집적회로

역사

현대의 집적회로와 같은 제품은 1958년 미국의 잭 킬비(Jack Kilby)에 의해 발명되었다. 그 이전에 독일의 기술자인 베르너 야코비(Werner Jacobi)가 1949년 기판 위에 여러 개의 트랜지스터를 얹은 회로에 대한 아이디어를 특허를 얻었고, 영국 국방성의 제프리 더머(Geoffrey Dummer)가 1952년 지금의 집적회로와 같은 모델을 고안했으나 실물로 만들어내지는 못하고 있었는데, 잭 킬비는 반도체 물질로 된 기판 위에 콘덴서와 저항기를 배치하는 방법으로 이것을 구현했던 것이다.

이후 집적회로의 실용화단계에서는 신뢰성의 증가, 제조원가의 감소, 소비전력의 감소, 동작속도의 개선 등이 이루어졌다. 이와 같은 집적회로의 특징은 대규모 시스템의 설계, 제작면에서 고도화·복잡화에 대처하기 위한 가능한 고차의 부분적 기능을 가진 부품을 사용해서 시스템을 합성하는 것이 가능하다. 집적회로에서는 회로소자 또는 회로기능 사이의 배선이 어느 정도까지 완료되어 있기 때문에 시스템의 설계나 제작도 간단해진다.

집적회로는 1960년대를 지나면서 트랜지스터 수백 개가 하나의 칩에 들어가는 수준으로 발달했으며, 1970년대에는 수천에서 수만 개가 들어가는 수준으로 개발과 생산 기술이 발전했다. 이후 집적도는 기하급수적으로 증가하여, 1980년대에는 100만 개가 넘었고, 1990년대에는 수천만 개, 2000년대에는 수십억 개, 2010년대 이후로는 수백억 개의 트랜지스터가 하나의 칩에 들어가는 수준으로 발전했다.

구조와 원리

반도체 기판내 또는 반도체 기판 위에 나란히 늘어서 있는 다수의 회로소자를 알루미늄 등의 금속 증착막의 배선에 의해서 서로 유기적으로 결합된 집적회로를 모놀리식 집적회로라고 한다. 대부분의 경우 반도체 기판은 단결정 규소(실리콘)이다. 이 집적회로는 반도체 표면에 여러 가지 층을 국소적으로 형성하는 도체, 절연체 및 다양한 불순물 원자를 포함하는 반도체의 3차원적 고체 회로망이다. 동일한 제작법을 사용하더라도 층의 평면 형태만을 바꿈으로써 다양한 기능을 지닌 회로망을 실현할 수 있다. 실리콘 기판은 지름이 13㎝ 정도의 원판이지만 트랜지스터의 치수는 가공한계의 수배(약 1㎛) 정도이기 때문에, 한 번에 만들어지는 트랜지스터는 수억 개에 달한다.

p-n 접합

모놀리식 축전기

한편 집적회로에 포함되는 트랜지스터는 최소한 100만 개 이상이다(인쇄배선회로). 반도체의 전기적 성질은 반도체가 전자의 결핍상태에 있는 p-형인지 전자의 과잉상태에 있는 n-형인지에 따라 질적으로 다르다. 피엔접합은 그림1처럼 p-형과 n-형의 2개의 반도체를 인접시킨 것이다. n-형 영역에 대해서 p-형 영역에 양의 전압을 가하면 전자는 양의 전압으로 끌려가게 된다. n-형 영역 내의 과잉 전자가 p-형 영역에 차례차례 흘러들어가서 소멸하기 때문에 전류가 흐른다. 한편 n-형 영역에 대해서 p-형 영역에 음의 전하를 가하면 p-형 영역은 원래 전자가 부족하기 때문에 전류는 거의 흐르지 않는다.

