얼마 전부터 '엔지닉'에서 하는 반도체 공정 스터디를 하고 있다.
약 2주 간의 프로그램으로, 매일매일 학습한 내용을 본인 블로그에 쓰는 과제가 있다.
네이버 카페에서 보고 지원한 프로그램이었기에, 본인의 네이버 블로그에 쓰지 않으면 혹여 매 주말에 있는 과제 검사에서 차질이 빚어질까봐
네이버에 스터디 과제를 쓰고 있는데 매주 과제 검사가 끝나면 그 주 분량의 포스트를 이곳, 티스토리로 옮겨오려 한다.
요즘 상당히 바빠 검증을 위한 과제에 세밀한 부분까지 꼼꼼하게 포스팅을 작성할만큼 많은 시간을 할애하기가 힘들어 과제를 의식이 흘러가는대로 구성에 별 생각 않고 써 내려간 적이 많다.
그래도 반도체에 대해 많이 공부했던만큼 반도체에 관해서 블로그에 글을 많이 써보고 싶다는 생각은 많이 하고 있어서,
혹시라도 이 블로그에서 반도체에 대해 정말 도움되는 정보글이나 설명글을 읽고 싶으신 분들은
나중에 시간 여유가 생기면 올릴 예정인 반도체 관련 글을 읽으시는 것을 추천드리고 싶다.
[그렇다고 언제 올리게 될지 확답하지도 못하는 것은 양해를 부탁드립니다. (_ _)]
본인은 화학공학을 전공하고 있는 대학교 3학년생이다. 반도체 기업 취업을 목표로 하고 있고 4학년을 목전에 둔 중요한 시기인지라, 일단은 황금같은 겨울 방학 동안 기업에서 원하는 사람이 되기 위해 만방으로 바쁘게 준비를 하려고... 노력하고 있기는 하다. 반도체 취업을 목표로 하고 있는 사람들은 누구나 다들 한 번씩은 들어봤을, 반도체 8대 공정. 본인 또한 작년 초의 대학 강의를 통해 8대 공정을 처음 접하고 난 뒤 나름대로 따로 인터넷을 통해 8대 공정의 지식을 알음알음 습득해왔다. 그러다 보니 자연스레 나름 반도체 8대 공정에 대해 남들보다 많이 잘 알고 있다는 (매우 잘못된) 근거 없는 자신감이 싹트게 되었다.
얼마 전에 반도체 기업 면접 질문들을 접해 볼 기회가 있었다. 본인은 그간 쌓아진 자신감에 취해, 면접에서는 그저 이미 알고 있는 지식을 동요하지 않고 침착하게 잘 정리해서 말하기만 하면 되겠다는 생각만을 하고 있었는데, 충격적이게도 면접 질문들의 대부분, '반도체 공정에서 플라즈마를 왜 사용하는가?' 따위와 같은 표면적으로는 기초적인 질문조차 대답하지 못하고 그저 멍하니 서있는 나 자신을 발견하게 되었고, 나의 헛된 자신감은 그렇게 한 순간에 무너져 내렸다. 그것이 얼마 전에 일어난 일이다. 충격 받은 마음을 추스리고 다시 심기일전 하여 반도체 8대 공정을 다시 한 번 기초부터 탄탄하게 배워 보자고 마음을 먹었다. 기초가 탄탄한 건물은 무너지지 않을 테니깐.
근 10년간, 반도체 취업 광풍으로 인하여 취준생의 반도체 취업에 대한 관심은 고조되어 있고 그에 부응하여 반도체 관련 지식을 접하는 것도 그렇게 어렵지 않은 일이 되었다. 시중에는 여러 업체에서 출판된, 취직을 위한 반도체 지식 서적들이 여러 종류가 있다. 그 중에서 엔지닉에서 출판된 '반도체 전공면접 합격의 모든 것'은 기초부터 심화까지 반도체 8대 공정의 내용을 잡을 수 있는 것으로 많이 유명한 책으로, 본인 또한 얼마 전에 들른 교보문고에서 이 책을 사왔다.
