[삼성 3나노 양산] 최초 적용 GAA...전력 45%↓·성능 23%↑

기사입력 : 2022년06월30일 15:24

최종수정 : 2022년06월30일 15:24

30일 3나노 파운드리 공정 기반 초도 양산 발표

[서울=뉴스핌] 이지민 기자 = 삼성전자가 3나노(nm·나노미터) 양산을 발표하며 TSMC 추격의 신호탄을 쏜 가운데 삼성이 꾸준히 세계 최초 기술이라고 강조하는 GAA 기술에 업계 이목이 집중되고 있다. 업계에선 초일류 기업인 삼성전자에서 발표한 만큼 GAA의 기술적 성취도가 높다고 보고 있다.

삼성전자 파운드리사업부 (왼쪽부터) 정원철 상무, 구자흠 부사장, 강상범 상무가 화성캠퍼스 3나노 양산라인에서 3나노 웨이퍼를 보여주고 있다. [사진=삼성전자]

삼성전자는 세계 최초로 GAA 기술을 적용한 3나노 파운드리 공정 기반의 초도 양산을 시작했다고 30일 밝혔다. 삼성전자는 이번 3나노 양산 과정 중 반도체를 구성하는 트랜지스터에서 전류가 흐르는 채널(Channel) 네개 면을 게이트(Gate)가 둘러싸는 형태인 차세대 GAA 기술을 세계 최초로 적용했다.

이번에 삼성전자가 선보인 3나노 GAA는 1세대 공정이다. 삼성전자는 3나노 GAA 1세대 공정이 기존 5나노 핀펫(FinFET) 공정과 비교했을 때 전력을 45% 절감하면서 성능은 23% 높이고, 반도체 면적을 16% 줄일 수 있게 됐다고 설명했다. 내년에 도입할 예정인 3나노 GAA 2세대 공정의 경우 전력 50% 절감, 성능 30% 향상, 면적 35% 축소 등의 성능이 예상된다.

GAA 기술을 이해하기 위해서는 트랜지스터의 개념에 대한 이해가 선행돼야 한다. 반도체 칩은 수많은 트랜지스터의 집합으로, 트랜지스터는 쉽게 말하면 작은 스위치라고 생각할 수 있다. 트랜지스터가 켜지면 전류가 흐르고 꺼지면 전류가 흐르지 않게 된다.

트랜지스터에 전압을 가하면 전류가 흐르는데, 이때 전류가 흐르는 통로를 채널이라고 칭한다. 전압이 가해지는 지점은 게이트라고 부른다.

반도체 개발 업체들의 궁극적인 목적은 트랜지스터의 온·오프(On·Off) 동작에 필요한 동작 전압을 낮춰 전력 효율을 높이는 것이다. 수도꼭지 기능을 높여 수도꼭지를 살짝만 잠가도 물이 새지 않는 것처럼, 온·오프 특성을 높이면 낮은 전압에서도 트랜지스터가 적절히 동작해 동작 전압을 낮춰 전력 효율을 높일 수 있기 때문이다.

평면 구조부터 차세대 GAA까지를 더 쉽게 이해하려면 물이 흐르는 호스를 생각하면 쉽다. 여기서 물은 누설 전류를 의미한다.

물이 흐르고 있는 호스를 위에서만 누르면 물이 옆으로 샐 가능성이 높다. 이게 바로 과거 반도체 업체에서 사용하던 평판 트랜지스터인 셈이다. 여기서 물을 더 효율적으로 제어하기 위해 빨래집게를 가져와 누른다. 위에서 누를 때보단 물이 흐르는 걸 효과적으로 막을 수 있지만 여전히 역부족이다. 이게 바로 핀펫 기술이다.

마지막으로 끈을 가져와 꼼꼼히 묶으면 물이 샐 가능성이 현저히 낮아진다. 완전히 둘러싸 전기가 흐르는 통로를 차단하는 것, 그게 바로 GAA 기술이다.

삼성전자가 세계 최초로 'GAA(Gate-All-Around)' 기술을 적용한 3나노(nm·나노미터) 파운드리 공정 기반 초도 양산을 발표했다. [사진=뉴스핌DB]

기존에 사용하던 평판 트랜지스터는 게이트와 채널이 하나의 면으로 맞닿아 있는 평면(2D) 구조였다. 때문에 트랜지스터 크기를 줄이다 보면 누설전류가 생기는 단채널 현상이 발생할 수 있다는 한계를 가졌다.

이를 개선하기 위해 삼성전자는 입체(3D) 구조 공정기술인 핀펫을 개발했다. 이 트랜지스터는 물고기 지느러미 모양을 닮았다고 해서 핀 트랜지스터라는 이름이 붙었다. 게이트와 채널의 접합면이 넓어질수록 효율이 높아진다는 점에서 출발해 게이트와 채널이 세 면에서 맞닿는 3차원 구조로 접점 면적을 키워 반도체 성능을 향상시킨 것이다.

여기서 한 단계 더 발전한 기술이 차세대 3나노 GAA 기술이다.

GAA는 최근 4나노 이후 공정에서 핀펫을 이용해 더 이상 동작 전압을 줄일 수 없다는 한계에 착안해 고안됐다. 3나노 이하 초미세 회로에 도입하는 GAA 구조 트랜지스터는 전류가 흐르는 채널 네 면을 게이트가 둘러싸고 있다.

삼성전자는 GAA 기술을 구현하는 여러가지 방식 중 MBCFET(Multi-Bridge Channel Field Effect Transistor) 형태를 채택했다. MBCFET은 채널을 얇고 넓은 모양의 나노시트(Nanosheet) 형태로 구현한 구조다. 일반적으로 단면의 지름이 1나노미터 정도로 얇은 형태 채널의 경우 충분한 전류를 얻기 힘들었는데, MBCFET GAA 구조를 이용하면 트랜지스터의 온·오프를 보다 더 쉽게 조절할 수 있다.

한태희 성균관대 반도체시스템공학과 교수는 "(반도체) 소자가 미세화될수록 전체를 다 둘러싸고 제어해야 완벽한 제어가 가능하다"면서 "GAA라는 기술은 전기가 흐르는 통로를 전면적으로, 모든 측면에서 제어한다는 의미라고 이해하면 쉽다"고 설명했다.

catchmin@newspim.com

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