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복잡성이 더욱 커진 것을 반영하는 [[ULSI]](Ultra-Large-Scale Integration)는 백만 개가 넘는 트랜지스터를 포함하는 초대규모 집적회로을 의미한다. 트랜지스터를 1,000,000개 이상 포함하고, 인텔의 [[80486]]이나 [[펜티엄]]이 ULSI에 해당한다. VLSI와 ULSI를 정확하게 구분하기는 어렵다. 웨이퍼 규모 집적은 한 개의 "슈퍼 칩"을 만들기 위해 전체 실리콘 웨이퍼를 사용하는 매우 큰 집적회로를 만드는 것을 의미한다. [[WSI]](Wafer-Scale Integration)는 큰 규모와 줄어든 [[패키징]]을 통해 특히 병렬 [[슈퍼컴퓨터]] 같은 일부 시스템에서 매우 급격히 비용을 줄였다. WSI라는 이름은 WSI가 개발되었을 때의 기술의 발전단계인 VLSI에서 유래되었다. [[SOC]](System-On-a-Chip)는 컴퓨터나 다른 시스템에 필요한 모든 소자가 한 개의 칩에 포함된 집적회로이다. 이런 기기의 설계는 매우 복잡하고 비용이 들며, 한 조각의 실리콘에 모든 이질적인 소자들을 포함시키는 것은 특정 소자의 효율성을 희생시킬 수도 있다. 하지만 이런 결점들은 적은 제조 비용과 조립 비용, 상당히 줄어든 전력 소모로 상쇄될 수 있다. 소자들 간의 모든 신호가 한 개의 실리콘에서 교환되기 때문에, 훨씬 적은 전력이 필요하다. 3차원 집적회로는 한 개의 회로에 수직과 수평으로 집적된 2개 이상의 활성 전자 소자의 층이 있다. 층간의 통신은 한 개의 실리콘에서 일어나는 신호를 이용하며 결과적으로 전력 소모가 분리된 동일한 회로보다 더 적게 든다. 짧은 수직 회로 선을 이용하는 것은 더 빠른 작동을 위해 전체 회로 선의 길이를 상당히 줄일 수 있다.<ref name="위키백과"></ref> | 복잡성이 더욱 커진 것을 반영하는 [[ULSI]](Ultra-Large-Scale Integration)는 백만 개가 넘는 트랜지스터를 포함하는 초대규모 집적회로을 의미한다. 트랜지스터를 1,000,000개 이상 포함하고, 인텔의 [[80486]]이나 [[펜티엄]]이 ULSI에 해당한다. VLSI와 ULSI를 정확하게 구분하기는 어렵다. 웨이퍼 규모 집적은 한 개의 "슈퍼 칩"을 만들기 위해 전체 실리콘 웨이퍼를 사용하는 매우 큰 집적회로를 만드는 것을 의미한다. [[WSI]](Wafer-Scale Integration)는 큰 규모와 줄어든 [[패키징]]을 통해 특히 병렬 [[슈퍼컴퓨터]] 같은 일부 시스템에서 매우 급격히 비용을 줄였다. WSI라는 이름은 WSI가 개발되었을 때의 기술의 발전단계인 VLSI에서 유래되었다. [[SOC]](System-On-a-Chip)는 컴퓨터나 다른 시스템에 필요한 모든 소자가 한 개의 칩에 포함된 집적회로이다. 이런 기기의 설계는 매우 복잡하고 비용이 들며, 한 조각의 실리콘에 모든 이질적인 소자들을 포함시키는 것은 특정 소자의 효율성을 희생시킬 수도 있다. 하지만 이런 결점들은 적은 제조 비용과 조립 비용, 상당히 줄어든 전력 소모로 상쇄될 수 있다. 소자들 간의 모든 신호가 한 개의 실리콘에서 교환되기 때문에, 훨씬 적은 전력이 필요하다. 3차원 집적회로는 한 개의 회로에 수직과 수평으로 집적된 2개 이상의 활성 전자 소자의 층이 있다. 층간의 통신은 한 개의 실리콘에서 일어나는 신호를 이용하며 결과적으로 전력 소모가 분리된 동일한 회로보다 더 적게 든다. 짧은 수직 회로 선을 이용하는 것은 더 빠른 작동을 위해 전체 회로 선의 길이를 상당히 줄일 수 있다.<ref name="위키백과"></ref> | ||
== 제조공정 == | == 제조공정 == | ||
