The atomic structure of semiconductors, especially silicon, forms stable covalent bonds by sharing four outer electrons to mimic a full 8-electron shell, and while no free electrons exist at absolute zero, thermal energy at room temperature generates electron-hole pairs (EHP), allowing current flow; to regulate this conductivity, dopants like boron (III group) create p-type semiconductors via holes, and phosphorus (V group) creates n-type ones via free electrons, enabling tailored electrical behavior, with the semiconductor industry comprising design, fabrication (FAB), assembly, and testing processes, where DRAM's high density arises from simple cell structure, non-volatile memories include ROM, EPROM, EEPROM, and flash memory, and newer semiconductors consume less power due to lower operating voltages enabled by smaller design rules.
반도체의 원자 구조
14장에서 다룰 내용은 이 책에서 가장 난이도가 높은 내용이 될 것이다. 고전물리학도 아닌 현대물리학의 양자이론인데, 어떻게 발 음하는지도 모를 수많은 기호와 수십 번 써 봐야 겨우 외울 수 있는 길고 복잡한 수식은 대학에서 다룰 것이고, 여기서는 고등학교 과학 지식의 수준으로 풀어서 설명해 보겠다. 이 장은 굳이 모든 독자들이 이해할 필요는 없다. 이제까지 몰라 도 벌써 이 책이 거의 다 끝나가고 있지 않은가? 단지 2장에서 2퍼센 트 부족함을 느낀 독자들, 그리고 현재 반도체 관련 업무에 종사하 는 독자들은 한번 읽어 보길 바란다. 원자의 구조는 우리가 중고등학교 과학에서 배웠듯이 핵이 있고 그 핵 주위를 일정한 궤도를 가진 전자들이 돌고 있다. 마치 태양 주 위를 아홉 개의 행성이 돌고 있듯이 말이다. 핵 주위를 도는 전자의 개수는 원자번호만큼 존재하며, 전자는 음의 전기를 띠고 있다. 이런 음의 전기 혹은 양의 전기를 띠고 있는 입자를 전하라고 한다. 그림 14.1은 원자의 구조를 나타낸다. 핵에 가까운 순서부터 K각, L각, M각, N각,... 이런 식으로 붙고, 각각의 각마다 존재할 수 있는 전자의 개수가 정해져 있다. 그런데 이 각(shell)들을 좀 더 세밀하게 보면 표 14.1에서와 같이 s, p, d, f, 등으로 구분되어 있다. K각(n=1)에는 1=0 즉, s밖에 없고 전자가 최대 두 개까지 위치 할 수 있다. L각(n=2)의 1=0에는 전자가 최대 두 개, 1=1에는 최대 여섯 개 도합 여덟 개의 전자가 위치할 수 있으며, M각(n=3)에는 1=0에 두 개, 1=1에 여섯 개, 1=2에 열개 도합 열여덟 개의 전자가 위치할 수 있다. 