어를 꿈꾸는 후배들에게 좋은 길잡이가 됐으면 하는 바람이다.

전기통신대학을 졸업한 후, 시티즌시계 주식회사 기술 연구소에서 쿼츠 시계용 CMOS · IC를 개발하면서 연구 생활을 시작했다. 이후 다이닛폰인쇄 주식회사 마이크로 제품 연구소, 이노텍 주식회사, 미에에이 하이텍스 주식회사 등 여러 회사에서 반도체 칩을 연구 개발했다. 이 책에서는 시대를 관통하는 반도체의 기본 구조와 원리는 물론이고, 나날이 발전하는 첨단 반도체 기술의 현재와 미래를 조망한다. 

옮긴이 : 김소영

책 읽기를 좋아해 다른 나라 말로 쓰인 책의 재미를 우리나라 독자에게 전달하고자 번역을 시작했다. 다양한 일본 책을 우리나라 독자에게 전하는 일에 보람을 느끼며 더 많은 책을 소개하고자 힘쓰고 있다. 현재 엔터스코리아에서 출판기획 및 일본어 전문 번역가로 활동 중이다. 옮긴 책으로는 《읽자마자 원리와 공식이 보이는 수학 기호 사전》, 《읽자마자 수학 과학에 써먹는 단위 기호 사전》, 《텃밭 농사 흙 만들기 비료 사용법 교과서》, 《초등학생을 위한 수학실험 365》, 《재밌어서 밤새 읽는 수학 이야기: 베스트 편》, 《기적의 초고속 계산법》, 《하루 한 문제 취미 수학》 등이 있다.

머리말 1나노급 미세화를 향해 발전하는 반도체 기술의 놀라운 여정

제1장 반도체란 무엇인가?

무조건 알아두고 싶은 기본 물성의 이해

1-1 반도체의 일반적인 특성

1-2 도체와 절연체의 차이점은?

1-3 반도체의 이중인격

1-4 반도체 재료인 실리콘은 무엇일까?

1-5 불순물 종류에 따라 P형 반도체와 N형 반도체가 된다

1-6 N형 반도체, P형 반도체의 에너지 구조

1-7 LSI를 탑재한 기판, 실리콘 웨이퍼 만드는 법

제2장 IC, LSI란 무엇인가?

LSI의 종류와 애플리케이션

2-1 고성능 전자 기기를 실현하는 LSI란 무엇인가?

2-2 실리콘 웨이퍼 위에서 LSI는 어떻게 구성돼 있을까?

2-3 LSI에는 어떤 종류가 있을까?

2-4 LSI를 기능 측면으로 분류하면?

2-5 메모리 종류

2-6 오더 메이드 ASIC에는 어떤 종류가 있을까?

2-7 마이컴 내부는 어떻게 돼 있을까?

2-8 온갖 기능을 원칩화, 시스템 LSI로 발전하다

2-9 시스템 LSI 탑재 기기 ① 휴대전화

2-10 시스템 LSI 탑재 기기 ② 디지털카메라

칼럼 IC, LSI 이외에도 반도체에는 여러 가지가 있다

제3장 반도체 소자의 기본 작동

트랜지스터의 기초 원리 배우기

3-1 PN 접합이 반도체의 기본

3-2 전류를 한 방향으로 보내는 다이오드란?

3-3 트랜지스터의 기본 원리, 바이폴라 트랜지스터란?

3-4 LSI의 기본 소자, MOS 트랜지스터란?

3-5 가장 자주 쓰이는 CMOS란 무엇인가?

3-6 메모리 DRAM은 어떻게 작동하고 기본 구조가 어떠한가?

3-7 휴대기기에서 활약하는 플래시메모리란?

3-8 DRAM, 플래시의 차세대를 짊어지는 유니버설 메모리

제4장 디지털 회로의 원리

어떻게 계산하는지 이해하기

4-1 아날로그와 디지털은 무엇이 다를까?

