2024년 선정된 '에잇세미즈'가 지난 5월 23일 첫 모임을 가졌습니다. 연구모임에서 제공한 강의 내용을 공유합니다.

□ 주제 : 반도체소자 이해 및 발전 방향

□ 강사 : 최리노 인하대학교 신소재공학과 교수

<에잇세미즈 회원들이 최리노 교수의 강의를 듣고 있다.> 

반도체란 무엇인가?라는 질문에 설명을 시작하면 복잡해진다. 반도체 소자란 어디에 쓰이는 부품인가?라고 질문을 바꿔서 설명을 하는 게 더 쉽다. 

반도체라는 걸 지금의 이런 큰 산업으로 만든 인물은 폰 노이만이다. 정보를 처리하고 제어하고 연산하는 CPU라는 유닛과 그것과 데이터를 주고받는 메모리가 있다는 폰 노이만의 법칙이 현재 우리 반도체 산업을 만든 것이다. 여기서 CPU가 인텔 AMD, 메모리가 삼성, SK하이닉스, 마이크론 등 기업이 있는 것.

소자를 만들기 위해 반도체를 가져다 쓰는 것이다. 반도체 이전에도 진공관 소자를 통해 라디오 등을 만들어. 진공관 소자에 비해 반도체 소자가 가진 여러 장점이 있기 때문에 반도체로 바뀌고 산업이 더 커지게 된 것. 

CPU등 로직회로는 기본적으로 스위치와 같은 구조. 껐다 켰다 하는 스위치라 엄청나게 많은 것. 이런 스위치가 160억 개, 2000억 개 정도 들어가 있는 것. 메모리는 물이 들어간 통과 같은 것. 물이 들어있다, 없다 상황 상태만 구별할 수 있으면 되는 게 D램의 구조. 

그렇다면 왜 반도체가 진공관을 대체할 수 있었느냐는 집적 회로를 만들 수 있었기 때문. 집적 회로는 소자를 통째로 한꺼번에 수백억 개를 동시에 만들어 놓는 것. 증착과 리소그래피 식각을 반복하며 1층, 2층 3층 계속 올리며 아파트 단지를 한꺼번에 만드는 것. 1cm 정도의 크기에 500억 개의 스위치가 들어가는데, 스위치 하나하나를 건물이라고 생각했을 때 얼마나 잘 증착하고, 얼마나 작게 그릴 수 있느냐, 이걸 어떻게 식각 할 수 있느냐 하는 기술이 엄청난 위력을 갖는 것. 이렇게 많은 숫자를 집어 넣을 수 있었던 게 반도체 소자가 진공관 소자보다 앞선 것. 또한 진공관 소자는 하나를 만드는 비용보다 2개 만드는 비용이 2배, 3개 만드는 비용이 3배 식으로 증가하는데 반도체는 집적회로 수십억 개 수백억 개를 만들어도 비용이 같음. 그렇기에 더 많이, 더 작게 만들려고 노력을 하게 됨.

기본적으로 반도체라는 건 웨이퍼에서 만들어지고, 웨이퍼 위에 소자를 만들고 나머지는 다 배선으로 올릴 수밖에 없어. 맨 밑 한 층만 소자층이고 나머지는 다 배선층이 됨. 배선을 하는 것 까지를 우리는 전공정, 프론트엔드라고 하고 웨이퍼단에서 하는 것. 웨이퍼단의 공정이 끝나면 이걸 잘라서 붙이게 되는 후공정이 이뤄져. OSAT라고 불리는 엠코 등 기업. 과거에는 이게 명확하게 구분이 됐다. 프론트 앤드와 백앤드, 하지만 점점 이것이 애매해져 가도 있다. 과거에는 전공정 작업이 웨이퍼 한 장을 써가지고 했으며, 자르기 시작하면 후공정으로 넘어갔다. 하지만 이제는 전공정 중에서도 잘라서 하는 작업들이 늘어나면서 이 바운더리가 희미해지는 상황이 벌어지고 있는 것. 

