반도체의 개념과 이론

 

 

고체의 전기 전도성은 원자가 띠와 전도띠 사이의 띠 틈에 의해 결정된다. 도체의 경우 원자의 에너지 준위가 분리되어 에너지띠를 만들 때, 원자가 띠와 전도띠의 영역이 서로 겹쳐져서 띠 틈이 존재하지 않아 원자가 띠의 전자가 약간의 열에너지만으로도 전도띠로 건너 뛸 수 있거나, 전자가 원자가 띠를 가득 채우지 못해서 원자가 띠의 빈 공간이 전도띠의 역할을 한다.

 

반도체 소재는 크게 진성반도체(intrinsic semiconductor), 외인성 반도체(extrinsic semiconductor)로 구별하며, 외인성 반도체는 또다시 N형(Negative Type)반도체와 P형 반도체(Positive Type)로 나뉜다. 진성반도체는 '순물질'로 규정될 수 있는 물질로 이루어진 반도체이다. Si, Ga, As 등이 이러한 반도체로 원소의 종류에 따라 공유 또는 이온 결합한다.

전하를 운반하는 운반자를 캐리어(Carrier)라고 한다. 공유결합이나 이온에 속박되어있던 전자가 열에너지 등에 의해 전도띠 에너지로 들뜨게 되면 전기퍼텐셜에 의해 전하를 운반할 수 있다. 그런데, 전도띠로 전자가 들뜨게 되면 원자가 띠에는 전자의 빈자리가 생기게 된다. 전자의 빈자리가 생기게 되면 원자가 띠에 있는 전자들도 움직일 수 있게 된다. 그러나 원자가 띠에는 전자가 거의 꽉 들어차 있어서 이 많은 전자들의 운동을 기술하는 것은 불가능하다. 따라서 전자의 빈자리를 하나의 입자로 보고 이것을 캐리어로 기술하는데, 이 캐리어를 양공(Hole)이라고 한다. 불순물을 첨가한 외인성반도체는 주 캐리어가 양공인 P형(Positive type) 혹은 주 캐리어가 전자인 N형(Negative type) 반도체로 나뉜다. 이 때 추가하는 불순물을 도펀트(Dopant)라고 하며, 주 캐리어가 양공인지, 전자인지는 도펀트의 원자가 특성에 의해 결정된다. 간략히 설명하면, 도펀트가 바탕물질(Matrix)보다 원자가가 높으면 결합하고 남는 전자를 전도띠로 내어놓아 전자가 주 캐리어가 되고, 도펀트가 바탕물질보다 원자가가 낮으면 오히려 결합을 위해 많은 전자가 필요하여 원자가 띠의 전자를 흡수하므로 원자가 띠에 양공이 생겨 양공이 주 캐리어가 된다. 일반적으로 단위부피(1세제곱센티미터)당 바탕물질의 양은 10^22~10^23개의 원자가 있는데, 도펀트의 양은 보통 10^16정도이다. 따라서 수 만개 중 1개의 도펀트 정도가 물질의 전기적 특성을 바꿔버리는 셈이다.

 

 

 

 

 

 

 

반도체는 현재 우리 생활에 많은 곳에 쓰이고 있다. 모두가 들고 다니는 휴대폰의 필수 부품이고, 컴퓨터, 텔레비전, 등 거의 모든 전자기기에 반도체가 쓰이고 있다고 해도 과언이 아니다. 이렇게 우리 생활에 밀접해 있는 반도체에 대해 알아보는 시간을 가졌다.

에너지 띠 라는 것은 한 원자의 에너지 준위가 여러 개 모여서 형성하는 전자가 존재 가능한 구간이다. 원자가 띠는 바닥상태에서 전자가 존재하는 가장 높은 에너지 준위의 에너지 띠 이다. 전도 띠는 이 물질이 에너지를 받았을 때, 전자가 올라 갈 수 있는 원자가 띠보다 에너지 준위가 높은 에너지 띠 이다.

