삼성전자가 TSMC와 3나노미터(nm) 반도체 미세 공정 경쟁을 벌이는 가운데, 게이트올어라운드(GAA) 기술로 승부수를 띄운다.

GAA는 기존 핀펫((FinFET) 기술보다 전력 효율을 높일 수 있는 기술이다. 삼성은 이를 TSMC보다 앞서 적용한다는 계획이다.

25일 업계에 따르면 삼성전자가 내년부터 3나노 공정을 도입하고, 이 공정에 GAA를 적용할 예정이다.

3나노 공정으로 제작된 반도체는 5나노 대비 칩 면적은 35% 줄이면서, 성능과 배터리 효율은 각각 15%와 30% 올릴 수 있는 것으로 알려져 있다. TSMC도 내년을 목표로 3나노 공정을 개발 중인데, TSMC는 여기에 기존 핀펫 기술을 적용할 예정이다.

반도체의 구성을 이루는 트랜지스터는 전류가 흐르는 채널과 채널을 제어하는 게이트로 구분되는데, GAA는 채널의 4면을 게이트가 둘러싸고 있다. 트랜지스터는 게이트와 채널의 접촉면이 많을수록 전류 흐름을 세밀하게 제어할 수 있다.

이에따라 GAA는 반도체의 전류 흐름을 세밀하게 제어하는 등 채널 조정 능력이 높아지는 효과를 볼 수 있다. 게이트와 채널이 3면에서 맞닿아 있는 기존 핀펫 구조보다 GAA가 전력효율을 높일 수 있는 셈이다.

특허청은 최근 주요 5개국(미국, 유럽, 일본, 한국, 중국) 특허를 분석한 결과 핀펫 기술 특허 출원은 2017년부터 하락세로 전환됐고, GAA는 증가세를 보이고 있다고 발표했다.

핀펫은 2017년 1천936건으로 정점을 찍었고 2018년 1천636건, 2019년 1천560건, 2020년 1천508건으로 감소세를 보였다. 반면 GAA 관련 특허는 매년 30% 가까이 증가세를 보이며 같은 기간 173건, 233건, 313건, 391건으로 증가했다.

특허청 관계자는 "현재 5나노 이하 공정 기술로 반도체 칩을 제조할 수 있는 기업은 세계에서 TSMC와 삼성전자밖에 없다"며 "하지만 최근 인텔의 파운드리 사업 진출, 바이든 정부의 반도체 집중 투자 등을 고려하면 최첨단 반도체에 대한 기술경쟁은 더욱 심화될 것"이라고 강조했다.

삼성전자는 지난달 말 미국 반도체 설계자동화(EDA) 업체 시놉시스와 GAA 기반 3나노 공정 테이프 아웃에 성공했다. 테이프 아웃은 공정 개발을 마치고 제조사에 설계도를 넘기는 단계다. 이에따라 삼성전자는 이를 검증한 뒤 3나노 파운드리 공정 시험생산을 시작할 것으로 예상된다.

삼성전자 관계자는 "시놉시스와 협력을 통해 3나노 GAA 공정 약속을 효율적으로 실현할 수 있게 됐다"며 "삼성전자 파운드리는 전문화 및 광범위한 시장 응용 분야에서의 늘어나는 수요에 대응할 것"이라고 강조했다.

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