GAA vs FinFET: 공정 차이와 도전 과제

 

GAA구조의 공정적 도전과제: FinFET과의 비교와 주요 공정 이슈 중심

1. GAA의 등장 배경과 기술적 필요성

반도체 산업은 수십 년간 무어의 법칙(Moore’s Law)을 바탕으로 지속적인 트랜지스터 집적도를 향상시켜 왔다. 하지만 5nm 이하 공정에서는 기존 FinFET(Fin Field-Effect Transistor) 구조로는 짧은 채널 효과(Short Channel Effect, SCE)를 제어하는 데 한계가 발생했다. 이에 따라 더욱 정밀한 전기적 제어를 가능하게 하는 Gate-All-Around(GAA) 트랜지스터 구조가 등장하게 되었다. GAA는 채널을 사방에서 감싸는 형태로 게이트가 구성되어, 전류 흐름을 보다 효과적으로 제어할 수 있으며, 누설 전류 억제 및 전력 효율 향상 측면에서 큰 장점을 가진다. 그러나 그만큼 공정 난이도는 극도로 높아진다.

 

 

 

2. FinFET vs GAA: 구조적 차이와 공정 복잡도 비교

FinFET은 실리콘 위에 솟은 지느러미(fin) 형태의 채널을 게이트가 3면에서 감싸는 구조다. 이 구조는 22nm부터 5nm 공정까지 널리 사용되어 왔다. 반면 GAA는 채널이 나노시트(nanosheet) 또는 나노와이어 형태로 만들어지며, 게이트가 채널을 4면 전체에서 감싼다. 이러한 구조적 차이는 소자의 전기적 특성 향상으로 이어지지만, 다음과 같은 공정상의 큰 차이를 만들어낸다.

• 식각 및 패터닝의 정밀도 요구 증가
• 증착 conformality의 극대화 필요
• 기계적 안정성을 고려한 나노구조 설계 필요
• 식각 공정에서의 선택성 및 손상 제어 기술

기존 FinFET 공정 장비와 노하우를 그대로 활용하기 어려워, 신규 장비 도입과 소재 혁신이 병행되어야 한다는 점에서 산업적 전환 비용 또한 무시할 수 없다.

 

 

 

3. 채널 형성: 원자 단위 에피택셜 성장과 선택적 식각 기술

GAA 채널은 일반적으로 Si/SiGe 다층 구조를 에피택셜(epitaxial) 성장 방식으로 증착하고, 이후 SiGe 층을 선택적으로 식각해 Si 나노시트를 공중에 떠 있도록 만드는 방식으로 형성된다.

주요 공정적 도전과제는 다음과 같다.

• 에피층의 두께 균일성 확보: 수 nm 이하의 정밀한 두께 조절이 필요하며, 두께 편차가 발생하면 채널 특성과 전류 흐름에 직접적인 영향을 준다. 이를 위해 RPCVD(Rapid Thermal CVD) 또는 UHVCVD(Ultra High Vacuum CVD) 장비가 사용된다.
• Selective Etching의 정밀 제어: 일반적으로 SiGe를 HF 또는 HCl 기반의 용액 또는 플라즈마를 이용해 제거하되, Si 손상을 최소화해야 한다.
• 결함 제어와 strain engineering 병행: strain 유발 재료인 SiGe는 defect control 및 post-clean 공정이 필수적이다.

 

 

 

4. 나노시트 형성: 다층 구조의 정밀 제어와 안정성 확보

GAA에서는 일반적으로 3~5개의 나노시트를 수직으로 적층해 채널을 구성한다. 이를 통해 트랜지스터당 전류 용량을 증가시키는 한편, 소형화된 면적 내에서 고성능을 확보할 수 있다.

• 층간 간격 및 시트 두께의 정밀 제어
• 시트 사이의 절연재 충전 문제: Spacer oxide 또는 high-k 절연재를 나노시트 사이에 void 없이 충전해야 하며, ALD 또는 pulsed CVD 기술이 사용된다.
• 기계적 안정성 및 collapse 방지: stiction 문제를 방지하기 위한 DRIE 후 drying 조건이 중요하다.

 

 

 

5. 게이트 스택 증착: 사면 커버리지 확보를 위한 초정밀 증착 공정

게이트 스택은 gate oxide(HfO₂, Al₂O₃)와 금속 게이트(TiN, W 등)로 구성된다. conformality가 극단적으로 높은 증착 공정이 필수다.

• 유전체 증착의 초박막 균일성: ALD가 대표적으로 활용된다.
• 금속 게이트 증착 및 채움: 고온 ALD 또는 CVD+liner 방식이 병행된다.
• CMP의 정밀 제어: 게이트 상단 평탄화 과정에서 오버폴리싱 방지가 중요하다.

 

 

 

6. 소재 및 장비 혁신: GAA 공정의 물리적 한계 극복

GAA 구조의 공정적 완성도는 새로운 재료, 공정 장비, 측정 기법의 통합 없이는 불가능하다. strain 제어를 위한 SiGe, GeSn, Si:C 등의 신소재, ALE 기반 식각 기술, cryo-etching 등도 중요하다.

고순도 에피층 형성을 위한 저결함 성장 기술, advanced metrology 및 GAA 최적화 장비도 함께 진화하고 있다.

 

 

 

나의 생각

GAA는 단순히 FinFET 이후의 구조적 대안이 아니라, 반도체 공정 전반을 재정의하게 만든 기술이라고 생각한다. 원자 단위의 정밀 제어를 요구하며, 장비, 소재, 설계가 유기적으로 맞물려야만 제대로 구현된다.

개인적으로 GAA 기술은 단순한 진보가 아니라, 진화라고 생각한다. stacked nanosheet나 complementary FET(CFET)와 같은 3D 트랜지스터 구조가 양산될 날이 머지않았다. 그 중심에서 나도 공정 기술을 정교하게 설계하고, 소자의 성능을 밀리볼트 단위까지 제어하는 일에 기여하고 싶다.