전위 관계를 적절하게 유지하면 p-형 영역과 n-형 영역에 전류는 거의 흐르지 않는다. 이와 같이 기계적으로는 분리할 수 없는 상태에서 전기적으로 절연하는 기술은 분리법이라고 하며, 집적회로의 기초 기술로 되어 있다. 흔히 이용되는 분리법으로는 p-n 접합을 사용하는 방법과 산화막을 사용하는 방법이 있다. 집적회로용 저항으로는 반도체 접합을 사용한다. 예를 들면 그림2처럼 p-형 실리콘 속에 만든 가늘고 긴 n-형 영역의 양끝에 가해진 전위는 p-형 영역의 양끝에 전극을 부착하면 저항으로 된다.

n-형 영역의 양끝에 가해진 전위를 p-형 영역의 전위보다 높게 놓으면, 이 계면을 가로질러서 흐르는 입자 전류를 무시할 수 있다. 정류성을 지닌 다이오드로는 p-n 접합을 이용하는 접합 다이오드와 금속-반도체 접촉을 이용하는 쇼트키 장벽 다이오드가 있다. 접합 다이오드는 트랜지스터의 제조공정을 사용해서 제작할 수 있는 이점이 있다. 쇼트키 장벽 다이오드도 고속 동작이 가능하기 때문에 많이 사용되고 있다. 회로망 내에서 여러 차례에 걸쳐 신호조작을 하면 전기 신호는 반드시 감쇄하기 때문에 신호를 증폭·복원하는 능동 장치가 가장 중요한 역할을 한다.

집적회로의 종류

집적회로는 취급하는 신호에 따라 크게 디지털 집적회로, 아날로그 집적회로로 나눈다. 집적회로에는 몇 개의 트랜지스터를 가지고 합·곱·부정 등의 논리동작이나 기억동작을 하는 것부터 100만 개 이상의 트랜지스터가 집적되어 하나의 시스템을 형성하는 것까지 여러 가지가 있다. 집적한 트랜지스터의 수에 따라 저밀도 집적회로(SSI), 중밀도 집적회로(MSI), 고밀도 집적회로(LSI), 초고밀도 집적회로(VLSI), 극초고밀도 집적회로(ULSI) 등으로 분류된다.

하지만 이 분류의 경계는 동작 속도 등도 고려되기 때문에 그다지 명료하지는 않다. 더욱이 논리 연산을 행하는 논리 집적회로와 데이터를 담고 기억하는 메모리 집적회로로 세분하고, 탁상용 전자 계산기, 시계 등 특정 목적에만 사용 가능한 전용 집적회로와 다양한 목적에 적용할 수 있는 다용도 집적회로로 분류하며, 사용하는 트랜지스터에 따라 쌍극성 집적회로와 MOS 집적회로로 분류된다.

쌍극선 트랜지스터

쌍극성 트랜지스터는 2개의 p-n 접합을 아주 근접시켰을 때 나타나는 약한 결합 현상을 응용해서 전류를 제어한다. 2개의 영역을 가로막는 좁은 영역은 베이스라고 한다. 베이스 영역을 가로지르는 운반자(전자 또는 양공)를 내보내는 전극을 이미터, 운반자를 받아들이는 전극을 컬렉터라고 한다. 이미터와 컬렉터는 같은 형이다. 그러므로 그림3에 나와 있는 것처럼 쌍극성 트랜지스터는 p-n-p 트랜지스터라고 한다. n-p-n 트랜지스터는 일반적으로 고속 동작이 가능하고, 신뢰성이 높기 때문에 많이 사용되고 있다. 쌍극성 트랜지스터를 사용한 집적회로는 쌍극성 집적회로라고 불린다.

n-채널 MOS 트랜지스터

n-형 기판에 몇 개의 n-p-n 트랜지 스터를 만들면 그것들은 공통의 이미터나 컬렉터를 갖게 되기 때문에 이것들은 절연할 수 없다. 그래서 p-형 실리콘 기판의 일부를 컬렉터 n-영역으로 하고 그 속에 p-형 베이스와 n-형 이미터의 영역을 만든다. 이 분리공정을 위해서 쌍극성 집적회로는 복잡한 제조공정을 거쳐서 만들어진다(p-n-p 쌍극성 트랜지스터, n-p-n 쌍극성 트랜지스터). MOS 트랜지스터는 그림4처럼 반도체 표면에 절연막을 씌워 제3의 전극을 배치하고 반도체 표면을 따라 2개의 p-n 접합을 만든다.

