[칩스토리]삼성전자 파운드리, TSMC 따라잡을 '히든카드'는?

삼성전자 'GAA' 신공정 도입에도 3나노 수율 안정 결실
세계 1위 TSMC와 격차 크지만, 신공정 앞세워 정면승부
초미세 공정 한계 돌파구…삼성전자 승기 잡을지 관심 커져

[화성=뉴시스] 김종택기자 = 25일 경기 화성시 삼성전자 화성캠퍼스에서 열린 세계 최초 GAA 기반 3나노 양산 출하식에서 연구원들이 3나노 반도체 양산품을 출하하고 있다. 3나노 공정은 반도체 제조 공정 가운데 가장 앞선 기술이며, GAA 역시 세밀한 제어로 반도체의 효율을 높이는 차세대 핵심 기술로 알려졌다. 2022.07.25. jtk@newsis.com

[서울=뉴시스]이인준 기자 = 삼성전자 파운드리 사업이 미세공정 수율(합격품의 비율)을 크게 개선해 그동안 대만 TSMC로 이탈했던 고객사들을 다시 확보할 지 주목된다.

이를 위해 삼성전자의 가장 중요한 무기는 지난해 세계 최초로 3나노미터(㎚·10억분의 1m) 파운드리(위탁생산) 공정에 도입한 'GAA(게이트올어라운드)' 기술로 꼽힌다. 이 기술은 반도체 전력 효율을 높일 수 있어 업계에서 가장 눈길을 끄는 기술이자, 초미세 공정 시장의 판도를 뒤바꿀 '게임 체인저'로 통한다.

삼성전자가 TSMC보다 먼저 GAA라는 새 공정을 도입하고도 수율 안정에 성공하며 파운드리 업계에 판도 변화 가능성이 높아진다.

미세공정 ‘마의 벽’ 돌파구로 주목 받는 GAA

15일 업계에 따르면 GAA는 반도체 전력 효율을 개선한 차세대 '트랜지스터' 구조다. 트랜지스터는 반도체를 구성하는 소자로, 전류 흐름을 조절해 스위치나 증폭 같은 역할을 통해 반도체가 제 기능을 하게 한다.

GAA가 특히 주목 받는 이유는 기존 '핀펫'(Finfet) 구조에 비해 전력 효율이 한결 높기 때문이다.

반도체 산업은 스마트폰 발전으로 제품 크기를 갈수록 축소하는 방향으로 가고 있다. 이에 반도체를 구성하는 트랜지스터도 덩달아 작아지고 있다. 소자 크기를 줄일수록, 구동 전류가 커지며 칩 성능이 향상된다. 이 원리로 전력 효율이 높아지면, 데이터 처리 속도도 빨라지는 셈이다.

하지만 트랜지스터가 너무 작아지면서 전류가 제대로 흐르지 못하고, 반도체가 정상적으로 작동할 수 없는 문제가 생긴다. 반도체 업계는 이 때문에 심각한 생산 한계에 부딪친 상황이다.

이 돌파구가 바로 GAA다. 기존 핀펫 구조에서 전류 흐름을 제어하는 '게이트'와 전류가 흐르는 '채널'이 '위-좌-우' 3개 면에서 만나는 반면, GAA 구조는 아랫면까지 포함해 맞닿는 면적을 더욱 넓혔다.

이를 통해 속도는 더 빠르게, 전력 소모는 더 줄이는 기술이 GAA다. 삼성전자에 따르면 3나노 2세대 공정은 기존 4나노 핀펫(FinFET) 공정에 비해 속도는 22%, 전력 효율은 34% 개선된다. 칩 면적도 종전보다 21% 작게 만들 수 있다.

현재 GAA는 전 세계에서 삼성전자만 도입한 기술이다. 대만 TSMC와 미국 인텔은 핀펫 구조의 트랜지스터를 쓰고 있으며, 오는 2025년에야 2나노 미만 공정에서 GAA를 채택할 예정이다.

삼성 GAA, 3년 먼저 세계 도입…선점 효과 누린다

업계에서는 삼성전자가 먼저 GAA 기술을 도입한 만큼 시장 선점에 유리할 것으로 본다. 핀펫과 GAA는 소재부터 장비까지 다른 부분이 많아, 경쟁사가 초기 수율을 잡는데 고전할 수 있다는 분석이다.

삼성전자는 이미 3나노 공정에서 GAA를 도입하고도 수율을 60% 수준까지 끌어올린 것으로 알려졌다. 초미세 공정의 높은 생산 난도에 트랜지스터 구조 변경에 따른 시행착오 등을 고려하면 삼성전자가 나노 전쟁에서 치고 나갈 시간을 벌 수 있다는 진단이다.

삼성전자는 특히 3나노 공정에 독자적인 형태의 GAA 'MBCFET'을 적용했다. 이 기술은 채널의 구조를 '와이어(선)'이 아닌 폭이 넓은 '시트(면)'으로 변경해, 더 적은 전압에도 반도체가 기능할 수 있다.

[서울=뉴시스]삼성전자는 3나노 공정에 독자적인 형태의 GAA 'MBCFET'을 적용했다. 이 기술은 채널의 구조를 '와이어(선)'이 아닌 폭이 넓은 '시트(면)'으로 변경해, 더 적은 전압에도 반도체가 기능할 수 있게 한다. (사진=삼성전자 반도체 뉴스룸 제공) photo@newsis.com *재판매 및 DB 금지

삼성전자는 GAA 기술을 무기로 인공지능(AI), 자율주행차 등 첨단 산업에 특화된 반도체 칩 시장을 선점한다는 포석이다. 삼성전자는 내년 3나노 2세대 양산에 돌입하며, 2025년 2나노, 2027년 1.4나노 양산을 계획하고 있다.

최시영 삼성전자 파운드리사업부 사장은 지난 4일 서울 코엑스에서 열린 '삼성 파운드리 포럼 2023'에서 "새로운 트랜지스터 시대를 열 GAA 공정이 높은 성능과 낮은 전력으로 구현하는 AI 반도체에 가장 최적화된 솔루션"이라며 "삼성전자는 첨단 패키징 솔루션 기술을 확보하고 2025년 3D(3차원) 기술을 GAA로 확대하는 등 기술 개선에 적극 나설 것"이라고 밝혔다.

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