바이든도 감탄한 TSMC 잡을 '비밀무기'…도대체 무엇이 달랐나

삼성, 바이든 방한 중 차세대 3nm 웨이퍼 공개
올해 상반기 양산 예정…TSMC와 격차 좁힐 '승부수'
최신 기술 'GAA' 적용, TSMC '핀펫'보다 성능 높아
공정 복잡성 높아진 건 불안 요소…수율 줄어들 수도

이재용 부회장과 악수하는 바이든 미 대통령 [이미지출처=연합뉴스]

[아시아경제 임주형 기자, 송현도 인턴기자] 지난 20일 방한한 조 바이든 미국 대통령이 윤석열 대통령과 함께 나란히 서명한 반도체 웨이퍼에 이목이 집중되고 있다. 올해 안에 양산 예정인 삼성전자의 세계 최초 3나노미터(nm) 웨이퍼다. 이날 처음 대중에 공개된 3nm 웨이퍼는 삼성이 파운드리 업계 1위인 대만 TSMC를 따라잡기 위해 연구해 온 '비밀무기'다. 세계 최초의 양산형 3nm 반도체일 뿐만 아니라, TSMC의 기술보다 훨씬 진보한 '게이트-올-어라운드(GAA)' 공정을 채용했기 때문이다.

조 바이든 미국 대통령과 윤석열 대통령이 삼성전자의 차세대 3나노미터(nm) 웨이퍼에 사인한 모습. / 사진=연합뉴스

◆美 바이든 방한 중 차세대 3nm 웨이퍼 공개

바이든 대통령은 윤 대통령과 함께 지난 20일 삼성의 경기 평택 반도체 생산 기지를 방문했다. 이 자리에서 삼성은 바이든 대통령에게 자사 GAA 기반 3nm 반도체 웨이퍼를 공개했고, 한미 양국 대통령은 웨이퍼에 서명하는 깜짝 이벤트를 진행하며 한미 기술동맹의 중요성을 강조했다. 이날 바이든 대통령은 평택 반도체 공장 '3라인'을 둘러본 뒤 "삼성이 주도하는 많은 기술 혁신이 놀랍다"고 감탄했다.

삼성은 올해 상반기 내 3nm 양산 적용을 목표로 삼고 있다. 만일 삼성이 상반기 이내로 3nm 반도체를 납품한다면, 파운드리 업계 1위인 TSMC(하반기 목표)를 제치고 '3nm 최초 양산' 타이틀을 거머쥐게 된다.

사실 파운드리 시장에서 현재 삼성은 TSMC보다 불리한 형세에 있다. 시장조사업체 '트렌드포스'에 따르면 올해 글로벌 파운드리 시장 점유율 1위는 TSMC로, 지난해에 비해 3%포인트(p) 오른 56%에 달한다. 반면 삼성 점유율은 지난해(18%) 대비 2%p 하락한 16%로 예상됐다.

주요 고객이 삼성을 이탈하기도 했다. 삼성의 파트너사였던 세계 최대 그래픽처리유닛(GPU) 설계업체 엔비디아, 스마트폰 애플리케이션프로세서(AP)와 통신 칩 설계로 유명한 퀄컴은 각각 지난해, 지난 2월 자사 프로세서 위탁생산을 삼성이 아닌 TSMC에 맡기기로 했다.

◆TSMC '핀펫' 잡으려 'GAA' 개발…기술 격차 줄일까

이런 부진을 떨쳐내고 TSMC를 역전하기 위해 삼성이 준비한 회심의 카드가 GAA 기술이다. GAA는 반도체에 들어가는 트랜지스터의 구조 중 하나다.

반도체는 회로에 전류 흐름을 제어하는 트랜지스터를 집적하는 방식으로 만들어진다. 트랜지스터를 구성하는 '게이트'라는 부분에 전압이 걸리면, 전기가 통과하는 통로, 즉 '채널'로 전류가 흐르면서 반도체가 작동한다.

