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[Hello, Chips! 15화] 반도체는 왜 반만 도체일까? 소자구조 기초와 극악 난이도의 GAA까지!




[Hello, Chips! 15화] 반도체는 왜 반만 도체일까? 소자구조 기초와 극악 난이도의 GAA까지!



남녀노소 모두가 즐겁고 재미있게 반도체를 배울 수 있는 본격 반알못 탈출 프로젝트 ‘헬로칩스’가 15회로 돌아왔습니다. 15화에서는 그 동안 아껴두었던 ‘파운드리’에 대해 알아볼 예정인데요. ‘파운드리’를 이해하기 위해서는 기초 지식부터 탄탄하게 쌓아야 한다고 합니다. 반도체 연구소 Logic TD팀 이상훈 님과 함께 파운드리 이해를 위한 기본기를 배워볼까요? 


반도체가 ‘반도체’라고 불리는 이유를 아시나요? 원할 때 전기가 통하고 원하지 않을 때 전기를 차단하는 소자를 반도체라고 하는데요. 반도체에는 도체와 부도체 상태를 넘나들 수 있도록 회로가 설계되어있습니다. 그렇다면 조금은 생소한 단어인 ‘소자’는 무엇일까요? 트랜지스터가 가장 대표적인 소자 중 하나인데, 트랜지스터는 반도체 회로 구조에서 전류의 맺고 끊음을 담당하는 일종의 게이트 역할을 한다고 합니다. 작은 반도체 칩 하나에 수천만 개에서 수억 개의 트랜지스터가 들어간다고 하는데요. 상상이 되시나요?? 




반도체의 크기가 점점 더 작아지면서 회로간의 간격이 좁아지고 이에 따라 전류의 흐름을 조절하는 게이트 역할이 어려워졌다고 하는데요. 전류가 제대로 차단되지 않아 발생하는 누설전류와 같은 문제점 등이 발견되기 시작했다고 합니다. 따라서 최근의 반도체 산업은 이러한 누설전류를 줄이는 쪽으로 발전하는 추세라고 하는데요. 


이러한 문제점을 해결하기 위해 트랜지스터는 구조적인 변화를 꾀하고 있다고 합니다. 새롭게 고안된 트랜지스터의 구조는 상어의 지느러미를 닮았다는 의미로 핀펫(Fin FET)이라고 불리는데요. 게이트의 접촉 면적이 많아질수록 게이트의 역할을 제대로 할 수 있는데, 이 핀펫구조는 접촉면을 2D에서 3D로 변경, 게이트와 채널의 접촉면을 크게 늘려 누설 전류를 잡을 수 있게 한 것이 특징이라고 합니다. 현재 14나노 공정부터는 핀펫구조를 사용하고 있다고 하네요.  




하지만 공정이 더 미세해지고 소자가 더 작아지면서 같은 문제가 대두되었고, 다음 세대로 개발된 것이 오늘의 GAA(Gate-All-Around) 구조입니다. 이름에서 알 수 있듯이 3면 접촉이었던 핀펫 구조에서 더 나아가 한 면을 더해 채널의 4면 모두 게이트와 접촉할 수 있도록 한 것이 특징인데요. 접촉면이 늘어나면서 게이트가 자신의 역할을 보다 확실히 수행할 수 있게 되겠죠? GAA구조는 3나노 공정부터 적용될 예정이라고 하는데요. 눈에 보이지도 않는 아주 미세한 소자 위에 이런 구조까지 존재한다니 정말 어마어마한 기술력이라고 할 수 있습니다.   



하지만 여기서 멈추지 않는 삼성! GAA라는 개념을 더 발전시켜 새로운 구조를 양산할 예정이라고 하는데요. 바로 삼성 고유의 기술이라고 할 수 있는 MBCFET™(Multi Bridge Channel) 구조입니다. 접촉면적을 최대한 늘리기 위해 GAA구조 속 와이어 모양의 채널을 옆으로 늘려 얇은 종이 형태로 확장시킨 구조인데요. 이 구조는 반도체의 성능을 높이는 것은 물론 누설전류 컨트롤도 더 용이하게 할 수 있도록 해준다고 합니다. 


인공지능(AI)과 자율주행 자동차 등 우리의 삶을 바꿀 신기술들이 실현될 미래에는 더 정밀하고 더 효율이 좋은 반도체가 필요하게 될 텐데요. 다가올 미래에 MBCFET™ 기술이 펼칠 활약이 기대됩니다. 선구자의 길을 걸으며 한계에 도전하는 반도체 개발자들이 있기에 한국 반도체 산업의 미래 또한 기대가 되는데요. 파운드리 기초지식을 통해 우리의 삶을 바꿔줄 신기술을 이해할 수 있는 기회! 헬로칩스 15화를 놓치지 마세요!  



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