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삼성전자 파운드리, GAAFET로 TSMC와 격차 줄인다

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삼성전자 파운드리, GAAFET로 TSMC와 격차 줄인다

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삼성전자 미국 텍사스 오스틴 공장. 사진=삼성전자
글로벌 파운드리 시장 규모는 2020년 약 820억 달러였다. TSMC는 55%의 글로벌 시장 점유율을 차지하고, 삼성은 15%를 차지하고 있다.

그러나 TSMC는 글로벌 파운드리 부문의 이익 측면에서 삼성을 압도했다. 삼성의 경우 이익률이 5% 미만인데 비해 TSMC는 거의 85%에 달했다. 파운드리 사업에서 TSMC의 이익은 삼성의 17배였다. 분명, 두 글로벌 기업은 치열한 경쟁을 하고 있는데도 아직 삼성전자가 힘이 부족해 보인다고 대만 디지타임스가 분석했다.

삼성은 왜 그렇게 끊임없이 TSMC가 주도하는 파운드리 사업에 도발을 계속하고 있는가? 2030년까지 삼성전자는 세계 파운드리 시장에서 초일류 지배자 위치를 다짐하고 있는데 그 이유는 무엇일까?

세계반도체시장통계기구(WSTS)의 통계에 따르면, 글로벌 반도체 시장 규모는 2020년에 4403억 달러였으며, 2021년에는 25.1% 증가한 5509억 달러로, 세계 반도체 시장이 5000억 달러를 넘어설 것으로 전망하고 있다.

메모리 부문은 2021년에 1611억 달러에 달할 것이며, 2020년 대비 37.1% 증가할 것이라고 본다. 이는 글로벌 시장 점유율 40%를 차지하고 있는 삼성에게 좋은 소식이다. 메모리 분야의 이익은 2021년 한국 반도체 산업에도 매우 중요하다.

2020년 삼성의 매출 중 30.8%가 반도체에서 나왔다. 2021년 매출의 55% 이상이 반도체로 추정된다. 삼성 반도체 부문의 90% 이상이 메모리 사업에서 나온다.

이를 보면, 삼성이나 한국 전체 반도체 산업 구조가 메모리 섹터 쪽으로 지나치게 기울어져 있음을 알 수 있다. 일반적으로 로직과 마이크로프로세서는 위험을 다양화하고 고부가가치 비즈니스 기회를 창출할 수 있는 다양성을 제공하는 것으로 여겨지며 메모리 섹터와 비교할 때 이점이다.

이런 이점 때문에 메모리 절대강자인 삼성전자는 새로운 수익 기반을 만들기 위해 파운드리 분야에서 추가 수익을 얻으려고 천문학적 투자를 준비하고 있다.

이미 TSMC가 높은 장벽을 세워두고 있지만 삼성전자는 여전히 시장 리더십을 장악하기를 바라며 도전에 나서려고 한다.

삼성이 TSMC를 능가할 수 있는 시나리오는 무엇일까?
반도체 기업들은 집적회로(IC) 생산에 있어 공정 미세화뿐 아니라 방식의 다각화로 차별화 전략을 꾀하고 있다.

기존에 주류였던 CMOS 공정 프로세스가 이론적‧실용적‧경제적 한계에 도달함에 따라 IC 설계, 제조업체는 피처 크기 축소, 신소재와 트랜지스터 구조 도입, 웨이퍼의 직경 확대, 팹 장비의 높은 처리량, 공장 자동화 증가, 3D 통합 칩, 첨단 IC 패키징 등의 전반적인 시스템 중심 설계 방식기술을 필요로 하고 있다.

파운드리 업체들은 고성능 마이크로프로세서, 저전력 애플리케이션 프로세서, 14nm 또는 10nm 공정의 고급 로직 방식에 집중하고 있다. 또한 다양한 공정의 프로세스를 제공함에 따라 동일한 기준으로 성능을 비교하는 것이 어려워 졌다.

