ETRI, 국내 최초 기업에 GaN 반도체칩 설계·제작 돕는다

150나노 질화갈륨(GaN) 설계키트 공개 및 칩 제작 서비스 시행
차세대 반도체 기술 확보로 K-방산, 6G·위성 등 자립화 기대

ETRI 연구진이 150나노 질화갈륨 파운드리 시범서비스에 관해 논의하고 있다. 사진제공=ETRI

[서울경제]

국내 연구진이 처음으로 150나노 질화갈륨(GaN) 반도체 기술 국산화를 위한 파운드리 시범서비스를 본격 시작한다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 4일 원내에서 산·학·연 관련 관계자가 참석한 가운데 과학기술정보통신부 ‘통신용 화합물반도체 연구 파운드리 구축사업’으로 개발한 세계적 수준인 150나노(0.15um) 질화갈륨 마이크로파집적회로(MMIC) 설계키트(PDK) 공개발표회를 개최했다고 밝혔다.

질화갈륨(GaN) 반도체는 차세대 반도체 핵심 소재·소자로 스텔스기의 에이사(AESA) 레이더, 6G통신에 사용되는 등 많은 관심을 받고 있다. 기존 실리콘, 탄화규소 및 갈륨비소 반도체의 한계를 극복할 수 있는 대안으로 인정받는다. 최근 기술 전략물자화의 대표적 기술로 최첨단 무기에도 적용될 만큼 중요성이 주목받고 있다.

ETRI는 지난 15년 동안 다양한 주파수 대역에서 활용하기 위한 GaN 반도체에 관한 연구를 꾸준히 진행해 왔다. 연구진은 국내 처음으로 150나노 GaN 전자소자 및 MMIC 기술 개발을 완료해 이날 일반에 공개했다.

전 세계적으로 주목받고 있는 150나노 GaN 반도체는 오직 전 세계에서 6개 기관에서만 파운드리 생산이 가능하다. 특히 ETRI는 지난 36년간 팹(Fab)을 운영하며 화합물반도체 관련 기술이 축적되어 GaN 반도체까지 개발에 성공할 수 있었다. 연구진은 이러한 기술축적을 바탕으로 미세패턴공정, 식각 등 주요 공정에서 매우 우수한 노하우를 보유하고 있고, 수율(收率)이나 신뢰성 측면에서 세계 최고라는 평가다.

그동안 국내 화합물반도체 관련 기업들은 자체 칩을 만들기 위해서 외국 파운드리 업체에 의존했다. 설계 및 공정 등 개발 기간이 오래 걸려 시스템 검증 및 납기 등에 어려움을 겪었고 경쟁력이 떨어졌다. 최근 국제적 정세변화, 공급망 이슈 등은 기업에 큰 걸림돌이었는데 ETRI의 파운드리 서비스는 기업엔 단비와 같은 존재가 된다.

ETRI는 연구성과를 기반으로 K-방산 등 반도체 관련 기업을 적극적으로 지원할 예정이다. 칩 설계에 꼭 필요한 설계환경까지 만들어 배포해 줌으로써 칩 제작을 더욱 쉽게 도와주기로 했다.

파운드리 서비스를 제공하기 위해서는 공정에 맞도록 개발돼 고객들에게 제공되는 프로세스 설계키트(PDK)가 필수적이다. ETRI는 올해부터 기업에 시범서비스를 통해 무료로 본격 지원을 시작한다.

먼저 연구진은 멀티프로젝트웨이퍼(MPW) 서비스를 위해 4월 중 제안서 접수를 통해 4개 기업을 선정한 후 설계를 신청받아 하반기 1차 파운드리 서비스를 시작한다. 2025년과 2026년에도 각 4개 기업을 선정, 3년 동안 총 12개 기업에 대한 수요를 받아 칩 생산까지 무료로 책임지기로 했다.

ETRI는 보유하고 있는 4인치 GaN 반도체 제작 일괄공정기술 및 생산 팹(Fab)을 활용해 해외업체와 대등한 수준으로 기업에 서비스한다. 연구진은 소자의 성능을 획기적으로 끌어올려 Ka-밴드 주파수 대역까지 지원하는 MMIC 제작이 가능하다. PDK를 제공해 사용자 맞춤형 파운드리 서비스 지원이 가능케 된 셈이다.

ETRI는 전자소자 특성을 결정짓는 미세 게이트 형성기술을 포함한 MMIC 부품 공정기술 및 설계기술을 개발 완료했다. 자체 화합물 팹(Fab)에서 제작 및 소자 성능 검증을 마치고 파운드리 시범서비스에 나서게 되는 것이다.

ETRI가 제공하는 프로세스 설계키트는 소자 정보와 모델, 레이아웃 및 회로 검증 등을 포함하며 MMIC 설계를 위한 환경을 제공함으로써 사용자들이 쉽게 파운드리 서비스를 활용토록 문턱도 낮췄다.

그동안 국내에서는 이동통신용 300~400나노(0.3~0.4um) GaN 반도체 파운드리 상용 서비스가 제공되고 있었다. 하지만, GaN 소자의 동작 주파수는 소자의 게이트 길이에 의해 가장 큰 영향을 받아 제작할 수 있는 MMIC의 동작 주파수가 X-band(~8GHz) 이하의 주파수 대역으로 제한됐다.

이번 ETRI가 제공하는 150나노급 서비스는 이러한 문제점을 해결해 준다. 150나노급은 초미세패턴으로 반도체 화합물 물성이 우수해 20GHz~30GHz에서도 동작할 수 있다.

이번 ETRI가 제공하는 150나노급 서비스는 그동안 업체의 문제점을 해결해 줄 수 있을 것으로 보이며 ETRI 150나노급 GaN 소자 및 집적회로는 동작주파수 30GHz 대역에서도 동작할 수 있다고 밝혔다.

ETRI는 이번 서비스에 군수무기체계 업체는 물론, 관련 산·학·연 등이 큰 관심을 보이고 있다. ETRI 팹(Fab)의 공정에 맞는 회로 설계환경이 고객들에게 제공되면 향후 반도체 산업 활성화와 자립화에 큰 기회가 될 것으로 연구진은 예측했다.

연구진은 향후 시범서비스의 진행 상황을 검토하고 사용자 의견을 청취해 서비스를 개선해 나갈 예정이다. 세계 최고 수준의 GaN 반도체 기술 국산화와 ICT 핵심 분야 경쟁력 확보를 위해서도 노력할 예정이다.

ETRI 방승찬 원장은 “그동안 해외업체에 종속되어 있던 다양한 ICT 융합 애플리케이션에 적용할 수 있는 GaN 부품 공정의 자립화를 선도하게 됐다”며 “차세대 이동통신 및 레이다 등에 쓰이는 고출력 GaN 소자 국산화를 이룸으로써 수출 규제 대응 및 국제기술 경쟁에도 큰 도움이 될 전망”이라고 말했다.

대전=박희윤 기자 hypark@sedaily.com