반도체 기초, 메모리 시스템 반도체, 반도체 공정 정리

< 1. 반도체의 기초 >

• 반도체(2종류) - 메모리 / 시스템 반도체

 

• 메모리 반도체
  • 우리나라 1위
• 시스템 반도체
  • 메모리 반도체보다 시장 규모가 크다
  • (= 비메모리 반도체)
  • 시스템 반도체 산업(2종류)
    • 1. 파운드리
      • 재봉사
      • Foundry. 팹리으세어 가져온 설계를 위탁 생산하는 곳
    • 2. 팹리스
      • 디자이너
      • Fab(반도체 공장) + less : 공장이 없는. 반도체를 디자인 하는 곳
  • 디자인하우스
    • 반도체를 설계하는 팹리스 + 설계된 반도체를 위탁 생산하는 파운드리
    • 둘을 연결시켜 준다.
  • 팹리스의 세부적인 설계를 담당하는 IP업체도 다수 존재한다.

 

< 2. 메모리 반도체 >

 

• 종류(2) - 휘발성 / 비휘발성 메모리

 

• 1. 휘발성 메모리
  • D램
    • 지속적인 전력 공급으로 충전을 시켜줘야 한다.
      충전이 없어지면 데이터가 날라간다.
• 2. 비휘발성 메모리
  • 낸드플래시
    • 전원 코드를 뽑아도 메모리가 유진된다.
    • 데이터를 영구적으로 저장할 수 있다.
• +
• CPU : 요리사
  • 뭔가를 만들어내는 프로세싱을 하는데, 냉장고의 재료들을 직접 운반하면 비 효율적인 생산과정이 발생한다.
  • 요리 속도를 높이기 위해 '도마'에 임시로 재료를 보관한다. (올려놓는다)
• D램
  • CPU와 저장장치(SSD, HDD)간의 속도차이를 도와주는 버퍼 메모리의 역할
  • 이진법(0,1)로 데이터가 저장되어서 속도가 빠르다.
    • 두 가지의 단순한 소자 구조로 이루어져서 속도가 빠르다.
• 셀 Cell
  • 반도체 속의 작은 방
  • 셀 안에 전기가 채워져있으면 ON=1, 없으면 OFF=0
• 캐패시터 Capacitor
  • 전기를 채우는 그릇
• 트랜지스터 Transistor
  • 스위치를 트는 것
• D램의 세대 (Generation)
  • DDR. Double Data Rate
  • D램의 세대를 구분짓는 이름. ex) DDR1, DDR2
  • 속도 : D램의 세대를 나누는 기준
    • DDR : 데이터가 이동하는 차선을 두 개로 늘리는 방식
      • 세대별로 호환되는 CPU가 다르다.
• 낸드플래시
  • 제품 ex. SSD (Solid-State-Drive) 
    • SSD의 인터페이스 : CPU와 SSD간의 호환성
      • 컴퓨터와 SSD가 잘 맞다 = CPU와 주고받는 언어가 동일하다
        • SATA = 기존 하드디스크 시절부터 사용되어온 인터페이스
        • NVMe = SSD 전용 언어 인터페이스
        • SAS = 기업용 SSD
          • 은행, 병원 등 중요한 정보를 위해서 기업이 직접 서버를 만든다.
      • 폼팩터 (모양)
        • 1. 2.5인치 폼팩터
        • 2. M.2
  • SSD에 탑재되는 낸드플래시의 종류
    • 1. 싱글 레벨 셀
      • 속도가 가장 빠르다
      • 비용이 높을수록 속도 또한 빠르다.
      • 빠르지만 대용량화 하기 어렵다.
    • 2. 멀티 레벨 셀
    • 3. 트리플 레벨 셀
    • 4. 쿼드러플 레벨 셀
      • 하나의 cell을 활용하여 4배의 원가를 절감할 수 있다. -> 이론상 4배 더 저렴하다.

 