도체는 원자가 띠와 전도 띠가 겹쳐 있어 전자가 자유롭게 원자가 띠와 전도 띠를 오갈 수 있는 물질이고, 부도체는 원자가 띠와 전도 띠 사이의 간격(띠 틈)이 넓어 전자가 전도 띠로 가기 어려운 물질이다. 그렇다면 반도체는? 이 두 물질들의 특성을 다 갔고 있는 물질이다. 띠 틈이 가까워 에너지를 받으면 전도 띠로 전자가 갈 수 있는 물질이다.

반도체는 순수 반도체와 불순물 반도체로 나뉜다. 순수 반도체(진성반도체)는 14족 원소들인 Si, Ga, As 등이고, 전기전도성이 불순물 반도체에 비해 낮다. 불순물 반도체(외인성 반도체)는 순수 반도체에 도핑을 하여 전기전도성을 높인 반도체이다. 도핑을 할 때, 쓰는 물질에 따라 n형 반도체와 p형 반도체로 나뉜다. n형 반도체는 15족 원소들을 도핑하여, 결합 후, 남는 전자가 반도체의 전하 나르개 역할을 하는 반도체이다. p형 반도체는 13족 원소들을 도핑하여, 결합 후, 부족한 전자의 남는 자리인 양공이 전하 나르개 역할을 하는 반도체이다.

이처럼 반도체는 쓰임에 따라 맞는 형태로 제작 할 수 있다. 가정에 공급되는 교류 전원을 가전제품에 쓰기 위해 직류 전원으로 전환하는 정류 작용을 하는 다이오드는 반도체로 만든다. 또, 적은 전력으로 큰 효율을 내기 위해 증폭작용을 하는 트랜지스터도 반도체로 만든다. 이것 말고도, 자동차 충격 감지 센서, 스위치, 라디오 전원 등 여러 곳에 사용된다 그리고 앞으로 더 많은 곳에 사용될 것이다. 반도체가 없었다면, 현재와 같이 편안한 삶은 없었을 것이다. 반도체의 쓰임은 앞으로 더 활성화 될 것이고, 미래 기술에 핵심 요소가 될 것이라 생각한다.

반도체란 무엇일까. 분명히 우리 생활에 없어서는 안 될 정도로 아주 가까이에 있음에도 불구하고, 이 질문에 만족스러운 대답을 하는 사람은 생각보다 많지 않다. ‘전기가 통하기도 하고, 통하지 않기도 하는 물질’이라는 사전적인 의미만 이야기하는 사람들이 대부분. 그래서 총 세 번의 연재를 통해 반도체의 과거, 현재, 미래를 함께 살펴보면서 반도체에 대한 이해를 돕고자 한다.

반도체란 무엇인가

사전적 의미로 보면, 반도체는 말 그대로 전기가 잘 통하는 도체와 전기가 통하지 않는 부도체 중간의 물질, 그래서 딱 중간물질이라는 의미의 ‘반도체(半導體, semi-conductor)’다. 그럼 도체와 부도체의 중간물질이라는 반도체는 어떤 성질을 가진 물질인가. 반은 사람, 반은 물고기인 인어공주처럼 처음부터 서로 다른 성질의 물질 두 개를 붙여놓은 것일까. 아니면 치킨의 양념 반, 프라이드 반처럼 처음에는 같았던 것을 반으로 나누어 서로 다른 성질을 갖도록 만든 것일까. 아니면 영화 <트랜스포머>에 나오는 로봇들처럼 자동차와 로봇 사이를 맘대로 변화하는 것처럼 결국 그 근본은 같은 것이지만 필요에 따라 성질을 바꾸는 것일까.

 

이 중에서 반도체의 성질과 가장 비슷한 것을 고르라면, 그것은 아마 ‘트랜스포머’가 될 것이다. 하지만 트랜스포머보다 반도체를 더 비슷하게 잘 설명해줄 수 있는 것이 있다. 그것은 바로 두 얼굴을 가진 사나이 ‘헐크’다. 그렇다면 헐크와 트랜스포머와는 어떤 차이가 있을까. 둘 다 서로 다른 모습으로 변화하는 것은 같지만, 아주 중요한 차이가 있다. 트랜스포머는 로봇과 자동차로 변화하는 데 있어 자신의 의지로 언제든지 마음대로 바꿀 수 있지만, 괴물인 헐크는 그렇지 못하다. 평범한 인간에서 헐크로 바뀌는 데 있어서 자신의 의지가 아닌 자극으로 화가 나거나 흥분하면 괴물로 변하고, 그 외부 자극이 없어지고 흥분이 가라앉으면 다시 정상적인 인간으로 돌아온다.