바로 이 녀석. 근데 처음의 결연한 마음 가짐과는 다르게 막상 책을 펼치고 좀 읽다 보니, 뭐라고 표현을 해야 하나, 그냥 책을 읽는 느낌이 강하게 들게 됐는데 (맞는 말이기는 하다만), 그런 이유로 좀 더 능동적으로 지식을 습득하기 위해 인터넷 강의를 찾아 봐 책과 함께 공부하기로 결정했다. 그러다가 엔지닉 사이트에서 책과 함께 들을 수 있는 반도체 강의 여러 종을 무료로 제공하는 스터디를 모집하고 있는 것이 아닌가? 고민할 겨를도 없이 바로 신청을 하여, 오늘부터 2주간의 반도체 스터디 활동을 시작하게 되었다.
매일 주어진 강의를 듣고 그에 대한 내용 혹은 소감 등과 함께 강의 내용에 관한 질문의 답변을 개인 블로그에 포스팅을 하는 것이 위 스터디의 조건이다. 그래서 앞으로 약 2주간 강의 내용에 대한 간략한 요약과 함께 소감과 질문의 답변을 블로그에 포스팅할까 한다.
반도체는 Semiconductor의 번역어로, 반(半)이라는 글자의 느낌 때문에 도체와 부도체가 반반으로 섞인 것 따위로 생각하기가 쉬운데, 이는 매우 잘못된 것이다.
반도체는 도체로 작용해야 할 때에는 무조건 도체로 작용해야 되고, 부도체로 작용해야 할 때에는 무조건 부도체로 작용해야 하는 물건이다.
제품 내에서 반도체가 이 역할을 얼마나 충실히 수행하냐에 따라서 제품의 성능이 갈리며,
이 역할을 칼같이 지키는 반도체를 만드는 것이 모든 반도체 회사가 이상적으로 지향하는 목표이기도 하다.
따라서 도체와 부도체가 50%씩 섞인듯한 이미지는 버리고, 반도체를 100% 도체가 될 수 있고 100% 부도체도 될 수 있는 신기한 물건으로 이해하는 편이 좋다.
그렇다면 또 하나 드는 의문은, 왜 Si가 반도체의 주 재료인가에 대한 의문.
결론적으로 말하자면,
매우 높지도, 낮지도 않은 적절한 Band Gap을 갖고 있고
SiO2라는 양질의 산화막을 가지며
정제와 반도체 공정 진행이 용이하고
구하기 쉽고 가격이 싸기 때문이다. (모래가 Si의 원료이다!)
이 내용은 뭐 반도체에 대해 차차 배워가면 알아서 알게 되는 내용이니 복잡한 설명은 생략.
다만 아주 조금만 첨언하자면, Si의 Band Gap은 1.12eV이고 Ge의 Band Gap은 0.67eV인데,
이 때문에 Ge는 Si보다 고온에서 동작이 매우 불안정하게 된다.
'Band Gap이 적다. = 전자가 Valence Band에서 Conduction Band로 전이하는 데에 드는 에너지가 적다.'는 서로 같은 말인데,
여기서 '열'은 '에너지'가 되니까,
같은 온도에서 열 에너지에 의해 Conduction Band로 이동하는 전자는 Ge에서가 Si에서보다 많다는 소리가 된다.
'그게 뭐가 문제죠?'하는 사람들은 간단하게 좀비 영화의 한 장면으로 일단 이미지를 연관시켜 놓는 게 좋다.
당신에게는 총 한 자루가 있고, 좀비들을 막아야 한다.
10 마리의 좀비와 100 마리의 좀비 중에 무엇을 상대하겠는가?
(그렇다고 전자가 없을수록 좋다는 것은 절대 아니다! 반도체에서는 제어될 수 있고 의도하고 예상할 수 있는 전자만을 좋아한다!)
어쨌든 Ge의 녹는점이 낮은 문제와 더불어 Ge의 Band Gap이 너무 낮아 고온에서 동작이 불안정하다는 문제 때문에
Ge의 Charge Carrier Mobility가 Si의 것보다 매우 높지만, 현 반도체 업계의 99%는 Si를 이용하여 반도체를 제조하고 있다.
MOSFET은 Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor의 약자로 구조와 원리를 생각하면, 매우 직관적인 용어이다.
