삼성·TSMC, 미세화 경쟁 치열…"기술 한계 극복하라"

반도체 공정 미세화·첨단화 경쟁이 치열한 가운데 업계가 수율 안정화에 어려움을 겪고 있다.

25일 반도체 업계에 따르면 전 세계 파운드리(반도체 위탁생산) 1·2위 기업인 대만 TSMC와 삼성전자가 첨단 공정에 대한 수율 확보가 계획보다 늦어지고 있다. 업계는 두 기업이 5㎚(나노미터·1㎚=10억 분의 1m) 미만인 3~4나노급 공정을 중심으로 기술적인 난관에 봉착한 것으로 보고 있다.

대만 디지타임스 등 외신에 따르면 TSMC의 3나노급 공정을 활용해 제품을 생산할 계획이던 고객사 일부가 신제품 로드맵 변경을 검토하고 있다.

TSMC가 3나노 공정 수율 확보에 어려움을 겪으면서 지속적인 수정을 가하는 상황에서 고객사들에 확신을 주지 못한 것으로 풀이된다.

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삼성전자도 최근 자사 스마트폰 갤럭시 S22 시리즈에 탑재되는 애플리케이션프로세서(AP) 수율을 안정적으로 확보하지 못했다는 지적에 직면했다. 갤럭시 S22 시리즈가 채택한 AP는 삼성전자 ‘엑시노스 2200’, 퀄컴 ‘스냅드래곤8’ 등 모두 4나노 공정을 적용한 제품이다.

삼성전자는 지난 1월 실적 콘퍼런스 콜에서 이 같은 어려움을 인정하기도 했다.

당시 삼성전자 관계자는 “선단 공정 초기 램프업이 계획 대비 지연된 점은 있다”며 “점진적으로 개선되고 안정될 것으로 예상된다. 앞으로 연구소와 사업부 역량을 모아 선단 공정 조기 수율 개선 방안을 확보하는 것을 추진하고 있다”고 설명했다.

업계가 첨단 공정 수율 안정화에 어려움을 겪는 것을 두고 업계와 학계에서는 기술적인 한계에 직면했다는 분석이 나온다.

안진호 한양대 교수는 “기업들이 기술력은 충분히 있지만 새로운 소재·공정을 도입하다 보니 수율 확보에 어려움을 겪고 있는 것으로 보인다”며 “안정화에 상당한 시간이 걸릴 것으로 예상되지만 노력과 시간을 들여 해결할 수 있는 문제”라고 설명했다.

반도체 제품이 크게 설계와 공정을 거쳐 생산되는 만큼 양쪽 기술력이 맞아떨어져야 안정적인 양산품이 나올 수 있다는 점도 업계에 어려움을 주는 요소다. 이에 업계는 설계·공정을 아우르는 생태계 차원에서 수율 확보를 위한 고민을 이어가고 있다.

반도체 업계 관계자는 “공정 난이도가 선형으로 올라가지 않고 공정을 거듭할수록 급격하게 상승한다”며 “설계·공정 등 모든 분야에서 머리를 맞대 극복해야 할 문제”라고 설명했다.

이에 파운드리 기업들은 차세대 트랜지스터 구조인 GAA(Gate All Around) 기술을 활용해 미세화 공정의 한계를 극복하기 위한 움직임을 보이고 있다.

삼성전자는 3나노 공정부터 GAA를 도입하고 올해 상반기에 양산에 돌입할 계획이다. 이어 2025년에는 2나노 공정을 활용한 제품도 양산한다는 목표다.

TSMC와 미국 인텔 역시 GAA 도입을 준비하고 있다. 그러나 두 기업은 삼성전자와 달리 2나노급 공정부터 이 기술을 적용한다는 방침이다.

반도체 업계에서는 GAA가 연착륙에 성공한다면 생산 공정에 진보가 이뤄질 것으로 기대하고 있다. 과거 극자외선(EUV) 공정을 적용해 한계를 돌파한 것과 맞먹는 성과라는 설명이다.

이 같은 노력에 더해 첨단 공정에서 기술적인 한계를 뛰어넘을 수 있는 새로운 시도가 활발하게 이뤄져야 한다는 주장도 있다.

안 교수는 “새로운 것을 도전적으로 시도해 한계를 돌파해야 한다”며 “현시점에서는 안정적인 방향으로 확장하기보다는 도전적인 연구개발(R&D)에 적극적인 투자를 해야 한다”고 조언했다.
 

최시영 삼성전자 파운드리사업부장(사장)이 지난해 10월 개최된 삼성 파운드리 포럼 2021에서 기조연설을 하고 있다.[사진=삼성전자]