지난 호에서는 전자패키지와 반도체의 원리, 기본 정보, 제조공정에 대해 알아봤다. 이번 호에서는 웨이퍼, 트랜지스터, 커패시터, 메모리에 대해 알아본다.

‌WAFER

첨단 디지털 시대의 ‘쌀’이라 불리는 반도체, 최근 친환경 청정 에너지원으로 각광받고 있는 태양전지 등은 실리콘 웨이퍼라는 재료가 반드시 필요하다. 예전에는 웨이퍼가 주로 반도체용으로 사용됐지만 최근에는 반도체산업과 태양광산업에 각각 60%와 40%의 비율로 웨이퍼가 소요되고 있다고 한다. 최근 고유가와 환경오염 등 세계적으로 태양광산업에 대한 투자가 폭증하면서 웨이퍼의 공급량이 턱없이 부족해 가격이 천정부지로 치솟고 있다. 또 가격이 폭등해도 웨이퍼를 원활하게 공급받을 수 없어 태양전지를 만들려는 기업들을 애태우고 있다.

1. 실리콘에서 웨이퍼까지
웨이퍼를 만들기 위해선 우선 모래나 차돌, 유리창, 수정 등 규사(실리카)로 이루어진 물질에서 고온 정제 공정을 통해 실리콘(SI)이라는 물질을 추출한다.
2004년 국내 기업인 KCC가 고순도 실리콘 웨이퍼를 생산하기 전까지는 미국, 독일, 일본, 프랑스 등 몇몇 국가들만 고순도 실리콘 추출 기술을 가지고 있었으나, 기술 개발을 통해 국내 차돌에서도 높은 순도의 실리콘 추출이 가능해졌다. 국산 차돌은 품질의 우수성을 인정받아 수출 금지령이 내려지기 전까진 일본 반도체 업계가 주로 우리 차돌에서 실리콘을 추출했다.
추출된 실리콘은 특정 가공 전에는 전체가 하나의 매끈한 실리콘 결정을 이루지 못하고 여러 가지 형태의 결정들이 모인 다결정 실리콘 형태가 된다. 하지만 반도체 용도로 사용하기 위해서는 하나의 덩어리로 된 단결정 실리콘이 필요하다. 따라서 단결정 실리콘으로 만들기 위해선 추출된 실리콘을 고온에서 녹인 후, 회전하는 작은 실리콘 결정과 결합시켜 둥그런 기둥형태로 만든다. 회전운동을 통한 원심력에 의해 다결정 실리콘은 결정방향이 고른 단결정 실리콘으로 만들어진다. 이때 회전하는 실리콘의 속도와 첨가제 종류에 따라 실리콘 기둥의 직경과 실리콘의 전기적 특성 등이 결정된다. 이렇게 회전을 통해 만들어진 단결정 실리콘 기둥을 ‘잉곳’(Ingot)이라고 부른다.
잉곳을 다이아몬드나 절단용 와이어를 이용해 단면으로 얇게 자른 판이 바로 웨이퍼이다. 잉곳의 지름이 곧 웨이퍼의 지름을 결정한다. 반도체 산업 초기에는 지름이 3인치에 불과할 정도로 작았지만, 최근에는 8인치, 10인치, 12인치 등 큰 웨이퍼 생산이 가능해져 웨이퍼 한 장으로 만들 수 있는 반도체 칩 수 또한 증가했다.
잉곳을 막 잘라 만들어진 웨이퍼는 실제 반도체용으로 넘겨지는 웨이퍼보다 약간 크고, 표면이 매우 거칠어 반도체 제조사에 그냥 전달하면 사용할 수 없다. 클린룸에서 연마제와 연마 장비(폴리싱 머신)을 이용해 결정을 다듬고, 연마를 거친 후에야 거울처럼 반짝이는 웨이퍼가 나오게 된다.
반도체용으로는 고순도 단결정 실리콘 웨이퍼가 사용되지만, 태양전지용으로는 단결정과 함께 다결정 실리콘 웨이퍼도 사용되고 있다.