-반도체 산업이 경쟁력을 가지려면 생산 비용을 감소시켜야 함/어떤 방식으로든 돈을 절약해야 함. 그러기 위해서는 좋은 소자를 쓰는 게 한 가지 방법, 또 다른 건 스위치를 연결시켜야 하는데 스위치를 켜는 것에서 딜레이가 생기지 않기 위해서 좋은 스위치를 쓰는 것도 중요해져. 스위치의 사이즈를 줄이거나 웨이퍼 사이즈를 키우는 방식. 보통 10년 주기로 웨이퍼 사이즈는 증가하게 돼. 한 번에 많은 다이를 만들 수 있으면 경제성이 증가. 하지만 이제는 웨이퍼 사이즈 증가는 끝났다고 보여짐. (다이는 웨이퍼 상에서 부르는 용어, 뜯어서 패키징까지 하게 되면 그때부터는 칩)

그다음으로는 공정 스텝 수를 감소. 이를 가능하게 하는 게 EUV. 공정을 반복하지 않아도 되기 때문에. 비용을 줄일 뿐만이 아니라 수율을 높여주기도. 수율이 높아지면 회사의 경제성이 높아지는 것. 

수율이 매우 나쁠 때 적자의 폭은 상당히 커져. 그렇기에 반도체는 굉장히 위험한 산업. 수율이 안 나와 반도체를 팔아도 마이너스를 보는 구간에 걸리면 생산할 수 록 적자가 한없이 늘어나. 몇 년 누적하면 조 단위의 적자를 보게 돼. 이 때문에 이걸 더 작게 만들고 더 불량률을 줄이는 문제에 따라서 어떤 회사는 엄청나게 돈을 벌고 어떤 회사는 엄청나게 손해를 보게 돼. 이 차이가 조금일 때는 치킨게임을 시작할 수가 있으며, 이런 과정에서 망한 회사들이 역사적으로 많이 나와.

반도체 집적회로가 만들어진 게 59년도 경인데 그 이후 여태까지 사이즈를 줄이고 있는 것. 계속 작게 만들어 에너지 떨어뜨리고 딜레이도 줄이는 것. 작게 만들기 위해서는 장비 등도 필요하니 그 주기가 2년 정도. 한 면의 길이를 0,7씩 줄이면 면적은 0.49가 줄어들어 절반이 줄어드는 것. 즉 2년마다 디바이스 사이즈가 절반이 된다는 무어의 법칙.

하지만 22나노 이후부터는 이 사이즈가 줄지가 않아. 그래서 실질적으로 사이즈는 줄어들지 않지만 다른 방식, 자동차로 치면 엔진에 터보를 다는 방식으로 과거보다 개선을 시키며 숫자를 줄여나가는 것. 현재의 3나노라 불리는 것의 게이트 랭스는 15~20나노 정도.

-새 노드로 갈수록 공장도 새로 지어. 기존의 공장은 버리지 않고 레거시용 반도체를 생산하는데 쓰여. 몇 년 전 반도체 대란이 있었던 자동차 반도체 등. 단가가 워낙 싸다 보니 공장을 다른 것으로 전환을 시켜. 하지만 이 반도체를 만들기 위해 공장을 새로 지을 수는 없어. 감가상각이 모두 끝났기 때문에 싸게 만들 수 있는 것이기 때문에. 따라서 새로 계속 공장을 짓고 기존 공장은 옛날 프로덕트를 만드는 형태로 발전해 가는 것. 

-반도체 하는 사람들의 핵심은 그저 트랜지스터를 작게 만들면 되는 것. 그러면 퍼포먼스도 좋아지고 코스트도 좋아져. 또 이러다 보면 새로운 마켓이 나와. 진공관 트랜지스터는 사이즈가 너무 크기에 큰 기관이 쓸 수 있고 개인이 쓸 수는 없었어. 하지만 집적 회로가 나오면서 가격도 싸지고 PC 시대가 열려. 여기서 더 작게 만들다 보니 스마트폰 시장도 열려. 이런 식으로 사이즈가 줄어들 뿐인데 시장은 계속해서 형성되고 커지는 게 다른 산업과 다른 점. 특히 연산할 것들은 계속 늘어나기에 빨라져. 자동차는 아무리 빨라지고 좋아져도 차를 2대 3대 4대 마구 사지 않지만 반도체는 빨라지면 컴퓨터는 더 사게 돼. AI도 마찬가지.