또한 표 14.1의 기호들을 이용하여 전자 배치를 좀 더 정밀하게 표현할 수 있는데, 예를 들어 원자번호 14인 실리콘의 경우는 152'20'303'로 표시한다. 이는 전자들이 각 5에 두 개 각에 두 개각에 여섯 개 M각에 두 개, 각 p에 두 개가 존 재한다는 의미다. 마찬가지로 불순물로 많이 사용되는 붕소(B)와 인 (P)의 전자 배열은 표 14.2와 같다. "물은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다." 아주 당연한 이치다. 이 것을 과학 용어를 사용해서 표현하면 다음과 같다. 높은 곳의 물은 위치 에너지를 방출하여 위치 에너지가 낮은 곳으로 이동한다."에 너지가 높은 상태는 불안정한 상태이고, 에너지가 낮은 상태는 안정 한 상태이다. 자연의 모든 현상은 불안정 상태에서 안정 상태로 변 하려는 속성이 있다. 표 14.2에서 보듯이 실리콘(Si)에는 열네 개의 전자가 있는데, 그 분포가 15°25'2P'38'3P'이다. 그런데 표 14.1에서 보듯이 M각의 3s3p에는 여덟 개(3에 두 개 3p에 여섯 개의 전자가 위치할 수 있다. 바 꾸어 말하면 3s3p에 네 개의 원자가 있는 것보다는 차라리 네 개의 전자를 모두 잃어 버리고 1s2s2p에만 열 개의 전자가 존재하는 네온 (Ne)과 같은 구조를 갖거나, 아니면 네 개의 전자를 어디선가 얻어서 353p에 여덟 개의 전자가 존재하는 아르곤(Ar)과 같은 구조를 갖는 것이 더 안정적이라는 의미다(표 14.2 참조) 자연 현상은 언제나 불안정 상태에서 안정 상태로 가려고 한다는 점을 잊지 말자. 실리콘은 상온에서 고체 상태이다. 고체 상태를 유 지할 만큼 원자 간의 거리가 가깝다는 것이다. 순수 실리콘에서 실리콘 주위의 원자는 모두 실리콘뿐이다. 그림 14.2에서처럼 자기 주 위의 네 개의 실리콘 원자들과 전자를 공유하면 각각의 원자들이 마 치 3s3p에 여덟 개의 전자를 가지고 있는 것과 마찬가지 효과가 나타나게 된다. 그림 14.2에서 실리콘 원자 A는 3s3p에 네 개의 전자가 있는데 그것들은 실선으로 표시했다. 그림 14.2에서처럼 A는 자기가 가지고 있는 전자 네 개를 주위의 다른 원자 네 개에게 각각 하나씩 빌려 주 고 또 주위의 네 개의 원자에서 원자당 한 개씩의 전자를 빌려 온다. 그리고 서로 빌려 주고 빌려 온 전자들을 각각이 소유하는 것이 아니라 서로 공유하는 것이다. 그렇게 되면 원자 각각의 입장에서 보면 마치 최외각 3s3p에 여덟 개의 전자가 있는 것과 마찬가지가 되 어 안정 상태를 찾게 되는 것이다. 이것이 절대온도 0도(0K)에서의 실리콘의 결정 구조다. 그림 14.2에서 보듯이 전자가 모두 주변의 원자들에게 공유되어 자유전자가 하나도 존재하지 않는다. 이 상태에서는 전류가 흐르지 않는다. 여기 서 최외각 전자들만 다루는 이유는 내부 궤도에 존재하는 전자들은 원자핵에 가깝게 존재하고, 따라서 그 소속된 원자에 강하게 종속되 어 다른 원자의 영향을 상대적으로 아주 적게 받기 때문이다. 바다에는 밀물과 썰물이 있다. 바다는 지구에 속해 있지만 달의 중력에도 영향을 받는다. 그건 달의 중력의 크기에 비해 지구와 달 이 그만큼 근접해 있다는 의미다. 따라서 어찌 보면 지구의 바다는 지구와 달이 공유하고 있다고 볼 수도 있다. 지구상에 사는 우리는 지구 중력에 영향을 받고 있다. 