2. 특성
반도체와 태양전지의 핵심 재료인 웨이퍼는 모래나 차돌 등에 포함된 규사(실리카)를 고순도로 정제해 만들어진 것이다. 이렇게 정제된 실리콘 웨이퍼는 실제 전기가 통하지 않는 부도체의 성질을 가지고 있는데, 가공 시 특정 첨가물로 인해 도체와 부도체의 중간 상태인 반도체의 성질을 띠게 된다.
웨이퍼의 주원료인 실리콘은 지각의 3분의 1 가량을 구성할 만큼 지구상에 풍부하게 존재하고 있어 안정적으로 얻을 수 있는 재료이며, 독성이 없어 환경적으로도 우수하다. 또 녹는점이 1414℃, 끓는점이 2335℃로 고열에 강하기 때문에 반도체나 태양전지로 만들어졌을 때 고온으로 인한 변형이나 오작동이 발생하는 문제를 최소화해준다.

‌TRANSISTOR

세계 최초의 트랜지스터는 1947년 12월, 벨연구소의 존 바딘, 월터 브래튼, 윌리엄 쇼클리가 점접촉 트랜지스터를 개발함으로써 탄생했다.
트랜지스터는 기존의 크고 다루기 어려운 진공관을 사용했을 때보다 효율적인 방식으로 전기 신호를 증폭시키는데 이용됐다.
트랜지스터가 대중의 관심을 이끌어낸 제품은 라디오였다.
트랜지스터라디오가 처음 나온 것은 1954년이었고, 이때 나온 라디오는 트랜지스터 4개를 내장했다. 이동하면서 손쉽게 들을 수 있는 라디오 덕분에 로큰롤이라는 음악 장르가 열풍을 타게 한 계기도 됐다.
아주 작은 On-Off Swich인 트랜지스터는 미세엔진이라고도 불리며 컴퓨터 정보처리를 가능케 하며 디지털 시대로 이끌었다.
1950년대 트랜지스터는 라디오와 전화기, 컴퓨터에 사용되기 시작했다.
당시 트랜지스터는 진공관에 비해서는 작았지만 최신 전자 제품에 사용될 수 있을 만큼 작지는 않았다. 이 때문에 트랜지스터의 가격을 절감시켜 대량 생산에 적합하도록 만드는 동시에 개별 트랜지스터가 엄청난 양의 2진법 계산을 처리할 수 있게 하는 방법이 필요했다.
1958년 텍사스 인스트루먼트(TI)사의 잭 킬비와 페어차일드 세미컨덕터의 로버트 노이스가 한 개의 직접회로(칩) 안에 수많은 트랜지스터를 내장시키는 방법을 발견했다.
1968년 인텔창업자인 고든 무어가 무어의 법칙(2년마다 칩의 집적도가 2배씩 증가)을 공개했다. 한 개의 작은 칩 안에 여러 개의 작은 컴포넌트들을 탑재시킨 것은 칩의 발전에 결정적인 요소로 작용했다. 이후 칩 집적도 향상은 40년 가까이 이어올 수 있었다.
트랜지스터의 구조를 그림 1에 나타냈다.

그림 1. 트랜지스터 구조

‌CAPACITOR

전기를 저장하는 장치하면 단연 ‘전지’가 떠오를 것이다. 하지만 실제로 전지는 전기를 만들어내는 발전(發電)의 개념을 가진 소자이고, 커패시터(그림 2)가 전기를 저장하는 축전(蓄電)의 개념을 가진 소자다.

