최근 삼성전자의 GAA(Gate-All-Around) 기반의 3nm 공정 양산 소식이 들려왔다. 대다수의 사람은 공정의 숫자가 작아질수록 최신 공정인 것으로 인지하고 있다. 하지만 GAA라는 용어가 어색하고 정확이 이해하는 사람들은 많지 않을 것이다. 이에 대한 내용을 이해하기 위해서는 반도체의 기본 구조인 트랜지스터를 알아야 한다. 지금부터 간략하게 트랜지스터의 구조와 원리에 대해서 알아보자.
트랜지스터의 구조와 원리
트랜지스터란 반도체 물질을 제어하여 전류의 흐름을 조절하여 전기적 신호로 전환하는 반도체의 소자를 말한다. 간단하게 말해 트랜지스터란 반도체의 전기적 신호를 조절하기 위한 하나의 단위체라고 생각하면 된다. 모든 반도체는 이 트랜지스터를 구현하는 것에서부터 시작이 된다. 자세하게 들어가면 너무 복잡하지만 쉽게 설명하기 위해서 트랜지스터의 원리는 흔히 수도꼭지로 비유된다. 수도꼭지에서 물이 흐르지 않는 경우를 0, 수도꼭지에서 물이 흐르는 경우를 1이라는 신호로 지정하였을 때, 우리는 물이 흐르기를 원하면 수도꼭지를 열고, 물이 흐르는 경우에 흐르지 않게 하고 싶다면 수도꼭지를 잠글 것이다. 이걸 트랜지스터에 대응해 보면 전류를 흐름을 통해서 신호를 정하고 그것을 컨트롤하는 수도꼭지를 트랜지스터에서는 Gate라고 부른다. 그리고 물이 나오는 곳을 Source, 물이 흐르는 관을 Channel, 물이 빠져나오는 곳을 Drain이라고 부른다.
위의 그림은 현대 반도체의 가장 기본적인 트랜지스터인 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)의 구조다. 그림에 쓰여 있는 것처럼 가장 위에 있는 구조가 Gate로 수도꼭지 역할을 하게 된다. 이 Gate가 켜지게 되면 Source를 통해서 들어온 전류는 Channel을 거쳐 Drain으로 빠져나가게 된다. 이때 Channel은 Gate의 영향에 따라 넓이가 정해지게 된다.
작아지는 트랜지스터와 Channel
반도체 업계에서는 다양한 요구로 트랜지스터를 작게 만들기 위해 노력한다. 그 이유에 대해서는 추후 다시 이야기할 예정이다. 이렇게 트랜지스터를 점점 작게 만들 때 다양한 공정한 한계들이 존재하지만 가장 큰 문제는 Channel에서 발생한다. Channel이 작아지면 점점 원하지 않게 전류가 흐르거나, 전류가 흐르는 다른 통로가 생기는 등 우리가 의도한 대로 전기적 신호를 만들기 어려운 상태가 된다. 이때 발생하는 문제를 Short Channel Effect라고 한다. 이 Short Channel Effect를 방지하기 위한 다양한 공정들이 존재한다. 그리고 그 중 Gate의 형태를 변화시키면서 트랜지스터의 구조 자체를 변화시키는 공정들이 등장하였다. 대표적으로 앞서 말한 GAA가 있으며, 현재 반도체 공정의 메인 스트림인 FINFET이 있다.
FINFET? GAA?
MOSFET의 구조를 우리는 Planar 구조라고 한다. Planar에서 시작한 트래지스터의 구조는 점점 2D 구조에서 한계를 느끼면서 3D의 구조로 트랜지스터의 구조를 바꾸게 되는데 처음 등장한 3D 트랜지스터가 바로 FINFET이다. FINFET은 위의 Samsung Foundry 홍보 영상에서 볼 수 있듯 Channel이 되는 FIN을 GATE가 3면을 덮게 된다. 그로 인해 GATE가 ON이 되면 Channel이 3면으로 형성되면서 전반적으로 Channel이 넓어지는 효과를 가지고 온다. FINFET은 기존 Planar 구조 대비 큰 폭으로 트랜지스터를 작게 만들 수 있게 되었고, 현재 반도체 시장 전반적인 주류 양산 공정의 트랜지스터 구조가 되었다. 삼성전자의 경우 14nm 공정부터 FINFET을 사용하였으며, 최근 4nm 공정까지도 FINFET을 적용하였다. 그리고 그런 FINFET의 구조로 한계를 가지게 되면서 최신 공정에서 등장하고 있는 것이 Channel 전체를 감싸고 있는 GATE의 형태인 GAA다. GAA 구조를 통해 Channel 주변의 모든 면에 GATE가 영향을 끼칠 수 있어 FINFET대비 더 큰 폭으로 트랜지스터를 줄일 수 있게 되었다.
이런 내용을 이해하고 앞서 말한 삼성의 3nm 양산 발표 뉴스를 이해하자면 삼성은 새로운 트랜지스터의 구조를 통해 더욱더 작게 만들 기반 기술을 만들었다고 이해할 수 있다. 공정개발의 흐름은 이런 트랜지스터 구조를 혁신적으로 바꾸는 과정과 맞추어 나갔다. 앞으로 어떤 새로운 구조의 트랜지스터가 등장할지는 모르겠지만, 이런 구조의 변화는 더 작은 트랜지스터를 만들 수 있도록 해줄 것이고 반도체 시장의 흐름을 또 다시 획기적으로 바꿀 수 있을 것이다.
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