반도체란 무엇인가?

실리콘의 정의

실리콘 = 모래의 주성분
지구에서 산소 다음으로 많은 원소
특별한 성질: 전기가 반만 통함 (반도체)
- 구리선: 전기가 잘 통함 (도체)
- 플라스틱: 전기가 안 통함 (부도체)
- 실리콘: 조건에 따라 통하기도, 안 통하기도 함

반도체 칩의 개념

반도체 칩 = 수십억 개의 초소형 스위치(트랜지스터)를 모아놓은 창고

쉬운 비유

반도체 칩 = 초거대 아파트 단지
트랜지스터 = 각 집의 전등 스위치
스위치를 켜고 끄는 조합으로 0과 1을 표현
이 0과 1의 조합이 모든 계산과 데이터 저장을 가능하게 함

실제 규모

스마트폰 칩: 약 150억 개의 트랜지스터
각 트랜지스터 크기: 머리카락 두께의 1/5000
초당 수십억 번 on/off 반복

반도체 제조 과정

1. 웨이퍼 준비

웨이퍼란?

웨이퍼 = 피자 도우 같은 실리콘 원판
아직 아무것도 안 그려진 깨끗한 도화지 상태
보통 지름 30cm (12인치)

제작 과정

고순도 실리콘을 녹여 원통형 단결정 덩어리(잉곳) 제작
잉곳을 얇게 썰어 원판 모양의 웨이퍼 제작
표면을 매끄럽게 연마

2. 회로 설계 및 마스크 제작

컴퓨터로 회로를 설계하고, 각 층별로 패턴을 담은 마스크(포토마스크) 제작

3. 반복되는 핵심 공정

다음 과정을 여러 번 반복하여 층층이 회로를 쌓음:

주요 공정들

산화: 웨이퍼 표면에 절연막 형성
포토리소그래피: 감광액 도포 → 마스크로 패턴 전사 → 현상
에칭: 불필요한 부분을 선택적으로 제거
이온 주입: 불순물 주입으로 전기적 특성 변경
증착: 금속이나 절연물질을 얇게 입힘

4. 금속 배선

여러 층의 금속 배선을 형성하여 트랜지스터들을 연결

5. 테스트 및 패키징

웨이퍼 테스트: 각 칩의 작동 여부 검사
다이싱: 웨이퍼를 개별 칩으로 자름
패키징: 칩을 보호 케이스에 넣고 외부 연결 단자 부착
최종 테스트: 완성된 제품의 성능 검증

반도체의 층 구조

실리콘 웨이퍼와 트랜지스터의 관계

트랜지스터는 웨이퍼 자체를 변형시켜 만듦!

웨이퍼 = 종이
트랜지스터 = 종이에 구멍 뚫고 색칠해서 만든 스위치

실제로는:

실리콘 웨이퍼의 표면을 가공해서 트랜지스터 제작
특정 부분에 불순물을 넣어 전기적 성질 변경
웨이퍼 자체가 트랜지스터의 일부가 됨

층 구조 이해하기

[금속 배선 3층] ═══════════
[금속 배선 2층] ═══════════  
[금속 배선 1층] ═══════════
[트랜지스터층] ▣▣▣▣▣▣▣▣
[실리콘 웨이퍼] ▬▬▬▬▬▬▬▬

왜 금속 배선이 여러 층일까?

복잡한 회로를 연결하려면 층이 필요!

도시 도로의 비유:

평면 도로만 = 교차점에서 막힘
고가도로, 지하도 = 교차 없이 통과 가능

수십억 개의 트랜지스터를 연결하려면 10층 이상의 금속 배선 필요

중요한 포인트

트랜지스터는 한 층만! (웨이퍼 표면)
금속 배선은 여러 층 (복잡한 연결을 위해)
1층 건물(트랜지스터) + 복잡한 전선 네트워크(금속 배선)

전체 과정 요약

깨끗한 실리콘 웨이퍼에서 시작
웨이퍼 표면에 트랜지스터들을 만듦
그 위에 금속 배선을 10~15층 정도 쌓음
웨이퍼 하나에 수백 개의 칩이 완성
개별 칩으로 잘라내서 포장

소요 시간: 2-3개월

환경: 클린룸 (극도로 깨끗한 환경)

정밀도: 나노미터 단위

반도체 제조 과정 이해하기