집적 회로

3. 역사

집적 회로(IC)의 역사는 여러 단계의 발전을 거쳐왔다. 초기에는 진공관을 대체하기 위한 노력에서 시작되었으며, 이후 트랜지스터의 발명과 함께 본격적인 집적 회로 개발이 이루어졌다.

1926년에는 여러 부품을 하나의 장치에 결합하려는 시도로 뢰베 3NF 진공관^[4][5]이 제작되었다. 이 진공관은 독일에서 라디오 수신기 소켓 수에 따라 세금을 부과했기 때문에, 세금 탈루를 목적으로 설계되었으며, 라디오 수신기에 단일 진공관 소켓을 사용할 수 있게 해주었다. 100만 개가 제조되었으며, "무선 전자 장치 통합의 첫걸음"이었다.^[6] 이 장치는 6핀 장치 내에 3개의 삼극관, 2개의 커패시터, 4개의 저항기로 구성된 증폭기를 포함하고 있었다.^[7]

초기 집적 회로 개발은 여러 연구자들의 노력으로 이루어졌다. 1949년 독일의 베르너 야코비는 5개의 트랜지스터를 3단계 증폭기 배열로 배치한 반도체 증폭 장치에 대한 특허를 출원했다.^[12] 그는 소형 보청기를 특허의 예시로 제시했지만, 상업적 이용은 보고되지 않았다. 영국의 제프리 더머는 1952년 워싱턴 D.C.에서 열린 심포지엄에서 집적 회로 아이디어를 발표했다.^[13] 그는 여러 심포지엄을 통해 아이디어를 알렸지만, 1956년 회로 제작 시도는 실패했다. 1950년대에는 시드니 달링턴과 야스오 타루이가 여러 트랜지스터가 공통 활성 영역을 공유하는 칩 설계를 제안했지만, 전기적 절연은 없었다.^[10]

장 에르니의 평면 공정과 쿠르트 레호벡의 P-N 접합 절연 발명은 단일 기판 집적 회로 칩을 가능하게 했다. 에르니의 발명은 이산화규소 마스킹과 전예침착에 의한 표면 보호 및 패시베이션에 관한 연구를 기반으로 했다.^[14][15][16]

잭 킬비는 1958년 텍사스 인스트루먼트에서 최초의 작동하는 집적 회로를 시연했고,^[25] 로버트 노이스는 페어차일드 반도체에서 실리콘 기반의 단일 기판 IC 칩을 발명했다.^[31][30] 노이스의 칩은 평면 공정을 사용하여 제작되었고, 현대 IC 칩의 기반이 되었다.^[31][30] 1961년부터 1965년까지 NASA의 아폴로 계획은 집적 회로의 가장 큰 소비자였다.^[32]

RCA의 마이크로 모듈, 웨스팅하우스 일렉트릭의 분자 전자 장치, 텍사스 인스트루먼츠의 솔리드 스테이트 회로 등 여러 기업이 집적회로 실현을 목표로 개발을 진행했다.^[127] 초기 집적 회로는 모놀리식 IC보다는 하이브리드 IC에 가까웠으며, 박막 집적 회로와 후막 집적 회로가 개발되었다.^[127] 1958년 웨스팅하우스는 "Molectronics"라는 집적 회로 개념을 발표했고,^[124] 1960년 전기시험소는 멀티칩 구조의 하이브리드 IC 시제품 제작에 성공했다.^[125][126] 1961년 미쓰비시 전기는 11종류의 모레트론을 발표했다.^[127] 일본 최초의 모놀리식 집적 회로는 도쿄대학과 일본전기(NEC)의 공동 개발로 여겨진다.^[128]

집적 회로 특허는 텍사스 인스트루먼츠의 잭 킬비와 페어차일드 세미컨덕터의 로버트 노이스에게 각각 발행되었지만, 특허 우선권을 둘러싼 법적 분쟁이 발생했다. 결국 노이스의 특허가 유효한 것으로 인정되었지만, 실제로는 양사 간 라이선스 제공 합의가 이루어져 큰 의미는 없었다.

