[트랜지스터] 나노미터 시대의 양자 터널링 이슈

안녕하세요, 송송입니다.

반복해서 반도체 칩은 점차 작아져 나노단위의 초미세화가 이루어지고 있다고 말씀드렸죠. 계속해서 작아지는데 한계가 없을까요? 물론 많은 이슈들이 발생하게 됩니다. 

 

특히, 트랜지스터 내부에서 발생하는 양자 터널링(Quantum Tunneling) 효과가 현재 중요한 해결 과제 중 하나죠.

 

그럼 한번 같이 알아보시죠!

 

1. 트랜지스터의 발전

- 트랜지스터는 반도체 칩의 기본 구성 요소로, 전류를 제어하는 스위치 역할을 하고 있습니다. 1960년대에서는 10 um(마이크로) 크기였지만 현재는 약 3 nm(나노미터) 까지 작아졌죠.

다들 마이크로 나노의 단위 알고 계시죠? 1cm는 10,000  um이고, 10,000,000 nm 입니다. 이렇게 보면 1 cm가 반도체 세계에서는 장난 없게 크다는 것을 느낄 수 있어요!

 반도체 트랜지스터의 크기는 무어의 법칙에 따라 지속적으로 줄어들었습니다. 그러나, 이젠 작아지는데 문제점이 발생해버렸습니다. 바로 물리적 한계에 봉착한 것이죠.

 

2. 양자 터널링 문제

- 양자 터널링(Quantum Tunneling)은 전자가 물리적 장벽(Gate 산화막)을 통과하는 현상을 말합니다.

 일반적으로는 전자가 이 장벽을 넘어가기 위해 충분한 에너지가 필요하지만, 초미세화된 현재 트랜지스터에서의 장벽이 매우 얇아 양자역학적 터널링이 발생하게 되는 것이죠.

 

 # 문제점
 1) 누설 전류 : 양자 터널링 현상으로 인해 게이트 산화막을 통해 전류가 세어나가게 됩니다.
 2) 전력 소비 증가 : 누설 전류는 불필요한 전력을 소비하게 됩니다.

 3) 발열 문제 : 높은 전류 밀도는 발열을 증가시켜 성능과 안정성을 저하시킵니다.

 

트랜지스터의 크기가 줄어듬에 따라 같은 칩 면적 대비 더 많은 트랜지스터를 배치할 수 있어 성능이 향상되지만, 양날의 검인 셈이죠. 그만큼 터널링 효과, 이를 해결하기 위한 기술, 제조 공정 등 많은 비용이 들어갑니다.

 

그렇기 때문에 현재 수 많은 파운더리 기업들이 앞다퉈 기술을 개발하고 있죠.

 

3. 양자 터널링 문제 해결 방안

- 새로운 트랜지스터 구조 개발

 1) MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Teansistor) : 가장 기본적인 트랜지스터 구조로, 평면형으로 구성되어 있습니다.

 2) FinFET(Fin Field-Effect Tansistor) : Fin은 지느러미라는 뜻이죠? 기존 MOSFET의 2D의 평면형 구조를 입체 3D로 바꾸면서 게이트가 상어 지느러미처럼 툭 튀어나왔다고 해서 붙은 이름입니다.
 3) GAAFET(Gate-All-Around FET) : FinFET의 상위 버전으로, 3면을 쓰는 FinFET에 비해 모든 면이 게이트가 될 수 있도록 원형으로 되어있습니다.

 

트랜지스터 종류

3.1 GAA(Gate-All-Around)에 대해 좀 더 자세히 알아보자

 1) 기본 구조
 - 채널(Chaanel) : GAA는 나노시트(Nano sheet) 또는 나노와이어(Nano wire) 형태로 설계되고 있으며, 채널은 전자의 이동 경로의 역할을 하고 있습니다.

- 게이트(Gate) : 게이트는 채널을 모든 방향에서 감싸는 형태 즉, 360 제어가 가능하도록 원형으로 설계되어 있습니다.

 

2) 작동 원리
 - 게이트 전압이 가해지면, 게이트 주변의 전기장이 채널을 완전히 제어하여 전류의 흐름을 조절하게 됩니다.

 이때, 채널은 게이트에 완전히 둘러싸여 있어 전자 누설을 효과적으로 방지할 수 있게 된느 것이죠.

 

3) GAA vs FinFET

특징	FinFET	GAA
채널 구조	3D Fin 구조(3면이 감싸져 있음)	원형 구조(4면이 모두 감싸져 있음
게이트 제어 능력	3면에 국한됨	채널 전체를 감싸 정밀한 제어 가능
전류 누설 방지	제한적(누설 전류 존재)	효과적(누설 전류 최소화)
초미세화 공정 적합성	5 nm 이하 한계	3 nm 이하 급
제조 난이도 및 비용	상대적으로 낮음	높은 제조 난이도, 고비용

 

# 트랜지스터의 구성

트랜지스터는 크게 소스(Source), 드레인(Drain), 게이트(Gate)로 구성되며, 제가 앞서 강조하는 게이트의 역할은 채널을 통해 흐르는 전자 흐름을 제어하며, 전류가 필요하지 않을 때는 누설 전류를 최소화하는 역할을 하고 있습니다.

 

- 소재 및 공정 기술
 트랜지스터의 구조를 개선할 뿐만 아니라, 게이트 산화막에 High-K(고유전율) 물질을 적용하여 터널링 확률을 줄일 수 있습니다.

뿐만 아니라, ALD와 같은 얇은 박막층을 코팅하여 누설 전류를 방지할 수 있죠.

 

▶ High-K(고유전율) 물질에 관련해서는 이전 포스팅을 참고해도 좋습니다!

고유전율 High-k 간단히 알아보기

 

여러분들은 기술에 대해 어느정도로 생각하고 계신가요?

 

사실 우리가 일상생활에서 보는 기술들은 이미 몇년 전에 개발한 기술들입니다. 

 

"최신폰으로 바꿨으면 가장 최신 기술이지 않나요?" 

 

혁신적인 기술은 지금도 많습니다. 다만 우리 모두가 사용할 수 있게끔 상용화, 즉 양산 단계까지가 쉽지 않을 뿐이죠.

 

하루 빨리 더 좋은 기술들이 우리 눈 앞에 나타났으면 좋겠습니다.

 

다음 포스팅에서 뵐게요~