파운드리 게임체인저 삼성전자 ‘GAA’ 기술 뭐길래

▲삼성전자 3나노 공정 이미지 영상 (영상제공=삼성전자)

삼성전자가 30일 양산을 시작한 3나노미터(㎚ㆍ10억분의 1ｍ) 파운드리(반도체 위탁생산) 공정은 세계에서 가장 앞선 기술이다. 메모리반도체에 이어 파운드리에도 ‘초격차 기술‘이 녹아든 셈이다.

삼성전자의 3나노 공정을 가능하게 한 것도 세계 최고의 기술력이었다. 삼성전자는 기존 '핀펫'(fin-fet)이 아닌 게이트올어라운드(GAA) 기술을 적용했다. 반도체는 초미세화 공정이 경쟁력인 만큼 삼성전자가 업계 1위인 대만 TSMC를 꺾을 절호의 기회를 스스로 만들어 냈다.

3나노는 반도체 칩의 회로 선폭을 머리카락 굵기의 10만분의 3 수준으로 좁힌 것이다. 현재 파운드리의 최첨단 공정인 4나노보다 회로 선폭이 훨씬 미세해진 것이다.

반도체는 웨이퍼(반도체 원판)에 회로의 선폭을 가늘게 만들수록 더 많은 소자를 집적할 수 있다. 소비전력이 줄어들고 생산효율과 성능은 좋아진다. 다만 회로 선폭을 줄이는 것만으로 반도체의 성능이 개선되는 것은 아니다. 함께 작아진 트랜지스터가 제대로 동작해야 한다. 트랜지스터는 반도체 내에 전류 흐름을 제어한다.

삼성전자가 GAA 기술을 선택한 이유는 바로 이 트랜지스터의 성능을 높이기 위해서다.

트랜지스터는 전류가 흐르는 '채널'과 채널을 제어하는 '게이트'로 구분된다. 핀펫 기술은 트랜지스터에서 채널과 게이트가 닿는 면적이 우ㆍ상ㆍ좌로 3곳이다. 반면 GAA 기술은 채널의 아랫면까지 게이트로 감싸 모든 면에서 전류가 흐르는 구조다. 채널이 게이트에 닿는 면적을 늘려 충분한 양의 전력이 흐르도록 하는 것이다. 채널의 전류 흐름을 세밀하게 제어할 수 있어 핀펫 기술이 가지는 3나노 이하 공정의 한계를 극복할 수 있는 차세대 파운드리 '게임 체인저'로 꼽힌다.

삼성전자는 이에 더해 채널을 얇고 넓은 모양의 나노시트 형태로 구현한 독자적인 MBCFET(다중가교채널 트랜지스터) GAA 구조를 적용해 전력 효율을 더 높일 수 있게 했다.

삼성전자의 3나노 GAA 1세대 공정은 기존 5나노 핀펫 공정과 비교해 소비전력과 면적이 각각 45%, 16% 줄어들고 성능은 23% 향상됐다. 내년에 나오는 3나노 GAA 2세대 공정의 경우 소비전력은 절반으로 줄고 면적은 35% 축소되며 성능은 30% 향상될 것으로 알려졌다.

업계는 삼성전자가 GAA 기반의 3나노 반도체를 정상적으로 양산하면 2030년 파운드리 1위 목표 달성의 원동력이 될 것으로 보고 있다. TSMC는 올 하반기에 핀펫 기반 3나노 반도체를 양산할 예정인 것으로 알려졌다.

시장조사업체 옴디아는 올해부터 3나노 공정 반도체 매출이 발생하고 2024년에는 5나노 공정 매출을 넘어설 것으로 예상했다. 2025년 3나노 공정 전 세계 예상 매출액은 254억 달러로 연평균 85% 급증할 것으로 내다봤다.