쉬운 전공풀이 (3): CMOS 가 뭐지?

안녕하세요 @gotama 입니다.
친구들에게 전공을 쉽게 설명하기 위해 정리하기시작했던 글인데 세 번째 시리즈를 작성하게 됐습니다. 3편도 쓰다보니 4편도 계획하게 됐는데 글을 직접 써보니 본인의 머리도 정리가 되는것이 좋네요.

친구들에게 전공을 쉽게 설명하기 위해 정리하기시작했던 글인데 세 번째 시리즈를 작성하게 됐습니다. 3편도 쓰다보니 4편도 계획하게 됐는데 글을 직접 써보니 본인의 머리도 정리가 되는것이 좋네요.

이번에는 지난 시리즈, (1)THz대역이 뭐지? 와 (2)THz대역을 어떻게 검출하지? 에 이어서 CMOS가 무엇인지를 쉽게 설명해보려고 합니다.

지난시간에대한 요약을 하자면 공학적으로 사용하기 어려운 THz 대역을 CMOS공정을 이용하여 상온에서 작동하는 THz 대역 카메라를 매우 작고 값싸게 만들 수 있다는 내용이었습니다.

1. 범용 기술, General purpose technology

범용 기술(general purpose technology) 이라는 말을 들어 보셨나요? 범용 기술이란 모든 분야에 관여하여 그것이 없었을 때와 비교해 인류의 삶과 활동반경에 큰 변화를 가져오는 기술을 말합니다.

예를 들어 농업혁명을 앞당긴 제철기술, 산업화를 가능케한 증기기관, 인류의 활동반경을 비약적으로 확장시킨 철도와 비행기, 정보화 사회를 가속하고 있는 인터넷과 컴퓨터와 같은 것들을 꼽습니다. 앞으로는 블록체인이 시대를 이끈 범용기술로 교과서에 실릴 것 같네요.

이 중 인터넷과 컴퓨터의 도입은 집적회로(integrated circuit), 즉 반도체기술이 일등공신이라고 할수있습니다. 집적회로가 없었다면 전구같이 생긴 커다란 진공관으로 구성된 아파트만한 컴퓨터를 사용하고 뜨거워진 진공관 사이에 눌러붙은 벌레들을 제거하며 (de-bugging) 지구온난화가 더욱 가속되었겠죠.. 복잡한 연산을 위해 점점 많아지는 회로들을 작은 공간안에 우겨넣는 것을 집적회로 라고 하고 이를 가능하게 하는것이 바로 CMOS입니다.

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2. CMOS 제조방법

컴퓨터 뿐만이 아니라 디지털이 적용된 상용화되어 대량생산되는 모든 반도체 칩, 특히 디지털로 작동된다 하는 것들은 전부 CMOS공정을 통해 생산됩니다. 반도체 칩을 생산하는 과정은 아주 크고 비싼 피자를 시켜 먹는것과 같습니다.

순수한 실리콘덩어리를 잘라 만든 실리콘 웨이퍼 위에 그리고(lithography) 깎고(etching) 쌓고(deposition) 뿌리고(doping) 굽고(annealing) 한 후에 마지막으로 손톱보다 작은 크기로 잘라 나누어(sawing) 여러 사람들이 생산비용을 분담하는 것이죠. 이런 일련의 과정들은 며느리에게도 알려주지않는 100년전통의 맛집 요리 레시피와 같기 때문에 실제로도 레시피라고 부릅니다. 이런 레시피에 관한 내용은 다음 포스팅에서 자세히 다뤄보도록 하고 CMOS 공정이 범용기술이 될수있었던 이유를 먼저 말씀드리겠습니다.

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3. CMOS 원리

CMOS의 정식명칭을 풀어서 설명하자면 Complimentary MOSFET, 더 풀어보자면 Complimentary Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 라고 합니다.
(한글로는 상보형금속산화막반도체전계효과트랜지스터 라고 하지만 영어보다 한자가 더 어려운것 같습니다...)

이름이 길지만 이름 자체에 생긴 모양과 작동방식에대한 원리가 빠짐없이 담겨있습니다.

먼저 Complimentary 에 대해 설명하자면 0과 1을 나타내기 위해 반대작동을 하는 다른 두 개의 녀석에 대한 설명입니다. 이로인해 발열량과 소모전력이 매우 작아져 손톱만한 면적안에 300억개의 스위치를 우겨넣을 수 있게 되죠. 300억개의 진공관으로 만든다면 정말 아파트 한 동 정도 크기가 되려나요...

Metal Oxide Semiconductor: 생긴 모양입니다. 금속, 비금속, 반도체를 쌓아올린 모습을 묘사합니다. 이어서 Field Effect Transistor: 전계 효과를 이용하는 트랜지스터라는 뜻입니다. 금속과 반도체 사이가 절연된 상태에서 직접적인 전류의 흐름없이 전기장 만으로 채널을 열고 닫을 수 있게 됩니다. 이러한 작동방식은 물의 수원(Source)으로부터 배수로(Drain) 의 사이에 흐름을 조절하는 댐의 수문(Gate) 과 비유할수 있습니다. 수문이 열리면 물이(전류가) 흐르고 수문이 닫히면 물이 흐를 수 없는것이죠.

이런 CMOS의 source 와 drain의 사이 거리를 채널길이 라고 합니다. 현재 양산중인 공정은 14nm 인데 삼성에서 채널길이 3nm 양산을 위한 공정을 개발하고 있다고 합니다. 3nm 면 실리콘원자의 반지름이 0.2nm 정도이니까 원자 15개 정도네요... 물론 인텔, 하이닉스, TSMC 등도 분발하고 있으니 방심할 수 없습니다.

사실 이 MOSFET 를 발명한 사람은 한국인인 강대원 박사님 입니다. (전공 원서로 공부할때 한국인 이름이 있어서 깜짝놀랐었어요.) 1960년 Bell Lab에서 MOSFET 을 개발한 공로로 미국 특허청 발명가 명예의 전당에도 올라있죠. 집적회로의 발명으로 2000년도 노벨상을 수상한 잭 킬비는 강박사의 MOSFET 기술이 오늘날 반도체산업을 이끌었다고 언급하기도 했습니다. 정보화 사회가속의 시작인 셈인데 정작 우리나라에도 모르는 사람이 많아 안타깝습니다. (하지만 요즘 잘 팔리는 SSD의 기본단위인 Floating gate memory 에 대한 특허도 갖고계시니 부와명예를 모두...)

다음 시간에는 피자 굽는 레시피와 같다고 비유한 CMOS 공정의 여러가지 대표기술에 대해 설명해보도록 하겠습니다. 댓글과 업보팅은 저자에게 큰 힘이 됩니다! 읽어주셔서 감사합니다.

내 전공 쉽게 설명하기1: THz대역이 뭐지?
내 전공 쉽게 설명하기2: THz를 어떻게 검출하지?

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