이것을 다시 반도체와 결합해보자. ‘반도체란 외부 자극으로 전기가 흐르는 도체가 되거나 혹은 전기가 흐르지 않는 부도체가 되기도 하는 두 가지 성질을 임의로 조절할 수 있는 물질이다.’ 사전적 의미에 기술적 의미가 부가된 반도체의 정의라고 할 수 있다. 즉, 반도체는 수도꼭지처럼 외부에서 힘주어 열면 물이 흐르고 (도체), 잠그면 물이 흐르지 않는다 (부도체). 하지만 수도꼭지는 스스로 여닫고를 할 수 없다. 다시 말해, 반도체는 두 가지 성질을 다 가졌기에 양면성을 띠고 있다고 할 수 있다.

이렇게 외부 자극을 이용해 흐름을 조절할 수 있는 장치를 우리는 ‘스위치’라고 하는데, 앞서 설명한 반도체의 성질이 스위치의 성질과 비슷하다. 반도체의 여러 가지 기능 중에 가장 중요한 것도 바로 스위치 기능이다. 흔히 우리가 이야기하는 디지털 값인 ‘1’ 또는 ‘0’이라는 것이 반도체의 스위치 기능에 의해 전기가 흐르면 ‘1(on)’, 흐르지 않으면 ‘0(off)’이라고 표현할 수 있다. 이와 같은 스위치를 보통 ‘트랜지스터’라고 하는데, 이 트랜지스터 1개를 ‘1비트(bit)’라 하고, 이 비트가 8개 모이면 ‘1바이트(byte)’라고 한다. 우리가 물건을 셀 때 물건마다 다른 단위가 있는 것처럼 반도체 스위치 트랜지스터 개수를 셀 때의 단위를 ‘바이트’라고 이해하면 된다. 따라서 이 바이트는 반도체에 정보를 저장할 때 있어서 가장 최소 단위로, 쉽게 돈으로 비유하면 가장 최소 단위인 1원에 해당한다.

예를 들어, 어떤 반도체의 저장 용량이 ‘1메가(MB)’라고 하면 100만 바이트로, 1바이트는 8개의 비트 즉, 8개의 트랜지스터이니 그 반도체 안에 반도체 트랜지스터 스위치가 800만 개 만들어져 있다는 말이다. 그러면 ‘1기가(GB)’는 10억 바이트로 80억 개의 트랜지스터가 엄지손톱만 한 면적에 만들어져 있는 것이다.

그런데 80억 개라는 숫자가 얼마나 엄청난 집적도인지 감이 잘 오지 않을 것이다. 머리카락으로 비교해보자. 평균적으로 한 사람의 머리카락 개수는 약 10만 개다. 머리 묶을 때 10만 개가 다 묶어지지는 않지만, 대략 한 손에 모두 잡히는 한 움큼 정도가 된다. 그런데 이 머리카락 지름이 100㎛(0.1mm)라고 가정하고 머리카락 80억 개를 한 다발로 묶는다고 할 때 면적을 계산해 보면 약 62.8㎡, 즉 가로・세로의 길이가 각각 약 8m인 정사각형을 가득 채울 수 있는 면적이 된다. 웬만한 가정집 안방은 물론 거실보다도 넓은 면적이 된다.

이렇게 넓은 장소에 머리카락 두께의 작은 것을 촘촘히 배열해야 80억 개를 놓을 수 있는 숫자가 만들어진다면? 그리고 이 숫자를 엄지손톱만 한 면적에 넣었다면? 상상해보자. 정말 엄청난 집적도다.

