Planar FET라고 들어보셨나요?
MOS FET는 많이 들어보셨겠지만 Planar FET는 잘 모르시더라고요.
사실 Planar FET는 예전부터 꽤 오랫동안 반도체 산업을 이끌어온 핵심 기술이었습니다.
그러나 현재 미세 공정의 한계와 성능 저하 문제로 인하여 점점 MOS FET에게 대체되고 있다.
따라서 오늘은 Planar FET의 한계점 5가지에 대하여 알아보겠습니다.
1. 미세화 공정의 한계
Planar FET(Field Effect Transistor)는 예전부터 수십 년 동안 반도체 소자의 표준 구조로 자리 잡아온 소자였습니다.
그러나 현대 반도체 산업에서는 트랜지스터의 크기를 점점 더 줄여 초미세화 연구가 진행되고 있습니다.
이러한 현대의 요구에는 Planar FET가 여러 제약을 드러내고 있습니다.
특히 20nm 이하의 노드에서는 단면 구조의 평면형(FET) 소자가 더 이상 효과적인 전류 제어를 보장하지 못한다는 사실이 밝혀졌습니다.
채널 길이를 줄이면 줄일수록 게이트가 전류 흐름을 제어하는 능력이 약해지기 마련입니다.
이렇게 된다면 문턱 전압 이하의 누설 전류가 증가하게 됩니다.
이러한 누설 전류는 소비 전력을 증가시키게 됩니다.
나아가 소자의 신뢰성에도 악영향을 주게 됩니다.
2. 단일 게이트 구조의 한계
기본적으로 Planar FET는 단일 게이트 구조를 채택하고 있습니다.
이러한 단일 방식은 게이트가 채널 위쪽에만 존재합니다.
즉, 채널 주변을 완전히 감싸지 못하게 됩니다.
이는 결과적으로 전기적인 제어 능력이 떨어지며 짧은 채널 효과(Short Channel Effects)에 쉽게 노출되는 결과를 만들게 됩니다.
여기서 짧은 채널 효과란 채널 길이가 짧아질수록 드레인 전압이 채널에 영향을 미쳐 전류를 과도하게 흐르게 하는 현상을 말합니다.
이는 트랜지스터의 ON/OFF 특성을 불안정하게 만드는 주원인이 됩니다.
3. 리소그래피 한계와 비용 증가
Planar FET는 2D 구조에 기반하였습니다.
즉, 더 높은 집적도를 달성하기 위해서는 필수적으로 리소그래피 공정의 정밀도 향상이 이루어져야만 합니다.
하지만 10nm 이하의 초미세 공정에서는 기존 리소그래피 기술로는 한계에 부딪히게 됩니다.
이때는 EUV(극자외선) 리소그래피 등 고가의 장비가 필요하게 됩니다.
이러한 장비는 설치 비용만 수천억 원에 달합니다.
이는 제조 단가가 높아지는 결정적인 원인이 됩니다.
따라서 이러한 리스크를 안고 Planar FET를 계속 활용하기에는 경제적 부담이 너무 크게 되어버렸습니다.
4. 열 관리의 어려움
Planar FET는 주로 열이 칩 표면에서 발생합니다.
이는 열을 효과적으로 분산시키기 어려운 구조입니다.
Planar FET는 채널이 평면에 고정되어 있습니다.
히트 스프레딩 면적 또한 제한적입니다.
이러한 구조적인 문제 때문에 발열이 집중되기 쉽습니다.
이는 고속 작동 시 온도 상승으로 인한 성능 저하와 수명 단축의 주요 원인이 됩니다.
특히 모바일이나 서버 칩과 같이 연산량이 많은 환경에서는 매우 치명적으로 작용합니다.
5. 차세대 기술과의 호환성 문제
2025년 최근 반도체 산업은 GAA(Gate-All-Around), FinFET 등의 3차원 구조 기반 트랜지스터 기술이 빠르게 발전하고 있습니다.
이러한 기술들 덕분에 다면 게이트를 통해 보다 강력한 전류 제어 능력을 발휘할 수 있게 되었습니다.
덕분에 면적 효율도 증가했습니다.
하지만 기본적으로 Planar FET는 2차원 평면 기반의 구조로 이루어져 있습니다.
이러한 원인 때문에 최근의 신기술과의 물리적·공정적 호환성이 낮을 수밖에 없습니다.
결국, 기존 기술과의 연결 고리를 유지하기 위해서 추가로 복잡한 공정의 변경과 전환 비용이 수반되게 됩니다.
결론: 시대를 이끈 기술, 그러나 퇴장을 준비해야 할 때
Planar FET는 그동안 반도체 기술 발전의 주역이었습니다.
그러나 이제는 미세화의 한계, 전류 제어 능력 부족, 고비용, 발열 문제 등으로 인하여 시대의 발전을 따라가기 힘들어진 상태입니다.
2025년 최근에는 FinFET이나 GAA와 같은 차세대 기술들이 속속 등장하고 상용화되고 있습니다.
그에 따라 기존의 Planar FET는 점차 핵심 기술에서 보조 기술로 그 위치가 바뀌고 있습니다.
지금은 한때 시대를 이끌었던 Planar FET의 영광을 되새기며, 새로운 트랜지스터 기술로의 전환을 준비해야 합니다.
앞으로도 이러한 반도체 산업이 활성화되어 우리의 미래를 보다 윤택하게 만들어 주길 바랍니다.
오늘 글은 여기까지입니다.
감사합니다.