집적회로

집적의 장점

 작은 단일 Si 기판에 상호연결되어 있는 많은 부품을 사용하여 복잡한 회로를 제작하는 것은 어려워 보이지만 사실상 현대의 기술은 이것을 신뢰성 있게, 그리고 비교적 저렴하게 만들 수 있도록 하며, 대부분의 경우 하나의 Si 칩에 전체 회로를 완성하는 것은 개별적 부품을 사용하여 제작한 비슷한 회로보다 훨씬 더 저렴하고 또 높은 신뢰도를 갖는 제품을 생상할 수 있다는 것을 의미한다. 그 기본적 이유는 단일 Si 웨이퍼에 다수의 같은 회로를 동시에 제작할 수 있기 때문이다. 이 공정방법을 일괄제작(batch fabrication)이라 한다. 웨이퍼 공정 단계가 복잡하고 비용이 많이 들지만 ,이렇게 만들어진 다수의 회로에 대한 최종 제작단가는 결과적으로 상당히 저렴해진다.더 나아가 수백만 개의 트랜지스터를 포함하는 회로에 대한 제조공정 단계는 보다 단순한 회로에 대한 제조공정 단계와 본질적으로 같다. 이러한 추세는 IC 제조회사가 더욱 복잡한 회로나 시스템을 각 칩에 형성하고, 보다 큰 Si 웨이퍼를 사용하도록 유도한다. 그 결과, 시스템의 최종 비용을 비례적으로 증가시키지 않으면서도 각 회로에 사용하는 부품의 수가 증가하게 된다. 이것은 설계 기준의 융통성을 크게 증대시키고 있다. 한 회로 기판 위에 서로 배선으로 연결되거나 배치되어 있는 개개의 트랜지스터 및 기타 부품들로 구성된 회로와는 달리, 최종 제품의 가격을 크게 상승시키지 않고 많은 여유의 부품을 IC에 포함할 수 있게 해 준다.또 모든 소자와 상호연결선들이 견고한 단일 기판에 만들어지기 때문에, 납땜으로 연결되는 개별적인 회로 부품들의 고장으로 야기되는 회로 고장을 크게 줄일 수 있어서 신뢰성이 개선된다. 

 소형화 관점에서 IC의 장점은 많은 회로 기능을 작은 공간에 집적시킬 수 있으므로 복잡한 전자장치는 항공기나 우주선에서와 같이 무게와 공간이 극히 제한된 많은 응용 분야에서 사용할 수 있게 된다. 대형 컴퓨터의 경우, 이제는 총체적인 장비의 크기를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전체 회로를 신속하게 그리고 손쉽게 대체할 수 있게함으로써 쉽게 보수를 할 수 있도록 한다. IC의 응용 분야는 시계, 계산기, 자동차, 전화, 가전제품 등과 같은 소비재 영역에까지 미치고 있다. IC에 의해 제공되는 소형화와 가격의 감소는 보다 더 정교한 전자장치를 모두 마음대로 얻을 수 있다는 것을 의미한다. 

 소형화의 가장 중요한 장점의 일부는 회로 사이의 응답시간과 신호전달시간에 관한 것이다. 예를 들어, 고주파회로에서는 신호의 시간지연을 감소시키기 위해서 여러 부품의 간격을 좁게 유지할 필요가 있다. 같은 방식으로, 극히 높은 속도의 컴퓨터에서는 여러 가지 논리회로들과 정보축적회로들을 가깝게 배치하는 것이 중요하다. 전기적 신호들은 궁극적으로 고아속에 의하여 제한되므로 회로의 실제적인 간격은 중요한 제한요소가 될 수 있다. 하나의 Si칩에 많은 회로를 대규모로 집적하게 되면 컴퓨터의 크기를 상당히 줄일 수 있고, 이로써 속도와 기능의 밀집도를 엄청나게 증대시킨다. 신호전달시간의 감소에 덧붙여서 집적화는 회로 사이의 기생적 정전용량과 인덕턴스를 감소시킬 수 있다. 이들 기생적인 요소들의 감소로 시스템의 동작속도를 현저하게 개선할 수 있다.

 소형화, 고주파동작과 스위칭속도의 개선, 그리고 단일 웨이퍼에 제작된 많은 수의 회로로 인한 가격의 감소와 일괄제조공정에 있어서의 각 장치들의 크기를 축소시킴으로써 얻을 수 있는 몇가지 장점들을 검토하였다. 또 다른 중요한 장점은 일괄제작으로부터 생산되는 사용 가능한 소자의 백분율 또는 수율과 관련된 것이다. 결점 있는 소자는 보통 Si 웨이퍼나 제조공정 단계에 존재하는 일부 결함 때문에 생긴다. Si에서의 결함은 격자의 불완전성과 결정성장, 절단 및 웨이퍼 취급 도중에 발생되는 또는 결부되는 변형 때문에 생길 수 있다. 보통 이와 같은 결함은 극히 작으나, 이들의 존재는 결함들 위나 주위에 형성되는 소자들을 불량제품으로 만든다. 각 소자의 크기를 축소하는 것은 주어진 소자가 이와 같은 결함을 피할 수 있게 하는 기회를 크게 증가시킨다. 사진석판용마스크 위의 먼지 알갱이 존재와 같은 제작상의 결함에 대해서도 같은 현상이 일어난다. 상당히 큰 회로가 이 결함 주위에 구성되면 그것은 고장을 야기할 것이다. 그러나 소자의 크기를 축소하여 이 웨이퍼의 같은 면적에 4개의 회로가 존재하게 된다면, 이 결함을 포함하는 하나의 회로만 고장이고, 나머지 3개는 제대로 동작할 것이다. 따라서 사용가능한 회로의 백분율인 수율은 칩 면적이 감소하는 어느 점위에서는 증가한다. 각 회로에 대해서는 최적 면적이 있어서 그 이상에서는 결함이 불필요하게 포함되고, 그 이하에서는 회로요소들이 너무 접근하게 되어 신뢰성 있는 제조가 되기 어렵다.