반도체 기초 상식 - 만화로 배우는 반도체 기초 (feat. 삼성전자)

삼성전자는 세계적인 반도체 기업입니다. 세계적인 기업인만큼 반도체에 대한 지식을 일반인들에게도 알리기 위해 많은 노력을 하고 있는데요, 그 중 하나가 바로 웹툰으로 반도체 알리기 입니다. 삼성전자에서 운영하는 삼성반도체이야기 웹사이트에서 웹툰을 찾을 수 있습니다. 웹툰 외에도 양질의 정보가 많으니 관심있으신 분들은 둘러보시면 좋을 것 같아요.

https://www.samsungsemiconstory.com/

삼성반도체이야기

 

삼성반도체이야기는 웹툰을 통해 반도체 기초 상식을 쉽고 재미있게 알려주고 있는데요, 취업 준비를 하시는 분이나 반도체 관련 기업에 투자를 하시는 분들께도 유용할만한 정보들을 제공합니다. 아래 제가 정리한 내용은 웹툰에서 알려주는 반도체 관련 지식들을 정리해본 것인데, 바쁘신 분들은 아래 정보를 후루룩 읽으시고 조금 시간이 있으시다면 꼭 웹툰을 봐보세요. 웹툰은 글 아래에 링크 남겨놓겠습니다. 

 

# 반도체 구성 물질

-      현대에 가장 많이 쓰이는 반도체 재료는 규소(Si)

-      과거에는 게르마늄(Ge)도 많이 쓰였으나 지금은 반도체보다는 광섬유나 광학기기 등에 많이 쓰임

-      반도체 재료로는 4개의 최외각 전자 가진 원소 사용. 규소를 많이 쓰는 이유는 열에 강하고 매장량이 풍부하기 때문.

• 안정적인 규소에 불순물로 최외각 전자가 5개인 인(P)나 비소(As) 넣으면 자유전자가 1개 생김. 이를 통해 N형(Negative) 반도체 제작.
• 불순물로 최외각 전자가 3개인 붕소(B)나 갈륨(Ga) 넣어주면 전자가 1개 부족하게 됨. 그러면 정공이라는 빈자리가 생김. 이 빈자리에 전자들이 이동하면서 전류 흐름. 이를 통해 P형(Positive) 반도체 제작.
• P-N접합으로 다이오드/NPN, PNP 접합으로 트랜지스터 제작

 

# 트랜지스터 분류

-      쌍극성 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistors, BJT)/전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistors, FET)로 나뉨.

 

# 반도체 성능 단위

-      CPU 성능 나타내는 표현으로 헤르츠(Hz) 사용. 1Hz는 1초에 한 번 연산한다는 뜻.

-      데이터 전송속도 나타내는 단위로 bps(bits per second)가 있음.

 

# 시스템 반도체 산업 구조

-      IDM – 종합 반도체 회사. 설계, 제조, 웨이퍼 가공(전공정), 패키징 & 테스트(후공정)까지 모든 과정 수행

-      IP – 셀 라이브러리라고 하는 특정 설계 블록인 반도체 IP를 팹리스, IDM에 제공하고 라이선스료 받는 회사.

-      Fabless – 팹이 없는 반도체 회사라는 뜻. 시스템 반도체 업체가 주로 팹리스 형태 가짐.

-      Design House – 팹리스가 설계한 제품을 파운드리 생산공정에 적합하도록 최적화된 디자인 서비스 제공하는 회사.

-      Foundry – 팹리스와 반대되는 개념. 반도체 생산시설인 팹에서 팹리스가 설계/개발한 반도체 생산을 위탁받아 제조.

-      OSAT (Package & Test) – 전공정 마친 반도체를 패키징하고 테스트하는 후공정 전문회사.

 

# 메모리 반도체 vs. 시스템 반도체

-      메모리 반도체: D램, 낸드플래시

• 데이터를 기억하고 저장하는 역할. 대용량, 고성능이 중요. 모바일로 들어오면서 초소형, 저전력 중요해짐.

-      시스템 반도체: AP, CPU, Image Sensor, Biometric Sensor

• 연산, 제어, 정보처리 등 역할. 센서(이미지센서, 홍채/지문 인식 센서 등), 통신 솔루션(모뎀, RF, SM), 디스플레이 구동칩(DDI), 전력관리반도체(PMIC – Power Management IC) 등이 있음.

 

# DDR이란?

-      D램은 CPU의 클럭 주파수에 맞춰서 데이터를 읽고 씀. D램 초기에는 한 클럭에 1비트 데이터 전송. 하지만 데이터 더 빠르게 전송하기 위하여 1 클럭에 2bit 데이터 전송하는 DDR(Double Data Rate) 개발

-      DDR2, DDR3, DDR4로 세대 거듭될수록 주파수 2배씩 증가 – 즉 데이터 전송 속도가 2배씩 빨라진다는 것.

