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| (사진=pixabay) |
파운드리(반도체 위탁생산) 경쟁의 핵심은 얼마나 더 작게 칩을 만드느냐다. 전방산업인 전자·IT기기가 작아짐에 따라 탑재되는 반도체 역시도 미세화되고 있는 것이다.
반도체는 작아질수록 성능이 좋아지는 특성을 갖고 있다. 트랜지스터에 흐르는 전류량이 채널의 길이와 반비례해, 트랜지스터가 작아질수록 속도가 빨라지는 원리다. 예를 들어 큰 반도체에서는 자동차(전류)가 이전에 목적지까지 1㎞가 걸렸다면, 작은 반도체에서는 목적지까지 200m 밖에 되지 않는다. 파운드리 업계에서 반도체 미세화에 사활을 거는 이유다.결국 이런 반도체 소자의 축소는 에너지 효율성까지 향상시킨다. 작은 크기의 반도체는 길이가 짧은 만큼 전력 소비가 적고, 작동 중 발생하는 열 손실도 적다. 목적지가 가까울수록 자동차 연료가 조금 소모되는 것과 같다. 배터리 수명까지 연장시켜 스마트폰, 노트북 등 IT기기의 사용 기간을 향상시키는 요인이기도 하다. 현재 반도체 업계에서 양산되는 가장 작은 반도체는 3nm(나노미터, 10억분의 1m)다. 최근 미국 애플의 신제품 스마트폰 아이폰 15 프로 시리즈에 탑재된 모바일 AP(어플리케이션 프로세서) ‘A17 프로’ 칩에 활용됐으며, 이 외에도 다양한 산업 방면에서 활용되고 있다.
◇전환되는 미세화 기술…핀펫에서 GAA로
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| 반도체 공정 기술 변화.(이미지=삼성전자 반도체 뉴스룸) |
3나노는 반도체 업계에서도 일종의 ‘전환점’으로 여겨진다. 기존 방식이던 핀펫(FinFET) 공정이 아닌 GAA(Gate-All-Around) 공정이 주류로 바뀌는 것이다. 일각에서는 반도체 미세화의 한계를 GAA로 돌파할 수 있을 것이라고 기대한다.
핀펫 공정은 4나노 이상 반도체에서 주로 사용되는 기술이다. 3나노가 상용되지 않은 현재 시장에서 가장 많이 사용되는 기술이다. 핀펫이 윗면-앞면-뒷면 등 총 3면을 트랜지스터의 게이트로 쓰는 3차원 구조를 이루는 방식이다. 게이트는 전압을 가하면 전류가 흐르고, 전압을 가하지 않으면 전류가 차단되는 일종의 문이다.
게이트가 적으면 누설전류를 막지 못하는 등 한계가 존재한다. 트랜지스터는 게이트에 일정 전압 이상을 걸면 게이트 아래에 채널이 형성되고, 이 채널을 통해 소스(Source)에서 드레인(Drain)으로 전자가 흐르며 동작하게 된다. 이때 게이트와 채널이 맞닿은 접점이 1차원(Planar) 구조를 갖는 경우에는 게이트가 채널을 컨트롤할 수 있는 능력이 다차원 구조에 비해 부족하기 때문에 앞서 이야기한 누설전류와 단채널 효과 문제가 심각해진다.
핀펫은 이를 개선하기 위해 입체(3D) 구조로 개발된 공정 기술이다. 구조가 물고기 지느러미(Fin) 모양을 닮았다고 해서 핀 트랜지스터라고 부른다. 게이트와 채널 간 접촉 면이 넓을수록 효율이 높아진다는 점에서 착안해 게이트와 채널이 3면 맞닿아 있다.
그러나 핀펫 공정은 3나노 이하 반도체 공정에서는 더 이상 동작전압을 줄일 수 없었다. 동작전압은 동작할 때의 전압을 뜻하는 말로 진공관, 트랜지스터 등 능동 요소를 동작시키기 위해 필요한 전원전압이다.
이를 위해 새롭게 탄생한 기술이 ‘GAA’다. GAA는 3면을 감싼 핀펫에서 한 단계 더 나아가 채널의 아랫면까지 모두 감싸 4면에서 게이트와 채널이 맞닿는다. 원통형을 앞-뒤-위-아랫면까지 모두 놓치지 않고 감싸 쥐는 듯한 구조다.
핀펫보다 전류 누설 문제에서 자유로운 만큼 더 높은 성능을 구현할 것으로 주목받고 있다. 칩이 미세해질수록 불안전성이 커지는 핀펫의 고질적인 문제도 GAA에서 발견할 수 없었다는 점도 특징이다.
◇삼성전자, GAA로 3나노 이하 공정 리더로 ‘우뚝’
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| (이미지=삼성전자 반도체 뉴스룸) |
현재 GAA 기술을 실제 공정에 적용시킨 곳은 삼성전자 파운드리가 유일하다. 파운드리 1위 대만 TSMC의 경우 3나노까지 핀펫 공정을 그대로 적용시킨 뒤 2나노부터 GAA 기술로 양산을 진행한다는 계획이다.
이에 업계에서는 삼성전자가 초미세 공정에서 한 발 앞서간다는 목소리가 나온다. 삼성전자가 3나노에 적용했던 GAA 노하우를 그대로 2나노에도 적용시켜 수율(양품의 비율) 등 변수를 더 빨리 잡을 수 있는 의견이다. 반도체는 장비 하나만 교체하더라도 수율을 잡기 힘들어지는 매우 예민한 특성을 가지고 있다. 전반적인 공정의 전환이 모험으로 평가되는 이유다.
삼성전자는 기존 GAA에서 한발 더 나아가 독자적인 기술을 구축한 상태다. ‘MBCFET™(Multi-Bridge Channel Field Effect Transistor)’ 기술이 그 주인공이다. 초기 GAA 구조의 채널을 더 넓게 만들어, 기존 대비 통로가 넓어져 저항을 줄였다. 이로 인해 전류가 더 많이 흐르게 되면서 누설 전류를 더 효과적으로 제어할 수 있게 됐다.
이러한 MBCFET™은 기존의 트랜지스터보다 전력 소모를 줄이면서도 성능을 향상할 수 있는 차세대 반도체 기술로 평가된다. 단면의 지름이 1나노 정도로 얇은 와이어 형태의 채널이 충분한 전류를 얻기가 힘든 점을 개선해, 종이처럼 얇고 긴 모양의 나노시트를 여러 장 적층해 성능과 전력효율을 높인 기술이다.MBCFET™ 공정은 나노시트 너비를 특성에 맞게 조절할 수 있어 높은 설계 유연성을 갖고 있으며, 핀펫 공정과도 호환성이 높아 기존 설비와 제조 기술을 활용할 수 있다는 점도 특징이다.
삼성전자는 GAA를 기반으로 TSMC를 따라잡을 심산이다. 삼성전자는 앞으로 공정 기술 혁신을 지속해 2025년에는 2나노, 2027년에는 1.4나노 공정을 도입할 계획이다.
삼성전자 관계자는 “3나노에 GAA 기술을 선제적으로 도입해 다양한 검증을 하고, 이를 통해 2나노와 1.4나노의 안정적인 생산 인프라도 선제적으로 구축할 수 있다”며 “이렇게 되면 삼성전자가 앞으로 급증할 3나노 이하 시장을 선점할 수 있게 된다”고 말했다.
전화평 기자 peace201@viva100.com
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