반도체의 역사

반도체 원리의 시효는 ‘진공관’이다. 1970년대까지만 해도 라디오나 TV와 같은 전자제품에는 우리가 보는 반도체 대신 거의 진공관을 사용했다. 그런데 진공관은 부피가 너무 크고 전기도 많이 먹고 작동하는 데 시간이 오래 걸린다. 그 이유로 이를 대체할 수 있는 작고 효율적이며 빠르게 동작하는 장치를 고안하면서 지금의 반도체가 발명되었다. 그래서 당시 진공관을 사용했던 TV나 라디오는 전원을 켜면 지금처럼 바로 화면이나 소리가 나오지 않고 몇 분 기다려야 정상적인 화면이 나오거나 소리가 들렸다.

이렇게 불편한 진공관을 대체하는 반도체의 첫 번째 제품이라 할 수 있는 트랜지스터는, 전화기를 발명한 미국인 알렉산더 그레이엄 벨이 세웠던 벨 연구소에서 몇몇 과학자들에 의해 1947년 처음 개발됐다. 그리고 1961년 지금 우리의 고객인 TI(텍사스 인스트루먼트) 사에서 처음 양산을 시작한 후 지금의 인텔, 삼성과 같은 초거대 반도체 기업들이 탄생하게 되었다.

 

회사에서 일하다 보면 삼성, 인텔, TSMC라는 반도체 회사들의 이름을 듣게 된다. 이들이 생산하는 반도체들은 어떻게 다를까. 삼성에서는 신문 몇 년 치를 반도체 칩 하나에 모두 보관할 수 있는 몇 기가 램(RAM)을 만들었다고 하고, 인텔은 초당 연산 속도가 얼마인데 이는 1초 만에 무엇을 계산할 수 있는 속도라고 하면서 펜티엄 칩, 혹은 듀얼 코어 칩을 만들었다고 한다. 하나는 저장 용량을 광고하고 하나는 연산 속도를 광고하는데, 무엇이 다른 걸까.

우리는 흔히 반도체라고 하면 두 가지를 이야기한다. 저장이 주기능인 메모리 분야와 CPU와 같이 연산이 주기능인 로직(logic) 회로를 만드는 비메모리 분야다. 즉, 종이 매체로 비유하면 일기나 필기와 같은 기록을 위한 공책을 만드는 것이 메모리 분야고, 흥미 가득한 내용이 이미 인쇄된 책을 만드는 것이 비메모리 분야라고 이해를 하면 쉬울 듯하다. 당연히 똑같이 종이를 원료로 사용한다는 것은 같지만, 공책을 만들어 파는 것보다는 책을 만들어 파는 것이 더욱 이득이 높으므로 삼성도 이미 메모리 분야에서 세계 1위임에도 불구하고 꾸준히 비메모리 분야에 투자하면서 이 사업 분야에 더욱 집중하는 것이다.

사실 인텔도 처음에는 CPU뿐만 아니라 메모리를 생산했던 시절이 있었다. 삼성 덕분에 익숙해진 DRAM이란 메모리도 인텔이 최초로 만들었다. 하지만 일본 반도체 회사들이 메모리 반도체 시장에 진입함에 따라 경쟁이 치열해졌고 수익성 악화가 발생했다. 이에 따라 인텔이 1985년부터 과감하게 메모리 사업을 축소하거나 포기하면서 CPU와 같은 비메모리 분야에 전념하게 되었다. 그래서 1980년대 중후반에 386과 486칩이 나왔고, 곧이어 1990년대에 펜티엄 칩이 개발되었다. 이어 일본 메모리 반도체 회사들도 1990년대 들어 가장 늦게 반도체 시장에 뛰어든 우리나라의 삼성과 하이닉스의 추격에 그만 덜미를 잡히고 몰락의 길을 걸었다.

우리가 살 수 있는 면적은 제한적이다. 처음에는 전원주택과 같은 여유로운 주거 환경에서 점점 인구가 증가함에 따라 주택가 같은 밀집 지역이 생겨나고, 이어 5층 안팎의 연립주택으로, 또다시 10여 층 이상의 아파트단지로, 이제는 그 아파트들이 20층을 넘어 50층 이상의 초고층 아파트로 등장하기에 이르렀다. 하지만 기술의 한계로 무한정 높게 쌓을 수는 없고, 언젠가는 그 높이도 한계에 다다르게 될 것이다. 아마도 그때는 바다나 우주와 같은 또 다른 공간을 찾는 시도를 할지도 모르겠다. 

