반도체 미세화, 삼성전자 GAA(Gate-All-Around) 완전정복

최근 반도체가 점점 미세화되면서 5nm, 3nm 공정이 주목받고 있습니다.

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오늘은 반도체 미세화 이유와 반도체 미세화 기술 발전 GAA에 대해서 알아보겠습니다.

 

반도체 미세화 이유

 

1) 고성능화

반도체는 트랜지스터로 구성되는데 미세화가 될수록 같은 면적에 트랜지스터 개수가 많아지고 속도가 향상되고 전력소모가 감소되는 효과가 있습니다.

 

4차 산업분야인 AI, 로봇, 자율주행 산업은 점점 더 많은 데이터를 사용하기 때문에 고성능 반도체가 필요합니다.

 

2) 높은 생산성

같은 크기의 웨이퍼에 더 많은 칩을 만들 수 있기 때문에 제조비용이 저렴해지면서 생산성이 높아집니다.

 

반도체 미세화 기술의 발전

 

기존의 채널 길이가 줄어들면서 전자들의 누설이 생기고, 누설로 인해 많은 전력이 소비되고 발열이 심해지는 문제들이 발생하였습니다.

 

(1) HKMG (High-K Metal Gate)

공정 미세화와 관련된 문제(누설전류로 인한 발열)들을 해결하기 위해 기존의 실리콘 산화막(SiO2)을 유전율이 더 높은 high -k(HfO2)라는 신물질로 대체함으로써 공정 발전을 이어갈 수 있었습니다.

 

산화막이 high-k로 바뀌며 Gate의 재질도 폴리실리콘에서 metal로 바뀌게 되었습니다.-> 누설전류 1/1000로 감소 ​

 

(2) FinFET ​

나날이 발전하는 반도체 치열한 공정 미세화 싸움 속에서 10나노대에 진입하면서 채널 길이는 감소하고 이제 high-k 물질만으로 버틸 수 없게 되었습니다.

 

이때 채널의 양측단을 감싸는 Double Gate를 넘어 채널의 3면을 감싸는 기술인 'FinFET'이 등장하여 채널과 게이트가 닿는 면적을 늘려 누설 전류를 막는 접근이 등장했습니다.

 

(3) GAA (Gate-All-Around)

3nm의 벽을 넘을 때 공정 미세화의 한계를 돌파하기 위한 강력한 해결책이 필요해졌습니다.

 

모든 고민들의 핵심은 gate와 채널 사이의 표면적 넓이가 될 것인데, 이 때문에 나온 것이 'Gate-All-Around'입니다. ​

 

GAA(Gate-All-Around)는 FinFET과 다르게 수직으로 쌓이는 구조입니다.

 

따라서 채널의 수가 늘어나도 개별 FET이 차지하는 하단부 면적은 늘어나지 않는다는 점에서 소형화가 용이하고 gate와 채널 사이의 표면적은 넓어지는 일석이조의 장점을 가집니다.

 

또한 GAA(Gate-All-Around)는 박막 형성 과정에서 채널의 폭과 개수에 대한 컨트롤이 용이하기 때문에 다양한 고객 니즈에 대한 유연성을 갖습니다.

 

TSMC vs 삼성전자 3nm 진검승부

 

최근 반도체 파운드리 세계 1위, 2위 업체인 TSMC와 삼성전자가 세계 최초로 3나노 양산을 시작하여 진검승부가 예상되고 있습니다.

 

다만 두 업체의 3나노 기술은 다른 행보를 보이고 있다. TSMC 3나노 기술은 기존 핀펫(FinFET) 방식인 반면 삼성전자는 세계 최초 차세대 트랜지스터 구조인 GAA(Gate-All-Around) 신기술을 적용했습니다.

 

하지만 TSMC도 결국 2나노로 갈 때에는 GAA 기술을 도입할 것으로 보입니다.

 

반도체 미세화 관련 기업

GAA 구조의 반도체를 구현하기 위해서는 나노 패턴을 만드는 리소그래피 공정, 실리콘 결정을 기르는 에피 공정, 물질을 조각해 내는 식각 공정, 물질을 표면에 입히는 증착 공정, 그리고 불순물 주입 공정 등이 필요합니다.

 

(1) 장비

• 테스 : 건식 세정장비(GPE), 삼성전자 테스트 통과
• 유진테크 : ALD 증착 장비
• 원익IPS : ALD 증착 장비
• 에이피티씨 : 건식 식각 장비
• 케이씨텍 : 공정 스텝 수 증가 따른 CMP 공정 증가

 

(2) 소재

• 솔브레인 : Si Ge 선택적 식각 위한 초산계 식각액
• 오션브릿지 : Ge 전구체
• 원익머티리얼즈 : Ge 전구체
• 티이엠씨 : 디보란(B2H6) 세계 3대 생산 업체
• 디엔에프 : Low-k 전구체

Summary

반도체 미세화 됨에 따라 누설 전류가 문제가 됩니다.

 

누설 전류를 못잡으면 전력소비, 발열이 심해집니다.

 

채널의 3면을 게이트로 감싸는 FinFET 으로 채널-게이트 표면적을 넓혀 누설 전류를 막아왔습니다.

 

3나노부터는 삼성전자는 채널-게이트간 4면을 닿게 하는 GAA 라는 신공법을 적용하였습니다.

 

GAA는 채널의 갯수가 늘어도 FET 하단부 면적은 늘지 않아 소형화에 유리하고, 채널-게이트 표면적은 보다 넓어져 누설 전류를 잘 막을수 있습니다.

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오늘은 반도체 미세화 이유와 반도체 미세화 기술 발전 GAA에 대해서 알아보겠습니다.

 

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