차세대 반도체를 위한 차세대 공정, ‘GAA 구조’ 트랜지스터

차세대 반도체를 위한 차세대 공정, ‘GAA 구조’ 트랜지스터

인공지능(AI)부터 5G, 사물인터넷(IoT), 자율주행 자동차까지 반도체는 어느새 4차 산업혁명 시대를 이끌어가는 핵심 기술로 자리 잡았는데요. 이렇게 반도체 기술이 고도화되고 복잡해지면서 그에 따라 반도체 공정 기술 또한 발전해 나가고 있습니다.

특히나 차세대 디바이스 크기에 따라 반도체의 크기가 점점 작아지고 고집적화되면서 초미세 공정 기술이 더욱 중요해지고 있는데요. 크기와 소모 전력은 점점 더 작아지지만 성능은 더욱 높아지는 반도체 진화의 중심, 차세대 트랜지스터에 대해 알아보겠습니다.

반도체 미세화 한계 극복을 위한 트랜지스터 구조의 변화

트랜지스터(Transistor)는 반도체를 구성하는 주요 소자로 전류의 흐름을 조절하여 증폭하거나 스위치 역할을 하는데요. 트랜지스터에서 가장 중요한 부분이 바로 게이트(GATE) 입니다. 게이트에 전압을 가하면 전류가 흐르고, 반대의 경우에는 전류가 차단되는 것이죠.

반도체 칩 하나에 이러한 트랜지스터가 수천 만에서 수억 개 들어가는 초고집적회로 시대를 맞아 미세한 공정을 진행하며, 트랜지스터의 크기도 점점 작아질 수 밖에 없었습니다. 이에 따라 작은 크기의 트랜지스터를 정밀하게 컨트롤해야하는 필요성이 생겼습니다.

차세대 트랜지스터 구조 GAA(Gate-All-Around)

트랜지스터는 게이트(Gate)에 전압이 가해지면 채널(Channel)을 통해 소스(Source)와 드레인(Drain)으로 전류가 흐르면서 동작하게 됩니다. 기존에 사용하던 평판(Planar) 트랜지스터는 게이트와 채널이 하나의 면으로 맞닿아 있는 평면(2D)구조로 트랜지스터의 크기를 줄이다 보면 소스와 드레인 간 거리가 가까워져 게이트가 제 역할을 못하고 누설전류가 생기는 단채널(Short Channel) 현상이 발생하는 등 동작 전압을 낮추는 데 한계가 있었습니다.

이를 개선하기 위해 입체(3D) 구조의 공정기술이 개발되었는데 이를 핀펫(FinFET)이라고 합니다. 구조가 물고기 지느러미(Fin) 모양을 닮았다고 해서 핀 트랜지스터라고 부르는데요. 게이트와 채널 간 접하는 면이 넓을수록 효율이 높아진다는 점에서 착안해 게이트와 채널이 3면에서 맞닿는 3차원 구조로 접점 면적을 키워 반도체 성능을 향상시켰습니다.

삼성전자만의 독자적 기술 MBCFET™

핀 트랜지스터는 여전히 첨단 반도체 공정에 사용되고 있지만 최근 4나노 이후의 공정에서는 더 이상 동작 전압을 줄일 수 없다는 한계가 발견되었는데요.

이를 위해 새롭게 탄생한 것이 바로 차세대 3나노 GAA(Gate-All-Around) 구조입니다. 3나노 이하 초미세 회로에 도입될 GAA구조의 트랜지스터는 전류가 흐르는 채널 4면을 게이트가 둘러싸고 있어 전류의 흐름을 보다 세밀하게 제어하는 등 채널 조정 능력을 극대화했습니다. 이로 인해 높은 전력 효율을 얻을 수 있는 건데요.

삼성전자는 이미 지난해 ‘삼성 파운드리 포럼’을 통해 GAA(Gate-All-Around)를 차세대 3나노 공정에 도입하겠다고 소개했습니다.

올해 5월에 진행된 ‘삼성 파운드리 포럼 2019’에서는 기존 GAA 구조를 한층 더 발전시킨 기술을 보여주었는데요. 단면의 지름이 1나노미터 정도로 얇은 와이어(Wire) 형태의 채널의 경우 충분한 전류를 얻기가 힘든 점을 개선한 것으로, 종이처럼 얇고 긴 모양의 나노시트(Nano Sheet)를 여러 장 적층해 성능과 전력효율을 높인 독자적인 기술 MBCFET™(Multi Bridge Channel FET)입니다.

MBCFET™ 공정은 최신 7나노 핀펫 트랜지스터보다도 차지하는 공간을 45% 가량 줄일 수 있으며, 약 50%의 소비전력 절감과 약 35%의 성능 개선 효과가 있을 것으로 기대되는데요. 뿐만 아니라 나노시트 너비를 특성에 맞게 조절할 수 있어 높은 설계 유연성을 갖고 있으며, 핀펫 공정과도 호환성이 높아 기존 설비와 제조 기술을 활용할 수 있다는 장점도 있습니다.

GAA구조의 트랜지스터는 인공지능, 빅데이터, 자율주행, 사물인터넷 등 고성능과 저전력을 요구하는 차세대 반도체에 적극 활용될 예정인데요. 불가능해 보이는 기술의 한계를 뛰어넘어 진화해 나가는 삼성전자에 앞으로도 많은 기대와 응원 부탁 드립니다.