트랜지스터(transistor)는 한 마디로 전기로 제어되는 온/오프 스위치이다. 집적회로(integrated circuit, IC)는 수십, 수백 개의 트랜지스터를 칩 하나에 집적시킨 것이다.
집적회로의 집적도는 매우 일정한 속도로 증가하고 있다.
어떻게 집적회로를 만드는지 이해하기 위해서 맨 처음부터 시작하도록 하자.
집적회로 칩의 생산은 모래의 구성 성분인 실리콘에서부터 출발한다. 실리콘(sili-con)은 전기를 통하기는 하는데 썩 잘 통하는 편은 아니어서 반도체(semiconductor)라고 부른다. 특수한 화학적 처리를 거쳐 불순물을 첨가하면 실리콘의 작은 부분을 다음 세 가지 중 하나로 바꿀 수 있다.
- 전기의 양동체(초소형 구리나 알루미늄 전선)
- 전기 절연체(플라스틱 피복이나 유리 등)
- 조건에 따라 도체가 되기도 하고 절연체가 되기도 하는 물질(스위치)
트랜지스터는 마지막 종류에 속한다. 초대규모집적회로(very large scale integrated cir-cuit, VLSI)는 수십 억개의 도체, 절연체, 스위치를 작은 패키지 하나에 만들어 넣은 것이다.
집적회로 제조 공정은 칩 가격에 심각한 영향을 미치기 때문에 컴퓨터 설계자에게도 중요한 문제이다.
공정은 큰 실리콘 결정 괴(silicon crystal ingot)에서부터 시작된다. 주로 사용되는 실리콘 괴의 직경은 8~12인치, 길이는 12~24인치 정도이다. 이 덩어리를 0.1인치 이하의 두께로 얇게 자른 것인 웨이퍼(wafer)를 만든다. 잘라진 웨이퍼는 화학 물질을 첨가하여 부분 부분을 트랜지스터, 도체, 절연체로 바꾸는 일련의 공정을 거치게 된다. 오늘날의 집적회로에서 트랜지스터는 한 층에서 배치되지만, 금속 도체는 2~8개의 계층을 구성할 수 있다. 각 계층의 도체는 절연체 층으로 분리된다.
웨이퍼 자체에 미세한 흠집이 있었거나 여러 공정 중에 어느 한 부분에서라도 흠집이 생기면 웨이퍼의 그 부분은 못 쓰게 된다. 이러한 결함(defect) 때문에 완벽한 웨이퍼를 만드는 것은 거의 불가능하다. 불완전성에 대처하기 위해서 여러 가지 방법이 사용되지만, 그중 가장 간단한 방법은 한 웨이퍼에 독립적인 컴포넌트를 여러 개 만드는 것이다. 그런 다음 웨이퍼를 컴포넌트 별로 자르는데 이것을 다이(die)또는 칩이라 한다.
이렇게 여러 조각으로 나누면 웨이퍼에 결함이 생겼을 때 웨이퍼 전체를 버리는 대신 해당 다이만 버리면 된다. 이 개념은 수율로 계량화 할 수 있다. 수율(yield)은 웨이퍼 상의 전체 다이 중 정상 다이의 비율로 정의된다.
다이 크기가 커지면 웨이퍼에 넣을 수 있는 다이가 적어지고 수율이 떨어지므로 집적회로 가격이 급속히 증가한다. 차세대 프로세스를 이용해서 트랜지스터와 연결 선의 크기를 줄임으로써 큰 다이를 축소시켜 원가 절감을 꾀하기도 한다. 이렇게 하면 수율과 웨이퍼당 다이 개수가 개선된다.
결함이 없는 다이는 패키지의 입출력 핀과 연결하는데 이 과정을 본딩(bonding)이라고 한다. 패키징 과정에서 잘못되는 경우도 있으므로 패키지가 끝난 것들에 대해 최종 검사를 시행해서 통과된 것들만 고객에게 납품된다.
집적회로의 가격은 세 가지 간단한 식으로 표현할 수 있다.
두 번째는 근사식인데 둥근 웨이퍼에서 사각형의 다이를 만들 수 없는 경계 부분의 면적을 빼지 않았기 때문이다.
