지난달 14일 삼성전자는 갤럭시 브랜드 탄생 10주년을 맞이해 내년 초 출시 예정인 '갤럭시S10'에 탑재될 자체 개발 AP(Application Processor)를 공개했다. 엑시노스9(9820)이라고 이름 붙은 새 AP는 8나노 핀펫(FinFET) 공정으로 제작됐다. 옥타코어 설계방식 변경과 신경망처리장치(Neural Processing Unit, NPU)를 내장해, 기존 엑시노스 리시즈에 비해 AI 연산능력이 8배나 좋아졌다.

새 AP 공개 당시 눈길을 끈 것은 삼성전자의 시스템 반도체 개발 및 생산역량이었다. 삼성이 새 AP를 7나노가 아닌 8나노 기반에서 생산하기로 한 것은 다소 아쉬운 결정이었으나, 극자외선(EUV)을 활용한 7나노 이하 공정 개발이 비교적 순조롭게 이뤄지고 있다는 사실도 함께 확인할 수 있었다.

삼성은 경기 수원 화성에 6조5000억원을 들여 대규모 극자외선(EUV) 노광라인을 설치 중이다. 작업이 마무리되면 삼성전자는 효율이 획기적으로 향상된 7나노 이하 반도체 양산 시스템을 갖추게 된다. 이런 상황에서 삼성전자 파운드리사업을 총괄하는 정은승 사장이 '3나노 공정 개발 동향'을 공개적으로 밝혀, 전세계 반도체 전문가들의 비상한 관심을 받았다.

정은승 삼성전자 파은드리사업부장(사장)은 현지시간 3일, 미국 샌프란시스코에서 열린 '국제반도체소자학회'(IEDM, International Electronic Devices Meeting)에 참석해 기조연설을 했다. 

정 사장은 '4차 산업혁명과 파운드리(4th Industrial Revolution and Foundry: Challenges and Opportunities)'를 주제로 “4차 산업혁명 시대를 맞아 급증하는 데이터를 처리하기 위해서는 반도체 집적도를 높여 성능과 전력효율을 지속적으로 향상시켜야 한다”고 강조했다. 그는 “이것이 가능하려면 EUV 노광기술, STT-MRAM 등과 같은 첨단 기술 개발이 이뤄져야 한다”고 부연했다.

정 사장은 파운드리 시장의 미래도 전망했다.

그는 “자율주행 자동차, 스마트 홈 등 새로운 아이디어가 실제 구현되려면 높은 수준의 반도체 기술이 필요하며, 파운드리 사업은 반도체를 위탁 제조하는 기존의 역할 뿐만 아니라 디자인 서비스, 패키지(칩 조립), 테스트에 이르기까지 협력을 확대하게 될 것”이라고 말했다.

특히 정 사장은 업계의 기술 동향을 소개하면서 GAA(Gate-All-Around) 트랜지스터 구조를 적용한 3나노 공정 등 삼성전자의 최근 연구 성과를 공개했다. 섬성전자는 7나노 기술을 훨씬 뛰어넘는 3나노 공정에 대한 성능 검증을 끝내고, 기술 완성도를 높여나가고 있다.

정 사장이 말한 3나노 공정 적용 기술은 기존 2세대 10나노급 공정과 근본적으로 다르다. 7나노급 이하 초미세 공정 구현을 위해서는 'EUV 노광 기술'의 안정화가 반드시 선행돼야 한다. 10나노급 반도체는 불화아르곤(ArF) 광원을 이용했지만, 7나노급 이하에서는 이 기술을 쓸 수 없다. 훨씨 정밀한 반도체 회로 패턴을 만들려면 ArF보다 파장이 훨씬 짧은 새로운 광원이 있어야 하기 때문이다. 여기서 대안으로 등장한 것이 바로 EUV다.

이것은 ArF와 비교할 때 파장이 1/14에 불과할 정도로 짧아 초정밀 설계에 강점이 있다. 복잡한 멀티패터닝 공정을 줄여 반도체 성능과 생산성을 동시에 높일 수 있다는 점도 빼놓을 수 없는 특징이다.

정 사장이 언급한 'GAA (Gate-All-Around) 트랜지스터 구조' 역시 매우 흥미로운 대상이다. 현재 반도체 공정에 쓰이는 기술은 '핀펫'이다. 3차원 반도체 공정기술로, 칩의 소형화에 크게 기여했다. 반도체는 크기가 작을수록 연산속도와 전력효율이 높아진다. 

GAA는 핀펫 구조에서 한 걸음 더 나아간 반도체 공정 기술이다. 게이트가 채널의 3면을 감싸고 있는 핀펫과 달리 채널 4개 면 모두를 감싸는 것이 특징이다. 전류 흐름을 더 정밀하게 제어할 수 있다는 장점이 있다.

STT-MRAM을 파운드리 첨단 기술 중 하나로 소개한 점도 주목을 받았다. 'Spin Transfer Torque-Magnetoresistive RAM'의 약자인 STT-MRAM은 자성물질구조를 이용한 메모리 반도체를 일컫는다. 전원이 차단된 상태에서도 데이터가 사라지지 않는 플래시메모리 특성을 갖는다. 데이터 처리 속도가 기존의 D램보다 훨씬 빠르고, 전력소모도 적다.

정 사장이 기조 발제를 맡은 IEDM은 ISSCC(International Solid-State Circuit Conference), VLSI(Very Large Scale Integration) 학회와 함께 세계 3대 반도체 학회 중 하나다.

삼성전자는 '삼성 파운드리 포럼', '삼성전자 파운드리 에코시스템'(SAFE, Samsung Advanced Foundry Ecosystem) 등을 통해 글로벌 고객 및 파트너와 협력하며, 첨단 공정기술 개발 생태계를 강화해 나가고 있다.