< 3. 시스템 반도체 >

• S.O.C : 시스템 반도체의 대표적 유형
  • 수많은 기능을 하나의 회사가 다 해결하기 어렵다.
  • SOC설계 시 다른 회사로부터 IP(Intellectual Property) 을 공급받는다.
    • 삼성전자가 SOC를 설계할 때 필요한 부품을 제조하는 회사별로 IP를 받아온다.
    • 구입만 하는 것이 아니라 구매해 온 것들을 효율적으로 작동할 수 있도록 최적화하는 기술이 핵심이다.
    • 삼성전자와 같이 SOC를 만드는 기업의 경우, 구입한 IP들을 최적화하고 효율적으로 작동하도록 구성한다.
    • 다른 회사들은 최적의 GPU 성능을 가진 IP를 개발해서 공급하는 역할을 주로 한다.
• 모바일 AP
  • 가장 복잡하고 다양한 기능을 가진 SOC
  • 복잡하고 다양한 기능들을 하나의 칩으로 만드는 이유? / 다양한 기능들이 탑재된 칩의 장점(2)
    • 1. 용이한 휴대성을 위해 점점 작아지고 있는 기기들. 각각의 기능을 가진 칩들이 따로 내장될 경우 기기들의 사이즈 또한 커지기 때문이다.
    • 얇고 가벼운 제품들을 선호함에 따라 하나의 칩 안에 다양한 기능을 탑재하게 되었다. 
    • 2. 가격 경쟁에서의 우위
      • 한 개의 기능이 탑재된 칩을 개별 구매한다면 비용 또한 상승한다. 다양한 기능들이 탑재된 칩 1개를 구매할 경우 상대적으로 저렴한 가격에 구매 가능하다.
• 최근에 가장 핫한 IP, 인공지능
  • NPU (Neural Processing Unit)
    • 인공지능에 최적화된 IP. 딥러닝에 최적화된 역할을 하는 프로세싱
    • 신경망 프로세서. 사람이 생각하는 '뉴럴 프로세싱'의 알고리즘을 가장 효율적으로 계산할 수 있는 것 (뇌)
    • cf. CPU (Central Processing Unit) : 성능 부분을 제어 및 관리
      • GPU(Graphics Processing Unit) : 그림이나 영상들을 이루는 '점'을 관리 -> 그래픽 처리에 최적화
    • 네트워크가 끊겨도 스스로 생각하는 온디바이스 AI 시대가 열릴 것 이다.

 

• 이미지 센서
  • 빛의 신호를 디지털 신호로 바꿔주는 '이미지 센서'의 역할 (눈. 망막)
  • 이미지 센서의 크기는 점점 소형화된다. 그러나 화서 수는 증가하는 추세이다.
  • 간섭 현상
    • 픽셀이 지나치게 작아지면 문제가 발생한다. 플래시를 비췄을 때 옆 픽셀에 상이 맺혀버리는 현상이 발생한다.
    • 정해진 곳에만 상이 맺히지 않고, 이외의 지역까지 넘어가 버리는 현상을 의미한다.
  • ISOCELL 아이소셀
    • 셀과 셀을 격리시킨다. isolation
    • 픽셀과 픽셀 사이에 벽을 친 기술
    • 해당 기술을 활용하여 간섭현상을 없앨 수 있다.
    • 간섭현상(픽셀 수를 줄이는 것의 한계)을 아이소셀을 통해서 극복한다.
• PMIC
  • Power Management IC. 전력을 관리하는 소자 (심장)
  • PMIC의 역할 : 전원 공급, 전력량 확인, 데이터 전송
    • 필요한 용량을 정해진 곳으로 보내주는 역할을 한다. 
    • 배터리는 전력의 공급원으로, 저수지 처럼 용량이 정해져 있다. (PMIC 의 역할이 아니다.)
• DDI
  • Display Driver IC
  • 디스플레이 컨트롤의 마법사
    • DDI를 가리기 위해서 배젤을 부착한다.
    • Flexible -> 디스플레이의 뒷면으로 넘김. DDI를 가릴 필요가 없기 때문에 얇은 베젤이 가능하다.

 

< 4. 반도체 제조 >

• 반도체 공정의 발전으로 인해 반도체 크기가 점점 작아진다. 20나노, 10나노, 10나노 이하의 크기까지 내려갔다.
• Gate
  • 소자가 가까워질수록 소자간의 전류가 On / Off
  • 소자가 흐를 때 Open, 소자가 흐르지 않을 때 Close
  • 누설전류
    • 게이트 구조가 작아지면서 전류가 흐르지 않아야 할 때 흐르는 현상
    • 누설전류를 막기 위해서 소자구조가 발전했다. 게이트가 넓어질수록 누설전류를 막기 용이하다.
    • 평면구조 -> FinFET -> GAA (Gate All Around)
• 반도체 공정 레시피
  • 어떠한 조건과 물질을 사용했을 때 최적의 결과를 내는 과정
  • 수율 을 높이기 위함.
    • 전체 생산되는 제품 중 불량품을 제외한 정상품의 비율
    • 반도체에서 가장 중요한 경쟁력
• 포토 공정
  • 사진을 찍듯 반도체 웨이퍼 위에 설계를 찍어내는 공정
  • 포토레지스트
    • 감광액으로 회선을 그린 후 빛을 쏘면 그대로 찍혀 나오는 공정
• 패키징
  • 두뇌(반도체 칩)과 신경들을 연결시켜 주는 작업 
  • 반도체를 외부의 손상으로부터 보호하기 위해 절연체로 감싸는 작업 
  • 반도체 보호 및 연결의 기술이다. 최근들어 그 역할의 중요성이 강화되었다. 스마트폰의 출현 때문
    • 휴대전화의 소형화로 인해 반도체 칩도 소형화 되었다.
    • 패키징 두께가 두꺼울수록 모바일 기기의 두께 또한 증가한다.
    • TSV
      • Through Silicon Via
      • 최근에 용량과 속도를 최대한으로 끌어올릴 수 있는 기술이 등장했다.
      • 여러개의 칩들을 와이어 본딩으로 연결하던 것을 한번에 관통하는 방식이다.

 

출처

- www.youtube.com/watch?v=E-T6M9yvMVI

- www.youtube.com/watch?v=PocuKdAQuf0