Semiconductor *반도체란?--1947년-트랜지스트--1992년 64M DRAM, 1994년 256M DRAM을 세계 최초로 > IInformation technology 정보기술

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반도체 정의 https://news.skhynix.co.kr/post/semiconductor-definition
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업체별로 보면 삼성전자의 지난해 반도체 매출은 731억9700만 달러(약 90조원)를 기록해 시장점유율 12.3%로 1위를 차지했다. 이는 인텔의 지난해 시장점유율 12.2%(725억3600만 달러)와 불과 0.1%포인트 차이다.Apr 15, 2022
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[반도체 특강] 디램(DRAM)과 낸드플래시(NAND Flash)의 차이https://news.skhynix.co.kr › post › dr...
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May 15, 2019 — 반도체 메모리 디바이스의 대표주자, 디램(DRAM)과 낸드플래시(NAND Flash). 각각 저장 방법에 따라 응용 분야는 다르지만 데이터를 되도록 많이 저장 ...
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반도체산업의 역사
반도체는 휴대폰, 컴퓨터 등 전자장치의 입출력 및
주요기능을 수행하는 핵심부품으로 입출력, 감지, 연
산, 변환, 저장, 전달 등의 기능을 하는 것이다. 반도
체는 정보를 저장하는 메모리와 전자기기를 제어/운용
하는 시스템반도체로 구분하고 있고, 시스템반도체는
Software와 융합되어 전자기기의 부가가치를 결정한
다.
반도체는 1947년 미국의 벨연구소에서 세계최초로
트랜지스트를 개발함으로써 세상에 나오게 되었다. 이것
은 1957년 트랜지스트로 만든 라디오를 탄생시키는데
중요한 역할을 하였다. 이후 1958년 미국의 텍사스인스
트루먼트라는 회사에서 다수의 트랜지스터가 하나의 공
간에서 집적되어 있는 집적회로를 개발하였고, 기술개
발이 가속되어 1970년에 미국의 인텔에서 1K DRAM,
1974년 8bit CPU를 개발하여 출시하였다. 이후 애플,
IBM에서 반도체를 이용하여 개인용 컴퓨拷 만들었
고, 만약 이 당시 반도체의 개발이 없었다면 아직도 우
리는 개인용 컴퓨터를 사용하지 못 하였을 것이다. 이
후 반도체기술은 급성장하여 1983년 일본의 히다치에서
1M DRAM을 개발하였고, 이어서 국내의 삼성전자가 세
계최초로 1G DRAM을 개발하였다. 반도체기술을 계속
하여 발전되었고, 이를 통하여 개인용 컴퓨터의 기술은
급속히 발전되었다. 반도체는 휴대폰, MP3 등 모바일기
기가 세상에 창출되게 하였고, 우리에게 새로운 ICT문
화가 형성되도록 하였다. 지금은 스마트폰, 태블릿 PC
등 모바일기기의 기술에 가장 중요한 부분으로서 전자
기기의 발달에 지대한 영향을 미치고 있다.
우리나라 반도체산업은 1965년 미국의 Commy사
가 한국에 반도체조립공장을 세우면서 최초로 시작하
였다. 이후 한국반도체가 설립되었고, 이것을 1977년
삼성반도체가 인수하여 삼성이 반도체를 시작하였다.
1982년 한국전자통신연구원(ETRI)에서 32K ROM를
국내 최초로 자력으로 개발하였다. 1983년 삼성전자가
64K DRAM을 국내 최초로 개발함으로써 상용화된 반
도체를 자력으로 국내 최초로 개발하였다. 1992년 64M
DRAM, 1994년 256M DRAM을 세계 최초로 개발함으
로써 반도체강국으로 도약하는 계기가 되었다. 1992년
에는 수출을 100억불을 달성하였고, 1996년에는 메모
리반도체 세계 2위를 달성하였다. 현재는 메모리반도체
세계 시장점유율이 52%로 1등이고, 수출이 571억불로
단일 품목으로 우리나라에서 수출을 가장 많이 하는 품
목으로서 국가 경제에 많은 기여를 하고 있다.
반도체기술의 동향
반도체는 제품을 작게하는 기술을 지속적으로 개발하
여 왔다. 반도체의 크기는 3년에 50%씩 줄여서, 2000
년 이후 10년 동안 전자기기의 크기를 10분의 1로 줄이
는데 큰 역할을 해 왔다. 반도체 제조기술의 기본단위인
선폭의 크기가 2000년에 100나노미터를 돌파한 이후
지금 20나노미터급의 제조기술로 반도체를 제조하고 있
다. 향후 반도체기술은 지속적으로 작게 만드는 기술을
개발하고, 나아가 같은 면적에 많은 양의 반도체를 집적
시키기 위하여 새로운 기술을 개발할 것이다. 그러나 작
<저자 약력>
안기현 본부장은 SK하이닉스의 반도체부문에서 직장을 시작하여, 한국고덴시, KAIST 나노종합기술원, 한국반도체산업협회에서
근무하였으며, 성균관대학교에서 학사, 석사, 박사학위를 취득하였고, 현재는 한국반도체연구조합에서 연구개발지원본부장으로
재직 중이다. (khahn@ksia.or.kr)
반도체산업의 현황 및 미래
안기현
│
[MK위클리반도체]

