바이든도 感歎한 三星 'GAA'…무엇이 다를까

東亞닷컴
入力 2022年 5月 23日 20時 39分

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조 바이든 美國大統領이 就任後 첫 아시아 訪問地로 韓國, 그中에서도 삼성전자의 京畿平澤캠퍼스를 찾았다. 바이든의 이같은 行步는 人工知能(AI)과 自律走行, 事物인터넷(IoT), 5世代移動通信(5G) 等尖端技術霸權競爭에서 半導體가 차지하는 重要性을 代辯한다.

就任初期 글로벌 半導體品貴로 인해 生活家電과 自動車物量不足等을 몸소 겪은 바이든은 對外不確實性에도 흔들리지 않을 安定的인 供給網確保의 重要性을 認識하고 있다. 지난해 白堊館에서 열린 半導體品貴對應會議에 三星電子關係者를 招請한 바 있는 바이든은 이番平澤訪問에서 종이 芳名錄代身, 三星電子의 3나노 웨이퍼에 署名하는 깜짝 이벤트까지 進行하며 韓美技術同盟을 再次强調했다.

평택 캠퍼스에서 세계 최초로 양산 예정인 3나노 반도체 웨이퍼에 서명하는 조 바이든 미국 대통령과 윤석열 대통령. 출처=동아일보 — 平澤 캠퍼스에서 世界最初로 量産豫定인 3나노 半導體 웨이퍼에 署名하는 조 바이든 美國大統領과 尹錫悅大統領. 出處=동아일보

超微細工程技術競爭 펼치는 半導體企業들

半導體製造工程에 있어서 核心話頭는 한 張의 웨이퍼(原形의 半導體基板)로 얼마나 많은 半導體를 生産할 수 있느냐다. 작은 面積에 더 많은 回路를 그릴 수 있으면, 半導體 크기를 줄이면서도 性能은 높일 수 있다. 이에 따라 生産性이 높아지고 價格은 내려가기 때문에 超微細工程技術의 實現與否로 半導體企業의 技術力을 評價한다.

윤석열 대통령과 조 바이든 미국 대통령이 각각 서명한 3나노 웨이퍼의 모습. 출처= 대통령실사진기자단 — 尹錫悅大統領과 조 바이든 美國大統領이 各各署名한 3나노 웨이퍼의 모습. 出處= 大統領室寫眞記者團

業界에서는 半導體 칩 안에서 電氣回路들이 다니는 길인 ‘線幅’을 얼마나 더 좁게 具現할 수 있느냐로 技術力을 評價하는데, 이때 使用하는 單位가 나노미터(nm)다. 1나노는 머리카락 굵기의 10萬分의 1 水準으로, 半導體企業들은 나노미터의 數字를 줄이기 위해 熾烈한 競爭을 펼친다.

이같은 超微細工程具現을 可能케 하는 半導體 트랜지스터 構造를 注目할 必要가 있다.

평면 구조와 3차원 핀펫 트랜지스터 구조의 차이. 출처=삼성전자 — 平面構造와 3次元 핀펫 트랜지스터 構造의 差異. 出處=삼성전자

트랜지스터는 半導體를 構成하는 核心小字中 하나로, 電流의 흐름을 컨트롤하는 役割을 한다. 트랜지스터를 構成하는 게이트(Gate)에 電壓을 加하면, 위 이미지賞에 보이는 소스(Source)와 드레인(Drain)으로 電流가 흐르면서 動作하는 方式인데, 超微細工程을 具現하려면 이같은 트랜지스터 또한 漸漸 작아져야 했다. 트랜지스터의 크기를 繼續해서 줄이다 보면, 소스와 드레인 사이 距離도 그만큼 가까워져 게이트가 제 役割을 하지 못하고 漏泄電流를 發生시키는 單채널(Short Channel) 現象이 나타난다. 이를 改善하기 위해 3次元(3D) 救助의 工程技術人 핀펫(FinFET, 위 이미지 오른쪽) 工程이 開發됐다. 핀펫은 게이트와 채널 間接하는 面積이 넓을수록 效率이 높아지는 點에 着眼해 만들어진 構造다. 게이트와 채널이 3面에서 맞닿는 構造로, 接하는 面積을 키워 平面(2D) 構造의 트랜지스터가 갖는 技術的限界를 克服하는 方式이다. 이러한 핀펫 트랜지스터는 現在 5나노 尖端工程에서 活用되고 있지만, 4나노 以下工程에서는 핀펫 構造로도 더는 動作電壓을 줄일 수 없는 限界가 發生한다.

