5강. FinFET에서 GAA까지: 최신 트랜지스터 구조는 왜 바뀌는가?

유트 2026년 8월 16일 최종 수정 8월 25일 읽는 시간 약 16분

평면형 트랜지스터는 어떻게 작동할까?

트랜지스터를 이해하려면 먼저 가장 기본적인 Planar MOSFET부터 살펴볼 필요가 있습니다.

MOSFET은 크게 Source(소스), Drain(드레인), Gate(게이트), Channel(채널)로 구성됩니다.

소스와 드레인은 전류가 들어오고 나가는 부분이고, 게이트는 그 사이의 채널에 전류가 흐를지 여부를 제어합니다.

쉽게 말하면 게이트가 일종의 전자 스위치 역할을 하는 것입니다.

게이트에 전압을 가하면 반도체 내부의 전기적 상태가 변하면서 소스와 드레인 사이에 전류가 흐를 수 있는 통로가 만들어집니다.

이러한 트랜지스터를 수십억 개 이상 연결하면 CPU, GPU, NPU와 같은 복잡한 반도체 회로가 만들어집니다.

문제는 트랜지스터의 크기를 계속 줄일 때 발생합니다.

트랜지스터의 채널 길이가 짧아지면 게이트가 채널을 완전히 제어하기 어려워집니다.

결국 트랜지스터를 작게 만들수록 게이트의 제어 능력이 더욱 중요해지는 것입니다.

반도체 미세화의 가장 큰 문제, Short Channel Effect

트랜지스터를 계속 작게 만들면 Source와 Drain 사이의 거리가 짧아집니다.

이때 Drain에 걸리는 전기장이 채널의 전기적 상태에 강하게 영향을 미치기 시작합니다.

이를 Short Channel Effect, 즉 단채널 효과라고 합니다.

단채널 효과가 심해지면 트랜지스터가 꺼져 있어도 일정한 전류가 흐르는 누설전류가 증가할 수 있습니다.

누설전류가 증가하면 반도체의 전력 소비가 커지고 발열도 증가합니다.

또한 트랜지스터의 문턱전압을 안정적으로 제어하기 어려워질 수 있습니다.

결국 다음과 같은 문제가 발생합니다.

트랜지스터 크기 감소

↓

채널 길이 감소

↓

게이트의 제어력 감소

↓

Short Channel Effect 증가

↓

누설전류 및 전력 문제

따라서 반도체 업계는 단순히 트랜지스터를 작게 만드는 것에서 벗어나 게이트가 채널을 더 효과적으로 제어할 수 있는 새로운 구조를 개발하기 시작했습니다.

FinFET은 왜 등장했을까?

이 문제를 해결하기 위해 등장한 대표적인 구조가 FinFET(Fin Field-Effect Transistor)입니다.

FinFET은 이름 그대로 채널을 지느러미(Fin)처럼 세워놓은 구조입니다.

평면형 트랜지스터에서는 게이트가 채널의 한쪽 면에서 주로 전기적으로 제어합니다.

반면 FinFET에서는 채널을 세로로 세워 게이트가 채널의 여러 면을 감싸도록 만들 수 있습니다.

즉, 평면형 구조보다 게이트가 채널을 더 강하게 제어할 수 있습니다.

이러한 구조적 변화는 단순한 디자인 변경이 아닙니다.

트랜지스터가 작아질수록 채널을 얼마나 정확하게 제어할 수 있는지가 중요해지기 때문입니다.

Nature Electronics에서도 FinFET으로의 전환은 트랜지스터 미세화 과정에서 게이트의 전기적 제어력을 높이기 위한 중요한 구조 변화였다고 설명합니다.

FinFET의 장점과 한계

FinFET은 평면형 트랜지스터보다 훨씬 강한 게이트 제어력을 제공했습니다.

이를 통해 반도체 제조업체는 트랜지스터를 더욱 작게 만들면서도 성능과 전력 특성을 유지할 수 있었습니다.