압도적 1위는 '칩 설계' 왕국 미국

전세계 각국별 반도체 산업 영향력 집계 결과
사진설명전세계 각국별 반도체 산업 영향력 집계 결과 <자료=디지타임즈>
전세계 반도체 국가별 매출 집계에서 한국이 압도적인 메모리 반도체를 앞세워 2위를 기록했습니다. 파운드리 강국인 대만은 한국에 이은 3위를 기록했습니다. 1위는 칩 설계 강국인 미국이 차지했습니다.

시장조사기관 디지타임스는 최근 이 같은 내용을 담은 2022년 반도체 산업 보고서를 발표했습니다.

반도체 시장은 크게 메모리 반도체와 시스템 반도체로 구분됩니다. 매출 규모로 따지면 메모리 반도체가 35~40%를 차지하고 나머지 60%는 시스템 반도체 시장입니다.

1위를 차지한 미국은 5559억달러 규모의 지난해 반도체 시장에서 2739억달러의 매출을 기록했습니다. 전체 시장에 49.3%를 차지한 셈입니다.

미국은 특히 시스템반도체 칩 설계에서 강한 모습을 보이고 있습니다. 인텔, 엔비디아와 더불어 부동의 1위 AP칩 사업자인 퀄컴이 포진하고 있습니다. 메모리 반도체 제조 분야에서도 마이크론이 주요 사업자로 위치를 다지며 반도체 산업 최강국으로 군림하는데 든든한 뒷받침이 되어주었습니다.

메모리 강국 한국과 파운드리 최강자 대만 뒤이어

2위는 한국입니다. 한국은 메모리 반도체 생산에 집중한 삼성전자와 SK하이닉스 덕에 세계 2위 자리를 꿰찼습니다. 전체 반도체시장 점유율이 19.3%에 달합니다. 디지타임스는 "한국은 메모리 반도체 생산에 국한된 반도체산업의 약점을 극복하기 위해 칩 설계와 반도체 생산의 필수 재료인 웨이퍼 팹 분야에서 입지를 다지려고 노력 중"이라고 설명했습니다.

국가별 종합으로 보면 2위를 기록했지만 개별 기업으로만 따져보면 전 세계 매출 1위는 한국의 삼성전자입니다.

삼성전자는 지난해 매출 732억달러(약 89조8500억원)를 기록해 인텔(725억달러)을 누르고 1위에 다시 올랐습니다. 삼성전자 매출은 전년 대비 28% 증가했고, 인텔 매출은 같은 기간 0.3% 감소했습니다. 삼성전자(12.3%)와 인텔(12.2%)의 점유율 차이는 1%포인트였습니다.


