[e돋보기] '산업의 쌀' 반도체

최근 IT강국으로 세계 8강에 드는 수출강국의 위상을 달성한 우리나라의 전자산업을 제대로 알려면 그 근간인 '반도체'에 대한 이해는 필수다. 이는 반도체 산업이 일명 '산업의 쌀'이라고 불릴 정도로, 전자산업 전반에 활용되고 있기 때문이다.

더불어 최근의 반도체 기술은 기존의 노트북, 스마트폰을 벗어나 스마트워치, 스마트글래스 등 웨어러블 기기부터 자율주행자동차 등 스마트카에도 확대·적용되며 활용범위를 더욱 넓혀가고 있다.

이에 아이뉴스24는 'e돋보기'를 통해 반도체 산업의 전반적인 내용을 다뤄 독자들의 이해를 돕고자 한다 .[편집자주]

[양태훈기자] 반도체는 전기가 통한 물질인 '도체'와 전기가 통하지 않는 물질인 '부도체'의 특성을 동시에 지닌 물질로, 빛이나 열, 분순물을 가해 전기의 흐름을 조절할 수 있는게 특징이다.

반도체 설계부터 생산, 판매까지 자체 역량으로 해결하는 IDM(Integrated Device Manufacturer), 공장 없이 반도체 소자 설계와 판매만 하는 팹리스(Fabless), 설계는 하지 않고 반도체만을 위탁·생산하는 파운드리로 구분된다.

예컨대 삼성전자와 SK하이닉스는 IDM이고, 퀄컴, 엔비디아 등은 팹리스다. TSMC, 글로벌 파운드리 등은 파운드리에 해당한다.

◆ 반도체의 종류, '메모리 반도체·시스템반도체'

반도체는 크게 기억장치라 부르는 '메모리 반도체'와 연산·제어장치라 불리는 '시스템 반도체'로 구분된다.

메모리 반도체는 종류별로 'D램'과 'S램', '플래시메모리'가 있는데, D램은 전원이 꺼지면 기억 중인 데이터가 사라지는 휘발성의 특성을 지닌 메모리를 말한다.

속도가 빠르고 제조비용이 낮은 게 장점이지만 전원이 꺼지면 데이터가 사라지는 게 단점이다.

S램은 D램처럼 휘발성 특징을 가진 메모리로 D램 대비 속도가 빠르고, 누설 전류로 데이터가 사라지는 것을 막기 위해 일정 간격(시간)으로 전하를 채워넣지 않아도 되는 게 장점이지만 구조가 복잡해 D램 대비 제조비용이 높고 설계가 어려운 것이 단점이다.

플래시메모리는 전원이 꺼져도 데이터를 보존할 수 있는 비휘발성 메모리를 말한다. 속도는 D램이나 S램 대비 느리지만 대용량 메모리로 구성하기에 용이해 주로 저장장치로 활용된다.

또 시스템반도체는 종류별로 '로직 IC', '아날로그 IC', '디스크리트' 등으로 나뉜다.

로직 IC는 'AND', 'OR', 'NOT'의 기본적인 논리소자를 결합해 신호를 처리하는 IC를 말한다. '액정표시장치(LCD)' 패널을 구동하는 LDI(LCD 드라이브 IC) 등이 여기에 해당한다.

아날로그 IC는 빛이나 소리, 온도 등의 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꿔주는 반도체를 말한다. 전력관리칩인 PMIC(Power Management IC)나 발광다이오드(LED) 구동 칩 등이 있다.

디스크리트는 전류를 흘러보내는 스위치 역할을 담당하는 트랜지스터처럼 단일 기능을 담당하는 개별 반도체를 말한다. LED나 카메라의 필름 역할을 담당하는 CIS(CMOS Image Sensor) 등이 디스크리트 반도체다.

◆ 반도체 생산, 설계에서 전공정 거쳐 후공정으로 마무리

반도체는 모래에서 추출한 실리콘으로 만든 얇은 판인 웨이퍼를 통해 만들어진다. 이는 실리콘이 조달이 용이하고 가격이 저렴한데다, 높은 온도에서도 소자 작동이 가능하기 때문이다.

모래로부터 원료인 실리콘(규소, Si)를 추출한 뒤, 이를 녹혀 회전과 당김을 통해 둥근 막대인 규소봉(잉곳)을 만들어 가공 및 성형을 통해 원판 모양으로 자르면 웨이퍼가 된다.

반도체는 회로의 설계 및 제품 규격을 결정하는 '설계 단계'부터 제조공장(Fab)에서 웨이퍼를 이용해 반도체를 만드는 '공정 단계', 생산된 반도체의 정상작동 유무를 확인하는 테스트, 이후 보호막을 덮는 '패키징 단계'를 거쳐 완성된다.

공정 단계는 노광공정을 통해 웨이퍼에 회로를 인쇄하는 '포토 과정', 인쇄된 회로를 깎아 패턴을 형성하는 '에칭 과정', 특정 불순물을 주입해 반도체의 전자소자를 구현하는 '디퓨전 과정', 이후 금속막이나 절연막 등을 증학하는 '박막증착 과정', 각종 오염원을 화학용액을 통해 제거하는 '클리닝 과정', 마지막으로 웨이퍼 표면을 편평하게 만드는 '연마 과정'을 거쳐 생산된다.

일반적으로 연마과정까지의 공정을 전공정이라 부르는데, 이후 완성된 칩이 제대로 동작하는지 테스트하고 칩을 여러 개 쌓아 하나의 제품으로 만드는 '패키징 단계'를 후공정이라 부른다.

패키징은 외부 충격에 대해 칩을 보호하기 위한 것 외에도 다양한 기능을 제공하기 위한 복합 제품을 만들기 위해 반드시 거쳐야한다.