집적 회로는 집적하는 소자의 수에 따라 SSI, MSI, LSI 등으로 분류된다.^[129] 초기에는 SSI(소규모 집적) 수준이었지만, 기술 발전으로 MSI(중규모 집적), LSI(대규모 집적)를 거쳐 VLSI(초고밀도 집적), ULSI(초대규모 집적)로 발전했다.

3. 1. 집적 회로의 탄생

3. 2. SSI, MSI, LSI

3. 3. VLSI

3. 4. ULSI, WSI, SoC, 3D-IC

4. 회로 설계

복잡한 집적 회로를 설계하고 개발하는 데 드는 비용은 매우 높으며, 일반적으로 수천만 달러에 달한다.^[78][79] 따라서 고부가가치의 집적 회로 제품을 생산하는 것이 경제적으로 타당하며, 이로 인해 비반복적 엔지니어링(NRE) 비용은 일반적으로 수백만 개의 생산 유닛에 분산된다.

현대의 반도체 칩은 수십억 개의 구성 요소를 가지고 있으며, 수작업으로 설계하기에는 너무 복잡하다. 설계자를 돕는 소프트웨어 도구가 필수적이다. 전자 설계 자동화(EDA)(전자 컴퓨터 지원 설계(ECAD))^[80]는 집적 회로를 포함한 전자 시스템을 설계하기 위한 소프트웨어 도구의 범주이다. 이러한 도구는 엔지니어가 전체 반도체 칩을 설계, 검증 및 분석하는 데 사용하는 설계 흐름에서 함께 작동한다. 최신 EDA 도구 중 일부는 인공 지능(AI)을 사용하여 엔지니어가 시간을 절약하고 칩 성능을 향상시키도록 지원한다.

5. 제조

집적 회로 제조는 크게 전공정과 후공정으로 나뉜다. 전공정은 웨이퍼 위에 포토리소그래피, 증착, 식각 등의 단계를 거쳐 회로를 형성하는 과정이다. 후공정은 웨이퍼를 다이 단위로 잘라내고 패키징하여 외부와 연결하고, 테스트를 거쳐 완제품을 만드는 과정이다.^[88]

5. 1. 웨이퍼 제조

5. 2. 전공정

5. 3. 후공정

5. 4. 공정 규칙 (Process Rule)

• $\backslash tau\; =\; \backslash frac\{C\_\{load\}V\_\{dd\}T\_\{ox\}L\}\{W\backslash mu\backslash epsilon(V\_\{dd\}-V\_t)^2\}$
• $\backslash tau$ : 전파 지연
• $C\_\{load\}$ : 부하 용량
• $V\_\{dd\}$ : 전원 전압
• $T\_\{ox\}$ : 게이트 산화막 두께
• L : 게이트 길이
• W : 게이트 폭
• $\backslash mu$ : 캐리어 이동도
• $\backslash epsilon$ : 게이트 산화막 유전율
• $V\_t$ : 임계값 전압^[132]

5. 5. 미세화

• 2015년, 2016년 5세대와 6세대 Intel Core를 14nm로 제조했다. 2016년 중에 10nm를 실용화(실제로는 2019년^[139]), 2017년에는 7nm(실제로는 2023년 예정^[140])로^[141].
• 2015년 7월, IBM은 7nm 공정의 시제품을 발표^[142]하여 한 자릿수 나노미터 공정의 시대를 맞이했다.
• 2016년 3월, 인텔은 Xeon E5-2600 v4 CPU, 14nm, 22코어/44스레드를 출시했다.^[143]
• 2016년 3월, 삼성은 18nm라고 알려진 DRAM을 출하했다.
• 2020년 9월, TSMC의 5nm 공정으로 제작된 애플 A14가 출하되었다.^[144]

6. 수율

수율은 웨이퍼에서 얻을 수 있는 모든 다이에 대한 양품 다이의 비율을 가리키며, 이율(yield rate)이라고도 한다. PC용 CPU처럼 같은 생산 라인에서 같은 제조 공정을 거친 제품을 완성품으로 만든 후 테스트를 통해 등급(동작 주파수)을 나누는 경우가 있으므로, 등급을 낮추면(낮은 클록으로만 동작하는 CPU라도 양품으로 간주할 수 있으므로) 수율이 상승하는 결과가 된다.^[1]

7. 반도체 고장 분석

반도체 고장 분석이란 매우 많은 소자들의 집합체인 집적 회로에서 어디가, 어떻게 고장 났는지를 분석하는 기술이다. LSI 테스터(반도체 시험 장치)에서는 불량품이라는 것은 알 수 있지만, 그 회로의 어디에 이상이 있는지는 알 수 없다. 수천만 개의 트랜지스터가 집적된 회로에서 하나하나를 시험하는 것은 현실적이지 않고, 배선 불량 등이 있을 수도 있다. 따라서 집적 회로가 등장한 초기부터 집적도 향상에 따라 고장 분석 기술도 발전하고 있다.

