삼성 '3나노' 세계 처음 양산한다..전력소비 절반 낮춘 비결

3나노 파운드리 양산에 참여한 파운드리사업부, 반도체연구소, 글로벌 제조&인프라총괄 주역들이 손가락으로 3을 가리키며 3나노 파운드리 양산을 축하하고 있다. [사진 삼성전자]

삼성전자가 30일 게이트 올 어라운드(GAA·GATE-ALL-AROUND) 기술을 적용한 3나노미터(㎚ㆍ1나노=10억 분의 1m) 파운드리(반도체 위탁생산) 공정 반도체 양산을 시작했다고 밝혔다. GAA 기반 3나노 공정으로 반도체 제작에 나선 기업은 삼성전자가 최초다. 삼성전자는 3나노 공정의 고성능 컴퓨팅(HPC)용 시스템 반도체를 최초로 생산한 데 이어 모바일 시스템온칩(SoC)으로 적용을 확대해 나갈 예정이다.

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GAA 기반 3나노 제품 최초 양산

삼성전자는 3나노 공정 반도체 양산에 반도체 트랜지스터에서 전류가 흐르는 채널 4개면을 게이트가 둘러싸는 형태인 차세대 GAA 기술을 세계 최초로 적용했다. GAA 구조는 게이트의 위ㆍ양 옆의 3개 면을 감싸는 기존의 핀펫(FinFET) 구조와 달리 위ㆍ양 옆ㆍ아래의 4개면을 감싼다. 이런 구조로 트랜지스터 성능 저하를 극복하고 데이터 처리 속도와 전력 효율을 높인다.

기존의 핀펫 공정은 게이트가 채널의 3면을 감싼데 반해 GAA 공정은 게이트가 채널의 4면을 감싼다. 삼성전자는 기존의 좁고 긴 형태의 게이트를 넓고 얇은 나노시트 형태로 만드는 독자적인 MBCFET GAA기술을 적용했다. [삼성전자 뉴스룸 캡쳐]

여기에 삼성전자는 독자적인 기술을 추가했다. 채널을 얇고 넓은 모양의 나노시트(Nanosheet) 형태로 만드는 MBCFET GAA 구조다. 좁고 긴 모양의 채널을 만드는 일반적인 GAA 구조보다 전류를 더 세밀하게 조절할 수 있어 고성능ㆍ저전력 반도체 설계를 할 수 있다는 장점이 있다.

삼성전자 관계자는 “3나노 GAA 1세대 공정은 기존 5나노 핀펫 공정과 비교해 전력은 45% 절감하고, 성능은 23% 향상됐으며 면적은 16% 축소됐다”고 설명했다. 삼성에 따르면 2023년 양산 예정인 GAA 2세대 공정은 전력이 50% 절감되고, 성능은 30% 향상된다. 면적은 35% 축소된다.

최시영 삼성전자 파운드리사업부장(사장)은 “삼성전자는 파운드리 업계에서 핀펫이나 극자외선(EUV) 등 신기술를 선제적으로 도입하며 빠르게 성장했고 이번에도 MBCFET GAA 기술을 적용한 3나노 공정 파운드리 서비스를 세계 최초로 제공하게 됐다”며 “앞으로도 차별화된 기술을 적극적으로 개발하고 공정 성숙도를 빠르게 높이는 시스템을 구축해 나가겠다”고 말했다.

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3나노 첫 고객 만난 삼성…2026년까지 300사 이상 목표

삼성은 이날 3나노 반도체 양산을 발표하며 ‘초도 물량’이라는 표현을 썼다. 아직은 신기술을 적용해 많은 양의 반도체를 대량 생산(HVM)하는 단계는 아니라는 뜻이다. 파운드리 산업은 누군가 반도체 위탁 생산을 맡겨야 한다. 삼성 입장에서는 고객을 확보해야 신기술이 적용된 제품을 폭넓게 공급할 수 있는 셈이다.

삼성전자는 업계 최초로 GAA 기술을 도입함으로써 추후 다수의 고객사를 확보할 수 있는 동력을 마련한 것으로 기대하고 있다. 삼성전자에 따르면 지난해 이 회사의 파운드리 고객은 100곳 이상으로 2017년 시스템LSI 사업부에서 파운드리사업부가 분리될 당시 30곳이었던 것과 비교해 3배 이상 늘었다. 삼성은 기술 경쟁력과 투자로 2026년까지 300곳 이상의 고객사를 확보하는 것을 목표로 하고 있다. 이를 위해 올해 하반기 평택 캠퍼스 3라인 가동을 앞두고 있고, 미국 텍사스주 테일러시에 신규 파운드리 공장을 건설 중이다.

삼성전자 측은 “3나노 공정 제품을 만들어 이미 고객사에 공급한 상태”라고 설명했다. 연초 수율(정상품의 비율)이 문제가 됐지만 이 문제가 어느 정도 해결됐기 때문에 양산과 판매로 이어졌다는 게 업계의 시각이다. 조병진 한국과학기술원(KAIST) 교수는 “외부에서 수율을 정확히 알 수는 없지만 정상 동작 제품 물량을 확보해 고객사에 보냈고, 고난도 기술인 GAA 3나노 공정을 성공했다는 데 의미가 있다”고 말했다.

이수정 기자 lee.sujeong1@joongang.co.kr