그런데 달 탐사선이 지구를 떠나 달 로 가면 지구 중력보다 달의 중력에 더 영향을 받는다. 아무리 달의 중력이 지구 중력의 1/6밖에 되지 않는다 하여도 달 가까이 가면 지 구 중력보다 달의 중력에 더 영향을 받는다. 그렇다면 지구를 떠나 달로 향하는 탐사선이 어느 지점에선가는 달과 지구 중력의 영향을 각각 절반씩 받는 지점이 있지 않을까? 이 때 다른 별들의 중력을 고려하지 않으면 전혀 중력이 없는 무중력 상태가 존재하지 않을까? 분명 그런 지점이 있을 것이다. 지구가 끌어당기는 힘과 달이 끌어당기는 힘이 똑같은 지점에 엔진을 끈 상태 의 달 탐사선이 정지해 있다면 그 때는 아주 작은 힘으로 그 탐사선 의 진로를 바꿀 수 있을 것이다. 지구 쪽으로 약간 힘을 가하면 다시 지구로 돌아올 것이고, 달 쪽으로 힘을 약간 가하면 달 쪽으로 움직일 것이다. 그 힘을 지구나 달 쪽이 아닌 달과 지구를 연결하는 직선 의 90도 방향으로 가하면 그 탐사선은 지구로 돌아오지도 않고, 달 로도 가지 않으며 우주 저편으로 쉽게 밀려나갈 것이다. 달 탐사선 이 몇 톤이나 되는지 모르겠지만 어쨌든 이 때 필요한 힘은 지구에 서 그 달 탐사선을 밀거나 끄는 힘에 비하면 아주 작은 힘이다. 그야 말로 젖먹이 어린아이만큼의 힘으로 몇 톤이나 되는 탐사선을 우주로 밀어 버리는 것은 그 탐사선이 지구 중력에 절대적으로 영향을 받는 지구상에서는 상상할 수 없는 일이다. 실리콘 결정의 공유된 전자들도 이 탐사선의 경우와 비슷하다. 실리콘 원자의 최외각에 존재하는 전자들은 두 개의 실리콘 원자핵 의 영향을 동시에 받는다. 이 때 약간의 에너지를 받게 되면 그림 14.3에서처럼 두 개의 원자핵의 영향을 받고 있던 전자가 영향권 밖으로 뛰쳐나갈 수 있게 된다. 이렇게 어떤 원자핵의 영향도 받지 않게 된 전자가 자유전자(free electron)다. 전자 한 개가 원자의 전자 궤도에서 이탈하게 되면 3s3p에 전자가 여덟 개가 아닌 일곱 개가 존 재하는 것이 되어 불안정한 상태다. 안정 상태로 되돌아가기 위해서 는 주위에서 전자 한 개를 다시 공급 받아야 한다. 즉 전자 하나가 들어올 '여지', '공간'이 있는 것이다. 이 '공간은 전자가 들어오면 없어진다. 이는 음의 전기를 띤 전자를 끌어 당기 는 것처럼 보이고 또 실제로 전자가 들어와서 그 공간을 채우면 사 라져 전자가 가진 음의 전하와 동일한 양의 전하를 띤 입자로 취급 할 수 있다. 그 양전하를 홈(hole)이라 하고 양전하이므로 +를 사용 하여 h+로 표시하고 전자(electron)는 음전하 이므로를 사용하여 e-로 표시한다. 이 홀은 실제 존재하는 입자가 아니라 전자가 채워 질 수 있는 '공간'을 가상적 입자로 표현한 '모델(model)'이다. 절대 온도 0도는 섭씨 영하 273이다. 따라서 상온에서 실리콘은 이미 자유전자가 발생할 수 있는 충분한 열 에너지를 받았다는 것이다. 여기서 보듯이 열 에너지에 의해 발생된 자유전자의 개수와 같 은 수의 홀이 발생한다는 점을 기억해 두자. 언제나 전자와 홀이 쌍으로 발생되기에 이를 EHP(Electron Hole Pair)라 한다. 그리고 이렇 게 자유전자가 발생된 실리콘의 원자는 비록 전자는 한 개 잃었지만 원자핵 자체는 본래의 실리콘 원자핵 구조를 그대로 가지고 있으므로 핵분열은 아니니 크게 걱정하지 않아도 된다. 