수동 소자

1 수동 소자란 무엇인가?

반도체 집적회로(Integrated circuits)를 구성하는 개별 부품(Component)을 소자(Device)라 하며, 크게 수동 소자와 능동 소자로 나눌 수 있다. 이 중 공급된 전력을 소비, 축적, 방출하는 기능을 가진 소자를 수동 소자라 하고, 저항(Registor), 커패시터(Capacitor), 인덕터(Inductor) 등이 있다. 정류, 증폭 등의 능동적 기능을 하는 소자는 능동 소자라 하며, 다이오드(Diode), 트랜지스터(Transistor) 및 사이리스터(Thyristor) 등이 이에 속한다.

2 저항(Registor)

전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 성질을 저항(Resistance)이라 하며, 전류의 흐름을 적당하게 제한하여 전압을 나누거나 전류를 감소시키는 용도로 많이 사용된다. 기호는 R, 단위는 옴[Ω]이다. 저항 양단의 전압(V)과 이 저항을 통해 흐르는 전류(I) 사이에는 옴의 법칙(Ohm’s law, V = IR)이 성립하며, 1Ω은 1V의 전압으로 1A의 전류가 흐를 때의 저항으로 정의된다. [그림 1-1]과 같이, 저항 R은 도선 길이 L에 비례하고, 단면적 A에 반비례한다. 즉, 도선이 길면 전자가 이동해야 할 거리가 길기 때문에 저항이 커지고, 단면적이 넓으면 전자가 쉽게 이동할 수 있으므로 저항이 작아진다. 도선의 길이, 단면적과 저항의 관계를 식으로 나타내면, R = ρ·L/A가 된다. 이때 비례상수 ρ는 물질의 고유한 값으로, 저항률(Resistivity) 또는 비저항이라 한다.

저항에 전류가 흐르면 전력 소모가 발생하고, 소모된 에너지는 열의 형태로 방출된다(P = VI = I_2R = V^2/R). 저항의 연결은 직렬과 병렬 연결 방식이 있으며 저항을 직렬로 연결하면 전체 저항 값은 증가(R = R_1 + R_2 + …)하고 병렬로 연결하면 전체 저항 값은 감소(1/R = 1/R_1 + 1/R_2 + …)한다([그림 1-2] 참조).

반도체 집적회로에서의 저항은 적절한 회로 동작을 위해 의도적으로 형성되는 저항과 원치 않게 만들어지는 기생(Parasitic) 저항으로 구분할 수 있다. 기생 저항은 회로의 신호 지연(Delay)의 원인이 되며 이를 감소시키기 위해 통상 비저항이 작은 물질을 사용한다. 반도체 집적회로에서의 저항은 회로 동작에 필요한 저항값 및 공정 단계(Step)에 따라 고농도로 도핑(Doping)된 n+ 또는 p+ 단결정, 또는 다결정 실리콘 및 상대적으로 비저항이 큰 금속의 길이와 단면적을 조절하여 구현한다. 반도체 회로 및 공정에서는 비저항 값(ρ)을 저항체의 두께(t)로 나눈 면 저항(Sheet resistance, Rs)이라는 파라미터(Parameter)를 많이 사용하는데, 이에 대해서는 본 서 확산 공정 단원의 ‘확산 공정의 평가 방법’ 절을 참조하기 바란다.

3 커패시터(Capacitor)

커패시터란 전기를 저장할 수 있는 소자로, 축전기(Condenser)라고도 한다. 커패시터는 기본적으로 [그림 1-3]과 같이 양극과 음극의 두 전도체 전극판 사이에 유전체(Dielectric material)¹를 삽입시킨 구조이다. 직류전압을 인가하면 각 전극에는 가해 준 전압과 동일한 전압이 형성될 때까지 전하가 축적되며, 축적 도중에는 전류가 흐르지만 축적이 완료된 상태에서는 전류가 흐르지 않는다.

유전체¹: 전기장 내에서 극성을 띠는 물질로, 절연체(부도체)의 물질

이때 전하를 저장할 수 있는 능력을 정전용량(Capacitance)이라고 하며, 기호는 C, 단위로는 패럿([F], Farad)을 사용한다. 정전용량은 전극의 모양과 전극 사이의 유전체(Dielectric) 물질의 종류에 따라 값이 결정된다. 즉, 정전용량은 유전체의 유전율(Permittivity) 및 평행 전극의 면적에 비례하고, 전극 간 거리(유전체의 두께)에 반비례하는 관계를 가진다.