하지만 미세화가 계속되면서 FinFET에도 새로운 문제가 나타났습니다.

대표적인 문제가 Fin의 크기와 형태를 계속 줄이는 데 따른 물리적·제조적 한계입니다.

Fin의 폭을 지나치게 줄이면 전류를 충분히 흘려보내기 어려워지고, 제조 과정에서 구조적인 균일성을 유지하기도 어려워집니다.

또한 트랜지스터의 크기가 계속 작아지면 게이트가 채널을 더 강하게 제어해야 합니다.

결국 반도체 업계는 다음 단계의 구조를 필요로 하게 됩니다.

그것이 바로 GAA, 즉 Gate-All-Around입니다.

GAA란 무엇인가?

GAA는 Gate-All-Around의 약자입니다.

말 그대로 게이트가 채널을 사방에서 둘러싸는 구조입니다.

FinFET에서는 게이트가 세워진 Fin 채널의 여러 면을 감쌉니다.

하지만 GAA에서는 채널 자체가 게이트에 완전히 둘러싸이도록 설계됩니다.

이 구조의 가장 큰 장점은 게이트의 전기적 제어력을 더욱 높일 수 있다는 것입니다.

채널 주변을 게이트가 감싸고 있기 때문에 Source와 Drain의 전기적 영향으로부터 채널을 보다 효과적으로 제어할 수 있습니다.

이것은 반도체 미세화에서 매우 중요한 의미를 갖습니다.

왜냐하면 트랜지스터가 작아질수록 채널을 안정적으로 ON/OFF하는 것이 점점 어려워지기 때문입니다.

GAA 나노시트는 어떻게 생겼을까?

현재 GAA 구조에서 중요한 형태 중 하나가 Nanosheet FET, 즉 나노시트 트랜지스터입니다.

나노시트는 이름 그대로 매우 얇은 시트 형태의 반도체 채널입니다.

이러한 나노시트를 여러 층으로 쌓고 그 주변을 게이트가 감싸도록 만들 수 있습니다.

이를 통해 하나의 트랜지스터 영역에서 채널의 폭을 효과적으로 확보하면서 동시에 게이트의 제어력을 높일 수 있습니다.

특히 나노시트 구조는 채널의 폭을 설계 단계에서 조절하기 상대적으로 유연하다는 장점이 있어 첨단 CMOS에서 중요한 구조로 연구되고 있습니다.

2024년 Nature Electronics에서 소개된 TSMC의 2nm CMOS 플랫폼 역시 GAA nanosheet transistor를 기반으로 하고 있습니다. 해당 연구에서는 이전 3nm 기술과 비교해 약 1.15배의 칩 밀도 향상과 약 15%의 속도 향상 또는 약 30%의 전력 감소가 보고됐습니다.

GAA가 FinFET보다 유리한 이유

GAA의 핵심은 단순합니다.

게이트가 채널을 더 많이 감쌀수록 채널을 더 잘 제어할 수 있습니다.

이를 간단하게 비교하면 다음과 같습니다.

Planar

게이트 → 채널 한쪽에서 제어

↓

FinFET

게이트 → 채널의 여러 면에서 제어

↓

GAA

게이트 → 채널을 사방에서 제어

이러한 구조적 변화는 반도체 미세화에서 매우 중요한 의미를 갖습니다.

트랜지스터가 작아질수록 전류를 원하는 순간에 정확하게 켜고 끄는 능력이 중요하기 때문입니다.

따라서 GAA는 단순히 FinFET의 다음 버전이라기보다는 나노미터급 트랜지스터에서 전기적 제어력을 유지하기 위한 구조적 해결책이라고 볼 수 있습니다.

3nm와 2nm에서 GAA가 중요한 이유

최근 반도체 산업에서는 3nm와 2nm 공정이 중요한 경쟁 분야가 되고 있습니다.

