삼성, 첫 3나노 양산 '파운드리' 주도권…인력·수율 문제 극복해야

GAA 기술 고성능·저전력 설계
트랜지스터 구조 전환 '초격차'
1위 TSMC 추격 승부수 띄웠다

외산 부품 의존·기술 인력 부족
문제 극복해야…수율 향상도 필수

삼성전자 반도체(DS)부문 화성 캠퍼스.(사진제공=삼성전자)

[아시아경제 문채석 기자] 삼성전자가 세계 최초로 차세대 트랜지스터 구조인 게이트올어라운드(GAA) 기술을 적용한 3나노미터 파운드리(반도체 위탁 생산) 공정 양산에 성공했다. 3나노는 반도체 제조 공정 중 최첨단 기술이다. 3나노 공정 고지에 먼저 오르면서 주요 팹리스(반도체 설계 회사) 확보 측면에서 1위 업체인 대만 TSMC를 추격할 발판을 마련했다. 초미세 공정에 필요한 고급 기술 인력 부족과 높아질 외산 부품 의존도 문제 수율(합격품 비율) 향상을 통한 고객 신뢰 확보 등 과제를 해결해야 한다는 주문도 나온다.

2일 삼성전자에 따르면 GAA 기술을 적용한 3나노 공정 첫 양산을 시작했다. 지난달 30일부터 양산에 들어가면서 '올 상반기 양산' 약속을 지켰다. 파운드리 1위 기업인 TSMC 3나노 공정 양산 일정이 연기되는 것과는 다른 모습이다. 3나노 공정 라인은 경기 화성 캠퍼스에 구축된 것으로 알려졌다. 최시영 삼성전자 파운드리사업부장 사장은 "파운드리 업계 최초로 하이K 메탈 게이트, 핀펫, 극자외선(EUV) 등 신기술을 선제 도입하며 빠르게 성장해 왔고, 이번 3나노 GAA 공정 파운드리 서비스도 세계 최초로 제공하게 됐다"며 "차별화한 기술을 적극 개발해 공정 성숙도를 빠르게 높이는 시스템을 구축해 나가겠다"고 말했다.

1나노미터는 '10억분의 1m'로, 머리카락 굵기의 10만분의 1 정도의 길이를 나타낸다. 3나노는 반도체에 그릴 수 있는 전기 회로의 선폭이 3나노미터라는 것으로 현 최첨단 공정인 4나노 반도체보다 회로의 선폭 굵기를 대폭 줄일 수 있는 차세대 반도체 핵심 기술로 꼽힌다.

크기만 혁신을 해낸 게 아니다. 전류가 흐르는 '채널'을 전류를 제어하는 '게이트'로 둘러싸는 차세대 GAA 공정 기술까지 만들어냈다. 반도체는 트랜지스터, 게이터, 채널 등으로 만들어진다. 한정된 실리콘 웨이퍼 위에 많은 반도체 칩을 얹으려면 트랜지스터 크기를 줄여야 한다. 전력 소모를 최소화해 발열은 줄이고 배터리 수명은 늘려야 한다. 삼성전자의 3나노 GAA 기술은 트랜지스터 내 '채널' 4개면을 '게이트'가 둘러싸도록 만들었다. 3개면만 감싸는 기존 핀펫보다 게이트 면적을 넓힐 수 있게 됐다. 공정 미세화에 따른 트랜지스터 성능 저하를 극복하고 데이터 처리 속도와 전력 효율은 높일 수 있게 됐다.

핀펫에서 GAA로의 트랜지스터 구조 전환을 통해 삼성전자 3나노 GAA 1세대 공정은 기존 5나노 공정 대비 성능을 23% 높이고 전력은 45%, 면적은 16%씩 줄일 수 있을 것으로 전망된다. GAA 2세대 공정으로 이어지면 성능은 30% 향상하고 전력은 50%, 면적은 35%씩 줄일 수 있게 된다.