MOSFET은 어려운 거 없고, 단지 금속(Metal)과 산화막(Oxide)과 반도체(Semiconductor)가 샌드위치처럼 쌓여있는 것이 전기장 효과로 스위치 기능을 하는 것이다.
아까 말한 바와 같이 MOSFET 발전사의 궁극적 목표는 전류가 흘러야 할 땐 뭘 해도 흐르고, 안 흘러야 할 땐 뭘 해도 안 흐르게 만드는 것이 끝이다.
MOSFET의 구조는 위의 그림과도 같은데,
앞서 말한 설명대로라면 그냥 전등 스위치랑 비슷할 거 같은 게 뭐가 저리 복잡하게 생겼나 싶을 것이다.
그러나 MOSFET을 수도꼭지와 비교하면 매우 간단하다.
물은 전류로, Source는 물이 흘러 들어오는 곳, Drain은 물이 흘러 나가는 곳, Gate는 수도꼭지 핸들로 생각하자.
다만, 완전 새 거에 반짝반짝한 수도꼭지가 아니라 녹 다 슬은 헐어버린 수도꼭지로.
수도꼭지 상태가 완전 말썽이라, 수도관 펌프가 고장나서 수도꼭지를 열어도 물이 자동으로 나오지 않고 수도꼭지 구멍에다가 누가 입을 대고 빨대로 빨아 올리듯이 흐읍하고 빨아 들여야 물이 나온다.
그리고 수도꼭지 핸들도 완전 녹슬대로 녹슬어서 몇 바퀴를 좀 돌려야 그제서야 관이 열리기 시작한다.
이때 입을 대고 빨아 들이는 힘은 Drain 전압이 되고, 관이 열리기 시작할 때까지의 핸들을 돌려야 하는 바퀴 수가 Threshold 전압이 된다.
물론 이렇게나 간단했으면 우리의 현재 삶은 2022년이 아니라 2122년의 삶과 같은 느낌이 되고도 남았겠지만, 일단 이 비유로 기초적인 동작을 생각하는 데에는 충분하다.
핸들을 일정 횟수 이상 돌리지 않으면 아무리 입으로 열심히 빨아 올려도 물 한 방울도 안 나온다.
또한 핸들을 다 돌려 놓아도 입으로 빨아 올리지 않으면 물 한 방울도 안 나온다.
이것을 그대로 MOSFET의 경우로 번역하자면,
Gate에 걸린 전압이 Threshold 전압보다 낮으면 Drain에 아무리 전압을 걸어도 전류가 흐르지 않는다.
Gate에 걸린 전압이 Threshold 전압보다 높아도 Drain에 전압이 걸리지 않으면 전류가 흐르지 않는다.
물론 미세화된 반도체에서는 그 경향이 조금 다르긴 하나 그것은 나중에 언급하도록 하겠다.
그럼, 저 두 문장이 성립하는 원리는 무엇인가?
NMOS를 가정하자. NMOS는 기판이 p형으로 Source와 Drain이 n형으로 도핑된 MOSFET이다.
이때 Gate에 +의 전압이 인가되기 시작하고,
Oxide를 사이에 두고 Gate와 Semiconductor는 Gate의 + 전압의 영향을 받게 된다. (이것이 Field Effect이다.)
건너편 이웃이 +를 띄니까 Gate와 가까운 Semiconductor 부분에 있던 정공은 멀리 떨어질 것이고,
반대로 전자는 Gate와 가까운 쪽으로 모여들 것이다.
n형 반도체와 p형 반도체는 자유전자와 자유정공 중에 어느 것이 더 많은가에 따라 결정된다.
그렇다면 Gate의 + 전압이 점점 강해질수록 Gate와 가까운 Semiconductor의 부분에는 점점 정공이 적어지고 전자가 많아지게 될 테니
어느 순간부터는 그 부분에서의 정공의 개수보다 전자의 개수가 더 많아지게 될 것이다!
이 말은 즉, 국부적으로 Gate 밑의 Semiconductor가 p형에서 n형으로 바뀌었단 소리와 같은 말이다.
