반도체 넥스트 시나리오

권순용의 반도체 넥스트 시나리오 내용중 기록할만한 것들을 자유롭게 정리. YM리서치를 비롯한 투자 관련 텔레그램이나 반도체 관련 보고서들을 보다보면 전문적인 용어들이 많이 나오는데 해당 컨텐츠를 이해하는데 도움을 얻고자 내용을 정리. 전반부 1장이 반도체의 기본 원리등을 담고있고 뒤에서부터는 반도체를 응용한 산업 부분의 내용을 담고 있어 일단 앞부분만을 정리.

워낙에 기술적이고 전문적인 내용이 많기 때문에 이해하는 과정에서 다음 블로그의 내용도 참고하고 SK하이닉스의 블로그 내용도 참고.

1. 반도체, 세상을 바꾸는 1나노미터

1.1 반도체의 기본 원리

• 원자들을 가까이 붙이면 서로 영향받아 동요하기 시작. 이를 무시하고 계속 붙이면 전자들이 움직이는 영역이 자연스레 겹쳐 넓어진다. 이때 전자는 원자핵을 빙빙 도는 것보다 더 자유롭게 움직이는데, 이 대역폭이 에너지 밴드. 에너지 밴드는 가전자대와 전도대로 구성. 전자에 전기나 빛 같은 외부 자극이 가해지면 가전자대에 있는 전자가 전도대로 올라가는데, 몇 개가 올라가는지에 따라 전기전도도가 달라짐. 이때 전자가 떠나가며 가전자대에 생긴 구멍을 양공(electron hole)이라고 함.

• 가전자대와 전도대의 간격(gap)이 너무 크면 전자가 전도대로 올라가기 힘들어짐. 금속인도체는 에너지밴드 갭이 매우 좁고, 고무 같은 부도체는 에너지 밴드 갭이 매우 넓음. 반도체는 말그대로 이의 중간. 외부 자극을 주면 전자가 전도대로 올라갈 수 있을 정도의 에너지 밴드갭. 반도체에 적당히 자극을 주어서 어떤 때에는 전기를 흐르게 하고 어떨때는 흐르지 않게 하면서 반도체는 스위칭의 역할을 수행.

1.2 반도체의 근본 기술

• 실리콘 같은 반도체만으로는 효율이 나오지않음. 전기전도도를 높이기 위해 인이나 붕소 같은 불순물을 섞게 되는데 이를 doping이라고 함. 인을 넣으면 n형 반도체(자유전자가 하나 남으니 negative, 음전하를 띄니 n이라 부르는 것), 붕소를 넣으면 p형(자유전자가 부족할테니 positive, 양전하를 띌것) 반도체. 쉽게 말해 규소는 최외각전자가 4개인데 인은 5개. 이 두개를 결합하면 자유전자 1개가 남게 되고 이게 전기전도도를 높이는 역할. 불순물을 섞어 전기가 잘 통하게 하는것이 증폭(amplification)

• 반도체의 제조과정을 간략히 말하면, TV에서 자주 등장하는 실리콘으로 만든 원판(wafer)에 아주 정밀한 그림(회로)를 그리고 자르면 소자가 됨. 이 소자를 수십억 개 묶으면 우리가 아는 반도체. 핵심은 웨이퍼에 그림을 아주 작고 정밀하게 그리는 것. 소자들이 모이면 빠른 스위칭과 증폭이 가능해짐.

• 왜 스위칭과 증폭 성능을 향상시켜야 함?? 왜 반도체 집적도를 높여야함?? 스위칭과 증폭의 성능을 높인다는건 CPU, 그래픽 등 연산의 기능을 늘릴 수 있다는 것을 의미. 집적도도 마찬가지 이게 올라갈 수록 반도체의 성능이 좋아짐.

1.3 모든 반도체의 뿌리

• 반도체의 핵심에는 모스펫(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect transistor)이라는 소자가 있다. 이는 금속과 산화물, 반도체를 붙인 트렌지스터라는 뜻. 트렌지스터는 스위칭과 증폭을 강화하는 소자, 산화물은 전기가 안 통하는 소자, 금속은 전기가 잘 통하는 소재. 즉 모스펫은 전기가 안통하는, 잘 통하는, 반만 통하는 소재를 붙여놓은 트렌지스터. 산화물이 전자들의 이동을 방해하면서 전자들이 원하는 방향으로 흐를 수 있게 해줌.