그림 2. 커패시터 구성도

최근의 전자기기의 다양한 용도변화에 따라 커패시터도 사용되는 응용범위가 크게 확대되고 있다. 커패시터란 기본적으로 두 개의 전극을 구성해 전극 간에서 발생하는 전하의 흐름에 따라 본연의 기능을 발휘하는데, 일반적으로 사용되는 전극이 무엇이냐에 따라 종류를 구별한다.
알루미늄 전극을 사용하는 것을 ‘알루미늄 전해 커패시터’라 하고, 필름이나 탄탈륨 금속 등을 사용하는 것을 각각 ‘필름 커패시터’와 ‘탄탈륨 커패시터’로 구분 짓는다. 커패시터는 또 크게 양질의 전원을 공급하고자 하는 용도의 것으로 나눌 수 있다.
커패시터는 전극과 또한 전극에 사용되는 금속 간의 단락 (금속이 접촉해 전기가 저장되지 않고 통과되는 현상)을 방지하기 위한 유전체로 구성돼 있다. 따라서 커패시터의 특성은 이런 전극과 유전체, 그리고 전해질 등에 의해 좌우되는데, 일반적으로 전극의 면적이 크고 유전체의 두께가 얇을수록 전기를 많이 저장할 수 있다. 최근 전자기기에 사용되는 주파수가 지속적으로 높아지고 있어 그에 합당한 커패시터에 특성 증가가 요구되고 있다.
사용하는 환경에 따라 양질의 전원을 공급하고자 하는 고특성을 요구하는 전기제품과 많은 전기를 저장하고자 하는 전기제품으로 사용처를 나눠볼 수 있는데, 전자의 경우 적층 세라믹 커패시터(MLCC)가 널리 사용되고 있으며 후자의 경우 전기 이중층 커패시터(EDLC)가 사용되고 있다.
특히 최근 전자기기의 크기가 소형화되면서 여기에 합당한 크기를 갖는 커패시터의 개발 요구도 높아지고 있는데, 가장 작은 MLCC의 경우 이미 그 크기가 0.5㎜ 이하까지 소형화됐다.
커패시터의 오랜 수명(반영구적인 수명)과 높은 순간 출력의 특징을 활용해 저장 가능한 용량을 극대화시켜 보다 커다란 전기를 저장시킬 수 있는 커패시터가 개발됐는데, 대표적인 것이 EDLC이다. 이 제품은 친환경적인 제품으로 향후 응용범위가 크게 확대될 것으로 전망되고 있다.
현재 커패시터 시장 지배력과 기술력은 일본과 우리나라가 단연 압도적이며 여기에 중국이 맹추격을 해오고 있는 상황으로 우리나라는 고부가가치 제품에서 일본과 매우 치열한 기술경쟁을 벌이고 있다.

MEMORY

메모리의 종류 및 특징을 표 1에 정리했다.

표 1. 메모리 종류 및 특징

D램(Dynamic Random Access Memory)은 동적 램을 뜻하며, 기억력은 1000분의 64초(0.064초)로 기억력이 가장 짧다는 금붕어(3초)보다 47분의 1초 수준으로 짧다. 리프레시(Refresh)라는 동작을 통해 계속 기억을 되새긴다.
방안에서 헬륨가스가 든 풍선을 놓치면 풍선은 헬륨 때문에 천장에 붙어있게 된다. 이때를 1이라고 하고(커패시터에 전하가 찬 상태) 바람이 빠져 바닥으로 내려왔을 때를 0(커패시터에 전하가 없는 상태)이라고 하면 풍선이 아래위로 왔다갔다 빠르게 움직이기 때문에 D(Dynamic)램이라고 한다. 1을 유지하기 위해선 수시로 풍선에 헬륨가스를 넣어줘야 하는데 이를 리프레시라고 한다.
기억력이 짧은 D램을 사용하는 이유는 회로가 단순하고 집적도가 높고 하드디스크 드라이브(HDD)보다 동작속도가 빠르기 때문이다. D램은 HDD에 있는 프로그램을 빨리 읽어 들여 임시로 저장해 컴퓨터를 쓸 때 빠르고 편리하게 사용할 수 있도록 해준다. 자주 잊어먹는 버릇이 오히려 장점이 되는 것이다. 컴퓨터에서 작업 할 때 가장 필요한 것만 잠시 기억했다가 잊어버리고 또 새로운 내용을 기억하기 때문에 하드디스크 드라이브보다 상대적으로 적은 용량으로도 HDD에 있는 모든 데이터를 임시로 저장할 수 있다.
SD램, DDR(Double Data Rate) SD램, DDR2 SD램, 그래픽 D램 등이 있는데, DDR SD램은 SD램보다 두 배 빠른 도로를 가진 반도체다. SD램은 데이터를 처리하는 통로가       1개인데 반해, DDR SD램은 통로가 2개로 데이터의 처리속도가 빠르다. 또한 반도체 PIN이 168 PINS인 SD램에 비해 DDR SD램은 184PINS다. 데이터를 처리하는 방법에서도 차이가 나는데, SD램이 1초에 하나의 데이터를 보낸다면, DDR SD램은 1초에 두 개의 데이터를 보낸다.

