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 MBCFET은 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.

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반도체 칩 속에서 전류의 흐름을 제어해 0과 1의 디지털 신호를 만들어주는 트랜지스터. 반도체 칩이 세대를 거듭해 점점 작아짐에 따라 반도체를 구성하는 트랜지스터도 함께 작아져야만 합니다.

그런데, 전세계 반도체 회사들을 고뇌에 빠트린 난제가 있는데요. 바로 트랜지스터가 너무 작아짐에 따라 게이트가 제 역할을 하지 못해, 전류 조절 기능이 나빠지고 누설 전류가 발생하는 단채널 현상(Short Channel Effect)입니다.

이러한 한계를 극복하기 위해 삼성전자 반도체가 내놓은 해답은 바로 ‘GAA(Gate-All-Around)’ 기술. GAA는 신개념 트랜지스터 구조로, 전류가 흐르는 채널 4개 면을 게이트가 둘러싸는 형태입니다. 마치 수도꼭지 4개가 한꺼번에 달린 것처럼 전류를 쉽게 제어할 수 있어 속도는 빠르게 구현하면서도, 소비전력은 줄일 수 있습니다.

최근에는 팹리스 고객의 다양한 요구에 맞추어 다양한 특성을 구현할 수 있는 삼성전자 반도체만의 독자 기술 MBCFET^TM도 개발했다고 하는데요. 파운드리 게임 체인저로 불리는 GAA 기술과 MBCFET^TM은 어떻게 탄생할 수 있었을까요? 궁금하다면, 지금 영상을 시청해보세요.

The post [반썰어 Ep.6] 파운드리 공정의 초미세화 한계를 극복하는 신의 한 수, 차세대 트랜지스터 ‘GAA’ first appeared on 삼성전자 반도체 뉴스룸.

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.

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