반도체 구조 원리 교과서 (논리회로 구성에서 미세 공정까지, 미래 산업의 향방을 알아채는 반도체 메커니즘 해설)

니시쿠보야스히코

웨스트브레인대표겸시즈오카대학정보학부객원교수.인텔이세계최초로4비트CPU를민간시장에내놓으며반도체산업이본격적으로부흥하던1970년대에처음업계로들어왔다.연필과종이로반도체를설계하던시절을회상하며현재의나노미터급공정에놀라곤하지만,끝없이발전하는기술을배우고익히면서최첨단기술현장을여전히예의주시중이다.한편대학에서후배양성에도신경쓰고있다.오랫동안개발현장에서쌓은경험이엔지니어를꿈꾸는후배들에게좋은길잡이가됐으면하는바람이다.
전기통신대학을졸업한후,시티즌시계주식회사기술연구소에서쿼츠시계용CMOS·IC를개발하면서연구생활을시작했다.이후다이닛폰인쇄주식회사마이크로제품연구소,이노텍주식회사,미에에이하이텍스주식회사등여러회사에서반도체칩을연구개발했다.이책에서는시대를관통하는반도체의기본구조와원리는물론이고,나날이발전하는첨단반도체기술의현재와미래를조망한다.

머리말1나노급미세화를향해발전하는반도체기술의놀라운여정

제1장반도체란무엇인가?
무조건알아두고싶은기본물성의이해

1-1반도체의일반적인특성
1-2도체와절연체의차이점은?
1-3반도체의이중인격
1-4반도체재료인실리콘은무엇일까?
1-5불순물종류에따라P형반도체와N형반도체가된다
1-6N형반도체,P형반도체의에너지구조
1-7LSI를탑재한기판,실리콘웨이퍼만드는법

제2장IC,LSI란무엇인가?
LSI의종류와애플리케이션

2-1고성능전자기기를실현하는LSI란무엇인가?
2-2실리콘웨이퍼위에서LSI는어떻게구성돼있을까?
2-3LSI에는어떤종류가있을까?
2-4LSI를기능측면으로분류하면?
2-5메모리종류
2-6오더메이드ASIC에는어떤종류가있을까?
2-7마이컴내부는어떻게돼있을까?
2-8온갖기능을원칩화,시스템LSI로발전하다
2-9시스템LSI탑재기기①휴대전화
2-10시스템LSI탑재기기②디지털카메라
칼럼IC,LSI이외에도반도체에는여러가지가있다

제3장반도체소자의기본작동
트랜지스터의기초원리배우기

3-1PN접합이반도체의기본
3-2전류를한방향으로보내는다이오드란?
3-3트랜지스터의기본원리,바이폴라트랜지스터란?
3-4LSI의기본소자,MOS트랜지스터란?
3-5가장자주쓰이는CMOS란무엇인가?
3-6메모리DRAM은어떻게작동하고기본구조가어떠한가?
3-7휴대기기에서활약하는플래시메모리란?
3-8DRAM,플래시의차세대를짊어지는유니버설메모리

제4장디지털회로의원리
어떻게계산하는지이해하기

4-1아날로그와디지털은무엇이다를까?
4-2디지털처리의기본,2진수란?
4-3LSI논리회로의기본,불대수란?
4-4LSI에서이용하는기본논리게이트란?
4-5논리게이트에서2진수로변환하기
4-6디지털회로에서덧셈(가산기)방법은?
4-7디지털회로에서뺄셈(감산기)방법은?
4-8기타주요디지털기본회로

제5장LSI의개발과설계
설계공정이란무엇인가?

5-1LSI개발기획부터제품화까지
5-2기능설계
5-3논리설계
5-4레이아웃/마스크설계
5-5회로설계
5-6포토마스크
5-7최신설계기술동향
5-8LSI전기특성의불량해석평가및출하테스트방법

