반도체 기본 개념 정리

반도체

• 메모리 반도체 : 정보를 저장하는 역할

• 2018년 기준 대한민국 수출 20%이 반도체

• Foundry : 반도체를 설계부터 생산까지 너무 많은 기술이 들어가기 때문에, 설계와 재작이 나뉜다. 이때 재작만 하는 사업이 Foundry 이다. 설계만 하는게 Fabless 사업

• EUV(Extreme Ultra Vieolet) : 반도체 위에 미세한 회로를 새겨놓는 공정.. 도면을 입히는 과정, EUV를 사용해서 파장이 짧은 빛으로 더욱 정교한 작업 가능

• 시스템 반도체 : 저장된 정보를 기반으로 연산, 명령을 내리는 역할 (=비메모리 : 우리나라가 메모리반도체를 잘하다보니 시스템 반도체를 비메모리라고 부르게 됨)

• 우리나라가 메모리 반도체만 더 잘하는 이유 : 메모리 반도체는 소수의 기업으로 할 수 있는 산업이기도 하고 메모리 반도체산업을 먼저 시작해서 더 발달했고 시스템 메모리는 비교적 덜 발달하게 됨

• 시스템 메모리는 팹리스/디자인하우스/파운드리/테스트패키지로 역할이 분리되어있어 여러 기업이 필요함

• 팹리스: 칩설계를 만드는 회사

• 디자인하우스: 잘 생산할 수 있도록 설계를 최적화하는 역할.

• 파운드리: 칩을 만들어주는 회사

• 멀티 프로젝트 웨이퍼: 여러회사들의 테스트칩 수천개를 한번에 한판으로 찍는 것

• 왜 시스템 메모리가 대세인가?: 시스템 메모리를 잡으면 4차 산업을 잡을 수 있다!

S.LSI(시스템 반도체) 이미지 센서

• 반도체 이미지 센서: 필름역할, 상이 맺히는 망막역할

• 포토 다이오드: 빛을 전기로 바꿔주는 역할. 실리콘 기반의 반도체. 가장 작은 단위가 픽셀

• 간섭현상: 빛이 수직으로 들어오는게 아니기 때문에, 옆 포토 다이오드에 영향을 끼치는 현상. 이로인해 사진의 색번짐이 보이기도 한다.

• 아이소셀을 통해 칸막이 역할로 간섭현상을 줄였다...

• 어두운 환경이 되면 작은 픽셀은 충분히 빛을 받지 못한다. 테트라셀을 통해 4개의 픽셀을 합쳐, 빛을 더 많이 받을 수 있게...

메모리 반도체

DRAM

• 휘발성 - 조건에 따른 저장과 삭제. 일시적 저장

• 정보를 빨리 부르고 빨리 처리하기 위함

• 여러 종류의 칩과 모듈이 있다.

• 칩: 저용량, 작은 크기 : 핸드폰, 얇은 노트북용

• 모듈(여러 칩들을 모아서 큰 용량) : 데스크탑, 서버용

NAND Flash

• 비회발성 - 전원, 시간과 상관없이 저장

• DRAM보다 1000정도 느리다.

• 용량이 상대적으로 크다

• 스마트폰 임베디드(embedded) 스토리지: eMMC- 내장형 멀티미디어 카드, eUFS- 초고속 플래시 메모리

• SSD: 서버와 PC향

• 데이터 센터: 온라인 속 거대한 저장소, 안정성이 중요한 클라우드 서비스가 활성화 되며, 수요가 급증하고 있다.

• 슈퍼사이클: 새로운 설비 공장을 만드는데 2년정도 걸리고, 수요가 폭증해도 이를 따라잡기 까지 2년이 걸리며, 사이클이 생긴다

• 시스템 반도체는 주문형반도체이다.(pre-order) 누가 얼마에 몇개를 살지 이미 정해져있다. 수요=공급.

SoC

SoC (System on chip)

• 오디오, 모뎀, CPU, GPU등 여러 소자, 블럭들을 하나의 칩으로 구현하는 반도체

• 주로 스마트폰이나 테블릿 제어에 활용

• 가지고 있는 모든 기능을 가장 효율적으로 운용하기 위해

• 제한된 환경에서 효율적인 일처리

• 작게 만들수 있고, 이로인해 기기가 안정화 되고, 가격대비 제조 비용도 아낄 수 있다.

• MCU (Micro Controller Unit): 간단한 연산을 하는 Soc, 냉장고나, 전자레인지 등에 활용

• IP(Intellectual Property, 지식자산): 반도체에서는 주로 반도체 설계자산, 특허

• 각 IP를 정확한 위치, 최적화된게 배치

• 스마트폰, 테블릿 PC, 자동차, IoT, 웨어러블기기 등의 활용처

SD

• 하드디스크: 데이터가 저장되어있는 디스크를 읽는다. LP판과 같은느낌

• SSD: 디지털 방식

SSD가 빠른이유

1. 디지털 방식으로 데이터 저장 (디스크가 아닌 반도체 사용)

2. 하나의 컴퓨팅 시스템이다. 컨트롤러, D램, Nand가 다 있다. CPU와 병렬로 SSD 내에서도 처리가 가능하다.

