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본 교재는 반도체 패턴도를 설계하는 레이아웃 엔지니어가 꼭 알아야 할 사항을 다루었다. 반도체 기본소자인 MOSFET에 관한 내용과 반도체 제조공정 및 순서 그리고 디자인 룰의 식별방법 등 이론적인 분야와 함께 실습하는데 필요한 소프트웨어의 기본적인 사용법부터 시작하여 기본 논리회로부터 다양한 응용회로에 이르기 까지 여러 가지의 패턴도를 설계하는 방법을 기술하였다.

반도체가 만들어지는 전반적인 공정순서와 CMOS 방식의 제조공정에 관한 내용을 그림으로 쉽게 설명하였으며 패턴도 그릴 때 알아야 할 디자인 룰의 종류와 해석 방법을 서술하였다. 또한 레이아웃 툴이 리눅스 환경에서 동작하므로 주로 쓰이는 리눅스의 기본 명령어를 알기 쉽게 예제를 들어 설명하였으며 Cadence사의 VLE(Virtuoso Layout Editor) 툴의 기본적인 사용방법을 작업순서대로 익히도록 하였다.

기본 논리회로의 구성과 동작내용을 알고 이들을 배치설계 하는 방법을 상세히 다뤘으며 LVS 검증 후 잘못된 부분을 수정하는 방법을 설명하였고 아울러 숙달된 기술자가 알아야 할 레이아웃의 향상된 기법도 다뤘으며 연산회로, 광대역 증폭기, 메모리회로 등 응용회로를 이용하여 고급 배치기술을 터득하도록 하였다.

마지막으로 과년도에 실시한 반도체설계 산업기사 이론 및 실기문제를 부록에 수록하여 관련자격증을 공부하는 학생들에게 도움이 되도록 하였다. 전문대 전자과나 반도체관련 학과의 학생이면 누구나 쉽게 따라할 수 있으며 반도체설계 산업기사 실기시험 응시에 많은 도움이 될 것이다.

머리말

어릴 적 부르던 동요에 “햇볕은 쨍쨍 모래알은 반짝 모래알로 떡 해놓고 조약돌로 소반지어 엄마아빠 모셔다가 맛있게도 냠냠” 하는 가사가 있다. 배고픈 시절이라 지천에 널린 모래를 보고 저게 쌀이었으면 좋겠다는 생각으로 만든 가사일지는 몰라도 모래가 우리민족의 먹을거리가 될 것임을 예견한 노래 같기도 하다. 모래에서 반짝이는 것이 바로 반도체 대표물질인 실리콘이다. 현재 우리나라는 반도체 제품을 수출하여 연간 수십조원의 돈을 벌어들이고 있으니 모래알로 떡을 만들어 먹고 있는 셈이다.



이처럼 반도체가 우리 경제생활에 깊숙이 파고들어와 있는데도 웬일인지 어렵고 딱딱한 느낌을 주는 것은 반도체를 눈으로 직접보고 만질 수 없을 만큼 미세하고 복잡하기 때문이다. 원래 가장 중요한 역할을 하는 것들은 눈에 띄지 않는 법이다. IT 산업이 급속도로 발전하면서 반도체 산업도 크게 발전을 하였다. 스마트폰, TV, 자동차, 로봇 등 반도체를 사용하지 않는 곳이 없다. 반도체는 이들 제품의 가장 중요한 부분에 자리 잡고 있으면서 가장 핵심적인 역할을 하고 있다. 말 그대로 반도체는 산업의 쌀이다.



반도체 산업을 크게 네 가지로 분류를 하면 재료, 설계, 장비, 제조공정 부분으로 나눌 수 있다. 재료분야는 모래에서 실리콘을 추출하여 원재료가 되는 웨이퍼를 만드는 일로 우리가 먹는 쌀을 생산한다고 보면 된다. 설계분야는 반도체가 여러 가지 기능을 갖도록 회로설계를 하는 분야로 쌀로 떡이나 과자 술 등을 만드는 것과 같다. 장비분야는 반도체를 가공하고 만드는데 필요한 기계라 보면 되고 제조공정 분야는 말 그대로 반도체 제품을 만드는 작업이다.



반도체설계는 반도체의 성능을 나타내는 핵심 분야로 전자회로 설계와 패턴도설계가 있다. 패턴도설계란 전자부품들을 반도체물질 내부에 집어넣기 위해서 그 부품들의 생김새와 이들을 서로 연결해주는 연결선의 모양을 그려주는 작업이다. 흔히 말하는 반도체 디자인 또는 반도체 레이아웃 또는 반도체 배치설계라고 부르는 작업이다. 전자회로설계는 4년제 이상의 학력 소유자가 주로 하는 반면에 패턴도 설계는 2년제 학력의 소유자가 주로 하는 일이다. 패턴도 설계를 하는 기술자를 레이아웃 엔지니어 또는 반도체 디자이너라 부른다.