1. 메모리 종류

메모리의 종류로는 낸드플래시, 노어플래시, 원낸드, 비휘발성메모리, STT램 등이 있는데, 이에 대해 알아본다.
· ‌낸드플래시 : NAND는 논리회로의 종류(Data를 읽고 쓰는 방식의 이름), FLASH는 순간적으로 반짝이는 빛으로 메모리 셀들의 Data를 섬광(Flash)처럼 단 한 번의 동작으로 지울 수 있게 조직화 된 것을 말한다. D램은 트랜지스터 1개와 커패시터 1개로 셀이 구성되지만 플래시메모리는 트랜지스터 1개로 하나의 셀을 구성 한다.      플래시메모리는 낸드와 노어플래시 2가지 종류가 있다. 반도체의 회로를 구성하는데 여기서 NOT+TACD NAND가 된 것이다. NAND AND(직렬)회로의 일종으로 회로가 직렬로 연결(1열 종대)되어 있기 때문에 Data를 읽을 때 순차적으로 Data를 찾아간다. 노어는 OR      (병렬)회로(1열 횡대)로 연결돼 있기 때문에 Data를 읽을 때 빠르고 쉽게 찾을 수 있다. 플래시메모리는 전원이 끊어져도 트랜지스터가 Data를 그대로 유지해준다. 그래서 비휘발성 메모리라고도 한다. 낸드는 노어보다 읽기속도는 느리지만 쓰기속도는 노어보다 훨씬 빠르다. 낸드는 순차적으로 쓰기 때문에 따로 셀의 주소를 기억할 필요가 없지만 노어는 금방금방 찾을 수 있는 대신 쓰기를 할 때는 각 셀의 주소를 기억해야하기 때문에 회로가 복잡하다. 낸드플래시는 주로 휴대폰과 MP3 등 모바일 기기에 주로 탑재한다.
· 노어(NOR)플래시 : 반도체 회로를 설계할 때 사용하는 4가지 논리 회로 가운데 NOT+OR을 줄여서 NOR라고 한다. 읽기는 빠르지만 쓰기는 느린 메모리다. 노어플래시는 각각의 셀에서 Data를 빨리 읽어 들이기 위해 각 셀마다 Data의 입출력을 위한 통로가 복잡하게 얽혀 있다. 이렇게 회로가 복잡하기 때문에 자연스럽게 각 셀의 크기가 클 수밖에 없고 동일한 크기의 낸드플래시보다 Data를 저장할 수 있는 공간이 상대적으로 좁다.
· 원낸드 : 낸드플래시, S램, 논리회로(LOGIC)가 결합된 제품으로, S램, D램, 플래시메모리 중 S램이 가장 빠르고, 낸드플래시는 비휘발성에 고용량, 논리회로는 빠른 속도와 고용량을 지원한다. 오어낸드는 노어플래시 진영인 스팬션이 노어플래시와 S램 등을 결합한 것이다. 원낸드(낸드플래시)와 오어낸드(노어플래시) 시장수성 경쟁이 심하다. 삼성전자의 독창적인 브랜드. 디지털카메라, MP3가 원낸드로 만들어지면서 노어플래시가 선정하고 있는 휴대폰으로 사용처를 넓히고 있다.
· 비휘발성메모리 : D램처럼 전원이 끊기면 데이터가 사라지는 휘발성 메모리와는 달리 전원이 끊겨도 저장된 정보가 지워지지 않고 그대로 남아있는 반도체로, 플래시메모리와 차세대 P램·M램 등이 대표적이다.
· STT램 : 3세대 M램을 일컫는다. 차세대 메모리 가운데 P램은 열을 가해 데이터를 저장하는데 M램은 열 대신 자력을 활용한다. 속도가 P램보다 10배 빠르고 이론적으로 수명도 무한한 것이 장점이다.