NAND Flash

• 낸드플래시: 디지털 데이터 저장. 조그만 칩에 데이터를 저장할 수 있는 수십억개의 방(셀)이 있다.해당 방에 전기가 잇으면 1, 없으면 0이다.

• 해당 셀 종류에 따라 TLC, QLC가 다르다

• SLC(Single level Cell): 이진법의 정보를 한셀에 한 비트만 저장 할 수 있다.

• TLC, QLC: 한셀에 여러 bit 저장. triple, qurdraple. 간섭없이 한셀에 더 많은 bit 저장.

• SLC로 갈수록 속도는 빠르나, 더 적게 저장할 수 있다. 용량대비 더 비싸다

• NAND, D램, 컨트롤러, SW까지 종합적인 요소로 평가된다.

• 임의 읽기 속도 (IOPS, Input Oupt per Sec)) : 분산되어있는 (주로OS) 파일을 불러올 때

• 연속 읽기 속도 (Mb/s) : 하나의 큰 파일을 불러올때 사용

DRAM

• 트랜지스터는 스위치 역할, 캐패시터는 그릇 역할 0,1이다.

• 간단한 구조로 인해 속도가 빠르다.

나노 = 디자인 룰

• 디자인 룰: 반도체를 만들기 위한 규격. 회로를 이루는 트렌지스터 끼리사이의 간격

• 작아질 수록 칩 사이즈가 작아지고, 원가가 절감되며, 소비전력이 작아진다.

• 칩이작아지면 커패시터도 작아지며, 이로인해 전자가 저장되어있는지 불분명 해지며, 전자가 새어나가는 것도 잡아야한다.

• DDR3, 4 세대에 맞는 CPU를 사용해야한다.

• SDR : 한 클럭(=주기) 데이터를 한번만 처리

• DDR: 한 클럭당 데이터를 두번 처리 (5V일때, -5V일때)

소재 (포토레지스트/불화수소 사용법)

포토공정 (노광공정)

웨이퍼에 회로 설계도를 새기는 공정. 나노공정의 미세한 회로를 웨이퍼 위에 사진을 찍듯이 찍어내는 것.

• 포토 레지스트가 필요. 웨이퍼 위에 빛에 반응하는 포토레지스트를 발라놓고 노광

• 설계도가 새겨져있는 마스크라는 투명한 판에 순간적으로 빛을 쏘면 렌즈를 통해 축소하여, 웨이퍼에 미세하게 회로를 새겨 넣을 수 있다.

 

• 빛의 파장에 따라 그릴 수 있는 회로가 다르다. 빛의 파장이 짧을 수록 미세한 밑그림을 그릴 수 있다. ex) 가장 파장이 짧은 EUV 설비를 통해 미세한 회로를 그릴 수 있다.

• 빛의 파장에 따라 포토 레지스트도 다르다. 특정 빛에 반응하는 물질이 다르기 때문이다. 최적화된 포토레지스트가 필요하다.

에칭공정 (식각공정)

• 포토공정에서 마스크를 통해 형성된 패턴에서 드러난 부분을 깎아내기도 하고, 마스트가 없이도 막질간의 성질차를 이용해서, 원하는 부분을 선택적으로 깍는 것도 가능

• 주로 실리콘 산화물과 반응을 잘하는 불화수소를 이용해서 깎는다. 에칭 공정마다 사용하는 물질이 다 다르다.

• 불화수소의 순도에 따라 불량률이 결정된다. 순도가 높을 수록 수율↑, 불량률↓. five nine = 99.999%

수율

• 순도가 높은 소재 사용

• 좋은 성능의 포토레지스트

• 에칭소재 개발

• 사용량 공정시간 온도등의 조건, 공정 레시피 최적화가 중요하다.

PU

• CPU: Central Processing Unit: 연산을 통제하는게 주 목적

• GPU: Graphic Processing Unit: 그래픽 점을 찍어 이미지를 구현하는게 주 목적

• 성능 효율: 1 CPU = 4 GPU = 40 NPU

• 목적에 따라 CPU, GPU, NPU를 사용하며, NPU의 경우 딥러닝에 가장 효율적이다.

