GAA & MBCFET — Concept Primer
2nm 이하 시대를 여는 4면 전면 게이트 트랜지스터 — 15년 만의 구조 혁명
GAA & MBCFET — Concept Primer
2nm 이하 시대를 여는 4면 전면 게이트 트랜지스터 — 15년 만의 구조 혁명
1. 한줄 정의
GAA (Gate-All-Around, 전면 게이트) 는 게이트(전자 흐름을 통제하는 문)가 채널(전자가 흐르는 통로) 4면 전체를 완전히 감싸는 트랜지스터 구조다. 2011-2025년간 사용된 FinFET의 3면 제어로는 2nm 이하에서 누설전류가 너무 심해지자, 4면 전면 포위로 전환한 것이 GAA다. 2022년 Samsung이 3nm SF3에서 MBCFET (Multi-Bridge-Channel FET) 이라는 자사 브랜드로 업계 최초 양산했고, TSMC는 2025 말 N2 공정부터 본격 양산에 진입한다.
- 한 줄 비유: FinFET이 "지느러미를 말굽으로 감싸기"라면 GAA는 "얇은 시트를 도넛으로 둘러싸기"
- 4면 포위로 누설전류 극적 감소 · 동일 전력에 성능 증가 · 고밀도 집적 가능
- 5개 신규 공정이 추가되어 제조 난이도 급증 — 수혜 기업 판도 재편
왜 투자자에게 중요한가
- 15년 만의 구조 전환 — 평면→FinFET(2011) 이후 처음
- 신규 공정 장벽 = 신규 독점 — HPSP(403870.KQ, 고압 수소 어닐링 독점) 대표 사례
- 수율 격차가 파운드리 경쟁 구도 결정 — Samsung 55% vs TSMC 추정 70%+
- HBM4 로직 Base die 연결 — GAA 파운드리 공정이 HBM 원가의 30% 구성
2. 용어 전개
2.1 GAA 풀네임과 구성 요소
GAA = Gate-All-Around = 전면 게이트
- Gate (게이트): 트랜지스터의 "스위치 손잡이" — 전압을 걸면 전류 흐름 통제
- All-Around (전면 포위): 채널을 4면 전부 감쌈
- Channel (채널): 전자가 흐르는 통로. GAA에서는 얇은 실리콘 나노시트
- Nanosheet (나노시트): 원자 몇 개 두께의 얇은 실리콘 판 — 채널 역할
2.2 FinFET vs GAA 구조 비교
핵심 이해: GAA는 FinFET을 90도 눕힌 뒤 여러 장 쌓은 것과 비슷하다. 이렇게 하면 게이트가 각 시트를 360도 둘러쌀 수 있게 된다.
2.3 MBCFET (Samsung 브랜드명)
MBCFET = Multi-Bridge-Channel FET = 다중 가교 채널 트랜지스터
- Samsung Foundry가 GAA nanosheet 구조에 붙인 자사 브랜드
- 기술적으로 GAA nanosheet와 동일 — 마케팅 차별화 목적
- 2022년 SF3 (3nm GAA) 양산 시 공식 사용 시작
- Samsung 주력 공정 명: SF3 → SF3P → SF2 (2nm MBCFET) → SF2P
2.4 Nanowire vs Nanosheet
GAA 구조에는 두 가지 변형이 있다:
Nanowire는 이론적으로 더 완벽한 4면 포위지만 채널 폭이 너무 좁아 전류 구동력이 부족. Nanosheet가 실용적 타협점으로 산업 표준.
2.5 Forksheet FET (차차세대 변형)
Forksheet FET: imec가 제안한 GAA 확장형. n-MOS와 p-MOS 나노시트를 더 가까이 배치하여 집적도 향상.