 

반도체도 이와 비슷하다. 제한된 면적에 트랜지스터의 크기를 작게 만들어 집적도를 높이는 방법은 그동안 매우 효과적인 방법이었다. 하지만 현재에 이르러서는 그 한계를 맞고 있는 듯하다.

 

무어의 법칙과 황의 법칙

1940년대에 반도체가 처음 발명되고, 1960년대에 집적 반도체가 처음으로 상용화된 이후, 반도체는 실로 눈부시고 숨가쁘게 발전되어 왔다. 인텔사의 공동 설립자이자 반도체 과학자였던 고든 무어(Gordon E. Moore)는 1년 6개월마다 반도체의 성능이 두 배로 개선이 된다는 ‘무어의 법칙(Moore's Law)’을 발표했고, 정말 30년 동안은 법칙으로 지켜지는 듯했다.

 

하지만 2000년대에 들어서자 삼성은 무어의 법칙을 깨고 자신들은 1년마다 두 배로 개선하겠다는 이론을 펼쳤고, 삼성전자 황창규 사장의 성을 따 ‘황의 법칙’이라고 이름 지었다. 그리고 이것을 실제로 실현함으로써 결국 삼성은 세계 반도체 시장 메모리 분야에서 세계1위의 독보적 위치를 차지하게 된다.

 

어쩌면 1년 6개월 혹은 1년이라는 이런 법칙 때문에 반도체가 필연적으로 스스로 발전했다기보다는 목표를 세우고 이를 위해 부단하게 노력해온 우리 반도체업계 종사자들이 흘린 땀 때문에 발전할 수 있었다고 보는 것이 옳을 것이다. 

여하튼 오늘날까지 반도체의 발전은 트랜지스터 크기를 줄여 제한된 면적에 더욱 많은 트랜지스터를 집어넣어 집적도를 높이는 방법으로 발전되어 왔다. 이와 같은 개발 방법은 지금까지 매우 효과적이었고, 그래서 무어의 법칙이든 황의 법칙이든 가능했었다. 1960년대 여유로운 시골 마을에서, 1970년대 밀집한 주택가, 1980년대 5층짜리 연립주택들, 그리고 2000년대 엘리베이터가 설치된 아파트 단지들까지, 이들 건물은 무어의 법칙처럼 1년 6개월만에 전국에 수백 수천 개씩 대량으로 빠르게 지어졌다. 지금은 40층 이상의 초고층 아파트들이 지어지고, 심지어는 100층이 넘는 건물도 지어지는 중이다. 

  
문제는 이와 같은 초고층 아파트는 20층 남짓한 아파트를 지을 때 사용하던 시멘트와 같은 재료와 기존 건설 공법으로는 만들 수 없다는 점이다. 그래서 새로운 건축 재료와 공법이 필요하게 되었다. 이처럼 반도체 개발에서도 지금까지 해온 것처럼 단순하게 크기만을 줄여 집적도를 높이는 고전적인 방법으로는 한계에 봉착한다. 그래서 한계에 다다른 무어와 황의 법칙을 이어가기 위해서는 새로운 재료와 기술이 필요하게 된 것이다. 

 

 

  
다소 어려울 수도 있겠지만, 반도체의 집적도를 이해하기 위해서는 트랜지스터 구조를 이해해야 한다. 반도체, 즉 트랜지스터에는 아래와 같이 회색으로 칠해진 실리콘에 전자 흐름의 입구라 할 수 있는 ‘소스(Source)’와 전자 흐름의 출구라 할 수 있는 ‘드레인(Drain)’이 있다. 습기가 있는 곳에 철을 두면 그 표면에 녹슬어 산화철이 만들어지는 것처럼, 실리콘을 고온으로 가열하면 표면에 녹슬어 산화실리콘이라는 물질로 바뀐다. 이 산화실리콘은 반도체의 특성을 잃어버리고, 전혀 전기가 흐르지 못하는 절연체가 된다.

