반도체 8대 공정 3탄. 전자산업의 혁명, 집적회로(IC, Integrated Circuit)

산화막(SiO2)을 형성해 표면을 불순물로부터 보호하는 과정을 거친 웨이퍼에 이제 반도체 설계회로를 그려 넣을 단계인데요, 손톱만큼이나 작고 얇은 반도체의 회로는 어떻게 구성되어 있을까요?

놀랍게도 작은 반도체 칩 안에는 수만 개에서 수십 억 개 이상의 전자부품들(트랜지스터, 다이오드, 저항, 캐패시터)이 빼곡히 채워져 있습니다. 이번시간에는 반도체 8대 공정의 이해를 돕기 위해 반도체 집적회로(IC)의 개발 과정과 구조에 대해 알아보도록 하겠습니다.

■ 트랜지스터, 진화의 시작을 알리다

1947년 크리스마스 시즌, 뉴저지 머레이힐에 위치한 미국 최대 전화 통신 회사 AT&T의 중앙연구소인 벨랩의 회의실에서는 일대 혁신이라 불리는 놀라운 일이 일어납니다. 벨 연구소의 윌리엄 쇼클리, 존 바딘, 그리고 월터 브래튼이 반도체 격자구조의 조각에 도체선(전기가 흐르는데 사용되는 선)을 접촉시키면 전기 신호가 증폭한다는 사실을 발견해 최초의 실험에 옮기게 된 것인데요, 처음에는 단순히 증폭기(Amplifier)라는 이름으로 불리던 이것이 나중에 트랜지스터(Transistor) 제품으로 알려지게 됩니다.

그 후 트랜지스터는 전류를 증폭시켜 작은 소리를 크게 키우는 보청기나 전류의 흐름을 조절해 라디오 볼륨을 높이는 용도를 거쳐 전자제품의 핵심 부품으로 자리잡게 됩니다. 하지만 시간이 흐를수록 전자제품의 기능이 복잡해지면서 트랜지스터와 저항, 다이오드, 캐패시터 등 연결해 주어야 하는 부분이 기하급수적으로 증가하게 되고, 이런 연결점들이 제품을 고장내는 주요 원인이 되게 됩니다.

하지만 1958년, 이러한 문제점을 해결해주는 방법이 개발되는데요. 복잡한 전자부품들(트랜지스터, 저항, 캐패시터)을 정밀하게 만들어 작은 반도체 속에 하나의 전자회로로 구성해 집어 넣는 것입니다. 그래서 탄생한 것이 바로 집적회로(IC)입니다.

■ 전자산업의 혁명, 집적회로(IC, Integrated Circuit)

반도체 집적회로(IC)를 가득 채우고 있는 수천만 개 이상의 트랜지스터, 다이오드, 저항, 캐패시터 등의 전자부품들은 서로 정확하게 연결되어 전기 신호를 연산하고 저장하는 역할을 합니다.

집적회로를 구성하고 있는 각 부품들의 기능을 살펴보면 트랜지스터는 전원을 켜고 끄는 스위치 역할을 하며, 캐패시터는 전하를 충전해 보관하는 일종의 창고 역할을 합니다. 또 저항은 전류의 흐름을 조절하는 역할을 담당하고, 다이오드는 신호를 고르게 전하는 기능을 하게 됩니다.

반도체 집적회로(IC)의 제조는 전자부품들과 그 접속 부분들을 모두 미세하고 복잡한 패턴(Pattern)으로 만들어 여러 층의 재료 속에 그려 넣는 방식을 사용하는데요, 그러기 위해서는 패턴을 사진으로 찍어 축소한 마스크를 마치 사진인화와 같이 필름처럼 사용하게 됩니다. 이 내용은 다음 시간에 다뤄질 포토공정에서 자세하게 말씀 드리도록 하겠습니다.

이렇듯 집적회로(IC)가 개발되면서 반도체 산업은 발전하게 되는데요. 특히, 1960년에는 벨랩의 연구원이었던 한국인 공학자 고 강대원 박사와 마틴 아탈라가 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS Field-Effect Transistor)를 개발하면서 집적회로가 빛을 발하게 됩니다. 제조가 까다롭고, 전력소모가 많았던 기존 양방향 접합형 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor) 의 문제점을 MOS-FET 개발을 통해 해결할 수 있게 된 것입니다.

트랜지스터에서 집적회로(IC), MOS-FET까지, 이쯤 되면 반도체 60년의 역사와 함께 앞으로 변화하게 될 미래의 모습 또한 기대 되지 않으신가요?

■ 트랜지스터를 뛰어 넘을 미래형 신개념 소자, 배리스터(Barristor)

향후, 트랜지스터의 역할을 이어받을 신기술은 무엇일까요? 삼성전자 종합기술원은 지난 5월 ‘꿈의 신소재’인 그래핀(Graphene) 소자를 활용하여 새로운 트랜지스터 구조를 개발하는데 성공했습니다. 이는 기존 트랜지스터보다 100배의 속도를 구현할 수 있는 신개념 소자라는 측면과 쇼키 장벽(Schottky Barrier, 에너지 장벽)를 조절해 전류를 켜고 끌 수 있다는 의미에서 배리스터(Barristor)라는 이름이 붙게 되었습니다.

이번 연구를 통해 삼성전자는 그래핀(Graphene) 소자 연구의 최대 난제를 해결함으로써 추후 연구에 새로운 방향을 제시했고, 관련 분야를 선도할 수 있는 기반을 구축한 것으로 평가되고 있습니다.

이번시간에는 손톱만큼이나 작고 얇은 실리콘 칩, 반도체 집적회로가 어떤 구조로 이루어져 있는지 알아보았습니다. 이 작은 조각이 수 십억 개의 전자부품을 품고 있다는 사실이 신기하지 않으신가요? 다음 시간에는 이렇게 세밀한 설계회로가 웨이퍼 위에 어떻게 그려지는지 소개해드리도록 하겠습니다.

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