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  • 홍성호 기자

반도체란 무엇일까?

거의 모든 전자 장비의 핵심 부품

특정 조건에 따라 전기나 열이 흐르지 않는 물질


물류 대란을 겪으면서 반도체의 안정적 공급에 중점을 두고 광범위한 정책과 법안이 마련되고 있다.

반도체는 거의 모든 최신 전자 장치에 필요한 중요한 부품으로 미국에서 필요로 하는 대부분의 첨단 반도체는 대만에서 제조된다.


특히 대만과 중국 간의 긴장 관계를 고려할 때 반도체에 대한 대만 의존도에 대한 우려가 높아지면서 의회는 2022년 7월 말 칩스 과학법 (CHIPS Act)을 통과시켰다. 이 법안은 국내에 반도체 산업을 활성화하기 위해 500억 달러 이상의 보조금을 제공하는 것이 골자다.

반도체 장치가 무엇이며 어떻게 만들어지는지 이해하면 최근 벌어지는 반도체 전쟁을 이해할 수 있다.


반도체의 기원

물질을 구분할 때 전기나 열이 잘 흐르는 도체와 전기나 열이 흐르지 않는 부도체로 나눈다.

그런데 인위적으로 특정 조건에 따라 전기가 흐르는 물질을 도체와 부도체 중간 영역의 물질로 정의하면서 반도체 (Semi + Conductor)로 이름 지었다.


순수한 반도체는 전기가 흐르지 않지만 특정한 조건에서만 전기가 흐르게 만든 물질이다. 특정한 조건을 형성하기 위해 불순물을 주입하거나 빛이나 열을 가해 전기를 흐르게 한다.

이런 특징 덕분에 필요에 따라 반도체의 성질을 결정할 수 있다. 전기가 흘렀다 멈췄다 할 수 있기 때문에 오늘날 대부분의 전자 기기의 핵심 부품으로 쓰고 있다.


특정 조건을 형성하기 위해 반도체에 넣는 불순물은 인 (P), 붕소(B)가 대표적이다.

순수 반도체인 규소 (si)에 각각 3가, 5가에 해당하는 인과 붕소를 넣어 전압을 가하면 전류가 흐르게 된다. 또한 넣는 불순물인 인과 붕소의 종류에 따라 반도체의 성질 (type)이 결정된다. 인을 넣어주면 p형 반도체, 붕소를 넣어주면 n형 반도체가 만들어진다.


최초의 반도체는 오늘날의 칩과 다른 형태였다. 최초의 반도체는 트랜지스터로, 전자의 증폭과 스위칭 (신호에 따라 0, 1을 구분) 역할을 했다. 진공관을 이용한 통신 방법의 통화 단절 현상을 줄이는 방법을 연구하다가 만들어진 것이 트랜지스터다.


집적회로란 트랜지스터나 저항 등과 같은 많은 소자를 하나의 chip 안에 넣은 것으로, IC 집적회로가 개발되면서 오늘날의 반도체가 만들어졌다.

반도체 하면 떠오르는 삼성, TSMC 등의 기업들은 칩셋을 더 작게 만들기 위해 개발 경쟁을 하고 있다.


반도체는 규소 (실리콘)에 어떤 불순물을 넣어 전기가 흘렀다 멈췄다 컨트롤할 수 있게 만든다.

미국의 유명한 IT 단지인 실리콘 밸리도 여기서 유래되었다고 한다. 이렇게 전기를 껐다 켰다 하는 이유는 전자 기기에서 사용하는 이진법에 따라 0, 1 로 만들 수 있기 때문이다. 실리콘을 원통 모양으로 가공해 얇게 자르고 자른 원판을 칩 모양으로 다듬는 과정을 거쳐 반도체가 완성된다.

현대적 반도체

일반적으로 반도체라는 용어는 유리와 같은 전기가 흐르지 않는 부도체 (절연체)보다는 전기를 잘 통하게 하지만 구리나 알루미늄과 같은 금속 도체만큼은 전기가 잘 흐르지 않는 실리콘과 같은 물질을 말한다.

그러나 오늘날 사람들이 반도체를 말할 때 반도체 칩을 지칭한다. 이런 칩은 일반적으로 복잡한 구성 요소가 특정 패턴으로 배치된 얇은 실리콘 조각으로 만든다.


이런 패턴은 트랜지스터라고 하는 전기 스위치를 사용해 전류의 흐름을 제어하는 것과 거의 같은 방식으로 스위치를 작동해 조명을 켜고 가정의 전류를 제어한다. 집과 반도체 칩의 차이점은 반도체 스위치는 완전히 전기적이며 작동을 조작할 기계적 구성 요소가 없다. 반면 칩에는 손톱 크기보다 훨씬 크지 않은 영역에 수천억 개의 스위치가 포함되어 있다는 점이다.


반도체가 하는 일

반도체는 전자 장치가 정보를 처리, 저장 그리고 수신하는 일을 한다.