 

 

 

지난 호에서 반도체에 자극을 주어 도체 혹은 부도체가 되도록 조절할 수 있다고 설명한 바와 같이, 이 산화실리콘 위에 자극을 주기 위한 스위치 역할을 해주는 게이트(Gate)를 연결하게 된다. 

  
앞서 설명한 반도체의 집적도를 높이는 방법으로 트랜지스터를 작게 만든다고 했는데, 그것이 바로 위의 그림에서 빨간색 화살표로 표시된 ‘전류 통과 길이’인 ‘게이트렝스(Gate length)’를 작게 하는 것이다. 그래서 이 거리를 숫자로 표시한 것이 32나노 혹은 20나노 반도체 디바이스라고 한다. 1나노(nm, Nano meter)는 1mm의 백만분의 1이다. 1mm도 작은데 그것의 백만분의 1이라니. 언뜻 느낌이 오지 않는다. 예를 들어 보자. 우리 키가 1m라고 해보자. 만약 이 키를 백만배 키우면 얼마나 될까? 1,000km가 될 것이다. 키가 1,000km면 우리나라 해남 땅끝마을에서 시작해 북한 백두산을 지나 한반도 북쪽 끝 두만강에 이르는 거리다. 

  
자, 다시 반도체로 돌아오자. 반도체의 가장 중요한 기능 중의 하나가 스위치 기능이다. 그럼 어떤 스위치가 좋은 스위치일까? 첫 번째, 스위치를 켜고 끌 때 그 전류의 흐름을 빠르게 연결하고 빠르게 끊어야 할 것이다. 두 번째, 스위치를 켰을 때 전류가 끊김없이 잘 흘러야 하며, 껐을 때는 전류가 전혀 흐르지 않아야 한다. 세 번째, 그 스위치를 켜고 끌 때 적은 힘으로도 부드럽게 켜고 끌 수 있다면 더욱 좋을 것이다. 

 

 

그럼 반도체 트랜지스터 스위치에 있어서 위와 같은 성능을 높이는 방법에는 무엇이 있을까? 트랜지스터의 성능을 높이는 가장 일반적인 방법은 두 가지가 있다. 첫 번째는 전자입구인 소스에서 전자출구인 드레인까지, 전류통과 길이인 게이트렝스를 줄이는 방법이다. 두 번째는 위의 그림에서 검은색으로 칠해진 절연체(gate oxide)의 두께를 줄이는 것이다.

 

이 두 가지 방법을 통해 트랜지스터 스위치를 조절하면서 게이트에 아주 작은 전류 자극을 걸어도 소스와 드레인 간의 적은 전류 흐름까지도 매우 빠르게 조절할 수 있게 된다. 만약에 이 반도체가 휴대전화에 사용된다면, 적은 전류로 트랜지스터들이 작동하기 때문에 결과적으로 배터리 소모를 줄여 한번의 충전으로 더욱 오랫동안 사용할 수 있게 한다. 그리고 게이트 렝스를 줄이면 트랜지스터 스위치의 성능을 높이는 것은 물론, 앞서 말한 반도체의 집적도를 높이는 방법이기도 해서 일거양득이 된다. 그래서 반도체 업계들이 끊임없이 게이트 렝스를 줄이고자 노력해 왔다.

 

그런데 이렇게 1960년대 반도체가 상용화한 후 40년이 지난 현재까지도 끊임없이 줄이다 보니 이젠 너무 작아진 게이트렝스가 다른 문제점을 유발하는 부작용이 나타나기 시작했다. 즉, 소스와 드레인 간의 서로 거리가 너무 가까워지다 보니,게이트에 전류 자극을 주지도 않았는데도 이들 사이에 조금씩 전류가 흐르는 ‘누설전류’가 나타나기 시작한 것이다. 게다가 그 반도체에는 수억 개의 트랜지스터가 집적되다 보니, 그 누설전류들 역시 무시할 수 없는 수준이 되었다. 마치 우리가 휴대전화를 사용하지 않는 대기 상태에서도 누설전류에 의해 계속 배터리를 소모하게 되는 원인이 되는 것처럼 말이다.