3나노 파운드리 양산에 참여한 삼성전자 파운드리사업부, 반도체연구소, 글로벌 제조&인프라총괄 관계자들이 손가락으로 ‘3’을 가리키며 3나노 파운드리 양산을 축하하고 있다. [삼성전자 제공]

[헤럴드경제=문영규 기자] 삼성전자가 세계 최초로 3나노미터(1㎚=10억분의 1m) 파운드리(반도체 위탁생산) 공정 기반 반도체 양산을 시작했다. 삼성전자는 혁신 기술로 평가되는 ‘게이트올어라운드(GAA)’를 적용해 고성능 컴퓨팅(HPC)용 시스템반도체시장을 적극적으로 공략할 계획이다. 이로써 삼성전자는 파운드리 1위인 대만 TSMC에 초미세공정기술 양산으로는 처음으로 앞서나가게 됐다.

삼성전자의 세계 최초 3나노 GAA 양산기술 소개 영상. [삼성전자 제공]

최시영 삼성전자 사장(파운드리사업부장)은 30일 “삼성전자는 파운드리업계 최초로 ‘하이-케이 메탈 게이트(High-K Metal Gate)’, 핀펫(FinFET), 극자외선(EUV) 등 신기술을 선제적으로 도입하며 빠르게 성장해왔고, 이번에 MBCFET GAA기술을 적용한 3나노 공정의 파운드리 서비스 또한 세계 최초로 제공하게 됐다”며 “앞으로도 차별화된 기술을 적극 개발하고, 공정 성숙도를 빠르게 높이는 시스템을 구축해 나가겠다”고 밝혔다.

3나노 공정은 반도체 제조공정 가운데 가장 앞선 기술이다. 차세대 트랜지스터 구조인 GAA기술을 적용한 것도 삼성전자가 전 세계에서 유일하다.

이번 3나노 양산은 지난 2018년 파운드리포럼에서 처음으로 3나노 기술개발 로드맵을 밝힌 지 4년 만에 이뤄낸 성과다. 2004년 처음 파운드리사업을 시작한 이후 TSMC를 처음으로 3나노에서 앞서며 기술력에서 추월한 것이다. 1987년 설립된 TSMC보다 파운드리 진출이 17년 늦었지만 18년 만에 ‘패스트 팔로어’에서 ‘퍼스트 무버’로 진화했다는 평가도 나온다. 기술로드맵의 ‘골든크로스’도 기대된다.

정원철(왼쪽부터) 삼성전자 파운드리사업부 상무, 구자흠 부사장, 강상범 상무가 화성캠퍼스 3나노 양산라인에서 3나노 웨이퍼를 보여주고 있다. [삼성전자 제공]

삼성전자 화성캠퍼스에서 초도 양산된 1세대 3나노 GAA 공정은 기존 5나노 핀펫 공정과 비교해 전력을 45% 절감하고 성능을 23% 향상시켰다. 면적은 16% 줄었다. 2세대 공정은 전력 50% 절감, 성능 30% 향상, 면적 35% 축소가 기대된다. 기존 기술 대비 크기와 전력 소비를 줄이는 대신 성능을 높임으로써 더 작고 효율적인 반도체를 만들 수 있다.

핵심은 GAA기술이다. GAA는 기존 핀펫과 비교해 트랜지스터에서 전류가 흐르는 면적이 넓어지는 구조(3→4채널)여서 반도체 크기 축소와 공정 미세화에 따른 핀펫의 성능 저하를 극복할 수 있는 차세대 반도체 핵심 기술이다.

삼성전자는 채널을 얇고 넓은 모양의 나노시트 형태로 구현한 독자적인 MBCFET GAA 구조를 적용했는데 나노시트 폭을 조정하면서 채널 크기도 다양하게 변경할 수 있고, 전류를 더 세밀하게 조절할 수 있어 고성능·저전력 반도체 설계에 장점이 있다.

삼성전자는 이번 HPC용 시스템반도체 생산에 이어 모바일, 시스템온칩(SoC) 등으로 공정을 확대할 계획이다.

삼성전자 화성캠퍼스. [삼성전자 제공]

삼성전자가 TSMC에 앞서 첨단 기술을 먼저 적용하면서 파운드리업계의 선두싸움도 더 치열해졌다. TSMC는 하반기 핀펫 기반 3나노 양산을 계획하고 있으며, GAA기술은 2025년부터 적용하기로 했다.

2나노 기술 선점에도 유리한 고지를 차지했다. 삼성전자와 TSMC는 모두 2025년 GAA 기반 2나노 양산을 예상하고 있다. 공정이 더욱 세밀해지면서 핀펫의 한계를 극복할 기술이 필요한데 2나노에 GAA를 처음 도입하는 TSMC는 삼성전자보다 3년 늦은 셈이다.

초미세공정 점유율도 달라질 것으로 예상된다. 시장조사업체 IC인사이츠에 따르면 10나노 미만 점유율(2020년 기준)은 대만이 62.8%, 한국이 37.2%였다. 이를 5대 5로 끌어올릴 수도 있을지 주목된다.

3나노 양산은 올해부터 실적에 반영될 전망이다. 증권업계는 올해 삼성전자 반도체 매출을 110조~120조원 수준으로 추산해, 업계 1위가 예상된다. 내년부터는 관련 실적이 점차 확대될 것으로 보인다.

업계 한 관계자는 “5나노 미만 초미세공정시장에서 삼성전자와 TSMC가 얼마나 참전할지, 기술력을 끌어올려 고객사들에게 얼마만큼의 만족도를 줄 것인지가 관건”이라며 “고객사들의 신뢰와 참여, 시장이 얼마나 빨리 확대될 것인지 지켜봐야 할 것으로 보인다”고 말했다.