반도체 구조 원리 교과서

반도체 기술은 어떻게 미래를 만드는가
기술 한계를 돌파하는 최신 기술과 동향
HBM · EUV 노광 · TSV · 마이크로 식각

인텔이 세계 최초의 민간용 마이크로프로세서 4004를 만들었을 당시, 프로세스 룰(제조 공정에서 규정한 최소 단위)은 10μm(마이크로미터. 1μm는 0.001mm)였으며, 트랜지스터가 2,300개 쓰였다. 지금은 3nm(나노미터, 1nm는 0.001μm) 미세화 공정을 통해 트랜지스터 수십억 개 이상이 칩 하나에 집적된다.

본격적인 반도체 산업이 1970년대에 시작된 이래, 반도체 칩은 약 2년마다 트랜지스터 수가 2배씩 증가한다는 무어의 법칙을 충실히 따랐으며, 지금은 한계에 접어들었다는 비관적 평가에도 불구하고 칩의 성능을 올리기 위한 노력이 계속되고 있다. 반도체 기술은 지금도 계속 발전하며 기술적 난관을 돌파 중이다.

《반도체 구조 원리 교과서》는 이 같은 반도체 기술 현장의 특징과 현황을 고려해, 반도체의 기본 구조와 원리를 소개하고, 여기에 더해 최신 기술 동향과 미래 기술 전망까지 정리한다. 먼저 설계 부문에서는 C언어 기반의 설계 기술과 타이밍을 고려한 레이아웃 설계, IP 재이용 설계, 제조성 용이 설계 같은 주류 흐름을 소개하고, 제조 부문에서는 EUV 노광 장치와 마이크로파 식각 장치, 최신 실장 기술 등을 소개한다.

특히 반도체 관련 뉴스를 유심히 지켜본 독자라면 이 책 7장에서 다루는 패키지 기술에 관심이 쏠릴지도 모르겠다. 칩 여러 개를 한 패키지에 쌓는 SIP와 관통 전극 TSV 기술을 소개하는데, 이 기술들은 최근 들어 인공지능, 특히 대규모 언어 모델 사이에 경쟁이 심해지면서 많은 주목을 받고 있다. 대규모 언어 모델을 학습시키는 데에는 엄청난 수의 GPU가 필요하며, 여기에 쓰이는 고성능 메모리인 HBM을 적층 기술을 활용해 제조하기 때문이다.

이 분야의 선두주자는 SK하이닉스로 2023년 4월부터 12단 DRAM인 HBM3를 양산하고 있다. 《반도체 구조 원리 교과서》에서는 TSV 기술을 이용한 3차원 실장 기술이 어떻게 고밀도, 소형화, 고속화, 저전력화, 고기능화 등을 실현하는지를 제조 공정과 함께 소개한다. 왜 사람들이 이 기술에 주목하는지를 기술 차원에서 이해할 수 있을 것이다. 이 밖에도 F램이나 R램 같은 차세대 메모리 기술도 소개하며, 유니버설 메모리의 미래까지 점쳐본다.

삼성전자 · SK하이닉스 · TSMC
세계 최고의 회사는 어떻게 반도체를 만드는가
논리회로 구성에서 제조 공정까지 이해하다

《반도체 구조 원리 교과서》는 반도체에 관한 모든 궁금증을 날려주고, 지적 호기심을 채워줄 반도체 기술 입문서다. 반도체 개발 엔지니어 출신의 교수가 집필한 책으로, 철저히 기술 관점에서 반도체를 바라보고, 관련 지식을 소개한다. 핵심 개념을 가려 뽑아 방대한 반도체 지식을 책 한 권으로 정리했으며, 여러 도해와 그래프 자료를 활용해 쉽고 빠른 설명을 시도한다. 이 덕분에 누구든 반도체의 구조와 작동 원리, 제조 공정을 개괄적으로 이해할 수 있다.

