반도체란? 왜 ‘반’도체라고 부를까?

반도체는 전기가 통하는 정도가 ‘도체’와 ‘절연체’의 중간인 물질로, 가장 많이 쓰이는 것은 실리콘이다. ‘반’은 바로 이 ‘중간’을 가리킨다. 금속만큼 전기가 잘 통하지도 않고, 유리나 플라스틱처럼 전기가 거의 통하지 않는 것도 아니다. 그러나 반도체를 이토록 중요하게 만든 것은 ‘절반만 통한다’는 점이 아니라 전기가 통할지 말지를 사람이 정할 수 있다는 점이다. 휴대폰과 컴퓨터 속 칩은 바로 이 성질로 만든다.

도체, 절연체, 반도체는 무엇이 다를까?

전기를 수도관 속의 물이라고 생각해 보자.

• 도체는 늘 열려 있는 수도관과 같다. 밀기만 하면 전기가 흘러간다. 전선 속 구리가 도체다.
• 절연체는 꽉 막힌 수도관과 같다. 아무리 밀어도 지나가지 못한다. 전선 바깥의 플라스틱, 유리, 세라믹이 모두 절연체다.
• 반도체는 밸브가 달린 수도관과 같다. 밸브는 평소 거의 닫혀 있어 아주 조금만 샌다. 하지만 열 수 있고, 얼마나 열지도 조절할 수 있다.

수도관 속을 흐르는 ‘물’은 사실 전자다. 금속에는 자유롭게 움직이는 전자가 아주 많아서 조금만 밀어도 움직인다. 절연체의 전자는 모두 원자에 단단히 붙잡혀 움직이지 못한다. 순수한 반도체는 그 중간이다. 전자 대부분은 붙잡혀 있고, 아주 적은 수만 움직일 수 있다.

그렇다면 왜 ‘반’도체라고 부를까?

이름은 전기가 통하는 정도를 보고 붙였다. 영어 semiconductor의 semi는 ‘절반, 부분’이라는 뜻으로, 전도 능력이 도체와 절연체의 중간에 있다는 말이다. 그러니 ‘반’은 전기가 절반만 통한다는 뜻도, 절반의 시간은 통하고 나머지 절반은 끊긴다는 뜻도 아니다. 정말 쓸모 있는 것은 그 밸브를 어디에서, 얼마나 열지를 사람이 정할 수 있다는 점이다.

가장 많이 쓰는 반도체는 실리콘, 왜일까?

실리콘(규소)은 원소의 하나로, 지각에 산소 다음으로 많은 원소다. 모래와 석영의 주성분인 이산화규소는 실리콘과 산소로 이루어져 있다. 칩에 실리콘을 쓰는 주된 이유는 다음과 같다.

• 원료가 많다: 실리콘을 포함한 광물은 어디에나 있다.
• 좋은 절연막을 스스로 성장시킬 수 있다: 실리콘은 고온에서 산소와 만나면 표면에 매우 균일한 이산화규소 막이 자라는데, 이것이 아주 좋은 절연체다. 칩 안에서는 곳곳에 ‘여기는 전기가 통하고 바로 옆은 통하지 않는’ 구조가 필요한데, 실리콘은 퍼니스에서 이 막을 바로 성장시킬 수 있다. 이것이 실리콘의 가장 큰 장점 중 하나다.
• 열에도 잘 견딘다: 최초의 트랜지스터는 또 다른 반도체인 게르마늄으로 만들었다. 게르마늄은 온도가 오르면 누설 전류가 쉽게 생기고 표면 산화막도 불안정해서, 이후 실리콘으로 대체되었다.
• 크고 가지런한 단결정으로 자란다: 원자가 가지런히 배열된 실리콘은 커다란 기둥 모양으로 성장시킨 뒤 웨이퍼로 자를 수 있다(웨이퍼는 왜 둥글까?).

도핑: 다른 원자를 조금만 넣어도 전기가 통하는 정도가 완전히 달라진다

칩용 실리콘은 먼저 아주 높은 순도로 정제해야 하며, 금속 불순물은 10억분의 1 수준까지 줄여야 한다. 그런 다음 특정 원자를 일부러 아주 조금 넣는다. 이 단계를 도핑(doping)이라고 한다.

넣는 양은 아주 적다. 적을 때는 실리콘 원자 약 1억 개에 하나, 많을 때는 약 1만 개에 하나 정도이고, 일부 영역에는 그보다 더 많이 넣는다. 그런데 이 정도만으로도 전기가 통하는 정도가 순수한 실리콘의 수천~수만 배가 되고, 많이 넣으면 100만 배를 넘기도 한다.

왜 이렇게 차이가 날까? ‘손’으로 생각해 보자. 실리콘 원자에는 ‘손’이 네 개(가장 바깥 껍질의 전자 네 개) 있어서, 각 손이 옆의 실리콘 원자를 하나씩 잡고 가지런한 격자를 이룬다. 손이 모두 서로를 잡고 있으니 전자가 움직이지 못하고, 그래서 순수한 실리콘은 전기가 잘 통하지 않는다.

