What is a Microchip?

마이크로칩의 다른 명칭은 다음과 같습니다.

• 집적 회로(IC)
• 컴퓨터 칩
• 반도체
• 칩

집적 회로는 연결된 개별 구성 요소의 어셈블리를 전선 또는 인쇄 회로 기판(PCB)으로 대체했습니다. 이는 크기가 훨씬 작고 전력 소모가 월등히 적으며 훨씬 더 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있는 단일 모놀리식 소자이기 때문입니다.

반도체 재료는 1821년 토마스 요한 지베크에 의해 발견되었으며, 최초의 작동 가능한 반도체 트랜지스터는 1947년 윌리엄 쇼클리에 의해 개발되었습니다. 이후 1959년 로버트 노이스가 이러한 구성 요소들과 모든 상호 연결 회로를 하나의 소자로 통합했습니다. 이 발명과 그 이후의 모든 발전의 핵심은 포토리소그래피를 이용하여 재료를 한 층씩 정밀하게 증착하고 제거하는 평면 제조 공정이었다.

집적회로는 현대 생활에 없어서는 안 될 요소로, 장난감부터 심우주 탐사선에 이르기까지 다양한 기기에 전자 부품을 공급하고 있습니다. 2023년, 전 세계 반도체( 마이크로칩 ) 매출액은 5,269억 달러를 기록했습니다. 같은 해 매출에서는 컴퓨터를 넘어선 칩 사용 분야가 더욱 성장한 것으로 나타났습니다. 전체의 32%는 통신 분야, 17%는 자동차 분야, 14%는 산업용 기기, 11%는 가전제품에 사용되었으며, 컴퓨팅 분야는 25%에 그쳤습니다.

IC 내 트랜지스터 수가 2년마다 두 배로 증가한다는 ‘무어의 법칙’에 따라, 회로의 복잡성이 점점 더 커지고 부품 크기가 지속적으로 줄어들면서, 칩 세대가 바뀔 때마다 마이크로칩의 설계 및 제조는 더욱 어려워지고 있다.

칩 상의 개별 소자 크기를 일컫는 ‘피처 크기(feature size)’는 나노미터(nm), 즉 1미터의 10억 분의 1 단위로 측정됩니다. 현재 반도체 제조사들은 14nm, 10nm, 7nm, 5nm, 3nm 공정을 사용하고 있으며, 2nm 기술도 도입되고 있습니다. 비교를 위해 말하자면, 쌀 한 알의 길이는 500만 나노미터입니다.

2023년, 연구진은 1.2조 개의 트랜지스터를 탑재한 사상 최대 규모의 마이크로프로세서를 개발했다. 2024년 인텔의 CPU 제품군에는 단일 칩에 1억 개 이상의 트랜지스터가 탑재되어 있다.

집적 회로는 반도체 재료, 주로 실리콘을 겹쳐 쌓아 만든 것입니다. 다음은 마이크로칩 에서 가장 흔히 볼 수 있는 요소들입니다:

• 실리콘 기판: 다른 층들은 이 순수 실리콘 결정층을 기반으로 하여, 다른 물질을 제거하거나 증착하거나 결정 물질에 도핑을 가함으로써 형성됩니다. 

마이크로칩 제조 공정에는 세 단계가 있습니다. 각 단계는 비용을 최소화하고, 품질을 보장하며, 효율성을 극대화하기 위해 고도로 최적화되고 자동화되어 있습니다. IC를 설계하는 엔지니어들은 각 단계가 소자의 크기, 모양, 간격을 결정하기 때문에 제조 공정에 대해 잘 이해하고 있어야 합니다.

1단계: 웨이퍼 생산

블랭크 실리콘 웨이퍼를 만드는 것은 반도체 제조의 첫 단계입니다. 이 공정은 일반적으로 순수 실리콘과 같은 반도체 재료로 만들어진 ‘불(boule)’이라 불리는 단결정 원통형 잉곳을 성장시키는 것으로 시작됩니다. 그런 다음 이 불을 얇은 웨이퍼로 절단하고, 평평한 표면을 만들기 위해 기계 가공한 뒤, 가공 과정에서 발생한 손상을 제거하기 위해 화학 에칭을 거친 후 연마합니다. 전자용 웨이퍼의 직경은 대개 100~450mm입니다. 가장 일반적인 크기는 지름 300mm, 두께 755µm입니다.