- 2028-2029 A10 노드 대상
- 비유: 포크의 갈퀴 여러 개가 한 손잡이에 모여 있는 구조
2.6 관련 공정 핵심 용어
- SiGe Release (실리콘-게르마늄 식각 릴리스): 나노시트를 공중에 띄우는 공정
- Inner Spacer (내부 스페이서): 나노시트 끝단 절연막
- HKMG (High-k Metal Gate, 고유전율 금속 게이트): 게이트 전극 — 시트 4면을 감싸는 금속 층
- HPA (High-Pressure Anneal, 고압 수소 어닐링): 나노시트 표면 댕글링 본드 패시베이션 — HPSP 독점
3. 역사적 배경
3.1 GAA 아이디어의 기원 (2000s)
- 2000년대 초반 — imec · IBM 등 연구기관이 GAA 원리 제안
- 2006 — IMEC가 Silicon Nanowire GAA 시연
- 당시에는 FinFET이 막 등장한 상황이라 산업 도입 여유 없음
3.2 Samsung의 선제 진입 (2019-2022)
- 2019 — Samsung이 3nm MBCFET 로드맵 공식 발표
- 2022 — SF3 (3nm MBCFET) 양산 개시 — 세계 최초 GAA 양산
- 초기 수율 이슈로 수년간 고전 — 주요 고객 확보 실패
3.3 TSMC의 전략적 지연 (2023-2025)
- TSMC는 3nm(N3)을 FinFET으로 유지 — "수율 우선" 전략
- 2025 말 N2에서 GAA nanosheet 첫 양산 진입
- N2P (2026 H2) 본격 램프
3.4 Intel의 이중 혁신 (2025-2026)
- Intel 18A: GAA (Intel은 "RibbonFET" 브랜드) + PowerVia (BSPD) 동시 도입
- 세계 최초 Backside Power Delivery 상용화
- 외부 파운드리 고객 확보가 관건 (2026 검증)
3.5 2026 양산 수율 현황
Samsung SF2 수율 55%는 양산 threshold 70% 미달. Qualcomm 일부 물량이 TSMC로 이탈 중.
4. 작동 원리
4.1 왜 4면 포위가 중요한가
FinFET은 **3면(양옆+위)**만 감싼다. 지느러미 바닥은 기판에 붙어 있어 게이트가 통제 못 함 → 이 바닥으로 누설전류 발생.
채널이 작아질수록 (3nm 이하):
- 누설 경로의 비중 급증
- 동작 전력의 상당 부분이 "새는 전기"로 낭비
- 해결책: 바닥까지 감싸기 = GAA
직관적 비유:
- 수도관에 수도꼭지 손잡이가 3면만 있으면 4번째 면(바닥)으로 물이 샌다
- 4면 전부 감싸면 완전 차단 가능
4.2 GAA 제조 — 5개 신규 공정 상세
(1) Nanosheet Epitaxial Growth — 실리콘·SiGe 교대 증착
- 실리콘(Si)과 실리콘-게르마늄(SiGe)을 교대로 정밀 증착
- 원자 단위 두께 제어 (수 nm)
- 비유: 바움쿠헨 케이크 만들기 — 얇은 Si 층과 SiGe 층을 번갈아 굽기
- 장비: AMAT (ALD/Epi), LRCX
(2) Fin Etching — 지느러미 형태로 자르기
- EUV 리소그래피로 패턴 정의
- 플라스마 식각으로 수직 절단
- 장비: LRCX (식각), ASML (노광)
(3) Inner Spacer Formation — 내부 절연막 설치
- 지느러미 옆면에 절연막 형성
- 비유: 집 외벽 단열재 바르기
- 목적: 나노시트 릴리스 후 누설 차단
- 장비: AMAT (증착)
(4) Channel Release — SiGe만 선택적 식각
- SiGe 층만 녹여 없애고 Si 나노시트만 남김
- 비유: 바움쿠헨에서 초콜릿 층만 녹이고 바닐라만 남기기
- 이 단계 후 실리콘 시트가 공중에 떠 있는 상태
- 장비: LRCX (식각 전문)
(5) HPA (High-Pressure Anneal) — HPSP 독점 공정
- Anneal (어닐링): 열처리로 결함 회복
- High-Pressure (20기압 이상): 고압 수소 분위기에서 처리
- 목적: 나노시트 표면의 댕글링 본드(끊어진 원자 결합) 를 수소로 패시베이션
- 왜 HPSP 독점인가: 20기압 수소 챔버 설계 + 15년 수율 데이터 누적
- GAA 시트 개수(3-4장)가 늘어날수록 HPA 공정 스텝도 비례 증가 → HPSP 웨이퍼당 매출 연동 증가
(6) Gate Wrap-Around — HKMG로 4면 감쌈
