2025년, 기존 핀펫(FinFET) 대비 성능과 전력 효율이 뛰어난 게이트 올 어라운드(GAA) 방식이 활용되고 있습니다.
그러나 아직까지 상용화에는 여러 기술적·경제적 난제가 존재합니다.
오늘은 해당 내용에 대하여 자세히 알아보겠습니다.
제조 공정의 복잡성과 수율 저하
GAA 트랜지스터는 채널을 완전히 감싸는 구조로 이루어져 있습니다.
때문에 정밀한 나노미터 단위의 제조 공정이 필수적입니다.
이로 인해 전체 제조 과정이 더욱 복잡해집니다.
특히 채널 형태를 형성하는 공정인 에칭(etching)과 증착(deposition) 과정에서 오차 허용 범위가 매우 좁아지게 됩니다.
이는 곧 생산 수율의 감소로 이어집니다.
또한 제조 비용이 상승하는 주요 원인이 됩니다.
특히 초기 양산 단계에서는 불량률이 높아 대량 생산에 어려움을 겪는 사례가 발견되고 있습니다.
이러한 특성은 반도체 산업의 가격 경쟁력을 약화시킬 수 있습니다.
장비 및 인프라의 대규모 투자 필요
GAA 방식은 기존 핀펫 기술과 비교했을 때 새로운 공정 장비를 요구합니다.
특히 수직 스택 구조의 정밀 가공이 가능해야 합니다.
이를 위해 극자외선(EUV) 리소그래피와 고급 증착 장비가 필수적입니다.
GAA 방식에게는 기존 핀펫 공정 라인을 활용할 수 없는 경우가 많습니다.
때문에 현재 반도체 제조업체들은 공정 라인 전체를 업그레이드하거나 새로운 팹을 구축해야 하는 상황에 놓여 있습니다.
이는 수조 원에 달하는 설비 투자를 의미합니다.
나아가 기술 도입의 진입 장벽을 높이는 요인으로 작용하고 있습니다.
신뢰성 및 장기 안정성 검증 부족
GAA는 기존 방식에 비해 상대적으로 새로운 구조입니다.
때문에 장기적인 신뢰성에 대한 데이터가 충분하지 않습니다.
특히 GAA에서 활용되는 나노시트(nanosheet)나 나노와이어(nanowire) 기반의 채널은 전기적 특성이 미세한 구조적 결함에도 민감하게 반응합니다.
이로 인하여 전류 누설(leakage), 열화(degradation), 전자 이동성 감소 등의 문제가 장기간 사용 시에 발생할 가능성이 제기되고 있습니다.
또한 신뢰성 문제는 고성능이 요구되는 서버용 칩이나 자동차용 반도체 등에서 더 큰 문제로 작용합니다.
설계 생태계 및 툴의 미성숙
GAA는 기존 핀펫과는 전혀 다른 구조적 특성을 가지고 있습니다.
그에 따라 설계 자동화 툴인 EDA 장비 역시 재정비가 요구됩니다.
특히 채널 폭과 층수에 따라 성능이 달라지는 만큼, 이에 최적화된 회로 설계가 필수입니다.
그러나 현재 대부분의 반도체 설계 툴은 핀펫에 기반한 라이브러리와 시뮬레이션 환경을 제공하고 있습니다.
즉 GAA 전용 설계 환경은 아직 초기 단계에 머물러 있다고 할 수 있습니다.
이는 결과적으로 칩의 개발 속도를 지연시킵니다.
나아가 제품 출시까지의 시간이 길어지게 될 수도 있습니다.
열 방출 및 전자 이동 문제
GAA 방식은 채널이 게이트에 의해 360도 감싸인 구조입니다.
이 덕분에 전자 흐름을 정밀하게 제어할 수 있습니다.
하지만 그 때문에 내부에서 발생하는 열의 방출에는 제약이 생길 수 밖에 없습니다.
나아가 핀펫에 비해 열전달 경로가 제한됩니다.
즉 고성능 작업 시 열 축적 현상이 심화될 수도 있습니다.
또한 전자 이동 경로가 좁고 길어질 경우에는 이동 속도가 저하됩니다.
이는 곧 회로의 응답 속도와 전력 효율에 영향을 미칠 수 있습니다.
GAA 방식의 트랜지스터가 반드시 성능 향상을 보장하는 것이 아니라는 점을 기억해야 합니다.
고성능을 기대했던 일부 응용처에서의 실망 가능성도 무시할 수는 없습니다.
결론
게이트 올 어라운드(GAA) 방식은 차세대 반도체 기술의 핵심으로 주목받고 있습니다.
그러나 그 도입과 상용화에는 여러 기술적, 경제적 과제가 따릅니다.
복잡한 제조 공정과 장비 투자, 미성숙한 설계 생태계, 신뢰성 부족 등은 현재로선 해결되어야 하는 주요 문제입니다.
하지만 이 모든 제약은 반도체 기술의 진화를 요구하는 성장통으로 작용하기도 합니다.
GAA 방식이 극복해야 할 문제들은 분명히 존재합니다.
동시에 이를 해결하는 과정에서 새로운 혁신이 탄생할 것입니다.
결국 GAA의 성공은 기술력뿐만 아니라 산업 전체의 협력과 투자에 달려 있습니다.
이러한 반도체 기술의 발전이 우리의 삶을 보다 윤택하게 만들어 주길 바랍니다.
오늘 글은 여기까지입니다.
긴 글 읽어주셔서 감사합니다.