2단계: 제작

모든 구성 요소와 상호 연결을 포함하는 회로망은 일반적으로 ‘팹(fab)’이라고 불리는 반도체 제조 시설에서 제작됩니다. 회로망의 각 층과 토폴로지는 일련의 엄격하게 제어된 공정을 통해 형성됩니다. 로봇들은 웨이퍼를 클러스터 단위로 기계에서 기계로 이동시킵니다. 대부분의 칩 제조 공정은 각 층에 대해 다음과 같은 단계를 거칩니다:

• 층을 완전히 덮도록 산화막 실리콘 층을 성장시킵니다(패시베이션이라고도 함).
• 포토레지스트 코팅을 추가합니다.
• 포토레지스트 층을 생성하고자 하는 기하학적 패턴에 따라 자외선에 노출시킵니다. 그런 다음 포토레지스트 층을 현상하여 빛에 노출된 부분을 제거합니다. 이를 포토리소그래피라고 합니다.
• 화학 물질(대개 강산)을 사용하여 포토레지스트가 제거된 부분의 산화막을 제거합니다. 이를 ‘에칭’이라고 합니다.
• 현상되지 않은 포토레지스트 재료를 제거합니다.
• 층에 도핑이 필요한 경우, 결정 구조에 오염물질을 이온 이식하면 트랜지스터 및 기타 구성 요소에 대해 원하는 반도체 거동이 발생합니다.
• 다른 재료의 경우 다양한 형태의 화학 또는 증기 증착을 사용하여 배선, 전극 및 기타 구성 요소를 생성합니다.

3단계: 포장

각 층의 형성이 완료되고 웨이퍼를 세척 및 검사한 후, 이를 ‘다이(die)’라고 하는 개별 칩으로 절단합니다. 그런 다음 하나 이상의 다이를 본딩 공정을 통해 기판에 부착하고, 용도에 따라 다양한 소재로 IC를 캡슐화합니다. 일부 패키지에는 단일 칩만 포함되기도 하지만, 현재는 여러 개의 다이를 하나의 패키지에 결합하는 것이 일반적인 추세입니다. 

집적회로의 종류와 용도는 해마다 늘어나고 있습니다. 초기 집적회로는 대개 단일 기능만 수행했습니다. 그러나 제조 기술과 설계 도구가 발전함에 따라 칩은 다기능화되는 방향으로 변화했습니다.

스마트폰은 다양한 용도를 위해 여러 종류의 칩을 단일 기기에 결합할 수 있는 훌륭한 예입니다. 스마트폰에는 5G 무선 통신 및 GPS용 무선 주파수(RF) 칩, 카메라용 광전자 칩, 디스플레이용 LED 칩, 처리 장치용 디지털 IC, 가속도계용 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 칩, 그리고 수많은 기능을 감지, 제어 및 조정하는 데 사용되는 십여 종의 기타 집적 회로가 포함되어 있습니다.

다양한 유형의 칩을 해당 칩이 전달하는 신호에 따라 분류할 수 있습니다.

아날로그 집적 회로

아날로그 신호는 단순히 고전압 또는 저전압 신호뿐만 아니라, 연속적인 전압 범위 전반에 걸쳐 전압을 전달합니다. 아날로그 신호는 신호를 증폭하고, 주파수별로 필터링하며, 신호를 혼합하는 데 사용됩니다. 아날로그 IC의 주파수와 전력은 매우 다양할 수 있으며, 주파수와 전력이 높을수록 설계상 상당한 어려움이 따릅니다.

아날로그 IC의 일반적인 용도는 다음과 같습니다.

• 광학, 열 및 오디오 센서
• 전원 관리 회로
• 연산 증폭기(op-amp)
• 오디오 및 비디오 신호 처리
• 통신(무선 통신 및 광학 신호 처리 포함)
• RF 회로
• 신호 조절
• 기계 컨트롤러

디지털 집적 회로

디지털 IC는 트랜지스터로 구성된 수백만 개 또는 수십억 개의 논리 게이트를 포함하는 논리 소자입니다. 고정된 클럭 주파수로 작동하는 신호는 ‘높음’ 또는 ‘낮음’, ‘0’ 또는 ‘1’로 변환되거나 측정됩니다. 서로 다른 논리 소자들을 결합함으로써, 매우 적은 전력을 소비하면서도 매우 복잡한 계산을 수행할 수 있습니다.

