삼성전자, 세계 첫 3나노 파운드리 양산..핀펫 넘은 GAA 기술은 무엇인가

삼성전자 파운드리사업부 (좌측부터) 정원철 상무, 구자흠 부사장, 강상범 상무가 화성캠퍼스 3나노 양산라인에서 3나노 웨이퍼를 보여주고 있다. 삼성전자 제공

삼성전자가 30일 세계 최초로 차세대 트랜지스터 구조인 게이트올어라운드(GAA)라는 기술을 활용해 3나노미터(nm 10억분의 1m) 파운드리(반도체 위탁 생산) 공정의 초도 양산을 시작했다고 밝혔다.  3나노미터 공정은 반도체 제조 공정 가운데 가장 앞선 기술로 GAA 신기술까지 적용한 파운드리 서비스는 삼성전자가 유일하다. 

최시영 삼성전자 사장(파운드리사업부장)은 “파운드리 업계 최초로 하이케이 메탈(누설전류를 줄이는 절연효과가 높은 물질) 게이트와 핀펫, 극자외선(EUV) 등 신기술을 선제적으로 도입한데 이어 이번에 MBCFET(다중가교채널펫) GAA기술을 적용한 3나노 공정의 파운드리 서비스를 처음으로 제공하게 됐다”며 “앞으로도 차별화된 기술을 적극 개발하고, 공정 성숙도를 빠르게 높이는 시스템을 구축해 나가겠다”고 밝혔다.

삼선전자는 이번 공정 적용을 통해 고성능컴퓨팅(HPC)용 시스템 반도체를 초도 생산한데 이어, 모바일 시스템온칩(SoC)으로 생산을 확대해 나갈 예정이다.

삼성전자는 그간 GAA 기술을 적용해 올해 상반기 내 대만의 TSMC보다 먼저 3나노 양산을 시작하겠다는 목표를 제시해왔다. 올해 초 TSMC는 하반기에 3나노 반도체를 양산할 것이라고 밝힌 바 있다.  지난달 조 바이든 미국 대통령이 삼성전자 평택공장을 찾았을 때 이런 GAA 기반 3나노 시제품에 서명해 화제를 모았다.

삼성전자는 이번에 반도체를 구성하는 트랜지스터에서 전류가 흐르는 채널 4개면을 게이트가 둘러 싸는 형태인 차세대 GAA 기술을 세계에서 처음으로 적용했다. 기존 핀펫은 채널의 3개면을 감싸는 구조였던 것과 비교해 이 기술은 게이트의 면적이 넓어지고 공정 미세화에 따른 트랜지스터 성능 저하를 극복하면서 데이터 처리 속도와 전력 효율을 올리는 차세대 반도체 핵심 기술로 손꼽힌다. 삼성전자는 이를 위해 채널을 얇고 넓은 나노시트 형태로 MBCFET GAA 구조를 구현했다. 

나노시트의 폭을 조정하면서 채널 크기를 다양하게 변경할 수 있으며, 기존 핀펫 구조나 일반적인 나노선 형태의 GAA 구조에 비해 전류를 더 세밀하게 조절할 수 있어 고성능·저전력 반도체 설계에 유리하다. 

삼성전자는 이와 함께 3나노 설계 공정 기술 공동 최적화(DTCO)를 통해 소비전력과 성능, 면적(PPA)을 극대화하는데 성공했다. 이번에 공개된 기술은 1세대 3나노 GAA 공정에 해당하는데 이는 기존 5나노 핀펫 공정과 비교해 전력을 45%로 절감하고 성능은 23% 향상하며 면적은 16% 줄일 수 있다. GAA 2세대 공정은 전력을 50% 절감하고, 성능은 30% 올리고, 면적은 35% 줄일 수 있다. 

삼성전자는 고객이 요구하는 소비전력과 성능, 면적을 맞추고 극대화된 전성비(단위 전력당 성능)를 제공하며, 차세대 파운드리 서비스 시장을 주도해 나갈 계획이라고 밝혔다.

[고재원 기자 jawon1212@donga.com]