삼성, 세계 최초 3나노 반도체 양산 성공… 'GAA 기술 적용'

삼성전자는 30일 세계 최초로 3나노(nm, 나노미터) 수준의 파운드리 양산에 성공했다고 밝혔다. GAA(Gate-All-Around) 등 최첨단 초미세 공정 기술로 대만 TSMC가 주도하고 있는 파운드리 시장에서의 ‘역전극’ 토대를 쌓아올렸다는 평가다.

삼성전자가 세계 최초로 양산을 시작한 3나노 파운드리 공정은 반도체 제조 공정 가운데 가장 앞선 기술로 평가 받는다. 특히 GAA 기술을 이용한 3나노 양산을 시작한 곳도 삼성이 최초다. 현재까지 차세대 트랜지스터 구조인 GAA 신기술을 통해 3나노 공정 파운드리 서비스가 가능한 기업은 전 세계 파운드리 업체 중 삼성전자가 유일하다.

대만 TSMC는 올해 하반기 3나노 파운드리 양산 시 GAA가 아닌 기존 핀펫 기술로 이를 생산할 방침이다. TSMC는 GAA 기술을 2023년 상반기부터 도입해 2나노 파운드리를 생산한다는 계획이다.

삼성이 구현한 차세대 GAA 기술은 반도체를 구성하는 트랜지스터에서 전류가 흐르는 채널(Channel) 4개면을 게이트(Gate)가 둘러싸는 형태다. GAA는 채널의 3개면을 감싸는 기존 핀펫 구조 대비 게이트의 면적을 넓혔다. 따라서 트랜지스터 성능 저하를 극복하고 데이터 처리 속도와 전력 효율을 높일 수 있다.

특히 삼성전자는 채널을 얇고 넓은 모양의 나노시트(Nanosheet) 형태로 구현한 독자적 MBCFET GAA 구조를 도입했다. 기존 핀펫 구조나 일반적인 나노와이어(Nanowire) GAA 구조에 비해 전류를 더 세밀하게 조절할 수 있어, 고성능·저전력 반도체 설계에 큰 장점이 있다고 평가받는 기술이다.

또 2세대 3나노 설계 공정 기술 공동 최적화(DTCO) 기술로, 기존 핀펫 공정 대비 소비전력을 절반 이상 줄이고 성능과 면적도 30% 이상 늘릴 것으로 삼성전자는 기대하고 있다.

삼성전자가 이번 GAA 신기술을 통한 3나노 양산을 발표하면서, 일각에서는 그간 거론된 수율 문제를 어느 정도 해결했다는 분석도 나오고 있다. 다만 GAA의 경우 파운드리 미세 공정에서 가장 유리한 기술임에도, 기존 핀펫 기술과 비교할 때 양산 사례가 적어 검증되지 않은 기술이라는 약점도 있다. 따라서 삼성전자는 향후 3나노에서 유의미한 수율을 확보하는 동시에 안정적인 양산이 가능한 시스템을 마련해야 하는 과제도 안게 됐다.

삼성전자는 이에 따라 시높시스(Synopsys), 케이던스(Cadence) 등 SAFE(Samsung Advanced Foundry Ecosystem) 파트너들과 함께 3나노 공정 기반의 반도체 설계 인프라·서비스를 제공할 예정이다. 이를 통해 고객들이 빠른 시간에 제품 완성도를 높일 수 있도록 하는 시스템을 강화해 나간다는 계획이다. 이미 삼성전자는 지난해 11월 개최한 SAFE 포럼에서 3나노 GAA 구조에 최적화된 설계 인프라와 2.5D/3D 패키지 설계 솔루션과 기술을 확보했다고 밝힌 바 있다.

삼성전자가 향후 3나노 파운드리의 안정적인 양산을 지속적으로 안착시킬 경우, 고객사 확보 등을 통한 시장 점유율 개선이 가능할 것으로 업계는 기대하고 있다. 대만 시장조사업체 트렌드포스에 따르면 올해 1분기 TSMC의 파운드리 시장 점유율은 지난해 말 52%에서 53.6%로 상승했지만, 삼성전자는 같은 기간 18.3%에서 16.3%로 줄었다.

업계 관계자는 “파운드리에서 상대적으로 후발 주자인 삼성전자가 올해 상반기 GAA를 통한 3나노 양산에 성공하면서 기술 초격차의 토대를 마련했다”면서 “안정적인 양산으로 혁신 기술을 주요 고객사로부터 검증받는 경우 점진적인 시장 점유율 확대도 기대할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

우주성 기자 wjsburn@viva100.com