디지털 IC의 가장 일반적인 용도는 다음과 같습니다.

• 로직 IC 또는 프로세서
  • 마이크로프로세서
  • 마이크로컨트롤러
  • 응용 분야별 집적 회로(ASIC)
• 메모리 칩
• FPGA(Field Programmable Gate Arrays, 필드 프로그래머블 게이트 어레이)
• 디지털 전력 관리 소자
• SoC(System-on-a-Chip) 소자
• 멀티 다이 칩

혼합 신호 집적 회로

일부 집적 회로는 아날로그 신호와 디지털 신호를 모두 처리할 수 있는 회로 구조를 갖추고 있으며, 이 두 신호를 서로 변환하여 혼합 신호 집적 회로를 구성합니다. 이러한 회로는 아날로그 신호를 감지하거나 생성할 때, 해당 신호를 읽거나 생성하거나 수정하기 위해 논리 연산이 필요한 경우에 사용됩니다.

혼합 신호 IC의 가장 일반적인 용도는 다음과 같습니다.

• SoC 소자
• 데이터 수집 칩
• RF CMOS 회로
• 클록/타이밍 IC
• 스위치드 콘덴서 회로
• 전기 광학 소자
• MEMS 소자

마이크로칩의 미래는 과거와 유사한 양상을 띠고 있습니다. 즉, 더 작은 크기에 더 많은 기능을 탑재하면서도 지속적으로 비용을 절감해 나가는 것입니다. 또한 제조 기술의 발전은 성능 향상과 새로운 응용 분야를 위한 새로운 기회를 창출할 것입니다.

가까운 미래에 전기 엔지니어링 설계 및 시뮬레이션을 주도할 트렌드는 다음과 같습니다.

팹리스 설계 및 파운드리로 전환

수년에 걸쳐 업계는 기업들이 자체적으로 IC를 설계한 뒤, 칩 제조만을 전문으로 하는 업체에 생산을 위탁하는 모델로 전환되었습니다. 이를 ‘팹리스 설계’라고 하며, 이러한 위탁 제조업체를 ‘파운드리’라고 부릅니다. 이를 통해 애플이나 퀄컴과 같은 기업들은 자체 생산 시설을 구축하는 데 드는 자본 투자 없이도 혁신적인 신제품을 설계할 수 있게 되었습니다. 엔지니어들은 사용할 파운드리 업체의 제조 공정과 표준에 맞춰 설계를 해야 합니다.

최소 선폭 축소

회로 소자의 크기가 계속해서 줄어들면서 전력 및 신호 무결성 문제가 발생하고 있습니다. 경쟁력을 유지하기 위해 전기 엔지니어들은 이러한 새로운 기능을 활용하여 설계할 뿐만 아니라, 시뮬레이션과 설계 모범 사례를 적극 도입하여 문제를 예방해야 합니다.

전자 소자의 복잡성과 결합된 기능

시간이 지남에 따라, 단일 칩에 더 많은 기능을 집적하고자 하는 전자 기기 설계자들이 점점 늘어나고 있습니다. 사물인터넷(IoT) 기기, 새로운 솔리드 스테이트 장기 저장 장치, GPU 칩 등은 동일한 칩에 새로운 기능과 성능을 추가할 뿐만 아니라, 이러한 기능들 간의 상호작용도 더욱 정교해질 집적회로의 대표적인 예입니다. 엔지니어들은 업계가 기술을 주도해 나가는 방향으로 설계를 추진하기 위해 설계 및 시뮬레이션 도구가 필요합니다. 이식형 마이크로칩과 같은 생체의료 전자기기 역시 단일 칩에 여러 가지 기능이 필요한 또 다른 분야가 될 것입니다.

더 높은 클록 속도 및 주파수

성능 요구 사항의 증가와 RF 기술의 발전으로 인해 디지털 IC의 클럭 속도와 아날로그 및 혼합 신호 칩의 주파수가 높아지고 있습니다. 이 두 가지 요인 모두 신호 무결성( 신호 무결성 ) 및 전력 관리에 문제를 야기합니다.

