평면형에서 FinFET, 그리고 GAA까지

앞서 본 MOSFET은 평면형이었습니다. 게이트가 채널 윗면 하나만 덮고 있는 구조입니다. 미세화가 진행되면서 이 구조가 물리적 한계에 부딪혔고, 그것을 넘기 위해 채널의 모양 자체를 바꾼 것이 FinFET과 GAA입니다.

짧아지면 게이트가 진다

게이트 길이를 줄이면 드레인이 채널에 점점 가까워집니다. 그러면 채널의 전위를 게이트만 정하는 것이 아니라 드레인의 전계도 끼어들기 시작합니다. 이것이 단채널 효과이고, 두 가지 증상으로 나타납니다.

• DIBL — 드레인 전압이 높아질수록 문턱전압이 낮아집니다. 꺼 놓은 트랜지스터가 저절로 새기 시작합니다.
• 서브스레숄드 스윙 악화 — 전류를 한 자릿수 줄이는 데 필요한 게이트 전압이 커집니다. 상온의 이론적 한계인 60 mV/dec에서 멀어질수록 대기 전력이 늘어납니다.

드레인 전계가 채널을 얼마나 파고드는지는 자연 길이 λ라는 값으로 가늠합니다.

게이트 길이가 λ의 6배 이상은 되어야 안정적으로 제어됩니다. 즉 λ를 줄이면 그만큼 게이트를 더 짧게 만들 수 있습니다. 줄일 수 있는 것은 세 가지입니다. 산화막을 얇게(t_ox↓, 앞서 본 High-k), 채널 몸통을 얇게(t_si↓), 그리고 게이트가 감싸는 면의 수를 늘리는 것(n↑)입니다.

세워서 세 면을 잡는다 — FinFET

채널을 눕히지 말고 세우면 어떨까. 얇은 지느러미(fin) 모양으로 세우면 게이트가 좌·우·위 세 면을 감쌀 수 있습니다. 몸통 두께는 핀 두께로 정해지니 얇게 만들기도 쉽습니다.

덤으로 얻는 것이 하나 더 있습니다. 유효 채널 폭이 2×높이 + 두께가 되어, 바닥에서 차지하는 자리보다 훨씬 넓어집니다. 핀을 높게 세우거나 여러 개 붙이면 면적을 거의 늘리지 않고 구동 전류를 키울 수 있습니다. 다만 폭이 핀 단위로만 늘어나므로 구동 전류를 미세하게 조절할 수 없습니다.

완전히 둘러싼다 — GAA 나노시트

FinFET도 결국 아래쪽은 기판과 이어져 있습니다. 그 연결을 끊고 채널을 완전히 떼어내 게이트로 둘러싸면 네 면 모두에서 제어할 수 있습니다. 이것이 GAA이고, 채널을 얇고 넓은 판으로 만든 것이 나노시트입니다.

여기에 시트를 여러 장 쌓으면 같은 바닥 면적에서 채널 폭이 배로 늘어납니다. 그리고 FinFET과 달리 시트 폭을 연속적으로 바꿀 수 있어 구동 전류를 회로가 원하는 만큼 정밀하게 맞출 수 있습니다. 이것이 설계자 입장에서 GAA의 큰 장점입니다.

공짜는 아니다

구조가 복잡해질수록 만들기 어려워집니다. 핀을 균일한 두께로 깎아 내려면 앞서 본 식각의 이방성이 극한까지 필요하고, 나노시트를 쌓으려면 실리콘과 실리콘게르마늄을 번갈아 키운 뒤 가운데 층만 골라 녹여 내는 선택적 식각이 필요합니다. 게이트 물질도 그 좁은 틈으로 밀어 넣어야 하니 ALD 같은 컨포멀 증착이 필수가 됩니다. 앞의 공정 글들이 왜 그렇게까지 정밀해야 하는지가 여기서 이어집니다.