세계 1위 지위를 유지하고 있는 파운드리(반도체 위탁생산)뿐 아니라 칩 설계에도 강한 대만은 반도체 매출 539억달러로 세계 3위에 올랐습니다. 그 선두에는 TSMC가 서 있습니다. 올해 최대 400억~440억달러(약 54조3000억원)를 투자해 미국 애리조나 공장과 일본 구마모토현 공장 신설, 대만 중남부 생산시설 확충에 나설 예정입니다. 이와 함께 올해 8000여 명에 달하는 직원 채용에 나설 것으로 예상됩니다.

4위는 반도체 매출 472억달러, 비중 8.5%를 차지하는 유럽이 차지했습니다. NXP, 인피니온 등이 포진하고 있는 유럽은 차량용 반도체에 특화되어 있습니다.

한때 반도체 최강국을 꿈꿨던 일본은 5위에 머물렀습니다. 지난해 총매출이 367억달러로 세계 시장의 6.6%를 차지했습니다.

투자 확대로 역전 노리는 유럽·일본·중국

유럽과 일본의 반도체 시장 영향력은 앞으로 더욱 커질 것으로 전망됩니다. 미국의 인텔과 대만의 TSMC가 각각 유럽과 일본에 새로운 전진기지를 세우겠다고 발표했기 때문입니다.

인텔은 유럽에 10년 동안 800억유로(약 106조5800억원)를 투자하겠다고 밝혔습니다. TSMC는 1조엔(약 9조6000억원)을 투자해 구마모토현 기쿠요마치에 공장을 짓고, 2024년 12월 생산을 시작할 계획이라고 밝혔습니다. 일본 정부는 자국 반도체 산업을 재건하기 위해 TSMC 공장 유치를 지원했습니다. 일본 정부는 구마모토에 반도체 공장을 짓는 TSMC에 4000억엔(약 3조8000억원)을 지원할 방침입니다.

디지타임스는 "일본과 한국의 좋지 않은 관계가 일본과 대만을 서로 더 가까이 끌어들이는 것으로 보인다"고 설명했습니다. 양국이 앞으로 더욱 힘을 합쳐 강력한 라이벌인 한국을 견제해나갈 가능성이 높다는 얘기입니다.

글로벌 톱5에 들기 위해 중국은 맹렬하게 추격해오고 있습니다. 중국의 세계 점유율은 6.1%로 일본을 따라잡기 목전까지 왔습니다. 디지타임스는 "중국 반도체 산업은 비교적 늦게 출발했지만 '빅펀드' 등 정부 지원에 힘입어 괄목할 만한 성장을 이뤘다"고 평가했습니다.

[오찬종 산업부 기자]
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[반도체 특강] 반도체의 정의
진종문
반도체특강
2021-04-16 진종문 교사



일반적으로 ‘반도체’라는 물체를 정의할 때는 문자 그대로 해석하는 경향이 많습니다. 영어로는 Semi(반, 半)와 Conductor(도체)의 합성어인 Semiconductor로, 우리말로 직역하면 반도체가 되는 것이지요. ‘반쯤은 도체’라는 의미로 우리는 이를 도체와 절연체의 중간 형태로 인지하고 있습니다. 그렇다면 전류가 반쯤 흐른다는 말은 정확히 어떤 의미일까요? 반도체의 ‘반쯤’은 규정하지 못하므로 좀 더 정확한 표현으로 정의하면 어떨까요?