2014년부터 새롭게 등장한 핀펫(Fin Field Effect Transistor, FinFET) 공정은 기존 평면(2D) 구조의 한계를 극복하기 위해 도입된 입체(3D) 구조의 공정 기술로, 구조가 물고기 지느러미(Fin)와 비슷해 핀펫(FinFET)이라고 부른다. 트랜지스터는 게이트에 전압이 가해지면 채널을 통해 ‘소스(Source)’에서 ‘드레인(Drain)’으로 전류가 흐르며 동작하게 되고, 이때 게이트와 채널과의 접점이 클수록 효율이 높아진다. 핀펫 공정은 핀(Fin) 모양의 3D 구조를 적용했기 때문에 접점 면적을 키워 반도체 성능 향상과 누설 전류를 줄인 기술이다.

핀펫 공정은 인텔을 필두로 삼성전자, TSMC 등이 도입하고 있다. 인텔은 2014년 14nm 핀펫 공정을 처음으로 도입한 이후 2016년 14nm+, 2017년 14nm++로 ‘플러스’ 버전을 확대했고, 2017년 하반기 10nm 공정을 도입했다.

삼성전자는 14nm부터 핀펫 공정 기술을 도입해 성공적으로 양산하고 있으며, 2016년 10월 10nm 핀펫 공정을 업계 최초로 양산했다. TSMC는 16nm+부터 핀펫 공정을 도입했고, 10nm에 이어 2017년 7nm까지 발전시켰다.

FD-SOI(완전 공핍형 실리콘 인슐레이터) 공정은 ST마이크로일렉트로닉스가 처음 개발한 기술이며, 삼성전자가 2014년 ST와 라이선스 계약을 맺고 2015년부터 28nm FD-SOI 공정으로 반도체를 양산을 하면서 보편화 됐다.

FD-SOI 공정은 실리콘 웨이퍼 위에 매우 얇은 절연 산화막을 형성(Silicon On Insulator)한 뒤 그 위로 평면형 트랜지스터 전극을 구성하는 기술이다. FD-SOI는 값비싼 전용 웨이퍼를 필요로 하지만 채널에 불순물을 첨가하는 공정이 불필요하기 때문에 총 웨이퍼 비용은 감소하게 된다. 일례로 삼성의 28nm FD-SOI 공정은 TSMC의 HKMG(하이케이메탈게이트) 공정 대비 원가가 18% 낮은 반면 성능은 15% 높은 것으로 알려졌다. 수율도 향상돼 전체 소요되는 비용 역시 절감된다.

일반적으로 노드 프로세스 기술, 생태계 및 고객 구조에서 웨이퍼 파운드리의 경쟁 우위와 단점을 분석할 수 있다. 최대 28nm의 노드 공정 기술의 진화는 구리 상호 연결 공정, 저유전체 절연체 등과 같은 재료 중심이었다. 14nm 노드 프로세스가 구조 혁신에서 원동력이 나올 때까지는 원동력이 아니었다.

삼성이 개발한 FD-SOI 프로세스는 TSMC의 FinFET와 달랐다. 7nm의 생산은 재료와 구조 혁신 모두에서 압력을 초래했다. 구조적으로 GAAFTE의 새로운 시대에는 붕소 질화물(hBN) 및 전이 금속 이황 화합물(TMD)과 같은 새로운 소재의 적용을 포함한 재료 혁신이 필요하다.

삼성전자는 TSMC와 격차를 줄이기 위해 GAAFET 공정을 조기 도입하고 중장기 투자 규모를 확대할 계획으로 알려졌다

삼성전자는 4nm~7nm EUV FinFET 공정에서 TSMC 추격에 실패했으나, 차세대 3nm 이하 공정에서는 GAAFET(Gate All-Around FET, 혹은 MBCFET; Multi Bridge Channel FET) 공정을 먼저 도입해서 TSMC를 앞서려는 계획이다.

GAAFET는 전류가 흐르는 채널 4면을 게이트가 둘러싸는 구조로 전류 흐름을 보다 세밀하게 제어 가능한 기술로, 현재 FinFET 구조로는 2nm 이하 공정 양산이 어렵기 때문에 GAAFET는 차세대 파운드리 공정 경쟁의 게임 체인저라고 본다.

그러나 삼성은 종종 프로젝트의 지연을 보았기 때문에 고급 노드 프로세스를 가진 최고 수준의 고객의 주문을 실제로 확보할 수 없다면 타임 라인은 별로 의미가 없을 수 있다.

삼성이 TSMC를 능가하려면 공정 기술 개선 외에도 장비 투자, 고객 지원 및 생태계 관행과 같은 문제를 해결해야 한다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com