본래 Gate에 아무런 전압이 걸리지 않았을 때,
Source - 기판 - Drain은 각각 n형 - p형 - n형의 순서가 되어 전류가 흐를 수 없는 구조였다. (다이오드의 동작 참조)
그러나 Gate 밑이 국부적으로 n형 영역이 되었다면,
Source - 기판 - Drain은 각각 n형 - n형 - n형의 순서가 되어 전류가 흐를 수 있다!
간혹 가다가 그렇다면 Gate 밑이 n형으로 바뀌면 전류가 흐르는 것이다라고 생각하는 사람이 있는데,
Gate로 열심히 n형 영역을 조성해 준 것은 단순히 지나갈 길을 터 준 것에 불과하다.
발전소가 다운됐는데, 컴퓨터 파워선 꼽았다고 컴퓨터가 켜지겠는가?
아무튼 Gate 밑의 Semiconductor가 p형에서 n형으로 바뀌는 것을 Inversion이라고 부르며
Inversion 영역을 만들기 위해 Gate 영역에 가해줘야 하는 전압을 Threshold 전압이라고 부른다.
그리고 바로 위에서 말했듯이, Inversion 자체는 전자가 지나갈 길을 터준 것에 불과하고
Drain에 + 전압을 걸어야 비로소 열심히 만들은 Inversion 영역을 통해 전자가 Source -> 기판 -> Drain으로 이동할 것이다.
Si가 반도체 재료로 자주 사용되는 이유와 MOSFET의 동작에 관해 아주 간략하게 정리했는데, 사실 이 얘기에도 더 파고 들어가면 얘기할 거리가 매우 매우 매우 많고 생략한 내용도 무지 무지 무지 많다.
어차피 나중에 시간이 나면 블로그에 반도체 공정 등에 관해서 글을 좀 써볼까 하는 마음을 조금은 갖고 있었기 때문에,
우선은 엔지닉 스터디 미션을 수행할 겸, 간단하게 질문 관련 내용을 쓰면서 블로그 글쓰기를 시작해보고 나중에 충분히 여유롭고 익숙해지면 그때 되어서, 지금 하지 못한 세부적인 내용들을 다뤄볼 생각이다.
데일리미션
Q1. 반도체의 주 재료가 되는 실리콘의 특성과 반도체에 실리콘을 사용하는 이유를 정리해보세요.
실리콘은 4족의 비금속 원소로, Unit Cell 내에 8개의 원자가 존재하며 서로 공유결합을 하고 있다. 실리콘은 적절한 수준의 Band Gap을 가지기 때문에 일반적인 작동 환경에서 적절한 수준의 전도성을 내면서 고온에서의 동작 또한 상대적으로 안정하다. 또한 실리콘의 원료는 모래로 구하기가 매우 쉽고 그것을 정제하여 Wafer를 제조하기 위한 고순도의 Ingot을 만드는 공정 또한 비교적 손쉽게 진행할 수 있다. 또한 녹는점이 높아 반도체 제조 시의 공정 진행이 용이하다. 그리고 무엇보다 실리콘은 양질의 산화막 SiO2를 가지기 때문에, Insulator의 역할이 작동에 매우 중요한 MOSFET에 있어 좋은 재료가 된다.
Q2. MOSFET의 정의와 특징을 정리해보세요.
MOSFET은 금속과 산화막, 그리고 반도체의 적층구조와 그로부터 일어나는 전계효과를 활용하여 전류의 흐름을 스위치하는 트랜지스터이다. MOS 구조의 Semiconductor의 좌우 양단은 NMOS에서는 n형, PMOS에서는 p형으로 도핑된 Source, Drain 전극과 접해 있는데, 중간에 위치한 Semiconductor는 NMOS에서는 p형, PMOS에서는 n형으로 도핑되어 있기 때문에 Drain에 올바른 방향의 전압이 인가되어도 Gate 하부의 Semiconductor 영역의 전기적 성질이 반대 도핑의 것으로 바뀌지 않는 한 전류가 흐를 수 없다. 그러나 Gate에도 올바른 방향의 전압이 인가되어, Gate 하부의 Semiconductor 영역에서 전하의 축적이 발생, 최종적으로 Inversion 현상이 발생하여 도핑 성질이 전환되면 비로소 전류가 흐를 수 있게 된다.