[비즈니스포스트] 삼성전자가 세계에서 처음으로 3나노 파운드리(시스템반도체 위탁생산) 공정 양산에 성공했다. 

삼성전자는 2017년 파운드리사업부 출범 뒤 5년 만에 글로벌 파운드리 분야의 절대강자인 대만의 TSMC를 추월할 디딤돌을 마련한 것으로 평가된다.
 
30일 반도체업계에 따르면 삼성전자가 이날 최첨단 3나노 공정 양산을 발표한 배경에는 고객사들이 원하는 수준의 수율(결함 없는 합격품의 비율)을 올릴 수 있다는 자신감이 반영된 것으로 분석된다. 

삼성전자 파운드리사업부는 그동안 수율과 관련한 논란에 휩싸이며 퀄컴이나 엔비디아와 같은 주요 고객회사를 TSMC에 뺏기고 있다는 대만 언론의 의혹 제기에 시달려왔다.

대만 언론 일각에서는 삼성전자의 3나노 공정의 수율이 30%에 미치지 못한다는 루머를 내놓아 위기감을 고조시켰다.

하지만 삼성전자는 이번에 세계 최초로 3나노 파운드리 양산에 들어감으로써 이런 우려를 불식시킬 수 있는 계기를 마련한 것으로 보인다.

삼성전자 파운드리사업부는 2005년부터 파운드리사업을 팀 단위로 시작했다가 2017년 조직개편을 통해 독자적 사업부로 승격해 출범하면서 기술 측면에서 수많은 이정표를 세워왔다.

삼성전자 파운드리사업부는 공정이 미세화될수록 증가하는 누설전류를 효과적으로 줄이는 하이케이메탈게이트 기술과 3차원 입체구조로 반도체 칩을 만드는 핀펫 기술을 파운드리 업계에서 선제적으로 도입하면서 빠르게 성장해왔다.  

첨단공정에 필요한 극자외선 노광장비(EUV)를 파운드리 사업에 도입한 것도 삼성전자가 처음이다.

이제 삼성전자 파운드리사업부는 2030년까지 TSMC를 추월하겠다는 확고한 목표 아래 지속해서 투자를 확대하고 있다.

전자업계에 따르면 이재용 삼성전자 부회장은 올해 6월 중순 유럽 출장에서 네덜란드 반도체 장비업체 ASML를 방문해 차세대 극자외선 노광장비(하이NA EUV) 도입과 올해 생산되는 EUV 노광장비 도입계약을 마무리 한 것으로 알려졌다. 

EUV는 반도체 원판인 실리콘 웨이퍼에 7나노 이하의 미세회로를 새길 수 있는 장비다. 차세대 첨단장비로 꼽히는 하이NA EUV는 빛이 나오는 렌즈 구경을 확대해 더 미세한 회로를 구현할 수 있어 3나노 뒤 2나노 이하 공정에 활용될 것으로 예상된다.

유안타증권에 따르면 삼성전자가 2017년부터 올해 말까지 확보하게 되는 EUV 장비는 51대, TSMC는 84대로 추산된다.

트렌드포스에 따르면 지난해 4분기 기준 TSMC의 세계 파운드리 시장 점유율은 52%에 이른다. 2위 삼성전자는 18%에 머물렀다. 

전체 파운드리 시장점유율에서 삼성전자는 TSMC의 3분의 1선밖에는 되지 않지만 최첨단공정 장비 보유 측면에선 60% 수준까지 쫓아간 셈이다.  

전자업계에서는 보유하고 있는 첨단장비 규모에서는 삼성전자가 적은 것으로 추정되지만 사업부 출범 5년 만에 파운드리 업계 2위의 자리를 차지한 삼성전자의 기술 성장속도에 비춰볼 때 충분히 승산이 있다는 시선이 많다. 

더구나 해외매체에 따르면 파운드리 업계 선두업체인 TSMC는 기술 성장에 한계에 부딪히고 있다는 분석이 나온다. 

증권전문지 시킹알파는 최근 TSMC가 현재 파운드리 사업에서 주력으로 활용하는 5나노 미세공정에서 기대 이하의 성능을 나타내고 있다고 보도한 바 있다.

이 때문에 반도체업계에서는 TSMC의 3나노를 비롯한 첨단 미세공정 기술발전 속도가 느려질 공산이 있다는 관측도 만만치 않게 제기된다.

TSMC는 3나노 공정 개발에 처음 들어갈 당시부터 게이트올어라운드(GAA)라는 새로운 기술을 도입한 삼성전자와 달리 기존의 핀펫공정을 적용하는 것으로 파악된다.

핀펫은 반도체 구성요소인 트랜지스터에서 전류가 흐르는 채널을 제어하는 게이트를 요철 형태로 입체화해 채널과 3면에서 맞닿게 함으로써 채널 통제력을 높인 것을 말한다.

하지만 3나노 이하 미세공정에 적용하게 되면 회로 크기가 줄면서 게이트 크기도 함께 작아지는 탓에 전류가 통제를 벗어나 원치 않는 방향으로 흐르는 ‘누설전류’ 문제가 발생할 수 있다는 문제점이 있다.

이 때문에 TSMC는 최근 기존 핀펫 공정의 일부를 개선한 핀플렉스라는 새로운 공정을 3나노에 적용할 것이라고 밝혔지만 아직까지 기술의 완성도가 검증되지 않아 사업 불확실성이 남아있다는 우려가 많다.

이와 달리 삼성전자는 채널과 게이트가 4면에서 맞닿는 게이트올어라운드 기술을 3나노부터 적용해 근원적으로 누설전류 문제를 해결할 수 있는 것으로 전해졌다. 

이에 따라 삼성전자의 3나노 공정에서 생산되는 반도체는 올해 하반기 양산에 들어갈 것으로 예상되는 TSMC 3나노 공정에서 생산되는 반도체보다 성능이나 전력 소비 측면에서 10%이상 우수한 것으로 분석된다.

반도체업계 한 관계자는 “삼성전자가 TSMC보다 먼저, 새로운 트랜지스터 기술을 적용해 3나노 공정 양산에 들어가면서 TSMC의 독주체제에 금이 갈 가능성이 커졌다”고 말했다. 조장우 기자