8. 분류

집적 회로는 구성, 집적도, 패키지, 기능 등에 따라 다양하게 분류할 수 있다.

집적 회로는 크게 아날로그 회로,^[81] 디지털 회로,^[82] 혼합 신호 집적 회로^[83]로 분류할 수 있으며, 혼합 신호 집적 회로는 동일한 IC에 아날로그 및 디지털 신호를 포함한다.

디지털 집적 회로는 수십억 개^[57]의 논리 게이트, 플립플롭, 멀티플렉서 및 기타 회로를 몇 평방 밀리미터에 포함할 수 있다. 이러한 회로의 소형화는 기판 수준 통합에 비해 고속, 저전력 소모 및 제조 비용 절감을 가능하게 한다. 이러한 디지털 IC는 일반적으로 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP) 및 마이크로컨트롤러이며, 부울 대수를 사용하여 "1"과 "0" 신호를 처리한다.

제조 기술 발전에 따른 고집적화 진전에 맞춰 새로운 명칭이 붙여졌지만, 규모 차이가 사용 방법에 차이를 가져오는 것은 아니므로 점차 폐기되었다. 현재는 "LSI"를 제외하고는 거의 사용되지 않는다.

8. 1. 구성

규소(Si) 단결정 기판 위에 평면적으로 구성하는 트랜지스터(플래너형 트랜지스터)를 발전시킨 것이다. 아날로그 IC와 디지털 IC는 모두 1960년대부터 발전이 시작되었지만, 1990년대에는 제조 공정의 발전에 따라 고도의 아날로그-디지털 혼합 회로도 볼 수 있게 되었다.

하이브리드 집적 회로는 비교적 작은 인쇄 회로 기판에 다수의 개별 부품이나 여러 개의 칩(멀티칩 모듈) 등을 직접 고밀도로, 심지어 입체적으로 실장·배선하고, 더 나아가 몰딩하는 등으로 하나의 부품으로 만든 것이다.^[1]

제어 회로가 일체화된 고전력 증폭 회로나 스위칭 회로(인텔리전트 파워 모듈), 고밀도 실장이 요구되는 휴대기기·자동차·항공기·군사용, 집적회로 간의 거리가 연산 속도에 영향을 미치는 슈퍼컴퓨터나 메인프레임 컴퓨터 등에 사용된다. 메인프레임 컴퓨터나 슈퍼컴퓨터에 사용되는 멀티칩 모듈은 100층이 넘는 세라믹 기판을 소결하여 생성한 매우 고도의 입체 회로를 구성하고 있다. 인쇄회로기판에서도 빌드업이라고 불리는 여러 개의 다층 기판을 접합하여 회로를 구성하는 기술이 개발되었기 때문에, 하이브리드 집적회로의 다층화 제품과 인쇄회로기판의 다층화 제품의 경계는 없어지고 있다.^[1]

8. 2. 기능별 분류

집적 회로는 기능에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

종류	설명
범용 LSI
범용 로직 IC
ASIC, 시스템 LSI	특정 용도 IC・LSI
ASSP	특정 용도 표준 제품
프로그래머블 로직 디바이스	FPGA
음성합성 LSI
LCD 드라이버
(DSP)
영상 처리 컨트롤러, GPU
LAN 제어
SCSI 제어
모뎀용
비디오·오디오 부호화·복호화용
마이크로프로세서
마이크로컨트롤러
DRAM
SRAM (의사 SRAM)
ROM (EPROM, EEPROM)
플래시 메모리
FeRAM
FIFO 메모리
듀얼포트 메모리 (VRAM)
캐시 메모리
연산 증폭기
아날로그-디지털 변환 회로
디지털-아날로그 변환 회로
전원 회로
파워 앰프, 드라이버
음향용 앰프 회로
액정 디스플레이 드라이버
모터 드라이버
RF 회로
영상 신호 처리 (NTSC 신호 처리)
타이밍 회로 (PLL, VCO)
반도체 센서	CMOS 이미지 센서, CCD 이미지 센서, 온도 센서, 압력 센서, 가속도 센서
반도체 릴레이
SiP
SoC
IC 카드

현대의 전자 부품 유통업체는 종종 집적 회로를 다음과 같이 세분화하기도 한다.