절연막으로는 실리콘 산화막(이산화규소)을 사용하기 때문에 금속(M)-산화물 (O)-반도체 (S) 구조로 된다. 운반자를 내보내는 전극은 소스, 운반자를 받아들이는 전극은 드레인, 운반자 수를 제어하는 제3전극은 게이트라고 불린다. MOS 트랜지스터를 사용한 집적회로를 MOS 집적회로라고 한다. MOS 집적회로는 마이크로프로세서 등의 대량 소비용 집적회로에 특히 적합하다.

집적회로의 재료

반도체 재료는 매우 많지만 게르마늄·실리콘 및 비소화칼륨 이외의 단결정 반도체는 아직 거의 이용할 수 없다. 실리콘은 양호한 규소가 이용가능한 집적회로에 특히 적합한 특성을 갖추고 있다. 실리콘 원판은 제조의 최종 공정까지 원형을 유지하고 있고 많은 공정에서는 수십 개의 원판이 동시에 처리된다. 이것에 의하여 그와 동일한 특성의 회로 소자가 동시에 제작될 수 있다.

제조공정

대표적인 집적회로인 n-p-n 트랜지스터를 사용한 쌍극성 집적회로의 제조공정은 다음과 같다. 우선 p-형 원판을 1,000℃ 정도의 수증기로 가열하여 표면을 열산화한다. 감광석의 유기 수지막의 화학적 성질을 국소적으로 변화시킨다. 유기 용매에 담가 화학 변화가 생긴 부분의 내식막을 선택적으로 제거한 후 플루오르화수소산에 담그면 내식막이 덮이지 않은 부분의 산화막만이 선택적으로 제거된다. 마지막으로 내식막을 산화하여 제거하면 마스크 형식에 대응하는 산화막 형식이 원판 표면에 만들어진다.

이 내식막의 도포에서 제거까지의 일련의 조직을 포토에칭(photoetching)이라고 한다. 이를 통해 정밀한 3차원 구조를 만들 수 있다. 그리고 원판을 비소와 같은 Ⅴb족 원자를 포함하는 1,000℃ 정도의 고온에서 가열하면 비소 원자는 산화막을 통과하지 않기 때문에 산화막이 제거된 원판 표면 근처에만 선택적으로 들어가서 이 부분을 n-형으로 바꾼다.

다음에 전면에 얇은 표피층(두께 5㎛ 정도)을 신장시킨다. 포토에칭법에 의해서 표면에 산화막 형식을 만들고 이 산화막의 구멍을 통해서 붕소의 열확산을 행한다. 원판을 p-형 실리콘의 바다 위에 다소의 n-형 실리콘의 섬이 떠있는 구조가 된다. 다시 열산화에 의해서 산화막에 앞의 것과는 다른 형식을 만들고 붕소를 열확산하여 n-형 영역을 베이스, 그리고 그 밑의 n-형 영역을 컬렉터로 하는 n-p-n 구조가 원판 내에 세로 방향으로 실현된다.

이때 마스크 형식을 바꾸면 거의 모든 기본 회로 소자도 실현된다. 마지막으로 표면을 다시 열산화하고 포토에칭에 의해서 각각의 회로 소자의 전국 영역상의 산화막을 일부 제거하고 나서 알루미늄을 진공 증착한다. 그리고 알루미늄을 포토에칭하여 상호배선하면 집적회로가 생겨난다.