CVD (Chemical Vapor Deposition)



(지난 호에서 이어집니다)

박막을 형성하는 다른 방법은 화학반응이 수반되는 것으로 화학기상증착(化學氣狀蒸着) 또는 CVD(Chemical Vapor Deposition)라고 부릅니다. 웨이퍼 위에 공급되는 휘발성 전구체(precursor)가 웨이퍼 위에서 분해(전구체를 분해하는 방법은 대표적으로 열을 이용하는 것과 플라스마를 이용하는 것이 있습니다)된 후 화학반응을 통해 원하는 박막이 형성되는 원리입니다. 화학반응에 따른 부산물은 휘발성으로 펌프에 의해 배기되어 제거됩니다.

PVD가 주로 금속 박막을 형성하는 데 사용한다면 CVD는 PVD로 형성하기 어려운 유전체(誘電體) 박막을 형성하는 데 사용됩니다. CVD는 반도체 박막 공정에서 많이 사용되는 공정으로써 화학반응을 유도하는 방법에 따라, 작동 압력에 따라, 플라스마 생성 방법에 따라(모든 CVD가 플라스마를 이용하는 것은 아니고, 일부 플라스마를 이용하는 CVD가 있습니다), 기타 방법에 따라 그 종류도 무척 많습니다. 역시 이렇게 설명을 하면 좀 어렵지요? 예를 들어 봅시다.

이왕이면 좀 비싼 것을 만들어볼까요? 다이아몬드는 어떤가요? 지난 3월호에서 슈퍼맨이 석탄으로부터 다이아몬드를 만드는 것을 소개했는데, 반도체 공정을 배운 우리는 CVD 방법으로 한 번 만들어보겠습니다. 원리는 간단합니다. 탄소 원자가 결정(結晶) 형태로 기판(基板) 위에서 자라도록 하면 됩니다. 탄소원자가 포함된 분자가스(메탄가스)를 주로 사용하는데 이 분자가스를 플라스마에 의해 원자나 이온 형태로 만들어주면 기판 위에서 다이아몬드 결정체로 자라게 됩니다. 물론가스 공급량과 압력 및 온도 등, 복잡한 공정조건을 만족시켜 줘야 우수한 성질의 다이아몬드가 형성되겠지요. 이렇게 형성된 다이아몬드는 보석류로 사용되는 것이 아니고, 다이아몬드의 독특한 특성(우수한 열전도 특성 및 단단한 특성 등)을 필요로 하는 산업계에서 주로 사용하고 있답니다.


▲ CVD로 다이아몬드 박막 만들기


위의 PVD에서 step coverage라는 것을 설명했는데, 일반적으로 CVD 방법을 이용하면 PVD보다 우수한 step coverage를 얻습니다. 그 때문에 좁고 깊은 우물 형태나 울퉁불퉁한 형태 위에 균일한 두께로 막을 입히기 위해서는 PVD보다 CVD를 선호하여 사용합니다.


ECD (ElectroChemical Deposition)



사람들은 금에 환호하지요, 매우 귀하기 때문일 것입니다. 누구나 갖고 싶어 하지만, 누구나 가질 수 없기에 귀한 것이겠지요. 아래 사진의 금 거북이 갖고 싶지 않나요? 하지만 너무 비쌀 것 같습니다. 좀 저렴하게 장만해 볼까요? 도금을 이용하면 됩니다. 도금(鍍金)이란 어떤 물체의 표면 상태를 본 재료의 성질보다 더 유용하게 하려고 다른 물질을 해당 물체의 표면에 얇게 입히는 것을 말합니다(위키백과 참고).

그럼 어떤 원리에 의해 도금이 이루어지는 걸까요? 금속 이온이 포함된 용액에 어떤 물체를 담급니다. 그런 후에 그 물체의 표면에 전자를 공급해 주면 금속이온이 중성의 금속으로 물체의 표면에 막 형태로 석출(析出)되는 것입니다. 물체의 표면에 전자를 어떻게 공급해 주느냐에 따라서 전해도금과 무전해도금으로 나뉩니다. 반도체 공정에서는 일반적으로 전해도금을 사용하며 일부에서 무전해도금을 사용하기도 한답니다. 최근의 미세한 구리 배선은 주로 전해도금(ElectroChemical Deposition, ECD)에 의해 형성됩니다.


▲ 서울무형문화재 사진

사진출처 : http://bit.ly/1NIvSj4


반도체 기술이 발전하면서 점점 많은 부품이 한 칩에 고밀도로 집적(集積)되고, 구리 배선의 공정도 무척 미세해졌습니다. 구리 배선은 ECD에 의해서 형성된다고 앞서 설명했지만, 포토 공정에 의해서 패턴이 형성되어야 합니다. 포토 공정은 마스크(또는 레티클)라고 하는 이미 원하는 패턴을 형성해 놓은 것에 빛을 조사해서 그림자가 지도록 하는 것이 핵심 원리입니다. 그런데 그림자가 그려지는 바닥이 평평하지 않고 울퉁불퉁하면 그림자의 모양에 왜곡이 생기겠지요.

미세한 그림자를 형성해주기 위해서는 아주 평평한 바닥을 만들어주는 것이 매우 중요합니다. 반도체 공정에서는 이러한 공정을 평탄화 공정이라고 부르며 주로 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 이용합니다. 우리 말로 번역하면, 화학적 기계 연마라고 하면 될까요? 아무튼, 말뜻을 보면 갈아낸다는 뜻이 들어있는 것 같고, 화학적인 무엇인가가 가미된 것 같은 느낌이 듭니다. 표면이 단일 물질이 아니고 두 개 이상의 다른 물질로 이루어진 경우에 기계적 연마만 하게 되면 각 물질이 연마되는 정도가 달라서 평탄한 표면을 기대하기 어려워집니다. 이 경우에 적당한 화학물질을 가미해서 성질을 변화시켜서 연마 정도가 비슷해지도록 해주면 될 것 같습니다. 아래 사진을 보면 CMP를 적용한 경우와 적용하지 않은 경우의 배선 차이를 알 수 있습니다. 왼쪽의 경우는 미세한 패턴을 형성하기 어렵겠지요?


사진출처 : Specialty abrasives For Chemical Planarization, 2005~2010


이제 Fab의 주요공정들을 거의 모두 다룬 듯합니다. 이렇게 해서 MOSFET 및 구리 배선과 마지막 알루미늄 패드까지 완료된 웨이퍼는 그 자체로 사용할 수는 없고 외부로부터 전원을 공급받고 신호를 주고받을 수 있도록, 또한 외부 환경으로부터 안전하게 보호하기 위해 패키징 해야 합니다. 앰코가 가장 잘하는 영역이므로 간단하게 설명하고 마치도록 하겠습니다.

최근에는 Fab 공정만으로는 칩이 최적의 성능을 낼 수가 없어서 패키징 기술에 반도체 제품의 최종 성능이 좌우되는 상황입니다. 고객이 원하는 성능을 낼 수 있도록 패키징 각각의 공정에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있습니다만, 이 글의 목적은 반도체에 대한 기본적인 이해를 위한 것이므로 깊이 들어가지는 않겠습니다.


가장 먼저, 웨이퍼 상에 있는 각각의 칩을 분리해야겠지요. 우리는 이 공정을 다이싱 또는 쏘잉이라고 부릅니다. 이렇게 분리된 개개의 칩은 적당한 기판 위에 올려지고 칩과 기판 사이에 전기적 연결을 하고, 와이어 본딩과 플립칩 본딩이 주로 사용됩니다. 칩과 본딩을 외부 환경으로부터 보호하기 위해 몰딩을 시행하기도 합니다. 때에 따라서는 보드에 최종 장착할 수 있도록 하려고 솔더볼을 형성하기도 합니다. 이제 반도체 제품이 완성되었습니다. 원하는 곳에 이 제품을 실장하면 됩니다.



이렇게 해서 1년간의 반도체 이야기 여정을 마치려고 합니다. 이제 여러분은 반도체가 발명되어서 발전되어 온 역사를 이해하게 되었고, 반도체가 무엇인지와 어떤 성질을 가졌는지에 대해 공부하였으며 최종적으로 어떻게 제조가 되는지에 대해서 전체적으로 알게 되었습니다. 물론 깊은 지식의 수준까지 다루지는 않았지만, 우리가 다루고 있는 반도체 제품에 대해 이해하기에는 부족함이 없을 것이라고 생각합니다.