• 디지털 집적 회로: 논리 IC (마이크로프로세서 및 마이크로컨트롤러 등), 메모리 칩 (MOS 메모리 및 플로팅 게이트 메모리 등), 인터페이스 IC (레벨 시프터, 직렬화/역직렬화 등), 전력 관리 IC 및 프로그래머블 디바이스.
• 아날로그 집적 회로: 선형 집적 회로 및 RF 회로 (무선 주파수 회로).
• 혼합 신호 집적 회로: 데이터 수집 IC (A/D 컨버터, D/A 컨버터, 디지털 포텐시오미터 포함), 클록/타이밍 IC, 스위치드 커패시터(SC) 회로 및 RF CMOS 회로.
• 3차원 집적 회로(3D IC): 실리콘 관통 전극(TSV) IC와 Cu-Cu 연결 IC.

9. 보안 칩

보안 칩은 컴퓨터에 내탬퍼 기능을 부여하기 위한 시스템 온 칩(SoC) 모듈이다. 입출력 포트와 전원 단자만을 갖추고 있으며, 마이크로컨트롤러로서 모든 로직을 단일 칩에 통합하고 있다. 키 관리, 키 블록의 등록 및 발급, 웜 기능 등이 포함되어 중간자 공격 및 측채널 공격으로부터 컴퓨터 시스템을 보호한다.

세계에서 가장 많이 사용되는 보안 칩은 IC 카드이다. IC 카드는 시스템 방어의 핵심으로 사용되지만, 일반적으로 독립적으로 작동하지 않고 백엔드 시스템에 데이터베이스를 갖추고 있으며, 해당 데이터베이스에 접근하는 키가 저장된다. 과거에는 실제 데이터를 저장하는 IC 카드도 있었지만, 내탬퍼 성능이 낮아 B-CAS 카드 등 제한 수신 시스템을 제외하고는 철회되었다. 일본과 EU에서는 카드가 분석 및 변조되어 제한 수신 시스템이 붕괴되기도 했다.

오사이후 케타이 및 Suica에서 알 수 있듯이 무선 전자 결제 및 전자 발권 시스템도 보안 칩을 사용한다. 이 시장에서는 소니가 개발한 Felica가 주류이며, NFC로서 ISO에서 표준화되었다. 휴대전화의 SIM 카드도 보안 칩의 일종이다.

마이크로소프트 윈도우는 Windows Vista부터 보안 칩을 본격적으로 채택하기 시작했다. 보안 칩에 전자 인증서를 저장하고 하드 디스크를 암호화한다. 그 이전에는 전자 서명 기반의 EFS를 탑재했지만, 사용자 프로필이 소멸되면 사용자 인증서도 함께 손실되어 데이터 손실 사고가 발생했다. 또한 시스템 전체를 암호화할 수 없었다. 인텔은 vPro를 통해 Windows NT에 보안 칩을 옵션으로 채택한 암호화 시스템을 제공했지만, 일반 사용자에게는 사용되지 않았으며 주로 IT 전문가가 운영하는 대규모 시스템에서 사용되었다.

내탬퍼 기술은 날마다 발전하고 있다. 긴 키를 처리할 수 있는 고성능 프로세서를 탑재하고, 광소거 EPROM을 이용하여 칩 반출을 어렵게 하는 등(칩에 빛을 쬐면 플로팅 게이트에서 전하가 방출되어 데이터가 소멸됨) 개선이 거듭되고 있다.