1. 전류의 입장으로 바라본 반도체
도체와 절연체를 구분 짓는 기준은 ‘전류의 흐름’입니다. 전류가 흐르면 도체, 흐르지 못하면 절연체이지요. 그렇다면 도체와 절연체의 중간 영역에 있다는 반도체는 전류가 정확히 얼마만큼 흘러야 하는 걸까요? 10[A] 혹은 10[mA] 아니면 10[nA], 10[pA]? 이에 대해서는 그 누구도 정답을 내릴 수 없습니다. 전류가 반쯤 흐른다는 의미는 문학적인 수사어일 뿐, 이학적으로는 규정돼 있지 않기 때문이지요.

하지만 ‘흐른다(ON)’, ‘흐르지 않는다(OFF)’라는 이분법적 규정은 문학적으로나 이학적으로나 모두 가능해, 도체와 절연체를 정의하기에 타당하다고 볼 수 있습니다. 그러므로 반쯤 흐른다는 의미의 반도체는 어찌 됐듯 흐르는(ON) 범주에 포함되므로 ‘도체’로 간주해야 하겠지요. 따라서 전류의 입장으로 본다면 반도체는 도체의 카테고리에 넣어야 할 것입니다. 그렇다면 반도체를 굳이 도체와 구분 짓는 이유는 무엇일까요?

2. 절연성 재질을 도전성 재질로 바꾸는 도핑(Doping)
진종문_반도체특강_반도체정의-01.jpg

<그림1> 비저항치 변화에 따른 반도체의 절연기능/도전기능의 상관관계 @저서 ‘NAND Flash 메모리’ 참조
그 이유는 도체와 반도체, 절연체를 구분함에 있어, 물체의 특성이나 동작 현상보다는 ‘재질의 특성’에 의한 영향이 더 크기 때문입니다. 지구상에 존재하는 재질 중 특히 14족 원소인 순수한 저마늄이나 실리콘의 경우 절연성 재질이지만, 13족이나 15족을 적당한 농도로 화학적으로 섞어(도핑, Doping) 14족 원소와 결합(원자와 최외각 전자를 공유)하면 도전율(Conductivity, σ)이 높아집니다. 즉, 전기를 통하지 못하게 하는 정도를 뜻하는 비저항(Resistivity, ρ)이 낮아지게 됩니다. ▶<[반도체 특강] 20세기 최고의 발명품, 점접촉 트랜지스터> 편 참고 도핑 농도를 자유자재로 관리하면서 전류량을 원하는 만큼 조절할 수 있는 획기적인 기술 혁신이 이뤄지게 되는 것이지요. 이처럼 반도체의 매력은 도핑(확산 혹은 이온-주입 방식)을 통해 순수 실리콘인 절연체를 전기가 잘 통하는 도전성 재질로 바꿔준다는 것입니다. ▶<[반도체 특강] 이온-임플란테이션방식을 이용한 소스와 드레인단자 만들기> 편 참고

이때 도핑량에 따라 전도율 혹은 비저항치가 결정되는데, 절연재질보다 낮고 도전재질보다 높은 중간치의 비저항값을 갖도록 도핑을 한 재질을 반도체라 부르게 됐지요. 이 재질은 기판(N형/P형 Substrate), Well(N형/P형), 소스/드레인 단자(N형/P형), 폴리-게이트 단자 및 그 외 소소한 층을 구성하는 막(Layer) 등 종류가 다양합니다. 즉 반도체를 도전성 물체로 사용하기도 하고, 절연성 물체로 활용하기도 하지요. 따라서 ‘반쯤 도체’로 활용한다는 것은 모호한 정의라고 할 수 있습니다. (단, 3~4년 전부터 3D-NAND에서 전자를 가둘 때(저장할 때), 반쯤 도체 개념의 CTF라는 물질을 이용하기도 합니다만, 이런 저장을 예외로 할 경우, 반도체는 도체 아니면 부도체로 기능을 하고 笭윱求)

3. 도체/반도체/절연체를 구분하기에 용이한 비저항
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<그림2> 반도체에 영향을 끼치는 4개 상수
반도체는 여러 가지 변수나 상수로 표현하고 구분할 수 있지만, 재질의 특성을 절연체나 도체와 구분할 땐 변하지 않는 상수로 나타내는 것이 편리합니다. 반도체를 표현할 만한 여러 가지 상수 중, 반도체 내에서 고려되는 도전율이나 유전율, 투자율은 변수(전기장의 세기 혹은 자기장의 세기라는 변수가 개입)를 입력으로 해 전기적 혹은 자기적 특성을 도출해내야 하는 복잡성을 띱니다.