필자는 1년 동안 원고를 준비하면서 우리가 다루지 않는 영역을 주로 다루고 우리가 잘 이해하고 있는 패키징 영역은 십여 줄로 간단하게 설명하고 마무리하였는데, 독자 여러분이 경험하지 못한 영역에 대한 폭넓은 이해를 위함이었습니다. 여러분 고생이 많았습니다. 원고를 시작하면서 어떻게 이야기를 끌고 갈지에 대해 막막했던 기억이 납니다만, 벌써 1년의 세월이 훌쩍 지나버리고 마지막 호를 대하고 있습니다.

반도체의 원리는 양자역학이라는 어려운 학문으로 설명되는 것이라서 어떻게 쉽게 설명을 할까 난감하기도 했고요, 지나고 생각하니 저자는 정말 재미있었습니다. 독자 여러분, 고생하셨습니다. 하나의 반도체 제품이 탄생하는데 이렇게 수많은 사람의 노력이 있었고 여러분이 그 한 영역에서 일하고 있다는 자부심을 가지시기를 희망합니다. 한 해가 저물어 갑니다. 되돌아보면 잘했던 것보다 잘하지 못했던 것이 더 많은 것 같은데요, 사실은 잘했던 것은 망각하고 잘하지 못했던 것이 기억에 더 남기 때문일 것입니다. 자신을 더 사랑하고 더 소중히 여겼으면 좋겠습니다.



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  1. 이경준 2016.02.13 22:13 신고 Address Modify/Delete Reply

    백종식 연구원님
    연구원님의 글을 보고 반도체 공부를 한지 오래 된 취업준비생으로서 반도체를 다시 한번 공부 할 수 있는 용기를 얻게 되었습니다. 이해하기 쉽게 하나 하나 자세히 설명해주셔서 감사드립니다. 마지막까지 좋은 말씀 해주셨네요. 제 자신을 더 사랑하고 소중히 여기겠습니다. 그리고 훗날 반도체 업계에 종사하게 된다면 꼭 한번 뵙고 싶습니다.
    정말 잘 읽었습니다.
    이경준 올림.

  2. 백종식 2016.11.01 17:04 신고 Address Modify/Delete Reply

    도움이 되셨다니 다행입니다, 어려운 내용을 쉽게 설명하려고 노력했습니다만 정성적인 설명이 갖는 한계를 극복하기는 어려웠습니다.
    취업을 준비하신다니 좋은 결실 있으시기를 바랍니다.
    더 궁금하신 것이 있으면 메모 남겨주시면 성심껏 답변 드리겠습니다.


MOSFET 트랜지스터의 소스, 게이트, 그리고 드레인 영역이 만들어졌습니다. 이제 각각의 트랜지스터 배선과 인터커넥션을 하도록 하겠습니다.


▲ 반도체 공정 flow

사진출처 : http://goo.gl/34yAgQ


초기에 알루미늄으로 배선과 인터커넥션을 하다가 칩의 집적도와 기능이 향상되면서 구리로 배선과 인터커넥션을 바꾸었습니다. 또한, 근접한 배선들 사이의 상호간섭을 줄이기 위해 유전상수가 낮은 유전재료를 사용하게 되었습니다. 이들 배선 및 유전층은 박막(薄膜, thin film) 형태로 제조되며, 성막(成幕, deposition) 공정과 평탄화(平坦化, CMP) 공정이 주요 공정으로 사용되고 있습니다.

박막은 여러 가지 방법으로 제조할 수 있습니다. 그중에서 반도체 공정에 많이 쓰이는 PVD(Pysical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition), ECD(ElectroChemical Deposition) 등에 대해서 살펴봅시다.


PVD (Pysical Vapor Deposition)



PVD는 물리기상증착(物理氣狀蒸着)이라고도 불리는데요, 증기형태의 물질을 웨이퍼 위에 응결시켜서 원하는 박막을 형성하는 것을 말하며 진공증착(眞空蒸着)이라는 말도 쓰입니다. 진공이라는 말이 사용된 이유는, 박막이 형성되는 챔버의 분위기가 일반 대기압(大氣壓) 상태가 아닌 진공상태에 있기 때문입니다. 사전적인 표현을 쓰면 아무래도 이해하는 데 어려움이 있지요? 웨이퍼 위에 어떤 물질을 얇게 입히고 싶은데, 그 물질을 기체상태로 만들어 웨이퍼 위에 뿌려 얇은 막을 입히는 것을 말합니다.

그 물질을 기체 상태로 만드는 방법이 몇 가지 있는데, 그중 높은 온도로 끓여 기체상태를 만드는 evaporative deposition 방법과 플라스마를 이용해서 기체 상태를 만드는 sputter depsotion 방법을 소개하도록 하겠습니다.


Evaporative deposition은 소스재료를 끓이기 위해 저항가열(抵抗加熱)을 이용하기도 하고 전자(電子)빔을 이용하기도 합니다. 녹는 온도가 너무 높아 저항가열을 이용하기 어려운 경우에 전자빔을 이용하는데, 어느 것을 이용하든 기본 원리는 도가니 속에서 소스재료를 가열시켜 끓인 후에 그 증기가 웨이퍼 위에 달라붙게 하는 것입니다. 아래 그림에 보면 target이라고 되어 있는 소스재료를 e-beam(전자빔)이 가열하고 있지요? 전자빔은 전류가 흐르는 뜨거운 필라멘트에서 튀어나온 열전자(熱電子)로써 자기장에 의해 로렌츠의 힘을 받아 휘어져 들어와 (지난 호에 이온 임플란테이션에서 이온의 방향이 휘는 것을 설명했지요? 전자는 질량이 작아서 질량이 큰 이온에 비해서 훨씬 많이 휩니다) 도가니 속에 들어있는 소스재료를 때리게 되어있습니다.

증착되는 박막이 오염되지 않은 순수한 물질이 되게 하려고 일반적으로 챔버는 진공상태를 유지합니다. 도가니 속에서 끓고 있는 소스재료는 표면으로 증기를 내뿜는데, 진공상태에서는 소스재료의 증기가 공기와 거의 부딪히지 않고 (얼마나 높은 진공 분위기를 만들었느냐에 따라 다릅니다) 직선으로 날아와 웨이퍼 표면에 부딪힙니다. 운석이 날아와 지구와 부딪혀 공룡을 멸종시켰다고 하는 운석충돌설이 있습니다. 운석이 어떻게 지구의 생물을 멸종시킬 만큼 큰 파괴력을 가진 것일까요?

비밀은 진공에 있습니다. 우리가 경험하는 지구 속에서의 세상은 공기가 가득 차 있으므로 공기 저항 때문에 물체 속도가 제한받지요. 하지만 진공 속에서는 얘기가 다릅니다. 공기 저항이 없기 때문에 행성 간 충돌 등에 의해 부서진 바위 조각들이 수없이 먼 거리를 달려오는 동안 속도는 거의 하나도 줄지 않고 어마어마한 속도로 우주 속을 날고 있는 것입니다. 때로 어느 천체의 중력에 의해 휘면서 속도가 더 붙기도 했을 테고요. 이런 속도가 주는 파괴력은 어마어마합니다.


▲ Evaporative deposition

사진출처 : (좌)http://goo.gl/bUWGnY / (우)http://goo.gl/T4hI6K


진공 속을 달려가는 금속증기도 웨이퍼에 닿기까지 거의 공기와 부딪히지 않으므로 소스 표면에서 튀어나온 방향대로 직선운동을 합니다. 이로 인해 웨이퍼 표면에 계단 모양의 단차가 있는 경우 (포토 레지스트를 패터닝하게 되면 포토레지스트의 두께 때문에 계단 모양의 단차가 생깁니다) 벽면에는 박막이 거의 형성되지 않습니다. 이를 전문적인 용어로 ‘step coverage가 좋지 않다’라고 표현합니다. 웨이퍼가 소스에 대해 회전하는 경우 금속증기의 입사빔은 직선 형태로 날아오지만 웨이퍼가 회전하므로 웨이퍼 입장에서 보면 비스듬하게 빔이 입사되는 것으로 생각할 수 있겠습니다. 증기가 비스듬하게 입사되면 step coverage가 좋아집니다. 웨이퍼 표면의 온도를 높여주면 표면에서의 원자 이동이 활발해져서 step coverage를 더 좋아지게 합니다.


▲ 웨이퍼와 step coverage


하지만 고의로 step coverage가 좋지 않도록 하는 경우가 있습니다. Lift-off라는 공정이 있는데 식각 공정 없이 금속을 패터닝 하는 공정입니다만, 깊이 들어가지는 않겠습니다.