이렇게 발생된 자유전자는 실리콘 결정 속을 자유롭게 여행하다 가 다른 자유전자가 발생한 자리 즉, 홀을 만나게 되면 그 자리를 채 우게 되고 그 순간 사라진다. 따라서 자유전자와 홀은 에너지를 받 아 발생했다가 자유전자와 홀이 만나면 다시 사라진다. 이 때 발생 하는 자유전자와 홀의 개수는 물질에 따라 다르고 온도에 따라 달라 진다. 이렇게 자유전자가 발생할 수 있는 에너지를 밴드 갭 에너지 (band gap energy)라 하고 그 값은 물질에 따라 다르다. 반도체와 부도체를 구분 짓는 것이 바로 이 밴드 갭 에너지다. 부 도체의 밴드 갭 에너지는 반도체의 밴드 갭 에너지보다 훨씬 크다. 그래서 상온에서 밴드 갭 에너지가 상대적으로 작은 반도체의 자유 전자의 개수가 부도체의 자유전자 개수보다 많은 것이다. 2장에서 이미 언급했듯이 이렇게 열 에너지에 의해 발생된 자유 전자의 개수는 극히 소량의 전류만을 흐르게 할 수 있을 뿐이고, 온 도에 의존적이므로 사람이 인위적으로 통제하려면 매우 불편하다. 따라서 우리가 필요로 하는 충분한 개수의 자유전자를 확보하고 그 개수를 통제하기 위해 순수 실리콘에 불순물을 주입(doping)시킨다. 표 14.3에서 보듯이 실리콘은 IV족 원소이다. 즉 최외각 전자의 개수가 네 개라는 의미다. 규소에 양전하를 위한 불순물로는 III족의 붕소(B), 가룸(Ga)을 주로 사용하고, 음전하를 위한 불순물로는 V족 의 인(P), 비소(As)를 주로 사용한다. III족 원소들은 최외각 전자의 개수가 세 개, V족 원소들은 다섯 개 존재한다. 먼저 III족의 붕소를 주입했을 경우를 생각해 보자. 붕소는 최외 각 전자가 세 개이다. 따라서 주변의 네 개의 규소 원자 중에서 세 개의 실리콘 원자와는 전자를 한 개씩 주고 받아서 서로 두 개씩의 전자를 공유할 수 있지만, 나머지 한 개의 실리콘 원자에게는 나누 어 줄 전자가 모자란다. 즉 전자 한 개가 부족하여 전자 한 개가 들 어올 '여지', '공간'이 있다. 그 말은 홀이 발생했다는 의미다. 그림 14.4에서 보면 홀만 발생되었다. 그림 14.3에서처럼 전자와 홀이 동시에 같이 발생한 것이 아니다. 따라서 붕소처럼 III족 불순 물을 주입하면 홀이 생겨 양의 전기를 띠게 된다. 그래서 이렇게 III족 불순물을 주입한 반도체를 p-type 반도체 그리고 그 불순물을 type 불순물이라고 한다. 그림 14.4는 불순물 주입에 의해 발생된 효 과만을 나타낸 것이기에 홀만 존재하는 것처럼 보이지만, 여전히 그 림 14.3에서처럼 열 에너지에 의해 발생된 EHP는 존재한다. 그러나 그 열에너지에 의해 발생된 자유전자와 홀의 개수는 서로 같아 합해 보면 전기적으로 중성이고, 이 불순물 주입에 따른 홀에 의해서 생겨난 양의 전기만큼만 효과가 있어서 전기적으로 양성인 p-type이 라 한다. 이번에는 V족 원소인 인을 실리콘에 주입하면 어떻게 될까? 인은 최외각 전자가 다섯 개이다. 따라서 그림 14.5에서처럼 주위의 네개 의 실리콘 원자들과 자기가 가지고 있는 네 개의 전자를 공유하고도 한 개의 전자가 남는다. 이 전자는 어느 원자에도 구속되지 않고 자 유롭게 이동할 수 있는 자유전자가 된다. 이와 같이 실리콘에 V족 원소를 불순물로 주입하면 그 실리콘은 음의 전하를 띠고 그래서 n-type 반도체, 그 불순물을 n-type 불순물이라고 표시한다.
반도체에 관련한 질문들 (FAQ)
FAB 사업이란 무엇인가?
