CMOS (Complementary MOS)

CMOS 이전: NMOS의 한계

CMOS는 ‘Complementary MOS’의 약자다. ‘complementary’는 ‘서로를 보완한다’는 뜻인데, 회로에서는 nMOS와 pMOS가 늘 반대로 켜진다는 의미다.

가장 단순한 CMOS 회로인 인버터를 보면 이 구조가 한눈에 들어온다.

위에는 pMOS, 아래에는 nMOS가 직렬로 연결되어 있고, 게이트는 같은 입력에 묶여 있다.

입력이 ‘0’일 때는 위 pMOS가 켜지고 아래 nMOS는 꺼져서 출력이 전원전압(VDD)으로 끌어올려진다.

입력이 ‘1’일 때는 반대로 nMOS가 켜져 출력이 접지(GND)로 끌어내려진다.

이 구조의 핵심은 ‘안정 상태에서 한쪽은 반드시 꺼져 있다’는 점이다.

그래서 입력이 바뀌지 않는 동안에는 VDD에서 GND로 직류 전류가 거의 흐르지 않는다.

CMOS 인버터 회로도 · 이미지 출처: Wikimedia Commons

CMOS 인버터의 동작

CMOS 이전의 디지털 회로는 NMOS만으로 만들어졌다.

풀업 부하에 저항이나 디플리션 모드 트랜지스터를 쓰는 방식이었는데, 출력이 ‘0’일 때 풀업을 통해 항상 정적 전류가 흘러 전력 소모가 컸다. 1980년대 들어 칩 집적도가 만 개를 넘어가면서 이 정적 전력은 견딜 수 없는 수준이 되었고, CMOS가 사실상 표준으로 자리 잡았다.

비슷한 시기 BiCMOS(BJT+CMOS)도 고속 응용에서 잠시 인기였지만, 공정 복잡성과 면적 부담 때문에 결국 CMOS에 자리를 내줬다.

정적·동적 전력의 의미

CMOS의 전력 소모는 크게 두 가지로 나뉜다.

동적 전력은 ‘P = αCV²f’ 식으로 표현된다. α는 활동 인자, C는 부하 커패시턴스, V는 동작 전압, f는 동작 주파수다.

이 식이 말해 주는 것은 단순하다: 주파수와 전압을 낮추면 전력이 큰 폭으로 줄어든다.

모바일 칩이 ‘DVFS(동적 전압 주파수 조절)’를 적극 활용하는 이유다.

정적 전력은 트랜지스터가 꺼져 있을 때도 흐르는 누설 전류가 만든다.

미세화가 진행되면 게이트 산화막이 얇아져 게이트 누설이, 채널 길이가 짧아져 서브스레숄드 누설이 늘어난다.

그래서 65nm 이후로는 ‘High-k 절연막 + 메탈 게이트(HKMG)’가 도입됐고, 22nm 이후로는 FinFET이, 3nm 이후로는 GAA가 도입됐다.

이 모든 구조 혁신은 본질적으로 ‘누설을 잡으면서 동작 속도를 유지하기 위한’ 노력이다.

CMOS 공정의 핵심 단계

CMOS 공정 자체는 트윈 웰(twin-well)이라는 구조에서 시작한다. p형 실리콘 기판 위에 n형 영역(n-well)을 만들어 그 안에 pMOS를 넣고, 나머지 영역에 nMOS를 만든다.

이후 STI(Shallow Trench Isolation)로 소자 간 절연을 확보하고, 게이트 산화·게이트 형성·소스/드레인 이온주입·실리사이드·금속 배선이 이어진다.

한 번의 마스크 작업으로 nMOS와 pMOS가 동시에 만들어지지는 않고, 이온주입 단계에서 마스크로 영역을 가려 가며 도펀트 종류와 농도를 다르게 넣는다.

2000년대 이후 CMOS 칩의 단면 구조 · 이미지 출처: Wikimedia Commons

디지털 외 응용: CIS, 아날로그, RF

CMOS는 이름과 달리 디지털 회로 전용 기술이 아니다.

이미지 센서 분야에서는 CIS(CMOS Image Sensor)가 CCD를 사실상 대체했다.

CIS는 픽셀마다 광다이오드와 증폭 트랜지스터를 함께 집적해, 소비 전력이 낮고 시스템 통합이 쉽다.

스마트폰 카메라, 자율주행 카메라, 의료 영상 등에서 표준이다.

아날로그·RF 회로에서도 CMOS가 점차 주류가 되었다.

한때 RF는 GaAs·SiGe BiCMOS의 영역이었지만, 미세화로 CMOS가 GHz 대역에서도 충분한 성능을 내면서 통신 칩 대부분이 CMOS 기반이 됐다.

미세화에서의 도전 과제

미세화에서 CMOS가 직면한 가장 큰 문제는 누설 전력과 변동성이다.

트랜지스터 수억~수백억 개를 모아 놓으면, 같은 마스크로 만들어도 각 소자의 문턱 전압이 조금씩 다르다.

이 변동성이 커지면 회로 동작 마진이 줄고, 저전력 동작이 어려워진다.

이를 보정하기 위해 보디 바이어스 제어, 셀 단위 ECO, 통계적 회로 설계 같은 기법이 함께 발전해 왔다.

결과적으로 CMOS는 ‘하나의 기술’이 아니라, 트랜지스터·재료·공정·설계 도구가 함께 진화해 온 거대한 생태계라고 보는 것이 정확하다.