반도체 미세화 공정기술, 핀펫 지고, 게이트올어라운드 뜬다

애플의 아이폰 12와 삼성의 갤럭시 S21 출시로 스마트폰 시장의 경쟁이 뜨겁다.

아이폰12에 탑재되는 M1칩과 갤럭시 S21에 탑재되는 엑시노스칩은 각각 TSMC와 삼성의 핀펫(FinFET) 기반 5나노 공정 기술로 제작돼 현존하는 최고의 성능을 가진 것으로 평가된다.

나노(nm·나노미터)는 반도체 회로 선폭의 단위다. 선폭이 작을수록 칩 크기는 작아지고, 소비전력은 감소하며, 처리 속도는 빨라진다. 이러한 이유로 기존 7나노보다 5나노 공정 기술로 제조된 반도체 칩의 성능이 크게 향상됐다.

앞으로 인공지능 등 기술분야에서 처리해야 할 데이터양은 급증할 것으로 예상된다. 많은 양의 데이터를 처리하기 위해서 현재의 5나노 기술보다 더 미세한 3나노 공정 기술이 필요하다. 이에 따라 핀펫보다 진화된 반도체 미세화 공정기술 경쟁도 치열해질 것으로 예상된다.

반도체 미세화 공정 기술은 어디까지 진화할까? 반도체 미세화 공정기술을 주도했던 핀펫(FinFET) 기술이 지고, 게이트올어라운드(GAA) 기술이 새롭게 뜨고 있다.

GAA기술은 반도체 업계에서 '핀펫(FinFET)' 다음 차세대 기술로 통칭된다. 핀펫기술은 전류가 흐르는 통로가 윗면-좌측면-우측면의 3면으로 이뤄지고, GAA기술은 윗면-좌측면-우측면-아랫면의 4면으로 이뤄진다.

특허청이 주요 5개국 특허를 분석한 결과 그동안 반도체 미세화 공정기술의 주력이었던 핀펫(FinFET) 기술 특허가 지난 2017년부터 하락세로 전환됐고, 게이트올어라운드(GAA) 기술 특허가 증가세를 보이고 있는 것으로 나타났다.

핀펫 기술은 2017년 1천936건으로 정점을 찍었고 2018년 1천636건, 2019년 1천560건, 2020년 1천508건(예상치)으로 감소세를 보이고 있다. 반면 핀펫보다 진보된 차세대 반도체 공정 기술로 손꼽히는 게이트 올어라운드(GAA) 관련 특허는 매년 30% 가까이 증가세를 보이며 같은 기간 173건, 233건, 313건, 391건(예상치)으로 증가했다.

핀펫기술 다출원 순위는 TSMC(臺, 30.7%), SMIC(中, 11%), 삼성전자(8.6%), IBM(美, 8.1%), 글로벌파운드리(美, 5.4%) 등 순으로 나타났다. 핀펫 기술은 대만, 중국, 한국, 미국 기업들이 경쟁하는 모습을 보였다.

GAA 기술 다출원 순위는 TSMC(臺, 31.4%), 삼성전자(20.6%), IBM(美, 10.2%), 글로벌파운드리(美, 5.5%), 인텔(美, 4.7%) 등 순이다. 대만, 한국 기업이 주도하고 있고 미국 기업이 추격하는 모양새다.

글로벌 기업 GAA 특허동향
GAA를 활용한 초미세 공정기술은 TSMC와 삼성전자의 경쟁이 더욱 치열해질 것으로 예상된다. 삼성전자는 내년 3나노 공정부터 GAA 기술을 세계 최초로 적용할 계획이다. TSMC는 2023년 2나노 공정부터 이 기술을 도입할 예정이라고 발표한 상태다.

핀펫 기술분야에서 2위를 기록했던 SMIC(중국의 대표 파운드리 기업)는 순위권에서 밀려났다. 향후 첨단 반도체 분야에서 미국, 한국, 대만의 경쟁속에 중국과의 격차는 더욱 벌어질 것으로 전망되는 이유다.

특허청 반도체심사과 방기인 사무관은 “현재 5나노 이하 공정 기술로 반도체 칩을 제조할 수 있는 기업은 세계에서 TSMC와 삼성전자 밖에 없다”며 “하지만 최근 인텔의 파운드리 사업진출, 바이든 정부의 반도체 집중투자 등을 고려하면 최첨단 반도체에 대한 기술경쟁은 더욱 심화될 것”이라고 전망했다.

이어서 “결국 누가 얼마나 빨리 기술혁신에 성공하고 강한 지재권으로 후발주자의 진입을 차단할 수 있느냐가 경쟁에서 우위를 점하는 지름길”이라고 덧붙였다.