삼성전자 ‘파운드리 초격차’ 3나노 세계 첫 양산

GAA 차세대 트랜지스터 기술 최초 상용화 성공
5나노보다 전력 45%↓ 면적 16%↓ 성능 23%↑
“고객사 확보, 수율에 대한 자신감 표현일 것”

▲삼성전자 파운드리사업부 (앞줄 좌측부터) 정원철 상무, 구자흠 부사장, 강상범 상무와 3나노 양산 주역들이 화성캠퍼스에서 3나노 웨이퍼를 보여주고 있다. (제공=삼성전자)

삼성전자가 30일 세계 최초로 게이트올어라운드(GAA) 기술을 적용한 3nm(나노미터·10억분의 1m) 파운드리(반도체 위탁생산) 공정 기반의 초도 양산을 시작했다. 이재용 삼성전자 부회장이 강조한 '기술 리더십'을 기반으로 대만의 TSMC를 제치고 2030년 파운드리 1위 목표 달성을 위한 강력한 '무기'를 확보한 것으로 평가된다.

삼성전자가 이번에 양산을 시작한 3나노 공정은 반도체 제조와 관련해 가장 앞선 기술이다. 삼성전자는 차세대 트랜지스터 구조인 GAA 신기술을 적용해 3나노 제품을 공급하는 세계에서 유일한 기업이 됐다.

GAA 기술은 반도체를 구성하는 트랜지스터에서 전류가 흐르는 채널 4개 면을 게이트가 둘러싸는 구조다. 채널의 3개 면을 감싸는 기존 핀펫(FinFET) 구조와 비교해 게이트의 면적이 넓어지며 공정 미세화에 따른 트랜지스터 성능 저하를 극복하고 데이터 처리 속도와 전력 효율을 높이는 차세대 반도체 핵심 기술이다.

삼성전자는 채널을 얇고 넓은 모양의 나노시트 형태로 구현한 독자적 MBCFET(다중가교채널 트랜지스터) GAA 구조도 적용했다. 나노시트의 폭을 조정하면서 채널의 크기도 다양하게 변경할 수 있으며 기존 핀펫 구조나 일반적인 나노와이어 GAA 구조에 비해 전류를 더 세밀하게 조절할 수 있어 고성능·저전력 반도체 설계에 장점이 있다는 게 삼성전자 측의 설명이다.

삼성전자는 나노시트 GAA 구조 적용과 함께 3나노 설계 공정 기술 공동 최적화(DTCO)를 통해 PPA(소비전력ㆍ성능ㆍ면적)를 극대화했다. 삼성전자는 앞으로 고객 요구에 최적화된 PPA, 극대화된 전성비(단위 전력당 성능)를 제공하며 차세대 파운드리 서비스 시장을 주도해 나갈 계획이다.

▲GAA 3나노 1세대 공정 이미지 영상 (제공=삼성전자)

삼성전자 3나노 GAA 1세대 공정은 기존 5나노 핀펫 공정과 비교해 소비전력과 면적은 각각 45%, 16% 줄고, 성능은 23% 향상됐다. 삼성전자가 내년 양산 계획인 GAA 2세대 공정의 경우 소비전력은 절반으로 줄고 면적이 35% 축소되며 성능을 30% 향상시킬 수 있는 것으로 알려졌다.

삼성전자는 이번에 3나노 공정의 고성능 컴퓨팅(HPC)용 시스템 반도체를 초도 생산한데 이어 모바일 시스템온칩(SoC) 등으로 확대해 나갈 예정이다. 초도 물량은 화성캠퍼스에서 생산하고 향후 평택캠퍼스로 캐파를 확대할 예정이다.

공정이 미세화되고 반도체에 더 많은 기능과 높은 성능이 담기면서 칩의 설계와 검증에도 점점 많은 시간이 소요된다.

삼성전자는 시높시스, 케이던스 등 SAFE(Samsung Advanced Foundry Ecosystem) 파트너들과 함께 3나노 공정 기반의 반도체 설계 인프라ㆍ서비스를 제공한다. 고객사들이 빠르게 제품 완성도를 높일 수 있도록 시스템을 강화해 나갈 계획이다.

최시영 삼성전자 파운드리사업부장(사장)은 “파운드리 업계 최초로 '하이-케이 메탈 게이트(High-K Metal Gate)', 핀펫, 극자외선노광장비(EUV) 등 신기술을 선제적으로 도입하며 빠르게 성장해 왔다"며 "이번에 MBCFET GAA기술을 적용한 3나노 공정의 파운드리 서비스도 세계 최초로 제공하게 됐다”고 말했다. 이어 “앞으로도 차별화된 기술을 적극 개발하고 공정 성숙도를 빠르게 높이는 시스템을 구축해 나가겠다”고 덧붙였다.

전문가들은 삼성전자가 시제품 생산이 아닌 양산을 시작했다는 점에서 의미 있는 성과로 보고 있다. 제품 양산은 고객사로부터 주문을 받아 제품을 생산한다는 의미인 만큼 파운드리의 핵심 경쟁력인 수율(양품 비율)을 일정 수준까지 끌어올렸다는 점으로 받아들여지기 때문이다.

김정호 한국과학기술원(KAIST) 전기전자공학부 교수는 “양산을 발표한 것은 수율에 대한 자신감을 표현한 것으로 보인다”면서 “양산은 고객사가 확보됐다는 것인데 최소 50% 이상 수율이 나와야 계약이 가능할 것”이라고 설명했다.