하지만 비저항 이라는 상수 ρ 를 이용하면 반도체의 입체적인 부피(길이와 면적)와 재질 특성을 이미 고정된 값(상수)들로 도출해낼 수 있으며, 온도 외 다른 변수들에 의해 쉽게 흔들리지 않는다는 장점이 있습니다. 따라서 반도체의 비저항 값은 10^-4~10^2[옴-미터] 정도로 구분할 수 있어서 재질의 특성을 나타내기가 편리합니다(자료마다 설정하는 범위가 약간 다름). 단, 이러한 비저항 값도 온도 변화에는 가변적일 수밖에 없습니다.

4. 결국 반도체란
진종문_반도체특강_반도체정의-03.jpg
<그림3> Tr 내부 구조와 비저항치 @ Old 모델을 적용한 구조
결국 반도체란, 전기가 통하지 않는 재질인 순수실리콘에 13족 혹은 15족의 불순물 원소를 화학적으로 결합(도핑)해 재질의 비저항 상수를 10^-4~10^2[옴-미터] 정도로 낮춘 물체라고 정의할 수 있습니다. 이러한 도핑 방식은 재질 혹은 막마다 각자 고유한 상수를 갖게 함으로써, 비(非)메모리와 메모리 디바이스 모두의 비저항상수 혹은 도전상수를 결정합니다. 이들 상수들 값에 의해 사전에 계산된 만큼 전하가 쉽게 혹은 어렵게 이동하지요. 아니면 전자를 포획하거나 저장시키는 기능까지 영향을 끼치게 됩니다. 메모리 디바이스는 그 외에도 유전상수(전하 축적이 비례) 혹은 투자상수(자속 밀도가 비례)에 의해서도 영향을 받습니다.

따라서 앞서 언급한 4개 상수(비저항, 도전율, 유전율, 투자율)를 조절해 드레인 전류량과 디램의 커패시터 및 낸드의 플로팅게이트 내 포획된 전자량을 결정합니다. 또 포획된/흐르는 전자들이 외부 전류의 흐름에 의해 받는 영향도 최소화 해야 합니다(값을 계산해 그에 따라 구조/재질 등을 변화시켜 전자의 흐름과 전자량들이 급격한 변화를 겪지 않도록 방어하지요). 결국 반도체를 조합시켜 만든 소자가 ON/OFF의 제 기능을 할 수 있게 4개 상수가 적절한 값을 갖도록 막의 재질을 변화시키는 도핑의 양 및 구조적 형태들을 변화시키게 됩니다.



절연체의 경우 산화 재질, 질화 재질, 실리콘 기반의 재질(갈륨비소 반도체 등) 등 그 종류가 매우 다양합니다. 그중 순수실리콘 재질의 절연체에 도핑을 통해 원하는 만큼의 전도성을 갖춘 재질로 만든 반도체가 대표적이지요. 한번 도핑 시킨 양은 변하지 않고, 또 그에 따라 반비례해 ‘비저항’값도 고정되겠지요. 축약해서 표현하자면, 반도체는 절연성인 실리콘에 13족 혹은 15족인 불순물을 도핑해 비저항 값을 변화시킨 도체라고 표현하면 되겠습니다. 반쯤 도체라는 반도체는 없습니다. 금이 아닌 것을 금으로 바꾸는 연금술은 오랜 세월 숱한 시도에도 결국 실패했지만, 도핑된 반도체가 탄생함으로써 20세기의 변형된 연금술은 성공했다고 볼 수 있겠네요.