삼성전자와 대만 TSMC기 3나노급 파운드리(반도체 위탁생산)에서 다른 전략을 선택했다.

삼성전자는 3나노급 반도체를 위탁생산에 최신 기술을 도입하기로 한 반면 TSMC는 당분간 기존에 적용한 기술을 유지할 것으로 보여 두 회사의 파운드리시장 경쟁이 새로운 국면에 접어든 것으로 보인다.
 

10일 삼성그룹과 업계에 따르면 삼성전자는 이르면 2021년에 최신 기술 ‘GAA(게이트올어라운드)’를 3나노 공정에 적용한다.

반면 TSMC는 기존 기술인 ‘핀펫’을 상당 기간 유지한다는 방침을 세운 것으로 알려졌다.

반도체 전문매체 세미콘덕터엔지니어링은 “삼성전자는 내년 또는 2022년에 GAA 기반 3나노급 공정으로 넘어간다”며 “TSMC는 3나노급에서 핀펫을 먼저 도입할 것”이라고 말했다.

그동안 삼성전자와 TSMC는 핀펫 기술을 이용해 반도체 공정을 수행해 왔다. 

반도체 구성요소인 트랜지스터는 전류가 흐르는 ‘채널’과 채널을 제어하는 ‘게이트’로 이뤄진다. 핀펫은 이전에 평면으로 만들어졌던 게이트를 요철 형태로 입체화해 게이트와 3면에서 맞닿게 함으로써 채널 통제력을 높인 것을 말한다. 이를 통해 성능을 개선하면서도 전력 소모를 줄였다.

하지만 미세공정이 심화하면서 핀펫 기술에도 한계가 찾아왔다. 회로 크기가 줄면서 게이트 크기도 함께 작아지는 탓에 전류가 통제를 벗어나 원치 않는 방향으로 흐르는 ‘누설전류’ 문제가 심해진 것이다.

삼성전자, TSMC, 인텔 등 반도체 생산기업들은 핀펫의 한계를 극복하고 더 작은 반도체를 만들기 위해 GAA 기술을 개발해 왔다.

핀펫이 트랜지스터 채널을 요철 형태로 세웠다면 GAA는 채널을 선(나노와이어) 형태로 바꾸는 것을 뼈대로 하는 기술이다. 채널과 게이트가 4면에서 맞닿게 되니 게이트의 통제력이 더 강화되고 결과적으로 누설전류 문제도 해소할 수 있다.

삼성전자가 GAA 도입을 서두르는 것은 이를 통해 TSMC를 따라잡을 기회를 잡을 수 있기 때문이다.

삼성전자는 파운드리시장 규모에서 1위인 TSMC에 멀찌감치 뒤떨어진 2인자인 만큼 TSMC에 대응해 고객사를 끌어오기 위해 기술력에서 앞서야 한다고 판단한 것으로 보인다. 시장 조사기관 트렌드포스가 집계한 2019년 4분기 파운드리시장 점유율은 TSMC 52.7%, 삼성전자 17.8%다. 

삼성전자는 TSMC와 달리 3나노급 공정에서 GAA를 도입하겠다는 의지를 뚜렷하게 드러내고 있다. 최근 이재용 삼성전자 부회장은 새해 첫 경영 일정으로 경기도 화성사업장의 3나노급 GAA 개발현장을 방문했다.

삼성전자가 GAA 공정을 통해 기존 핀펫 기반 반도체보다 확실히 나은 제품을 만들 수 있다는 시각도 존재한다.

삼성전자는 3나노급 공정에서 GAA 기술의 발전된 형태인 MBCFET(다중가교채널 트랜지스터) 기술을 적용할 것으로 알려졌다. MBCFET는 트랜지스터 채널을 선이 아닌 얇은 면(나노시트) 형태로 바꿔 일반적 GAA보다 채널과 게이트 접촉면을 더 늘리고 게이트 통제력을 높이는 기술이다.   반면 TSMC는 3나노급 공정에서 누설전류 문제를 감수하면서 GAA 대신 핀펫을 계속 안고 가기로 결정한 것으로 알려졌다. 이는 애플, 퀄컴, AMD 등 초대형 고객사들로부터 3나노급 공정의 수요를 창출하기 위해 반도체 설계비용 부담을 줄이려는 것으로 보인다.

미세공정 심화에 따라 반도체 설계비용은 기하급수적으로 늘어나고 있다. 시장 조사기관 IBS에 따르면 28나노급 반도체를 설계하는 데 평균적으로 5100만 달러가 투입됐다. 하지만 10나노급에서는 1억7400만 달러가 들었다. 7나노급은 3억 달러, 5나노급은 5억3천만 달러가 필요했다.

3나노급 공정에서는 반도체 설계에만 5억~15억 달러가 투입될 것으로 전망된다. 특히 핀펫과 비교해 구조가 상대적으로 복잡한 GAA 기반 반도체 설계비용은 더 늘어날 가능성이 있다.

GAA 기반 반도체가 핀펫 기반 반도체보다 성능 면에서 당장은 큰 차이를 보이지 않을 것으로 예상되는 것도 TSMC가 GAA 도입을 미루는 이유로 들 수 있다.

세미콘덕터엔지니어링은 IBS 관계자를 인용해 “3나노급 GAA는 3나노급 핀펫과 비교해 전력 소모가 15~20%가량 적다”며 “그러나 반도체 노광·식각·증착 공정(MOL) 및 금속배선 공정(BEOL)이 동일하기 때문에 성능 차이는 8% 미만일 것”이라고 바라봤다.

하지만 삼성전자는 3나노급 MBCFET 기반 반도체가 7나노급 핀펫 반도체와 비교해 소비전력 50% 절감, 성능 30% 향상, 사용 공간 45% 감소 등 효과를 낼 수 있다고 본다.

삼성전자와 TSMC는 현재 미세공정 기술력에서 막상막하의 대결을 펼치고 있다. 두 기업은 상반기 거의 비슷한 시기에 5나노급 반도체 양산을 시작할 것으로 파악된다.

그런 점을 놓고 보면 3나노급 공정이 두 기업의 파운드리 기술력을 가르는 승부처가 될 것으로 보인다. 게다가 두 회사는 서로 다른 전략 카드를 꺼내든 상태다. 

삼성전자와 TSMC는 2022년, 이르면 2021년부터 3나노급 반도체 양산에 들어갈 것으로 알려졌다. [비즈니스포스트 임한솔 기자]