[정보통신신문=김연균기자]

반도체 미세화 공정 기술이 빠르게 진화하면서 핀펫(FinFET) 기술이 지고, 게이트올어라운드(GAA) 기술이 새롭게 뜨고 있다.

최근 출시된 애플의 아이폰12에 탑재되는 M1칩과 삼성 갤럭시 S21에 탑재되는 엑시노스칩은 각각 대만의 TSMC와 삼성의 핀펫 기반 5나노 공정 기술로 제작돼 현존하는 최고의 성능을 가진 것으로 평가된다.

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

그러나 업계에서는 인공지능(AI) 등 기술분야에서 많은 양의 데이터를 처리하기 위해서 현재의 5나노 기술보다 더 미세한 3나노 공정 기술이 필요하다고 전망하고 있다. 이에 따라 핀펫보다 진화된 반도체 미세화 공정기술 경쟁도 치열해질 것으로 예상된다.

게이트올어라운드 기술은 반도체 업계에서 ‘핀펫’ 다음 차세대 기술로 통칭된다. 핀펫 기술은 전류가 흐르는 통로가 ‘윗면-좌측면-우측면’의 3면으로 이뤄지고, 게이트올어라운드 기술은 ‘윗면-좌측면-우측면-아랫면’의 4면으로 이뤄진다.

특허청의 주요 5개국 특허를 분석한 결과를 살펴보면 그동안 반도체 미세화 공정기술의 주력이었던 핀펫 기술 특허가 지난 2017년부터 하락세로 전환됐고, 게이트올어라운드 기술 특허가 증가세를 보이고 있는 것으로 나타났다.

핀펫 기술은 2017년 1936건으로 정점을 찍었고 18년 1636건, 19년 1560건, 20년 1508건(예상치)으로 감소세를 보이고 있다.

반면 핀펫보다 진보된 차세대 반도체 공정 기술로 손꼽히는 게이트올어라운드 관련 특허는 매년 30% 가까이 증가세를 보이며 같은 기간 173건, 233건, 313건, 391건(예상치)으로 증가했다.

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

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

게이트올어라운드를 활용한 초미세 공정기술은 TSMC와 삼성전자의 경쟁이 더욱 치열해질 것으로 예상된다.

삼성전자는 지난 2019년 5월 열린 파운드리 포럼에서 3나노 GAA 초기버전(3GAE)의 공정설계키트(PDK)를 공개한 바 있다. PDK는 파운드리 회사의 제조공정에 최적화된 설계를 지원하는 데이터 파일이다. 삼성전자는 내년 3나노 공정부터 게이트올어라운드 기술을 세계 최초로 적용할 계획이다.

대만의 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.

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

이어 “결국 누가 얼마나 빨리 기술혁신에 성공하고 강한 지재권으로 후발주자의 진입을 차단할 수 있느냐가 경쟁에서 우위를 점하는 지름길이다”라고 덧붙였다.

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