 

# 모바일 프로세서 구성

-      PC는 CPU, 메모리, 그래픽카드 등이 별도의 칩셋으로 구성되지만 모바일 프로세서는 모두 포함하고 있음. 다양한 역할을 하나의 칩에 담은 SoC(System on Chip).

 

# 이미지센서

-      CCD 이미지 센서(Charge Coupled Device)

• 아날로그 제조공정 사용.
• 전자 형태의 정보를 직접 전송. 노이즈가 적어서 화질이 우수.
• 전력 소모가 높음. 생산원가 높음.

-      CMOS 이미지 센서(Complementary Metal Oxide Semiconductor)

• 신호를 전압 형태로 변환. 노이즈 제거 기술 필요.
• 소비 전력이 낮음. CMOS 공정 사용. 대량생산 및 소형화 용이

 

# 전공정 [반도체 8대 공정] 

-      산화공정

• 실리콘 산화막(SiO2)을 형성하는 공정. 실리콘 산화막은 트랜지스터 형성 기초가 됨. 산화막은 불필요한 부분 식각되는 것 막아주는 방지막 역할, 불순물 차단하는 역할.
• 반도체 웨이퍼 열산화 방법에는 건식산화, 습식산화 2가지가 있음.
• 건식산화: 산소로 산화.
• 습식산화: 산소+수증기로 산화. 동일 시간, 동일 온도에서 습식산화가 더 두꺼운 산화막 형성.

-      포토공정

• 웨이퍼 위에 회로 패턴이 담긴 마스크 상을 놓고 빛을 비춰 회로 그리는 공정. 크게 도포 – 노광 – 현상 3단계로 이루어짐.
• 도포 – 웨이퍼 표면에 감광액(PR, Photo Resist) 발라서 막 형성
• 노광 – 노광 장비 통해서 웨이퍼에 회로 찍어냄
• 현상 – 회로를 현상액으로 씻어내 노광 영역과 노광되지 않은 영역 선택적으로 제거하여 회로 패턴 형성. 이후 각종 측정장비, 광학 현미경으로 웨이퍼 검사.

-      식각 공정

• 회로 패턴 패터닝 하기 위해서 포토 공정에서 그려진 회로 패턴 바탕으로 회로 깎아냄. 이 과정에서 산화막 식각.
• 습식 식각 – 부식액(Echant) 통한 화학적 반응으로 회로 깎음. 부식에 의해 PR 보호되지 않은 표면을 식각 함. 속도는 빠르지만 건식 식각과 비교해서 정교한 식각이 어려움.
• 건식 식각 – 반응성 기체, 이온 이용하여 물리적, 화학적 반응으로 특적 부위 제거. 플라즈마 식각이라고도 불림. 이온이 패턴막 없는 곳에 충돌해서 미세하고 정교한 패턴 형성.

-      이온 주입공정

• 규소 분자 구조를 느슨하게 해주는 과정. 이 때 불순물로 인(P), 비소(As) 같은 15족 원소 주입하면 N형 반도체, 붕소(B) 같은 13족 원소 주입하면 P형 반도체가 됨.
• 불순물을 가스 입자로 만들어서 주입하면 웨이퍼가 반도체 성질 갖게 됨.

-      증착 공정

• 층 만들기 위해 웨이퍼 위에 박막(Thin film) 입히는 공정
• 박막은 전도성막 역할이나 절연막 역할 해줌.

-      연마 공정

• 웨이퍼 공정 울퉁불퉁해지거나 지나치게 두꺼워질 수 있음. 이를 화학 반응, 기계적 힘 사용하여 평탄화 하는 공정을 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정이라고 함.

-      세정 공정

• 공정 전후에 남아있는 부산물, 오염물 씻어내는 공정. 화학물질 혹은 증류수에 웨이퍼 담가서 진행하거나 화학물질 분사

-      금속배선공정

• 반도체 회로 패턴에 따라 전기가 통하는 길 이어주는 공정.

 

# 반도체 후공정

-      EDS(Electrical Die Sorting) 공정

• 조립공정을 마친 패키지 상태에서 이루어지는 테스트. 이후 품질 테스트.
• 전기적 특성검사 통해 칩들이 원하는 품질 수준 도달했는지 확인하는 공정.

-      패키징 공정

• 집적회로가 전기신호 주고받을 수 있게 길 만들어주고 온도/습도/충격 등 환경으로부터 보호받는 형태로 만드는 과정
• 반도체 기술이 고도화되면서 패키징 기술 중요성 더 커짐.
• 웨이퍼 절단
• 칩 접착 – 절단된 칩들은 리드프레임(Lead Frame) or PCB(Printed Circuit Board) 위에 옮김.
• 금속 연결(Wire bonding) – 칩과 기판을 금속으로 연결하는 과정. 칩과 PCB 기판을 가는 금선으로 연결하는 와이어 본딩과 칩과 PCB 기판을 직접 볼 형태의 범프(Bump)로 연결하는 플립칩(Flip chip) 등 다양한 방식이 있음.

 

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[반도체 웹툰 NANO] 1화. 현대사회의 생존 필수템