반도체 사업에는 웨이퍼(wafer) 자체를 생산하는 웨이퍼 산업이 있 고, 웨이퍼를 자재로 사용하여 이 책에서 설명한 회로를 설계하고 제조를 하는 웨이퍼 가공 산업, FAB(fabrication) 사업이 있다. 또한 가공된 웨이퍼를 가져다가 다이(die)로 잘라서 습기나 압력에 보호 받게 플라스틱이나 세라믹으로 포장(package)하는 어셈블리 (assembly, 반도체 조립) 사업이 있다. 웨이퍼를 가공하는 제조 라인을 FAB라고도 한다. 그 외에 반도체 장비 산업, 반도체 테스트 산업, 마 스크 제작 산업 등이 있다.
파운드리(foundry) 사업이란 무엇인가?
반도체 생산 라인(FAB)을 하나 건설하는 데는 약 2조 원 가량이 소 요된다. 그 정도를 투자할 회사는 많지 않다. 그에 비해 설계회사는 장비집약적이지 않아서 설계만 전문적으로 하는 회사들이 많이 있 다. 이런 회사들을 팹리스 컴퍼니(fabless company)라 하는데, 이런 회사들로부터 물량을 수주해 그 설계된 반도체를 제조해 주는 사업을 말한다. 즉 설계 자체는 자신이 하지 않고 제조만 전담하여 행하 는 사업으로 대만의 TSMC, UMC, 싱가폴의 채터드 세미컨덕터 (Chatered Semiconductor) 그리고 우리나라의 동부반도체가 파운드리 전문 회사이고, 종합 반도체 회사에서도 자체 물량만으로 남는 생산 여력을 이용하여 이런 사업을 한다.
반도체 조립 사업이란 무엇인가?
7장 중 '반도체 포장' 참조.
왜 DRAM은 SRAM에 비하여 집적도가 높은가?
DRAM은 메모리 셀이 NMOS 한 개와 캐패시터 하나로 이루어진 반 면 SRAM은 두 개의 PMOS, 네 개의 NMOS로 구성되어서 한 개의 셀을 구현하는 데 약 네 배 정도의 면적이 필요하기 때문이다(12장 중 '더러운 추억', '깔끔한 추억' 참조).
전원이 꺼져도 데이터를 잃지 않는 반도체 메모리는 플래시 메모 리뿐인가?
전원이 꺼졌을 때 데이터를 손실하는 DRAM, SRAM과 같은 메모리 를 휘발성 메모리(volatile memory), 전원이 꺼져도 데이터를 잃지 않는 메모리를 비휘발성 메모리(non-volatile memory)라 한다고 했다. 비휘발성 메모리에는 역사순으로 ROM(Read Only Memory), EPROM(Electrical Programmable Read Only Memory), EEPROM(electrically erasable and programmable read only memory), 그리고 요즘의 플래시 메모리가 있다. ROM 셀은 MOS 한 개로 구성 되며 반도체 회사에서 마스크로 프로그램할 수 있고 데이터의 수정 이 불가능하다. EPROM은 데이터를 쓰는 것은 전기적으로 가능하나 지우는 것은 자외선에 약 20여 분간 노출시켜야 하는 불편함이 있 다. 따라서 패키지(package)에 자외선을 쪼일 창(window)이 있다. 셀 은 MOS 한 개로 구성된다. EEPROM은 데이터의 쓰기와 지우기가 전기적으로 가능하여 약 10밀리초 정도면 가능하다. 셸은 두 개의 MOS로 구성된다. 플래시 메모리는 EPROM과 EEPROM의 장점을 모은 것으로 셀은 한 개의 MOS로 구성되어 있으면서 쓰기와 지우기 가 전기적으로 가능하다(12장 중 '광개토왕비' 참조).
왜 새로운 반도체일수록 전력 소모가 적은가?
전력은 전류 곱하기 전압이다. 그런데 반도체 기술이 점점 더 작은 디자인 물을 사용하면서 그 작은 디자인 불에도 MOS들이 견디려면 보다 낮은 전압을 사용해야 한다. 즉 동작 전압이 낮아져서 소비 전 력이 줄어드는 것이다.
반도체 제대로 이해하기 강구창 지음