여기서 주의해야 할 점은 3nm나 2nm라는 숫자가 실제 트랜지스터의 모든 물리적 치수가 정확히 3nm 또는 2nm라는 뜻은 아니라는 것입니다.

현대의 공정 노드 이름은 트랜지스터의 특정 한 부분의 실제 길이만을 의미하는 것이 아니라, 제조 세대와 집적도·성능 등을 나타내는 기술 세대 명칭의 성격도 갖습니다.

그럼에도 불구하고 공정 세대가 발전할수록 실제 소자 구조의 여러 치수와 간격을 줄여야 하기 때문에 트랜지스터의 전기적 제어가 더욱 어려워집니다.

그래서 3nm 이후의 첨단 공정에서 GAA와 나노시트 구조가 중요한 기술로 부상하고 있습니다.

2023년 Nature Electronics가 소개한 3nm GAA 멀티브리지채널 FET 연구에서는 이전 4nm FinFET 기술과 비교해 속도, 전력, 면적 측면의 개선이 보고됐습니다.

GAA의 또 다른 장점, 나노시트 폭 조절

GAA 나노시트 구조가 주목받는 또 다른 이유는 채널 폭을 조절할 수 있다는 점입니다.

트랜지스터의 성능은 채널을 통해 얼마나 많은 전류를 흘릴 수 있는지와 밀접하게 관련됩니다.

따라서 나노시트의 폭과 개수 등을 조절하면서 성능과 전력 사이의 균형을 설계할 수 있습니다.

이러한 설계 자유도는 다양한 종류의 반도체 회로를 하나의 제조 플랫폼에서 구현하는 데 도움이 될 수 있습니다.

즉,

GAA

→ 강한 게이트 제어

→ Short Channel Effect 억제

→ 미세화 가능성 확대

→ 나노시트 폭 조절

→ 성능·전력 최적화

라는 기술적 장점을 기대할 수 있습니다.

그렇다면 GAA가 미세화의 마지막 단계일까?

그렇지는 않습니다.

반도체 연구자들은 이미 GAA 이후의 구조를 연구하고 있습니다.

대표적인 것이 CFET(Complementary FET)입니다.

CFET은 NMOS와 PMOS 트랜지스터를 수직 방향으로 쌓는 방식으로, 기존의 수평적인 배치에서 벗어나 3차원적으로 트랜지스터를 집적하는 방법입니다.

이러한 구조는 동일한 면적 안에 더 많은 기능을 집적할 가능성을 제공합니다.

또 다른 방향은 2차원 반도체입니다.

2025년 Nature Communications에서는 웨이퍼 수준에서 균일하게 성장시킨 2차원 반도체 기반 GAA 나노시트 구조를 연구했습니다. 연구진은 이러한 구조가 미래의 초미세 트랜지스터와 3차원 집적에 활용될 가능성을 제시했습니다.

2026년 Nature Nanotechnology에서도 TMD 계열의 단원자층 2차원 반도체를 이용한 나노리본 트랜지스터가 연구되고 있으며, 실리콘 GAA의 미세화 한계를 넘어설 후보로 2차원 소재가 주목받고 있음을 보여줍니다.

GAA에도 해결해야 할 문제가 있다

GAA가 모든 문제를 해결해 주는 것은 아닙니다.

오히려 구조가 복잡해지면서 제조 난이도도 증가합니다.

나노시트를 여러 층으로 만들고 각 채널을 균일하게 형성해야 하며, 그 주변에 절연막과 금속 게이트를 정밀하게 형성해야 합니다.

또한 트랜지스터의 크기가 계속 작아지면 접촉저항과 기생 커패시턴스 같은 문제가 중요해집니다.

2026년 Nature Communications의 연구에서도 GAA와 같은 3차원 구조가 미세화에 도움을 주지만, 더 작은 크기로 내려갈수록 기생 저항·커패시턴스와 같은 새로운 문제가 중요해진다고 설명합니다.

