[반도체 제조 공정 #3] 집적회로(IC) 란?

집적회로(IC)

 

 

집적회로(IC) 란?

집적 회로(IC, Integrated Circuit)는 트랜지스터, 저항기, 다이오드 및 캐패시터와 같은 수천에서 수백만 개의 전자 부품으로 구성된 작은 반도체 칩입니다. 이러한 구성 요소는 서로 연결되어 전기 신호를 계산하고 저장합니다. 집적회로를 만드는 방법은 포토 공정을 통하여 여러 층의 재료에 미세하고 복잡한 패턴을 그리는 작업이 포함됩니다. 집적회로는는 제품의 크기를 줄이고, 낮은 전력 소모로 빠른 정보 처리를 가능하게 하며, 대량 생산을 통해 신뢰성을 높임으로써 전자 산업에 혁명을 가져왔습니다.

 

트랜지스터와 집적회로 탄생

트랜지스터는 1947년 미국 최대 전화 회사인 AT&T(American Telephone & Telegraph)의 중앙 연구소인 벨 연구소의 연구원들에 의해 처음 발견되었습니다. 그들은 반도체 격자 구조 조각을 전도체 와이어와 접촉함으로써 전기 신호가 생성되고 증폭될 수 있음을 발견했습니다. 당시 이 장치는 증폭기(Amplifier)라고 불렸고 나중에 트랜지스터(Transistor)로 알려지게 되었습니다. 트랜지스터는 당시 일반적으로 사용되던 부피가 큰 진공관을 대체하며 빠르게 전자 제품의 핵심 부품이 되었습니다. 트랜지스터의 발명은 더 작고 더 강력한 전자 장치의 개발을 가능하게 함으로써 전자 산업에 혁명을 일으켰습니다.

 

트랜지스터의 발명은 전자 산업에서 중요한 돌파구였지만 전자 제품이 소형화되고 복잡성이 증가함에 따라 새로운 접근 방식이 필요했습니다. 전자 제품의 기능이 향상되며 트랜지스터, 저항, 다이오드, 커패시터 등 연결해야 하는 부품의 수가 기하급수적으로 증가했으며, 이러한 연결점이 제품 고장의 주요 원인이 되었습니다. 1958년 텍사스 인스트루먼트(TI)의 엔지니어인 잭 킬비는 복잡한 전자 부품을 정밀하게 만들어 작고 평평한 표면에 인쇄한 다음 하나씩 쌓아 올려 이 문제에 대한 해결책을 개발했습니다. 이것은 집적 회로 칩(IC Chip)의 개발로 이어졌으며, 중요한 기술적 돌파구가 되었습니다. 집적 회로는 전자 제품의 소형화를 가능하게 하고 연결 문제로 인한 제품 고장 위험을 줄였습니다. IC Chip은 전자 제품의 핵심 부품이 되었으며 개별 부품으로는 불가능했던 새로운 기술 개발을 가능하게 했습니다.

 

IC 칩(IC Chip)의 구성 요소

집적회로 또는 IC 칩은 작은 반도체 칩에 밀집된 수천에서 수백만 개의 전자 부품으로 구성됩니다. 트랜지스터, 저항, 다이오드 및 커패시터 등의 요소로 구성되어 전기 신호를 계산하고 저장합니다. IC 칩 제조 공정에는 여러 재료로 만들어진 층에 미세하고 복잡한 회로 패턴을 형성하는 공정이 포함됩니다. 이러한 미세한 회로는 손으로 그리는 것이 불가능하기 때문에 사진기의 원리를 활용한 포토 공정을 통하여 패턴을 형성하게 됩니다. 패턴이 만들어지면 반도체 웨이퍼에 전사되고 일련의 화학적 공정을 통해 회로 소자들이 만들어지게 됩니다.

 

1. 트랜지스터(Transistor): 트랜지스터는 IC 칩의 핵심 부품입니다. 전원을 켜고 끄는 스위치 역할을 하여 칩이 복잡한 계산과 논리 연산을 수행할 수 있도록 합니다. 트랜지스터는 신호 증폭에도 사용할 수 있습니다.
2. 저항(Resistor): 저항은 회로의 전류 흐름을 제어하는 ​​데 사용됩니다. 특정 구성 요소를 통해 흐르는 전류의 양을 제한하거나 회로에서 전압 강하를 생성하는 데 사용됩니다.
3. 커패시터(Capacitor): 커패시터는 전하의 형태로 전기 에너지를 저장하는 데 사용됩니다. 회로에서 노이즈 또는 원하지 않는 신호를 필터링하는 데 사용할 수 있습니다.
4. 다이오드(Diode): 다이오드는 전류가 한 방향으로만 흐르도록 하는 데 사용됩니다. AC 신호를 DC 신호로 정류하거나 회로의 다른 구성 요소를 전압 스파이크로부터 보호하는 데 사용할 수 있습니다.

각 전자 부품들을 직접 연결하는 방식에서 하나의 칩에 모든 구성 요소를 집적하여 함께 작동하는 방식으로 변화하였습니다. 이로 인해 제품의 크기가 작아지고 적은 소비전력으로 빠른 정보 처리가 가능하게 되었고, 현대의 많은 전자 장치의 기초가 되는 IC Chip이 만들어지게 되었습니다.

 

MOSFET: IC의 진화

MOSFET은 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor의 약자이며, 우리나라 말로는 '금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터' 입니다. 1960년대 초에 벨 연구소의 연구원이었던 한국인 공학자 고 강대원 박사와 마틴 아탈라가 MOSFET을 개발하였습니다. 기존에 사용되던 양극성 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transisor, BJT)는 베이스-이미터 접합을 통과하는 전류가 컬렉터-이미터 접합을 통과하는 전류 흐름을 제어합니다. MOSFET은 금속 게이트, 산화물 절연층 및 반도체 채널로 구성됩니다. 게이트는 절연체 역할을 하는 얇은 산화막에 의해 채널과 분리되며, 게이트에 전압이 가해지면 전기장이 생성되어 채널을 통과하는 전류의 흐름을 제어하게 됩니다. 이러한 차이에 의해 스위치 기능을 할 때 MOSFET의 전력 소비가 훨씬 더 적습니다. 그 이유는, MOSFET은 완전한 ON 또는 OFF 상태인 디지털 방식으로 작동되는 반면, BJT는 아날로그 방식으로 작동하여 OFF 상태에서도 약간의 전류가 흐를 수 있기 때문입니다. 또한 MOSFET은 정전 용량이 낮고 소수 캐리어가 없기 때문에 BJT에 비해 훨씬 빠르게 켜고 끌 수 있습니다. 이러한 특징들을 가진 MOSFET은 제조가 어렵고 전력 소모가 많은 BJT의 문제점을 해결할 수 있게 되었으며, 저전력과 고성능이 필수인 반도체 산업의 발전에 중요한 역할을 하고 있습니다.