요즘에는 sputter deposition이 evaporative deposition을 대체하는 추세입니다. evaporative deposition에서는 소스재료를 증기화 하는데 열을 사용했다면 sputter deposition에서는 소스재료를 증기화하는데 이온을 사용합니다. 이온은 중성원자에서 전자를 떼어낸 것으로, 질량은 중성원자와 거의 같으며 전하를 갖고 있어서 전기장에 의해 가속이 되어 운동량을 갖습니다. 운동량을 갖는 이온으로 소스재료를 때리면 그 운동량이 소스재료에 전달되어 소스재료의 원자가 튀어 나가게 되는데, 이렇게 튀어 나간 원자가 웨이퍼 표면에 도달하여 증착되는 원리입니다. 물리 용어는 언제 들어도 머리가 아프지요? 쉽게 설명해 보겠습니다.

필자는 어렸을 때 친구들과 구슬치기를 하고 놀았던 기억이 납니다. 모여있는 구슬에 제 구슬을 던져서 튀어 나간 구슬들을 따는 것이지요. 어떤 원리로 구슬들이 튀어 나가는 것일까요? 내가 던진 구슬은 질량과 속도를 갖고 있는데, 질량과 속도를 곱한 값을 ‘운동량’이라고 합니다. 즉, 질량이나 속도가 크면 운동량이 커지는 셈입니다.

운석이 지구와 충돌하면 왜 파괴력이 큰가요? 바로 속도 때문입니다. 속도가 느려도 질량이 크면 역시 파괴력이 큽니다. 질량과 속도가 모두 크면? 아, 상상만 해도 끔찍합니다. 구슬치기에서 커다란 구슬(필자는 왕구슬이라고 불렀습니다)을 던지면 무척 많은 구슬들이 튀어나갔던 기억이 납니다. 질량이 크기 때문에 운동량이 많았던 것입니다. 내가 던진 구슬이 다른 구슬에 맞으면 운동량을 다른 구슬에 전달하여 그 구슬이 운동량을 갖게 되는데 운동량을 갖는다는 말은 속도가 ‘0’이 아니라는 말입니다.

바꾸어 말하면, 그 구슬이 움직이게 된다는 것이지요. Sputter deposition에서 이온은 내가 던진 구슬과 같습니다. 소스재료는 모여 있는 구슬과 같겠지요. 그럼 이온을 어떻게 던질까요? 바로 전기장을 이용한답니다. 이온은 전기장에 의해 가속이 되므로 내가 구슬을 던진 것처럼 이온은 전기장에 의해 던져집니다. 내가 던진 구슬이 운동량을 가진 것처럼 가속되어 움직이는 이온도 운동량을 갖겠지요. (운동량은 질량과 속도의 곱이라고 했습니다) 이렇게 운동량을 갖는 이온은 소스재료에 부딪혀 소스재료에 운동량을 전달하여 소스재료가 운동량을 갖게 됩니다. 즉, 소스재료가 속도를 갖는다는 것이고, 이는 소스재료가 튀어 나간다는 것을 의미합니다. 이렇게 튀어 나간 소스재료는 웨이퍼 표면에 도달하여 달라붙게 됩니다.


▲ 구슬치기와 Sputter deposition

사진출처 : (좌)http://goo.gl/6HoxAp 


Sputter deposition에서 이온을 만드는 원리는 이온 임플란테이션에서 이온을 만드는 원리와 비슷하므로 자세한 설명은 생략하겠습니다. (다음 호에 계속)



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(지난 호에서 이어집니다) 포토리소그래피(photolithography)는 옵티컬 리소크래피(optical lithography) 또는 UV 리소크래피라고도 불리며 반도체 공정에서 박막(薄膜)이나 기판(基板)의 선택된 부분을 패터닝(patterning)하는데 사용합니다. 사전에 원하는 패턴이 형성되어 있는 포토마스크(photomask)에 빛을 쏴서 그 밑에 있는 웨이퍼 위에 그림자가 생기게 하고(이 과정을 노광이라고 부릅니다), 그 그림자 패턴은 빛이 사라지면 사라지므로 웨이퍼 상에 그림자 패턴이 남아있도록 하는 방법이 필요합니다.


웨이퍼 상에 감광성(感光性) 재료(포토레지스트 또는 레지스트라고 부릅니다. 빛을 받은 부분이 잘 녹아나는 성질로 변하는 레지스트를 포지티브 레지스트라고 부르고, 잘 녹아나는 성질을 갖고 있다가 빛을 받으면 잘 녹지 않는 성질로 변하는 레지스트를 네거티브 레지스트라고 부릅니다)를 코팅해주는데, 노광(露光) 공정을 통해 형성된 그림자 패턴에 의해 성질이 변하게 됩니다(포지티브 레지스트를 코팅했다고 가정하면, 그림자 패턴에 의해 빛을 받은 부분의 레지스트는 녹기 쉬운 성질로 변합니다. 이렇게 맺힌 상은 눈에 보이지는 않습니다. 그래서 잠상이라고 부릅니다. 네거티브 레지스트를 코팅한 경우는 반대의 상황이 되겠지요).

 

이미지출처 : (좌)http://goo.gl/fQzcSa (우)http://goo.gl/xpwjfV


노광이 끝난 웨이퍼를 현상액(現像液)에 노출시키면 녹기 쉬운 성질로 변한 레지스트 부분이 녹아나게 되어 그림자 패턴이 웨이퍼 상에 남게 됩니다(눈에 보이지 않던 잠상이 현상에 의해 눈에 보이는 상으로 변하게 되는 셈입니다). 이때 포지티브 레지스트를 코팅한 경우에는 마스크의 패턴과 같은 패턴을 보이게 되고, 네거티브 레지스트를 코팅한 경우에는 마스크의 패턴과 반대인 역상(易象)의 패턴을 보이게 됩니다. 자, 이제 웨이퍼 위에 특정한 패턴을 보인 레지스트가 형성되어 있는 상태입니다. 바꾸어 말하면, 웨이퍼 위의 어떤 부분은 SiO2가 레지스트에 의해 덮여 있고 다른 부분은 노출된 상태로 있습니다.



이제 웨이퍼에 식각액(蝕刻液)을 뿌려줘 볼까요? 레지스트에 의해 덮여 있는 SiO2 부분은 식각액이 닿지 못하므로 아무런 일이 벌어지지 않습니다. 하지만 노출된 SiO2 부분은 식각액에 의해 녹아나게 됩니다. 그런 후에 레지스트를 제거합니다(이 공정을 스트립이라고 부릅니다). 결국, 레지스트에 의해 보호받은 부분의 SiO2만 남아 있고 레지스트에 의해 보호받지 못한 부분의 SiO2는 제거되어 원래 포토마스크 위의 패턴과 같은 SiO2 패턴이 웨이퍼 위에 형성되었습니다.


 


소스와 드레인, 그리고 게이트를 형성하여 MOSFET을 만들어봅시다. p형의 기판을 가정해 봅시다. 트랜지스터를 형성하기 위해 소스와 드레인은 n형으로 만들어줘야 하는데 어떻게 하면 될까요? 예전에는 n형 불순물(dopant)을 가스 형태로 공급하면서 높은 온도로 가열해 불순물이 웨이퍼 속으로 확산(擴散)해 들어가는 방법을 사용했었습니다. 쉽고 값싼 방법이었으나 불순물의 깊이 방향으로의 양을 정밀하게 조절하기 어려운 문제가 있었지요. 소자의 집적도가 높아지면서 불순물 주입의 정확도가 요구되면서 다른 형태의 불순물 주입 방법을 고려하게 되었는데, 불순물을 이온화시켜서 웨이퍼 방향으로 가속시켜 불순물을 주입하는 방법을 사용하게 되었습니다. 이온의 양과 가속에너지를 정밀하게 제어할 수 있으므로 정확한 불순물 주입이 이루어지게 되었습니다.


갑자기 내용이 어려워졌다고요? 걱정 마세요. 차근차근 살펴보도록 하겠습니다. 검은깨 두부를 먹어봤나요? 필자는 검은깨 두부를 어떻게 만드는지 모르니 기대는 마세요. 다만 두부 속에 검은깨를 두부 표면에서 일정 깊이까지 일정량만을 정확하게 넣고 싶습니다. 검은깨 한 줌을 확 뿌리면 깊이 박힌 것부터 표면에 붙어 있는 것까지 다양하게 나타날 것입니다. 깨를 정교한 기계에 넣고 균일한 힘으로 분사하고, 공기의 저항을 막기 위해 진공 속에서 공정을 진행한다면 꽤 균일한 깊이에 검은깨가 분포하게 될 것입니다.