본 교재는 반도체 패턴도를 설계하는 레이아웃 엔지니어가 꼭 알아야 할 사항을 다루었다. 반도체 기본소자인 MOSFET에 관한 내용과 반도체 제조공정 및 순서 그리고 디자인 룰의 식별방법 등 이론적인 분야와 함께 실습하는데 필요한 소프트웨어의 기본적인 사용법부터 시작하여 기본 논리회로부터 다양한 응용회로에 이르기 까지 여러 가지의 패턴도를 설계하는 방법을 기술하였다.



반도체가 만들어지는 전반적인 공정순서와 CMOS 방식의 제조공정에 관한 내용을 그림으로 쉽게 설명하였으며 패턴도 그릴 때 알아야 할 디자인 룰의 종류와 해석 방법을 서술하였다. 또한 레이아웃 툴이 리눅스 환경에서 동작하므로 주로 쓰이는 리눅스의 기본 명령어를 알기 쉽게 예제를 들어 설명하였으며 Cadence사의 VLE(Virtuoso Layout Editor) 툴의 기본적인 사용방법을 작업순서대로 익히도록 하였다.



기본 논리회로의 구성과 동작내용을 알고 이들을 배치설계 하는 방법을 상세히 다뤘으며 LVS 검증 후 잘못된 부분을 수정하는 방법을 설명하였고 아울러 숙달된 기술자가 알아야 할 레이아웃의 향상된 기법도 다뤘으며 연산회로, 광대역 증폭기, 메모리회로 등 응용회로를 이용하여 고급 배치기술을 터득하도록 하였다.



마지막으로 과년도에 실시한 반도체설계 산업기사 이론 및 실기문제를 부록에 수록하여 관련자격증을 공부하는 학생들에게 도움이 되도록 하였다. 전문대 전자과나 반도체관련 학과의 학생이면 누구나 쉽게 따라할 수 있으며 반도체설계 산업기사 실기시험 응시에 많은 도움이 될 것이다.



끝으로 본 교재를 출판하기 위해 물심양면으로 애써주신 복두출판사 임직원 여러분들께 깊은 사의를 표한다.

제1장 MOSFET의 구조와 동작
1. MOSFET의 구조
2. MOSFET의 동작

제2장 레이아웃 개요
1. 마스크와 패턴도
2. 다이오드의 레이아웃
3. BJT 레이아웃
4. NMOS의 레이아웃
5. PMOS의 레이아웃
6. 수동 3소자 레이아웃

제3장 반도체 공정
1. 일반적인 반도체 제조공정순서
2. 일반적인 CMOS 공정

제4장 디자인 규칙
1. TSMC사의 SCN6M 룰
2. Diva DRC 룰
3. H사의 0.35micron 룰

제5장 반도체디자인 툴(Tool) 사용법
1. 리눅스 기본 명령어
2. X-manager 사용법
3. GPDK 사용 환경 설정하기
4. Cadence VLE 기본 사용법

제6장 기본논리회로 설계
1. 인버터 설계
2. NAND 논리회로 설계
3. NOR 논리회로 설계
4. AND 논리회로 설계
5. OR 논리회로 설계
6. XOR 논리회로 설계
7. T게이트

제7장 Advanced Layout
1. 저항의 배치
2. 커패시터(Capacitor) 배치
3. PAD의 레이아웃
4. ESD 회로
5. Power clamp 회로
6. Guard ring
7. 전원선 배치
8. 폭이 넓은 메탈 배선 그리기
9. 안테나(Antenna) 효과
10. 소스저항이 있는 경우 레이아웃 방법
11. 게이트 길이가 매우 긴 MOSFET의 레이아웃
12. 직렬로 연결된 공통 게이트 레이아웃
13. Current Mirror Layout
14. Fingering Layout

제8장 응용회로 레이아웃
1. 차동증폭기(Differential Amplifier)
2. 3-State Inverter
3. 고 임피던스용 증폭기
4. 광대역 증폭기(Wide Band Amplifier)
5. 연산증폭기(Op Amp)
6. D/A 변환기
8. D-FF
9. MUX
10. ALU
11. 메모리회로
12. PLL 회로

부록1-반도체설계 산업기사 과년도 이론문제
부록2-반도체설계 산업기사 실기 예상 문제