三星電子, GAA(Gate-All-Around) 公正適用 3나노 製品量産臨迫

三星電子는 트랜지스터 構造를 또 한 番 바꿔 限界를 克服하고자 한다. 次世代 3나노 以下工程에 適用할 GAA(Gate-All-Around) 技術이다. GAA 構造의 트랜지스터는 電流가 흐르는 채널의 4面을 모두 게이트가 감싸고 있기 때문에 前류 흐름을 細密하게 制御할 수 있어, 앞서 言及한 핀 트랜지스터의 限界를 克服할 수 있다.

핀펫 트랜지스터와 GAA 트랜지스터 구조의 차이. 출처=삼성전자 — 핀펫 트랜지스터와 GAA 트랜지스터 構造의 差異. 出處=삼성전자

三星電子는 파운드리 分野最大競爭者인 TSMC와 隔差를 뒤집을 게임체인저로 GAA 카드를 갈고 닦아왔다. 三星電子關係者는 “斷面 지름이 1나노미터 程度로 얇은 와이어(Wire) 形態의 채널은 充分한 電流를 얻기 힘든데, GAA 構造의 트랜地터스는 종이처럼 얇고 긴 나노(Nano Sheet)를 여러 張積層하는 方式으로 半導體性能과 電力效率을 높인다"며 "이것이 三星電子의 獨自技術인 MBCFET™(Multi Bridge Channel FET)로, 나노시트 너비度調節이 可能해 높은 設計적 柔軟性을 지녔다”고 說明했다.

삼성전자에 따르면 GAA 救助 트랜지스터는 5나노 핀펫 트랜지스터 對備空間은 35%, 消費電力은 約 50% 節減할 수 있고 性能은 約 30% 改善할 수 있다. 핀펫 工程과의 互換性도 높아, 旣存設備와 製造技術을 그대로 活用할 수 있는 長點도 있다.

최시영 三星電子 파운드리事業部社長은 三星 파운드리 포럼 2021 基調演說에서 “코로나19로 急激한 디지털 轉換이 이뤄지고 있는 가운데 顧客들의 다양한 아이디어가 칩으로 具現될 수 있도록 差別化된 價値를 提供해 나갈 것”이라며 次世代 트렌지스터 技術先占에 對한 自信感을 내비쳤다.

三星電子는 올해 2分期, GAA 技術을 3나노에 導入하고 2023年에는 3나노 2世代, 2025年에는 GAA 基盤 2나노 工程을 適用한 製品을 量産하겠다고 밝혔다.

三星電子關係者는 “지난해 열린 三星 파운드리 포럼 2021에는 歷代 가장 많은 500個社 2000名以上의 팹리스 顧客과 파트너들이 事前登錄하며 次世代技術에 關한 높은 關心을 보였다”고 밝혔다.

조 바이든 미국 대통령이 삼성전자 평택 생산시설을 둘러보다가 양 엄지손가락을 들어 올리는 모습. 출처=동아일보 — 조 바이든 美國大統領이 三星電子平澤生産施設을 둘러보다가 兩 엄지손가락을 들어 올리는 모습. 出處=동아일보

三星電子 파운드리 1位 비전 宣言…硏究開發, 生産라인 擴大에 171兆원 投資

三星電子는GAA를 앞세워 2030年까지 메모리뿐 아니라 시스템半導體分野에서 1位를 차지하겠다는 '시스템半導體 2030비전'을 宣言한 바 있다. 競爭者인 TSMC 追擊을 위해 171兆원을 쏟아부을 豫定으로, 尖端 파운드리 公正硏究開發과 生産라인 建設에 拍車를 加하고 있다.