이미지출처 : http://goo.gl/GW9LFu


이온 임플란테이션도 비슷한 원리로 이해하면 됩니다. 이온 임플란테이션은 원하는 이온을 형성하는 이온 소스(ion source), 이온을 고에너지 상태로 가속시키는 가속기(accelerator), 이온이 충돌을 일으키는 타겟 체임버(target chamber)로 구성됩니다. 장비 제조업체마다 다양한 아이디어를 가지고 이온 소스를 제조하지만, 기본적인 원리는 전기적으로 중성인 공정 가스(원하는 불순물)에 전자(보통 열전자 형태로 텅스텐 필라멘트에 전류를 흘려주면 저항으로 뜨거워진 텅스텐 표면에서 열전자가 튀어나오지요. 이 열전자는 전기장에 의해 가속되면서 에너지를 갖게 됩니다)를 충돌시켜 가스가 전자를 잃어(가속으로 에너지를 얻은 열전자가 공정가스와 충돌하여 가스의 최외각 전자를 떼어냅니다) 양이온이 되도록 하는 것입니다.


이미지출처 : http://goo.gl/OT0QXd


이때, 이온 소스에는 우리가 원하는 이온만 형성되는 것이 아닙니다. 여러 잡다한 이온 중에서 웨이퍼에 최종적으로 주입될 이온만 선택하는 analyzer라는 장치가 있습니다. 전하를 띠고 있는 이온은 전기장에 의해서 가속이 되지만 전기장에 의해서 경로가 휘기도 합니다.


중학교 때 물리학에서 로렌츠의 힘이라는 것을 배웠습니다. 전하가 자기장 속에서 이동(전하의 이동을 전류라고 하지요)할 때 자기장과 전류의 이동 방향에 수직인 방향으로 전하의 이동방향이 휜다는 것입니다. 이동방향이 휘는 정도는 전하량과 질량에 따라서 다릅니다. 아무래도 전하량이 크면 더 많이 휘고, 질량이 크면 덜 휩니다(어렵다고요? 전기장과 자기장은 상호 간섭을 합니다. 그러므로 전하량이 클수록 더 크게 간섭하는 것입니다. 하지만 질량이 큰 것은 움직임이 둔합니다. 즉 간섭하는 양을 줄이는 역할을 하겠지요). 이 원리를 이용한 것이 옛날 브라운관 텔레비전의 전자총이지요.


이미지출처 : http://goo.gl/XwMy3b


아무튼, 로렌츠의 힘으로 모든 이온이 제각각 다른 반경으로 휘게 되는데 작은 구멍을 가진 장애물을 설치해서 잡다한 이온들은 장애물에 걸려 통과되지 못하도록 하고 원하는 이온만이 통과되도록 합니다. 이렇게 웨이퍼에 주입될 이온빔(ion beam)만이 선택받게 됩니다.


이미지출처 : http://goo.gl/OT0QXd


선택받은 이온빔은 높은 전압에 의해 가속되어 웨이퍼로 향하게 되고 최종적으로 타겟 체임버에 놓여 있는 웨이퍼 표면을 때리게 됩니다. 이온은 전하를 띠기 때문에 이온의 흐름은 전류의 흐름으로 모니터링되며, 타겟(웨이퍼)에 입사되는 이온의 양은 시간에 따라 누적된 양이 됩니다. 이 누적된 이온의 양은 이온 전류의 시간에 대한 적분값(컴퓨터가 알아서 계산해 주니 걱정 마세요)으로 불순물의 도스(dose)라고 부릅니다.


이온의 에너지는 가속전압에 따라서 결정되는데, 에너지가 크면 불순물이 웨이퍼의 깊숙한 곳까지 도달하고 에너지가 작으면 웨이퍼의 표면 쪽에 이르겠지요. 이렇게 불순물의 도핑 양과 깊이를 조절한답니다. 강한 에너지의 이온빔이 웨이퍼를 때리면 원치 않는 현상들도 일어납니다. 실리콘 원자들의 규칙적인 배열을 흩어버리거나 심지어는 실리콘 원자를 표면 밖으로 떼어내기도 하는 등 손상을 입히기도 한답니다. 이러한 결점에도 불구하고 불순물 도핑 공정에서 이온 임플란테이션은 주요 공정 중 하나로 자리매김하고 있습니다.


이미지출처 : (좌)http://goo.gl/G7FP9P (우)http://goo.gl/feG3Ce


이온 임플란테이션은 의도치 않게 웨이퍼에 손상을 입힌다고 했지요? 실리콘 원자들이 규칙적으로 배열된 곳에 강한 에너지를 갖고 충돌해 들어온 불순물(不純物, 도펀트)들은 원자들의 사이를 비집고 들어가 존재합니다(불순물 원자가 실리콘 결정 속의 침입형 자리에 존재한다고 부릅니다). 불순물이 반도체의 전기적 특성을 주기 위해서는 실리콘 원자들의 일부를 치환해서 잉여 전자 또는 잉여 정공(전자의 결핍과 같지요)을 생성해야 합니다. 아주 높은 온도를 가해 주면 이렇게 실리콘 원자 사이에 비집고 들어온 불순물들이 원래 있던 실리콘과 자리를 바꾸어(치환) 드디어 잉여 전자 또는 잉여 정공을 형성하여 n형 또는 p형의 전기적 특성을 갖게 됩니다. 이런 과정을 도펀트의 활성화(activation)이라고 부르고 도펀트의 활성화를 위해서 웨이퍼는 1,000도 이상의 열처리를 받게 되며, 이 공정을 RTP(rapid thermal process)라고 부릅니다. 이번 호에서는 MOSFET의 FEOL의 주요 공정을 살펴보았습니다.



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지난 열 달 동안 반도체의 물리적 이론과 소자의 이해 및 최종 제품에 대해서 살펴보았는데요, 이제 이 제품들이 제조라인에서 어떻게 만들어지는지에 대해 살펴보도록 하겠습니다.


하나의 반도체 제품이 탄생하기까지는 수많은 과정을 거쳐야 합니다. 여기에서는 설계 등은 고려하지 않고 공정에 대해서만 살펴보고자 합니다. 공정은 크게, 웨이퍼 제조 공정, 소자(디바이스) 제조 공정, 그리고 마지막으로 우리 회사가 가장 잘하는 패키징 및 테스트 공정으로 나눌 수 있습니다. 이 중에 웨이퍼 제조 공정은 이전 호에서 다루었으므로 소자 제조 공정과 패키징 및 테스트 공정에 대해서 다루겠습니다. 반도체 소자도 여러 가지가 있지만, 가장 많이 생산되고 있는 MOSFET 소자의 공정에 대해 살펴보겠습니다.


소자 제조 공정은 다시 FEOL(front end of line) 공정과 BEOL(back end of line) 공정으로 나뉩니다. FEOL 공정은 실리콘 에피택시(박막 제조에서 기판 재료 표면의 원자 배열에 의존한 결정 구조의 박막이 성장하는 과정을 말합니다) 층 위에 MOSFET 트랜지스터를 형성하는 단계이고, BEOL 공정은 MOSFET 트랜지스터 위에 인터커넥션을 위한 금속배선 및 입출력 단자를 형성하는 단계를 말합니다.


먼저, MOSFET 트랜지스터를 어떻게 구성하는지 살펴봅시다. P 채널 MOSFET 트랜지스터를 가정하면, p형으로 도핑된 기판 위에 게이트 유전층(이산화규소가 일반적으로 사용됩니다)을 형성하고 게이트 영역과 소스 및 드레인 영역을 패터닝(포토마스크 공정으로 각 영역을 정의해 줍니다)한 후 소스와 드레인 영역에 n형 도펀트(5가의 원자가를 갖는 불순물)를 도핑(임플란테이션이나 확산 공정을 통해 도핑합니다)함으로써 형성됩니다.


▲ (좌)MOSFET모식도 (우)투과전자현미경사진 

이미지출처 : (좌)http://goo.gl/1HRNcg (우)http://goo.gl/tvvuAu


MOSFET 트랜지스터가 형성되었으면, 이들의 인터커넥션을 통해 원하는 회로를 형성해야 합니다. 인터커넥션은 일련의 BEOL 공정 단계(금속배선과 유전층에 의한 절연 공정을 반복해서 진행합니다)를 통해 몇 층의 금속배선을 형성합니다. 초기의 배선은 주로 알루미늄을 통해 이루어졌습니다. 시간이 흐르면서 같은 칩 면적 안에 더 많은 트랜지스터를 집적시키기 위해 트랜지스터 크기가 줄어들고 트랜지스터 간의 간격도 줄어들게 되었지요. 공정이 미세화됨에 따라 더 많은 트랜지스터가 동일 크기의 웨이퍼 내에서 형성되므로 공정 가격이 내려가고(웨이퍼당 가격은 올라가더라도 트랜지스터 하나당 가격이 내려간다는 의미이니 혼동하지 마세요) 소자의 성능은 향상되었습니다(소스와 드레인 사이의 간격이 줄어들면서 캐리어가 채널을 통과하는 데 걸리는 시간이 짧아지므로 신호는 더 빨라지는 셈입니다. 더구나 트랜지스터 간의 간격도 줄어들었으므로 트랜지스터 간의 신호전달도 더 빨라졌지요).


