GAA구조와 FinFet구조의 차이점

공돌이가 아니고, 100% 주식투자자의 관점에서 이해를 돕기 위해 작성한 내용입니다!

삼성전자가 TSMC보다 앞서나가기 위해 3nm 공정을 도입하려 하는데, 이를 위해 사용하는 것이 GAA구조입니다. FinFet은 기존에 사용하던 구조인데요, 이 두가지의 차이점을 이해하는데 필요한 내용을 정리했습니다.

# GAA와 FinFet 공정의 차이

기본적인 트랜지스터의 형태는 아래와 같이 평면적으로 생겼습니다. 이 것이 일반적인 MOSFET*의 형태입니다. 그러나 선폭 미세화로 발생하는 누설전류를 줄이기 위해, 같은 선폭에서 Gate가 Channel에 닿는 면적을 늘리기 위한 여러 공법이 제안됩니다. 그 중 하나가 FinFet입니다. FinFet은 기존 단면에서 만나던 Gate와 채널을 총 3개 면에서 만나게 합니다. 따라서 선폭이 줄어들어도 접촉 면적이 3배가 되며 Gate의 통제력이 유지되게 됩니다.

출처는 사진에 적혀있습니다

*MOSFET – 트랜지스터의 한 형태를 이르는 말로, 현대 트랜지스터의 대부분을 차지합니다.

그러나 이제 5nm 이하의 미세 공정이 등장하며, 3개 면으로도 Gate의 통제력이 떨어지게 됩니다. 이를 위해 한 면을 더 추가하여, 이제는 Gate가 Channel을 4개 면에서 둘러싸서 통제력을 높이는 시도를 하게 됩니다. 이 기술이 GAA, Gate All Around입니다.

역시 출처는 사진에 적혀있습니다.

전자회로에 관한 기본 상식이 있으신 분이라면 누설전류나 Gate의 역할 등이 이해가 가시겠지만, 그렇지 않다면 이게 뭐가 중요한 건지 근본적인 물음이 생기실 수 있습니다. 이를 위해서는 기본적인 논리회로의 역할을 이해하신다면 상기 내용을 이해하실 때 큰 도움이 됩니다.

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# 트랜지스터의 구조와 동작

트랜지스터는 전기로 작동하는 스위치입니다. N type 트랜지스터의 경우 Gate에 양의 전압이 가해지면 Source와 Drain 간에 전류가 통하고, 0의 전압일 때 전기가 통하지 않습니다. P type의 경우 반대로 작동합니다*. 이를 이용해 Gate의 전압을 조절해 전기적으로 1,0 신호를 만들고, 수많은 트랜지스터를 결합해 논리 회로를 구성하고 프로세서와 DRAM 등을 만들게 됩니다.

*세부적으로는 PNP/NPN 두가지 형태의 트랜지스터가 있으나 여기서 중요한 점은 아닙니다.

# 트랜지스터의 전기적 성질을 부여하는 것이 반도체의 역할.

전압이 가해지면 전류가 흐르고, 전압이 가해지지 않으면 전기가 흐르지 않는다는 건 반도체의 특성을 말하는 것입니다. 반도체는 때에 따라 전기가 통하기도, 통하지 않는데, 이러한 특성을 가지도록 실리콘 웨이퍼에 이물질을 충전합니다. 전하를 -/+/-로 충전함에 따라 NPN 형태 또는 PNP 반도체라고 불리게 됩니다. (N은 Negative, P는 Positive…)**

**여기서 P형, N형 반도체를 만들기 위해, 인, 붕소, 비소 등 각기 다른 정공을 가진 원소를 사용합니다 그러나 역시 이해에 핵심적이지는 않습니다.

# 선로 미세화가 트랜지스터에 미치는 영향

앞서 말했듯이 트랜지스터는 주어진 전기 신호에 따라 전기를 통하거나, 통하지 않게 합니다. 전기가 통하면 컴퓨터는 이를 1로, 통하지 않으면 0으로 이해합니다.

그런데 선로 폭이 나노미터 급으로 좁아지며 큰 문제가 발생합니다. 누설전류로 인해, Gate에 전압을 가해주지도 않았는데 Source에서 Drain으로 전기가 흐른다는 것입니다. 이 문제를 화장실 전등 스위치로 생각한다면 스위치를 켜지도 않았는데 등이 켜지고, 꺼도 켜지는 것입니다.

한마디로 누설전류의 발생은 스위치를 고장내는 것이고, 수많은 스위치가 결합된 컴퓨터는 정상 작동을 할 수 없습니다. 따라서, 선로 폭 미세화에 따른 이러한 누설전류를 막기 위해 FinFet, GAA와 같은 기술이 반드시 필요하게 되는 것입니다.

# GAA는 외계인을 고문해 만든 기술인가?

아닙니다. GAA의 개념 자체는 1990년대 미국 데이비스 캘리포니아대 장피에르 콜린지 교수가 최초로 제안했고, 2006년 리버 그룹이 실리콘에 둘러싸인 게르마늄 나노와이어 트랜지스터를 발표했습니다. 그러나 공정이 복잡한 만큼 생산 비용이 크게 증가합니다. 그런데다 당시 10nm보다도 두꺼운 선폭을 사용하던 반도체는 GAA가 없이도 충분히 누설전류 통제가 가능한 두께였습니다. GAA는 당장 필요한 기술은 아니었던 셈입니다.

그러나 이제 EUV 공정 등 광학기술의 발전으로 한 자릿수 나노미터대의 선폭을 구현할 수 있게 되었고, 선폭이 너무 얇아져 높은 비용을 감안하더라도 GAA가 반드시 필요한 단계가 되었습니다. 삼성전자가 GAA를 상용화 한다고 발표하긴 하였으나, TSMC가 모르는 기술이라기 보다는 현실적인 문제(수익성, 수율, 속도)를 누가 더 잘, 빨리 해결하느냐의 문제가 될 것 같습니다.