실리콘 (Silicon)

실리콘이 반도체의 표준이 된 이유

실리콘은 지구 지각에서 두 번째로 많은 원소다.

흔하게 존재하는 모래(SiO₂)의 주성분이고, 자연 상태에서는 다양한 형태의 광물로 존재한다.

그러나 반도체에 사용되는 실리콘은 ‘일반 모래’와는 매우 다른 9N 이상의 순도, 단결정성, 매우 낮은 결함 밀도를 가져야 한다.

즉, 가장 흔한 원소를 가장 까다로운 사양으로 가공하는 산업이 반도체다.

초크랄스키 공법으로 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 모습 · 이미지 출처: Wikimedia Commons

폴리실리콘에서 단결정까지

실리콘이 반도체의 ‘표준 재료’가 된 이유는 단순한 매장량 때문이 아니다.

첫째, 적절한 밴드갭(약 1.12 eV)이 실온 동작에 잘 맞는다.

너무 작으면 누설이 심하고, 너무 크면 동작 전압이 높아진다.

실리콘은 그 중간에 있다.

둘째, 가장 결정적인 이유는 ‘실리콘은 SiO₂라는 매우 안정적이고 절연 특성이 뛰어난 산화막을 자기 표면에서 자라게 할 수 있다’는 점이다.

SiO₂는 절연막, 마스크, 보호막, 식각 정지층 등 거의 모든 역할을 할 수 있고, 실리콘과의 계면 결함 밀도가 매우 낮다.

이 ‘실리콘–이산화규소’ 조합이 1960년대 이후 MOSFET 양산을 가능하게 한 핵심이며, 반도체 산업이 ‘실리콘 산업’으로 굳어진 결정적 이유다.

반도체급 vs 태양광급

폴리실리콘에서 단결정까지의 흐름은 다음과 같다.

메탈러지컬 그레이드 실리콘(MGS, 약 98% 순도)을 출발 물질로, 트리클로로실란(TCS, SiHCl3)을 만들어 정제한다.

이 TCS를 ‘지멘스(Siemens) 공정’ 또는 FBR(유동층 반응기) 공정으로 분해해 다결정 폴리실리콘을 만든다.

폴리실리콘은 형태에 따라 ‘청크’ 또는 ‘과립(granular)’으로 출하된다.

폴리실리콘을 도가니에 녹여 CZ 또는 FZ 공법으로 단결정 잉곳을 키우고, 잉곳을 잘라 가공해 웨이퍼를 만든다.

SiO₂의 역할

반도체급(electronic grade)과 태양광급(solar grade) 폴리실리콘은 순도가 다르다.

반도체급은 9N 이상, 태양광급은 6N~7N 수준이면 충분하다.

시장 규모로는 태양광급이 훨씬 크지만, 가격과 부가가치는 반도체급이 훨씬 높다.

글로벌 반도체급 폴리실리콘 시장은 독일 바커(Wacker), 미국 헴록(Hemlock), 노르웨이 REC, 한국 OCI, 일본 도쿠야마 등이 분점한다.

한국 OCI는 반도체급 폴리실리콘 일부와 함께 태양광급에서도 활동했고, 최근 사업 재편 흐름이 있다.

실리콘의 한계와 화합물 반도체

SiO₂의 역할은 산업 자체의 운명을 결정했다.

게이트 산화막, STI 절연막, 인터레이어 절연막, 패시베이션, 식각 정지층, 마스크 등 거의 모든 절연·보호 역할을 단일 재료로 처리할 수 있다는 점은 다른 반도체(예: GaAs)와의 결정적 차이다.

GaAs는 자체 산화막이 안정적이지 않아 ‘좋은 절연 인터페이스’를 만들기 어렵고, 그래서 디지털 IC의 주류가 되지 못했다.

SiC·GaN도 자체 산화 막이 SiO₂보다 결함이 많아, MOS 인터페이스 안정화가 큰 도전 과제다.

한국 폴리실리콘·웨이퍼 산업

실리콘의 한계는 분명하다.

이동도가 GaAs·InP보다 낮고, 직접 천이 밴드갭이 아니라 광학 응용에 약하며, 고전압·고온·고주파에서 SiC·GaN·InP에 자리를 양보한다.

그래서 RF 통신은 GaAs·SiGe BiCMOS·GaN·InP가, 고전력·고전압은 SiC·GaN이, 광학 통신은 InP가, 그리고 광원·LED는 GaN이 차지한다.

그러나 디지털·메모리 영역은 여전히 실리콘이 압도적이며, 실리콘이 빠지는 시나리오는 단기간에 보이지 않는다.

한국 폴리실리콘·웨이퍼 산업은 OCI(폴리실리콘), SK실트론(웨이퍼), SK실트론 CSS(SiC 웨이퍼) 같은 회사가 활동한다.

폴리실리콘은 글로벌 가격 사이클이 크고, 태양광 시장과 묶여 있어 변동이 심하다.

반도체급 웨이퍼는 일본 신에츠·섬코, 대만 글로벌웨이퍼스, 독일 실트로닉, 한국 SK실트론이 4~5사 과점 구도다.