[삼성전자] GAAFET, MBCFET 트렌지스터의 발전 과정

안녕하세요, 송송입니다. 이번에는 반도체 트렌지스터의 발전에 대해 함께 알아보도록 하겠습니다

 

트랜지스터의 발전 | Planar FET, FinFET, GAAFET, MBCFET 차이점과 원리

반도체 산업은 성능 향상과 전력 효율 개선을 위해 지속적으로 발전하고 있으며, 이에 따라 트랜지스터 구조도 변화하고 있습니다. Planar FET에서 시작하여 FinFET, GAAFET, 최근에는 MBCFET까지 개발되었으며, 각 기술의 차이점과 발전 과정, 필요성에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

1. 트랜지스터란 무엇인가?

트랜지스터는 반도체 소자의 핵심 구성 요소로, 전류를 증폭하거나 스위칭하는 역할을 합니다. 반도체 칩에는 수십억 개의 트랜지스터가 집적되어 있으며, 트랜지스터의 성능과 구조가 반도체 기술 발전의 핵심 요소입니다.

트렌지스터란 무엇인가에 대한 내용은 아래 이전 포스팅을 참고하면 도움 됩니다!

 

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2. 차세대 트랜지스터가 필요한 이유

반도체 공정이 미세화(7nm → 5nm → 3nm → 2nm)됨에 따라, 기존의 트랜지스터 구조로는 더 이상 성능 향상과 전력 효율 개선이 어려워지고 있습니다.

• 소형화의 한계: 기존 Planar FET는 20nm 이하에서 누설 전류(Leakage Current) 문제가 심각.
• 전력 효율 문제: 전자 이동 경로가 짧아지면서 제어가 어려워지고 전력 소모 증가.
• 성능 향상 필요: AI, 5G, 자율주행 등 고성능 연산을 위한 반도체 성능 개선 요구 증가.

3. 트랜지스터 발전 과정과 원리

트랜지스터의 발전

 

3-1. Planar FET (평면형 트랜지스터)

Planar FET는 전통적인 평면 구조의 트랜지스터로, 게이트가 소스(Source)와 드레인(Drain)을 제어하는 방식입니다.

• 장점: 제조 공정이 단순하여 대량 생산이 용이.
• 단점: 공정이 20nm 이하로 내려가면 누설 전류 문제 발생.

3-2. FinFET (3D 핀형 트랜지스터)

FinFET은 기존 Planar FET에서 소스-드레인 채널을 입체적인 핀(Fin) 구조로 만들어 게이트가 3면을 감싸도록 설계한 트랜지스터입니다.

• 장점: 누설 전류 감소, 성능 향상, 전력 효율 개선.
• 단점: 공정이 5nm 이하로 미세화되면서 Fin 높이 증가가 어려워지고 전력 손실 증가.

3-3. GAAFET (Gate-All-Around FET)

GAAFET은 게이트가 채널을 사방에서 감싸는 구조로, 트랜지스터의 제어 능력을 극대화합니다.

• 장점: 3nm 이하에서도 안정적인 동작 가능, 누설 전류 더욱 감소.
• 단점: 제조 공정이 더욱 복잡해짐.

3-4. MBCFET (Multi-Bridge-Channel FET)

MBCFET은 삼성전자가 개발한 차세대 GAAFET 기술로, 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 적층하여 성능과 전력효율을 높인 독자적인 기술임

• 장점: 최신 7nm FinFET 트랜지스터보다도 차지하는 공간을 45% 가량 줄일 수 있으며, 약 50%의 소비전력 절감과 약 35%의 성능 개선 효과
  나노시트 너비를 특성에 맞게 조절할 수 있어, 높은 설계 유연성
• 단점: 현재 양산 준비 중으로 생산 비용이 높음.

4. 트랜지스터 발전에 따른 반도체 산업의 변화

• FinFET → GAAFET → MBCFET으로 발전하면서 전력 소비 절감 및 성능 향상.
• 삼성전자, TSMC, 인텔 등이 2nm 이하 공정에서 GAAFET 및 MBCFET 도입 준비.
• AI, 5G, 자율주행, 데이터센터 등 차세대 산업에서 차세대 트랜지스터가 핵심 기술로 자리 잡음.

5. 트랜지스터 기술 비교

트랜지스터	구조	전력 효율	성능(속도)	공정 적용
Planar FET	2D 평면 구조	낮음	중간	20nm 이상
FinFET	3D 핀 구조	높음	높음	5nm~20nm
GAAFET	채널을 사방에서 감싼 구조	매우 높음	매우 높음	3nm 이하
MBCFET	나노시트 기반 구조	최고	최고	2nm 이하