"MBCFET(다중가교채널 트랜지스터) GAA(게이트 올 어라운드) 기술을 적용한 3나노(nm·나노미터) 공정의 파운드리(반도체 위탁생산) 서비스를 세계 최초로 제공하게 됐습니다."

최시영 삼성전자 파운드리사업부장(사장)은 30일 "3나노 공정 기반의 초도 양산을 시작했다"며 이같이 말했다. 삼성전자는 3나노 공정의 고성능 컴퓨팅(HPC)용 시스템 반도체 초도 생산에 성공했으며, 앞으로 모바일 시스템온칩(SoC) 등으로 확대해 나갈 예정이다. 

3나노 공정은 반도체 업계에서 가장 앞선 기술이다. 특히, 3나노 공정에 차세대 트랜지스터 구조인 GAA를 적용한 것은 삼성전자가 세계에서 유일하다. 삼성전자가 3나노 양산에 성공하면서 대만 TSMC와의 '초미세 경쟁'에서 한발 앞서 가게 됐다. 

GAA 기술이란

반도체 GAA 기술이란 반도체를 구성하는 트랜지스터에서 전류가 흐르는 채널 4개면을 게이트가 둘러싼 형태를 말한다. 채널의 3개 면을 감싸는 기존 핀펫 구조와 비교하면, 공정 미세화에 따른 트랜지스터 성능 저하를 극복하고 데이터 처리 속도와 전력 효율을 높일 수 있다. 

삼성전자는 채널을 얇고 넓은 모양의 나노시트 형태로 구현한 독자적인 MBCFET GAA 구조도 개발해 적용했다. 나노시트의 폭을 조정하면서 채널의 크기를 다양하게 바꿀 수 있어, 기존 핀펫 구조나 일반적인 나노와이어 GAA 구조보다 전류를 더 세밀하게 조절할 수 있다. 

삼성전자는 나노시트 GAA 구조 적용과 함께 3나노 설계 공정 기술 공동 최적화(DTCO)를 통해 PPA(소비전력·성능·면적)를 극대화했다. 기존 5나노 핀펫 공정과 비교하면 전력 45% 절감, 성능 23% 향상, 면적 16% 축소 성과를 얻었다. 앞으로 준비할 GAA 2세대 공정을 적용하면 전력 50% 절감, 성능 30% 향상, 면적 35% 축소 효과가 기대된다. 

초미세 공정 경쟁 승리

삼성전자가 세계 최초로 3나노 파운드리 양산에 성공하면서 세계 1위 파운드리 업체인 TSMC와의 반도체 초미세 공정 경쟁에서 한발 앞서가게 됐다. TSMC는 애플이 올해 하반기 출시하는 아이폰용 모바일 애플리케이션 프로세서(AP)에 5나노 공정을 적용한다. 

TSMC도 삼성전자처럼 올해 상반기에 3나노 양산을 시작할 계획이었지만, 수율이 예상을 밑돌면서 올해 말 이후로 미룬 것으로 전해진다. 4나노 수율(전체 생산품에서 양품 비율)도 낮은 수준을 보이는 것으로 알려졌다. 

삼성전자는 자체 역량 강화뿐만 아니라 시높시스·케이던스 등 SAFE(삼성 파운드리 생태계)에 포함된 협력사와 3나노 공정 기반의 반도체 설계 인프라·서비스를 제공하며, 고객들이 이른 시간에 제품 완성도를 높일 수 있도록 시스템을 강화해 나갈 계획이다.

[스트레이트뉴스 유희석 기자]