하지만 늘 좋은 일만 있는 것은 아니지요. 역기능도 나타나기 시작했답니다. 트랜지스터 크기와 간격만 줄어드는 것이 아니라 인터커넥션의 금속배선 크기와 배선 간의 간격도 줄어들어야 합니다(축소복사를 생각하면 됩니다). 전류가 흐르는 금속배선의 유효단면적(전문 용어가 나왔다고 당황하지 마세요, 차가 달릴 수 있는 도로의 폭이라고 생각하면 됩니다)이 줄어들면서 저항이 증가합니다. 소자의 성능은 향상되었지만 인터커넥션에서는 오히려 신호전달에 지연이 초래되었지요.


그뿐만 아니라 저항이 증가하면 열이 발생한다고 했지요(10월호(바로 가기)에 MP3 볼륨을 낮추는 것은 저항을 늘려서 신호 크기를 줄이는 것이고 줄어든 신호는 열의 형태로 전환된다고 설명했습니다), 이 열은 electromigration(전도전자와 금속 속에 흩어져 있는 원자핵들 사이의 운동량 변화로 인해 발생하는 도체 내의 지속적인 이온의 움직임에 의한 물질의 이동을 지칭하는 용어입니다. 


역시 어렵지요? 그냥 좁은 금속배선에 높은 전류가 흐를 때 금속 원자가 한 방향으로 이동해서 결국 금속배선을 끊어버리는 현상이라고 이해하면 됩니다. 그런데 이 현상은 온도가 높으면 더 심해집니다)이라는 불량을 더 촉진하였습니다. 문제가 있다고 좌절할 수는 없지요. 금속배선이 알루미늄으로부터 구리로 진화가 이루어졌습니다. 구리는 알루미늄보다 전기전도도가 높고 더 높은 온도에서 녹습니다. 따라서 금속배선 크기가 줄어들면서 발생한 저항의 증가를 늦출 수 있게 되었고 electromigration 문제도 해결했습니다. 모든 문제가 다 해결된 것은 아닙니다.


이번에는 배선 간의 줄어든 간격이 문제가 되었습니다. 도선에 흐르는 전류는 주변에 자기장을 형성한다는 것은 중학교 때 배운 물리 상식이지요. 자기장 속에 있는 도선은 자기장의 변화로 전류가 생성됩니다. 즉, 자기장의 변화로 원치 않는 전류가 생길 수 있다는 말이지요. 도선과 도선이 멀리 떨어져 있으면 서로의 존재를 크게 느끼지 못할 텐데, 가깝게 접근하게 되면 사정이 달라집니다. 서로의 존재를 강하게 느끼게 되겠지요.


그게 무슨 문제냐 고요? 요즘 아파트에서는 층간 소음 문제가 심각한 것 같습니다. 우리 가족만의 독립된 공간을 보장받고 싶은데, 이웃사촌의 발걸음 소리, 노랫소리, 문 여닫는 소리, 심지어는 싸우는 소리도 들리네요. 어떻게 하면 좋을까요? 예, 좋은 흡음 재료를 사용하면 됩니다. 인터커넥션 사이의 간격을 유전상수가 낮은 유전체 재료로 절연을 해주면 간격이 좁더라도 서로의 존재를 크게 느끼지 않는답니다. 이렇게 low-k dielectric 층(low-k dielectric 층은 일반적으로 기계적인 특성이 약해서 잘 깨진답니다. 이 때문에 소자의 신뢰성 문제가 야기되기는 하지만 여기서 깊이 다루지는 않겠습니다)이 소개되었답니다.


물론 low-k dielectric 층을 모든 배선 층에 적용하는 것은 아니랍니다. 배선 간의 거리가 미세한 트랜지스터 인근의 층들에만 low-k dielectric 재료로 절연하고 배선 간의 거리가 충분한 층들에는 일반적인 dielectric 재료로 절연해준답니다. 인터커넥션이 완료된 후에 외부 세계와의 연결을 위해 입출력 단자를 형성해 줌으로써 BEOL 공정이 마무리됩니다.


▲ (좌)MOSFET 모식도 (우)주사전자현미경사진 

이미지출처 : (좌)http://goo.gl/GdeUSK (우)http://goo.gl/xCLzgA


간단하지요? 디바이스 제조는 몇 개의 주요 공정의 반복으로 이루어집니다. 주요 공정 사이에 진행하는 세정(cleaning)이나 플라즈마 애슁(ashing) 등의 공정들도 매우 중요한 공정이지만, 전체적인 공정 이해를 위해서 꼭 필요한 공정들만 소개하도록 하겠습니다.


먼저, 패터닝을 위한 포토리소그래피와 식각(蝕刻, etching)을 생각해볼 수 있고, 도핑을 위한 이온 임플란테이션, 박막 형성을 위한 성막(成幕, deposition), 기타 열공정(熱工程)과 평탄화(平坦化, CMP) 공정을 생각해 볼 수 있습니다.



“여기를 보세요, 김치~! 하나둘셋, 찰칵!” 순간을 영원으로 바꾸거나 시간을 멈추게 하는 방법은 바로 ‘사진’입니다. 우리는 기억하고 싶은 순간을 사진을 찍어 보관하지요. 처음 필자의 집에 이사 온 토리의 기념사진입니다. 귀엽지요? 그래도 한 성질 한답니다. (다음 호에 계속)



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메모리는 크게 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리로 나눌 수 있습니다. 휘발성 메모리는 전원이 들어와 있는 동안에만 정보가 기억되고 전원이 나가면 정보가 지워지는 제품으로, 시스템의 주기억 장치로 사용됩니다. 비휘발성 메모리는 전원이 나가도 기억이 저장된 제품으로, 주로 보조 기억 장치 또는 정보 저장 장치로 사용됩니다.


RAM(Random Access Memory, 랜덤 액세스 메모리)는 휘발성 메모리로 임의(任意)의 영역에 접근하여 읽고 쓰기가 가능한(사용자가 메모리에 읽고 쓰기를 한다는 의미가 아니고 시스템이 메모리에 읽고 쓰기를 한다는 의미이므로 혼동하지 마세요) 주기억(主記憶) 장치입니다. 랜덤 액세스(임의 접근)라는 말이 좀 어렵지요? 하드 디스크를 생각해 봅시다. 하드디스크에는 디스크 형태의 원반에 자기(磁氣) 정보가 기록되어 있으며, 정보가 기록된 위치로 헤드가 찾아가 자기정보를 읽습니다. 정보를 읽기 위해서 헤드가 움직여야 하므로 시간이 좀 걸리겠군요. 또한, 정보가 어느 위치에 있느냐에 따라서 헤드가 움직이는 거리가 달라지므로, 정보에 접근하는 시간이 다를 수 있습니다.


RAM(아래 오른쪽 그림에 똑같은 그림이 가로로 4줄, 세로로 4줄이 있어 총 16개의 정보 저장소가 보이는군요)에는 정보의 위치가 가로와 세로의 좌표로 주어지며 해당 위치의 값을 읽는데, 물리적으로 센서가 이동하여 읽는 것이 아니고 해당 좌표의 값이 즉시로 읽히는 것이므로 정보의 위치가 어디에 있든지 값을 읽는데 시간의 차이가 날 수 없습니다. 이런 의미에서 랜덤 액세스(어느 위치에 접근하든지 동일한 시간이 걸림)라는 용어를 사용하는 것입니다.


▲ Hard disk vs RAM

사진출처 : (좌)http://goo.gl/jb0fgg (우)http://goo.gl/SDBxxr


RAM은 DRAM(Dynamic RAM, 디램)SRAM(Static RAM, 에스램)으로 나뉩니다. 디램은 전원이 들어와 있는 동안에도 저장된 정보가 사라지지 않게 하도록 일정 시간마다 재생(refresh)를 해 줘야 하는 램이고, 에스램은 전원이 공급되는 동안에는 재생이 필요 없이 데이터가 유지되는 램입니다.


디램은 트랜지스터 하나와 커패시터 하나로 구성된 간단한 구조로 되어 있습니다. 트랜지스터는 정보를 쓰고 읽는 접근 용도로 사용되고 커패시터에 전하를 충전함으로써 정보가 저장됩니다. 커패시터에 저장된 전하는 시간이 지남에 따라 자연 방전이 되므로, 완전한 방전이 이루어지기 전에 계속해서 충전해야 정보가 유지되며 이를 재생(refresh)이라고 부릅니다. 얼마나 자주 재생해야 하는지에 따라 메모리의 성능이 다르겠지요.