4-2 디지털 처리의 기본, 2진수란?

4-3 LSI 논리회로의 기본, 불 대수란?

4-4 LSI에서 이용하는 기본 논리게이트란?

4-5 논리게이트에서 2진수로 변환하기

4-6 디지털회로에서 덧셈(가산기) 방법은?

4-7 디지털회로에서 뺄셈(감산기) 방법은?

4-8 기타 주요 디지털 기본 회로

제5장 LSI의 개발과 설계

설계 공정이란 무엇인가?

5-1 LSI 개발 기획부터 제품화까지

5-2 기능 설계

5-3 논리 설계

5-4 레이아웃/마스크 설계

5-5 회로 설계

5-6 포토마스크

5-7 최신 설계 기술 동향

5-8 LSI 전기 특성의 불량 해석 평가 및 출하 테스트 방법

제6장 LSI 제조의 전 공정

실리콘 칩은 어떻게 만들까

6-1 반도체를 만드는 모든 공정

6-2 세정 기술과 세정 장치

6-3 성막 기술과 막의 종류

6-4 박막은 어떤 식으로 형성할까?

6-5 미세 가공을 위한 리소그래피 기술이란?

6-6 트랜지스터 치수의 한계를 정하는 노광 기술이란?

6-7 3차원 미세 가공의 식각이란?

6-8 불순물 확산 공정이란?

6-9 반도체 소자를 접속하는 금속 배선

6-10 CMOS 인버터의 제조 프로세스를 이해하자

① PW 포토마스크에서 P웰 영역으로 이온 주입

② 열처리를 해서 P웰 영역을 넓힌다

③ AR(Active Region) 영역 만들기

④ 절연 분리막(LOCOS 구조의 SiO2)을 성막

⑤ 폴리실리콘을 생성해서 POLY 마스크로 MOS 트랜지스터의 게이트와 폴리실리콘 배선 만들기

⑥ PD 포토마스크로 PMOS 영역 이외를 마스킹

⑦ P형 불순물(붕소) 확산

⑧ ND포토마스크로 NMOS 영역 이외를 마스킹

⑨ N형 불순물(인)의 불순물 확산

⑩ 층간 절연막을 생성해 콘택트 홀을 뚫기

⑪ METAL 포토마스크로 금속 배선

⑫ 보호막 생성

칼럼 클린룸

칼럼 실제 포토마스크의 사용 개수와 가격

제7장 LSI 제조의 후 공정과 실장 기술

패키징부터 검사 · 출하까지

7-1 실리콘 칩을 패키지에 넣어 검사 · 출하하기까지

7-2 패키지 형상의 종류는 아주 많다

7-3 BGA나 CSP란 어떤 패키지인가?

7-4 칩 여러 개를 같은 패키지에 탑재하는 SIP

7-5 관통 전극 TSV를 쓰는 3차원 실장 기술

7-6 더 진화하는 고밀도 실장 기술

제8장 대표적인 반도체 디바이스

발광다이오드 · 반도체레이저 · 이미지 센서 · 전력 반도체

8-1 광반도체의 기본 원리

8-2 조명 기구로서의 백색 LED 등장

8-3 방대한 수의 포토다이오드를 집적화한 이미지 센서

8-4 고속 통신망을 가능케 한 반도체레이저

8-5 청색 레이저가 가능케 한 고화질 장시간 레코더

8-6 전기에너지를 아끼는 데 공헌하는 전력 반도체

8-7 IC 카드는 초소형 컴퓨터

8-8 유통 관리의 구조를 바꾸는 무선 통신 IC 태그

제9장 반도체 미세화의 미래

더 작게, 더 빠르게, 더 효율적으로

9-1 트랜지스터의 미세화 구조는 한계가 어디까지인가?

9-2 미세화는 전자 기기의 고성능화를 가속한다

참고 문헌

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