2. 차세대메모리
· F램(Ferroelectric Ram, 강유전체메모리) : 0과 1을 구분하는 전하를 저장하는 커패시터의 재료를 자연 상태에서 전기편극을 갖는 강유전체로 사용하는 메모리반도체이다.
· F램은 강유전체라는 물질로 만들어진 것으로, D램과 거의 동일한 구조(1개의 트랜지스터와 1개의 커패시터)와 동일원리를 갖고 있다. 커패시터의 중간에 들어가는 유전막질에 강유전체를 쓰는 것으로 강유전체에는 전계를 인가하면 전하가 축적되는데, 음의 전압을 가했을 때 0으로, 인식 양의 전압을 가했을 때 1로 인식해 이런 형태로 저장하는 것이다.  F램은 지난 1995년 미국의 램트론사(社)가 64Kb 제품을 처음 상용화한 이후 삼성전자를 비롯하여 세계 여러 반도체 기업들이 제품개발에 나서고 있다.
· M램(Magnetic Ram, 자성메모리) : 자기장의 성질을 이용해 N극과 S극 성질의 강자성물질을 데이터 저장에 활용하는 메모리반도체 터널접합전극의 자화(磁化)방향에 따라 0과 1을 인식하는 반도체다. 쉽게 말하면 막대자석과 같이 N극과 S극의 자성을 띤 물질의 자계방향(Spin up Spin down)에 따라 0과 1을 인식하는 형태로 이해할 수 있다.      이러한 개념은 HDD에도 동일하게 사용하여 M램은 인피니언, IBM, 모토로라, 일본NEC, 도시바 등이 개발하고 있으나 대용량화에 어려움· 이 있다.
· P램(Phase Change Ram, 상변화 메모리) : 특성물질에 전류를 가해 물질저항이 약한 고체형태나 강한 액체형태냐 하는 변화에 따라 PATA를 저장하는 방식의 메모리반도체이다.      P램은 물질의 상태가 변하는 것을 이용해 데이터를 저장하는 방식으로 정질(저항이 낮은 물질), 비정질(저항이 높은 물질) 상태에 따라 0과 1을 표시한다. 이는 유리에 열을 가하면 액체로, 열을 식히면 고체로 되는 것과 비슷하다.
-‌정질 : 물질내의 분자상태가 일정하고 고르게 분포돼있는 상태이다.
-‌비정질 : 물질 내 분자상태가 일정하지 않고 듬성듬성 어지럽게 있는 상태이다.
추가적으로 종전 메모리 반도체 장·단점을 표 2에 정리했다.