| − | 기본적으로는 실리콘 웨이퍼의 표면에 산화물 절연층으로 덮은 것에 레지스트층을 두고, 마스크를 통해 노광(露光)한 다음 에칭, 이온 주입 또는 확산 등의 공정을 거쳐 기능 층을 형성한다. 다시 레지스트층을 두고 각 마스킹 층마다 위와 같은 프로세스를 반복하여 최종 칩을 완성한다. 각 마스킹 패턴은 설계 결과로서 자기 테이프 등에 기억된 데이터 세트를 써서 광학적 수법으로 만들어지거나 혹은 데이터 세트에 의해서 전자빔을 조작하여 직접 묘화(描畵)하는 방법이 있다.<ref> 〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=751846&cid=42341&categoryId=42341 집적 회로 제조 공정]〉, 《네이버 지식백과》 </ref> 웨이퍼는 실리콘(Si), 갈륨 아세나이드(GaAs) 등을 성장시켜 얻은 단결정 기둥(Ingot)를 적당한 지름으로 얇게 썬 원판모양의 판을 의미한다. 대부분의 웨이퍼는 모래에서 추출한 규소, 즉 실리콘으로 만듭니다. 실리콘은 지구상에 풍부하기 때문에 안정적으로 얻을 수 있는 재료이고, 또한 독성이 없어 환경적으로도 매우 우수하다. | + | 기본적으로는 실리콘 웨이퍼의 표면에 산화물 절연층으로 덮은 것에 레지스트층을 두고, 마스크를 통해 노광(露光)한 다음 에칭, 이온 주입 또는 확산 등의 공정을 거쳐 기능 층을 형성한다. 다시 레지스트층을 두고 각 마스킹 층마다 위와 같은 프로세스를 반복하여 최종 칩을 완성한다. 각 마스킹 패턴은 설계 결과로서 자기 테이프 등에 기억된 데이터 세트를 써서 광학적 수법으로 만들어지거나 혹은 데이터 세트에 의해서 전자빔을 조작하여 직접 묘화(描畵)하는 방법이 있다.<ref> 〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=751846&cid=42341&categoryId=42341 집적 회로 제조 공정]〉, 《네이버 지식백과》 </ref> |
| + | === 웨이퍼 제조공정 === | ||
| + | 웨이퍼는 실리콘(Si), 갈륨 아세나이드(GaAs) 등을 성장시켜 얻은 단결정 기둥(Ingot)를 적당한 지름으로 얇게 썬 원판모양의 판을 의미한다. 대부분의 웨이퍼는 모래에서 추출한 규소, 즉 실리콘으로 만듭니다. 실리콘은 지구상에 풍부하기 때문에 안정적으로 얻을 수 있는 재료이고, 또한 독성이 없어 환경적으로도 매우 우수하다.<ref name="삼성1"> 삼성반도체이야기, 〈[https://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=secsemicon&logNo=220026348085&jumpingVid=&widgetTypeCall=true 반도체 8대 공정 (1) 반도체 집적회로의 핵심재료, 웨이퍼의 재료 및 제조 공정]〉, 《네이버 블로그》, 2014-06-10 </ref> | ||
| + | ==== 잉곳 제조 ==== | ||
| + | 모래에서 추출한 실리콘을 반도체 재료로 사용하기 위해서는 순도를 높이는 정제 과정이 필요하다. 실리콘 원료를 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만들고 이것을 결정 성장시켜 굳히는 것이다. 이렇게 만들어진 실리콘 기둥을 잉곳(Ingot)이라고 부른다. 수 나노미터(nm)의 미세한 공정을 다루는 반도체용 잉곳은 실리콘 잉곳 중에서도 초고순도의 잉곳을 사용한다.<ref name="삼성1"></ref> | ||
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| + | 둥근 팽이 모양의 잉곳을 원판형의 웨이퍼로 만들기 위해서는 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 얇게 써는 작업이 필요하다. 잉곳의 지름이 웨이퍼의 크기를 결정해 150mm(6인치), 200mm(8인치), 300mm(12인치) 등의 웨이퍼가 된다. 웨이퍼 두께가 얇을수록 제조 원가가 줄어들며, 지름이 클수록 한번에 생산할 수 있는 반도체 칩 수가 증가하기 때문에 웨이퍼의 두께와 크기는 점차 얇고 커지는 추세이다.<ref name="삼성1"></ref> | ||
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2021년 12월 1일 (수) 11:39 판
집적회로(集積回路, Integrated Circuit) 또는 칩(chip), 마이크로칩(microchip)은 반도체에 만든 전자회로의 집합을 말한다.