반도체 개발

• 상품기획 : 고객과 시장의 니드를 반영하여, 제품의 스팩과 기능을 구체화 하는것

• 회로 설계(설계팀): 스펙과 기능을 구현하기 위해 설계. 회로 심블을 시뮬레이션을 거쳐 회로도를 설계

• 레이아웃 설계(설계팀): 회로설계를 바탕으로 실물 반도체를 배치 연결 설계

• 공정 설계(PA 팀): 실물구현을 위한 공정 설계. 수율(웨이,퍼 한장에서 나오는 정상품 비율)에 가장 큰 영향
• 1차공정) 초기 단계에선 칩이 하나라도 작동하면 다음단계로 넘어간다.
• 이후 각 공정에 따른 최적조건 생성 공정 순서와 조건에 대해 끊임없이 최적화. 최적 생산 생산 레시피. 양산할 수 있는 정도의 수율까지로
• PE 팀: 불량품의 기준과 불량 테스트 기준, 성능 검증의 방법 - 모든 유관부서가 같이 정한다.
 

반도체 소프트웨어

역할

1. 파일 저장 해둘 위치 결정

2. garbage collection: 낸드의 단점 중 하나인, 읽기/쓰기 단위가 다름. 이를 관리하는 역할

3. Wear leveling: 낸드 단점 중 하나인, 수명의 한계를 극복하기 위해. 각기 다른 쓰고 지운 횟수를 비슷하게 유지 하게 끔 관리 한다.

4. TLC, QLC에서의 잘못된 bit를 가져올 경우 오류 보정

5. 입출력의 온도 기억하여 온도로 인한 bit 입출력 차이를 보정

모바일 AP

DDI (Display Drive IC)

• 이미지 센서는 빛에너지를 전기로 변환한다면, DDI는 전기(디지털)를 빛에너지(아날로그)로 출력

• 하나의 픽셀이 RGB로 구성되어있고, 0~255중 어떤 값을 나타낼지를 DDI가 픽셀에게 명령을 내린다.

베젤의 역할

1. 외관상 디자인측면 (패널 숨키기)

2. 여러가지 칩들을 보호하기 위해

DDI와 베젤

• LCD는 백라이트 때문에 휠수 없다.

• 그러나 OLED는 자체발광으로 백라이트가 필요없고, 휘어서 뒤로 넘겨 배젤을 얇게 할 수 있게 되었다.

DDI 종류

T-CON

반도체 패키징 & TSV

패키징의 역할

SIC (System In Package)

TSV(Through silicon Via)

반도체 소자구조 기초 및 GAA

반도체

평면형 트렌지스터 (Planer)

전류는 앞에서 뒤로흐른다

보라색이 GATE : 미세공정이 되며, 접촉면이 줄어들고 있다.

20나노 공정까지 사용

 

FinFET (Field Effect Transistor)

전계효과를 이용한 트렌지스터

3D구조로되어 보라색과 면접하는 면적이 늘어남

14나노 부터 사용 (현재 양산 중)

GAA (Gate All Around)

공정이 미세하게 되어, FinFET으로도 부족

4면에서 접촉하고 있는게이트

3나노부터 적용 예정

MBCFET (Multi Bridge Channel)

가느다란 nano와이어형태의 GAA를 nanoSheet형태로 만듬

게이트가 둘러싸고 있는 chanel이 여러개 있다

삼성 고유의 특허/기술력

글로벌 메모리 시장현황과 제품 Hierarchy

메모리 반도체

• 칩: 웨이퍼에서 잘라낸 조각 (= 다이)

• 패키지: 여러층으로 쌓거나 기능을 추가하여 절연 소재로 싸는것

• 모듈: 여러개의 패키지가 기판에 붙어, PC나 서버 등에 사용되는 것 (ex. 판매되고있는 DRAM)

파워소자 PMIC(Power Management IC)

SSD

SSD 응용처

1. 클라이언트 PC

2. 데이터 센터: 구글이나 아마존에서 클라우드 서비스를 위해.

3. 기업용 제품: 기업의 이메일이나 기밀정보들. 신뢰성과 성능이 중요. 회사 내부의 서버를 위함. 복구화 기술, 암호화 기술을 통해 신뢰와 보안을 강조.

클라이언트 PC용 SSD

• SATA: 예전 하드디스크부터 사용. 컨버터가 필요하다. 통로가 하나밖에 없으며, NVMe에 비해 느리다.

• NVMe: 컨버터 없이 여러 통로를 사용.

• SAS: 기업향 인터페이스. 보안과 신뢰성이 강화된 기능

• 2.5인치 SSD: 하드디스크 때부터 사용되었던 물리적인 폼팩터. 하드디스크의 가장 작은사이즈에 맞춰 나옴

• M.2 SSD: SSD는 굳이 클필요가 없기 때문에 슬림하게 제작. 노트북, 데이터 센터 등에 활용.

• BGA 폼팩터: PC, 스마트폰에 내장되어 나올만큼 작은 사이즈. 엄지손가락 만하다.

• HHHL: 데이터센터, 기업향으로 많이 사용되는 하드 디스크. 일반사용자들의 경우 주로 초고사양 PC에 사용