이 책은 누구에게나 열려 있다. 투자 목적 때문에 반도체 업계에 호기심이 생긴 사람, 처음 반도체 공부를 시작하려는 초심자, 반도체 회사에서 처음 일하고자 하는 사람 등에게 유용함을 안겨준다. 삼성전자, 하이닉스, TSMC, 인텔 등 세계 최고의 반도체 제조사들이 어떤 원리로 반도체를 만드는지를 알려줄 것이다.
저자는 폭넓은 반도체 지식을 균형감 있게 다루면서도, 책 내용이 기초에서 심화로 자연스럽게 진행되도록 구성에 신경을 꽤 썼다. 간략히 살펴보면, 반도체란 물질의 속성을 소개하면서 책을 시작한다. 그 후에는 IC(집적회로)와 LSI(대규모 집적회로)의 정체 및 쓰임을 밝히고, 반도체 소자와 디지털회로의 작동 원리를 말한다.

일반인 눈높이에서 반도체를 밑바닥부터 기술적으로 진지하게 이해하는 것이 책의 목표인 만큼 2진수와 불 대수를 이용해 논리게이트를 만드는 기본 원리를 다루며, LSI를 어떻게 기획하고 개발하는지, 구체적인 제조 공정이 어떻게 되는지 또한 소개한다. 이 책으로 독자는 추상적이고 피상적인 이해를 넘어, 기술이라는 구체적인 관점으로 반도체의 시작과 끝을 가장 짧은 시간 안에 파악할 수 있다.

엔지니어 출신 교수의 쉽고 빠른 설명
반도체 기술의 진짜 면모를 알려주는 기술 교양서

저자는 미세화 기술이 계속 발전 중이며 10년 이내에 1nm급 미세화가 실현될 것으로 예상한다. 그러면서 아직 실현 가능성이 희박하지만, 원자 하나 또는 몇 개만으로 트랜지스터를 실현하는 기술을 소개하기도 한다. 현재는 DRAM 메모리가 약 10만 개의 전자를 콘덴서에 충방전해서 1비트를 기억하지만, 이 기술로 만든 메모리는 전자 하나 또는 몇 개로 1비트를 기억할 수 있다. 따라서 소비 전력이 약 10만 분의 1이 될 가능성이 있어서 만약 이 기술을 실현할 수 있다면 혁신을 일으킬 것으로 기대된다.

수십 년간 반도체 엔지니어로 살아온 저자의 전문성이 책 전반에 녹아 있다는 점도 책의 장점이다. 반도체 산업이 두각을 보인 시기는 1970년대부터다. 저자는 이때부터 반도체 제조 현장에서 일했으며 눈부시게 기술이 발전하는 모습을 직접 바라봤다. 지금도 현장 일선에서 회사 대표로 일하고 있으며, 반도체 기술 동향을 놓치지 않으려고 노력 중이다. 동시에 대학 강단에서 학생을 가르치고, 반도체 관련 책을 여럿 내기도 했다. 현장 경험이 풍부한 엔지니어 출신의 교수가 일반인과 초심자를 위한 책을 집필했다는 점에서 이 책은 반도체 기술을 기초부터 충실하게 알고자 하는 사람들에게 유용한 길잡이 역할을 한다.

세상을 이해하는 열쇠, 반도체
핵심 기술을 넘어 미래 기술까지 고찰하다

반도체는 현대 산업의 쌀로 불린다. 안 쓰이는 곳이 없을 만큼 최고의 범용성과 성능을 보이는 슈퍼 부품이 바로 반도체 칩이다. 미국과 중국의 패권 경쟁이 벌어지자 반도체 산업은 자연스레 주요 이슈가 됐으며, 미국은 자국의 반도체 산업을 다시 한번 일으킬 목적으로 주요 반도체 제조사의 공장을 미국 안으로 끌어들이며 여기저기서 갈등을 초래했다. 이런 이유로 반도체를 이해하는 일은 이제 세계를 이해하는 일이라고 해도 과언이 아니다. 우리 주변의 전자 제품이 작동하는 원리를 넘어 세계정세와 경제 분야에 이르기까지, 반도체는 세상을 이해하는 열쇠가 됐다. 엔지니어의 눈으로 반도체 기술의 핵심과 미래 조망을 담아낸 이 책으로 현대인의 교양이라 할 수 있는 반도체 지식을 쌓아보자. 세상을 바라보고 이해하는 안목이 조금은 올라갈 것이다.