목차
개요
집적회로는 많은 전자회로 소자가 하나의 기판 위 또는 기판 자체에 분리 불가능한 상태로 결합하어 있는 초소형 구조의 복합적 전자소자 또는 시스템을 말한다. 트랜지스터, 다이오드, 저항, 커패시터 등 복잡한 전자 부품들을 정밀하게 만들어 작은 반도체 속에 하나의 전자회로로 구성해 집어넣은 것이다. 즉, 개개의 반도체를 하나씩 따로따로 사용하지 않고 실리콘의 평면상에 몇천 개 몇만 개를 모아 차곡차곡 쌓아놓은 것이다. ‘모아서 쌓는다’ 즉, 집적한다고 하여 집적회로라는 이름이 붙게 된 것이다. 집적회로는 1958년 미국 텍사스 인스트루먼츠(TI)의 기술자, 잭 킬비에 의해 발명된 것으로, 기술이 발전함에 따라 하나의 반도체에 들어가는 회로의 집적도 SSI, MSI, LSI, VLSI, ULSI 등으로 발전하여 오늘날 첨단 반도체 제품이 등장하게 되었다.[1]
역사
1947년, 미국 통신 회사 AT&T(American Telephone & Telegraph)의 중앙연구소인 벨 연구소 연구원들은 반도체 격자구조의 조각에 도체선(전기가 흐르는데 사용되는 선)을 접촉시키면 전기 신호가 증폭한다는 사실을 발견했다. 당시 이것은 증폭기(Amplifier)라는 이름으로 불리다가 나중에 트랜지스터(Transistor)로 부르게 되었다.[2] 트랜지스터가 발명된 후 전자 기기들은 훨씬 더 복잡하고 정교해졌다. 다양한 크기의 수많은 부품이 회로를 만드는 데 사용돼 점점 더 회로가 빽빽해졌으며 시간과 제조 비용이 많이 소요되었다. 미군 통신부대가 착수한 마이크로모듈 프로그램은 전자기기를 소형화시키기 위한 소형 부품 블록을 만들었지만, 여전히 주요 문제가 해결된 것은 아니었다. 텍사스 인스트루먼츠에 근무했던 잭 킬비(Jack Kilby)는 1958년 입사할 당시 마이크로모듈 프로젝트를 미군 통신부대와 함께 수행하고 있었다. 입사한 지 얼마 되지 않아 킬비는 더 나은 해결책을 찾아냈다. 축전지 및 저항기와 같은 수동 부품들이 트랜지스터와 같은 능동 부품과 동일한 반도체 물질로 만들어질 수 있게 됨에 따라, 이러한 부품들을 한 번의 공정으로 제조하는 것이 가능하다는 사실을 알게 되었으며 이를 기반으로 집적회로를 개발하였다. 트랜지스터, 축전지, 세 개의 레지스터로 구성된 킬비의 게르마늄 기반 시제품은 세계 최초의 집적회로였으며 해당 특허는 1959년 2월에 인가되었다. 그 사이 페어차일드 반도체 제조회사의 설립자이자 훗날 인텔(Intel)을 설립한 로버트 노이스(Robert Noyce)는 단위 회로에 관해 연구하던 중 부품을 회로에 직접 결합하는 아이디어를 구상해 집적회로 개발에 크게 공헌하였다. 집적회로는 최초의 개인용 컴퓨터가 출현하는 데 기반이 되었다.[3]
분류
SSI, MSI, LSI
처음 개발된 집적회로는 트랜지스터 몇 개만 들어가 있었다. 소규모 집적이라는 뜻의 SSI(small-scale integration)라고 불리는 디지털 회로는 수십 개의 트랜지스터만을 포함할 수 있었고 소수의 논리게이트를 구현했다. 예를 들어, 초기 리니어 IC는 2개의 트랜지스터밖에 없었다. 대규모 집적이라는 말은 IBM의 연구원인 롤프 란다우어가 이론적인 개념을 설명할 때 처음 사용했고, 그것에서 SSI나 MSI, VLSI, ULSI가 유래했다. 집적회로의 다음 단계의 발전은 1960년대 후반, 중간 규모의 집적이라는 뜻의 MSI(Middle Scale Integration)라고 불리는 한 칩에 수백 개의 트랜지스터를 포함하는 기기가 소개되면서 일어났다. MSI는 100~1,000개의 트랜지스터를 포함하고, 좀 더 복잡한 기능을 수행하는 인코더(encoder), 디코더(decoder), 카운터(counter), 레지스터(register), 멀티플렉서(multiplexer) 및 디멀티플렉서(demultiplexer), 소형 기억 장치 등의 기능을 포함하는 부류다. MSI 소자는 SSI 소자보다 생산하는데 비용이 조금 더 들지만, 작은 회로 기판과 적은 조립작업으로 더 복잡한 시스템을 구현할 수 있기 때문에, 경제적으로 매력적이었다. 