즉, 앞으로의 반도체 미세화는 단순히 트랜지스터 구조 하나를 바꾸는 문제가 아닙니다.

소재 + 트랜지스터 구조 + 리소그래피 + 공정 + 패키징

전체가 함께 발전해야 합니다.

FinFET에서 GAA까지의 발전 과정

지금까지의 내용을 간단하게 정리해보겠습니다.

Planar MOSFET

평면형 구조

→ 게이트가 채널을 한쪽에서 제어

→ 미세화에 따라 Short Channel Effect 증가

↓

FinFET

채널을 세로로 세움

→ 게이트가 채널의 여러 면을 제어

→ 전기적 제어력 향상

↓

GAA

나노시트 또는 나노리본을 게이트가 사방에서 감쌈

→ 더욱 강한 채널 제어

→ 첨단 3nm·2nm급 CMOS에서 중요한 구조

↓

차세대

CFET

2D 반도체

새로운 나노리본·나노시트 구조

→ GAA 이후의 미세화 연구

최근 연구 흐름을 보면 실제로 이러한 방향으로 연구가 진행되고 있습니다.

마무리

반도체 미세화의 역사는 단순히 트랜지스터의 숫자를 줄이는 역사가 아닙니다.

더 작은 트랜지스터를 만들면서도 전류를 정확하게 제어하고, 누설전류와 전력 소비를 줄이며, 충분한 성능을 유지해야 했기 때문에 트랜지스터의 구조 자체가 계속 변화해 왔습니다.

평면형 MOSFET에서 시작해 FinFET으로 발전했고, 더 강력한 게이트 제어가 필요해지면서 GAA가 등장했습니다.

그리고 현재는 GAA 나노시트가 2nm급 CMOS 기술의 중요한 구조로 자리 잡고 있습니다.

하지만 이것이 끝은 아닙니다.

앞으로는 CFET, 2차원 반도체, 나노리본, 새로운 채널 소재 등이 GAA 이후의 반도체 미세화를 이끌 가능성이 있습니다.

결국 반도체의 미래는 “얼마나 작게 만들 수 있는가?”에서 한 단계 더 나아가 “얼마나 작게 만들면서도 전자를 정확하게 제어할 수 있는가?”의 경쟁이 될 것입니다.

그리고 이 문제를 해결하기 위해서는 트랜지스터 구조뿐만 아니라 새로운 소재와 나노기술이 필요합니다.

다음 6강에서는 이러한 흐름을 이어서 “나노반도체란 무엇인가? 10억분의 1미터 세계의 기술”을 살펴보겠습니다.

핵심 키워드

FinFET, GAA, Gate-All-Around, GAA nanosheet, 나노시트, 나노와이어, 나노리본, 트랜지스터, CMOS, 반도체 미세공정, 3nm, 2nm, Short Channel Effect, 누설전류, 게이트 제어, CFET, 2차원 반도체

참고문헌 및 최신 연구

1. 2nm CMOS와 GAA 나노시트

Vaughan, O. Two nanometre CMOS technology. Nature Electronics 7, 1063 (2024).

2. FinFET에서 GAA로의 구조적 변화

Thomas, S. Nanosheet FETs at 3 nm. Nature Electronics 1, 613 (2018).

3. 3nm GAA 트랜지스터

Wu, L. The next generation of gate-all-around transistors. Nature Electronics 6, 469 (2023).

4. 2024년 FinFET → GAA 기술 리뷰

Das, R. R. et al. FinFET to GAA MBCFET: A Review and Insights. IEEE Access (2024).

5. 2차원 반도체 기반 GAA

Wafer-scale uniform epitaxy of transferable 2D single crystals for gate-all-around nanosheet field effect transistors. Nature Communications (2025).

6. 2026년 차세대 나노리본 트랜지스터 연구

Scaling nanoribbon transistors with monolayer transition metal dichalcogenides. Nature Nanotechnology (2026).

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