Complementary FET (CFET)

개요

반도체 산업은 집적도 향상과 전력 효율 개선이라는 두 가지 큰 도전에 직면해 있습니다. 이를 해결하기 위한 차세대 기술로 주목받는 것이 바로 CFET(Complementary Field-Effect Transistor)입니다. 기존 FinFET을 대체하거나 보완할 수 있는 구조로, 반도체 소자의 스케일링 한계를 극복할 핵심 기술로 평가받고 있습니다.

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1. 개념 및 정의

CFET는 "Complementary Field-Effect Transistor"의 약자로, NMOS와 PMOS를 수직으로 적층하는 트랜지스터 구조입니다. 기존의 평면적 구조(FinFET)와 달리, 동일한 칩 면적 내에서 두 종류의 트랜지스터를 위아래로 배치함으로써 공간 효율성과 전력 효율을 동시에 높일 수 있습니다.

이 기술은 2nm 이하 공정 시대에 들어서면서 더욱 주목받고 있으며, 기존의 GAA(Gate-All-Around) FET를 진화시킨 형태로 간주됩니다.

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2. 특징

항목	CFET	기존 FinFET
구조적 형태	NMOS와 PMOS의 수직 적층	NMOS/PMOS를 평면에 나란히 배치
면적 효율	우수	보통
전력 효율	개선됨	상대적으로 낮음
제조 복잡성	매우 높음	비교적 낮음

기존의 GAA FET는 동일한 채널 구조를 수평으로 배열하는 방식이지만, CFET는 이 구조를 더 나아가 수직으로 쌓아 올린 것이 큰 차이점입니다.

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3. 구성 요소

구성 요소	설명	역할
NMOS Stack	수직 구조 상단에 배치	전자의 이동을 담당하는 n형 트랜지스터
PMOS Stack	수직 구조 하단에 배치	정공의 이동을 담당하는 p형 트랜지스터
Interlayer Dielectric (ILD)	두 트랜지스터 사이 절연층	전기적 간섭 방지 및 열 차단
Gate-All-Around(GAA) 구조	채널을 완전히 감싸는 게이트	전류 누설 억제 및 제어력 향상

각 층 간 정밀한 정렬 및 적층 공정이 요구되며, 고도의 패터닝 및 에칭 기술이 필수적입니다.

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4. 기술 요소

기술	설명	적용 역할
EUV 리소그래피	극자외선 노광 기술	미세 회로 형성 및 정렬 정밀도 향상
3D Integration	수직 적층 기술	NMOS-PMOS 통합을 위한 구조 기반
Selective Epitaxy	선택적 에피택시 성장	서로 다른 트랜지스터 채널 형성
Thermal Budget 제어	열 확산 관리 기술	수직 적층 시 하부 구조 손상 방지

CFET 구현에는 3D 적층과 정밀한 나노미터 공정 기술이 필수적이며, 이는 기존 반도체 제조사에게 기술적 도약을 요구합니다.

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5. 장점 및 이점

장점	설명	기대 효과
면적 절감	동일한 기능을 적은 면적으로 구현 가능	칩 크기 축소 및 원가 절감
전력 효율	전류 경로 최적화로 누설 전류 감소	저전력 설계 가능
고성능	짧은 채널 길이에도 안정적 동작	연산 속도 증가
기술 확장성	GAA 기반 기술 위에서 확장 가능	차세대 노드 적용 용이

특히 AI, HPC, 모바일 프로세서 등 고성능과 저전력이 요구되는 분야에서 큰 장점을 제공합니다.

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6. 주요 활용 사례 및 고려사항

활용 분야	적용 예시	고려사항
고성능 컴퓨팅(HPC)	AI 칩, 슈퍼컴퓨터 프로세서	공정 수율과 열 제어 필수
모바일 SoC	스마트폰 및 태블릿 AP	배터리 수명과 패키징 최적화
데이터센터	고집적, 고효율 서버칩	열 해소 및 안정성 확보 필요

CFET는 아직 상용화 초기 단계이지만, Intel, TSMC, 삼성전자 등 주요 반도체 기업이 적극적으로 연구 및 투자 중입니다.

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7. 결론

CFET는 기존 트랜지스터 구조의 한계를 극복하며, 반도체의 미래를 이끌 핵심 기술로 부상하고 있습니다. 전력 효율성과 공간 효율을 극대화할 수 있는 구조적 장점으로 인해, 고성능 및 저전력 응용 분야에서 빠르게 채택될 가능성이 큽니다. 그러나 제조 공정의 복잡성과 신뢰성 확보는 여전히 해결 과제로 남아 있습니다.