• 반도체의 성능을 높이기 위해서는 7나노에서 5나노, 3나노 등으로 미세화 하는 것도 중요하지만, 미세화에는 한계가 있음. 그래서 생각해 낸 방식이 소자를 높게 쌓는 것임. 2층 짜리 주택보다 아파트에 사람이 많이 살 수 있는 것과 같은 이치. 이 방법에 적합한 소자가 모스펫! 모스펫이 성능을 발휘하려면 작은 전압에도 전자가 잘 흘러야함. 전자 흐름의 세기는 전자가 지나가는 길이에 반비례, 길의 폭, 전자의 양, 전자의 속도에 비례.

1.4 역사상 가장 정교한 예술 작품

• 반도체 제조 과정: 웨이퍼 → 산화 →사진(가이드라인 그리기) → 식각(라인에 따라 깎기) → 박막 → 금속배선 → 이온(전기가 잘 통하라고) → 패키징의 8대 공정

• 최근 패키징 공정의 중요성이 높아지고 있다. 반도체를 작게 만드는 것이 물리적으로 한계에 봉착했기 때문.(23년도 상반기 반도체 섹터의 주가 상승 또한 패키징 분야 회사들이 이끌었다) 전기 신호의 지연 현상은 반도체와 반도체, 반도체와 기판의접합부에서 발생하는데, 패키징 공정에서 이 접합부에 대한 성능을 개선하면 전기신호를 더욱 안정적이고 빠르게 전달 가능.

• 접합부의 신뢰성을 높이고 전기 신호의 전달 속도를 높이기 위해 패키징 공정에서 사용하는 방법이 TSV(through silicon via). 이는 높게 쌓인 3차원 구조의 반도체에 레이저 등으로 구멍을 뚫은 다음 전기전도도가 높은 구리 등을 채워 기판과 연결하는 방식. 전자가 수직으로 이동할 수 있게 되어 성능이 좋아짐.

1.5 물리적인 한계를 돌파하다

• 반도체의 근본적인 역할은 무엇인가?? 스위칭과 증폭. 최근에는 전류가 약해도 제대로 작동하는 효율성과 최대 전류에 빨리 도달하는 속도가 관심사.

• 문턱전압이하 스윙(최대 전류에 도달하는 속도)를 낮추는 것이 반도체의 성능에 있어 중요한데(전압을 적게 가해도 출력을 높일 수 있으므로) 60mv/dec이하로 낮추기가 쉽지 않음.

• 이 문제를 해결하기 위해 양자역학의 터널효과를 이용한 터널펫이라는 트렌지스터를 개발. 그러나 현재로서는 전자가 줄줄 세고, 전류의 세기가 너무 약해서 상용화되기 어려움.

1.7 신소재로 달성할 초격차

• 삼성전자와 대만의 TSMC가 초미세공정을 두고 격전을 벌이고 있음.

• 반도체의 성능을 높이려면 소자의 크기를 줄여야함. 5나노까지 크기를 줄이는 것은 비교적 수월했는데, 자꾸 소자의 크기를 줄이다보니 전자가 이상한 방향으로 새어 나가는 문제가 발생. 이를 해결하고자 소재를 바꾸면 또 전자의 흐름 자체를 막는 문제가 생김

• 그래서 이러한 문제를 풀기 위해 2차원 소재에 대한 연구가 활발히 진행중.

1.8 때로는 포장이 답이다

• TSV(through silicon via)는 여러개의 소자를 수직으로 쌓을 때, 각 소자를 연결하는 기술. 위로 쌓고 잘 연결하니 집적도가 높아지고, 넣어준 전기의 양 대비 나오는 전기의 양도 높아짐. 최근 주목받고 있는 HBM(high bandwidth memory)의 핵심도 TSV.(2023년 6~7월 반도체 주식의 대약진을 이끈 것도 이 HBM 관련주)

• 점점 패키징 공정의 중요도가 높아지고 있음. 패키징의 실력에 따라 소자와 소자, 반도체와 반도체, 반도체와 기판 사이의 접합부에서 발생하는 전자흐름의 장애 문제를 줄일 수 있음.