제6장LSI제조의전공정
실리콘칩은어떻게만들까

6-1반도체를만드는모든공정
6-2세정기술과세정장치
6-3성막기술과막의종류
6-4박막은어떤식으로형성할까?
6-5미세가공을위한리소그래피기술이란?
6-6트랜지스터치수의한계를정하는노광기술이란?
6-73차원미세가공의식각이란?
6-8불순물확산공정이란?
6-9반도체소자를접속하는금속배선
6-10CMOS인버터의제조프로세스를이해하자
①PW포토마스크에서P웰영역으로이온주입
②열처리를해서P웰영역을넓힌다
③AR(ActiveRegion)영역만들기
④절연분리막(LOCOS구조의SiO2)을성막
⑤폴리실리콘을생성해서POLY마스크로MOS트랜지스터의게이트와폴리실리콘배선만들기
⑥PD포토마스크로PMOS영역이외를마스킹
⑦P형불순물(붕소)확산
⑧ND포토마스크로NMOS영역이외를마스킹
⑨N형불순물(인)의불순물확산
⑩층간절연막을생성해콘택트홀을뚫기
⑪METAL포토마스크로금속배선
⑫보호막생성
칼럼클린룸
칼럼실제포토마스크의사용개수와가격

제7장LSI제조의후공정과실장기술
패키징부터검사·출하까지

7-1실리콘칩을패키지에넣어검사·출하하기까지
7-2패키지형상의종류는아주많다
7-3BGA나CSP란어떤패키지인가?
7-4칩여러개를같은패키지에탑재하는SIP
7-5관통전극TSV를쓰는3차원실장기술
7-6더진화하는고밀도실장기술

제8장대표적인반도체디바이스
발광다이오드·반도체레이저·이미지센서·전력반도체

8-1광반도체의기본원리
8-2조명기구로서의백색LED등장
8-3방대한수의포토다이오드를집적화한이미지센서
8-4고속통신망을가능케한반도체레이저
8-5청색레이저가가능케한고화질장시간레코더
8-6전기에너지를아끼는데공헌하는전력반도체
8-7IC카드는초소형컴퓨터
8-8유통관리의구조를바꾸는무선통신IC태그

제9장반도체미세화의미래
더작게,더빠르게,더효율적으로

9-1트랜지스터의미세화구조는한계가어디까지인가?
9-2미세화는전자기기의고성능화를가속한다

참고문헌
찾아보기

반도체기술은어떻게미래를만드는가
기술한계를돌파하는최신기술과동향
HBM·EUV노광·TSV·마이크로식각

인텔이세계최초의민간용마이크로프로세서4004를만들었을당시,프로세스룰(제조공정에서규정한최소단위)은10μm(마이크로미터.1μm는0.001mm)였으며,트랜지스터가2,300개쓰였다.지금은3nm(나노미터,1nm는0.001μm)미세화공정을통해트랜지스터수십억개이상이칩하나에집적된다.
본격적인반도체산업이1970년대에시작된이래,반도체칩은약2년마다트랜지스터수가2배씩증가한다는무어의법칙을충실히따랐으며,지금은한계에접어들었다는비관적평가에도불구하고칩의성능을올리기위한노력이계속되고있다.반도체기술은지금도계속발전하며기술적난관을돌파중이다.
《반도체구조원리교과서》는이같은반도체기술현장의특징과현황을고려해,반도체의기본구조와원리를소개하고,여기에더해최신기술동향과미래기술전망까지정리한다.먼저설계부문에서는C언어기반의설계기술과타이밍을고려한레이아웃설계,IP재이용설계,제조성용이설계같은주류흐름을소개하고,제조부문에서는EUV노광장치와마이크로파식각장치,최신실장기술등을소개한다.
특히반도체관련뉴스를유심히지켜본독자라면이책7장에서다루는패키지기술에관심이쏠릴지도모르겠다.칩여러개를한패키지에쌓는SIP와관통전극TSV기술을소개하는데,이기술들은최근들어인공지능,특히대규모언어모델사이에경쟁이심해지면서많은주목을받고있다.대규모언어모델을학습시키는데에는엄청난수의GPU가필요하며,여기에쓰이는고성능메모리인HBM을적층기술을활용해제조하기때문이다.
이분야의선두주자는SK하이닉스로2023년4월부터12단DRAM인HBM3를양산하고있다.《반도체구조원리교과서》에서는TSV기술을이용한3차원실장기술이어떻게고밀도,소형화,고속화,저전력화,고기능화등을실현하는지를제조공정과함께소개한다.왜사람들이이기술에주목하는지를기술차원에서이해할수있을것이다.이밖에도F램이나R램같은차세대메모리기술도소개하며,유니버설메모리의미래까지점쳐본다.