1970년대 중반, 한 칩에 수만 개의 트랜지스터를 포함하는 LSI가 MSI와 같은 이유로 개발되었다. LSI는 메모리 등과 같이 하나의 칩에 1,000~10,000개에 이르는 등가 게이트를 포함하는 부류이다. 1 Kb 램이나 계산기 칩, 세계 최초의 마이크로프로세서 같은 1970년대 꽤 많이 생산되었던 집적회로들은 4천 개 이하의 트랜지스터를 포함했다. 만개에 가까운 트랜지스터를 포함한 LSI 회로는 1974년쯤에 컴퓨터의 메인메모리와 2세대 마이크로프로세서에 쓰이기 위해 생산되기 시작했다.[4]
VLSI
VLSI(Very Large Scale Integration)는 발전과정의 마지막 단계인 1980년대 시작해서 지금까지 이어지고 있다. VLSI는 10,000~1,000,000개의 트랜지스터를 포함하는 대규모 칩이다, 대형 마이크로프로세서, 단일 칩 마이크로프로세서(single-chip microprocessor) 등을 포함한다. 이 발전은 1980년대 초기 수십만 개의 트랜지스터로 시작해서 2009년 수십억 개의 트랜지스터를 넘어서 발전하고 있다. 이 정도로 조밀성을 높이기 위해서는 여러 단계의 발전이 필요하다. 생산기업들은 수율을 유지하면서 더 많은 트랜지스터를 포함하는 칩을 만들 수 있도록 세밀한 설계와 깨끗한 생산시설을 추구했다. 공정 향상은 ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductor, 국제 반도체 기술 로드맵)로 요약할 수 있다. 설계 도구는 이런 설계를 합리적인 시간에 끝낼 수 있도록 발전했다. CMOS는 에너지 면에서 더 효율적이기 때문에, 전력 소비의 증가를 피하면서 NMOS(N-channel metal oxide semiconductor, N형 금속 산화막 반도체)와 PMOS(P-channel metal oxide semiconductor, P형 금속 산화막 반도체)를 대체했다. 1986년에 백만 개가 넘는 트랜지스터를 포함하는 최초의 1Mb 크기의 랩이 소개되었다. 1989년 마이크로프로세서 칩에는 백만 개가 넘는 트랜지스터가 들어갔고, 2005년에는 십억 개의 트랜지스터가 들어갔다. 기술의 발전은 조금도 수그러들지 않고, 2007년에는 수백억 개의 메모리 트랜지스터가 들어간 칩이 개발되었다.[4]
ULSI, WSI, SOC
복잡성이 더욱 커진 것을 반영하는 ULSI(Ultra-Large-Scale Integration)는 백만 개가 넘는 트랜지스터를 포함하는 초대규모 집적회로을 의미한다. 트랜지스터를 1,000,000개 이상 포함하고, 인텔의 80486이나 펜티엄이 ULSI에 해당한다. VLSI와 ULSI를 정확하게 구분하기는 어렵다. 웨이퍼 규모 집적은 한 개의 "슈퍼 칩"을 만들기 위해 전체 실리콘 웨이퍼를 사용하는 매우 큰 집적회로를 만드는 것을 의미한다. WSI(Wafer-Scale Integration)는 큰 규모와 줄어든 패키징을 통해 특히 병렬 슈퍼컴퓨터 같은 일부 시스템에서 매우 급격히 비용을 줄였다. WSI라는 이름은 WSI가 개발되었을 때의 기술의 발전단계인 VLSI에서 유래되었다. SOC(System-On-a-Chip)는 컴퓨터나 다른 시스템에 필요한 모든 소자가 한 개의 칩에 포함된 집적회로이다. 이런 기기의 설계는 매우 복잡하고 비용이 들며, 한 조각의 실리콘에 모든 이질적인 소자들을 포함시키는 것은 특정 소자의 효율성을 희생시킬 수도 있다. 하지만 이런 결점들은 적은 제조 비용과 조립 비용, 상당히 줄어든 전력 소모로 상쇄될 수 있다. 소자들 간의 모든 신호가 한 개의 실리콘에서 교환되기 때문에, 훨씬 적은 전력이 필요하다. 3차원 집적회로는 한 개의 회로에 수직과 수평으로 집적된 2개 이상의 활성 전자 소자의 층이 있다. 층간의 통신은 한 개의 실리콘에서 일어나는 신호를 이용하며 결과적으로 전력 소모가 분리된 동일한 회로보다 더 적게 든다. 짧은 수직 회로 선을 이용하는 것은 더 빠른 작동을 위해 전체 회로 선의 길이를 상당히 줄일 수 있다.[4]