향상된 에너지 효율로 컴퓨터 성능 향상

인공지능, 암호화폐 채굴, 사물인터넷(IoT) 애플리케이션과 같은 트렌드를 뒷받침하기 위한 고성능 컴퓨팅용 데이터 센터의 확장은 마이크로프로세서의 성능 향상 수요를 촉진하고 있습니다. 이러한 애플리케이션들은 FPGA, 솔리드 스테이트 하드 드라이브, 메모리, GPU는 물론, 점점 더 빨라지는 데이터 전송 속도로 모든 장치를 연결하는 데 필요한 모든 칩의 성능 개선을 업계에 요구하고 있습니다.

컴퓨팅 그 이상의 활용

자동차, 가전제품 및 산업용 분야에서 사물인터넷( 마이크로칩 ) 활용이 증가하는 추세는 계속될 것입니다. 거의 모든 제품이 광대역 통신, 센서, 컴퓨팅 성능과 연동되는 스마트 기기로 설계될 것이며, 이 모든 것에는 마이크로칩이 필요합니다. 

마이크로칩 설계 시뮬레이션

마이크로칩 제조 공정의 복잡성과 높은 비용으로 인해 설계에 대한 물리적 시제품 제작은 현실적으로 어렵습니다. 대신 엔지니어들은 시뮬레이션을 통해 가상 프로토타이핑 를 활용하여 설계를 진행하고, 성능을 검증하며, 양산이 시작되기 전에 문제를 파악하고 해결합니다. 또한 시뮬레이션은 패키징을 설계하고 칩을 생산하는 반도체 제조 장비를 최적화하는 데에도 사용됩니다.

디지털 마이크로칩에 시뮬레이션을 적용하는 과정은 RTL 설계를 통해 추상적인 수준에서 디지털 설계의 논리적 기능을 검증하는 것부터 시작됩니다. 여기에는 PowerArtist™ 소프트웨어를 활용한 전력 관리에 대한 초기 검토가 포함됩니다. 이 도구는 설계 과정의 초기 단계에서 설계의 전력 요구 사항을 평가하고, 전력 효율이 더 높은 설계를 구현하는 데 도움을 줍니다.

물리 설계 의 레이아웃이 완료되면, 엔지니어들은 디지털 IC의 전원 노이즈 및 신뢰성 분야에서 업계 최고의 신뢰도를 자랑하는 RedHawk-SC™ 소프트웨어를 사용하여 설계의 전원 노이즈( 전압 강하 ) 및 전원 안정성( 전자이동 )을 평가할 수 있습니다.

아날로그 및 혼합 신호 분야에서는 Totem™ 소프트웨어를 프로세스에 도입하여 신호 무결성( 전력 무결성 ) 및 신뢰성 검증(reliability signoff)을 수행할 수 있습니다. 이 소프트웨어는 신호 무결성( 전자이동 ) 분야에서 업계가 신뢰하는 최고의 표준으로 인정받고 있으며(Multiphysics), 3nm 공정까지 모든 주요 파운드리로부터 인증을 받았습니다. 또한 PathFinder-SC™ 소프트웨어와 연동하여 정전기 방전(ESD)을 계산할 수 있습니다.

설계가 최적화되고 검증되면, 패키징 엔지니어들은 시뮬레이션을 활용하여 전체 마이크로칩 패키지의 전력, 신호 무결성 및 견고성을 최적화할 수 있습니다. RedHawk-SC 소프트웨어는 시스템 인 패키지(SiP) 설계를 포함한 대규모 멀티칩 구성을 처리하도록 설계되었습니다. 첨단 반도체 패키징 는 2.5D 및 3D-IC 접근 방식을 사용하여 동일한 패키지 내에 여러 다이를 결합하고 연결하며, RedHawk-SC 소프트웨어를 활용한 시뮬레이션은 설계를 검증하고 최적화하는 주요 방법입니다.

설계의 전기적 측면이 해결되면, 패키징 엔지니어들은 Mechanical™ 소프트웨어및 Icepak® 툴과 같은 도구를 활용하여 구조적 신뢰성과 열 관리를 수행할 수 있습니다.