그동안 반도체 미세화 경쟁이 심화하면서 회로 선폭은 nm 단위로 줄어들었다. 따라서 트랜지스터 또한 점점 작아져야만 했다. 문제는 트랜지스터가 계속 작아지다 보니 게이트도 소형화돼 채널과 맞닿는 면적이 줄어든다는 데 있다. 게이트가 제 기능을 못 하고 누설전류를 발생시켜 트랜지스터를 고장 내는 일이 벌어지는 것이다.

게이트(Gate)를 채널이 통과하는 구조로 이뤄진 기존의 트랜지스터(왼쪽). 누설전류 문제를 해결하기 위해 핀펫 구조에선 채널을 3D화해 게이트와 맞닿는 면적을 넓혔다. / 사진=삼성전자 블로그 캡처

이 난제를 해결하기 위해 개발된 새로운 구조의 트랜지스터가 바로 '핀펫(FinFet)'으로, 현재 TSMC가 사용하고 있다. 핀펫은 트랜지스터를 3차원 구조로 만들어, 게이트와 채널이 맞닿는 면적을 총 3면으로 넓혀 누설전류를 줄였다. TSMC는 차세대 3nm 반도체에도 핀펫 기술을 적용한다.

반면 삼성은 핀펫보다 더욱 심화한 트랜지스터 구조인 GAA를 택했다. GAA는 채널의 4면 전체가 게이트에 둘러싸이듯이 통과하도록 만든 구조로, 이 방식을 실현하면 누설전류를 핀펫보다 더 줄일 수 있다.

TSMC가 채택한 핀펫 구조(왼쪽)와 삼성이 개발 중인 GAA 구조의 차이. GAA는 채널과 게이트가 맞닿는 면이 4면으로 늘어 이론상 핀펫보다 누설전류가 적은 것으로 알려져 있다. / 사진=삼성전자 블로그

GAA 구조의 강점은 핀펫 대비 강력한 성능이다. 삼성은 지난해 10월 '삼성 파운드리 포럼 2021' 온라인 행사에서 "삼성의 독자적인 GAA 기술 'MBC펫'을 적용한 3나노 공정은 기존 핀펫 기반 5나노 공정 대비 성능은 30% 향상되고, 전력 소모는 50% 감소"한다고 설명했다.

그러나 단점도 극명하다. GAA는 핀펫보다도 반도체 구조의 복잡성을 증대시켜 자칫 불량품이 더 많이 나올 위험이 있다. 즉, 수율이 떨어진다는 뜻이다. TSMC 또한 반도체 양산 수율 안정화를 위해 3nm까지는 핀펫을 사용하다가, 그 이후부터 차차 GAA를 도입한다는 계획이다.

◆삼성 "GAA 수율 확보하면 '승부수' 될 것"

삼성이 경쟁 기업 TSMC보다 먼저 GAA 기반 3nm 양산에 성공하기 위해선 미국 기업들의 협조가 필수적이다. 부품을 훼손하지 않고 복잡한 구조의 트랜지스터를 만드려면 미 반도체 설비업체들이 보유한 정밀 기술이 필요하기 때문이다. 일례로 세계 최대의 반도체 장비 전문 제조업체 중 하나인 미국 램리서치는 자사 최신 설비를 삼성 생산라인에 설치하기로 했다. 차세대 3nm 웨이퍼는 한미 양국 기술의 합작인 셈이다.

삼성 또한 차세대 기술에 집중 투자해 파운드리 경쟁력을 강화하겠다는 포부를 밝혔다. 삼성은 24일 '역동적 혁신성장을 위한 삼성의 미래 준비'라는 제목으로 발표한 투자계획에서 "삼성의 파운드리 사업이 세계 1위로 성장하면 삼성보다 큰 기업이 국내에 추가로 생기는 것과 비슷한 경제적 효과"라며 "올 상반기 3nm 양산을 목표로 하며, GAA 공정 수율을 확보하면 경쟁사와 기술 격차를 단숨에 좁히는 승부수가 될 수 있다"라고 강조했다.

임주형 기자 skepped@asiae.co.kr
송현도 인턴기자 dosong@asiae.co.kr