10. 지적 재산권

집적회로 설계 디자인은 지적 재산권으로 보호받으며, 많은 나라에서 이를 위한 법률을 채택하고 있다.^[94] 특히 집적회로의 각 층을 사진으로 촬영하여 포토마스크를 제작, 복제하는 행위를 막기 위해 이러한 법률이 제정되었다.^[94] 미국의 1984년 반도체 칩 보호법(Semiconductor Chip Protection Act of 1984)은 집적회로 생산에 사용되는 포토마스크에 대한 지적 재산권을 확립했다.^[94]

1989년 워싱턴 D.C.에서 집적회로에 관한 지적 재산권 조약(워싱턴 조약 또는 IPIC 조약)을 채택하는 외교 회의가 열렸으나, 이 조약은 현재 발효되지 않고 TRIPS 협정에 부분적으로 통합되었다.^[95][96]

여러 국가에서 집적회로 배치 설계를 보호하는 법률을 채택했는데, 여기에는 일본,^[97] EC,^[98] 영국, 오스트레일리아, 한국 등이 포함된다. 영국은 초기에는 저작권법으로 칩 토폴로지를 보호했으나, 이후 브리티시 레일랜드 모터 코퍼레이션 대 암스트롱 특허 회사(British Leyland Motor Corp. v. Armstrong Patents Co.) 판례를 거쳐 1988년 저작권, 디자인 및 특허법을 제정했다. 미국 칩 산업은 영국의 저작권 접근 방식이 불충분하다고 비판하기도 했다.^[99]

오스트레일리아는 1989년 회로 배치법(Circuit Layouts Act)을 통해 칩 보호를 위한 특별한 형태의 법률을 제정했다.^[100] 한국은 1992년에 「반도체 집적회로 배치설계에 관한 법률」을 제정하여 시행하고 있다.^[101]

11. 집적 회로에서의 발전

코어나 마이크로프로세서는 컴퓨터, 휴대폰부터 전자레인지까지 모든 것을 통제하는 가장 발전한 집적 회로이다. 디지털 메모리칩과 ASIC는 현대 정보사회에서 중요한 집적 회로의 다른 예이다. 복잡한 집적 회로를 설계하고 개발하는 비용은 꽤 높지만, 각각의 집적 회로 비용은 보통 수백만 개의 제품에 사용되면서 낮아진다. 집적 회로는 작은 크기로 인해 빠른 작동이 가능하게 하는 저전력 논리회로를 구현할 수 있기 때문에 성능이 좋다.

집적 회로는 한 칩에 더 많은 회로가 내장될 수 있도록 작은 크기를 지향해 왔다. 이것은 비용을 줄이거나 더 많은 기능을 할 수 있도록 집적회로의 용량을 늘려왔다. 무어의 법칙에서는 2년마다 집적 회로에 포함되는 트랜지스터의 개수가 2배씩 늘어난다고 한다. 일반적으로 크기가 줄어들수록 거의 모든 것이 향상된다. 비용과 전력 소모는 줄고 속도는 올라간다. 하지만 나노미터 크기의 집적 회로는 누설전류 같은 문제가 발생한다. 이 문제는 현재 하이-k 유전체로 해결하고 있다. 이러한 속도 저하와 전력 소모가 최종 사용자에게는 분명히 느껴지기 때문에 더 정밀한 집적 회로를 생산하기 위한 제조 기업들 간의 치열한 경쟁이 있다. 이러한 과정과 몇 년 안에 일어날 것으로 예상되는 발전은 ITRS가 묘사하고 있다.

현재 연구 프로젝트에서 집적 회로는 생체전자공학이나 의학 삽입물에서 센서로 사용될 목적으로 개발되고 있다. 각각의 봉합은 노출된 반도체 물질에 의한 부식이나 분해를 막기 위해 유기물로 이뤄져야 한다^[169]. CMOS에서 사용되는 이러한 소수의 물질들 중 하나로, 의료삽입물에서 전극 역할에 접합하고 안정하다고 밝혀진 질화티타늄(TiN)이 있다^[170][171].

1980년대 설계가능논리소자가 개발되었다. 이 장치들은 논리 함수와 연결성을 사용자가 설계할 수 있는 회로를 포함한다. 이것은 한 개의 칩이 논리 함수, 가산기, 레지스터 같은 다른 LSI 함수를 실행할 수 있도록 설계하게 한다. 현재 FPGA(Field Programmable Gate Array)라고 불리는 장치들은 동시에 수만 개의 LSI 회로를 실행할 수 있고, 1.5GHz까지 작동한다.