C[\mathrm{F}] = \varepsilon \cdot \dfrac{A}{d} (ε: 유전율[F/m], d : 극판 간의 간격[m], A: 극판의 면적[m2])

커패시터는 전류가 증가할 때는 에너지를 저장하고 전류가 감소할 때는 저장된 에너지를 모두 되돌려 주므로 에너지 소비는 0이다. 비유전율 또는 상대 유전율(Relative permittivity)이라고도 하는 유전상수(Dielectric constant, εr)는 어떤 물질의 유전율(Permittivity, ε)과 진공의 유전율(ε_0, 8.854 × 10^12F/m) 사이의 비율이다(ε_r = ε/ε_0). 유전율의 단위는 [F/m] 또는 [C/N·m²]이다. 유전상수는 물질에 따라 달라지는데, 진공의 경우 1로 정의되고, 실리콘은 11.8, 실리콘 열 산화막(SiO_2)은 3.9이다. 이 유전상수를 k라 부르기도 하며, 통상 10 이상의 값을 갖는 유전체를 High-k, SiO_2보다 작은 값(~3.9)을 가지는 유전체를 Low-k 물질이라 한다.

정전용량은 총 전하량을 전압으로 나눈 값으로 정의되며 (C = Q/V) 1F는 1V의 전압을 가해서 1C의 전하가 축적되는 정전용량을 말한다. 유전체의 유전율은 전기를 유도하는 정도를 말하며, 전극 사이에 유전율이 높은 물질을 채워 넣으면 전압을 조금만 인가해도 많은 전하를 저장할 수 있다. 이것은 유전 물질의 분극(Polarization) 현상 때문이다. 금속은 자유전자(Free electron)가 존재하므로 전압을 가하면 일정한 방향으로 자유롭게 움직이는 것이 가능하나 유전체(Dielectric material)는 자유전자가 없어 전압을 가해도 자유롭게 움직일 수 없다. 대신 [그림 1-4]와 같이 한쪽으로 치우치는 형태의 전자 쌍극자(Electric dipole moment), 즉 동일 전하량을 가지나 극성이 서로 다른 두 전하가 일정 거리를 두고 떨어져 있는 형태로 변할 수 있다. 이를 분극 현상이라 한다.

유전율이 큰 물질이란 이러한 분극 현상이 잘 일어나는 물질을 말한다. 유전체 내의 이웃한 전자 쌍극자는 [그림 1-5]와 같이 전기적으로 서로 상쇄되고 결국은 표면의 구속전하만 남게 되어 표면의 구속전하에 의해 형성된 전기장(E, [그림 1-5]의 경우 4개)이 외부에서 인가한 전기장([그림 1-5]의 경우 7개)의 일부를 상쇄시켜 유전체 내부의 전기장은 약화([그림 1-5]의 경우 3개)된다. 즉, V = E·d에서 E가 감소하는 것이다. E가 감소하면 V가 감소하고 인가한 외부 전압과 감소한 커패시터 양단의 전압 차이에 의해서 전하가 추가로 이동할 수 있게 된다. 이러한 이동은 양 극판의 전압이 외부 인가 전압과 같아질 때까지 계속된다. 따라서 유전상수가 큰 물질을 전극 사이에 삽입하면, 이와 같은 원리로 금속판에 전하를 더 많이 저장할 수 있게 된다. 즉, 정전용량이 증가하는 것이다.

커패시터의 연결 또한 저항과 같이 직렬 및 병렬 연결 방식이 있다. 병렬 연결의 경우는 전체 커패시터에 저장된 전하가 각 개별 커패시터 내에 저장된 전하의 합과 같으므로 Q = Q1 + Q2 + …이고, Q= CV에 의해 CV = C1V1 + C2V2 + …가 된다. 또한, 병렬 연결 방식으로 각 커패시터에 걸리는 전압이 동일(V = V1 = V2 = …)하므로 총 정전용량은 개별 정전용량의 합과 같다(C = C1 + C2 + …). 그러나 직렬 연결의 경우, 총 정전용량의 역수는 각 개별 커패시터의 정전용량의 역수의 합과 같다(1/C = 1/C1 + 1/C2 + …). 그 이유는 직렬 연결된 개별 커패시터 내에 축적된 전하량이 모두 동일(Q = Q1 = Q2 = …)하고, 외부 인가 전압이 각 커패시터에 걸리는 전압의 합과 같으므로(V = V1 + V2 + …), Q = CV에 의해 Q/C = Q/C1+ Q/C2 + …이 되어 1/C = 1/C1 + 1/C2 + …가 되기 때문이다([그림 1-6] 참조).

