반도체가 무엇인가에 대한 개요

반도체가 무엇인가에 대한 개요

 

전자공학 응용에 대한 글 이후, 현 2022년 기준으로 가장 핫한 응용처로 반도체가 떠올라 이 부분에 대해 글을 이어나가고자 한다. 당연히 매우 방대하고 기술적으로도 늘 한계에 도전하고 있는 분야가 반도체이기 때문에 매우 개괄적인 부분들을 논하고자 한다.

 

반도체는 사전적 의미로 반은 도체의 성질, 반은 전기가 흐르지 않는 성질을 가진 물질이다. 하지만 이 정의는 우리가 직접 스마트폰 내부를 들여다 본 반도체의 모습이나 컴퓨터 내부에 장착된 메모리 반도체의 모습을 온전히 담지는 못한다. 그래서 종종 나는 이렇게 정의한다. '필요에 따라 전기를 통하게도, 혹은 안 통하게도 할 수 있는 일종의 스위치 역할을 할 수 있는 전자부품' 이라고 말이다. 사실 온/오프의 스위치라는 비유만으로도 그것을 무수히 많이 조합하여 대부분의 디지털, 혹은 아날로그 세상의 경우의 수를 모두 표현하고 그에 따라 제어를 할 수 있는 셈이다.

 

반도체의 종류는 여러가지이다. 흔히 메모리와 비메모리로 나누지만, 흔히 비메모리로 나뉘는 영역의 분야들도 굉장히 천차만별이기에 따로 분류를 하고 싶다. 메모리에서는 디램과 플래시 메모리로 크게 나뉘며, 나머지에는 어플리케이션프로세서, RF통신칩, 전력관리반도체, 단일 소자 반도체 등이 있다. 각 디바이스들의 특징들은 하나의 주제거리가 될 것이므로, 이 글에서는 종류로만 언급하려고 한다.

 

다음으로는 어떻게 만들어지는가에 대한 것이다. 반도체는 아주 크게 설계-제조-후공정 의 3단계를 거쳐 만들어진다. 설계에서는 그야말로 반도체 내부 회로가 잘 동작하게끔 밑그림을 그리는 작업이다. 하지만 추후 이어질 제조와 후공정에서의 고려사항 없이는 설계 자체가 불가능하다. 따라서 설계 단계에서는 추후 후공정까지의 양산 단계를 고려하여 시뮬레이션하게 된다. 그렇게 설계 단에서 만들어진 설계도를 가지고 파운드리 업체 혹은 자사 웨이퍼 제조라인에서 그에 맞게 웨이퍼를 제조하게 된다. 한 장의 웨이퍼에는 약 500~1000개의 칩이 만들어지게 된다(단일 칩이 작은 경우에는 그에 맞게 더 많은 양의 칩이 한 웨이퍼에서 나오게 된다). 이후 실제 제품의 형태로 나올 수 있도록 절단 과정, 패키징 및 조립 과정이 이루어지게 되며, 테스트 및 평가 단계까지 마친 뒤 제조가 마무리된다.

 

사실 이 과정까지는 반도체 제조업체의 프로세스이며, 전반적으로 봤을 때에는 실제 세트에 실장이 되고나서도 계속해서 평가가 된다. 예를 들어 스마트폰에 들어가는 어떤 RF반도체가 스마트폰 회로에 결착이 되었을 때, 문제가 있는지 없는지는, 어쩌면 반도체 제조과정 중 문제 여부와는 별개일 수도 있는 것이다. 특히 하필이면 같이 실장된 주변 다른 반도체의 출하 스펙에 따라 민감한 제품일수록 실장에서 부적합을 평가받는 경우가 종종 있다. 

 

이렇게 반도체가 어떤 것이고 제조과정까지 어떤 단계를 거쳐야 하는지 아주 간단히 살펴보았다. 산업의 쌀이라 불리는 반도체가 사실은 전자공학 내 개별 이론/소자들이 제품화된 것이기에, 해당 학문의 본질에 매우 가깝다고 판단된다. 그 외에도 여러 소자/블록을 결합한 반도체들도 많이 존재하기 때문에 전자공학적 지식을 동원하여 해석할 여지가, 이 매우 작은 사이즈의 칩에서도 존재하는 것 아닐까 생각이 든다.