• 패키징 기술이 주목받는 이유는 반도체 제조의 전공정, 즉 회로를 설계하고 그리는 일이 물리적 한계에 부딪혔기 때문.

• 사실상 반도체 미세화는 TSMC와 삼성전자를 제외한 다른 기업들은 거의 포기 상태인데…(인텔???) 이 반도체 미세화의 끝네는 SoC(System on Chip)와 SiP(System in Package)가 있음. SoC는 CPU부터 GPU, 램까지 모든 반도체를 하나의 반도체로 통합하는 기술. SiP는 모든 반도체를 하나의 패키지로 싸겠다는 것. 자세한 설명은 SK하이닉스의 다음 블로그 참조.

(출처: SK 하이닉스)

• 이 책이 나온 21년 6월 시점 기준 가장 효율적인 패키징 공정으로 주목받고 있는 것은 FOWLP(Fan Out Wafer Level Package). WLP는 일반적인 반도체 공정인 웨이퍼에 그림을 그리고 자른 다음(전공정) 전선을 연결하고 접합소재를 다는(후공정) 방식을 뒤집은 방식. 즉, 먼저 패키징 공정을 수행하고 그 다음 소자를 자르는 방식. 여기에 추가적으로 배선들을 연결한 것이 FOWLP.

• FOWLP는 TSMC의 특허이고, 삼성전자는 후공정 기업 네페스와 함께 FOPLP 방식을 연구. FOPLP는 원형 웨이퍼 대신 사각형 PCB를 사용하여 효율성을 높일 수 있으나 열에 약하다는 치명적인 단점. 그래서 결국 FOWLP도 같이 연구하고 있음. TSMC의 약진에는 FOWLP가 크게 기여했으나 만약 삼성전자가 FOPLP(Fan Out Panel Level Package)의 단점을 극복할 기술을 내놓는다면 게임체인저가 될 수 있음.

반도체 용어정리

낸드 플래시 메모리: 플래시 메모리는 데이터를 지우고 다시 기록할 수 있는 메모리 반도체인데, 그중 전기가 통하지 않아도 데이터를 기억하는 플래시 메모리를 낸드 플래시라한다. USB가 대표적인 예.

RAM(Random Access Memory): 공부할 때 책상에 있는 책장을 예로 설명. 책이 수백권 꽂힌 책장이 있다고 하면, 책장은 HDD(하드디스크)의 역할을, RAM은 책상의 역할을 함. RAM 사양이 높을수록 더 많은 책을 책상위에 올려놓을 수 있고 그때그때 수시로 내용을 꺼내볼 수 있게됨. 현재 가장 많이 사용되는 DRAM은 구조가 매우 간단하고 전력을 아주 적게 소모하는 장점이 있지만 속도가 느리다. 그래서 CPU와 DRAM 사이에 SRAM(static RAM)을 넣음. SRAM은 학생이 살펴본 책을 오랬동안 기억하고 있어 DRAM이 찾는 동안 간단하게 먼저 내용을 보여주는 역할을 함. 이로써 속도가 빨라지는 듯한 효과를 냄.

HBM(High Bandwidth Memory): 기존 메모리 반도체보다 한번에 더 많은 데이터를 저장할 수 있는 메모리. High bandwidth란 대역폭이 높다는 의미인데 일정시간 내 전송 가능한 데이터의 처리량이 크다는 의미. 여러 개의 D램 칩을 TSV(칩에 미세 구멍을 뚫어 수직으로 관통하는 전극으로 연결하는 방식) 공정을 통해 쌓아올려 처리속도를 높임. 23년 초 AI 붐이 불면서 관련 종목들의 엄청난 상승을 이끌었다. SK하이닉스가 HBM을 최초로 상용화.

PIM(Processing in Memory): 메모리에 시스템 반도체의 영역인 연산 기능을 더한 지능형 반도체로 AI 시장의 게임 체인저로 꼽힘. 기사 참조.