[반도Chat Ep.1] 반도체 미세화 한계 극복을 위한 해답! ‘GAA’

반도체 기술의 발전은 우리의 삶을 더욱 풍부하게 만들어 준다. 하지만 도대체 어떤 기술 덕분에 우리가 편해질 수 있는지 알아보는 길은 쉽지만은 않다.

삼성전자 반도체 뉴스룸이 이러한 어려움을 해결하기 위해 새로운 시리즈를 준비했다. 이름하여, ‘반도 Chat’! 오늘의 반도체 용어에 대해 가볍게 수다를 떠는 느낌으로 차근차근 배워 보자.

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MAP 1. 트랜지스터가 최초의 반도체라고?

첫 번째 키워드는 ‘트랜지스터’다. 트랜지스터는 반도체를 구성하는 주요 소자로 게이트를 통해 전류의 흐름을 조절하는 역할을 한다. 전자기기는 대부분 전류의 흐름을 조절하는 방식으로 정보를 저장하기에 트랜지스터는 ‘최초의 반도체’라 불린다.

위 그림에서 볼 수 있듯이 트랜지스터가 작아지면 더 빠른 연산이 가능하고, 더 적은 전력으로 동작할 수 있다. 즉, 트랜지스터를 작게 만들어 웨이퍼 하나에 얼마나 많은 트랜지스터를 넣느냐는 반도체의 성능과도 직결되는 문제다.

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MAP 2. 초미세 공정의 한계에 부딪히다

반도체를 작게 만드는, ‘초미세 공정’은 반도체 기술력의 상징으로 불린다. 반도체 크기가 작아질수록, 반도체 칩을 구성하고 있는 트랜지스터도 점점 작아져야 하는데, 이 과정에서 한가지 문제가 발생하게 된다. 바로 ‘단채널 현상(Short Channel Effect)’이다.

트랜지스터의 구조를 살펴보면 단채널 현상을 더 빠르게 이해할 수 있다. 게이트(Gate)에 전압이 가해지면 트랜지스터는 채널(Channel)을 통해 소스(Source)에서 드레인(Drain)으로 전자가 흐르면서 동작하게 된다. 하지만 트랜지스터가 점점 작아지면, 소스와 드레인 간 거리가 가까워지게 되어 누설 전류가 발생하고, 결국 너무 짧아진 게이트는 제 역할을 하지 못하게 된다.

이처럼 단채널 현상은 단어의 이름처럼 전류의 흐름을 조절하는 게이트의 길이가 너무 짧아짐에 따라 발생하는 모든 현상들을 일컫는다.

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MAP 3. 그것이 궁금하다, GAA

단채널 현상을 극복하기 위해 1차원 Planar FET부터 3차원 FinFET까지 트랜지스터 구조도 함께 발전해 왔다. GAA(Gate-All-Around)는 전류를 더 확실하게 제어할 구조를 고민한 결과 탄생한 구조이다. 4개의 채널을 4개의 게이트로 둘러싼 형태로 기존보다 더 정교한 전류 조절과, 더 확실한 전류 제어가 가능하기 때문에 성능과 특성 측면에서 훨씬 좋은 이득을 얻을 수 있다.

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MAP 4. 삼성전자 반도체만의 GAA, 궁극의 MBCFET™

‘MBCFET™(Multi-Bridge Channel Field Effect Transistor)’은 삼성전자 반도체만의 독자적 GAA 구조이다. 초기 GAA 구조의 채널(Channel)을 보다 넓게 만들어서, 기존 대비 통로가 넓어지기 때문에 저항이 줄어들고, 그로 인해 전류가 더 많이 흐르게 되어 누설 전류를 더욱 효과적으로 제어할 수 있다.

이러한 MBCFET™은 기존의 트랜지스터보다 전력 소모를 줄이면서도 성능을 향상할 수 있는 차세대 반도체 기술로 평가된다. 기존 Nanowire보다 넓은 Nanosheet 형태로 통로가 넓어졌기 때문에 전류가 더 많이 흐를 수 있고, 원하는 수준까지 소비 전력을 줄일 수 있는 장점이 있다.

그리고 사용자가 요구하는 다양한 성능에 따라 다양한 시트를 제공한다는 점이 MBCFET™ 의 가장 큰 장점이다. 연산을 많이 해야 하는 CPU 같은 곳에서는 전류가 많이 흘러야 하기 때문에 넓은 시트를 사용하고, 저전력을 요구하는 곳에서는 좁은 나노시트를 써서 그 성능을 맞추게 된다.

GAA에 대한 보다 자세한 설명이 궁금하다면 반썰어 ‘GAA’편을 참고하길 바란다.