- 공중에 뜬 나노시트 4면 전체를 High-k 금속 게이트로 감쌈
- 결과: Ioff(누설) 감소, 전력효율 향상
- 장비: AMAT (ALD 증착)
4.3 GAA 공정 흐름도
Loading diagram
4.4 성능 개선 — Samsung 공식 수치
Samsung SF2 (2nm GAA) vs SF3 (3nm, 개량형 MBCFET):
- 성능 +12%
- 전력효율 +25%
- 면적 -5%
출처: Samsung Foundry Forum 2025
5. 투자자 관점 — GAA가 만드는 재편 구도
5.1 파운드리 3강 경쟁 현황
5.2 소부장 수혜 — 장비별 수혜 지도
GAA 전환으로 매출·점유율 증가가 예상되는 장비사:
HPSP (403870.KQ) — 신규 독점
- HPA 장비 전 세계 독점
- GAA 시트 3-4장 → 공정 스텝 1.5-2배 → 웨이퍼당 매출 증가
- 경쟁사 진입 사례 없음 (15년 축적 수율 데이터)
Lam Research (LRCX) — 식각 승리
- GAA 전환 etch win 42% 확보 (2025)
- SiGe 선택 식각이 GAA 핵심 — LRCX 우위
- 세계 식각 점유율 45% → GAA 시대에 50%+ 전망
Applied Materials (AMAT) — ALD 증착 수요 증가
- Epi + ALD 증착 복잡도 급증
- 증착 세계 리더 (CVD/PVD/ALD)
- GAA 세대에 장비 수주 +30% 전망
ASML — EUV 필수
- Low-NA + High-NA EUV 모두 필요
- GAA는 리소그래피 미세화 + 공정 스텝 증가로 EUV 노광 횟수 1.5배
5.3 HBM4 Base Die 연결 — 파운드리 신규 매출
HBM4부터 Base die를 TSMC N5/N3 로직 공정으로 제작 (HBM primer 참조). 이는 GAA 이전 세대 FinFET 공정이지만:
- Samsung은 자사 4nm (GAA 직전) Base die 제작 가능 → 수직통합 우위
- TSMC는 SK하이닉스·Micron의 Base die 제작으로 신규 매출 확보
5.4 투자자 관점에서 보면
GAA 전환은 파운드리 3강 경쟁의 새 국면이자 소부장 신규 독점의 기회다.
- 파운드리 측면: TSMC의 공정 리더십 유지 + Samsung의 턴어라운드 옵션 + Intel의 이중 혁신 도전
- 소부장 측면: HPSP · LRCX · AMAT · ASML이 공정 복잡도 증가로 구조적 수혜
- HBM4 연계: 파운드리 로직 공정이 메모리 공급망 편입 → Samsung 수직통합 재평가
핵심 선행 지표:
- Samsung SF2 수율 55% → 70% 돌파 시점
- TSMC N2 월 출하량 100K wpm 도달 시점
- HPSP 분기 매출 성장률 (GAA 채택 확대 지표)
6. 다음으로 읽을 것
- 심화 학습자료: AI 반도체 밸류체인 — GAA·HBM4 전환이 말하는 것 — GAA 전환과 HBM 밸류체인 통합
- 이전 Primer:
- FinFET — Concept Primer — GAA 이전 세대
- 트랜지스터 스케일링 — Concept Primer — 60년사 맥락
- 관련 Primer:
- EUV Lithography — Concept Primer — GAA 제조 필수 장비
- 관련 기업 IC 메모: HPSP IC 메모
개념 사전
출처
- Samsung Foundry Forum 2025 — SF2 MBCFET Specs
- TSMC 2nm N2 Process Overview
- Intel 18A RibbonFET + PowerVia
- Samsung 2nm 55% Yield — TrendForce
- GAA Transistor Tech 2026: MBCFET vs Nanosheet — PatSnap
- Beyond FinFET: Nanosheet Revolution
- imec Forksheet FET Concept
- Clash of the Foundries — SemiAnalysis
문서 메타데이터
- 생성일: 2026-04-19 (Phase 1 신규)
- 독자 가정: 투자 지식은 있으나 기술 배경 없는 비전공 투자자
- 분량: ~320줄
- Mermaid: 1개 (GAA 공정 흐름도)
- 선수 개념: FinFET · 트랜지스터 스케일링
- 커리큘럼 tier: Tier 1 기초 Primer