지난 1편에서, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)은 현대 반도체 제품을 구성하는 핵심 부품으로, 전기의 흐름을 제어하는 ‘전자 스위치’ 역할을 수행한다고 소개했었습니다. 수도꼭지에 비유하자면, 게이트(손잡이)로 전류(물)의 흐름을 조절하는 방식으로 작동한다고 했었습니다. 실제 MOSFET은 소스(입구), 드레인(출구), 게이트(제어 손잡이), 기판(바닥면)으로 구성되며, ‘accumulation/depletion/inversion’ 3개의 동작 모드로 작동된다고 했었습니다.
트랜지스터 동작 시, 단채널효과, 전자의 이동 속도 한계, 의도치 않은 누설 전류와 같은 물리적 현상들이 발생하며, 이는 소자의 성능과 신뢰성에 영향을 미친다고도 하였습니다.
최근에는 트랜지스터의 미세화로 인한 전력 소모량 증가와 발열 문제가 대두되고 있으며, 이를 해결하기 위해 3D 소자 기술, 새로운 재료 사용, 효율적인 소자 구조 설계 등 다양한 연구가 진행되고 있습니다.
본 편에서는 MOSFET 소자 기술의 발전을 이끈 핵심 요소 기술들과 함께, 차세대 반도체 소자 기술의 핵심인 3차원 소자 구조에 대해 다루고자 합니다.
Q. 지난 20년간, 90nm에서 3nm에 이르기까지 반도체 소자 기술의 상용화를 이끌어 낸 핵심 요소 기술은 무엇이었나요?
첫째, 실리콘 반도체 소자 기술에서 stress engineering은 마치 운동선수의 근육 강화 훈련과 비슷합니다. 트랜지스터 내부의 실리콘 결정 구조에 의도적으로 압력을 가해 전자(electron)와 정공(hole)의 이동을 더 빠르게 만드는 기술입니다. 예를 들어, 실리콘 소재에 압축력을 가하면 고무줄을 늘였을 때처럼 구조가 변형되어 정공이 더 빨리 움직일 수 있고, 반대로 인장력을 가하면 고무줄을 늘렸을 때처럼 되어 전자가 더 빨리 움직일 수 있게 됩니다. NMOS(n-type MOSFET 그림 1의 오른쪽)는 전자가 이동하는 채널 영역에 인장력을 유도하기 위해서, 소스/드레인 영역에 SiC 소재를 도입하였으며, PMOS(p-type MOSFET, 그림 1의 왼쪽)의 경우, 채널 영역에 압축력을 유도하기 위해서, 소스/드레인 영역에 SiGe을 도입하였습니다. 90nm 공정에서 stress engineering 기술이 처음 도입된 이후, 현재까지도 반도체 소자 성능 향상을 위한 핵심 요소 기술로 사용되고 있습니다.
그림 1. Stress engineering이 적용된 MOSFET
Source : Thompson, Scott E., et al. “A logic nanotechnology featuring strained-silicon.” IEEE Electron Device Letters 25.4 (2004): 191-193.
둘째, High-k/Metal-Gate(HK/MG) 기술은 반도체 소자 내 전류의 ‘누수 문제’를 해결하기 위해 도입된 혁신적인 기술입니다. 이를 이해하기 쉽게 설명하면, 마치 수도관의 재질을 개선하는 것과 비슷합니다.
기존에는 트랜지스터의 게이트(수도꼭지 역할)에서 이산화규소(SiO2)라는 물질을 절연체로 사용했습니다. 그러나 트랜지스터가 점점 작아지면서 이 절연층이 너무 얇아져 전기가 새는 문제가 발생했죠. 마치 오래된 수도관이 너무 얇아져서 물이 새는 것과 같은 현상입니다. 이 문제를 해결하기 위해 45nm 공정부터는 두 가지 중요한 변화를 주었습니다.
첫째는, 기존의 이산화규소 대신 ‘유전율이 높은(High-k)’ 새로운 물질(하프늄 기반 물질)을 사용했다는 것입니다. 이는 마치 더 얇은 두께로도 물을 잘 막을 수 있는 새로운 소재의 수도관을 사용하는 것과 비슷합니다.
둘째는, Metal-Gate입니다. 즉, 게이트 전극 물질을 기존의 다결정 실리콘에서 금속 물질(TiN)로 바꾸었습니다. 이는 마치 수도꼭지의 재질을 더 튼튼하고 효율적인 것으로 교체하는 것과 같습니다. 이러한 변화가 가져온 효과는 매우 혁신적이었는데, 실제 누설 전류가 크게 감소한 덕분에, HK/MG 기술을 도입한 전자 소자를 사용한 반도체 제품의 경우, 전력 소비량이 30% 이상 줄었습니다. 마치 낡은 수도관을 최신 특수 소재 파이프로 교체한 덕분에, 누수가 없는 것처럼요.
그림 2. 기존 MOSFET(왼쪽)과, High -k 기술 및 Metal- Gate기술이 적용된 MOSFET(오른쪽)
90nm 공정 기술에서 도입된 stress engineering, 그리고 45nm 공정 기술에서 도입된 Hk/MG 기술 이후에도, 여전히 실리콘 CMOS 반도체 소자 기술 혁신은 이어졌습니다. 마지막으로, 22nm 공정 기술에서 최초로 도입된 FinFET(Fin-shaped Field Effect transistor) 기술을 소개하고자 합니다. FinFET은 기존의 평면적인 트랜지스터를 수직으로 세워놓은 혁신적인 3차원 구조입니다.