예를 들어, 메모리 칩은 데이터와 소프트웨어를 [0, 1] 두 개의 바이너리 코드로 저장하고, 디지털 칩은 소프트웨어 명령에 따라 데이터를 조작하며, 무선 칩은 고주파 무선 송신기에서 데이터를 수신해 전기 신호로 변환한다.


이런 서로 다른 칩은 소프트웨어의 제어 하에 함께 작동한다. 다른 소프트웨어 응용 프로그램은 매우 다른 작업을 수행하지만 모두 전류를 제어하는 트랜지스터를 전환해 작동한다.


반도체 칩을 만드는 방식

대다수 반도체의 출발점은 웨이퍼라고 하는 얇은 실리콘 조각이다.

오늘날의 웨이퍼는 접시 크기이며 단결정 실리콘으로 절단된다. 제조업체는 칩의 전도성을 높이기 위해 실리콘 표면의 얇은 층에 인 또는 붕소와 같은 요소를 추가한다. 트랜지스터 스위치가 만들어지는 것은 이 표면층에 있다. 트랜지스터는 전도성 금속, 절연체 그리고 더 많은 실리콘의 얇은 층을 전체 웨이퍼에 추가하고 리소그래피라고 하는 복잡한 프로세스를 사용해 이런 층에 패턴을 스케치한 다음 고 반응성 가스의 컴퓨터 제어 플라즈마를 사용해 이런 층을 특정 패턴과 구조에 따라 선택적으로 제거해 만들어진다.


트랜지스터가 너무 작기 때문에 금속이나 절연체의 미세한 선을 칩에 직접 배치하는 것보다 레이어에 재료를 추가한 다음 원하지 않는 재료를 조심스럽게 제거하는 것이 훨씬 쉽다.

다양한 재료의 층을 수십 번 증착하고 패턴 구조를 만든 다음 에칭함으로써 반도체 제조업체는 평방 인치 당 수천억 개의 트랜지스터가 있는 칩을 만들 수 있다.


오늘날의 칩과 초기 칩의 차이점

많은 차이점이 있지만 가장 중요한 것은 칩 하나 당 트랜지스터 수의 증가에 있다.

반도체 칩에 대한 최초의 상용 응용 프로그램 중에는 1970년대에 널리 보급된 포켓 계산기가 있었다.


이 초기 칩에는 수천 개의 트랜지스터가 포함되어 있다. 1989년 인텔은 단일 칩에 100만 개 이상의 트랜지스터를 탑재한 최초의 반도체를 출시했다. 오늘날 가장 정밀한 칩에는 500억 개 이상의 트랜지스터가 포함되어 있다. 이런 추세는 칩의 트랜지스터 수가 약 18개월마다 두 배가 된다는 무어의 법칙으로 설명하기도 한다. 그만큼 반도체 기술 경쟁은 속도가 매우 빠르며 그만큼 전자 기기는 크기가 작아진다.


반도체 제조 기술에서 무어의 법칙은 50년 동안 유지되었으나 최근 몇 년 동안 반도체 산업은 이런 발전 속도를 유지하기 위해 트랜지스터 크기를 계속 축소하는 방식으로 극복해야 했다.

한 가지 해결책은 평평한 2차원 레이어에서 표면 위로 돌출된 지느러미 모양의 실리콘 융기를 가진 3차원 레이어로 전환하는 것이었다.


이 3D 칩은 칩의 트랜지스터 수를 크게 증가시켰고 현재 널리 사용되고 있지만 제조하기가 훨씬 더 어렵다. 더 복잡한 칩을 만들려면 더 정교한 공장이 필요하다. 그리고 칩이 더 복잡할수록 공장 시설도 더 복잡해지고 비용도 더 많이 든다. 미국의 거의 모든 반도체 회사가 자체 공장을 건설하고 유지하던 때가 있었다.

그러나 오늘날 새로운 파운드리는 건설하는 데 100억 달러 이상이 소요된다. 가장 큰 기업만이 그런 막대한 투자를 감당할 수 있다. 대신 대부분의 반도체 회사는 제조를 위해 설계를 독립 파운드리로 보낸다. 뉴욕에 본사를 둔 대만반도체 (TSMC: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co.)와 글로벌파운드리 (GlobalFoundries)는 다른 회사를 위해 칩을 구축하는 다국적 파운드리의 두 가지 방식으로 운영된다.


이들은 차세대 반도체를 생산하는 데 필요한 엄청나게 비싼 기술에 투자할 수 있는 전문성과 규모의 경제를 유지하고 있어 경쟁에서 우위를 가지고 있다.

아이러니하게도 트랜지스터와 반도체 칩은 미국에서 발명되었지만 현재 미국 땅에는 최첨단 반도체 파운드리가 없다.


미국은 1980년대에 일본이 글로벌 메모리 사업을 지배할 것이라는 우려가 있던 시절에 미국내 공장을 가지고 있었다. 그러나 새로 통과된 CHIPS 법으로 의회는 차세대 반도체가 미국에서 제조될 수 있는 인센티브와 기회를 제공하고자 한다. 아마도 몇 세대 다음 아이폰은 애플에서 설계하고 미국에서 제작한 칩이 들어간 제품이 될 전망이다.


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