표 2. 종전 메모리 반도체 장·단점

3. 차세대 플래시메모리카드

세계 최초 플래시메모리카드는 1990년도에 개발된 노어플래시메모리(NOR Flash Memory)로 만들어진 1MB PCMCIA(Personal Computer Memory Card Interna-tional Association : 국제 개인용 컴퓨터 메모리카드 협회) 메모리 카드로, 주로 산업용 기기의 주요 동작 정보를 기억하는데 사용됐다.
1992년에 PC에서 많이 사용되고 있었던 플로피디스크(Floppy Disk) 대체용으로 도입됐는데, 작고 튼튼해서 가지고 다니기 쉬운 장점에도 불구하고, 비싼 가격 때문에 많이 사용되지 않았다.
플래시메모리카드가 본격적으로 각광을 받기 시작한 것은 디지털카메라가 보급되기 시작하면서부터다. 1994년 가정용 컴퓨터와 호환이 가능한 소비자 시장의 세계 최초 디지털 카메라인 코닥사와 애플이 함께 개발한 ‘퀵테이크(QuickTake) 100'이 시장에 나오면서 플래시메모리에 이미지를 저장하기 시작했으며, 이어서 1995년에 코닥 C40, 카시오의 QV-11, 소니의 사이버 샷 스틸 카메라가 출시되면서 디지털카메라는 대중화의 길을 걷는다.
디지털카메라의 인기는 더 많은 저장 공간을 요구하게 됐다. 처음엔 그 저장 공간으로 PCMCIA 카드를 이용하기 시작했고, 나중에는 보다 작은 컴팩트 플래시카드를 사용했다.
컴팩트 플래시카드는 1994년 미국의 샌디스크사에 의해 개발됐고, 낸드(NAND) 플래시메모리와 컨트롤러로 구성돼 아날로그 필름을 대체하면서 플래시메모리카드 시장이 형성되기 시작했다. 1995년에는 컴팩트 플래시보다 작은 스마트미디어카드(Smart Media Card)가 개발돼 1997년 이후 일본 업체의 디지털카메라에 탑재돼 범용화 됐다. 하지만 컴팩트 플래시와 스마트미디어카드는 크기가 크다는 단점이 있었다. 이에 따라 디지털카메라 및 휴대폰용에 적합한 MMC(Multi Media Card)가 1998년 등장했다.
다양한 플래시메모리카드 출현 배경은 디지털카메라 시장 성장과 밀접한 관계가 있다. 1997년 디지털카메라 시장이 100만대 미만에서 1998년 200만대, 2000년 580만대 등 매년 100%에 가까운 고성장을 지속함에 따라, 각 디지털카메라 업체는 각자의 고유 카드를 사용해 차별화 및 우위를 확보하기 시작했다.
플래시메모리카드 중 유일한 오픈 스탠다드 카드(Open Standard Card)인 MMC카드는 디지털카메라, 휴대폰, MP3 등 다양한 응용 처에 채택됐다. 하지만 오픈스 탠다드라는 이점 때문에 많은 업체들이 제작에 참여할 수 있게 되자, 이를 경계한 업체가 SD(Secure Digital)카드를 1999년에 개발했다.
사실 디지털카메라의 범용화는 플래시카드 시장을 급성장하게 만들었다. 반대로 플래시메모리카드는 일반 소비자가 사진 촬영 시 매번 구매해야하는 아날로그 필름의 불편함을 없애고, 촬영한 사진 데이터의 자유로운 전달 및 가공이 가능하다는 장점을 부각시켜 아날로그 카메라에서 디지털카메라로의 전환을 급진전시킨 촉매가 되기도 했다.
플래시메모리카드는 오픈 스탠다드인 MMC와 소니의 메모리스틱(Memory Stick), 올림푸스, 후지쯔에서 사용하는 xD픽쳐카드, 샌디스크, 마쯔시다, 도시바 등 3개 업체가 개발한 SD(MMC와 호환)가 있다. 이제 이처럼 각기 다른 플래시메모리카드가 하나로 단일화된다. 삼성전자, 마이크론, 노키아, 소니에릭슨, 스팬션, ST마이크로, TI 등 7개사는 국제반도체표준화기구가 추진하는 차세대플래시메모리카드(UFS) 표준 개발에 적극 협력해나가기로 합의했다.

장동규  한국마이크로전자패키징연구조합