디램은 구조가 간단해서 집적도에 유리하며 공정비용이 저렴해 컴퓨터의 저비용 고용량의 주기억 장치로서 많이 사용됩니다. 요즘 스마트폰에 사용되는 모바일용 디램은 소모전력을 줄이기 위한 노력이 이루어지고 있으며, LPDDR1, LPDDR2, LPDDR3, LPDDR4 등의 이름으로 출시되는데 앞의 LP는 low power(저전력)라는 의미입니다.


▲ DRAM

사진출처 : http://goo.gl/jXf6M0


에스램은 두 쌍의 플립플롭 인버터(4개의 트랜지스터)에 정보가 저장됩니다. 디램과는 달리 커패시터에 정보를 저장하는 것이 아니므로 저장된 정보가 시간에 따라 자연 방전으로 사라지거나 하지 않고 두 쌍의 인버터가 0과 1의 값을 안정된 상태로 유지하기 때문에 재생이라는 것을 해 줄 필요가 없습니다. 두 개의 접근 트랜지스터가 읽기와 쓰기 기능을 수행하므로 하나의 비트를 저장하기 위해 일반적으로 6개의 트랜지스터를 필요로 합니다.


디램은 커패시터에 비트가 저장되기 위해 충전시간이 필요하지만, 에스램은 충전할 필요가 없으므로 디램보다 훨씬 빠른 입출력이 가능합니다. 이런 장점 때문에 에스램은 CPU 내부의 파이프라인, 프로세서 레지스터, CPU 캐시 등 속도를 중요시하는 메모리로 주로 사용됩니다(물론 CPU 외부에 사용되기도 합니다). 하지만 에스램은 디램보다 면적을 많이 차지하고 고비용이므로 컴퓨터의 주기억 장치와 같이 고용량의 저비용 메모리로써는 적당하지 않습니다.


▲ SRAM

사진출처 : http://goo.gl/jXf6M0

 

비휘발성 메모리는 전원이 나가도 정보가 지워지지 않고 유지되는 장점이 있어 정보의 영구 저장용도로 사용될 수 있지만, 램과 비교하면 정보 접근 속도가 늦어 주기억 장치로 사용되기는 어렵고 보조 기억 장치로 주로 사용됩니다. ROM(Read Only Memory), 플래시 메모리(flash memory), 하드디스크 등의 자기 기록 장치 등이 있습니다.


하드디스크는 반도체 제품이 아니므로 ROM과 flash memory에 대해서만 살펴보기로 하겠습니다. ROM은 말 그대로 ‘읽기만 가능한 메모리’로 mask ROM, PROM, EPROM, EEPROM 등의 종류가 있습니다. Mask ROM은 메모리를 제조할 당시에 포토마스크 공정을 이용하여 패터닝 하여 정보를 새겨 넣는 것으로, 정보 변경이 불가능하고 오직 읽기만 할 수 있어 화면상에 나타내는 문자의 글꼴 등 변경을 할 필요가 없는 용도로 주로 사용합니다(문서 상의 다양한 글꼴은 메모리에서 지원하는 것이 아니고 소프트웨어적으로 지원합니다. 여기서 언급한 글꼴은 컴퓨터 등의 화면에 기본적으로 적용되는 글꼴을 말하는 것입니다).


PROM(Programmable ROM)은 1회에 한해 새로운 내용을 기록할 수 있는 롬을 말하며, 일단 기록된 내용은 변경할 수 없습니다. 메모리의 모든 비트는 퓨즈로 연결되어 있어서 처음 내용을 기록할 때 필요한 부분의 퓨즈를 끊어버리는 방법으로 0과 1의 데이터를 기록하기 때문에 그 후에는 내용 변경이 불가능한 것입니다. 아래 그림에 보면 검은색 연결선(퓨즈)이 보이는데, 어떤 것은 연결되어 있고 어떤 것은 끊어져 있지요. 주로 비디오게임기나 전자사전에 많이 사용됩니다.


▲ PROM

사진출처 : http://goo.gl/UqLNFR


EPROM(Erasable PROM)은 필요에 따라 내용을 변경할 수 있는 것으로, 기존의 내용을 지우고(자외선을 쐬어서 내용을 지울 수 있는 UVEPROM과 높은 전압을 걸어서 내용을 지우는 EEPROM으로 나뉩니다) 고전압으로 전자(절연체의 에너지 장벽을 넘을 수 있을 만큼의 에너지를 갖는 전자로 hot electron이라고 부릅니다)를 부동 게이트(floating gate, 아래 그림에 빨간색으로 표시되어 있습니다)에 주입해 기록하는데, 부동 게이트는 절연이 되어 있으므로 전원을 제거해도 부동 게이트에 있는 전자는 빠져나가지 못하고 계속 남아 있어 정보가 유지되는 것입니다. 부동 게이트에 전자가 있는 경우와 없는 경우에는 MOS가 작동하는 문턱전압이 서로 다릅니다. 이렇게 문턱 전압이 달라지는 것으로 부동 게이트에 전자가 있는 것과 없는 것을 구분하여 0과 1을 인식하게 됩니다. 반복해서 내용을 지우고 쓸 때 고전압을 사용하여 hot electron이 절연층을 손상하므로 그 회수에 제한이 있습니다.


▲ EPROM

사진출처 : http://goo.gl/dNK6lA


디지털 문화가 발전하면서 MP3, 디지털카메라, 휴대용 전화기 등 휴대용 기기가 등장했고, 하드디스크보다 크기가 작고 휴대가 편리한 반도체 저장 장치의 요구가 생겨났습니다. 램은 전원이 나가면 정보가 지워져 영구저장 장치로 사용할 수 없고, ROM은 일부 정보의 변경이 가능한 메모리의 경우에도(EPROM) 정보의 변경 횟수에 제한이 있어 하드디스크처럼 반복적으로 정보를 쓰고 지울 수 있는 새로운 형태의 메모리가 필요하게 되었습니다.


플래시 메모리는 EEPROM으로부터 발전된 형태로, 역시 부동 게이트에 전자를 주입하는 방법으로 정보를 저장합니다. CG(컨트롤 게이트)에 전압을 걸어서 터널링 현상(고전역학에서는 에너지 장벽이 있는 경우 에너지 장벽 이상의 에너지를 가해주지 않으면 절대로 장벽을 넘을 수 없습니다. 즉, 전자가 부동 게이트로 넘어오기 위해서는 절연체의 에너지장벽보다 높은 전압을 걸어줘야 합니다. 하지만 절연체의 두께가 아주 얇아지면 고전역학에서 설명할 수 없는 현상이 일어나는데, 절연체의 에너지 장벽보다 낮은 전압만으로도 전자가 부동 게이트로 넘어갈 수 있습니다. 이 현상은 에너지 장벽을 넘어가는 것이 아니라 뚫고 지나간다는 의미로 터널링 현상이라고 부르며 양자역학에 의해 설명이 됩니다)에 의해 전자가 부동 게이트로 들어오거나 나가게 하는 방법으로 데이터를 쓰거나 지웁니다. 플래시 메모리에서는 hot electron을 사용하지 않고 터널링 전자를 사용하므로(터널링 전자가 hot electron보다 에너지가 작습니다) 절연층의 손상이 EEPROM에 비해서 작습니다. 따라서 EEPROM에 비해 많은 횟수의 내용 변경이 가능합니다. 하지만 터널링 전자도 절연층의 손상을 조금씩 초래하기 때문에 하드디스크에 비교하면 데이터의 쓰기와 지우기에 제한이 있습니다. 플래시 메모리는 휴대용 전자기기의 메모리나 USB 메모리에 사용되고 있으며, 요즘은 하드디스크를 대체한 SSD(Solid State Drive)가 노트북 컴퓨터에 많이 장착되고 있습니다. SSD가 하드디스크와 비교하면 아직은 값도 비싸고 용량도 적지만 읽고 쓰기가 빠르고(SSD도 RAM과 마찬가지로 데이터를 읽을 때 센서의 물리적 이동이 없이 데이터 위치의 좌표에 의해 즉시로 읽어지기 때문에 빠르겠지요) 조용합니다(구동 모터가 필요 없기 때문입니다).


▲ Flash memory

사진출처 : http://goo.gl/J5sFDq


이번 호에서는 비메모리와 메모리의 반도체 제품들을 살펴보았습니다. 다음 호에서는 이러한 반도체 제품들을 제조하는 공정에 대해서 살펴보도록 하겠습니다.