제조공정
기본적으로는 실리콘 웨이퍼의 표면에 산화물 절연층으로 덮은 것에 레지스트층을 두고, 마스크를 통해 노광(露光)한 다음 에칭, 이온 주입 또는 확산 등의 공정을 거쳐 기능 층을 형성한다. 다시 레지스트층을 두고 각 마스킹 층마다 위와 같은 프로세스를 반복하여 최종 칩을 완성한다. 각 마스킹 패턴은 설계 결과로서 자기 테이프 등에 기억된 데이터 세트를 써서 광학적 수법으로 만들어지거나 혹은 데이터 세트에 의해서 전자빔을 조작하여 직접 묘화(描畵)하는 방법이 있다.[5]
웨이퍼 제조공정
웨이퍼는 실리콘(Si), 갈륨 아세나이드(GaAs) 등을 성장시켜 얻은 단결정 기둥(Ingot)를 적당한 지름으로 얇게 썬 원판모양의 판을 의미한다. 대부분의 웨이퍼는 모래에서 추출한 규소, 즉 실리콘으로 만듭니다. 실리콘은 지구상에 풍부하기 때문에 안정적으로 얻을 수 있는 재료이고, 또한 독성이 없어 환경적으로도 매우 우수하다.[6]
잉곳 제조
모래에서 추출한 실리콘을 반도체 재료로 사용하기 위해서는 순도를 높이는 정제 과정이 필요하다. 실리콘 원료를 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만들고 이것을 결정 성장시켜 굳히는 것이다. 이렇게 만들어진 실리콘 기둥을 잉곳(Ingot)이라고 부른다. 수 나노미터(nm)의 미세한 공정을 다루는 반도체용 잉곳은 실리콘 잉곳 중에서도 초고순도의 잉곳을 사용한다.[6]
잉곳 절단
둥근 팽이 모양의 잉곳을 원판형의 웨이퍼로 만들기 위해서는 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 얇게 써는 작업이 필요하다. 잉곳의 지름이 웨이퍼의 크기를 결정해 150mm(6인치), 200mm(8인치), 300mm(12인치) 등의 웨이퍼가 된다. 웨이퍼 두께가 얇을수록 제조 원가가 줄어들며, 지름이 클수록 한번에 생산할 수 있는 반도체 칩 수가 증가하기 때문에 웨이퍼의 두께와 크기는 점차 얇고 커지는 추세이다.[6]
웨이퍼 표면 연마
절단된 웨이퍼는 가공을 거쳐 거울처럼 매끄럽게 만들어야 한다. 절단 직후의 웨이퍼는 표면에 흠결이 있고 거칠어 회로의 정밀도에 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 그래서 연마액과 연마 장비(Polishing machine)를 통해 웨이퍼 표면을 매끄럽게 갈아낸다.[6]
각주
- ↑ 〈(반도체 용어 사전) 집적회로(IC)〉, 《삼성전자》
- ↑ 〈(반도체 8대 공정) 3탄, 전자산업의 혁명! 집적회로〉, 《삼성전자》, 2017-07-19
- ↑ 〈죽기 전에 꼭 알아야 할 세상을 바꾼 발명품 1001 집적 회로〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 4.0 4.1 4.2 〈집적 회로〉, 《위키백과》
- ↑ 〈집적 회로 제조 공정〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 6.0 6.1 6.2 6.3 삼성반도체이야기, 〈반도체 8대 공정 (1) 반도체 집적회로의 핵심재료, 웨이퍼의 재료 및 제조 공정〉, 《네이버 블로그》, 2014-06-10
참고자료
- 〈집적 회로〉, 《위키백과》
- 〈죽기 전에 꼭 알아야 할 세상을 바꾼 발명품 1001 집적 회로〉, 《네이버 지식백과》
- 〈집적 회로 제조 공정〉, 《네이버 지식백과》
- 〈(반도체 용어 사전) 집적회로(IC)〉, 《삼성전자》
- 〈(반도체 8대 공정) 3탄, 전자산업의 혁명! 집적회로〉, 《삼성전자》, 2017-07-19