2021년 1월 4일 당시 평택캠퍼스 생산설비를 점검하는 이재용 부회장의 모습. 출처=삼성전자 — 2021年 1月 4日當時平澤캠퍼스 生産設備를 點檢하는 李在鎔副會長의 모습. 出處=삼성전자

이에 따라 最尖端製品을 量産하는 前哨基地이자, 글로벌 半導體供給 허브로 平澤 캠퍼스를 選定하고 蹴球場 25個 크기의 클린룸 規模를 갖춘 3라인 增設을 올해 下半期까지 마칠 計劃이다. 平澤 3라인의 모든 工程은 스마트 制御 시스템에 依해 全自動으로 管理될 豫定이다.

삼성전자 평택캠퍼스 전경. 출처=삼성전자 — 三星電子平澤캠퍼스 前景. 出處=삼성전자

韓國으로 모이는 글로벌 素部裝企業들

이같은 莫大한 投資에 火星, 平澤等三星前者生産라인 周邊으로 글로벌 所在·裝備企業이 續續據點을 構築하고 있다. 三星電子는 對外不確實性으로부터 素材, 裝備需給의 安定化를 꾀할 수 있고, 글로벌 所在部品企業은 生産能力을 擴大하는 삼성전자의 需要를 잡을 수 있어 相互利害關係가 一致한다.

2020年京畿道平澤에 尖端技術센터를 開所한 獨逸의 世界的인 化學企業 ‘머크'는 最近半導體化學的機械硏磨(CMP) 슬러리 生産 라인을 平澤技術센터에 構築하고, 本格的인 國內生産을 目前에 두고 있다. CMP 슬러리는 半導體 웨이퍼(原版) 表面을 硏磨해 平坦化하는 데 쓰인다.

世界 3大半導體裝備企業으로 꼽히는 램리서치는 競技도 龍仁止哭産業團地에 硏究開發施設인 램리서치 코리아테크놀러지센터를 지난달 構築했으며, 美國化學素材企業 듀폰은 忠南天安에 極紫外線(EUV) 포토레지스트 開發·生産工場을 構築하기 위해 2800萬 달러(350億 원) 規模投資를 發表한 바 있다. 極紫外線 포토레지스트는 微細한 回路를 그리기 위해 웨이퍼 위에 뿌리는 感光液으로 微細工程具現을 위한 核心素材다.

램리서치 코리아테크놀러지센터 모습. 출처=램리서치 — 램리서치 코리아테크놀러지센터 모습. 出處=램리서치

朴在勤韓國半導體디스플레이技術學會長(漢陽大融合電子工學部敎授)은 "파운드리 業界 1位인 臺灣 TSMC는 中國과 地政學的問題로 潛在的인 供給網不安要素를 지녔다"며 "反面 오스틴에 工場을 運營하는 三星은 美國에게는 魅力的인 協力對象이다. 美國이 지닌 設計技術과 三星이 지닌 半導體生産能力을 組合하면 큰 시너지가 날 수 있기 때문에 바이든 大統領이 가장 먼저 平澤을 찾은 것으로 보인다"고 傳했다.

이혁재 서울대 電氣情報工學部敎授는 “韓國과 美國이 軍事同盟에서 技術同盟, 供給網同盟으로 轉換하는 象徵的인 이벤트를 보여줬다”며 “現在三星이 TSMC보다 앞선 超微細工程技術을 適用한 製品을 量産할 것으로 期待되는 狀況인데, 이에 安住하지 말고 核心根幹인 半導體專門人材養成에도 拍車를 加해야 한다”고 말했다.

東亞닷컴 IT專門 김동진 記者 (kdj@itdonga.com)