• 인을 넣으면 n형: 인은 손이 다섯 개다. 실리콘 원자 하나를 대신해 이웃 넷과 손을 잡고 나면 손이 하나 남는다. 남은 그 전자는 잡아 줄 상대가 없으니 자유롭게 돌아다닐 수 있다. 움직이는 것이 음전하를 띤 전자이고, ‘음’은 영어로 negative이므로 n형이라고 부른다. 비소도 손이 다섯 개라서 효과가 같다.
• 붕소를 넣으면 p형: 붕소는 손이 세 개뿐이라, 이웃 하나의 손은 늘 잡아 줄 상대가 없어 빈자리가 하나 남는다(교과서에서는 이를 ‘정공’이라고 한다). 옆의 전자가 건너와 빈자리를 채우면 빈자리는 다른 곳으로 옮겨 간다. 한 줄로 늘어선 좌석에 한 칸만 비어 있을 때 사람들이 옆으로 한 칸씩 옮겨 앉으면 빈자리가 계속 이동하는 것과 같다. 전자 하나가 빠진 이 빈자리는 양전하처럼 행동하고, ‘양’은 영어로 positive이므로 p형이라고 부른다.

실리콘 덩어리 전체가 전기를 띠는 것은 아니다. n과 p는 움직이는 것이 전자인지 빈자리인지를 말할 뿐이다. 한마디로 어떤 원자를 넣느냐가 n형인지 p형인지를 정하고, 얼마나 넣느냐가 전기가 얼마나 잘 통하는지를 정한다.

팹은 원자를 어떻게 넣을까?

오늘날에는 대부분 이온 주입(ion implantation)을 쓴다. 붕소, 인 같은 원자를 전하를 띤 이온으로 만들고 전기장으로 가속해 실리콘에 곧바로 쏘아 넣는다. 들어가는 양이 전기가 얼마나 잘 통할지를 정하고, 속도가 얼마나 깊이 들어갈지를 정한다.

주입하지 않을 곳은 먼저 포토레지스트로 덮어 둔다. 포토레지스트의 패턴은 포토 공정으로 찍어 내므로, 어느 작은 영역을 n형으로, 어느 영역을 p형으로 만들지 아주 정밀하게 그릴 수 있다. 주입한 뒤에는 한 번 더 가열해(어닐링) 흐트러진 배열을 바로잡아야 원자가 제자리를 잡고 전기가 통하기 시작한다. 잘못 들어간 원자는 다시 꺼낼 수 없으므로, 이 단계에서 가장 경계하는 것은 설정을 잘못 쓰는 일이다.

전기가 통할지 말지를 제어할 수 있다는 것이 왜 그렇게 중요할까?

도체는 언제나 통하고 절연체는 언제나 끊겨 있어서, 둘 다 스위치가 될 수 없다. 반도체는 이쪽 작은 영역은 통하고 저쪽 작은 영역은 통하지 않게 만들 수 있고, 게다가 전기로 전환할 수 있다.

n형과 p형의 작은 영역을 나란히 놓고 제어용 전극을 하나 더하면 트랜지스터가 된다. 전기로 제어하는 작은 스위치로, 전극의 전압이 바뀌면 통함과 끊김 사이를 오간다(어떻게 그렇게 되는지는 ‘트랜지스터란?’ 참고). 스위치가 켜졌는지 꺼졌는지에 따라 선이 전원에 연결되거나 접지에 연결되며, 전압이 높으면 1, 낮으면 0을 나타낸다.

트랜지스터 이전의 전자 스위치는 진공관이었다. 작은 전구만 한 크기에 뜨겁고, 타서 고장 나기도 했다. 반도체로 만든 스위치는 작고 전기를 적게 쓰며, 1초에 1억 번 넘게 전환할 수 있다. 칩 하나에는 이런 스위치를 1억 개 넘게, 많게는 100억 개 넘게 넣을 수 있다. 휴대폰으로 사진을 찍고, 길을 찾고, AI를 돌리는 일도 결국은 이 스위치들이 켜졌다 꺼졌다 하는 것이다.

뉴스에서 말하는 ‘반도체’는 무엇을 가리킬까?

물질이 아니라 칩을 만드는 산업 전체를 가리키는 경우가 많다. 칩을 설계하고, 팹에서 만들고, 이어서 패키징·테스트를 거쳐 납품하기까지의 전 과정이다. 간단히 나누면, 반도체는 물질이면서 이 산업의 이름이기도 하고, 칩은 반도체로 만든 물건이다.

fab24hr에서는

fab24hr에서는 양산 팹의 주입 구역에 이온 주입 장비 IMP-01이 있다. 이온 주입 공정 엔지니어(양산 팹 › 공정 › 주입)로 플레이하면 모니터 웨이퍼의 면저항을 보고 주입량이 맞는지 확인하고, 주입을 마친 로트를 퍼니스 어닐링 순서에 넣고, 저녁 근무에는 세 로트의 레시피를 한 줄씩 대조한다. 붕소, 인, 비소, 그리고 에너지와 도즈다. 게임 속 회사, 인물, 장비 번호, 로트 번호, 수치는 모두 허구다. 반도체가 무엇인지, 도핑을 어떻게 하는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 업계 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.