지난 30년간 집적회로 산업에 최적화된 기술들은 미세전자기계시스템으로 알려진 기술을 이용하는 매우 작은 기계 장치를 만드는 데 사용되어 왔다. 이러한 장치들은 다양한 상업적, 군사적 목적들을 수행한다. 예를 들어 DLP 프로젝터, 잉크젯 프린터, 가속계와 자동차 에어백에 사용되는 MEMS 자이로스코프 같은 것들이 있다.

2014년, 평면에 2차원 플레이너 공정을 하는 방식으로 한 개 층이나 실리콘 칩의 한 면에 수많은 트랜지스터들이 생산되고 있다. 연구원들은 다음과 같은 여러 유망한 대안들의 프로토타입을 생산했다.

• 작은 실리콘 구의 전체 표면에 트랜지스터를 생산하는 것^[175][176]
• 3차원 집적회로나 모놀리식 3D, 적층 본딩와이어 같은 여러 겹으로 쌓여진 트랜지스터의 접근 방법^[177] stacked wire bonding,^[178].
• 다른 물질로 만들어진 트랜지스터: 그래핀 트랜지스터, 탄소 나노튜브 전계 효과 트랜지스터, 질화 갈륨 트랜지스터, 트랜지스터와 유사한 나노와이어 전자기기, 유기전계효과 트랜지스터 등.
• 말 수 있는 컴퓨터를 실현 가능케 할 기판에서의 변화. 예를 들어, 플렉서블 트랜지스터, 플렉서블 디스플레이나 다른 플렉서블을 응용한 전자기기.

12. 집적 회로의 예

• 555 타이머 IC
• 연산 증폭기
• 7400 시리즈
• 4000 시리즈 (7400 시리즈의 CMOS 대응 제품, 관련 항목: 74HC00 시리즈)
• 인텔 4004 (일반적으로 최초의 상용 마이크로프로세서로 여겨짐, 8008, 8080 CPU, 8086, 8088 (최초의 IBM PC에 사용됨), 8088/8086과 완벽하게 하위 호환되는 80286, 80386/i386, i486 등으로 이어짐)
• MOS 테크놀로지 6502 및 ZILOG Z80 마이크로프로세서 (1980년대 초 많은 가정용 컴퓨터에 사용됨)
• 컴퓨터 관련 칩의 모토롤라 6800 시리즈 (68000 및 88000 시리즈로 이어짐. 68000 시리즈는 매우 성공적이었으며 애플 리사와 PowerPC 기반 이전 매킨토시, 코모도어 Amiga, 아타리 ST/TT/Falcon030, 넥스트 계열 컴퓨터와 80년대 많은 제조업체의 워크스테이션 및 서버의 여러 모델, 그리고 다른 많은 시스템 및 장치에 사용됨)
• 아날로그 집적 회로의 LM 시리즈

13. 한국의 집적 회로 산업

IC^영어 산업은 대한민국 경제에서 매우 중요한 위치를 차지하고 있다. 특히 삼성전자와 SK 하이닉스는 메모리 반도체 분야에서 세계 1, 2위를 다투는 기업이다. 이들 기업은 D램과 낸드 플래시 등 메모리 반도체 시장에서 높은 점유율을 차지하며 한국 경제 성장에 크게 기여하고 있다.

한국 정부는 이러한 반도체 산업의 중요성을 인식하고, 이를 국가 핵심 전략 산업으로 육성하기 위한 다양한 정책적 지원을 제공하고 있다. 연구 개발 투자 확대, 세제 혜택, 인력 양성 등 다각적인 지원을 통해 기업들의 경쟁력 강화를 돕고 있다.

메모리 반도체 분야의 성공에 이어, 한국은 비메모리 반도체 분야에서도 경쟁력 강화를 위해 노력하고 있다. 시스템 반도체, 파운드리 등 다양한 분야에 투자를 확대하며 기술 개발과 시장 확대를 추진하고 있다. 특히, 인공지능, 자율주행차, 5G 통신 등 미래 산업의 핵심 부품인 시스템 반도체의 중요성이 커짐에 따라 이 분야에 대한 투자가 더욱 집중되고 있다.

참조

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