성능 혁신에 따라 파운드리 고객사 확보에서 경쟁력을 강화해 세계 시장 점유율 절반가량을 차지한 1위 TSMC를 압박할 수 있게 됐다. 시장조사업체 트렌드포스에 따르면 1분기 세계 파운드리 매출 점유율은 TSMC 53.6%, 삼성전자 16.3%다. 삼성전자가 공식적으로 밝히진 않았지만 퀄컴, AMD 등 주요 팹리스가 고객 후보로 거론된다. 고객 요구에 최적화된 소비전력·성능·면적(PPA) 제공, 전성비(단위 전력당 성능) 극대화 등을 통해 차별화를 꾀한다는 전략을 세웠다.

삼성전사로서는 최선단 공정으로 반도체를 만들려 하는 팹리스 고객사를 먼저 확보하는 게 관건이다. 지난해 기준 삼성전자 파운드리 고객은 100곳 이상이다. 2026년까지 300곳 이상을 확보하는 것이 목표다. 이 쯤이면 삼성전자와 TSMC, 인텔 등이 2나노 체계로 넘어갈 것으로 예상되는 시점이다. 경쟁사가 2나노로 넘어가기 전까지 최대한 점유율을 뺏아와야 한다.

시장 트렌드가 초미세 공정으로 흐르는 데다 트랜지스터 구조 전환에 따른 GAA 기술 개발 경쟁 격화 등으로 삼성전자의 해외 의존도가 높아질 수 있다는 우려도 나온다. 국내 소재·부품·장비 업계 경쟁력이 낮고 초미세 공정 투입 고급 인력 수급 문제 등이 떠오를 수 있다. 회로 선폭이 워낙 짧아져 소재 물성과 성능 개선 등을 갖춰야만 안정적 3나노 GAA 공정 생태계를 조성할 수 있다고 알려져 있다. 삼성전자는 3나노 GAA를 통해 파운드리 생태계 기술 발전 속도를 당기고 국내 팹리스와 후공정(OSAT) 업체에 긍정적인 영향을 줄 것으로 본다.

시장 신뢰를 얻기 위해 수율 관리도 빼놓을 수 없다. 4나노 공정 수율에서 TSMC에 못 미쳤다는 평가를 받은 사례가 있다. 이 때문에 퀄컴 등 팹리스들이 물량을 TSMC에 더 많이 맡겼다는 소식이 전해지면서 삼성전자 파운드리 사업 위기감이 컸다. 삼성전자가 여러 고객사에 고성능 컴퓨팅(HPC)용 시스템 반도체를 납품한 점, 모바일 시스템온칩(SoC) 생산 계획을 하고 있는 점 등을 근거로 업계는 수율이 안정화한 것으로 보지만 내부 기밀 사항이라 구체적 내막은 알기 어렵다. 그럼에도 삼성전자가 양산을 공식 발표한 것은 회사가 원하는 수준의 수율을 충족했기 때문 아니겠느냐는 분석이 많다.

삼성전자가 3나노 GAA 양산을 발표하는 데까지 17년이 걸렸다. 2005년 경기 기흥에 S1라인을 구축하면서 파운드리 사업에 뛰어든 삼성전자는 2011년 세계 최초로 32나노 하이케이메탈게이트(HKMG) 공정에 성공하면서 기술 경쟁에 돌입했다. 2016년 10나노 핀펫 공정 양산에 업계 처음으로 성공했고 2017년엔 극자외선(EUV) 기술 기반 7나노 공정을 세계 최초로 개발한 뒤 2018년 양산에 들어갔다. 2019년에는 EUV 기반 5나노 공정 개발에도 성공했다. 삼성이 만들면 대부분 세계 최초였다. '초격차 경영'이란 브랜드를 자신 있게 내놓을 수 있었던 이유다.

문채석 기자 chaeso@asiae.co.kr