삼성전자·SK하이닉스·TSMC
세계최고의회사는어떻게반도체를만드는가
논리회로구성에서제조공정까지이해하다

《반도체구조원리교과서》는반도체에관한모든궁금증을날려주고,지적호기심을채워줄반도체기술입문서다.반도체개발엔지니어출신의교수가집필한책으로,철저히기술관점에서반도체를바라보고,관련지식을소개한다.핵심개념을가려뽑아방대한반도체지식을책한권으로정리했으며,여러도해와그래프자료를활용해쉽고빠른설명을시도한다.이덕분에누구든반도체의구조와작동원리,제조공정을개괄적으로이해할수있다.
이책은누구에게나열려있다.투자목적때문에반도체업계에호기심이생긴사람,처음반도체공부를시작하려는초심자,반도체회사에서처음일하고자하는사람등에게유용함을안겨준다.삼성전자,하이닉스,TSMC,인텔등세계최고의반도체제조사들이어떤원리로반도체를만드는지를알려줄것이다.
저자는폭넓은반도체지식을균형감있게다루면서도,책내용이기초에서심화로자연스럽게진행되도록구성에신경을꽤썼다.간략히살펴보면,반도체란물질의속성을소개하면서책을시작한다.그후에는IC(집적회로)와LSI(대규모집적회로)의정체및쓰임을밝히고,반도체소자와디지털회로의작동원리를말한다.
일반인눈높이에서반도체를밑바닥부터기술적으로진지하게이해하는것이책의목표인만큼2진수와불대수를이용해논리게이트를만드는기본원리를다루며,LSI를어떻게기획하고개발하는지,구체적인제조공정이어떻게되는지또한소개한다.이책으로독자는추상적이고피상적인이해를넘어,기술이라는구체적인관점으로반도체의시작과끝을가장짧은시간안에파악할수있다.

엔지니어출신교수의쉽고빠른설명
반도체기술의진짜면모를알려주는기술교양서

저자는미세화기술이계속발전중이며10년이내에1nm급미세화가실현될것으로예상한다.그러면서아직실현가능성이희박하지만,원자하나또는몇개만으로트랜지스터를실현하는기술을소개하기도한다.현재는DRAM메모리가약10만개의전자를콘덴서에충방전해서1비트를기억하지만,이기술로만든메모리는전자하나또는몇개로1비트를기억할수있다.따라서소비전력이약10만분의1이될가능성이있어서만약이기술을실현할수있다면혁신을일으킬것으로기대된다.
수십년간반도체엔지니어로살아온저자의전문성이책전반에녹아있다는점도책의장점이다.반도체산업이두각을보인시기는1970년대부터다.저자는이때부터반도체제조현장에서일했으며눈부시게기술이발전하는모습을직접바라봤다.지금도현장일선에서회사대표로일하고있으며,반도체기술동향을놓치지않으려고노력중이다.동시에대학강단에서학생을가르치고,반도체관련책을여럿내기도했다.현장경험이풍부한엔지니어출신의교수가일반인과초심자를위한책을집필했다는점에서이책은반도체기술을기초부터충실하게알고자하는사람들에게유용한길잡이역할을한다.

세상을이해하는열쇠,반도체
핵심기술을넘어미래기술까지고찰하다

반도체는현대산업의쌀로불린다.안쓰이는곳이없을만큼최고의범용성과성능을보이는슈퍼부품이바로반도체칩이다.미국과중국의패권경쟁이벌어지자반도체산업은자연스레주요이슈가됐으며,미국은자국의반도체산업을다시한번일으킬목적으로주요반도체제조사의공장을미국안으로끌어들이며여기저기서갈등을초래했다.이런이유로반도체를이해하는일은이제세계를이해하는일이라고해도과언이아니다.우리주변의전자제품이작동하는원리를넘어세계정세와경제분야에이르기까지,반도체는세상을이해하는열쇠가됐다.엔지니어의눈으로반도체기술의핵심과미래조망을담아낸이책으로현대인의교양이라할수있는반도체지식을쌓아보자.세상을바라보고이해하는안목이조금은올라갈것이다.