반도체 기초 - 반도체란 무엇인가

반도체 업종에서 일을 한지 어느새 5년 차가 되었습니다. 이공계가 아닌 지인들과 만나게 되면 항상 질문을 듣곤 합니다. "반도체가 뭐야?", "네가 하는 일이 뭐야?"라는 질문을 들으면 항상 쉽게 얘기하려고 노력을 하지만 어디서부터 설명을 해야 할지 난감하기도 합니다.
많은 사람들이 생각보다 반도체에 대해 궁금해 하지만, 반도체에 대해 검색해 보면 생각보다 쉽게 설명되어 있는 자료를 찾아보기 힘들다는 것을 깨달았습니다. 간단하게 반도체에 대해 글을 쓰고 저도 공부도 할 겸 기초에서부터 조금씩 심도 있는 내용을 작성해 볼까 합니다.

 

반도체 기초 - 진성반도체, P형, N형, PN접합

반도체 기초 - 트랜지스터, MOSFET

반도체 기초 - FinFET, GAA, MBCFET, CFET, Forksheet

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1. 반도체란?

전류가 통하는 물질 (금속)을 도체, 통하지 않는 물질을 부도체 (나무, 플라스틱 등..)라고 합니다. 반도체는 도체와 부도체의 절반으로, 전류가 잘 통하지도 않지만 안 통하지도 않는 물질입니다. 그래서 어떤 불순물을 얼마나 넣는지에 따라서 전기를 얼마나 잘 통하게 하는지 조절할 수 있습니다.

하지만 반도체는 그 사전적 정의보다는 데이터를 저장 (DRAM, NAND flash)하거나, 컴퓨터나 스마트폰의 두뇌 (CPU)가 되는 집적회로 칩을 뜻하는데 주로 쓰입니다. 왜 그런가 하면, 반도체가 이런 이런 직접 회로들을 만드는데 가장 최적의 물질이기 때문입니다. 어떤 불순물을 얼마나 넣느냐에 따라 전기 전도도를 원하는 대로 조절할 수 있고, 어떤 모양으로 넣느냐에 따라 원하는 회로의 모양을 직접 그릴 수 있기 때문입니다.

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2. 반도체 칩의 종류

반도체는 디지털 데이터를 저장 및 처리하는 메모리 반도체 (메모리, 로직), 디지털 신호 논리, 연산, 제어 등을 처리하는 시스템 반도체 크게 두 종류로 나뉩니다. 디지털 반도체에서도 대중적으로 익숙한 반도체는 메모리 반도체(DRAM, NAND Flash)와 로직 반도체(CPU, GPU 등)입니다.

한국에서는 대표적인 두 회사(삼성전자와 하이닉스)가 메모리 반도체를 주로 생산하기 때문에, 메모리와 그 외로 구분하는 게 일반적인 용어가 되었습니다. 특히 삼성전자는 로직 쪽에 집중한 파운드리(위탁생산) 도 같이 하고 있기 때문에, 파운드리 분야(또는 로직반도체)를 비메모리라고 하기도 합니다. 많은 기사들, 자료들, 유튜브 영상 들에서 반도체의 종류를 메모리/비메모리로 나누어서 설명을 하고 대부분의 사람들도 이러한 분류법에 익숙해졌습니다. 편의상 반도체를 메모리/비메모리 로 나누는 분류가 주로 사용되긴 하지만, 정확한 분류는 알고 가는 것이 좋습니다.

 

출처 : samsungsemiconstory.com

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3. 반도체 사업 종류

반도체 기업의 분류는 크게 세 가지로 나눌 수 있습니다. (소재, 부품, 장비, 후공정 제외)

• 팹리스 (Fab-less) : 퀄컴, 엔비디아, 브로드컴, AMD, IBM 등
• 파운드리(Foundry) : TSMC, 삼성전자 파운드리, UMC 등
• 종합 반도체 회사 (IDM, Integrated Device Manufacturer) : 삼성전자 메모리, 하이닉스, 인텔, 마이크론 등

 

3-1 팹리스(Fab-less)

직접적인 반도체 생산은 하지 않고, 설계와 기술개발에 집중하는 사업 형태입니다. 반도체 생산 공장을 업계에서는 팹(Fab)이라고 하는데, 제조를 뜻하는 Fabrication을 간단하게 줄인 말입니다. 팹이 없으니 팹리스(Fab-less)로 불리는 것입니다.

많은 사람들이 사용하는 컴퓨터나 스마트폰 등의 전자 기기들에 초고성능의 반도체 칩들이 들어가고 있습니다. 이런 칩들을 설계하는 것에서 더 나아가, 공장을 세우고 생산 공정을 최적화하는 데에는 수십조 이상의 엄청난 비용과 많은 시간이 필요합니다. 제조는 외주로 돌리고, 회사의 역량을 설계에만 집중하는 형태입니다. 팹리스 회사에는 대표적으로, 통신 칩을 만드는 퀄컴, 그래픽 처리 장치(GPU, Graphic Processing unit)를 만드는 엔비디아와 AMD 가 있습니다.

 

3-2 파운드리(Foundry)

팹리스 회사에서 전달받은 설계도 대로, 반도체 칩을 위탁 생산하는 형태입니다. 설계에 맞는 반도체를 생산할 수 있도록 공정을 최적화하고 양산에 집중합니다.

