집적 회로의 종류와 변천

집적회로의 종류

 IC는 용도와 제작방법에 따라 몇 가지 범주로 나누는 방법이 있다. 가장 보편적인 범주는 응용 방식에 따라 선형과 디지털로, 제작 방식에 따라 모놀리식과 하이브리드로 구분하는 것이다.

 선형 IC는 신호에 대한 증폭 또는 기타 본질적으로 선형동작을 하는 IC이다. 선형회로의 예는 단순한 증폭기, 연산증폭기 및 아날로그 통신회로 등이다. 디지털회로의 예는 단순한 증폭기, 연산증폭기 및 아날로그 통신회로 등이다. 디지털회로는 컴퓨터, 계산기 마이크로프로세서 및 이들과 유사한 응용 분야, 즉 제품들을 위한 논리 회로와 메모리 소자들을 포함한다. 이와 같은 회로가 많이 요구되기 때문에, 매우 많은 양의 IC가 디지털 분야에 포함되어 있다. 일반적으로 디지털회로는 트랜지스터의 온-오프 동작만을 필요로 하기 때문에 집적화된 디지털회로에 대한 설계요건은 보통 선형회로에 대한 것보다는 덜 엄중하다. 트랜지스터는 개별적 소자 형태에서와 같이 집적회로 형태에서도 손쉽게 제작할 수 있으나 수동회로소자는 보통 IC로는 정밀한 허용오차를 갖는 것을 생산하기가 더욱 어렵다. 

 반도체 단일 칩에 전체적으로 포함되어 있는 집적회로를 모놀리식 회로라 한다. 모놀리식이라는 영어 단어는 하나의 돌을 의미하며, 전체 회로가 한 조각의 반도에체 포함되어 있음을 암시한다. 반도체 시료에 첨가된 절연층과 금속화된 패턴 등이 칩 표면에 밀접하게 접착되어 있다. 하이브리드 회로는 저항, 커패시터 또는 다른 회로소자를 가지는 절연성 기판에 적절한 배선으로 연결된 하나 혹은 그  이상의 모놀리식 회로들을 포함하거나, 또는 개별적인 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 모놀리식 회로는 모든 부품이 한꺼번에 제작될 수 있는 한 개의 튼튼한 구조물에 포함되어 있다는 장점이 있다. 즉, 수백 개의 같은 회로가 하나의 Si 웨이퍼에 동시에 제작될 수 있다. 반면, 하이브리드 회로는 부품 사이의 격리가 탁월하며, 또 더욱 정밀한 저항과 커패시터를 사용할 수 있게 해 준다. 더욱이 하이브리드 회로는 보통 소량을 만드는 데 있어서는 비용이 적게 든다.

집적회로의 변천

 집적회로는 1959년 2월에 텍사스 인스트루먼트에 근무하는 잭킬비에 의해 발명되었다. 또한 1959년 7월에 페어차일드에 근무하는 로버트 노이스는 평면형 IC를 개별적으로 개발하였다. 그 후 기술의 발전은 대단히 빠르게 진행되었으며 현업에서의 발전 정도를 측정하는 한 방법은 시간 함수에 대한 IC의 복잡도를 확인하는 것이다. 지난 30년 동안 칩의 복잡도가 지수함수적인 증가를 해왔다. 소자의 개수는 인텔에 근무하는 고든 무어가 언급한 것처럼 대략 매 18개월마다 두 배가 된다. 이를 무어의 법칙(Moore's law)이라 한다.

 IC의 역사는 소자의 개수에 따른 서로 다른 세대의 용어로 기술할 수 있다. 소규모 직접(small-scale integration; SSI)은 1~10^2개의 소자 집적을 나타내고, 10^2~10^3개의 소자 사이를 중간규모 집적(medium-scale integration;MSI),10^3~10^5개의 소자 사이를 대규모 집적(large-scale integration;LSI)이라 한다. 또한 초대규모 집적(very large-scale integration; VLSI)은 10^6~10^9개의 소자 집적을 나타낸다. 물론 이러한 분류는 다소 명확하지 않은 점이  있다. 다음 세대는 기가규모 집적(gigascale integrationl;GSI)으로 불리고 있다. 기가규모 집적 이후에는 대규모 집적(ridiculously large-scale integration;RLSI)이 될 것으로 예측하는 사람들도 있다.

 이러한 집적도를 증대시키는 주 요인은 소자의 축소기술이다. 만일 부품들의 크기가 좀더 작아진다면 주요 기능을 내포하고 있는 수많은 부품들을 하나의 IC에 집적시킬 수 있다는 것이 확실하다. 소자 축소는 적은 전력을 소모하는 속도가 빠른 IC 관점에서 또 다른 장점이 있다.

 소자 축소는 기회를 의미하기도 하지만 한편으로는 기술적인 측면에서 어렵고 번거로운 도전을 의미한다. 이러한 도전 항목 중에서 주목할 만한 것들은 사진석판공정과 식각공정이다. 수평방향의 소자 축소는 수직방향 구조의 축소도 요구하기 때문에 도핑, 게이트 유전체, 금속선 형성방법에도 어려움이 따른다. 또한 작은 소자 크기와 큰 칩 제작은 극도로 깨끗한, 오염이 없는 환경 속에서 이루어져야 한다. 이는 수율에 커다란 영향을 줄수 있기 때문이다. 따라서 더욱 순수한 화학물질, 더 청정한 장비들 그리고 엄격한 기준의 청정실(clean room)을 필요로 하게 된다. 공정시설에 대한 청정도는 청정실의 클래스라는 개념으로 분류되는데 청정실의 클래스가 낮을수록 청결도가 높아진다. 즉, 클래스 1이 클래스 100의 공정시설보다 청정도가 더욱 높다. 클래스 수준이 높을수록 그 비용은 증대가 된다. 많은 비용 부담에도 불구하고 ULSI에 대한 경제적인 지출은 막대하다. 

 IC의 판매량을 시간에 따라 그려본다면, 지난 30년 동안 거의 지수함수적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 소비자가 주목해야 할 것은 같은 기간 동안 전자 기능에 대한 비용이 급격하게 떨어졌다는 것이다. 예를 들어, 반도채 메모리의 비트당 단가가 30년 동안 예전과 비교하여 10000배 정도가 향상되었다. 이처럼 극도로 절감된 비용으로 지속적인 기능 개선 효과를 이룬 업적을 다른 산업 분야에서는 찾아볼수 없다.