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현대의 전자문명을 가능하게 한 반도체 혁명은 백 년도 채 되지 못하여 눈부신 이론적, 기술적 발전을 이루었고 수많은 응용분야에 셀 수 없이 많은 제품을 쏟아내고 있습니다. 실로 모래 알갱이로부터 별별 기능을 갖는 반도체 제품으로의 대변신을 보면 현대를 가리켜 일컬은 규석기(硅石基) 시대라는 별명이 공언이 아닌 것 같습니다. 이러한 발전을 이루는데 수많은 사람의 창의적 아이디어, 불가능에 가까운 도전과제에 대한 연구와 개발 노력이 있었음은 당연하겠지요.


우리는 그동안 그 과정들을 살펴보면서 하나의 반도체 제품이 탄생하기까지, 과학적 원리와 천재적인 응용 아이디어들을 익혀왔습니다. 수많은 고객의 제품을 패키징해 오면서 이 웨이퍼들이 최종적으로 어디에 쓰일까 궁금했었을 것입니다. 우리 문명 어느 한구석에도 미치지 않는 곳이 없을 만큼 다양한 제품들을 모두 이해하기는 쉽지 않을 것입니다. 하지만 우리가 접할 수 있는 제품들을 아래와 같이 간단히 정리해 보았습니다. 지난 9개월 동안 본 고에서는 아래 그림에서 소재, 제품 형태, 그리고 신호 형태까지 다루어왔고, 이번 호에서는 가장 오른쪽의 제품 자체에 대해서 다루고자 합니다.


▲ 반도체 제품 ⓒ백종식


반도체를 형성하는 소재로는 가장 널리 사용되고 있는 규소(실리콘) 이외에도 게르마늄, 갈륨비소 등 상당히 많으며 각각의 소재의 특성에 맞도록 최종 제품들이 설계되어 제작됩니다. 반도체는 집적도의 여부에 따라서 집적회로(IC)와 단품으로 구분하는데, 단품에는 회로의 전기저항을 조절해주는 저항기(MP3의 소리를 크게 또는 작게 줄여주는 볼륨이 있지요? 저항기가 주로 여기에 사용된다고 이해하면 됩니다. ‘볼륨을 줄인다’는 것은 ‘저항을 높인다’는 의미로, 입력되는 신호 일부를 줄여 출력되는 신호가 줄어든다는 것이며 줄어든 만큼 열로 바뀝니다. 저항기가 신호를 열로 바꾼다는 것이 이해가 안 되나요? 전기 발열 제품은 커다란 저항기로써 전기가 저항기를 지나가기 어려운 만큼 열이 발생한다는 원리로 만들어진 것입니다) 전기를 가두어 저장하는 기능을 하는 커패시터, 코일 형태로 생겨서 자기장을 형성하여 전기의 흐름을 제어하는 인덕터, 전류를 한 방향으로만 흐르도록 하는 다이오드, 그리고 스위칭 역할이나 신호 증폭의 역할을 하는 트랜지스터 등이 있습니다.


엄밀히 말하면, 단품 형태의 저항기나 커패시터, 그리고 인덕터는 실리콘 등의 반도체 물질로 만들지는 않습니다. 집적회로는 신호의 형태에 따라서 디지털 회로와 아날로그 회로로 나누어집니다. 아날로그 회로는 주로 센서류(아날로그 카메라의 필름 역할을 하는 디지털카메라의 CCD 또는 CMOS 이미지 센서나, 내비게이션 등에 사용되는 가속센서, 가정에서나 장비 등에 온도를 제어하는 데 사용되는 온도 센서, 스마트폰에서 나침반 기능에 사용되는 자기 센서, 자동차 바퀴의 공기압을 모니터링 하는 압력 센서 등 수많은 센서가 디자인되어 생산되고 있습니다)에 많이 사용되고 있습니다.


디지털 회로는 크게 메모리와 비메모리로 나누어 보겠습니다. 먼저 비메모리 제품을 간단히 살펴보도록 하겠습니다.


IoT라는 말을 자주 들어보았을 것입니다. 사물인터넷(Internet of Things)이라는 의미로 조만간 실용화될 기술인데, 우리가 알고 있는 거의 모든 사물이 인터넷을 통해 통신하도록 하겠다는 아이디어입니다. 휴가를 떠났는데 가스 밸브를 안 잠갔다고요? 전등도 켜 놓고 왔고요? 아차! 텔레비전도 켜놓고 왔네요. 걱정하지 마세요. 스마트폰으로 모두 끌 수 있으니까요. 편리하겠지요? 이 기술을 가능하게 하려면 사물들 사이에 데이터를 주고받아야 하므로, 와이파이나 블루투스 등의 근거리 통신 칩이나 5G용 통신 칩이 필수적일 것 같습니다.


▲ IoT

사진출처 : http://goo.gl/I8lCNW


실감 나는 컴퓨터 게임을 하고 싶다고요? 눈앞에 생생하게 그려지는 입체 영상으로 현실감을 높여주기 위해서는 고성능의 이미지 처리 기능이 있어야 합니다. 그 역할을 그래픽 칩이 담당합니다.


▲ Graphic chip

사진출처 : http://goo.gl/u1qQDk


온 세계가 네트워크로 하나가 되었습니다. 필자는 현재 외국에 나와 있지만 소셜 네트워크를 통해서 한국의 지인들과 거리를 느끼지 않은 채 소식을 전하고 있습니다. 스마트폰으로 회사 이메일을 확인하기도 하고, 온라인으로 게임을 즐기기도 하는 등, 현재 우리는 네트워크 안에서 사는 것에 익숙해져 있습니다. 이를 가능하게 하도록 데이터를 인터넷상으로 보내고 처리하는 등의 데이터 서비스가 필수적입니다. 한국에도 SK나 KT, 그리고 LG U+ 등이 데이터 서비스를 제공하고 있지요. 이들 데이터 서비스 제공업체에서 사용하는 장비들에는 필수적으로 사용되는 제품이 네트워크 칩입니다.


▲ Networking

이미지출처 : http://goo.gl/XZFGrI


위에 설명한 반도체 제품들은 그 기능들이 확정되어 용도에 맞게 최적화되어 설계 및 생산되는 것이 보통입니다. 제대로 작동이 되도록 설계하고 테스트하고 생산하는 데 걸리는 시간 및 비용이 엄청나고 설계에 문제가 있는 경우, 재설계나 생산하는데 엄청난 비용과 시간이 소모되는 단점이 있지요. 이러한 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 바로 프로그래머블 논리소자(Programable Logic Device, PLD)입니다.


PLD는 특별한 기능이 없이 제조 후에 사용자가 자신의 목적에 맞게 내부의 논리 회로 구조를 변경할 수 있도록 설계한 것입니다. 따라서 PLD는 초기 개발비가 필요하지 않고 회로를 여러 번 변경해서 사용할 수 있어서 요즘처럼 제품의 수명주기가 짧은 경우에 많이 사용합니다. FPGA(Field Programmable Gate Array, 현장 프로그램머블 게이트 어레이)는 사용자가 독자적인 논리회로를 구성할 수 있는 게이트 어레이의 일종인데, PLD라는 용어로 통칭하여 사용되고 있습니다.


CPU(Central Processing Unit, 중앙 처리 장치)는 컴퓨터의 두뇌에 해당하는 디바이스로 명령의 실행이 이루어지도록 처리하는 논리회로입니다. 어렵다고요? 컴퓨터를 사용할 때 마우스나 키보드를 이용하여, 또는 스캐너를 이용하여 어떤 일을 한다고 가정합시다. 마우스로 아이콘을 클릭하거나 키보드로 입력하는 것을 컴퓨터의 입장에서는 명령이 입력된 것으로 인식합니다. 이 명령을 수행하기 위해 컴퓨터는 명령어를 해석해서 연산하고 결과값을 외부로 출력하는 일련의 처리 과정을 거치게 되는데, 이 모든 과정이 CPU의 제어를 받습니다.


더 어렵다고요? 문서를 프린터로 출력한다고 가정해 봅시다. 프린터 아이콘을 클릭하겠지요? 컴퓨터는 사람의 말을 이해하지 못하므로 사람의 말을 기계가 알아듣는 말로 해석을 해야 합니다. 알아들었으면 프린터로 내용을 보냅니다. 이때 보내지는 내용은 인간의 언어가 아닌 디지털 신호(1과 0의 조합)일 것입니다. 프린터를 동작시키는 명령을 내릴 것인데, 이 명령도 사람의 언어가 아닌 기계가 알아듣는 언어일 것입니다. 프린터가 명령대로 동작하는데, 출력되는 내용은 사람이 이해할 수 있는 것으로 다시 번역해야 할 것입니다. 이런 일련의 절차를 거쳐서 문서가 프린터로 출력되는 것이며, CPU가 이 일련의 절차를 제어한다는 것입니다.