이를 쉽게 이해하기 위해 수도관 시스템에 비유해 보겠습니다. 기존의 평면 트랜지스터는 마치 바닥에 눕혀진 호스와 같았습니다. 물(전류)이 호스를 통해 흐르고, 위에서 수도꼭지(게이트)로 이를 제어하는 구조였죠. 하지만 트랜지스터가 점점 작아지면서, 눕혀진 호스로는 물의 흐름을 효과적으로 제어하기 어려워졌습니다.
이때 등장한 것이 FinFET입니다. FinFET은 호스를 세워서 마치 울타리(Fin)처럼 만들고, 이 울타리를 양쪽에서 동시에 제어하는 구조입니다. 이런 구조는 몇 가지 큰 장점이 있습니다: 첫째, 전류 제어가 훨씬 효과적입니다. 마치 양손으로 호스를 잡는 것이 한 손으로 잡는 것보다 더 안정적인 것처럼, 전류의 흐름을 더 정확하게 제어할 수 있습니다. 둘째, 같은 공간에서 더 많은 전류를 흐르게 할 수 있습니다. 이는 마치 평평한 화단을 수직으로 된 벽걸이 화분으로 바꾸면 같은 면적의 땅에 더 많은 식물을 심을 수 있는 것과 같은 원리입니다. 셋째, 전기가 새는 현상이 크게 줄어듭니다. 수직 구조로 인해 전류가 흐르는 통로를 더 잘 통제할 수 있기 때문입니다. 이러한 장점들 덕분에 FinFET은 2011년 22nm 공정에서 처음 도입된 이후, 현재 대부분의 첨단 반도체 제품 (TSMC 3nm 공정 기술에서 여전히 FinFET 사용 중)에서 사용되고 있습니다. 특히 스마트폰이나 태블릿같이 배터리로 작동하는 모바일 기기에서 전력 효율을 높이는 데 크게 기여하고 있습니다.
그림 3. Planar bulk MOSFET(왼쪽)과 3D FinFET 소자 구조(오른쪽) 비교
Q. 2차원에서 3차원 구조로 진화 발전에 성공한 MOSFET 소자 기술의 미래는 어떤 모습일까요?
MOSFET의 미래 기술은 마치 도시 개발이 평면에서 고층 빌딩으로, 다시 스마트 시티로 진화하는 것과 비슷한 경로를 따를 것으로 예상됩니다. 이러한 진화는 단순한 구조적 변화를 넘어, 우리가 상상하는 미래를 현실로 만드는 핵심 동력이 될 것입니다. 현재의 FinFET이 마치 고층 빌딩처럼 수직으로 공간을 활용하고 있다면, 미래의 MOSFET은 더욱 혁신적인 방향으로 발전할 것입니다.
예를 들어, ‘Gate-All-Around(GAA)’ 구조는 마치 엘리베이터 통로를 전 방향에서 제어할 수 있는 것처럼, 전류가 흐르는 채널을 360도 모든 방향에서 완벽하게 제어할 수 있습니다. 이미 국내 파운드리 사업부에서 GAAFET 기술은 3nm 공정 기술에서 해외 파운드리 사업부보다 우선 도입하는 데 성공했습니다. GAAFET 기술을 뛰어넘어, 곧 여러 층의 트랜지스터를 수직으로 쌓는 ‘3차원 적층 기술’이 발전할 것입니다.
이는 마치 미래 도시에서 빌딩들이 공중 다리로 연결되고, 지하철은 여러 층으로 운영되며, 드론은 공중 회랑을 통해 이동하는 것처럼, 반도체 내부의 신호도 3차원적으로 자유롭게 이동하게 될 것입니다. 이러한 발전은 현재보다 100배 이상 빠른 데이터 처리를 가능하게 할 것입니다. 또한, 인공지능과 같은 특정 용도에 최적화된 ‘특화 구조’도 등장할 것입니다. 마치 주거용 빌딩, 상업용 빌딩, 문화시설이 각각 다른 구조로 되어 있는 것처럼, 연산용, 메모리용, AI용 트랜지스터가 각각 다른 최적화된 구조를 가지게 될 것입니다. 특히 AI 전용 반도체는 마치 작은 두뇌처럼, 학습하고 추론하는 기능이 하드웨어 레벨에서 구현될 것입니다.
더 혁신적인 변화로는, 생물학적 뇌의 구조를 모방한 ‘뉴로모픽 소자’의 등장을 예상할 수 있습니다. 이는 마치 도시가 자연과 조화를 이루며 발전하는 것처럼, 반도체도 인간의 뇌처럼 효율적이고 유기적으로 정보를 처리 및 기억하는 방향으로 진화할 것입니다. 실제 뉴런처럼 정보를 저장하고 처리하는 이 기술은, 현재 컴퓨터의 연산 방식과는 완전히 다른 패러다임을 제시할 것입니다.
이러한 반도체 기술의 발전은 우리의 일상을 완전히 바꿔놓을 것입니다. 예를 들어, 증강현실 안경을 쓰면 실제 세계와 디지털 정보가 완벽하게 융합된 세상을 보게 될 것이고, 인공지능 비서는 마치 실제 비서처럼 자연스럽게 대화하며 업무를 처리할 것입니다. 자율주행 자동차는 도시의 모든 교통 정보를 실시간으로 처리하여 완벽한 운전을 구현할 것이고, 웨어러블 기기는 우리의 건강 상태를 24시간 모니터링하며 질병을 예방할 것입니다.
이처럼 MOSFET의 진화는 단순히 더 작고 빠른 전자기기를 만드는 것을 넘어, 우리가 상상하는 미래를 현실로 만드는 핵심 동력이 될 것입니다. 마치 SF 영화에서나 보던 기술들이 하나둘씩 현실이 되는 것처럼, MOSFET의 끊임없는 혁신은 우리의 미래를 더욱 흥미진진하게 만들어갈 것입니다.
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