반도체 집적회로에서 커패시터는 적절한 회로 동작을 위해 의도적으로 형성되는 커패시터와 원치 않게 만들어지는 기생(Parasitic) 커패시터로 구분할 수 있다. 주로 금속배선 사이의 절연체에 의한 기생 커패시터는 기생 저항과 같이 회로의 신호 지연(Delay)의 원인이 되며 이를 감소시키기 위해 통상 유전율이 낮은 물질(Low-k)을 사용한다. 반도체 집적회로에서의 커패시터는 [그림 1-7]과 같이 ① DRAM의 커패시터와 같이, 정보를 저장하기 위해 전하를 축적/저장하려는 목적의 커패시터, ② 직류(DC) 전압 내의 잡음(Noise) 성분(AC, 교류)을 접지로 빼 주어 DC 전압의 안정화를 이루려는 목적의 바이패스(By-pass) 커패시터(또는 De-coupling 커패시터라고도 함), ③ AC와 같은 고주파 신호를 허용하고 DC와 같은 저주파 신호를 차단하려는 목적의 커플링(Coupling) 커패시터 등으로 다양하게 사용된다.

반도체 집적회로에서 커패시터는 상기와 같이 다양한 목적으로 사용되므로 각 정전용량의 크기 또한 각 커패시터마다 다르다. 이러한 커패시터에는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)의 게이트 산화막(Gate oxide)을 유전체로 사용한 경우, 전도체(다결정 실리콘 또는 금속층) 사이에 유전체를 삽입한 경우 등 다양하다.

기생 커패시터를 제외한 나머지, 즉 의도적으로 형성되는 커패시터의 공통점은 제한된 면적에 큰 정전용량의 커패시터를 만든다는 것이다. 커패시터의 면적을 증가시키기 위해서는 [그림 1-8]과 같이 3차원 구조를 적용하거나 양 전극을 빗의 형태로 구성하여 빗살무늬(Comb-type) 커패시터 등을 만든다.

4 인덕터(Inductor)

인덕터는 전류의 변화를 이용하여 전압의 변화를 유도해내는 소자이다. 즉, 인덕터는 전류에 의한 자기장을 만들어 자기(Magnetism) 에너지를 저장하는 원리이다. 회로에서 전류가 변하면 그것을 방해하는 방향으로 전압이 유도되는데, 이를 역 기전력 또는 유도 기전력이라 한다. 이처럼 전류의 변화를 방해하려고 하는 특성을 인덕턴스(Inductance, 유도계수, L)라 하며 단위로는 헨리([H], Henry)를 사용한다. 인덕턴스를 증가시키려면 도선의 길이가 길어야 하지만 공간적 제약 때문에 도선을 스프링 모양으로 감아 코일(Coil) 형태로 만들어 사용한다. 따라서 인덕턴스는 코일이 감긴 횟수와 코일의 크기, 코일이 감고 있는 코어(Core)의 종류에 따라 결정된다.

인덕터는 전류의 흐름을 방해하지만 커패시터와 마찬가지로 소비전력을 발생시키지 않는다. 인덕터에서 전압과 전류의 방향이 같은 방향일 때는 전원에서 공급되는 에너지가 인덕터에 자기장 형태의 에너지로 저장되지만, 전압과 전류의 방향이 반대가 되면 그 에너지를 되돌려주기 때문이다. 인덕터의 연결 또한 직렬과 병렬 방식이 있는데, 저항(Resistor)의 직렬 및 병렬 연결과 동일한 특성을 갖는다.

[그림 1-9]와 같이 직렬 연결 시에는 전체 인덕턴스 값은 증가(L = L1 + L2 + …)하고 병렬로 연결하면 전체 인덕턴스 값은 감소(1/L = 1/L1 + 1/L2 + …)한다.

반도체 집적회로에서 인덕터(On-chip inductor)는 외부 인덕터 대비 효율성이 떨어지고, 자기에 의한 인접 소자의 영향 등으로 주로 RF(Radio Frequency) 제품 등의 ‘발진기’, ‘증폭기’, 신호 필터와 같은 교류 및 무선 주파수 응용에 사용되는 ‘특수 제품’에 한정되어 응용된다. 종류로는 [그림 1-10]과 같이, 나선형(Spiral)의 3차원 구조와 단일 루프(Single loop) 및 곡류(Meander) 등의 평면형 인덕터가 있다. 3차원 나선형 구조의 인덕터는 높은 인덕턴스 구현이 가능하나 다층 배선 형성으로 인해 공정이 복잡하다는 단점이 있고, 평면형 인덕터는 공정이 단순하나 인덕턴스 값이 낮다는 단점이 있다.