AP(Application Processor)는 스마트폰, 태블릿 PC에서 두뇌역할을 하는 디바이스로서 CPU와 동일하게 명령을 해석하고 연산하며 제어하는 역할을 합니다. 그런데 CPU라고 하지 않고 AP라고 부르는 이유는 CPU의 기능 외에도 GPU(그래픽 프로세서), USB 기능, 그리고 통신(블루투스, 와이파이 등) 기능까지 한 칩 상에 구현시켜 놓았기 때문입니다. 기본적으로 휴대용 기기에 사용하려고 설계하였기 때문에 크기를 줄이고 낮은 전력소모에 역점을 두었다는 것은 당연하겠지요.


비메모리 제품에 대해서는 위와 같이 간단하게 소개하는 것으로 마무리하려고 합니다. 다음 호에 메모리 제품에 대해서 이어 설명을 해보겠습니다. (다음 호에 계속)



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현대를 디지털문명이라고 부르는 만큼 디지털이라는 용어는 현대를 살아가는 사람들에게 매우 친숙하지만 정확한 의미를 이해하고 있는지에 대해서는 다시 한 번 생각해봐야 할 것입니다. 디지털(digital)이라는 말은 디짓(digit)이라는 용어에서 유래되었고, 이는 사람의 손가락이나 동물의 발가락을 의미합니다. 손가락이나 발가락은 하나, 둘, 셋, 넷, 다섯 등의 자연수로 셀 수 있고, 손가락을 셀 때 1.2개라든지 2.14개라는 식으로 세지는 않습니다. 이렇게 무엇인가를 셀 때 최소단위(손가락의 경우는 1개가 최소단위지요)의 정수배로만 나타내고 중간값(1.2나 2.14는 1의 정수배가 아니지요)을 허용하지 않는 것을 디지털이라고 합니다.


반면에 아날로그라는 것은 연속적인 값을 취하는 것을 말하는데, 디지털 시계와 달리 바늘이 연속적으로 돌아가는 바늘 시계처럼 어느 한 순간 시계를 멈추었을 때 바늘이 가리키는 위치가 눈금과 눈금의 어디에나 있을 수 있는 것을 말합니다. 그래도 이해가 되지 않는다고요? 한 가지 더 예를 들어보겠습니다.


우리는 초등학교 수학에서 반올림에 대해서 배웠습니다. 소수점 0.1의 자리에서 반올림하는 경우를 생각해 봅시다. 1.4는 반내림을 해서 1로 나타내고 1.6은 반올림을 해서 2로 나타내지요. 이렇게 반올림 처리를 해서 소수점 이하의 양을 무시함으로써 중간값을 배제하는 것을 디지털이라고 인식하고, 측정된 값 자체(1.4라든지 1.6과 같이 1과 2사이의 어떤 값이든 반올림 등의 처리를 하지 않고 그대로 읽은 값)를 데이터양으로 취급하는 것을 아날로그로 인식하시면 되겠습니다.


▲ 아날로그 시계와 디지털 시계 


또 다른 예를 들어볼까요?


디지털카메라가 등장하기 전에 필름카메라를 사용해본 적 있나요? 피사체로부터 오는 빛 신호가 필름에 그대로 반영되고 현상을 통해 피사체의 이미지를 재현하는 원리입니다. 디지털카메라는 피사체로부터 오는 빛 신호를 화소 단위의 센서가 읽어서 각 화소당 RBG별로 빛의 강도를 전기신호로 변경하여 저장하게 되고, 저장된 데이터를 디스플레이나 프린터에서 재현하는 방식으로 화소별로 데이터 값을 숫자로 처리하는 것이 아날로그 방식과 다릅니다.


아날로그 사진은 도화지에 직접 그림을 그리는 것으로 생각한다면, 디지털 사진은 세 가지 색을 갖는 점으로 모자이크 형태로 그림을 그리는 것으로 생각하면 됩니다. 디지털 데이터는 숫자 형태로 저장이 되기 때문에 처리와 저장이 쉽고 무제한 복제도 쉽습니다. 현대는 아날로그 사진기는 일부 마니아를 제외하고는 거의 자취를 감추고 디지털 사진기가 대중들에게 사용되고 있지요.


반도체 디바이스에서도 연속적인 데이터양을 취급하는 아날로그 반도체 디바이스가 있고, 최소단위의 중간값을 허용하지 않고 끊어서(올림 처리나 내림 처리를 해서) 데이터양을 취급하는 디지털 디바이스가 있습니다. 본 고에서는 디지털 디바이스에 집중하도록 하겠습니다.


지난 호에 MOSFET의 작동원리에 대해서 살펴보았지만, 다시 한 번 간략히 살펴보도록 하겠습니다. N형 MOS는 소스와 드레인이 n형 도핑이 되어 있고 게이트 부분이 p형으로 형성되어 있어 게이트 부분에 n형 채널이 형성되어야 비로소 소스와 드레인 사이에 전류가 흐를 수 있습니다. P형 MOS는 소스와 드레인이 p형 도핑되어 있고 게이트 부분이 n형으로 형성되어 있어서 게이트 부분에 p형 채널이 형성되어야 비로소 소스와 드레인 사이에 전류가 흐를 수 있습니다.


채널의 형성은 게이트에 가해지는 전압에 의해 제어됩니다. 디지털 논리회로를 구성하는 가장 기본적인 논리 게이트인 인버터를 CMOS를 이용해서 형성해 보겠습니다.


NMOS와 PMOS를 직렬로 연결하고 게이트를 공통으로 묶어서 입력단으로 연결합니다. NMOS의 소스는 보통 접지시키고 드레인이 출력단과 연결되어 있습니다. PMOS의 소스는 전원(Vdd)과 연결되어 있고 드레인이 출력단과 연결되어 있습니다. 디지털이라는 것은 0과 1(또는 on과 off)로 표시되는 것을 말하며 디지털 기기는 0과 1을 이용해 여러 가지 기능을 하도록 만든 제품을 일컫습니다. 입력단에 0V를 걸어주는 것을 ‘입력값 0’이라고 부르고 입력단에 Vdd만큼의 전압을 걸어주는 것을 ‘입력값 1’이라고 부르기로 합니다. 0V가 출력으로 읽히는 것을 ‘출력값 0’이라고 하고 Vdd가 읽히는 것을 ‘출력값 1’이라고 하기로 합니다.


먼저 0을 입력으로 주었을 때 어떤 일이 일어나는지 살펴봅시다. 게이트에 0V가 가해지는 경우입니다. NMOS는 채널이 닫혀서 소스와 드레인 간에 전류가 흐르지 못합니다. 반면 PMOS는 채널이 열려서 소스와 드레인 간에 전류가 흐르게 됩니다. 이 경우에 PMOS의 소스에 연결된 Vdd가 출력으로 읽히므로 1이라는 출력을 내게 됩니다. 이제 1을 입력으로 주는 경우 어떤 일이 벌어질까요? PMOS의 채널이 닫혀서 소스와 드레인 간에 전류가 흐르지 못합니다.


반면 NMOS는 채널이 열려서 소스와 드레인 간에 전기적으로 연결됩니다. NMOS의 소스가 접지(접지한다는 것은 영어로 earth 또는 ground라고 표현하며 earth나 ground는 말 그대로 지구 또는 대지이므로 그 크기가 무지 커서 무한대의 전하량을 축적할 수 있는 것으로 인식하여 전압을 0V로 정의합니다. 무한대의 전하량을 축적할 수 있다는 말은 아무리 많은 전하량을 축적해도 아무것도 없는 것처럼 생각할 수 있다는 말이기도 한데, 전하량이 0인 상태를 전압0V로 정의하거든요)되어 있으므로 출력값은 0V로 읽히게 되며 0이라는 출력값을 주게 됩니다.


뭐가 뭔지 잘 모르겠다고요? 너무 걱정하지 마세요! 쉽게 정리해 보면 0이라는 입력값을 주었을 때 1이라는 출력값이 나오고 1이라는 입력값을 주었을 때 0이라는 출력값이 나온다는 것입니다. 입력값이 뒤집혀서 출력값으로 나온다는 것이고 따라서 이것을 인버터 회로라고 부릅니다. 이렇게 MOS를 적당히 설계해서 여러 가지 논리를 갖도록 할 수 있으며, 이러한 여러 가지 논리회로를 집적해서 유용한 제품을 만들게 되지요.


▲ MOS ⓒ백종식


자, 이제 여러분은 디지털 반도체 디바이스의 기본을 습득하였으며 현대의 문명을 뒤덮고 있는 디지털 세계를 탐험할 준비가 되었습니다. 다음 호에서는 디지털 반도체를 이용한 메모리와 비메모리 반도체 디바이스에 대해서 다루도록 하겠습니다.



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