5G, 자율주행, 인공지능 (AI, Artifical intelligence) 등 4차 산업혁명에 핵심이 되는 고성능의 시스템 반도체의 수요가 늘어나고 있습니다. 따라서 원가 절감과 양산성도 물론 중요하지만 PPA (Power, Performance, Area)가 우선적으로 고려되게 됩니다. 파운드리의 대표적인 기업인 TSMC와 삼성전자 파운드리 사업부에서는 5nm, 4nm, 3nm 급의 FinFET과 GAA (Gate All around) 등의 기술들을 적용하고 있습니다.

3-3 IDM

반도체 칩의 설계, 제조, 판매를 모두 하는 회사를 말합니다. 대표적인 회사로는 삼성전자 메모리사업부, 인텔 등이 있습니다. 설계와 생산의 난이도 및 비용이 기하급수적으로 늘게 되면서 팹리스와 파운드리의 분업 형태가 주를 이루게 되었습니다.

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4. 트랜지스터(Transistor)

간단하게 반도체 사업이란 트랜지스터를 얼마나 좋게, 싸게, 많이 만들어 내냐가 제일 중요합니다. 트랜지스터란 전송하다 라는 뜻의 Transfer 와 저항 소자라는 뜻의 Varistor의 합성어로, 전기전도성을 가지면서도 저항의 역할을 하는 소자(또는 전류 증폭)를 말합니다. 간단하게는 전류를 흐르거나 흐르지 않게 할 수 있는 스위치입니다. 이런 트랜지스터를 어떻게 연결하는지, 어떤 추가 소자를 추가로 다느냐에 따라 메모리가 되기도 하고 CPU 가 되기도 합니다.

예를 들어 수도꼭지가 있다고 하면, 물을 끌어오는 저수지 (또는 비슷한 역할을 하는 무언가)를 소스(Source)라고 합니다. 사용하기 위해 물이 빠지는 수도꼭지 출구를, 빠지다 라는 뜻의 드레인(Drain)이라고 합니다. 물을 조절하는 밸브를 문을 뜻하는 게이트(gate)라고 합니다. 이런 수도꼭지에서 물을 받아서 저장해 놓는 게 메모리입니다.

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5. 메모리 (DRAM/NAND Flash) 반도체

메모리(Memory) 반도체란 말 그대로 정보를 기억하는 반도체로서, 여러 종류가 있지만 현재는 거의 대부분 디램 (DRAM, Dynamic Random Access memory)와 낸드 플래시(NAND Flash) 두 종류가 대표적으로 사용되고 있습니다.

컴퓨터에서 복사(Ctrl + C)를 하면 데이터가 저장되는 곳이 DRAM입니다. 읽고 쓰는 속도가 빠른 대신에 데이터 저장기간이 짧아서 (~ms 수준) 주기적으로 전류를 흘려 데이터를 다시 채워주는 리프레시(refresh)를 해줘야 하며 전류가 흐르지 않으면 데이터가 휘발되어 버립니다. 그래서 휘발성 메모리라고도 하며, 컴퓨터를 끄게 되면 복사해 놓은 내용이 없어집니다.

반대로, 컴퓨터를 꺼도 데이터가 날아가지 않는 비휘발성 메모리도 있습니다. 윈도우 같은 중요한 운영체제나 중요한 데이터들을 저장하는 데 사용됩니다. 비휘발성 메모리 중 현재 가장 많이 사용되고 있는 것은 NAND Flash입니다. 전류를 순간적으로 가해서 전자를 가두는 형식으로 데이터를 저장하는데, 그 모습이 사진기 플래시(Flash)가 터지는 모습과 비슷하다고 하여 Flash라는 이름이 붙었습니다.

 

또한 회로가 NAND gate의 형태로 이루어져 있습니다. 그래서 NAND와 Flash의 두 단어를 합쳐서 NAND Flash라고 하지만, 부르는 명칭은 회사마다 다르기도 합니다. 일반적으로 Flash memory라고 하며, 삼성전자에서는 간단하게 NAND라고 부르고 하이닉스에서는 Flash라고 부릅니다.

출처 : news.skhynix.co.kr

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6. 로직(Logic) 반도체

논리회로(AND, OR, NOT 등)로 구성되며, 제품 특정 부분을 제어하는 반도체입니다. 논리회로의 구성에 따라, CPU, GPU, 차량용 반도체, 코인 채굴 등등 여러가지 목적을 수행할 수 있습니다. 팹리스 에서 파운드리에 수주를 줘서 만드는 경우가 많으며, 개별 목적성을 가지고 만들어지기 때문에 로직반도체는 어떤 기능을 하는 반도체다 라고 정의할 수는 없습니다.

 

출처 : https://www.alliedmarketresearch.com/
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Type	Special Purpose Logic Programmable Logic Devices Display Drivers Application Specific Integrated Circuit General Purpose Logic
Product Type	Programmable Logic ICs Ultra-Low Power Programmable Logic ICs Mixed Signal Programmable Logic ICs High End Programmable Logic ICs Programmable Logic Device Others
Industry Vertical	Healthcare Communication Aerospace and Defense Automotive Consumer Electronics Telecommunication and Networking Industrial Manufacturing Others